CN102706020A - 地能换热系统以及带有该地能换热系统的空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地能换热系统，包括：设于地面上的钻孔、一端设置在钻孔内且相互连通的进水管和出水管，以及设于钻孔内的回填料，所述的回填料与所述钻孔孔壁之间设有密闭的隔水袋，所述的隔水袋上设有供进水管和出水管穿过的通孔，通孔孔壁与进水管和出水管管壁之间密封连接；所述的隔水袋周侧与所述钻孔孔壁紧密贴合。本发明还公开了一种带有上述地能换热系统的空调系统。本发明的地能换热系统和带有该地能换热系统的空调系统可以实现对地热的充分回收利用，保证进出水管周围回填料的含水率和导热系数不变，从而使得钻孔内换热热阻保持不变，实现系统节能和稳定运行；同时简单可靠，具有显著的经济和社会效益。

Description

地能换热系统以及带有该地能换热系统的空调系统
技术领域
本发明属于空调换热技术领域，具体是涉及一种地能换热系统以及带有该地能换热系统的空调系统。
背景技术
地源热泵利用地下埋管换热器，冬季从周围土壤提取热量满足室内供暖需求，夏季把室内热量排入周围土壤中完成室内制冷，是一项节能和环保的空调技术。地源热泵空调系统主要分三部分：室外地能换热系统、地源热泵机组和室内空调末端系统。其中地源热泵机组主要有两种形式：水-水式或水-空气式。三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，地源热泵机组与地能换热系统之间换热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。
室外地能换热系统中，是采用地下换热埋管与土壤进行换热。采用垂直埋管系统时，现行埋管方案是先钻孔后，然后再将换热埋管置入钻孔内，利用土壤或者填料等埋管。地源热泵埋管技术是地源热泵的核心，是冷热源获取效率所在，不仅决定着机组系统的能效，而且决定地下土壤能量的利用率，决定了地源热泵的初期投资和运行费用。地源热泵地下各部分的换热热阻是问题的根本，地下土壤在钻孔以外的热阻几乎无法改变，我们可以控制改变钻孔内热阻部分的大小，通常钻孔内热阻占地下换热器热阻的一半。地源热泵埋管换热技术的成熟程度就取决于钻孔内热阻的最小化程度。
众所知周，土壤中空气的导热系数最小，水的导热系数约为空气的25倍左右，土壤中常见矿物的导热系数大多为空气的100倍，因此土壤的导热系数将取决于固体颗粒接触紧密与否以及粒间空隙中水分取代空气的程度。土壤容重或密度的增加，可以改善固体间的热接触，导热系数增加，但容重变大所造成的导热系数的增加，较加水至土壤中所造成的影响小。因为水不仅增加颗粒间的热接触，而且水的导热系数高，随着含水率的增加，土壤的导热系数迅速增加。土壤导热系数的大小，可以反映表层土壤受热后土温增加的难易程度以及土温平稳的程度。
土壤中的水分迁移受很多因素影响，如土壤的本身结构、浓度差、温度差等。近年来，研究人员越来越关注温度变化对土壤中水分迁移的影响。实际水分迁移过程中，土壤中的热量与水分迁移往往相互耦合。土壤中温度的分布和变化对土壤水分运动的影响是多方面的，温度可以以两种方式影响土壤中的水流：(1)在没有温度梯度土壤内，恒定温度对水分运移速率的影响主要表现在对土壤再分布的影响；研究表明，随温度升高，土壤水分再分布速度增加；(2)在有温度梯度的土壤内，会有热引起的水流，导致土壤中饱和流或非饱和流从温度高处流向温度低处。
针对如何减小钻孔内热阻，目前主要有两种方法，一种是提高换热埋管的换热系数，另一种是提高钻孔内填料的换热性能。针对第一种方案，公开号为201811629U的专利文献公开了一种用于地源热泵空调系统的高效地源热泵埋地换热管，包括有塑料圆管体，该塑料圆管体的管壁设置成周向波纹形表面，上述方案将塑料圆管体的管壁设置成周向波纹形表面，在提高管材强度的同时，增大了换热管的换热表面积，使换热管的换热效率得到提高。但是，上述埋地换热管制造成本较高，大大限制了其推广性。针对第二种方案，公开号为101886851A的专利文献公开了一种地源热泵竖埋管换热器，包括地源热泵地下竖埋管换热器钻孔、钻孔内进出水管和钻孔回填材料，并对进出水管、回填材料和埋管方法做了进一步改进，提高了地源热泵的换热效率，但是该换热管周围水分受温度梯度影响容易流失，导致换热管周围的土壤导热系数大幅度下降。
发明内容
本发明提供了一种地能换热系统，该系统采用密封的隔水袋将回填料密封，保证进出水管周围回填料的含水率和导热系数不变，使得钻孔内换热热阻保持不变，保证了系统运行的稳定性，同时降低了热量损失，提高了能量回收率。
