冷凝段可调节储热式重力热管热泵耦合冷暖双供系统的制作方法

1.本实用新型属于地热能利用以及地热能储存技术领域，具体涉及一种冷凝段可调节储热式重力热管热泵耦合冷暖双供系统。


背景技术：

2.地热能作为一种储量大、分布广的清洁能源，科学合理开发利用地热资源，实现地热资源的可持续利用，对发展低碳环保经济具有重要的意义。
3.重力热管作为一种中深层地热能开发利用领域高效的传热元件，热管内部工质在地源中深层高温区吸收热量蒸发，高温蒸汽沿热管内壁运动至冷凝段放出热量冷凝，冷凝液在重力作用下流入蒸发段，循环往复，不断提取中深层地源热量。
4.传统的重力热管供暖系统一般为单根管结构，仅面向供暖季节供暖问题，供暖热功率基本恒定，无法解决极寒天气供暖功率需求增大的问题。
5.此外，在非供暖季节，传统供暖系统一般为停机状态，无法高效利用机组，无法解决夏季供冷问题。
6.因此，有必要提供一种冷凝段可调节储热式重力热管热泵耦合冷暖双供系统，以能够在冬季供暖时进行调峰，解决极寒天气供暖功率需求增大的问题。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于提供一种冷凝段可调节储热式重力热管热泵耦合冷暖双供系统，能够解决冬季供暖调峰的问题。
8.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
9.一种冷凝段可调节储热式重力热管热泵耦合冷暖双供系统，包括中心重力热管，所述中心重力热管径向向外依次套有第一套管、第二套管、第三套管；所述中心重力热管、所述第一套管、所述第二套管、所述第三套管均向下延伸；
10.所述第一套管与所述中心重力热管之间形成第一工质层，所述第二套管与所述第一套管之间形成第一循环水层，所述第三套管与所述第二套管之间形成第二工质层；所述第三套管的长度短于所述第二套管，所述第二工质层的底端与所述第一循环水层的底端之间的区域形成浅层地源区域；
11.所述中心重力热管安装有第一阀门，所述第一阀门用于在非供暖季节改变冷凝段的高度位置，以使得所述中心重力热管的热量能够通过所述第一工质层以及所述第一循环水层传递至所述浅层地源进行储存，储存在所述浅层地源的热量能够在供暖季节提取出以用于调峰供暖。
12.优选地，还包括热泵机组以及第二换热器，通过所述热泵机组、所述第二换热器以及所述第一循环水层将所述浅层地源的热量提取用于调峰供暖。
13.优选地，在非供暖季节，所述第一工质层填充有导热工质，所述第二工质层填充有隔热工质；在供暖季节，所述第一工质层填充有隔热工质，所述第二工质层填充有导热工
质。
14.优选地，所述第三套管外套有第四套管，所述第四套管短于所述第三套管且所述第四套管与所述第三套管之间形成第二循环水层；通过所述热泵机组、所述第二换热器以及所述第二循环水层进行夏季供冷。
15.优选地，所述浅层地源的部分热量来自于夏季供冷输出的热量。
16.优选地，供暖季节，所述中心重力热管的热量部分用于供暖，部分用于供生活热水。
17.优选地，所述第一阀门的高度与所述第一循环水层中部位置齐平。
18.优选地，还包括压缩机、第二阀门、第一换热器、第十六阀门，所述中心重力热管通过循环蒸汽管路与所述压缩机、所述第二阀门、所述第一换热器、所述第十六阀门相连接，以用于供暖。
19.优选地，还包括热泵机组、第六阀门、第一循环泵、第五阀门、第二换热器，所述热泵机组通过循环水管路与所述第六阀门、所述第一循环泵、所述第一循环水层、所述第五阀门、所述第二换热器相连接，以用于调峰供暖。
