一种地源热综合利用系统及供热方法
阅读说明：本技术 一种地源热综合利用系统及供热方法 (Ground source heat comprehensive utilization system and heat supply method ) 是由 郝同法 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：一种地源热综合利用系统,包括热泵机组、岩层换热系统、储热系统、矿井降温系统、控制系统。通过将热泵机组与岩层换热系统、储热系统和矿井降温系统连接,并进行温度和流量控制,能够更高效地、更合理地利用深层地热能,通过设置多种供/回水路径,既可以满足井下采矿作业需求,也可以满足井上用户的热水需求,本发明通过将热管嵌设在深层围岩内,将矿井围岩中的热能汲取出来,与热泵机组中的低温水进行换热,进而将低品位热能提升品质后供给不同的场所使用,整个过程耗电量较现有技术采用大功率风机送风,具有极大的产业价值和环保价值,此外,本发明通过控制系统控制各个子系统的温度和水流量,提高了深层矿井内作业人员的舒适度。(A ground source heat comprehensive utilization system comprises a heat pump unit, a rock stratum heat exchange system, a heat storage system, a mine cooling system and a control system. The heat pump unit is connected with the rock stratum heat exchange system, the heat storage system and the mine cooling system, temperature and flow control is carried out, deep geothermal energy can be efficiently and reasonably utilized, and various water supply/return paths are arranged, so that the requirements of underground mining operation and hot water requirements of aboveground users can be met.)
技术领域
本发明涉及采矿技术领域，具体涉及一种地源热综合利用系统及供热方法。
背景技术
随着近年来金属矿井开采深度的增加，矿井内围岩温度也逐渐升高，矿井高温已经成为金属矿开采的重大问题之一，学术界普遍认为未来金属矿矿井的极限深度不仅取决于矿山机械水平，更取决于矿井的降温技术，按我国平均地温梯度0.035℃/m计算，千米深的围岩温度要比地表恒温带增加35℃以上，例如，地表恒温层温度为15℃时，千米深的围岩温度将在50℃以上，可想而知，在井下1000米，如果没有矿井通风系统降温，工人将无法正常作业。
深层矿井内的热源主要有：围岩释热、矿山采掘机械散热、氧化释热以及风流自压缩等，其中，围岩释热约占57%、矿山采掘机械散热约占15~20%，氧化释热占12%，风流自压缩约占9%，由此可见，矿井热害主要围岩释热的影响，而通常对围岩释热的消除方法主要有两种：当深井开采深度不超过1600mm时，采用大功率的通风系统即可满足要求，而当深井开采深度超过1600m时，就要采取制冷系统进行降温，而国内矿山因为开采深度和成本的原因，目前大多采用通风系统进行降温，但是，金属采矿作业周期长，大功率的通风系统长期工作，用电量极大，且深层矿井内甬道过多时，通风系统的用电量将远远超过矿山采掘机械的用电量，此外，深层围岩温度较高，直接排出容易造成矿坑出口环境温度过高，形成局部热岛效应，且容易造成热能的浪费。
因此，如何降低深层矿井内围岩温度，使施工作业人员感觉舒适，在降低矿井采掘能耗的同时，实现深层围岩储能的合理利用，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是通过综合利用深层地热能，提供一种地源热综合利用系统及供热方法，可以使深层金属矿井中的热能得到高效利用，并实现节能减排和环境保护。
