CN104792048B - 地温能换热器及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地温能换热器及其安装方法，换热器包括隔热材料制成的内管及套设在内管外部的导热材料制成的外管，外管的下端管口处设置堵头构成封闭式结构配合，内管的下端延伸到外管管腔的下端并构成连通结构，外管的上端有媒介入口，内管的上端有媒介出口，媒介通过外管输送到管底位置处，并由与外管连通的内管将媒介抽至于地面的地源热泵机组进行热交换，从而达到对地温能源的利用，上述由导热材料制成的外管能够提高与地层的热交换效率，由隔热材料制成的内管可确保对热交换后的媒介的保温效果，该换热器的换热效率极高，可减少地源热泵空调系统中地源井的数量。

Description

地温能换热器及其安装方法

技术领域

本发明涉及地温能源应用技术领域，特别涉及一种地温能换热器及其安装方法。

背景技术

地温能源作为储量巨大、稳定可控、清洁环保的能源，现阶段在我国部分地区已得到了一定规模的应用。地温能源的开发主要是通过地源热泵空调系统进行采暖与制冷，所述的地源热泵空调系统原理就是将媒介输送至地层内进行热交换，将热交换后的媒介抽取至地层上的地源热泵机组，地源热泵机与室内的空调末端系统进行热交换，从而实现对建筑物的制冷或制热。

现有的地源热泵空调系统中，为最大程度上获取地温能，一般在建筑物的地基及周围区域的下方钻设密集的井孔，将通有媒介(一般为水)的热交换管安装至地层的井孔内，热交换管多为U形或者螺旋形的弯管结构，以增加热交换管与地层的接触面积，从而最大层度的获取地温能，由于热交换管多为PE材料制成，其结构本身具备一定的保温性，热交换性能有限，若想获取充足的地温能，必须通过增加孔的数量，从而来增加热交换管的数量。现阶段对于我国的国情来说，由于建筑的容积率较大，通过上述获取地温能的方式，一方面建筑的地基存在严重的安全隐患，另一方面数量较多的换热管对于地源热泵系统的安装及维护也是一个难题。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种地温能换热器，可提高换热器的换热效率。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种地温能换热器，包括隔热材料制成的内管及套设在内管外部的导热材料制成的外管，外管的下管口的管腔处设置有堵头，堵头自上而下通过管腔并与外管的下管口处的内壁构成密封配合，内管延伸至外管管腔下端且二者相互连通，外管的上端设置有媒介入口，内管上端设置有媒介出口。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：所述的媒介通过外管输送到管底，并由与外管连通的内管将媒介抽至于地面的地源热泵机组进行热交换，从而达到对地温能源的利用，上述的由导热材料制成的外管能够提高与地层的热交换效率，由隔热材料制成的内管可确保对热交换后的媒介的保温效果，该换热器的换热效率极高，可减少地源热泵空调系统中钻孔的数量，进而可减少地源热泵空调系统的造价成本及安装维护成本。

本发明的另外一个目的在于：提供一种地温能换热器的安装方法，可将地温能换热器安装至地下较深的位置，并提高地温能换热器的换热效率。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种地温能换热器的安装方法，包括如下步骤：

a)钻井，在待安装地面钻设设定深度的安装井，安装井的直径与外管的外管径相符；

b)将外管置入至安装井内，直至外管的下管端邻近井底位置；

c)洗井，将置入安装井内的外管内的浑水、泥沙抽出外管外；

d)将堵头由外管的上管端投入；堵头与外管下管口处的内壁构成密封配合。

e)将内管插入外管内，直至内管的下管端邻近外管的下管端位置；

f)将内管的上管端与外管的上管端固连为一体，并在内管的上管端开设媒介出口，外管的上管端开设媒介入口。

与现有技术相比，本发明存在的技术效果在于：将外管设置成通管状结构，水及泥浆可进入外管内，外管的下端承受的压力很小，进而外管可打入地表很深的位置，利用洗井装置将外管内的泥浆及水等抽取出来，向外管内投入堵头，堵头在其自身重力的作用下下落，并一直下落至外管的下管端位置处，外管的收口状设置的下管端可对堵头进行限位，防止堵头的进一步下落，该限位部可以为斜面或者阶梯面，以起到对堵头的托撑，堵头与外管的下管端构成的密闭配合，可防止泥浆再次进入外管内，上述的换热器换热效率高。

