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1、(10)申请公布号 CN 102297545 A (43)申请公布日 2011.12.28 CN 102297545 A *CN102297545A* (21)申请号 201110173770.2 (22)申请日 2011.06.24 F25B 30/06(2006.01) F24J 3/08(2006.01) F25B 41/04(2006.01) (71)申请人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区清华园 1 号清华 大学热能工程系 (72)发明人 姜培学 张富珍 胥蕊娜 (74)专利代理机构 北京纪凯知识产权代理有限 公司 11245 代理人 徐宁 关畅 (54) 发明名称 一种 。
2、CO2埋存的加热系统 (57) 摘要 本发明涉及一种CO2埋存的加热系统， 其特征 在于 ： 它包括地埋管换热装置和热泵加热装置， 所述地埋管换热装置用于使循环介质从土壤中吸 收热量 ； 所述热泵加热装置用于从循环介质或空 气中吸收热量， 通过热泵循环提高热泵工质的温 度 ； 所述地埋管换热装置包括地埋管换热器、 循 环介质泵和蒸发器， 所述地埋管换热器的出口经 所述循环介质泵连接至所述蒸发器的入口， 所述 蒸发器的出口连接所述地埋管换热器的入口。本 发明由于采用热泵加热装置从土壤或空气中吸取 热量， 通过热泵循环提高热泵工质的温度， 使其能 够直接加热准备灌注的 CO2， 进而克服了电加热及。
3、 燃烧化石燃料加热而造成资源浪费。本发明可以 广泛应用于节能领域的加热系统中。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 CN 102297553 A1/1 页 2 1. 一种 CO2埋存的加热系统， 其特征在于 ： 它包括地埋管换热装置和热泵加热装置， 所 述地埋管换热装置用于使循环介质从土壤中吸收热量 ； 所述热泵加热装置用于从循环介质 或空气中吸收热量， 通过热泵循环提高热泵工质的温度 ； 所述地埋管换热装置包括地埋管 换热器、 循环介质泵和蒸发器， 所述地埋管换热器的出口经所述循环介质泵连接至所。
4、述蒸 发器的入口， 所述蒸发器的出口连接所述地埋管换热器的入口。 2.如权利要求1所述的一种CO2埋存的加热系统， 其特征在于 ： 所述热泵加热装置包括 蒸发器、 压缩机、 冷凝器、 节流阀和空气换热器 ； 所述蒸发器的输出端连接所述压缩机的输 入端， 所述压缩机的输出端经所述冷凝器连接上述节流阀的一端， 所述节流阀的另一端分 别连接所述蒸发器的输入端和空气换热器的输入端 ； 所述空气换热器的输出端连接至所述 压缩机的输入端。 3.如权利要求2所述的一种CO2埋存的加热系统， 其特征在于 ： 所述蒸发器与所述压缩 机之间、 所述蒸发器与所述节流阀之间、 所述节流阀与所述空气换热器之间， 以及所。
5、述空气 换热器与所述压缩机之间均设置有一调节阀。 4.如权利要求3所述的一种CO2埋存的加热系统， 其特征在于 ： 关闭所述节流阀与所述 空气换热器之间的调节阀、 所述空气换热器与所述压缩机之间的调节阀 ； 开启所述蒸发器 与所述压缩机之间的调节阀、 所述蒸发器与所述节流阀之间的调节阀， 实现冬季运行。 5.如权利要求3所述的一种CO2埋存的加热系统， 其特征在于 ： 开启所述节流阀与所述 空气换热器之间的调节阀、 所述空气换热器与所述压缩机之间的调节阀 ； 关闭所述蒸发器 与所述压缩机之间的调节阀、 所述蒸发器与所述节流阀之间的调节阀， 实现夏季运行。 权 利 要 求 书 CN 102297。
6、545 A CN 102297553 A1/3 页 3 一种 CO2埋存的加热系统 技术领域 0001 本发明涉及一种加热系统， 特别是关于一种 CO2埋存的加热系统。 背景技术 0002 政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 的评估报告指出， 以气温升高为主要特征的 全球气候变化在很大程度上是由于人为活动导致的温室气体排放， 尤其是化石能源使用引 起的 CO2排放导致的。为了应对气候变化， IPCC 指出， 2050 年全球温室气体的排放量要削 减 50到 80。为了达到这一目标， 提高能源利用效率、 开发可再生能源以及实施 CO2捕 集与埋存 (CCS) 是必要的。CCS 在短期内可以有。
7、效降低碳排放， 因此得到了各国的关注。 0003 将 CO2从排放地捕集然后运输到埋存地埋存， 为了运输的方便， 从 CO2排放地点捕 集的 CO2要经过加压和降温处理， 到达埋存地点时温度往往在 -20左右。如果直接向注入 井灌注， 会影响CO2在埋存层的流动。 为此， CO2在注入注入井进行埋存前需要进行加热。 加 热方法包括电加热和燃烧煤、 石油、 天然气等一次能源的供热。 由于埋存地点往往位于比较 偏远的地区， 煤石油、 天然气的获得和储存受到限制， 因此常规的加热方法为电加热。 但是， 电加热方法耗能较高， 同时也产生较大的碳排放， 使得 CCS 的实际效果受到削弱。 发明内容 00。
