一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热系统及蓄热方法

1.本发明属于深井充填及城市供热技术领域，涉及一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热系统及蓄热方法。


背景技术：

2.地源热泵取热供暖技术由于土壤源热泵凭借其高效、环保、能量循环利用等特点，成为我国北方地区良好的供暖方式之一。但长期单向抽取地热容易造成当地土壤温度下降，影响土壤全年得放热量平衡，对生态造成一定的影响。
3.同时，随着经济的发展，矿山资源开采完结后，造成废矿、尾矿数量迅速增加。所出现的环境灾害及地质灾害，如地面塌陷、开裂，地下水污染等正在发生或处于潜在的发生之中。现有废矿、尾矿处理方式通常采用水泥和采矿废渣作为充填材料灌注矿井或矿坑，以减少地表沉降、防止塌陷。这类处理方式将废矿、尾矿的地下部分一次性处理，无法进行二次利用，造成资源浪费。
4.因此，能否在不影响土壤热平衡的前提下充分利用地源热泵取热供暖一直是地源热泵应用的一个瓶颈。


技术实现要素：

5.本发明解决技术问题所采取的技术方案是：一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热系统，包括：太阳能集热子系统、充填体热泵子系统、用户端子系统；太阳能集热子系统用于将太阳能转化为热能后供用户端子系统采暖或热能输出储存；充填体热泵子系统用于在采暖季单独或与太阳能集热子系统共同向用户端子系统供暖，充填体热泵子系统还用于在储存多余的太阳能集热子系统从太阳能转化的热能；用户端子系统为供暖使用者；
6.太阳能集热子系统包括集热器、热泵p1、蓄热水箱，集热器、热泵p1、蓄热水箱环形串联行成一个将太阳能转化为热能的水流循环；充填体热泵子系统包括在矿场地下用充填材料灌注的矿井或矿坑后，在充填材料内盘绕的热交换水路，充填材料为导热且热容材料，热交换水路由导热材料制成的水管首尾相连组合而成；
7.蓄热水箱的出水口连接至用户端子系统的供水口，蓄热水箱的入水口连接至用户端子系统的回水口，蓄热水箱的出水口至用户端子系统的供水口之间依序串联有阀门v1、热泵p2、阀门v10，蓄热水箱的入水口至用户端子系统的回水口之间依序串联有阀门v11、热泵p5；热交换水路的出水口连接至用户端子系统的供水口，热交换水路的入水口连接至热泵p5的出水口，热交换水路的出水口至用户端子系统的供水口之间依序串联有热泵p3、阀门v6、阀门v8，热交换水路的入水口至热泵p5的出水口之间依序串联有阀门v7、热泵p4、阀门v9；
8.热泵p3的出水口分别连通至蓄热水箱的入水口、热泵p2的出水口，热泵p3的出水口至蓄热水箱的入水口之间串联有阀门v2，热泵p3的出水口至热泵p2的出水口之间串联有阀门v5；热交换水路的入水口分别连通至蓄热水箱的入水口、热泵p2的出水口，热交换水路
的入水口至蓄热水箱的入水口之间串联有阀门v3，热交换水路的入水口至热泵p2的出水口之间串联有阀门v4；通过采用导热且热容材料填充矿区采空区，并在充填材料中盘绕热交换水路，然后将热交换水路与太阳能集热子系统、用户端子系统互联，使得填充后的矿区采空区能够实现供热季对外供暖，非供热季储存太阳能热量，从而起到了土壤热平衡的作用，使得矿区采空区填充能够二次利用，突破了不影响土壤热平衡的前提下充分利用地源热泵取热供暖这一地源热泵应用瓶颈。
9.优选的，所述蓄热系统还包括风机集电子系统，风机集电子系统电连接至热泵p1～p5，风机集电子系统包括叶片、齿轮箱、发电机、变压器和控制子系统，风机集电子系统用于给热泵p1～p5供电；通过将风机集电子系统并入，并将热泵连接至风机集电子系统，使得风能发电给热泵设备供电，太阳能热泵可以直接的、持续不断的将热量补充给用户端或者将热量输送到充填体储存起来，解决了充填体取热之后热量短缺问题，实现了热量的持续供应。
10.更优的，所述叶片经齿轮箱传动后驱动发电机发电，发电机经过主开关与熔断器后电连接至变压器，控制子系统电连接至齿轮箱控制齿轮箱的变速比。
11.优选的，所述热交换水路与用户端子系统之间还设有蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀，阀门v6至阀门v8之间的管路上依序串联蒸发器、压缩机、冷凝器，阀门v7至热泵p4之间的管路上依序串联蒸发器、膨胀阀、冷凝器。