一种地源热综合利用系统，包括热泵机组、岩层换热系统、储热系统、矿井降温系统、控制系统。其中，所述热泵机组的冷凝发单元与热用户通过供热管网连接，所述热泵机组的蒸发单元与岩层换热系统通过第一管路系统连接，所述岩层换热系统通过第二管路系统与储热系统连接，所述储热系统通过第三管路系统与热泵机组的蒸发单元的输入端连接，所述热泵机组的蒸发单元的输出端还与所述矿井降温系统通过第四管路连接，所述控制系统分别与热泵机组、岩层换热系统、储热系统、矿井降温系统电路连接，通过所述控制系统，可以控制所述热泵机组、岩层换热系统、储热系统、矿井降温系统的状态。
所述热泵机组的冷凝单元的输出端与热用户通过供热管网（即市政供热管网）进行连接，进而，通过控制系统控制热泵机组的运行，可以将所述岩层换热系统收集的岩层储热供给热用户进行采暖或满足家用户生活热水需求。
金属矿井在竖向上的地质分布依次为地表层、恒温层和矿井围岩层，所述热泵机组设置在地表层上，所述热泵机组用于将低品位的地热能转化为高品位的热力能，进而输送至供热管网供热用户使用；所述岩层换热系统设置在竖井和甬道中，竖向的竖井与多条横向的甬道连通，所述岩层换热系统包括第一管路系统、热管、热端头以及设置在第一管路系统上的循环水泵。所述热泵机组的蒸发单元与第一管路系统连接，所述第一管路系统包括多条供水管路和多条回水管路，每条所述供水管路又包括供水干管和供水支管，多个所述供水支管并联在所述供水干管上，每条所述回水管路包括回水干管和回水支管，多个所述回水支管并联在所述供水干管上，每条所述供水支管通过换热端头与所述回水支管连接，所述热端头与热管连接，所述热管插设在矿井围岩层中，通过所述换热端头流动的低温水与矿井围岩层中储存的热能进行换热，换热后的水温度升高，通过所述回水支管流入所述回水干管中。
进一步地，在布设安装岩层换热系统之前，需要通过隧道打孔机或锚固设备对所述竖井和甬道周边的围岩进行打孔，打孔的孔径与所述热管的外径相同，所述热管与竖井或甬道的连接处采用密封剂进行密封固定，防止热管掉落。
所述第二管路系统属于回水干管的旁通管路，所述回水干管的一部分回水通过第二管路系统流入储热系统进行储热，所述储热系统从外到内依次包括保温层、储能层以及储热换热器，所述保温层包含有保温材料，防止储热系统储存的热量由于温差扩散至矿井围岩层中；所述储能层采用相变材料，所述储能层内部包裹有储热换热器，所述第二管路系统与储热换热器的入口连接，所述储热换热器的出口通过所述第三管路系统与热泵机组的蒸发单元的输入端连接，所述储热换热器用于将换热热水中的热量储存到储能层内，进而实现多余供热热量的储存。
所述回水干管与第二管路系统通过第一三通阀连接，所述第一三通阀与控制系统电连接。
所述热泵机组的蒸发单元的输出端与矿井降温系统连接，通过所述矿井降温系统实现对深层金属矿井的降温，实现矿井内部温度调节，进而确保工人安全作业，不会因为深层围岩释热导致昏厥。
所述矿井降温系统包括单元式送风筒、降温换热器、降温风机，其中，所述单元式送风筒在进风方向上依次设置有吸风口、过滤净化单元、降温换热器、降温风机和出风口，所述降温换热器与供水支管和回水支管连接，所述矿井降温系统可以沿竖井高度方向或甬道长度方向上设置为多个，进而通过层层加压送风，可以消除消除围岩释热和矿山采掘机械散热形成的热负荷，也可以将井外的氧气送入井底，进而维持深层井下的作业舒适度。
在所述降温换热器与供水支管连接的管路上设置有第一流量控制阀，在所述降温换热器与回水支管连接的管路上设置有第二流量控制阀，所述第一/二流量控制阀与控制系统电连接。
岩层换热系统、储热系统、矿井降温系统内均设置有温度传感器，用于检测地源热综合利用系统的每个子系统的进/出水温度，进一步地，岩层换热系统的第一管路系统的回水管路一端设置有第一温度传感器和第一调节阀，第一温度传感器用于检测岩层换热水的温度，储热系统的储热换热器中设置有第二温度传感器，储热换热器所连接的第三管路系统上设置有第二调节阀，第二温度传感器用于检测储热水的温度，所述矿井降温系统的降温换热器内设置有第三温度传感器，用于检测所述热泵机组供应给矿井降温系统的冷冻水的温度。所述第一/二/三温度传感器与控制系统电连接，所述控制系统根据所述第一温度传感器检测的第一调节温度调节第一调节阀的开度，所述控制系统根据所述第二温度传感器检测的第二调节温度调节第二调节阀的开度，所述控制系统根据所述第三温度传感器控制第一流量控制阀和/或第二流量控制阀的开度。