8、04 针对上述问题， 本发明的目的是提供一种能克服电加热及燃烧化石燃料加热而造 成资源浪费的 CO2埋存的加热系统。 0005 为实现上述目的， 本发明采取以下技术方案 ： 一种 CO2埋存的加热系统， 其特征在 于 ： 它包括地埋管换热装置和热泵加热装置， 所述地埋管换热装置用于使循环介质从土壤 中吸收热量 ； 所述热泵加热装置用于从循环介质或空气中吸收热量， 通过热泵循环提高热 泵工质的温度 ； 所述地埋管换热装置包括地埋管换热器、 循环介质泵和蒸发器， 所述地埋管 换热器的出口经所述循环介质泵连接至所述蒸发器的入口， 所述蒸发器的出口连接所述地 埋管换热器的入口。 0006 所述热泵加热。
9、装置包括蒸发器、 压缩机、 冷凝器、 节流阀和空气换热器 ； 所述蒸发 器的输出端连接所述压缩机的输入端， 所述压缩机的输出端经所述冷凝器连接上述节流阀 的一端， 所述节流阀的另一端分别连接所述蒸发器的输入端和空气换热器的输入端 ； 所述 空气换热器的输出端连接至所述压缩机的输入端。 0007 所述蒸发器与所述压缩机之间、 所述蒸发器与所述节流阀之间、 所述节流阀与所 述空气换热器之间， 以及所述空气换热器与所述压缩机之间均设置有一调节阀。 0008 关闭所述节流阀与所述空气换热器之间的调节阀、 所述空气换热器与所述压缩机 之间的调节阀 ； 开启所述蒸发器与所述压缩机之间的调节阀、 所述蒸发器。
10、与所述节流阀之 间的调节阀， 实现冬季运行。 0009 开启所述节流阀与所述空气换热器之间的调节阀、 所述空气换热器与所述压缩机 之间的调节阀 ； 关闭所述蒸发器与所述压缩机之间的调节阀、 所述蒸发器与所述节流阀之 说 明 书 CN 102297545 A CN 102297553 A2/3 页 4 间的调节阀， 实现夏季运行。 0010 本发明由于采取以上技术方案， 其具有以下优点 ： 1、 本发明由于采用热泵加热装 置从土壤或空气中吸取热量， 通过热泵循环提高热泵工质的温度， 使其能够直接加热准备 灌注的CO2， 进而克服了电加热及燃烧化石燃料加热而造成资源浪费。 2、 本发明由于采用地 。
11、埋管换热装置和热泵加热装置， 地埋管换热装置中的循环介质经地埋管换热器吸收土壤热 量后， 进入蒸发器内， 与热泵加热装置中的热泵工质进行换热， 热泵工质温度提高， 实现加 热准备灌注的 CO2， 使 CO2埋存的能源消耗降低， 提高了 CO2埋存的经济性。3、 本发明由于采 用在蒸发器与压缩机之间、 蒸发器与节流阀之间、 节流阀与空气换热器之间， 以及空气换热 器与压缩机之间均设置有调节阀。通过控制各调节阀的开关， 使本发明的 CO2埋存的灌注 系统能实现在冬季、 夏季均能有效运行。本发明可以广泛应用于节能领域的加热系统中。 附图说明 0011 图 1 是本发明的整体结构示意图 ； 0012 。
12、图 2 是本发明的地埋管换热装置结构示意图 ； 0013 图 3 是本发明用于冬季工况时的结构示意图 ； 0014 图 4 是本发明用于夏季工况时的结构示意图。 具体实施方式 0015 由于注入井口的 CO2温度要求达到 15-20， 即 CO2的温度提升需求是从 -20左 右到 18左右。由于加热终态温度较低， 因此， 本发明利用热泵技术， 以可再生能源为低温 热源来实现加热目的。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。 0016 如图 1 所示， 本发明包括地埋管换热装置 10 和热泵加热装置 20， 埋管换热装置 10 用于使循环介质从土壤中吸收热量 ； 热泵加热装置 20 用于从循。
13、环介质或空气中吸收热量， 通过热泵循环提高热泵工质的温度， 加热准备埋存的 CO2， 使之达到需要的灌注温度。 0017 如图2所示， 本发明的地埋管换热装置10包括地埋管换热器11、 循环介质泵12和 蒸发器13， 地埋管换热器11的出口经循环介质泵12连接至蒸发器13的入口， 蒸发器13的 出口连接地埋管换热器 11 的入口。循环介质在地埋管换热器 11 中与土壤换热后吸热， 吸 收土壤热量温度升高后的循环介质经循环介质泵12加压后， 进入蒸发器13中放热， 温度降 低， 再回流至地埋管换热器 11 重新吸热。其中， 循环介质经循环介质泵 12 后压力提高， 这 样可以有效克服其流动过程中。
