一種復合式地源熱泵系統(tǒng)及解決水源熱泵回灌的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及暖通空調行業(yè)地源熱泵領域及生活熱水供應【技術領域】，主要涉及一種復合式地源熱泵系統(tǒng)及解決水源熱泵回灌的方法。包括表層覆蓋層（1）、含水層（2）、強巖層基巖（3）、粘土球回填層（4）、礫石填料層（5）、水泥注漿層（6）、上層套管（7）、過濾管（8）、鋼制套管（9）、裸井側壁（10）、潛水泵（11）、板式換熱器（12）、二次側循環(huán)泵（13）、地源熱泵機組（14）、用戶側循環(huán)泵（15）、用戶末端（16）、分流閥門（17）、常規(guī)回灌井（18）及相關管道。其優(yōu)點是：徹底解決了水源熱泵回灌問題，解決了單井循環(huán)系統(tǒng)熱貫通的問題。換熱效率高，占地面積小、施工工期短、適用性強，系統(tǒng)成本低、壽命長。
【專利說明】一種復合式地源熱泵系統(tǒng)及解決水源熱泵回灌的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及暖通空調行業(yè)地源熱泵領域及生活熱水供應【技術領域】，具體的說是一種復合式地源熱泵系統(tǒng)及解決水源熱泵回灌的方法。
【背景技術】
[0002]近幾年來，環(huán)境問題日益嚴峻，節(jié)能已經成為潮流，環(huán)保已經成為不可阻擋的趨勢。在建筑節(jié)能領域中，地源熱泵作為一種節(jié)能、環(huán)保、綠色的中央空調系統(tǒng)，越來越多的受到人們的重視。然而，眾所周知，國內目前主要采用的是垂直埋管式地源熱泵系統(tǒng)(GCHP)和水源熱泵系統(tǒng)(GWHP)，垂直埋管系統(tǒng)因其初投資較高，制約了進一步推廣與應用，水源熱泵系統(tǒng)因其回灌難度大，對地質結構有潛在影響而發(fā)展受限。
[0003]國外在丘陵地區(qū)，地下巖層致密的區(qū)域采用一種單井循環(huán)系統(tǒng)(SCW)，換熱效率高，鉆孔數(shù)目少，有著獨特的優(yōu)勢。然而，該系統(tǒng)也有著兩方面局限，其一使用地域受限嚴重(只適宜在開孔即強巖層，如花崗巖、石英砂巖等地區(qū)及覆蓋層不厚(30m以內)且覆蓋層下為強巖層的地區(qū))，其二存在垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)不存在的問題一熱貫通。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是研制一種解決水源熱泵回灌，成本低、壽命長、換熱效率高的復合式地源熱泵系統(tǒng)及解決水源熱泵回灌的方法。
[0005]本發(fā)明提供的一種復合式地源熱泵系統(tǒng)，包括:表層覆蓋層1、含水層2、強巖層基巖3、粘土球回填層4、礫石填料層5、水泥注漿層6、上層套管7、過濾管8、鋼制套管9、裸井側壁10、潛水泵11、板式換熱器12、二次側循環(huán)泵13、地源熱泵機組14、用戶側循環(huán)泵15、用戶末端16、分流閥門17、常規(guī)回灌井18及相關管道；在表層覆蓋層1、含水層2、強巖層基巖3內2-3m的空間里依次向上設置所述鋼制套管9、過濾管8、上層套管7，所述上層套管7與過濾管8及鋼制套管9通過絲扣連接，在鋼制套管9與強巖層基巖3間隙內設置有2-3m的水泥注漿層6，水泥注漿層6上部含水層2間隙內設置有礫石填料層5，在礫石填料層5上部表層覆蓋層I間隙內設置有粘土球回填層4，直至地表；
所述裸井側壁(10)為鉆機在強巖層基巖(3)內鉆孔形成的圓柱狀型井壁，裸井側壁
