[发明专利]深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化方法

权利要求书

1.一种深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化方法，所述深井胶结充填体地下换热系统包括通过设置在天井和竖井内的供回水系统与设置在地面上的地埋管分集水器系统连接的多层换热盘管系统，多层所述换热盘管系统分别埋设于进行各分层充填时形成的多层采热充填体(24)内，每层所述换热盘管系统均包括垂直铺设在采热充填体(24)内的U型换热盘管(21)；所述地埋管分集水器系统包括地埋管分水器(1)和地埋管集水器(2)，所述地埋管分水器(1)上连接有多条分水支路(5)，每条分水支路(5)上均设置有分水器蝶阀(4-2)和循环水泵(10)，所述地埋管集水器(2)上连接有多条集水支路(3)，每条集水支路(3)上均设置有集水器蝶阀(4-1)和集水器温度传感器(15)；所述供回水系统包括设置在天井和竖井内的多条供水管(12)和多条回水管(14)，所述供水管(12)与分水支路(5)连接，所述回水管(14)与集水支路(3)连接；所述深井胶结充填体地下换热系统出口温度优化系统包括控制器(7)，设置在底层的胶结充填体(24)内且用于对底层的胶结充填体(24)的温度进行实时检测的底层胶结充填体温度传感器(6)，设置在各层U型换热盘管(21)入口处且用于对U型换热盘管(21)入口处流体的温度进行实时检测的U型换热盘管入口温度传感器(8)和用于对U型换热盘管(21)内的流量进行调节的电磁流量调节阀(20)，以及设置在各层U型换热盘管(21)出口处的且用于对U型换热盘管(21)出口处流体的温度进行实时检测的U型换热盘管出口温度传感器(19)和用于对U型换热盘管(21)内的温度进行调节的电磁温度调节阀(22)；每层所述U型换热盘管(21)的入口均通过供水管三通阀(16-2)与供水管(12)连接，每层所述U型换热盘管(21)的出口均通过回水管三通阀(16-1)与回水管(14)连接；位于底层的U型换热盘管(21)的入口处设置有供水管截止阀(18-1)，位于底层的U型换热盘管(21)的出口处设置有回水管截止阀(18-2)；所述集水器温度传感器(15)、底层胶结充填体温度传感器(6)、U型换热盘管入口温度传感器(8)和U型换热盘管出口温度传感器(19)均与控制器(7)的输入端连接，所述分水器蝶阀(4-2)、集水器蝶阀(4-1)、循环水泵(10)、电磁流量调节阀(20)、电磁温度调节阀(22)、供水管三通阀(16-2)、回水管三通阀(16-1)、供水管截止阀(18-1)和回水管截止阀(18-2)均与控制器(7)的输出端连接；其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、计算底层U型换热盘管(21)的效能，具体过程为：

步骤101、控制器(7)控制分水器蝶阀(4-2)、集水器蝶阀(4-1)和循环水泵(10)打开，控制底层的供水管截止阀(18-1)、回水管截止阀(18-2)、电磁温度调节阀(22)和电磁流量调节阀(20)打开，并控制回水管三通阀(16-1)的支路侧和主路侧打开，控制底层向上各层的供水管三通阀(16-2)的主路侧和回水管三通阀(16-1)的主路侧打开，控制底层向上各层的供水管三通阀(16-2)的支路侧和回水管三通阀(16-1)的支路侧关闭，通过地埋管分水器(1)和分水支路(5)向供水管(12)通入低温水，低温水只流入底层的U型换热盘管(21)内，与不断吸收深井围岩(23)热量的胶结充填体(24)进行换热；