本发明还提供了一种带有上述地能换热系统的空调系统，使用该空调系统时，机组运行稳定，对地源热能的利用率高，空调使用成本低。
一种地能换热系统，包括：设于地面上的钻孔、一端设置在钻孔内且相互连通的进水管和出水管，以及设于钻孔内的回填料，所述的回填料与所述钻孔孔壁之间设有密闭的隔水袋，所述的隔水袋上设有供进水管和出水管穿过的通孔，通孔孔壁与进水管和出水管管壁之间密封连接；所述的隔水袋周侧与所述钻孔孔壁紧密贴合。
密封隔水袋的设置，避免了由于钻孔内回填料存在温度梯度，导致土壤中饱和流或非饱和流从温度高处流向温度低处，使进水管和出水管周围回填料的含水率降低，使得钻孔内换热热阻增加的问题。隔水袋周侧与所述钻孔孔壁紧密贴合提高了地能换热系统的换热性能，同时保证了空调系统运行的稳定性。
为进一步提高换热性能，降低隔水袋的换热热阻，所述隔水袋的厚度小于或等于1mm。隔水袋过厚热阻增加，不利于热量的传输。同时隔水袋太薄，安装过程容易破损，导致安装完成后的回填料内水分流失，降低换热性能。综合考虑，所述的隔水袋的厚度优选为0.1-0.5mm。
隔水袋一般采用不透水的高分子材料制成，为提高地能换热系统的换热性能，优选的隔水袋的材料的导热系数大于或等于0.2W/m·℃。综合考虑安装成本，所述的隔水袋的材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丁烯中的一种，或者含有由聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丁烯一种或一种以上混合而成的高分子材料。
为便于安装过程中隔水袋的布置，保证隔水袋周侧与钻孔孔壁之间密切贴合，降低密封袋的导热热阻，一种优选的技术方案为：所述的隔水袋的周长大于所述钻孔的周长。为便于施工，作为进一步优选的技术方案，所述的钻孔可选择圆柱形，此时所述的隔水袋的内径大于所述钻孔的直径。一般情况下所述的隔水袋的周长大于钻孔周长的10％。
本发明还提供了一种带有上述地能换热系统的空调系统，包括室外地能换热系统、室内空调末端系统以及对室外地能换热系统、室内空调末端系统之间进行热量传输的地源热泵机组，所述的地能换热系统，包括：设于地面上的钻孔、一端设置在钻孔内且相互连通的进水管和出水管，以及设于钻孔内的回填料，所述的回填料与所述钻孔孔壁之间设有密闭的隔水袋，所述的隔水袋上设有供进水管和出水管穿过的通孔，通孔孔壁与进水管和出水管管壁之间密封连接；所述的隔水袋周侧与所述钻孔孔壁紧密贴合。
本发明中所使用的进水管和出水管可选用多种类型的管道，例如可选择单U形管、双U形管、多U形管和套管式管等。进水管和出水管可选用多种材料加工而成，一般为提高使用寿命，多选用具有一定的耐腐蚀性和机械性能的高分子材料制成的塑料管。例如可选用聚氯乙烯管、聚乙烯管、聚丙烯管、聚甲醛管或者复合管等。
本发明中所使用的回填料可以为土壤，也可选用多种导热性能较好的其他填料，高导热系数是选择回填材料的第一因素，但是还要考虑材料的可塑性、空隙比、含水率等因素。例如可选用膨润土、黄沙、水泥等或者其混合物等。膨润土具有很强的吸湿性，能吸附相当于自身体积8-20倍的水而膨胀，导热系数较高。黄沙、水泥等中含有较多的矿物质，导热性能较好。这些材料在使用前，一般需要造粒处理。
本发明的地能换热系统和带有该地能换热系统的空调系统可以实现对地热的充分回收利用，保证进出水管周围回填料的含水率和导热系数不变，从而使得钻孔内换热热阻保持不变，实现系统节能和稳定运行；同时简单可靠，具有显著的经济和社会效益。
附图说明
图1为本发明的地能换热系统的结构示意图。
图2为本发明的空调系统的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种地能换热系统，包括设于地面上的钻孔5、一端设置在钻孔5内且相互连通的进水管1和出水管2，以及设于钻孔5内的回填料3，回填料3与钻孔5孔壁之间设有密闭的隔水袋4，隔水袋4上设有供进水管1和出水管2穿过的通孔，通孔孔壁与进水管1和出水管2管壁之间密封连接；隔水袋4周侧与钻孔5孔壁紧密贴合。
进水管1和出水管2均采用聚乙烯PE100材料的单U形管，实际应用中，也可根据实际需要选择其他形状的塑料管。进水管1和出水管2的内径可根据实际需要确定，一般为10-20mm，本实施方式中进水管1和出水管2的内径为15mm。
隔水袋4为导热系数为1.5W/m·℃的聚氯乙烯高分子材料，隔水袋4的厚度为0.2mm，隔水袋4的直径为120mm。钻孔5的直径为100mm，深度为100mm。隔水袋4和钻孔5的深度和直径可根据实际需要调整，但是需要保证隔水袋4的直径大于钻孔5的直径，便于后续布置时隔水袋与钻孔5的紧密贴合。
