[发明专利]井水侧流动传热强化装置及其控制方法和井下换热器

说明书

本发明属于地源热泵技术领域，公开了一种井水侧流动传热强化装置及其控制方法和井下换热器，该装置利用气体压缩装置驱动喷射器通过喷射器引射管路引射水井上部的水，气体与被引射的地下水在喷射器中混合后流出，再经喷射器出口管路到达水井的底部；其控制方法为控制器根据喷射器引射管路的入口处和水井底部的温度差值，控制气体压缩装置与喷射器之间电磁阀的通断；井下换热除包括井水侧流动传热强化装置外，还包括水井和U型换热管，U型换热管与地源热泵系统地面机组之间由下降管连接管路和上升管连接管路连接构成循环。本发明不但能够有效强化井水侧流动传热，还具有简单易行、成本较低的特点，且不受工况和地热储层等条件的限制。

技术领域

本发明属于地源热泵技术领域，尤其是涉及一种用于井下换热器的井水侧流动传热强化装置及其控制方法。

背景技术

作为一种绿色环保的可再生能源，地热能具有稳定性强、受外界环境影响小等突出优势，因此受到了广泛关注。目前，通过地源热泵为建筑供冷供热是地热能利用的主要形式。虽然从地热储层中抽取地下水并通过地源热泵为建筑供冷供热最为直接有效，但是这种方式通常需要采用回灌技术以避免过量开采地下水而导致的地表沉降等环境问题。然而，由于目前的回灌技术难以达到100％回灌，长期以往依然无法避免地表沉降等环境问题。因此，研究者们逐渐将目光转移到“取热(冷)不取水”的地热能利用技术上。

作为一种“取热(冷)不取水”的地热能利用技术，井下换热器与土壤进行换热且无需开采地下水。与同为“取热(冷)不取水”的地埋管技术相比，井下换热器具有更优的传热性能且所需地下换热管的数量较少，因此近年来得到广泛重视和推广。井下换热器通常是由单根U型换热管和水井组成，其中U型换热管置于充满地下水的水井中。在供冷(供热)工况下，从地源热泵系统地面机组中流出的高温(低温)工作介质进入U型换热管中与水井中的地下水进行换热，而后再回到地源热泵系统地面机组中，如此完成工作介质在U型换热管中的一个循环。由于高温(低温)工作介质首先与水井上部的地下水进行换热，然后再与水井下部的地下水进行换热，这使得水井上部的地下水最先被加热(冷却)，这样就会使得水井上部地下水和下部地下水的温差逐渐增大，由此引发显著的热(冷)短路现象，导致井下换热器的性能降低。除此之外，井下换热器的性能在很大程度上还受井内地下水的循环的影响。在无外部驱动力的条件下，井水侧的换热主要以自然对流和导热为主。

为了进一步提升井下换热器的性能，研究者们通过以下手段对井下换热器井水侧的循环进行了优化：

1)采用对流增速管强化井水侧自然对流。对流增速管的两端开有口，其与U型换热管一起置于水井中。供热工况下，水井上部的水温度较低，下部的水温度较高。在浮力作用下，水井下部的热水(低密度)从对流增速管下端开口流出并向水井上部移动，而水井上部的冷水(高密度)从对流增速管上端开口流入并向水井下部移动，不仅强化了井水侧自然对流，还降低了水井上部与水井下部地下水之间的温差，从而提升了井下换热器的性能。但是在供冷工况，水井上部的水温度较高，下部的水温度较低，对流增速管无法发挥作用；

2)采用潜水泵强化井水侧自然对流。在水井中安装潜水泵用来抽吸水井下部的地下水，抽吸上来的地下水再从水井上部排入水井中。该方法在供冷供热工况下都可强化井水侧的自然对流，并且降低水井上部与水井下部地下水之间的温差，但是由于潜水泵安装在井下，给潜水泵的维修或检修带来不便。

可见，现有的井下换热器井水侧流动传热强化技术在功能和使用条件上仍存有缺陷与限制，有待于进一步提升。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷与限制，本发明提供一种井水侧流动传热强化装置及其控制方法和井下换热器，其不但能够有效强化井水侧流动传热，还具有简单易行、成本较低的特点，且不受工况和地热储层等条件的限制。

根据本发明的一个方面，提供了一种井水侧流动传热强化装置，包括：

气体压缩装置；