20.优选地，所述中心重力热管的底端位于地源1.5km～3km位置，所述第一套管、所述第二套管的底端位于地源0.3km～0.5km位置，所述第三套管的底端位于地源0.2km～0.3km位置，所述第四套管的底端位于地源0.05km～0.2km位置。
21.本实用新型的冷凝段可调节储热式重力热管热泵耦合冷暖双供系统的有益效果在于：调整第一阀门，使中心重力热管在中深层地源吸收热量，在浅层释放热量，并以浅层地源作为储热载体将热量储存，作为冬季供暖的调峰热量。
附图说明
22.图1是本实用新型实施例冷凝段可调节储热式重力热管热泵耦合冷暖双供系统的原理图；
23.图2是本实用新型实施例冷凝段可调节重力热管组件的侧视图；
24.图3是本实用新型实施例冷凝段可调节重力热管组件的俯视图。
25.图中部件名称和标号如下：
26.中心重力热管1、第一工质层2、第一套管3、第一循环水层4、第二套管5、第二工质层6、第三套管7、第二循环水层8、第四套管9、第一阀门10、第一换热器11、第二阀门12、第三阀门13、压缩机14、第四阀门15、第五阀门16、第六阀门17、第一循环泵18、第七阀门19、第二循环泵20、第八阀门21、第九阀门22、第十阀门23、第十一阀门24、第十二阀门25、第十三阀门26、第十四阀门27、第三循环泵28、第十五阀门29、隔热工质储存罐30、导热工质储存罐31、第二换热器32、热泵机组33、热水储存罐34、第三换热器35、第十六阀门36、第十七阀门37。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
28.如图1-图3所示，本实施例公开了一种冷凝段可调节储热式重力热管热泵耦合冷暖双供系统。该冷凝段可调节储热式重力热管热泵耦合冷暖双供系统包括中心重力热管1，中心重力热管1竖直延伸，中心重力热管1外套有至少两层同轴不等长套管。具体地，中心重力热管1外套有四层同轴不等长套管，径向向外分别为第一套管3、第二套管5、第三套管7、第四套管9。
29.第一套管3与中心重力热管1之间形成第一工质层2，第一工质层2的厚度为9mm-50mm。第二套管5与第一套管3之间形成第一循环水层4。第三套管7与第二套管5之间形成第二工质层6，第二工质层6的厚度为9mm-50mm。第四套管9与第三套管7之间形成第二循环水层8。
30.第一套管3、第二套管5近似等长，第一套管3、第二套管5的长度短于中心重力热管1。第三套管7的长度短于第二套管5。第四套管9的长度短于第三套管7。
31.作为优选方案，中心重力热管1的底端位于地源中深层1.5km～3km位置，第一套管3、第二套管5的底端位于地源浅层0.3km～0.5km位置，第三套管7的底端位于地源浅层0.2km～0.3km位置，第四套管9的底端位于地源浅层0.05km～0.2km位置。例如，中心重力热管1的底端位于地下3000m左右，第一套管3、第二套管5的底端位于地下500m左右。第三套管7的底端位于地下200m左右。第四套管9的底端位于地下100m左右。
32.中心重力热管1同轴心安装有第一阀门10，第一阀门10位于第一循环水层4附近，从而可以在非供暖季节将中心重力热管1的热量通过第一循环水层4传递至浅层地源。第二工质层6的底端与第一循环水层4的底端之间的区域形成浅层地源，具体地，本实施例的浅层地源为图1显示的浅层-200m到中层-500m的区域。本实施例通过第一阀门10的开闭调节冷凝段的高度位置。具体地，第一阀门10与第三套管7的底端可以处于同一个水平线。
