基于海水源的地熱利用方法與流程

本發明涉及能源供熱和空調技術領域，具體涉及一種基于海水源的地熱利用方法。

背景技術：

隨著社會的發展和人們生活水平的日漸提高，人們不愿再無助的忍受冬季的寒冷和夏季的酷暑，供人們生活和工作的現代建筑中，多數都配置了冷熱裝置來實現建筑內的冬暖夏涼。目前建筑物室內采暖主要依靠礦物燃料的直接燃燒和電能空調的制冷、制熱，這中方式一方面造成極大的資源消耗，另一方面礦物燃料燃燒產生的大量污染物會污染環境。大量燃燒礦物燃料所產生的環境問題已日益成為各國政府和公眾關注的焦點。

水源熱泵具有節能環境、運行穩定可靠等優點，但水源熱泵對地下水的要求比較高，需要良好的地下水源條件；在地下水豐富的臨海地區，取用源源不斷的海水作為地熱源為周邊建筑提供恒溫環境，已經取得了顯著成效。閉式的海水源熱泵系統不需要復雜的過濾裝置，采用前端換熱器與海水換熱后，再用于熱泵系統工作，換熱效率低。開式的海水源熱泵系統，直接驅動海水進行循環換熱，熱利用率較高，但前端換熱裝置需設置較為復雜的海水過濾系統，投資較大，維護復雜。因此，如何尋找到一種換熱效率高、造價低廉的方法，來利用海水源建立水源熱泵，成為一個重要問題。

技術實現要素：

針對現有技術中的問題，本發明提供的一種基于海水源的地熱利用方法，利用海水流動與沙灘的熱交換，通過設置在沙灘中的地熱井，提取熱能，有效確保水源熱泵系統的穩定運行，滿足臨海區域的室內供熱和供冷的需求，同時換熱效率高、造價低廉。

本發明提供的基于海水源的地熱利用方法，包括以下步驟：

1)在臨海的沙灘上選擇位置建筑地熱采集裝置的位置，臨海的沙灘地層中水源豐富，施工方便。

2)在沙灘上鉆地熱井孔，其深度要位于海水的最低水位以下，且底部到達礫巖層；保證地熱井底部的地層溫度相對穩定。

3)將預制好的過濾器固定安裝到地熱井孔內，使過濾器下端口立于礫巖層上，有效固定過濾器；過濾器上端口位于海水最低水位以下，保證地熱井的穩定濾水和供水能力。

4)將預制好的固井管固定安裝到地熱井孔內，其下端口與過濾器連接，上端口位于海水的最高水位之上，并用井蓋密封，形成封閉的地熱井；地熱井的封閉結構，能讓井內的水體溫度更加穩定，并保證水體的潔凈。

5)將潛水泵安裝到地熱井的底部，并通過管道穿過井蓋，與安裝在地面上的熱泵系統的蒸發器外循環盤管連通，換熱后的海水經消毒池凈化后，流回大海；完善的利用、凈化和再回流循環，有效避免利用之后的水體回流大海造成的次地質災害。

6)通過熱泵系統，將蒸發器收集的熱能傳遞給空調系統，供室內使用，實現海水與室內之間的熱交換。

7)空調系統通過循環泵將冷凝器外循環盤管與風機盤管向相連，進行室內熱交換后的循環水流回冷凝器再次吸熱，實現室內的熱交換。

進一步地，上述過濾器包括：從內到外依次套置的內管、外管、基礎管、包網層和鐵絲層，基礎管和外管上均設有透水孔，內管與外管之間分為多個上下端開口的腔室，腔室中填充濾芯；通過分級多層過濾，提高過濾效果，保證井中水體的清潔，尤其是確保集熱熱井中的水體可以直接循環到上述熱泵系統中進行熱交換，換熱效率高，同時省去了復雜的水體過濾裝置，成本較低。