12.更优的，所述蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀电连接至风机集电子系统的变压器。
13.本发明还公开一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热方法，所述蓄热方法用于上述蓄热系统，运行方法包括：夏季和过渡季蓄热模式、冬季供暖模式，夏季和过渡季蓄热模式用于将太阳能转化为热能后存储至充填体热泵子系统以调节土壤全年得放热量平衡，冬季供暖模式用于太阳能集热子系统和或充填体热泵子系统向用户端子系统供热；冬季供暖模式包括：太阳能集热子系统单独供热、充填体热泵子系统单独供热；太阳能集热子系统和充填体热泵子系统联合供热。
14.优选的，所述夏季和过渡季蓄热模式时，阀门v1、v2、v4、热泵p1～p3开启，其余阀门及热泵关闭。
15.优选的，所述太阳能集热子系统单独供热时，阀门v1、v10、v11、热泵p1、p2、p5开启，其余阀门及热泵关闭。
16.优选的，所述充填体热泵子系统单独供热时，阀门v6～v9、热泵p3～p5开启，其余阀门及热泵关闭。
17.优选的，所述太阳能集热子系统和充填体热泵子系统联合供热时，阀门v1、v6～v11、热泵p1～p5开启，其余阀门及热泵关闭。
18.本发明的有益效果是：
19.1.本发明通过采用导热且热容材料填充矿区采空区，并在充填材料中盘绕热交换水路，然后将热交换水路与太阳能集热子系统、用户端子系统互联，使得填充后的矿区采空区能够实现供热季对外供暖，非供热季储存太阳能热量，从而起到了土壤热平衡的作用，使得矿区采空区填充能够二次利用，突破了不影响土壤热平衡的前提下充分利用地源热泵取热供暖这一地源热泵应用瓶颈。
20.2.本发明通过将风机集电子系统并入，并将热泵连接至风机集电子系统，使得风
能发电给热泵设备供电，太阳能热泵可以直接的、持续不断的将热量补充给用户端或者将热量输送到充填体储存起来，解决了充填体取热之后热量短缺问题，实现了热量的持续供应。
21.3.本发明通过将风能和太阳能的多能互补，使整个系统做到“零污染、低能耗”。
附图说明
22.图1是一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热系统及蓄热方法的示意图；
23.图2是风力发电系统示意图；
24.图3风力发电流程图；
25.图4是太阳能热泵系统夏季和过渡季蓄热流程图；
26.图5是太阳能热泵系统冬季供暖流程图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的相关技术进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.参考图1～5，一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热系统，包括：太阳能集热子系统、充填体热泵子系统、用户端子系统；太阳能集热子系统用于将太阳能转化为热能后供用户端子系统采暖或热能输出储存；充填体热泵子系统用于在采暖季单独或与太阳能集热子系统共同向用户端子系统供暖，充填体热泵子系统还用于在储存多余的太阳能集热子系统从太阳能转化的热能；用户端子系统为供暖使用者；
29.太阳能集热子系统包括集热器、热泵p1、蓄热水箱，集热器、热泵p1、蓄热水箱环形串联行成一个将太阳能转化为热能的水流循环；充填体热泵子系统包括在矿场地下用充填材料灌注的矿井或矿坑后，在充填材料内盘绕的热交换水路，充填材料为导热且热容材料，热交换水路由导热材料制成的水管首尾相连组合而成；
30.蓄热水箱的出水口连接至用户端子系统的供水口，蓄热水箱的入水口连接至用户端子系统的回水口，蓄热水箱的出水口至用户端子系统的供水口之间依序串联有阀门v1、热泵p2、阀门v10，蓄热水箱的入水口至用户端子系统的回水口之间依序串联有阀门v11、热泵p5；热交换水路的出水口连接至用户端子系统的供水口，热交换水路的入水口连接至热泵p5的出水口，热交换水路的出水口至用户端子系统的供水口之间依序串联有热泵p3、阀门v6、阀门v8，热交换水路的入水口至热泵p5的出水口之间依序串联有阀门v7、热泵p4、阀门v9；
31.热泵p3的出水口分别连通至蓄热水箱的入水口、热泵p2的出水口，热泵p3的出水口至蓄热水箱的入水口之间串联有阀门v2，热泵p3的出水口至热泵p2的出水口之间串联有阀门v5；热交换水路的入水口分别连通至蓄热水箱的入水口、热泵p2的出水口，热交换水路的入水口至蓄热水箱的入水口之间串联有阀门v3，热交换水路的入水口至热泵p2的出水口之间串联有阀门v4；通过采用导热且热容材料填充矿区采空区，并在充填材料中盘绕热交换水路，然后将热交换水路与太阳能集热子系统、用户端子系统互联，使得填充后的矿区采
