CN105683680A - 利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统。上述利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统的特征在于，包括：注入井，位于地下水水流的上游侧，具有高水头；抽水井，位于上述地下水水流的下游侧，具有低水头；热交换器，位于上述注入井与上述抽水井之间；以及管道，用于连接上述注入井与上述热交换器之间以及连接上述抽水井与上述热交换器之间。对本发明的研究得到了由韩国国土交通部出资、韩国国土交通科学技术振兴院委托实施的水资源管理研究项目(11技术创新C05)中的“岸边地下水引用高度化”研究小组的研究经费支持。

Description

利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统

技术领域

本发明涉及地下水热量应用及储存系统，更具体地，涉及用于储存并应用位于岸边的冲积含水层的地下水热量的地下水热量应用及储存系统。

背景技术

在将化石燃料作为主要能源来使用的现代文明中，因化石燃料的燃烧等而产生的全球变暖的问题日趋严重，因此，为了实现全球性的环境保护，正研究核能或其它可从自然资源中获得的多种替代能源。

虽然这些替代能源中有风能或潮汐能等替代能源，但考虑到设置场所大多远离人类的居住地、安装费用等，则具有目前为止还无法真正确立为替代能源的缺点。

另一方面，由于随着长时间运行所产生的能源费用持续增加，因此，提出了代替石油等化石燃料的通过回收并储存地下热量来实现经济性应用的多种方案。

其中，以产生在地下的热量扩散至地表面的方式呈现的地热能可通过相对简单的方式有效控制温度差，因而备受瞩目。

在地热中，虽然也存在熔岩或熔浆等的因火山活动而产生的地热，但在利用如上所述的形态的地热的方面，不仅存在一些困难，而且因全球范围的火山性热源的分布并不均匀，因此很难广泛应用。

作为代替火山性地热的方法，正摸索针对利用在地下全年维持的恒定温度(例如，15℃左右)的地下水热源的地热应用方法的解决办法。

对此，参照图1及图2，对以往的利用地下水热量的方法进行简单说明。

图1为示出以往的兼备注入井和抽水井作用的地热孔的简要剖视图，图2为示出图1所示的以往的兼备注入井和抽水井作用的地热孔的简要俯视图。

如图1所示，以地面10为基准，以往的地热孔100包括埋设于地下的地热孔上部20和地热孔下部60。

其中，应知，上述地面10是指地面10的下侧地层为冲积含水层的地面。冲积含水层是指如下的地质学上的层，即，主要位于河流、江边或海岸，混合有沙土、黏土或碎石等，因而形成相当程度的地下水流动。

另一方面，在地热孔上部20还设置有地热孔盖25，上述地热孔盖25用于防止从外部流入异物，并用于管理地热孔100。

在地热孔下部60，可使从包括热泵(heatpump)的热交换器(未图示)排出的排出水通过流入管道40流入，并通过排出管道45在地热孔下部60的集水部70收集上述排出水。

收集在集水部70的排出水可在与集水部70内的水混合并被冷却或加热至规定温度后，通过抽水管道55来经过流出管道50向热交换器流动。

在图1中，附图标记77是指集水部70的底面，集水部70的深度可通过考虑集水部70的设计热容量来确定。并且，附图标记75为保护板，即使在集水部70过度收集排出水，上述保护板也可防止排出水向地热孔上部20溢出。

在图1中，附图标记30是指可设置用于测定地热孔100的排出水的温度、集水部70内的水温、被抽水的水温等或对排出水的流速等进行监控的传感器等。

还可在抽水管道55的下端设置有过滤器80，上述过滤器80用于去除从集水部70抽出的水中的异物。

当地热孔100的热容量充分大时，优选地，围绕地热孔下部60的墙体由混凝土等形成来进行封闭，但大部分的情况下，考虑到施工费用等，优选地将围绕地热孔下部60的墙体设置成可使地下水自由地从外部流入。

另一方面，从图2可知，优选地，以与河流或湖泊8相邻的方式设置地热孔100。在此情况下，即使地热孔100的热容量不足，也可使地下水从河流或湖泊8持续地流入上述地热孔100。