進一步地，上述過濾器安裝在沙灘土壤細沙層和礫巖層之間的漂石層中，水體在漂石層中的滲透能力強，且換熱效果顯著。

進一步地，上述潛水泵、蒸發器外循環盤管和消毒池依次通過管道串聯形成熱能采集裝置，蒸發器外循環盤管和消毒池之間管道上設置A控制閥，潛水泵和蒸發器外循環盤管之間的管道上設置B控制閥；有效控制熱能采集裝置的啟用和關閉，方便清理和檢修。

進一步地，上述熱泵系統包括由冷凝器、壓縮機、蒸發器和膨脹閥依次串聯組成的回路；其中的蒸發器由蒸發器外循環盤管和蒸發器內循環盤管耦合組成，冷凝器由冷凝器外循環盤管和冷凝器內循環盤管耦合組成；通過完善的循環回路，持續高效的進行海水和室內的冷熱交換。

進一步地，上述循環泵、冷凝器外循環盤管和風機盤管依次通過管道串聯形成熱空調系統，循環泵和冷凝器外循環盤管之間管道上設置C控制閥，冷凝器外循環盤管和風機盤管之間的管道上設置D控制閥；有效控制空調系統的啟用和關閉，以及控制空調系統的循環路徑。

進一步地，在所述A控制閥的出水端和所述C控制閥的出水端之間并聯E控制閥，所述B控制閥的進水端和所述D控制閥的進水端之間并聯F控制閥，所述A控制閥的進水端和所述C控制閥的進水端之間并聯G控制閥，所述B控制閥的出水端和所述D控制閥的出水端之間并聯H控制閥，形成制冷和供熱轉換回路；供熱時，A控制閥、B控制閥、C控制閥和D控制閥打開，E控制閥、F控制閥、G控制閥和H控制閥關閉；制冷時，A控制閥、B控制閥、C控制閥和D控制閥關閉，E控制閥、F控制閥、G控制閥和H控制閥打開，方便室內制冷和供熱需求的切換。

進一步地，在地熱井四周筑建堤壩，避免地熱井周圍的泥沙因潮水作用而流失，確保地熱井的穩固。

根據上述技術方案，本發明通過所述熱能采集裝置吸收海水的熱量為所述熱泵系統供能，流動的海水與沙灘地層進行熱交換，經地熱井的過濾器過濾后進入地熱井內后，直接進入熱泵系統交換熱量，再通過空調系統輸入到室內，實現與室內的冷熱交換，達到室內冬暖夏涼的效果，換熱效率高、造價低廉。

附圖說明

圖1為本發明的結構原理示意圖；

圖2為本發明地熱井結構示意圖；

圖3為本發明過濾器的結構示意圖。

附圖標記：1-地熱采集裝置；2-熱泵系統；3-空調系統；

11-地熱井；111-過濾器；112-固井管；113-井蓋；1111-基礎管；1112-外管；1113-內管；1114-包網層；1115-鐵絲層；12-潛水泵；13-蒸發器外循環盤管；14-消毒池；15～18-A、B、E、F控制閥；21-蒸發器；211-蒸發器內循環盤管；22-壓縮機；23-冷凝器；231-冷凝器內循環盤管；24-膨脹閥；31-風機盤管；32-循環泵；33-冷凝器外循環盤管；34～37-C、D、G、H控制閥

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明技術方案的實施例進行詳細的描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明的技術方案，因此只作為示例，而不能以此來限制本發明的保護范圍。

如圖1至圖3所示，本發明提供的基于海水源的地熱利用方法，利用海水流動與沙灘地層的熱交換，通過設置在沙灘中的地熱井11，提取熱能，有效確保熱泵系統2的穩定運行，具體包括以下步驟：