上述地能换热系统可采用现有方法布置，首选按照预定要求加工钻孔5，然后将包裹有进水管1和出水管2的隔水袋4置入钻孔5内，最后采用机械灌浆的方法将回填料3回填置隔水袋内，保持回填过程连续稳定进行，同时使隔水袋4紧贴在钻孔5内壁，回填料可采用膨润土，其中含水量可根据实际需要确定，均为现有技术。
实施例2
一种地能换热系统，与实施例1结构相同，不同之处在于：进水管1和出水管2均采用聚乙烯PE100材料的多U形管；隔水袋4为导热系数为1.5W/m·℃的聚乙烯高分子材料，隔水袋4的厚度为0.4mm；隔水袋4的直径为150mm。钻孔5的直径为100mm，深度为100mm。
实施例3
如图1所示，一种空调系统，包括室外地能换热系统7、室内空调末端系统6以及对室外地能换热系统7、室内空调末端系统6之间进行热量传输的地源热泵机组8。其中，地能换热系统的结构同实施例1。地源热泵机组8的组成为常规技术，一般包括压缩机9、节流装置10以及冷凝器11和蒸发器12。
地能换热技术是土壤源热泵的关键技术，它的好坏直接影响到土壤源热泵的效率、系统的投资以及长期运行的可靠性。已有的研究表明，土壤中水分的存在对换热器与土壤之间的换热有很大影响，土壤的比热、导热系数、导温系数均会随土壤中水分含量的不同而发生变化。在夏季，当地下热交换器向土壤内排热时，土壤的温度升高，由于靠近管壁附近的水分向外侧迁移出去，当热泵机组连续运行，管壁周围的土壤将变得十分干燥，使得土壤导热系数下降，换热性能大大下降，热泵的效率也随之而降。并且土壤中温度的变化会引起水的物理性质的变化，进一步引起水分的迁移。
地源热泵地下各部分的换热热阻是问题的根本，地下土壤在钻孔以外的热阻几乎无法改变，我们可以控制改变钻孔内热阻部分的大小，通常钻孔内热阻占地下换热器热阻的一半。本发明采用密封的隔水袋将回填料密封，保证进出水管周围回填料的含水率和导热系数不变，使得钻孔内换热热阻保持不变，保证了系统运行的稳定性，提高了能量回收率。

Claims (10)

1.一种地能换热系统，包括：设于地面上的钻孔(5)、一端设置在钻孔(5)内且相互连通的进水管(1)和出水管(2)，以及设于钻孔(5)内的回填料(3)，其特征在于，所述的回填料(3)与所述钻孔(5)孔壁之间设有密闭的隔水袋(4)，所述的隔水袋(4)上设有供进水管(1)和出水管(2)穿过的通孔，通孔孔壁与进水管(1)和出水管(2)管壁之间密封连接；所述的隔水袋(4)周侧与所述钻孔(5)孔壁紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的地能换热系统，其特征在于，所述的隔水袋(4)的厚度小于或等于1mm。
3.根据权利要求2所述的地能换热系统，其特征在于，所述的隔水袋(4)的厚度为0.1-0.5mm。
4.根据权利要求1所述的地能换热系统，其特征在于，所述的隔水袋(4)的材料的导热系数大于或等于0.2W/m·℃。
5.根据权利要求4所述的地能换热系统，其特征在于，所述的隔水袋(4)的材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丁烯中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的地能换热系统，其特征在于，所述的隔水袋(4)的周长大于所述钻孔(5)的周长。
7.根据权利要求6所述的地能换热系统，其特征在于，所述的隔水袋(4)的内径大于所述钻孔(5)的直径。
8.根据权利要求7所述的地能换热系统，其特征在于，所述的隔水袋(4)的周长大于所述钻孔(5)周长的10％。
9.根据权利要求1所述的地能换热系统，其特征在于，所述的隔水袋(4)竖向布置。
10.一种带有权利要求1所述的地能换热系统的空调系统，包括室外地能换热系统、室内空调末端系统以及对室外地能换热系统、室内空调末端系统之间进行热量传输的地源热泵机组，所述的地能换热系统，包括：设于地面上的钻孔(5)、一端设置在钻孔(5)内且相互连通的进水管(1)和出水管(2)，以及设于钻孔(5)内的回填料(3)，其特征在于，所述的回填料(3)与所述钻孔(5)孔壁之间设有密闭的隔水袋(4)，所述的隔水袋(4)上设有供进水管(1)和出水管(2)穿过的通孔，通孔孔壁与进水管(1)和出水管(2)管壁之间密封连接；所述的隔水袋(4)周侧与所述钻孔(5)孔壁紧密贴合。
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