在图2中，以箭头150表示了从建筑物200到地热孔100为止的水循环，由此可知，如对图1的说明，使从热交换器(未图示)排出的水和被抽出的水互相混合。

图1及图2示出的以往的地热孔100存在如下的问题，即，由于在使排出水流入集水部70后与集水部70内的其它地下水相混合，因而排出水的温度会影响集水部70内的地下水的温度，因此，上述排出水的温度也会影响通过抽水管道55抽出的水的温度。

在这种情况下，在夏季无法充分实现所需的制冷效果，相反，在冬季无法充分实现所需的制热效果。

与本发明相关的现有技术文献为专利文献1。专利文献1中采用了分为温水井和冷水井的结构，从而根据夏季和冬季等季节需要，在温水井收集温水，在冷水井收集冷水。

(专利文献1)韩国授权专利公报第10-1005231号(2010年12月31日公告)(发明名称：“含水层蓄热控制系统( )”)

发明内容

技术问题

因此，本发明用于解决如上所述的问题，本发明的一目的在于，提供以向注入井注入的排出水所产生的热扰动不对抽水井的温度产生影响的结构形成的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统。

本发明所要解决的问题不限于以上所提及的问题，本发明所属技术领域的普通技术人员可通过以下记载的内容明确了解未提及的其它问题。

解决问题的手段

为了解决上述问题，本发明优选一实施例的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统的特征在于，包括：注入井；抽水井；热交换器，位于上述注入井与上述抽水井之间；以及管道，用于连接上述注入井与上述热交换器之间以及连接上述抽水井与上述热交换器之间，上述注入井位于地下水水流的上游侧，上述注入井的水头高于上述抽水井的水头，上述抽水井位于上述地下水水流的下游侧，上述抽水井的水头低于上述注入井的水头。

其中，优选地，在上述热交换器中完成热交换的排出水沿着连接上述注入井与上述热交换器之间的管道朝向上述注入井流动，优选地，从上述抽水井抽出的水沿着连接上述抽水井与上述热交换器之间的管道朝向上述热交换器流动。

此时，优选地，在夏季及冬季，从上述抽水井抽出的水的温度维持在12℃～17℃，尤为优选地，在夏季及冬季，从上述抽水井抽出的水的温度维持在15℃。

并且，更优选地，向上述注入井排出的排出水与上述注入井周围的地下水水流相混合并流到上述抽水井所需的时间为6个月。

并且，由水力传导系数、上述所需时间及如下的数学式来确定从上述注入井到上述抽水井为止的距离，上述水力传导系数由上述注入井的上述水头与上述抽水井的上述水头之差来确定。

数学式：

距离(L)﹦(注入井与抽水井之间的水力传导系数)×所需时间

其中，水力传导系数的单位为cm/s，所需时间的单位为s。

此时，优选地，上述注入井与上述抽水井之间的水力传导系数为10^-4cm/s～10^-5cm/s。

并且，优选地，上述排出水通过连接上述注入井与上述热交换器之间的管道依靠重力排出，在上述抽水井还设置有泵，上述泵用于对上述抽水井内的地下水进行抽水。

其它实施例的具体的事项包含在详细说明及附图。

参照附图及详细说明的实施例，将明确本发明的优点和/或特征及实现这些优点和特征的方法。但是，本发明并不局限于以下所公开的实施例，能够以互不相同的多种方式实施，本实施例仅用于使本发明所属技术领域的普通技术人员完整地理解本发明的范畴，本发明仅由发明要求保护范围来定义。

需要理解的是，在说明书全文中，相同的附图标记表示相同的结构要素，构成发明的各结构要素的大小、位子、结合关系等为了说明书的明确性而有所夸张。并且，在对本发明进行说明的过程中，若判断为相关公知技术等有可能使本发明的主旨变得模糊，则将省略对相关公知技术的详细说明。

发明的效果

根据本发明优选的实施例，本发明具有如下的优点，即，由于向注入井注入的排出水所产生的热扰动不会影响抽水井，因此不仅没有利用单一地热孔的情况下的热扰动的隐患，还因采用自然的热扩散而无需采取人为的热扰动对策。

