CN103363700A - 地下换热管冻胀变形主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下换热管0℃以下低温运行冻胀变形的主动控制方法，控制系统包括吸热盘管、放热盘管、温度传感器、蓄能水箱、分水器、集水器、供水阀、回水阀、供水管、回水管、循环泵、连通阀、换热井区、控制器。本发明通过对蓄能水箱内防冻液温度及地下换热系统运行的主动控制，使防冻液温度在0℃以下往复波动变化，地下换热系统在温度上升阶段运行，在温度下降阶段停歇，并借助地下温度巡检手段实现换热井区的间歇运行，减缓了地下岩土冻胀的发生，减轻或避免了地下换热管的冻胀变形，为系统高效稳定运行提供保障。

Description

地下换热管冻胀变形主动控制方法

技术领域

本发明属于地下蓄能和地源热泵利用技术领域，特别涉及地下换热管0℃以下低温运行工况的冻胀变形控制问题。

背景技术

在地下蓄能的低温蓄冷和地源热泵冬季供热过程中，地下换热器的0℃以下运行工况涉及换热管在岩土中的冻胀变形问题。对于某些夏季冷负荷较大的地区，长期运行后地下换热区温度恢复能力降低，需要通过蓄冷的方式降低地温，大温差的换热可大大提高蓄冷效率，因此在利用地下换热器进行蓄冷时，地下换热管内循环液常会以低于0℃运行。除此之外，地源热泵在冬季作为供热设备时，将室内冷量通过一系列热交换“运移”至地下，使室内温度在一定范围内维持恒定，然而当室内热负荷较大时，特别是在严寒地区的冬季，地下换热管内循环温度常低于0℃。该低温将致使换热管周围土壤中的自由水冻结成冰，而使土壤体积膨胀，即出现冻胀现象。冻胀的产生，不但使土壤孔隙结构发生变化而影响其传热效果，而且冻胀作用力发展到一定程度时会挤压换热管使其变形。管截面的变形可带来诸如循环液溢流、流动阻力增大等问题，严重时系统将不能正常工作。

因此，对于换热管冻胀变形的防范及控制显得尤为重要。首先，选择非冻胀敏感性回填料，如砂粒基、水泥基回填，有利于减轻冻胀，而该方法除了会增加施工投入以外，还会由于回填料与地下岩土材料属性不同而产生不兼容性脱离问题。其次，增大换热管内部压力，也可以在一定程度上减小冻胀挤压变形，然而增加内压不但加大了其运行的风险性，而且会降低埋管的使用寿命。由此可见，在采取被动措施减轻换热管冻胀变形的同时，势必会带来一定的潜在危害，制约其长期应用。

相比之下，在保证基本负荷的情况下，通过改变地下换热系统运行模式，实现地下岩土冻胀的主动控制，将会避免采取被动措施所带来的潜在危害，有助于换热管运行效率的提高以及该技术健康、稳定的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种地下换热管在0℃以下低温运行冻胀变形的主动控制方法。该控制方法基于冷源或热泵机组的吸热负荷高低交替变化，采用主动调节方式使吸热温度在一定范围内波动，以此实现地下换热系统的间歇运行，通过换热井区地下温度巡检机制，进一步实现换热井区的交替运行，使冻结岩土温度得以回升，最大限度的减轻或避免换热管冻胀变形。

实现上述目的的技术方案是：该地下换热管冻胀变形控制系统包括吸热盘管、放热盘管、水箱温度传感器、蓄能水箱、分水器、集水器、第一供水阀、第二供水阀、第三供水阀、第四供水阀、第一回水阀、第二回水阀、第三回水阀、第四回水阀、第一供水管、第二供水管、第三供水管、第四供水管、第一回水管、第二回水管、第三回水管、第四回水管、第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第四循环泵、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第一连通阀、第二连通阀、第三连通阀、第四连通阀、第一换热井区、第二换热井区、第三换热井区、第四换热井区、控制器。所述吸热盘管可为冷源或热泵机组的蒸发器，置于蓄能水箱中，所述放热盘管连接地下换热系统，并置于蓄能水箱中，所述第一～第四供水阀与回水阀分别置于分水器出口与集水器入口，所述第一～第四循环泵分别置于第一～第四供水管上，所述第一～第四温度传感器分别置于第一～第四回水管上，所述第一～第四连通阀分别连通对应供水管和回水管，所述控制器连接各温度传感器、各阀门以及各循环泵。

本发明的有益效果是：通过对蓄能水箱内防冻液温度及地下换热系统运行的主动控制，使防冻液温度在0℃以下往复波动变化，地下换热系统在温度上升阶段运行，在温度下降阶段停歇，并借助地下温度巡检手段实现换热井区的间歇运行，减缓了地下岩土冻胀的发生，减轻或避免了地下换热管的冻胀变形，为系统高效稳定运行提供保障。