所述控制系统与触屏式操作屏连接，技术人员可以通过触屏式操作屏设置与第一调节温度相对应的第一调节预设温度，与第二调节温度相对应的第二调节预设温度，与第三调节温度相对应的第三调节预设温度。
基于上述地源热综合利用系统，本发明还包含如下控制方法：
步骤SS1: 当所述第一温度传感器检测的第一调节温度低于第一调节预设温度范围的最小值时，仅控制所述第一三通阀使其旁通管路打开，使所述回水支管中的水流经第二管路系统进入储热换热器储热；
步骤SS2: 当所述第二温度传感器检测的第二调节温度高于第二调节预设温度范围的最小值时，打开第二调节阀，使储热换热器13中的水进入第三管路系统；
步骤SS3: 当所述第三温度传感器检测的第三调节温度低于第三调节预设温度范围的最小值时，减小所述第一流量控制阀的开度和/或增大所述第二流量控制阀的开度。
优选地，本发明在上述控制方法的基础上，控制方法进一步包含：
步骤SS4: 当所述第一温度传感器检测的第一调节温度在第一调节预设温度范围内时，仅控制所述第一三通阀其直通管路打开，使所述回水支管中的水流经第一管路系统返回所述热泵机组，并减小所述第一调节阀的开度；
步骤SS5: 当所述第一温度传感器检测的第一调节温度在第一调节预设温度范围内时，控制所述第一三通阀其旁通管路和直通管路均打开；
步骤SS6: 在步骤SS5的基础上，当所述第二温度传感器检测的第二调节温度高于第二调节预设温度范围的最小值时，打开所述第二调节阀，使所述储热换热器中的水进入第三管路系统；
步骤SS7: 在步骤SS5的基础上，当所述第二温度传感器检测的第二调节温度低于第二调节预设温度范围的最小值时，关闭所述第二调节阀，使所述储热换热器中的水进行蓄热；
步骤SS8: 在步骤SS6或步骤SS7的基础上，当所述第三温度传感器检测的第三调节温度低于第三调节预设温度范围的最小值时，减小所述第一流量控制阀的开度和/或增大第二流量控制阀的开度；
步骤SS9: 在步骤SS6或步骤SS7的基础上，当所述第三温度传感器检测的第三调节温度高于第三调节预设温度范围的最大值时，增大所述第一流量控制阀的开度和/或减小所述第二流量控制阀的开度。
综上所述，本发明的有益的技术效果如下：
1）本发明的系统通过将热泵机组与岩层换热系统、储热系统和矿井降温系统连接，并通过控制系统进行温度和流量控制，能够更高效地、更合理地利用深层地热能（围岩储热），通过设置多种供/回水路径，既可以满足井下采矿作业需求，也可以满足井上用户的热水需求；
2）本发明可以更大程度地降低矿井围岩释热，并降低矿山采掘机械散热，保持深层矿井内作业人员的舒适度；
3）本发明通过储热系统将多余的热能储存起来，可以最大程度的实现能量利用，最大程度地降低能源浪费。本发明的综合利用系统采用热管嵌设技术，将矿井围岩中的热能汲取出来，与热泵机组中的低温水进行换热，进而将低品位热能提升品质后供给不同的场所使用，整个过程耗电量较现有技术采用大功率风机送风，具有极大的产业价值和环保价值；
4）本发明的系统相较于现有系统的单一地热能采集模式，控制系统可以根据第一温度传感器检测的第一调节温度调节第一调节阀的开度，控制系统根据第二温度传感器检测的第二调节温度调节第二调节阀的开度，控制系统根据第三温度传感器控制第一流量控制阀和/或第二流量控制阀的开度，进而使地源热综合利用系统中的水可以满足不同的生产生活需求，同时提高了深层矿井内作业人员的舒适度。
附图说明
图1为本发明一实施例的地源热综合利用系统示意图；
图2为本发明一实施例的的地源热综合利用系统立面示意图；
图3为本发明的岩层换热系统结构示意图；
图4为本发明另一实施例的的地源热综合利用系统立面示意图；
图中，1-热泵机组，2-竖井，3-甬道，4-热管，5-换热端头，6-矿井降温系统，7-供水管路，8-回水管路，9-循环水泵，10-第二管路系统，11-保温层，12-储能层，13-储热换热器，14-地表层，15-恒温层，16-矿井围岩层；
6-1-单元式送风筒，6-2-降温换热器，6-3-降温风机；
7-1-供水干管，7-2-供水支管；
8-1-回水干管，8-2-回水支管；
具体实施方式
为了使本领域技术人员更清楚地理解本发明，下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1