空区能够实现供热季对外供暖，非供热季储存太阳能热量，从而起到了土壤热平衡的作用，使得矿区采空区填充能够二次利用，突破了不影响土壤热平衡的前提下充分利用地源热泵取热供暖这一地源热泵应用瓶颈。
32.进一步的，所述蓄热系统还包括风机集电子系统，风机集电子系统电连接至热泵p1～p5，风机集电子系统包括叶片、齿轮箱、发电机、变压器和控制子系统，风机集电子系统用于给热泵p1～p5供电；通过将风机集电子系统并入，并将热泵连接至风机集电子系统，使得风能发电给热泵设备供电，太阳能热泵可以直接的、持续不断的将热量补充给用户端或者将热量输送到充填体储存起来，解决了充填体取热之后热量短缺问题，实现了热量的持续供应。
33.更进一步的，所述叶片经齿轮箱传动后驱动发电机发电，发电机经过主开关与熔断器后电连接至变压器，控制子系统电连接至齿轮箱控制齿轮箱的变速比。
34.进一步的，所述热交换水路与用户端子系统之间还设有蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀，阀门v6至阀门v8之间的管路上依序串联蒸发器、压缩机、冷凝器，阀门v7至热泵p4之间的管路上依序串联蒸发器、膨胀阀、冷凝器。
35.更进一步的，所述蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀电连接至风机集电子系统的变压器。
36.本发明还公开一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热方法，所述蓄热方法用于上述蓄热系统，运行方法包括：夏季和过渡季蓄热模式、冬季供暖模式，夏季和过渡季蓄热模式用于将太阳能转化为热能后存储至充填体热泵子系统以调节土壤全年得放热量平衡，冬季供暖模式用于太阳能集热子系统和或充填体热泵子系统向用户端子系统供热；冬季供暖模式包括：太阳能集热子系统单独供热、充填体热泵子系统单独供热；太阳能集热子系统和充填体热泵子系统联合供热。
37.进一步的，所述夏季和过渡季蓄热模式时，阀门v1、v2、v4、热泵p1～p3开启，其余阀门及热泵关闭。
38.进一步的，所述太阳能集热子系统单独供热时，阀门v1、v10、v11、热泵p1、p2、p5开启，其余阀门及热泵关闭。
39.进一步的，所述充填体热泵子系统单独供热时，阀门v6～v9、热泵p3～p5开启，其余阀门及热泵关闭。
40.进一步的，所述太阳能集热子系统和充填体热泵子系统联合供热时，阀门v1、v6～v11、热泵p1～p5开启，其余阀门及热泵关闭。
41.实施例
42.本实施例旨在提供太阳能热泵系统与充填体的结合方案，热泵设备所需电由风力发电供给，实现矿山的绿色发展。并对阀门实现自动化控制，提高资源的利用率。风机集电子系统包括叶片、齿轮箱、发电机、变压器和控制系统；太阳能集热子系统包括太阳能集热器、蓄热水箱和循环泵；充填体热泵子系统包括热泵机组，埋管换热器、循环泵及用户端。
43.风机集电子系统有以下供电流程：
44.风力发电叶片转速须保持在19-30r/min，靠内部的行星齿轮增速箱成倍增加转速，将风轮输出的慢转速转变为高转速。风力发电时时刻刻都在进行，但是风速和方向时时刻刻都在变化，为了高效利用风能，在机舱的上部安装有风向仪和风速仪。当风向发生变化
时，风向仪会测得风向变化，并传输给控制系统，控制系统就会向偏航控制装置发出指令，偏航控制装置就会根据指令转动机舱，最后实现与风向一致。当风速发生变化时，风速仪将变化传输给控制系统，由控制中心分析计算后，让变桨系统对叶片的角度进行改变，最终调节旋转力矩控制叶轮转速，始终保持输出功率的平稳。当风速过大，叶轮转速过快，叶片产生的离心力增强，离心力破坏风机的平衡，有极大的安全隐患，因此当超过风速的上限值后，变桨调节系统将叶片对准风向为顺桨状态，让叶片受力最小，同时启动行星齿轮箱高速侧的液压制动装置，使叶轮完全停止，进而保护风机安全。目前，陆地上一台风力发电机的功率再1.5-2兆瓦，每小时可产生2000度电。风力发电每时每刻都在运行，所以一年可产生1.752
×
107度电，产生的电可用于耦合系统设备的全年运行。
45.本实施例通过以下运行工况来实现：
46.(1)夏季和过渡季蓄热模式