(10)位于鋼制套管(9)以下，上層套管(7)、過濾管(8)、鋼制套管(9)、裸井側壁(10)依次向下形成一個“T”型容器，所述潛水泵(11)設置在“T”型容器底部，所述常規(guī)回灌井(18)設置在表層覆蓋層(I)、含水層(2)的空間里，強巖層基巖(3)之上；所述潛水泵(11)通過管道與板式換熱器(12) —次側進水端連接，板式換熱器(12)的回水端通過回水管道連接一個三通，三通一端置于“T”型容器上部，三通另一端與分流閥門(17)—端連接，分流閥門(17)另一端通過管道接至常規(guī)回灌井(18);板式換熱器(12)的二次側依次與二次側循環(huán)泵(13)、地源熱泵機組(14)的地源側通過管道連接后形成循環(huán)回路，所述地源熱泵機組
(14)的負載側依次與所述用戶側循環(huán)泵(15)、用戶末端(16)通過管道連接后形成循環(huán)回路。[0006]所述含水層2厚度不超過50m,所述強巖層基巖3深入距離為IOOm?500m。
[0007]所述粘土球回填層4中粘土球的粒徑為4-5cm，粘土球回填層4層厚為表層覆蓋層I厚度，所述礫石填料層5采用直徑5-10 mm的礫石填充，礫石填料層5填充厚度為含水層2層厚；所述水泥注漿層6的填充厚度為2-3m。
[0008]所述上層套管7、過濾管8、鋼制套管9管徑均為325mm。
[0009]所述潛水泵11與“T”型容器底部的距離為5m。
[0010]所述分流閥門17的開度為O-極限開度，極限開度為常規(guī)回灌井18的回灌量達到極限時分流閥門17對應的開度。
[0011]所述常規(guī)回灌井18與所述“T”型換熱器的水平距離為30-60m。
[0012]所述“T”型容器可以并聯(lián)設置多個，“T”型容器上部直徑為325mm，高度不超過50m，“T”型容器下部直徑為200mm，高度為100_500m。
[0013]本發(fā)明還提供了一種解決水源熱泵回灌的方法，包括以下步驟:
a、采用水井鉆機成孔，孔徑為550?600mm，鉆機首先穿透表層覆蓋層I，之后進入到含水層2，揭穿含水層2后，鉆機進入強巖層基巖3，進入強巖層基巖3深度為2?3m后停鉆，在鉆孔內向上依次設置鋼制套管9、過濾管8及上層套管7，上層套管7與過濾管8及鋼制套管9通過絲扣連接；
b、在鉆孔與鋼制套管9的間隙注入水泥漿，注入深度2?3m，凝固后形成水泥注漿層
6 ；
C、在水泥注漿層6凝固后，在水泥注漿層6上部安裝礫石填料，礫石填料至含水層2頂部2-3m時結束，形成礫石填料層5，在礫石填料層5上方安裝粘土球回填層4，至地表為止；
d、在完成以上工序后，再次架設鉆機，在上層套管7、過濾管8及鋼制套管9中間繼續(xù)向下鉆孔，鉆孔孔徑為200mm，鉆孔深入強巖層基巖(3)距離為100-500m，鉆孔完成后形成一個由上層套管7、過濾管8、鋼制套管9及下部裸井側壁10組成的“T”型容器。在距離“T”型容器30-60m的地方架設鉆機，穿透表層覆蓋層I，之后進入到含水層2鉆取一 口常規(guī)回灌井18 ；
e、向“T”型容器注入清水，形成一個“T”型換熱器，在“T”型換熱器底部安裝潛水泵11，通過管道將潛水泵11接至板式換熱器12的一次側，板式換熱器12的二次側依次與二次側循環(huán)泵13、地源熱泵機組14的地源側連接后形成循環(huán)回路，所述地源熱泵機組14的負載側依次與所述用戶側循環(huán)泵15、用戶末端16連接后形成循環(huán)回路，經過板式換熱器12換熱后的回水管道上設置三通，三通一端連接至“T”型換熱器上部，三通另一端安裝分流閥門17，分流閥門17通過管道與常規(guī)回灌井18相連。
[0014]所述“T”型換熱器可以并聯(lián)設置多個。
[0015]本發(fā)明提供的一種復合式地源熱泵系統(tǒng)及解決水源熱泵回灌的方法，其優(yōu)點是:
1、徹底解決了水源熱泵回灌問題，可以做到100%回灌。
[0016]2、解決了單井循環(huán)系統(tǒng)熱貫通的問題。
[0017]3、換熱效率高，較常規(guī)地埋管式地源熱泵效率高大大提高，一個“T”型換熱器能提供的熱量可達1500kW。
[0018]4、占地面積小、施工工期短、適用性強。
[0019]5、系統(tǒng)成本低、壽命長，壽命可達常規(guī)水源熱泵水井壽命的10倍以上?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明一種復合式地源熱泵系統(tǒng)的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖1所示，一種復合式地源熱泵系統(tǒng)，包括:表層覆蓋層1、含水層2、強巖層3、粘土球回填層4、礫石填料層5、水泥注漿層6、上層套管7、過濾管8、鋼制套管9、裸井側壁
10、潛水泵11、板式換熱器12、二次側循環(huán)泵13、地源熱泵機組14、用戶側循環(huán)泵15、用戶末端16、分流閥門17、常規(guī)回灌井18及相關管道；在表層覆蓋層1、含水層2、強巖層基巖3內2-3m的空間里依次向上設置鋼制套管9、過濾管8、上層套管7，上層套管7與過濾管8及鋼制套管9通過絲扣連接，在鋼制套管9與強巖層基巖3間隙內設置有水泥注漿層6，水泥注漿層6上部含水層2間隙內設置有礫石填料層5，在礫石填料層5上部表層覆蓋層I間隙內設置有粘土球回填層4，直至地表；
裸井側壁(10)為鉆機在強巖層基巖(3)內鉆孔形成的圓柱狀型井壁，裸井側壁(10)位于鋼制套管(9)以下，上層套管(7)、過濾管(8)、鋼制套管(9)、裸井側壁(10)依次向下形成一個“T”型容器，所述潛水泵(11)設置在“T”型容器底部，所述常規(guī)回灌井(18)設置在表層覆蓋層(I)、含水層(2)的空間里，強巖層基巖(3)之上；所述潛水泵(11)通過管道與板式換熱器(12) —次側進水端連接，板式換熱器(12)的回水端通過回水管道連接一個三通，三通一端置于“T”型容器上部，三通另一端與分流閥門(17)—端連接，分流閥門(17)另一端通過管道接至常規(guī)回灌井(18);板式換熱器(12)的二次側依次與二次側循環(huán)泵(13)、地源熱泵機組(14)的地源側通過管道連接后形成循環(huán)回路，所述地源熱泵機組(14)的負載側依次與所述用戶側循環(huán)泵(15)、用戶末端(16)通過管道連接后形成循環(huán)回路。
[0022]本實施例中，“T”型容器可以并聯(lián)設置多個，“T”型容器上部直徑為325mm，高度不超過50m，“T”型容器下部直徑為200mm，高度為100_500m。
[0023]本發(fā)明還提供了一種解決水源熱泵回灌的方法，包括以下步驟:
a、采用水井鉆機成孔，孔徑為550?600mm，鉆機首先穿透表層覆蓋層I，之后進入到含水層2，揭穿含水層2后，鉆機進入強巖層基巖3，進入強巖層基巖3深度為2?3m后停鉆，在鉆孔內向上依次設置鋼制套管9、過濾管8及上層套管7，上層套管7與過濾管8及鋼制套管9通過絲扣連接；
b、在鉆孔與鋼制套管9的間隙注入水泥漿，注入深度2?3m，凝固后形成水泥注漿層
6;水泥注漿層6確保鋼制套管9嵌入強巖層基巖3 ；
C、在水泥注漿層6凝固后，在水泥注漿層6上部安裝礫石填料，礫石填料至含水層2頂部2-3m時結束，形成礫石填料層5，在礫石填料層5上方安裝粘土球回填層4，至地表為止；
d、在完成以上工序后，再次架設鉆機，在上層套管7、過濾管8及鋼制套管9中間繼續(xù)向下鉆孔，鉆孔孔徑200mm,鉆孔深入強巖層基巖3為100-500m,鉆孔完成后形成一個由上層套管7、過濾管8、鋼制套管9及下部裸井側壁10組成的“T”型容器。在距離“T”型容器30-60m的地方架設鉆機，穿透表層覆蓋層I，之后進入到含水層2鉆取一 口常規(guī)回灌井18 ；