14、的阻力。 0018 如图1所示， 本发明的热泵加热装置20包括蒸发器13、 压缩机21、 冷凝器22、 节流 阀 23 和空气换热器 24。蒸发器 13 的输出端连接压缩机 21 的输入端， 压缩机 21 的输出端 经冷凝器 22 连接节流阀 23 的一端， 节流阀 23 的另一端分别连接蒸发器 13 的输入端和空 气换热器 24 的输入端。空气换热器 24 的输出端也连接至压缩机 21 的输入端。 0019 热泵加热装置 20 中的热泵工质被压缩机 21 压缩至高温高压状态后， 进入冷凝器 22 后与待加热的准备灌注的 CO2进行换热， 加热准备灌注的 CO2。热泵工质温度降低后经节 流阀 。
15、23 分别进入空气换热器 24 和蒸发器 13 中， 在空气换热器 24 中， 降温后的热泵工质与 空气换热吸热后进入压缩机 21 ； 在蒸发器 13 中， 降温后热泵工质与地埋管换热装置 10 中 的循环介质换热吸热后， 进入压缩机 21。 说 明 书 CN 102297545 A CN 102297553 A3/3 页 5 0020 上述实施例中， 在蒸发器 13 与压缩机 21 之间、 蒸发器 13 与节流阀 23 之间、 节流 阀 23 与空气换热器 24 之间， 以及空气换热器 24 与压缩机 21 之间均设置有一调节阀 25。 通过控制各调节阀 25 的开关， 使本发明的 CO2埋。
16、存的加入系统能实现在冬季、 夏季均能有 效运行。 0021 如图 3 所示， 本发明在冬季运行时， 关闭节流阀 23 与空气换热器 24 之间的调节阀 25、 空气换热器 24 与压缩机 21 之间的调节阀 25 ； 开启蒸发器 13 与压缩机 21 之间的调节 阀 25、 蒸发器 13 与节流阀 23 之间的调节阀 25。地埋管换热器 11 从土壤中吸收热量， 用来 加热低温低压的循环介质， 循环介质流经地埋管换热器 1， 从土壤中吸收热量， 循环介质温 度升高， 经过循环介质泵 12 加压后， 流经蒸发器 13， 与低温低压的热泵工质换热， 热泵工质 吸热， 使其能够直接加热准备埋存的 C。
17、O2。循环介质放热而温度降低， 回到地埋管换热器 11 继续吸热升温。热泵工质吸热汽化， 然后进入压缩机 21， 被压缩至冷凝压力， 进入冷凝器 22 加热流经冷凝器 22 的准备埋存的 CO2， 使之达到埋存时需要的温度， 本身放出热量而冷却， 再流经节流阀 23， 被节流成为低温低压的液体， 回到蒸发器 13 内重新吸热汽化， 完成热泵 循环。 0022 如图 4 所示， 本发明在夏季运行时， 开启节流阀 23 与空气换热器 24 之间的调节阀 25、 空气换热器 24 与压缩机 21 之间的调节阀 25 ； 关闭蒸发器 13 与压缩机 21 之间的调节 阀 25、 蒸发器 13 与节流阀。
18、 23 之间的调节阀 25。本发明采用热泵加热装置 20 从空气中吸 取热量， 通过热泵循环把热泵工质温度提高， 使其能够直接加热准备埋存的 CO2。热泵工质 流经空气换热器 24， 从空气中吸收热量， 热泵工质吸热汽化， 然后进入压缩机 21， 被压缩至 冷凝压力， 进入冷凝器 22 加热流经冷凝器 22 的准备埋存的 CO2， 使之达到埋存时需要的温 度， 本身放出热量而冷却， 再流经节流阀 23， 被节流成为低温低压的液体， 回到蒸发器 13 内 重新吸热汽化， 完成热泵循环。 0023 综上所述， 本发明通过热泵加热装置 20 的运行， 从土壤或空气等可再生能源中吸 收热量， 经过热泵。
19、循环得到可直接加热准备埋存的 CO2的温度较高的热泵工质， 既达到了加 热目的， 又降低了能源消耗， 并减少了由于加热消耗能源而排放的 CO2。对于年埋存 10 万吨 的 CCS(CO2捕集与埋存 ) 埋存系统， 如果采用电加热使准备埋存的 CO2升温而达到埋存温 度， 需要的电加热功率在 250kW 左右， 年电费在 125 万左右， 造成极大的能源消耗和运行成 本。 采用热泵加热装置由于热泵系数较高(年平均热泵系数在5.0以上)， 即能量消耗低于 电加热系统的 1/5， 从而使得能源消耗及能量成本都得到极大的降低。而由于加热消耗能 量排放的 CO2量也得到极大的降低。由于本发明采用地埋管换。
20、热装置 10 和热泵加热装置 20， 年节约电 169 万度， 年节约电费 100 万元， 同时减少 CO2排放 680 吨， 可以使投资费用在 1 年内由于能源成本的节约而得到回收。 0024 上述各实施例仅用于说明本发明， 各部件的结构和连接方式都是可以有所变化 的， 在本发明技术方案的基础上， 凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进 和等同变换， 均不应排除在本发明的保护范围之外。 说 明 书 CN 102297545 A CN 102297553 A1/2 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102297545 A CN 102297553 A2/2 页 7 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102297545 A 。