并且，根据本发明优选的实施例，由于仅在抽水井设置抽水用泵即可，因此可期待在结构及运转方面变得更加简单化的效果。

附图说明

图1为示出以往的兼备注入井和抽水井作用的地热孔的简要剖视图。

图2为示出图1所示的以往的兼备注入井和抽水井作用的地热孔的简要俯视图。

图3为示出改善图1及图2所示的以往的兼备注入井和抽水井作用的地热孔的形态的简要俯视图。

图4为示出本发明优选实施例的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统的一实施例的简要俯视图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明的实施例进行详细的说明。

首先，对改善图1及图2所示的以往的兼备注入井和抽水井作用的地热孔的形态进行说明。

图3为示出改善图1及图2所示的以往的兼备注入井和抽水井作用的地热孔的形态的简要俯视图，图4为示出本发明优选实施例的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统的一实施例的简要俯视图。

在图3中，以箭头155表示从建筑物200到地热孔100为止的水循环。

在图3中，与图1及图2的不同之处在于，水的循环并不仅仅沿着箭头155产生，除了地热孔100以外还形成有其它排出孔300，考虑到地热孔100的热容量来在地热孔100中的排出水与地下水之间产生热扰动时，例如，在制冷负荷或制热负荷骤增的情况下，使排出水向排出孔300排出。

在此情况下，应知，由于无需从排出孔300进行抽水，因此箭头250仅从建筑物200指向排出孔300方向。

因此，当上述地热孔的形态为图3所示的结构时，平时不利用排出孔300而仅利用地热孔100也足矣，仅在制冷、制热负荷骤增的情况下，可通过向排出孔300排出排出水来简单地解决制冷、制热的需要。

但是，在采用图3所示的结构情况下，由于排出孔300并非始终运转，因此，根据排出孔300的位置，在制冷、制热负荷骤增的情况下，使排出孔300的水头临时骤增，因此存在排出孔300中的排出水所产生的热扰动不可避免地对地热孔100产生影响的隐患。

因此，为了解决在上述的图1至图3中所示的地热孔100或排出孔300的结构中所产生的各种问题，本发明的发明人导出了本发明。

图4为示出本发明优选实施例的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统的一实施例的简要俯视图。

以下，部分参照图1至图3中的结构，对本发明的结构进行说明。

如图4所示，本发明的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统包括：注入井400，以建筑物200为基准，位于地下水水流的上游侧，上述注入井400具有高水头；抽水井500，位于上述地下水水流的下游侧，上述抽水井500具有低水头；热交换器250，位于上述注入井400与上述抽水井500之间；管道450，用于连接上述注入井400与上述热交换器250之间；以及管道550，用于连接上述抽水井500与上述热交换器250之间。

优选地，上述热交换器250位于上述建筑物200内，但上述热交换器250的设置位置并不仅限定于上述建筑物200内。

此时，当相对比较上述注入井400的水头和上述抽水井500的水头时，优选地，上述注入井400的水头高于上述抽水井500的水头。

若上述注入井400的水头低于上述抽水井500的水头，则存在从上述抽水井500朝向上述注入井400产生热扰动的隐患。

在图4中，A侧为水头相对高的位置，而B侧为水头相对低的位置。

此时，优选地，A侧的水头和B侧的水头之差达到使上述注入井400与上述抽水井500之间的水力传导系数达10^-4cm/s～10^-5cm/s的程度。

若上述水力传导系数大于10^-4cm/s，则向A侧排出的被热扰动的排出水过快地向水头低的B侧扩散，即，向注入井400排出的被热扰动的排出水过快地向水头低的抽水井500侧扩散，从而在上述抽水井500中不可避免地产生热扰动。

当上述水力传导系数小于10^-5cm/s，地层几乎接近不透水层，因此向上述注入井400排出的排出水无法向地面10以下的地层扩散，从而无法达到本发明中提出的6个月左右的热扩散周期。

作为参考，优选地，上述水力传导系数范围内的上述注入井400和上述抽水井500之间的距离为30米至100米左右。此时，优选地，考虑基于上述注入井400的热影响半径来确定上述距离，优选地，从经济性方面考虑，上述距离为约60米左右。