e、向“T”型容器注入清水，形成一個“T”型換熱器，在“T”型換熱器底部安裝潛水泵11，通過管道將潛水泵11接至板式換熱器12的一次側，板式換熱器12的二次側依次與二次側循環(huán)泵13、地源熱泵機組14的地源側連接后形成循環(huán)回路，所述地源熱泵機組14的負載循環(huán)側依次與所述用戶側循環(huán)泵15、用戶末端16連接后形成循環(huán)回路，經過板式換熱器12換熱后的回水管道上設置三通，三通一端連接至“T”型換熱器上部，三通另一端安裝分流閥門17，分流閥門17通過管道與常規(guī)回灌井18相連。
[0024]本實施例中，“T”型換熱器可以并聯(lián)設置多個。
[0025]本實施例中:表層覆蓋層I厚度為當?shù)貙嶋H表層覆蓋層厚度。含水層2厚度不超過50m。強巖層基巖3為石英砂巖、花崗巖、娃質灰?guī)r、娃質膠結碌巖等致密的遇水不易坍塌的巖層。粘土球回填層4中粘土球的粒徑為4-5cm，層厚為表層覆蓋層厚度，采用粘土封堵，為常規(guī)水井用封堵材料及封堵方法。礫石填料層5采用直徑5-10 _的礫石填充，填充厚度為含水層厚度。水泥注漿層6采用水泥注漿，厚度為2?3m，注漿凝固后鋼制套管9嵌入強巖層基巖3。
[0026]上層套管7為鋼管，Φ325mm，厚度8mm，底部與過濾管8通過絲扣連接。過濾管8為花管，采用Φ325的鋼管，在其表面上鉆鑿圓形網眼或條形孔，呈梅花狀排列，圓眼直徑20mm，縱向眼距60mm，在濾水管外壁鋪設若干墊筋，為0 6-0 8mm，然后包裹60目的尼龍網。鋼制套管9為鋼管，Φ325ι?πι,厚度8mm,上部與過濾管8通過絲扣連接。裸井側壁10為鉆孔形成的強巖層基巖3壁面，Φ200mm，裸井底部與鋼制套管9的實際距離選擇為400m。
[0027]潛水泵11:安裝于強巖層基巖3鉆孔內，距離強巖層基巖3鉆孔底部5m。板式換熱器12為常規(guī)換熱器。二次側循環(huán)泵13為清水泵。地源熱泵機組14為換熱機組。用戶側循環(huán)泵15為清水泵。用戶末端16為風機盤管、地板輻射采暖盤管、新風機組中的一種。
[0028]分流閥門17為電動可調式比例調節(jié)閥，平時閥門開度控制在10%以內，能大大延長換熱器壽命，使壽命能達30年以上；通過調節(jié)分流閥門17的開度可以控制回灌量，當常規(guī)回灌井18達到最大回灌能力時分流閥門17會有一個對應的開度，此開度為極限開度，分流閥門17的開度在O?極限開度內?？梢酝ㄟ^分次逐步調大分流閥門17的開度，觀測回灌井18的水位，直至常規(guī)回灌井18的水位將溢未溢且又達到平衡時，此時對應的閥門開度為極限開度，此時能夠確保100%回灌；在該系統(tǒng)出現(xiàn)熱貫通的情況下調大分流閥門17的開度，可以使系統(tǒng)很快恢復正常，徹底解決熱貫通。常規(guī)回灌井18為常規(guī)水井，內部Φ325的上層套管7及Φ325的過濾管8，用于分流的10%以內的水的回灌，距離“T”型換熱器30?60mo