步骤102、定义底层的U型换热盘管(21)为第0层，底层的U型换热盘管入口温度传感器(8)对流体在底层的U型换热盘管(21)入口处的温度t_in-0进行实时检测，并将检测到的信号实时传输给控制器(7)，底层的U型换热盘管出口温度传感器(19)对流体在底层的U型换热盘管(21)出口处的温度t_out-0进行实时检测，并将检测到的信号实时传输给控制器(7)，底层胶结充填体温度传感器(6)对底层的胶结充填体(24)的温度t_backfill-0进行实时检测，并将检测到的信号实时传输给控制器(7)，控制器(7)根据公式计算得到底层U型换热盘管(21)的效能ε₀；

步骤二、控制器(7)控制底层向上第k层的供水管三通阀(16-2)支路侧、回水管三通阀(16-1)支路侧、电磁温度调节阀(22)和电磁流量调节阀(20)打开，低温水进入底层向上第k层的U型换热盘管(21)内，与不断吸收深井围岩(23)热量的胶结充填体(24)进行换热；其中，k的取值为非0自然数；控制器(7)将底层的胶结充填体(24)的温度定义为(t_backfill)_max，单位为℃，并根据公式t_backfill-k＝(t_backfill)_max-0.04xk计算得到底层向上第k层的胶结充填体(24)的温度并判断是否满足t_backfill-kt_out-0，当满足t_backfill-k＜t_out-0时，将该底层向上第k层作为新的底层，返回步骤一并使流体汇入低能级回水管(14)以供给低温热用户；否则，当不满足t_backfill-kt_out-0时，执行步骤三；其中，x为采空区每层层高，单位为m；

步骤三、控制器(7)根据公式计算温度误差e，并判断温度误差e是否满足e≤5％，当温度误差e满足e≤5％时，再根据公式计算得到第k层U型换热盘管(21)的效能ε_k，并判断是否满足ε_k≤ε₀，当满足e≤5％且满足ε_k≤ε₀时，打开底层向上第k层回水管三通阀(16-1)支路侧，将第k层换热流体汇入回水管(14)中，k的取值加1，返回步骤二，或结束；当满足e≤5％但不满足ε_k≤ε₀时，则将第k层作为新的底层，返回步骤一并使流体汇入低能级回水管(14)以供给低温热用户；当温度误差e不满足e≤5％时，执行步骤四；其中，t_in-k为第k层的U型换热盘管入口温度传感器(8)检测到的流体在第k层的U型换热盘管(21)入口处的温度，t_out-k为第k层的U型换热盘管出口温度传感器(19)检测到的U型换热盘管(21)出口处的温度；

步骤四、控制器(7)根据公式计算得到底层向上第k层U型换热盘管(21)出口理论温度t′_out-k，根据公式计算得到第k层U型换热盘管(21)的理论效能ε′_k，并判断是否满足ε′_k≤ε₀，当满足ε′_k≤ε₀时，控制器(7)控制第k层的电磁温度调节阀(22)关闭，并将t′_out-k设定为底层向上第k层电磁温度调节阀(22)的开启值，计算底层向上第k层U型换热盘管(21)的换热量Q_k和底层向上第k层U型换热盘管(21)内流体的标准质量流量m_k，通过调节电磁流量调节阀(20)使U型换热盘管(21)流量为m_k，将此层的温度提高到t′_out-k，当第k层U型换热盘管(21)内流体温度达到第k层电磁温度调节阀(22)的开启值t′_out-k时，控制器(7)控制第k层的电磁温度调节阀(22)开启，高温流体通过底层向上第k层回水管三通阀(16-1)支路侧，汇入回水管(14)中，返回步骤二，或结束；当不满足ε′_k≤ε₀时，将此层作为新的底层，返回步骤一并使流体汇入低能级回水管(14)以供给低温热用户；

步骤五、当所有层数U型换热盘管(21)出口的热流体均汇入回水管(14)后，集水器温度传感器(15)对进入地埋管集水器(2)内的流体温度进行实时检测并将检测到的信号输出给控制器(7)，控制器(7)将进入地埋管集水器(2)内的流体温度于预先设定的热用户所需水温进行比较，当低于热用户所需水温时，减小温度误差e的阈值，重复进行步骤一至步骤四，直到满足用户需求。