在臨海的沙灘上選擇位置建筑地熱采集裝置1的位置，臨海的沙灘地層中水源豐富，施工方便。

在沙灘上鉆地熱井11的井孔，其深度要位于海水的最低水位以下，且井孔穿過細砂層和漂石層，底部到達地層溫度相對穩定的礫巖層。

將預制好的過濾器111固定安裝到地熱井11井孔內，具體置于細沙層和礫巖層之間的滲透性較好的漂石層中，并將過濾器111的下端口立于礫巖層上，有效固定過濾器111；過濾器111包括：從內到外依次套置的內管1113、外管1112、基礎管1111、包網層1114和鐵絲層1115，基礎管1111和外管1112上均設有透水孔，內管1113與外管1112之間分為多個上下端開口的腔室，腔室中填充濾芯；在基礎管1111外包覆尼龍絲作為初濾的包網層1114，并在尼龍絲包網外按一定間距纏繞抗腐蝕的鍍鋅鐵絲形成鐵絲層1115，以防止包網層1114脫落。水體通過過濾器111時，首先經尼龍絲的包網層1114過濾掉大顆粒的砂子，再經過基礎管1111的透水孔進入到外管1112；外管1112管壁上同樣設置有透水孔，內管1113的管壁上未設置透水孔，而是在內管1113和外管1112之間的環形空間內分設多個上、下端敞口的腔室，水體經外管1112的透水孔進入腔室后，沿腔室上、下流動，從腔室上、下端排出，延長了水體在濾芯中的流動路徑，提高了過濾效果，保證井中水體的清潔，尤其是確保集熱熱井中的水體可以直接循環到上述熱泵系統中進行熱交換，換熱效率高，同時省去了復雜的水體過濾裝置，成本較低。將預制好的固井管112固定安裝到地熱井11的井孔內，其下端口與過濾器111的基礎管1111連接，上端口位于海水的最高水位之上，并用井蓋113密封，形成封閉的地熱井111，并在地熱井11四周筑建堤壩，避免地熱井周圍的泥沙因潮水作用而流失，確保地熱井11能持續提供潔凈且溫度穩定的水體。

將潛水泵12安裝到地熱井11的底部，并通過管道穿過井蓋113，與安裝在地面上的熱泵系統1的蒸發器外循環盤管13連通，換熱后的海水經消毒池14凈化后，流回大海；依次通過管道串聯的潛水泵12、蒸發器外循環盤管13和消毒池14，同地熱井11一起組成熱能采集裝置1，潛水泵12和蒸發器外循環盤管13之間管道上設置A控制閥15，蒸發器外循環盤管13和消毒池14之間的管道上設置B控制閥16。

通過熱泵系統2，將蒸發器21收集的熱能傳遞給空調系統3，供室內使用，實現海水與室內之間的熱交換。熱泵系統2包括由蒸發器21、壓縮機22、冷凝器23和膨脹閥24依次串聯組成的回路；其中的蒸發器21由蒸發器外循環盤管13和蒸發器內循環盤211管耦合組成，冷凝器23由冷凝器外循環盤管33和冷凝器內循環盤管21耦合組成。

空調系統3由循環泵32、冷凝器外循環盤管33和風機盤管31依次通過管道串聯組成，在風機盤管31中進行室內熱交換后的循環水流回冷凝器23再次吸熱，實現室內的熱交換；循環泵32和冷凝器外循環盤管33之間管道上設置C控制閥34，冷凝器外循環盤管33和風機盤管31之間的管道上設置D控制閥35，有效控制空調系統的啟用和關閉，以及控制空調系統的循環路徑。

同時，在A控制閥15的出水端和C控制閥34的出水端之間并聯E控制閥17,B控制閥16的進水端和D控制閥35的進水端之間并聯F控制閥18,A控制閥15的進水端和所述C控制閥34的進水端之間并聯G控制閥36,B控制閥16的出水端和D控制閥35的出水端之間并聯H控制閥37，形成可切換的制冷和供熱轉換回路：供熱時，A控制閥15、B控制閥16、C控制閥34和D控制閥35打開，E控制閥17、F控制閥18、G控制閥36和H控制閥37關閉；制冷時，A控制閥15、B控制閥16、C控制閥34和D控制閥35關閉，E控制閥17、F控制閥18、G控制閥36和H控制閥37打開。