[0029]本發(fā)明提供的一種復合式地源熱泵系統(tǒng)及解決水源熱泵回灌的方法的工作原理:潛水泵11從“T”型換熱器底部抽水經過管路將水送往板式換熱器12換熱，經過換熱后的水流經三通，一部分水回到“T”型換熱器上部，在潛水泵11的抽吸作用下，水沿著“T”型換熱器自上而下流動，在流動過程中不斷與巖壁換熱，到達底部后又被潛水泵11抽至板式換熱器12換熱，形成第一個循環(huán)，第一個循環(huán)回水上設置有三通。經過三通后的另一部分水經過分流閥門17送至常規(guī)回灌井18。由于分流作用，“T”型換熱器上部水位下降，含水層2會通過過濾管8不停的補充水，補水的量與分流閥門17分流的水量平衡。板式換熱器12的二次側通過二次側循環(huán)泵13將自一次側的冷(熱)量送至熱泵機組14的地源側進行循環(huán)換熱，這是第二個循環(huán)，熱泵機組14的另一側即負載側在用戶側循環(huán)泵15的作用下將冷(熱)送往末端用戶16，為用戶提供冷熱服務，這是第三個循環(huán)。經過三個循環(huán)，該新型復合地源熱泵系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定、高效的為用戶提供冷熱服務。[0030]本發(fā)明提供的一種復合式地源熱泵系統(tǒng)及解決水源熱泵回灌的方法的優(yōu)點是:
1、徹底解決了水源熱泵回灌問題，可以做到100%回灌。
[0031]2、解決了單井循環(huán)系統(tǒng)熱貫通的問題。
[0032]3、換熱效率高，較常規(guī)地埋管式地源熱泵效率高大大提高，一個“T”型換熱單元能提供的熱量可達1500kW。
[0033]4、占地面積小、施工工期短、適用性強。
[0034]5、系統(tǒng)成本低、壽命長，壽命可達常規(guī)水源熱泵水井壽命的10倍以上。
[0035]經過實踐證明，該發(fā)明在某地源熱泵綜合試驗平臺經過多次試驗，試驗結果證明該發(fā)明應用效果良好，優(yōu)勢明顯。
【權利要求】
1.一種復合式地源熱泵系統(tǒng)，其特征在于:包括表層覆蓋層(1)、含水層(2)、強巖層基巖(3)、粘土球回填層(4)、礫石填料層(5)、水泥注漿層(6)、上層套管(7)、過濾管(8)、鋼制套管(9)、裸井側壁(10)、潛水泵(11)、板式換熱器(12)、二次側循環(huán)泵(13)、地源熱泵機組(14)、用戶側循環(huán)泵(15)、用戶末端(16)、分流閥門(17)、常規(guī)回灌井(18)及相關管道； 在表層覆蓋層(1)、含水層(2)、強巖層基巖(3)內2-3m的空間里依次向上設置所述鋼制套管(9)、過濾管(8)、上層套管(7)，所述上層套管(7)與過濾管(8)及鋼制套管(9)通過絲扣連接，在鋼制套管(9)與強巖層基巖(3)間隙內設置有水泥注漿層(6)，水泥注漿層(6)上部含水層(2)間隙內設置有礫石填料層(5)，在礫石填料層(5)上部表層覆蓋層(1)間隙內設置有粘土球回填層(4)，直至地表； 所述裸井側壁(10)為鉆機在強巖層基巖(3)內鉆孔形成的圓柱狀型井壁，裸井側壁(10)位于鋼制套管(9)以下，上層套管(7)、過濾管(8)、鋼制套管(9)、裸井側壁(10)依次向下形成一個“T”型容器，所述潛水泵(11)設置在“T”型容器底部，所述常規(guī)回灌井(18)設置在表層覆蓋層(1)、含水層(2)的空間里，強巖層基巖(3)之上；所述潛水泵(11)通過管道與板式換熱器(12) 一次側進水端連接，板式換熱器(12)的回水端通過回水管道連接一個三通，三通一端置于“T”型容器上部，三通另一端與分流閥門(17)—端連接，分流閥門(17)另一端通過管道接至常規(guī)回灌井(18);板式換熱器(12)的二次側依次與二次側循環(huán)泵(13)、地源熱泵機組(14)的地源側通過管道連接后形成循環(huán)回路，所述地源熱泵機組(14)的負載側依次與所述用戶側循環(huán)泵(15)、用戶末端(16)通過管道連接后形成循環(huán)回路。
2.根椐權利要求1所述的一種復合式地源熱泵系統(tǒng)，其特征在于:所述含水層(2)厚度不超過50m ;所述強巖層基巖(3)深入距離為1OOm~500m。