33.如图1所示，中心重力热管1通过循环蒸汽管路与压缩机14、第二阀门12、第一换热器11、第十六阀门36相连接，构成供暖单元。循环蒸汽管路采用镀锌钢管，循环蒸汽管路外采用聚氨酯泡沫保温层包覆。中心重力热管1为碳钢-水热管，碳钢-水热管具有价格低廉、性能优越的特点，已广泛应用于化工、炼油、钢铁、陶瓷等领域。中心重力热管1与循环蒸汽管路之间采用氩弧焊接方式连接。压缩机14采用罗茨式蒸汽压缩机，在高温高湿的环境中可保持良好的抗腐蚀性。第一换热器11采用不锈钢板式换热器。第二阀门12、第十六阀门36均采用球阀。压缩机14、第二阀门12、第一换热器11、第十六阀门36均采用法兰与管道连接。
34.中心重力热管1通过循环蒸汽管路与压缩机14、第三阀门13、第三换热器35、第十七阀门37连接，第三换热器35通过热水管路与热水储存罐34相连接，构成生活热水单元。第三换热器35采用管翅式换热器，热水管路采用不锈钢管，第三阀门13、第十七阀门37均采用球阀。压缩机14、第三阀门13、第三换热器35、第十七阀门37与循环蒸汽管路采用法兰连接，第三换热器35、热水储存罐34与热水管路采用法兰连接。
35.热泵机组33通过循环水管路与第六阀门17、第一循环泵18、第一循环水层4、第五阀门16、第二换热器32相连接，构成调峰供暖单元。第五阀门16、第六阀门17均采用球阀，第二换热器32采用管翅式换热器，循环水管路采用不锈钢管。热泵机组33、第六阀门17、第一循环泵18、第五阀门16、第二换热器32均采用法兰与循环水管路连接。
36.热泵机组33通过循环水管路与第七阀门19、第二循环泵20、第二循环水层8、第四阀门15、第二换热器32相连接，构成供冷单元。第七阀门19、第四阀门15均采用球阀。热泵机
组33、第七阀门19、第二循环泵20、第四阀门15、第二换热器32均采用法兰与循环水管路连接。
37.导热工质储存罐31通过导热工质管路与第十三阀门26、第九阀门22、第一工质层2、第十一阀门24、第三循环泵28、第十四阀门27相连接，构成第一导热工质层单元。导热工质储存罐31、导热工质管路均为不锈钢材质，第十三阀门26、第九阀门22、第十四阀门27均采用球阀。导热工质储存罐31、第十三阀门26、第九阀门22、第十一阀门24、第三循环泵28、第十四阀门27均采用法兰与导热工质管路连接。导热工质储存罐31内的导热工质为水。
38.导热工质储存罐31通过导热工质管路与第十三阀门26、第八阀门21、第二工质层6、第十二阀门25、第三循环泵28、第十四阀门27相连接，构成第二导热工质层单元。第八阀门21、第十二阀门25均采用球阀。导热工质储存罐31、第十三阀门26、第八阀门21、第十二阀门25、第三循环泵28、第十四阀门27均采用法兰与导热工质管路连接。
39.隔热工质储存罐30通过隔热工质管路与第十五阀门29、第九阀门22、第一工质层2、第十一阀门24、第十阀门23相连接，构成第一隔热工质层单元。隔热工质储存罐30材质为不锈钢。隔热工质储存罐30、第十五阀门29、第九阀门22、第十一阀门24、第十阀门23均采用法兰与导热工质管路连接。隔热工质储存罐30内的隔热工质为干燥空气或者氩气。
40.隔热工质储存罐30通过隔热工质管路与第十五阀门29、第八阀门21、第二工质层6、第十二阀门25、第十阀门23相连接，构成第二隔热工质层单元。隔热工质储存罐30、第十五阀门29、第八阀门21、第十二阀门25、第十阀门23均采用法兰与导热工质管路连接。
41.非供暖季节储热工况：
42.本实施例的第一循环水层4用于供暖季节调峰用。关闭第一阀门10调节冷凝段的高度位置在第一循环水层4附近。中心重力热管1内的工质在地缘深层吸热蒸发，蒸汽上升至第一阀门10所在地源附近位置放热冷凝，将热量通过第一工质层2的导热作用传递至第一循环水层4，再通过第一循环水层4将热量传递至浅层地源。这个过程实现了在非供暖季节将地缘深层热量储存在浅层地源中。