考察图1，一种地源热综合利用系统，包括热泵机组、岩层换热系统、储热系统、矿井降温系统、控制系统以及热用户。其中，热泵机组的蒸发单元与岩层换热系统通过第一管路系统连接，岩层换热系统通过第二管路系统与储热系统连接，储热系统通过第三管路系统与热泵机组的蒸发单元的输入端连接，热泵机组的蒸发单元的输出端还与矿井降温系统通过第四管路连接，控制系统分别与热泵机组、岩层换热系统、储热系统、矿井降温系统电路连接，通过控制系统，可以控制热泵机组、岩层换热系统、储热系统、矿井降温系统的状态。
热泵机组的冷凝单元的输出端与热用户通过供热管网进行连接，进而，通过控制系统控制热泵机组的运行，可以将岩层换热系统收集的岩层储热（地热能）供给热用户进行采暖或满足家用户生活热水需求。
需要强调地是，在本实施例中，第三管路系统为单向流动系统，即第三管路系统全部由回水管路组成。
考察图2-3，金属矿井在竖向上的地质分布依次为地表层14、恒温层15和矿井围岩层16，热泵机组1设置在地表层14上，热泵机组1用于将低品位的地热能转化为高品位的热力能，进而输送至供热管网供热用户使用；岩层换热系统设置在竖井2和甬道3中，竖向的竖井2与多条横向的甬道3连通，竖井2和甬道3为金属采矿作业式的作业坑道，岩层换热系统包括第一管路系统、热管4、热端头5以及设置在第一管路系统上的循环水泵9。热泵机组1的蒸发单元与第一管路系统连接，第一管路系统包括多条供水管路7和多条回水管路8，每条供水管路7又包括供水干管7-1和供水支管7-2，多个供水支管7-2并联在供水干管7-1上，同理，每条回水管路8包括回水干管8-1和回水支管8-2，多个回水支管8-2并联在供水干管8-1上，每条供水支管7-2通过换热端头5与回水支管8-2连接，热端头5与热管4连接，热管4插设在矿井围岩层16中，热管4相当于换热媒介，通过换热端头5流动的低温水与矿井围岩层16中储存的热能进行换热，换热后的水温度升高，通过回水支管8-2流入回水干管8-1中。
进一步地，由于热管4无法直接插入岩层，因而，在布设安装岩层换热系统之前，需要通过隧道打孔机或锚固设备对竖井2和甬道3周边的围岩进行打孔，打孔的孔径与热管4的外径相同，热管4与竖井2或甬道3的连接处采用密封剂进行密封固定，防止热管4掉落。
第二管路系统10属于回水干管8-1的旁通管路，回水干管8-1的一部分回水通过第二管路系统10流入储热系统进行储热，进一步考察图2，储热系统从外到内依次包括保温层11、储能层12以及储热换热器13，所述保温层11包含有保温材料，防止储热系统储存的热量由于温差扩散至矿井围岩层16中；储能层12采用相变材料，储能层12内部包裹有储热换热器13，第二管路系统10与储热换热器13的入口连接，储热换热器13的出口通过第三管路系统与热泵机组1的蒸发单元的输入端连接，储热换热器13用于将换热热水中的热量储存到储能层12内，进而实现多余供热热量的储存。
回水干管8-1与第二管路系统10通过第一三通阀连接，第一三通阀具体采用电动三通阀或电磁阀，第一三通阀与控制系统电连接。
为了节省人工成本，避免资源和能源浪费，储热系统可使用天然坑道，例如废弃的金属矿坑，例如铜矿、铅矿、钨矿等，将天然坑道内壁面用水泥材料进行硬化形成水泥覆面层，在水泥覆面层内设置保温层11，进而，通过水泥覆面层可以对保温层11进行保护。
进一步考察图3，热泵机组1的蒸发单元的输出端与矿井降温系统6连接，通过矿井降温系统6实现对深层金属矿井的降温，实现矿井内部温度调节，进而确保工人安全作业，不会因为深层围岩释热导致昏厥。
矿井降温系统6包括单元式送风筒6-1、降温换热器6-2、降温风机6-3，单元式送风筒6-1在进风方向上依次设置有吸风口、过滤净化单元（图中未画出）、降温换热器6-2、降温风机6-3和出风口，降温换热器6-2与供水支管7-2和回水支管8-2连接，本发明的矿井降温系统6可以沿竖井2高度方向或甬道3长度方向上设置为多个，进而通过层层加压送风，形成一条贯穿井外和井底的“风路”，进而可以使工人在金属矿井内不同的作业深度都可以感受到舒适的凉风，矿井降温系统6的送风可以抵消围岩释热和矿山采掘机械散热形成的热负荷，也可以将井外的氧气送入井底，进而维持深层井下的作业舒适度。
在降温换热器6-2与供水支管7-2连接的管路上设置有第一流量控制阀，在降温换热器6-2与回水支管8-2连接的管路上设置有第二流量控制阀，第一流量控制阀与第二流量控制阀，可以采用电动二通阀，也可以采用电动三通阀，第一/二流量控制阀与控制系统电连接。