47.在冬季供暖时，充填体温度下降。为了提升充填体的温度，保证充填体的可持续利用，需要在夏季和过渡季对充填体进行蓄热升温。当水箱温度达到40℃以上时，由集热器吸收的辐射能转化成的热能通过管道传递给埋管换热器，再由埋管换热器传递给充填体，从而使充填体的温度升高至设计温度。蓄热模式下各阀门和泵开关状态见表1：
48.v1v2v3v4v5v6v7v9v10v11p1p2p3p4p5开开关开关关关关关关开开开关关
49.表1
50.(2)冬季供暖模式
51.冬季供暖模式有三种方式：一、太阳能集热系统单独供热；二、热泵系统单独供热；三、水箱和热泵联合供热。
52.冬季太阳辐射较强，可采取太阳能集热系统单独供热(蓄热水箱的温度达到40℃以上)，运行太阳能集热系统，蓄热水箱中的热水直接向用户端供热。太阳能集热系统单独供热模式下各阀门和泵开关状态见表2：
53.v1v2v3v4v5v6v7v8v9v10v11p1p2p3p4p5开关关关关关关关关开开开开关关开
54.表2
55.冬季太阳辐射微弱的阴雨天或者夜晚，可以采用热泵系统单独供热，运行热泵机组，将充填体中的热量通过埋管换热器、热泵机组及管道输送到矿区生活区。热泵系统单独供热模式下各阀门和泵开关状态见表3：
56.v1v2v3v4v5v6v7v8v9v10v11p1p2p3p4p5关关关关关开开开开关关关关开开开
57.表3
58.在冬季对热量需求量大的时候，可以采用水箱和热泵系统联合供热，在蓄热水箱端增设温度控制阀，当蓄热水箱温度大于30℃时，只向矿区生活区供热，不向埋管换热器传递热量。此时太阳能集热系统和热泵系统单独同时向用户端供热。太阳能集热系统和热泵系统同时单独供热模式下各阀门和泵开关状态见表4：
59.v1v2v3v4v5v6v7v8v9v10v11p1p2p3p4p5
开关关关关开开开开开开开开开开开
60.表4
61.当蓄热水箱温度低于30℃，不能为矿区生活区提供足够的热量时，水箱中的低温热水向蒸发器端汇集。同时运行热泵系统为用户端供热。该供热模式下各阀门和泵开关状态见表5：
62.v1v2v3v4v5v6v7v8v9v10v11p1p2p3p4p5开关开关开开开开开关关开开开开开
63.表5
64.综上所述，本发明通过采用导热且热容材料填充矿区采空区，并在充填材料中盘绕热交换水路，然后将热交换水路与太阳能集热子系统、用户端子系统互联，使得填充后的矿区采空区能够实现供热季对外供暖，非供热季储存太阳能热量，从而起到了土壤热平衡的作用，使得矿区采空区填充能够二次利用，突破了不影响土壤热平衡的前提下充分利用地源热泵取热供暖这一地源热泵应用瓶颈，因此本发明拥有广泛的应用前景。
65.需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热系统，其特征在于，包括：太阳能集热子系统、充填体热泵子系统、用户端子系统；所述太阳能集热子系统用于将太阳能转化为热能后供所述用户端子系统采暖或热能输出储存；所述充填体热泵子系统用于在采暖季单独或与太阳能集热子系统共同向用户端子系统供暖，所述充填体热泵子系统还用于在储存多余的太阳能集热子系统从太阳能转化的热能；所述用户端子系统为供暖使用者；所述太阳能集热子系统包括集热器、热泵p1、蓄热水箱，所述集热器、热泵p1、蓄热水箱环形串联行成一个将太阳能转化为热能的水流循环；所述充填体热泵子系统包括在矿场地下用充填材料灌注的矿井或矿坑，所述充填材料内盘绕的热交换水路，所述充填材料为导热且热容材料，所述热交换水路是由导热材料制成的水管首尾相连组合而成；所述蓄热水箱的出水口连接至用户端子系统的供水口，所述蓄热水箱的入水口连接至用户端子系统的回水口，所述蓄热水箱的出水口至用户端子系统的供水口之间依序串联有阀门v1、热泵p2、阀门v10，所述蓄热水箱的入水口至用户端子系统的回水口之间依序串联有阀门v11、热泵p5；所述热交换水路的出水口连接至用户端子系统的供水口，所述热交换水路的入水口连接至热泵p5的出水口，所述热交换水路的出水口至用户端子系统的供水口之间依序串联有热泵p3、阀门v6、阀门v8，所述热交换水路的入水口至热泵p5的出水口之间依序串联有阀门v7、热泵p4、阀门v9；所述热泵p3的出水口分别连通至蓄热水箱的入水口、热泵p2的出水口，所述热泵p3的出水口至蓄热水箱的入水口之间串联有阀门v2，所述热泵p3的出水口至热泵p2的出水口之间串联有阀门v5；所述热交换水路的入水口分别连通至蓄热水箱的入水口、热泵p2的出水口，所述热交换水路的入水口至蓄热水箱的入水口之间串联有阀门v3，所述热交换水路的入水口至热泵p2的出水口之间串联有阀门v4。