另一方面，优选地，连接上述注入井400与上述热交换器250之间的管道450被配置成使在上述热交换器250中完成热交换的排出水朝向上述注入井400流动。

此时，上述排出水可通过连接上述注入井400与上述热交换器250之间的管道450依靠重力排出。

其中，依靠重力排出是指使在上述管道450内流动的排出水借助因重力而产生的自然下降的现象向上述注入井400排出。

由此可知，无需为了向上述注入井400排出上述排出水而设置额外的动力源，例如，无需设置额外的马达或泵。

另一方面，优选地，用于连接上述抽水井500与上述热交换器250之间的管道550被配置成使从上述抽水井500抽出的水朝向上述热交换器250流动。

为此，优选地，在上述抽水井500的下部设置有泵(未图示)。

此时，优选地，泵设置于上述抽水井500的下部，尤为优选地，上述泵设置于图1中所示的过滤器80的内部。

此时，优选地，在夏季及冬季，从上述抽水井500抽出的水的温度维持在12℃～17℃。

最优选地，假设上述水的温度以包括夏季和冬季的全年为基准来维持在15℃左右，为此，上述抽水井500的深度达到使冲积含水层的厚度达10米以上的厚度即可。

但是，若上述抽水井500的深度超过规定范围，例如，若上述抽水井500的深度达到地下100米以上，则从费用方面考虑，如上所述的深度并不优选。

作为参考，与上述抽水井500的深度相比，上述注入井400的深度可更浅。

并且，优选地，若上述抽水井500的形状呈细长的正方形，则上述注入井400的形状呈宽广平坦的正方形也无妨。

可知，与上述说明不同，上述抽水井500和上述注入井400的深度和/或形状能够以相反的条件形成。

根据上述注入井400和上述抽水井500的设置条件，向上述注入井400排出的排出水可与上述注入井400周围的地下水水流相混合并扩散到上述抽水井500。

此时，优选地，上述注入井400和上述抽水井500之间的扩散和到达需要约6个月的时间。

这是因为韩国的夏季和冬季以6月和12月为代表，因此考虑到夏季的约6个月时间的制冷需要和冬季的约6个月时间的制热需要来确定上述扩散时间和上述到达时间。

当然，如上所述的时间条件并不限定为6个月。例如，当冬季超过6个月时，优选地，可根据冬季时间确定上述时间条件。

优选地，如上所述的时间条件可结合上述的水力传导系数来确定，为此，本发明所属技术领域的普通技术人员可通过适当的水力学实验来确定上述水力传导系数，而且可根据气象学条件来测定夏季和冬季的季节长度。

此时，根据地面10以下的冲积含水层的形成条件，上述水力传导系数可大为不同，因此优选地，通过适当地反复进行实验来预先测定水力传导系数。

另一方面，在考虑到上述水力传导系数和时间条件的情况下，可利用上述注入井400的上述水头与上述抽水井500的上述水头之差并根据如下的数学式来确定从上述注入井400到上述抽水井500为止的距离。

数学式：

距离(L)﹦(注入井与抽水井之间的水力传导系数)×所需时间

其中，水力传导系数的单位可以为cm/s，所需时间的单位可以为s(秒，second)。

其中，优选地，上述注入井400与上述抽水井500之间的水力传导系数为10^-4cm/s～10^-5cm/s。

虽然在图4中未明确示出，但优选地，上述注入井400和上述抽水井500的地热孔下部60(图1)以多孔性墙壁形成，以使周围冲积含水层内的地下水可自由地流动。

并且，在上述注入井400和上述抽水井500的地热孔下部60还设置有适当的滤油单元，以防止包含在周围冲积含水层中的地下水的各种异物通过。

虽然上述过滤单元也可设置于地热孔下部的外侧，但在一旦设置完成上述注入井400和上述抽水井500之后，则事实上无法进行上述注入井400和上述抽水井500的变更和/或者变形等的追加工程，因此也可在地热孔下部的内侧设置上述过滤单元，而不是设置在地热孔下部的外侧。

如上所述，虽然通过有限的实施例和附图对本发明进行了说明，但本发明并不局限于上述的实施例，只要是本发明所属技术领域的普通技术人员，就能从以上记载中对本发明进行多种修改及变形。因此，本发明的思想并不局限于以上记载所包含的实施例，本发明应仅通过发明要求保护范围来掌握，发明要求保护范围的等同或等价的变形应全部视为属于本发明思想的范畴。

产业上的可利用性

根据本发明优选的实施例，本发明具有如下的优点，即，由于向注入井注入的排出水所产生的热扰动不会影响抽水井，因此不仅没有在利用单一地热孔的情况下的热扰动的隐患，还因采用利用自然的热扩散而无需采取人为的热扰动对策。