岩层换热系统、储热系统、矿井降温系统内均设置有温度传感器，用于检测地源热综合利用系统的每个子系统的进/出水温度，进一步地，岩层换热系统的第一管路系统的回水管路8一端（即连接蒸发单元的输入端）设置有第一温度传感器和第一调节阀，第一温度传感器用于检测岩层换热水的温度，储热系统的储热换热器13中设置有第二温度传感器，储热换热器13所连接的第三管路系统上设置有第二调节阀，第二温度传感器用于检测储热水的温度，矿井降温系统的降温换热器6-2内设置有第三温度传感器，用于检测热泵机组1供应给矿井降温系统的冷冻水的温度。第一/二/三温度传感器与控制系统电连接，控制系统根据第一温度传感器检测的第一调节温度调节第一调节阀的开度，控制系统根据第二温度传感器检测的第二调节温度调节第二调节阀的开度，控制系统根据第三温度传感器控制第一流量控制阀和/或第二流量控制阀的开度。
实施例2
控制系统与触屏式操作屏连接，技术人员可以通过触屏式操作屏设置与第一调节温度相对应的第一调节预设温度，与第二调节温度相对应的第二调节预设温度，与第三调节温度相对应的第三调节预设温度。
第一调节预设温度范围为40 ~50°，第二调节预设温度范围为40 ~45°，第三调节预设温度范围为5~13°。
基于实施例1所述的一种地源热综合利用系统，还包含如下控制方法：
步骤SS1: 当第一温度传感器检测的第一调节温度低于第一调节预设温度范围的最小值时，仅控制第一三通阀使其旁通管路打开，使回水支管8-2中的水流经第二管路系统10进入储热换热器13储热；
步骤SS2: 当第二温度传感器检测的第二调节温度高于第二调节预设温度范围的最小值时，打开第二调节阀，使储热换热器13中的水进入第三管路系统；
步骤SS3: 当第三温度传感器检测的第三调节温度低于第三调节预设温度范围的最小值时，减小第一流量控制阀的开度和/或增大第二流量控制阀的开度。
实施例3
基于实施例2所述的一种地源热综合利用系统，还包含如下控制方法：
步骤SS4: 当第一温度传感器检测的第一调节温度在第一调节预设温度范围内时，仅控制第一三通阀其直通管路打开，使回水支管8-2中的水流经第一管路系统返回热泵机组1，并减小第一调节阀的开度；
步骤SS5: 当第一温度传感器检测的第一调节温度在第一调节预设温度范围内时，控制第一三通阀其旁通管路和直通管路均打开；
步骤SS6: 在步骤SS5的基础上，当第二温度传感器检测的第二调节温度高于第二调节预设温度范围的最小值时，打开第二调节阀，使储热换热器13中的水进入第三管路系统；
步骤SS7: 在步骤SS5的基础上，当第二温度传感器检测的第二调节温度低于第二调节预设温度范围的最小值时，关闭第二调节阀，使储热换热器13中的水进行蓄热；
步骤SS8: 在步骤SS6或步骤SS7的基础上，当第三温度传感器检测的第三调节温度低于第三调节预设温度范围的最小值时，减小第一流量控制阀的开度和/或增大第二流量控制阀的开度；
步骤SS9: 在步骤SS6或步骤SS7的基础上，当第三温度传感器检测的第三调节温度高于第三调节预设温度范围的最大值时，增大第一流量控制阀的开度和/或减小第二流量控制阀的开度。
综上所述，控制系统根据第一温度传感器检测的第一调节温度调节第一调节阀的开度，控制系统根据第二温度传感器检测的第二调节温度调节第二调节阀的开度，控制系统根据第三温度传感器控制第一流量控制阀和/或第二流量控制阀的开度，进而使地源热综合利用系统中的水可以满足不同的生产生活需求，且最大化地利用了岩层中的储热能量，避免了能源浪费，同时提高了深层矿井内人员的舒适度。
实施例4
考察图4，实施例4中的一种地源热综合利用系统与实施例1中的一种地源热综合利用系统结构基本相同，不同之处仅在于第三管路系统的布设形式不同，在本实施例中，第三管路系统为双向流动系统，即第三管路系统既包含回水管路，也包含供水管路，同时，第二管路系统的布设形式也可以既包含回水管路，也包含供水管路。这样设置的目的在于使储热系统形成一个独立的系统，在竖井和甬道填封后，可以将第二管路系统连接在其他工业余/废热生产系统上，进而将其他形式的工业余/废热进行储能，这样最大化地利用了天然坑道。
应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳 实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种用于地热井上返段的双壁隔热取水管