附图说明

图1为本发明系统原理示意图

图2为蓄能水箱温度变化示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，该地下换热管冻胀变形控制系统包括吸热盘管1、放热盘管2、水箱温度传感器3、蓄能水箱4、分水器5、集水器6、第一供水阀7a、第二供水阀7b、第三供水阀7c、第四供水阀7d、第一回水阀8a、第二回水阀8b、第三回水阀8c、第四回水阀8d、第一供水管9a、第二供水管9b、第三供水管9c、第四供水管9d、第一回水管10a、第二回水管10b、第三回水管10c、第四回水管10d、第一循环泵11a、第二循环泵11b、第三循环泵11c、第四循环泵11d、第一温度传感器12a、第二温度传感器12b、第三温度传感器12c、第四温度传感器12d、第一连通阀13a、第二连通阀13b、第三连通阀13c、第四连通阀13d、第一换热井区14a、第二换热井区14b、第三换热井区14c、第四换热井区14d、控制器15。其特征在于吸热盘管1吸收蓄能水箱4中的热量，所述放热盘管2向蓄能水箱4供给热量，所述水箱温度传感器3监测蓄能水箱4内温度变化，所述第一温度传感器12a、第二温度传感器12b、第三温度传感器12c、第四温度传感器12d分别测试换热井区回路温度，所述第一换热井区14a、第二换热井区14b、第三换热井区14c、第四换热井区14d组成地下换热系统，所述控制器15通过接受温度信号控制各阀门以及循环泵的通断。

本发明工作原理：结合图1说明本发明的工作原理，以第一换热井区14a为例，打开第一供水阀7a和第一回水阀8a，关闭第一连通阀13a，启动第一循环泵11a，分水器5中的循环液经过第一供水阀7a利第一供水管9a进入第一换热井区14a的换热管，经过与岩土换热后，通过第一回水管10a和第一回水阀8a进入集水器6，由此进入放热盘管2，将热量释放至蓄能水箱4后返回分水器5，在第一循环泵11a的作用下往复循环，其余各换热井区的循环与第一换热井区14a同理，且各循环并联运行。

结合图1和图2，当吸热盘管1处于低负荷期，蓄能水箱4内防冻液温度为设计最低吸热温度时，控制器15接收水箱温度传感器3的信号后，向地下换热系统发出启动指令，因此该温度可被称为启动温度，此后吸热盘管1和放热盘管2同时工作，蓄能水箱4内温度会由于较小的吸热负荷而逐渐升高，当其升至设计最高吸热温度时，控制器15通过接收水箱温度传感器3的信号向地下换热系统发出停运指令，因此该温度可被称为停运温度，此后蓄能水箱4内温度开始缓降，当吸热盘管1进入高负荷期，蓄能水箱4内温度快速降低，直至降至启动温度时，控制器15再次向地下换热系统发出启动指令，此后重复上述过程，实现地下换热系统的间歇运行。

其中，控制器15通过向各阀门以及各循环泵发出的通断指令，实现对地下换热系统的控制。在水箱温度传感器3所测温度高于启动温度1℃时，应当通过地下温度巡检找出高温井区以备使用，以检测第一换热井区14a的地下温度为例，控制器15通过指令关闭第一供水阀7a和第一回水阀8a，打开第一连通阀13a，启动第一循环泵11a，形成换热管内流体的井内循环，经过5个循环的时间后记录第一温度传感器12a所测温度，此温度基本可反映换热管周围岩土平均温度，停止第一循环泵11a，而后同理依次检测第二二换热井区14b、第三换热井区14c和第四换热井区14d的地下温度，并通过比较得出高温井区。当蓄能水箱4内达到启动温度时，所确定的高温换热井区开始运行，以第一换热井区14a运行为例，控制器15通过指令打开第一供水阀7a和第一回水阀8a，关闭第一连通阀13a，启动第一循环泵11a，此后第一换热井区14a内岩土温度受低温换热管影响而不断降低，同时换热管内回水温度也会随之降低，当第一温度传感器12a所测温度低于某一设定值时，岩土的冻胀会使换热管产生不可接受的变形，该设定值可被称为变形温度，因此当所测温度比变形温度高1℃时，应再次通过地下温度巡检找出停歇井区中的高温井区以备使用，而后在达到变形温度时，控制器15通过指令停止第一循环泵11a，结束第一换热井区14a的运行，同时令高温井区开始运行，直到所测回路温度降至变形温度时结束，此时新的高温井区又开始运行，如此往复，实现地下换热系统运行过程中各换热井区的交替运行。

地下换热系统的间歇运行及其运行过程中各换热井区的交替运行，不但满足了吸热盘管1的变负荷运行，而且换热岩土温度可得到较大程度的恢复，不但减轻或避免了换热管的冻胀变形，而且为其提供高效的热源。

Claims (3)

1.地下换热管冻胀变形控制系统和方法，其特征在于可根据吸热盘管(1)高低交替的负荷设定蓄能水箱(4)内地下换热系统的启动温度与停运温度，利用水箱温度传感器(3)与控制器(15)的配合，使地下换热系统在水箱温度上升阶段运行，下降阶段停歇，在所测温度比启动温度高1℃时启动地下温度巡检系统寻找高温井区，到达启动温度时启动该高温井区。

2.地下换热管冻胀变形控制系统和方法，其特征在于各换热井区回路上布置温度传感器，通过设定变形温度与控制器(15)配合，在工作井区回路温度高于变形温度1℃时，开始启动地下温度巡检系统，寻找停歇井区中的高温井区，当达到变形温度时工作井区停运，同时启动所确定的高温井区，实现各换热井区交替运行。

3.根据权利要求1和2所述的地下温度巡检系统，其特征在于换热井区供水管路与回水管路之间加设连通阀，在井区地下温度巡检系统启动时，打开连通阀，关闭供水阀和回水阀，启动循环泵使地下换热管内流体在井区内循环，利用回路上的温度传感器检测井区温度。

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