2.根据权利要求1所述的一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热系统，其特征在于，所述蓄热系统还包括风机集电子系统，所述风机集电子系统电连接至所述热泵p1～p5，所述风机集电子系统包括叶片、齿轮箱、发电机、变压器和控制子系统，所述风机集电子系统用于给热泵p1～p5供电。3.根据权利要求2所述的一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热系统，其特征在于，所述叶片经所述齿轮箱传动后驱动所述发电机发电，所述发电机经过主开关与熔断器后电连接至所述变压器，所述控制子系统电连接至所述齿轮箱控制齿轮箱的变速比。4.根据权利要求1所述的一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热系统，其特征在于，所述热交换水路与用户端子系统之间还设有蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀，所述阀门v6至阀门v8之间的管路上依序串联所述蒸发器、压缩机、冷凝器，所述阀门v7至热泵p4之间的管路上依序串联蒸发器、膨胀阀、冷凝器。5.根据权利要求2和权利要求4所述的一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热系统，其特征在于，所述蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀电连接至所述风机集电子系统的变压器。6.一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热方法，其特征在于，所述蓄热方法用于权
利要求1至5所述的任一蓄热系统，所述方法包括：夏季和过渡季蓄热模式、冬季供暖模式，所述夏季和过渡季蓄热模式用于将太阳能转化为热能后存储至充填体热泵子系统以调节土壤全年得放热量平衡，所述冬季供暖模式用于太阳能集热子系统和或充填体热泵子系统向用户端子系统供热；所述冬季供暖模式包括：太阳能集热子系统单独供热、充填体热泵子系统单独供热；太阳能集热子系统和充填体热泵子系统联合供热。7.根据权利要求6所述的一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热方法，其特征在于，所述夏季和过渡季蓄热模式时，阀门v1、v2、v4、热泵p1～p3开启，其余阀门及热泵关闭。8.根据权利要求6所述的一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热方法，其特征在于，所述太阳能集热子系统单独供热时，阀门v1、v10、v11、热泵p1、p2、p5开启，其余阀门及热泵关闭。9.根据权利要求6所述的一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热方法，其特征在于，所述充填体热泵子系统单独供热时，阀门v6～v9、热泵p3～p5开启，其余阀门及热泵关闭。10.根据权利要求6所述的一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热方法，其特征在于，所述太阳能集热子系统和充填体热泵子系统联合供热时，阀门v1、v6～v11、热泵p1～p5开启，其余阀门及热泵关闭。

技术总结
本发明属于深井充填及城市供热技术领域,涉及一种适用于矿场的充填体热泵跨季节蓄热系统及蓄热方法，包括：太阳能集热子系统、充填体热泵子系统、用户端子系统；本发明通过采用导热且热容材料填充矿区采空区，并在充填材料中盘绕热交换水路，然后将热交换水路与太阳能集热子系统、用户端子系统互联，使得填充后的矿区采空区能够实现供热季对外供暖，非供热季储存太阳能热量，从而起到了土壤热平衡的作用，使得矿区采空区填充能够二次利用，突破了不影响土壤热平衡的前提下充分利用地源热泵取热供暖这一地源热泵应用瓶颈。取热供暖这一地源热泵应用瓶颈。取热供暖这一地源热泵应用瓶颈。


技术研发人员：赵玉娇 王梦瑶 张海龙 刘浪 鲁雪莹 张小艳 郇超 卢大川 张波 秦学斌 王美
受保护的技术使用者：西安科技大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/12