43.通过第二工质层6的隔热作用，防止第一循环水层4的热量传递至第二循环水层8，防止影响夏季供冷。
44.本实施例的浅层地源的区域在浅层-200m到中层-500m的区域，与第二循环水层8的底端之间距离100m，从而有利于防止浅层地源储存的热量向上方地源流失。
45.具体地，打开第十三阀门26、第九阀门22，其余阀门、水泵、热泵机组均处于关闭状态，导热工质储存罐31内的导热工质靠重力作用充入第一工质层2，当充入液面高度与第一阀门所在安装位置齐平时，关闭第十三阀门26、第九阀门22。在上述步骤基础上，打开第十五阀门29、第八阀门21，隔热工质储存罐30内高压工质充满第二工质层6后，关闭第八阀门21、第十五阀门29。此时，第一工质层2起到导热的作用。第二工质层6起到隔热的作用。
46.夏季供冷工况：打开第四阀门15、第二循环泵20、第七阀门19、热泵机组33，其余阀门、循环泵均处于关闭状态。通过热泵机组33内工质蒸发冷凝循环从而吸收用户侧热量并经第二循环水层8传导至地源浅层释放，从而实现夏季供冷。
47.冬季供暖/供热水工况：
48.打开第十一阀门24、第三循环泵28、第十四阀门27，其余阀门、循环泵、热泵机组均处于关闭状态，待非供暖季节第一工质层2内所充入导热工质经第三循环泵28全部抽回至
导热工质储存罐31后，关闭第十一阀门24、第三循环泵28、第十四阀门27。在完成上述步骤的基础上，打开第十五阀门29、第九阀门22，待隔热工质储存罐30内高压工质充满第一工质层2后，关闭第十五阀门29、第九阀门22。也即相对于非供暖季节储热工况，将第一工质层2内的导热工质更换为隔热工质，从导热作用更换为隔热作用，以防止中心重力热管1热量在地下扩散。
49.在完成上述步骤的基础上，打开第十阀门23、第十二阀门25，待非供暖季节第二工质层6内所充入隔热工质全部排出至大气环境后，关闭第十阀门23、第十二阀门25。在完成上述步骤的基础上，打开第十三阀门26、第八阀门21，待导热工质储存罐31内工质充满第二工质层6后，关闭十三阀门26、第八阀门21。也即相对于非供暖季节储热工况，将第二工质层6由隔热作用转变为导热作用，有利于将浅层地源的热量传递至第一循环水层4以及有利于将夏季供冷时传递至浅层地源的热量传递至第一循环水层4。
50.在完成上述步骤的基础上，打开第一阀门10、压缩机14、第二阀门12、第十六阀门36，中心重力热管1内工质在地缘深层吸热蒸发，蒸汽上升至中心重力热管1顶部经压缩机14增压进入第一换热器11，蒸汽冷凝放热为用户侧供暖，冷凝液返回热管内。
51.在用户侧需求供暖量较小时间段内，打开第三阀门13、第十七阀门37，并调整第三阀门13、第十七阀门37的开度，使部分蒸汽进入第三换热器35并对生活热水进行加热，热水加热后储存在热水储存罐34内。
52.当冬季极寒天气条件下供暖需求增大时，在上述步骤的基础上，打开第六阀门17、第一循环泵18、第五阀门16、热泵机组33，浅层地源的热量通过第一循环水层4经热泵机组提升热能品质后为用户提供调峰供暖。也即将在非供暖季节通过第一循环水层4储存在浅层地源的热量用于冬季供暖调峰，以解决极寒天气供暖功率需求增大的问题。
53.本实施例实现夏季用户侧供冷，同时调整第一阀门10，使中心重力热管1在中深层地源吸收热量，在浅层释放热量，并以浅层地源作为储热载体将热量储存，作为冬季供暖的调峰热量。
54.显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。