并且，根据本发明优选的实施例，由于仅在抽水井设置抽水用泵即可，因此可期待在结构及运转方面变得更加简单化的效果。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

国际局于2015年1月12日接收(12.01.2015)

1.(修改)一种利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，

包括：

注入井；

抽水井；

热交换器，位于上述注入井与上述抽水井之间；以及

管道，用于连接上述注入井与上述热交换器之间以及连接上述抽水井与上述热交换器之间，

上述注入井位于地下水水流的上游侧，上述注入井的水头高于上述抽水井的水头，上述抽水井位于上述地下水水流的下游侧，上述抽水井的水头低于上述注入井的水头，从而防止从上述抽水井朝向上述注入井发生热扰动现象。

2.根据权利要求1所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，在上述热交换器中完成热交换的排出水沿着连接上述注入井与上述热交换器之间的管道朝向上述注入井流动。

3.根据权利要求1所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，从上述抽水井抽出的水沿着连接上述抽水井与上述热交换器之间的管道朝向上述热交换器流动。

4.根据权利要求3所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，在夏季及冬季，从上述抽水井抽出的水的温度维持在12℃～17℃。

5.根据权利要求4所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，在夏季及冬季，从上述抽水井抽出的水的温度维持在15℃。

6.根据权利要求2所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，向上述注入井排出的排出水与上述注入井周围的地下水水流相混合并流到上述抽水井所需的时间为6个月。

7.根据权利要求6所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，

由水力传导系数、上述所需时间及如下的数学式来确定从上述注入井到上述抽水井为止的距离，上述水力传导系数由上述注入井的上述水头与上述抽水井的上述水头之差来确定，

数学式：

距离(L)﹦(注入井与抽水井之间的水力传导系数)×所需时间，

其中，水力传导系数的单位为cm/s，所需时间的单位为s。

8.根据权利要求7所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，上述注入井与上述抽水井之间的水力传导系数为10^-4cm/s～10^-5cm/s。

9.根据权利要求2或3所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，上述排出水通过连接上述注入井与上述热交换器之间的管道依靠重力排出，在上述抽水井还设置有泵，上述泵用于对上述抽水井内的地下水进行抽水。

Claims (9)

1.一种利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，

包括：

注入井；

抽水井；

热交换器，位于上述注入井与上述抽水井之间；以及

管道，用于连接上述注入井与上述热交换器之间以及连接上述抽水井与上述热交换器之间，

上述注入井位于地下水水流的上游侧，上述注入井的水头高于上述抽水井的水头，

上述抽水井位于上述地下水水流的下游侧，上述抽水井的水头低于上述注入井的水头。

2.根据权利要求1所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，在上述热交换器中完成热交换的排出水沿着连接上述注入井与上述热交换器之间的管道朝向上述注入井流动。

3.根据权利要求1所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，从上述抽水井抽出的水沿着连接上述抽水井与上述热交换器之间的管道朝向上述热交换器流动。

4.根据权利要求3所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，在夏季及冬季，从上述抽水井抽出的水的温度维持在12℃～17℃。

5.根据权利要求4所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，在夏季及冬季，从上述抽水井抽出的水的温度维持在15℃。

6.根据权利要求2所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，向上述注入井排出的排出水与上述注入井周围的地下水水流相混合并流到上述抽水井所需的时间为6个月。

7.根据权利要求6所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，

由水力传导系数、上述所需时间及如下的数学式来确定从上述注入井到上述抽水井为止的距离，上述水力传导系数由上述注入井的上述水头与上述抽水井的上述水头之差来确定，

数学式：

距离(L)﹦(注入井与抽水井之间的水力传导系数)×所需时间，其中，水力传导系数的单位为cm/s，所需时间的单位为s。

8.根据权利要求7所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，上述注入井与上述抽水井之间的水力传导系数为10^-4cm/s～10^-5cm/s。

9.根据权利要求2或3所述的利用冲积含水层的地下水热量应用及储存系统，其特征在于，上述排出水通过连接上述注入井与上述热交换器之间的管道依靠重力排出，在上述抽水井还设置有泵，上述泵用于对上述抽水井内的地下水进行抽水。