如圖2所示，本發明的地熱井11開設在沿海的沙灘中，直達沙灘深處的礫巖層，地層內的溫度常年變化不大，井內的水位與海水水位基本一致。從地熱井11中抽取的海水，并非直接取自大海，而是與沙灘進行過熱交換，并經過濾器111過濾后的清潔水體；如圖3所示，海水經過過濾器111鐵絲層1115、包網層1114、基礎管1111、外管1112和內管1113中的濾芯組成的五層過濾結構過濾后，可直接進入熱泵系統2進行熱交換，減少一道換熱環節，海水中的熱能利用率更高。在寒冷的冬季，表面海水的溫度較低，在流入地熱井11的過程中吸取沙灘地層中的熱量，所以潛水泵12抽取的是溫度較高的水體，經熱泵系統2將水體中的熱量提取，并提升溫度后通過空調系統3釋放到室內，達到冬季供暖的目的。在酷熱的夏季，表面海水溫度較高，經沙灘地層滲透到地熱井11的過程中降溫到較低的溫度，可以中和更多熱泵系統2通過空調系統3吸取的室內熱量，提高熱泵系統2的工作效率，到達夏季制冷的目的。

供熱時，A控制閥15、B控制閥16、C控制閥34和D控制閥35打開，E控制閥17、F控制閥18、G控制閥36和H控制閥37關閉。地熱井11中經過濾器111過濾之后的高溫水體，被潛水泵12抽取，流經蒸發器外循環盤管13，后經消毒池14中凈化后流回大海，形成地熱采集裝置1的放熱循環。熱能在蒸發器21中耦合的蒸發器外循環盤管13和蒸發器內循環盤管211之間完成第一次熱交換；熱泵系統2通過壓縮機22做功，將在蒸發器21吸收完熱量的導熱介質升溫加壓后傳遞到冷凝器23，通過冷凝器23中耦合的冷凝器內循環盤管231和冷凝器外循環盤33完成第二次熱交換，傳熱降溫后的導熱介質通過膨脹閥24減壓后，重新流入蒸發器21再次吸熱，形成熱泵供熱循環。空調系統3將通過冷凝器外循環盤管33熱交換吸取熱量后的空調循環水，通過循環泵32輸送到風機盤管31向室內放熱，降溫后返回冷凝器23再次吸熱，形成空調系統3的供熱循環。室內空氣吸收風機盤管31帶來的熱量，達到供暖效果。

制冷時，A控制閥15、B控制閥16、C控制閥34和D控制閥35關閉，E控制閥17、F控制閥18、G控制閥36和H控制閥37打開。夏季地熱井11中經沙灘地層降溫后的水體溫度較低，經過濾器111流入地熱井11中，被潛水泵12直接抽取，流經冷凝器外循環盤管33吸熱，后經消毒池14凈化后流回大海，形成地熱采集裝置1的吸熱循環。熱能在冷凝器23中耦合的冷凝器外循環盤管33和冷凝器內循環盤管231之間完成第一次熱交換；熱泵系統2做功，將在冷凝器23中完成放熱的低溫導熱介質經膨脹閥24降壓后傳遞給蒸發器21，并在蒸發器21中通過耦合的蒸發器內循環盤管211和蒸發器外循環盤管13完成第二次熱交換，吸熱升溫后的導熱介質經壓縮機23增壓后重新流入冷凝器23再次放熱，形成熱泵制冷循環。空調系統3將經過蒸發器外循環盤管13熱交換放熱降溫后的空調循環水，通過循環泵32輸送到風機盤管31向室內吸熱，升溫溫后返回蒸發器21再次放熱，形成空調系統3的制冷循環。室內空氣中的熱量被風機盤管31吸收帶走，達到室內制冷的效果。

采用以上技術方案，本發明提供的基于海水源的地熱利用方法，利用海水流動與沙灘的熱交換，通過沙灘中的具有較強過濾能力的地熱井，提取熱能，直接供熱泵系統使用，有效確保水源熱泵系統的穩定運行，滿足臨海區域的室內供熱和供冷的需求，同時換熱效率高、造價低廉。

需要說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例技術方案的范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求和說明書的范圍當中。