3.根椐權利要求1所述的一種復合式地源熱泵系統(tǒng)，其特征在于:所述粘土球回填層(4)中粘土球的粒徑為4-5cm，粘土球回填層(4)層厚為表層覆蓋層(1)厚度，所述礫石填料層(5)采用直徑5-10 mm的礫石填充，礫石填料層(5)填充厚度為含水層(2)層厚；所述水泥注漿層(6)的填充厚度為2-3m。
4.根椐權利要求1所述的一種復合式地源熱泵系統(tǒng)，其特征在于:所述上層套管(7)、過濾管(8)、鋼制套管(9)管徑均為325mm。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種復合式地源熱泵系統(tǒng)，其特征在于:所述潛水泵(11)與T型容器底部的距離為5m。
6.根椐權利要求1所述的一種復合式地源熱泵系統(tǒng)，其特征在于:所述分流閥門(17)的開度為O-極限開度，極限開度為常規(guī)回灌井(18)的回灌量達到極限時分流閥門17對應的開度。
7.根椐權利要求1所述的一種復合式地源熱泵系統(tǒng)，其特征在于:所述常規(guī)回灌井(18)與所述“T”型容器的水平距離為30-60m。
8.根椐權利要求7所述的一種復合式地源熱泵系統(tǒng)，其特征在于:所述“T”型容器可以并聯(lián)設置多個，“T”型容器上部直徑為325mm，高度不超過50m，“T”型容器下部直徑為200mm,高度為 100-500m。
9.一種解決水源熱泵回灌的方法，其特征在于:包括以下步驟: a、采用水井鉆機成孔，孔徑為550~600mm，鉆機首先穿透表層覆蓋層(1 )，之后進入到含水層(2 )，揭穿含水層(2 )后，鉆機進入強巖層基巖(3 )，進入強巖層基巖(3 )深度為2~3m后停鉆，在鉆孔內向上依次設置鋼制套管(9)、過濾管(8)及上層套管(7)，上層套管(7)與過濾管(8)及鋼制套管(9)通過絲扣連接； b、在鉆孔與鋼制套管(9)的間隙注入水泥漿，注入深度2~3m，凝固后形成水泥注漿層(6)； C、在水泥注漿層(6)凝固后，在水泥注漿層(6)上部安裝礫石填料，礫石填料至含水層(2)頂部2-3m時結束，形成礫石填料層(5)，在礫石填料層(5)上方安裝粘土球回填層(4)，至地表為止； d、在完成以上工序后，再次架設鉆機，在上層套管(7)、過濾管(8)及鋼制套管(9)中間繼續(xù)向下鉆孔，鉆孔孔徑為200mm，鉆孔深入強巖層基巖(3)距離為100-500m，鉆孔完成后形成一個由上層套管(7)、過濾管(8)、鋼制套管(9)及下部裸井側壁(10)組成的“T”型容器；在距離“T”型容器30-60m的地方架設鉆機，穿透表層覆蓋層1，之后進入到含水層2鉆取一口常規(guī)回灌井(18); e、向“T”型容器注入清水，形成一個“T”型換熱器，在“T”型換熱器底部安裝潛水泵(11)，通過管道將潛水泵(11)接至板式換熱器(12)的一次側，板式換熱器(12)的二次側依次與二次側循環(huán)泵(13)、地源熱泵機組(14)的地源側連接后形成循環(huán)回路，所述地源熱泵機組(14)負載側依次與所述用戶側循環(huán)泵(15)、用戶末端(16)通過管道連接后形成循環(huán)回路，經過板式換熱器(12) 二次側換熱后的回水管道上設置三通，三通一端連接至T型換熱器上部，三通另一端安裝分流閥門(17)，分流閥門(17)通過管道與常規(guī)回灌井(18)相連。
10.根據(jù)權利要 求9所述的一種解決水源熱泵回灌的方法，其特征在于:所述的“T”型換熱器可以并聯(lián)設置多個。
【文檔編號】F25B30/06GK103940151SQ201410139688
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權日:2014年4月9日
【發(fā)明者】李海峰, 高學軍, 蘭壘 申請人:中冶集團武漢勘察研究院有限公司