附图说明

图1是本发明的剖视的结构示意图；

图2是本发明中实施例一中的外管与内管上管端连接位置处的结构示意图；

图3是本发明中实施例二中的外管与内管上管端连接位置处的结构示意图；

图4是本发明中外管下端的结构示意图。

具体实施方式

结合附图1至4，对本发明作进一步地说明：

一种地温能换热器，包括隔热材料制成的内管10及套设在内管10外部的导热材料制成的外管20，外管20的下管口的管腔处设置有堵头30，堵头30自上而下通过管腔并与外管20的下管口处的内壁构成密封配合，内管10延伸至外管20管腔下端且二者相互连通，外管20的上端设置有媒介入口，内管10上端设置有媒介出口。

该换热器摒弃了现有只利用单个热交换管作为地温能的采集装置，将现有的热交换管也就是内管10作为抽取媒介的保温管，将导热材料制成的外管20打入地层A中并作为与地层A的热交换器，可快速的将外管20内的媒介加热或者降温，进而提高换热器的热交换效率。该换热器可减少地源热泵空调系统中地源井的数量，进而可减少地源热泵空调系统地源侧占地面积，为大型公用建筑及住宅小区使用地源热泵空调系统解决了地源侧场地不够的难题，并且解决了地源井日后维修的瓶颈问题，(传统地源热泵空调由于地源井过多，有些地源井甚至打到建筑物底板下，一旦出现故障将无法进行维修，进而造成空调无法使用，这也是传统意义上地源热泵空调未能大范围推广的主要原因之一)，该新型换热系统大大提高了地源热泵空调系统的适用性，为地温能的大范围推广使用提供了基础。上述的外管20的导热材料可选用导热效果好及刚性强的钢作为制造材料，位于外管20的下半段部分内部管壁可镀锌，防止媒介对外管20的腐蚀，外管20采用钢作为制造材料，在确保热交换效率的同时，还能提升换热器的整体刚度，使得换热器能够打入地层较深的位置，以最大层度获取地温能；所述的内管10可依然选用隔热材料效果较好的PE作为制造材料，位于内管10的中段位置，可采用多层保温管结构，该结构可参考申请人于2014年12月31日申请的名为《用于地源热泵换热器的保温管》，此处不做赘述。

作为本发明的优选方案，为确保外管20能够打入地层较深的位置，外管20的下端管腔的管内径至上而下整体呈逐渐减小的收口状布置，所述的堵头30的外壁与外管20的下管口的内壁密闭配合。在实际的操作过程中，在地层A钻设预留锚孔，利用设备将连接好的外管20打入至预留锚孔内，由于预留锚孔较深，孔内还存在大量的水及泥浆，越深的地方水及泥浆的压力越大，在外管20打入预留锚孔的过程中，如若外管20的下端设置在封闭状结构，外管20根本无法打入地下较深的位置，而本发明中通管状的外管20在实际打入预留锚孔的过程中，基本不存在水及泥浆对外管20的压力，外管20很容易就可插入预留锚孔内，当外管20打入到安装位后，即对外管20进行洗井操作，利用洗井设备将外管20内的水及泥沙等抽出，此时，将堵头30由外管20的上端关口投入，在堵头30自身重力的作用下，下落至于外管20下管端位置处，外管20下管端收口式设计，可使得堵头30停留在该管端位置处，在外管20管内的水压及其自身重力的作用下，使得堵头30与外管20下管端内壁愈压愈紧，从而使得堵头30与外管20的下管端构成密封配合，防止地层内的泥浆再次进入外管20内对媒介的干扰，该外管20下管端呈开口式设计，可减少外管20打入下压时下端面承受的压力，增加外管20的入地深度，一般都能打入地下200米以上，进而可进一步增加对地温能的利用。

当然，堵头20与外管20的下管端可以设计的形状很多，但为确保堵头30与外管20配合的紧密性，作为本发明的优选方案，所述的外管20的下端管腔为倒圆锥台形管腔，所述的堵头30为球形或圆锥或圆锥台形。

作为本发明更为优选的方案，所述堵头30为一金属材质球，球状堵头30在其自身重力作用下，可快速滚动至外管20下管口位置处，球状堵头30自身可完成与外管20下端管内壁的贴合导正动作，无需外力来实现对堵头30与外管20下管端密封配合的导正操作，该球与斜面的配合高效稳定。

为进一步确保外管20内壁与堵头30之间的密封，堵头30外壁与外管20内壁之间设置有密封圈40，所述密封圈40径向方向的内侧面及外侧面分别与堵头30的外壁及外管20的内壁贴合所述密封圈40径向方向的两侧面分别与堵头30的外壁及外管20的内壁贴合，所述的密封胶圈40为防水胶材料制成，在球状堵头30自身重力及水压的作用下，堵头30与外管20上的密封圈40愈压愈紧。

作为本发明的另外一种优选方案，所述堵头30为橡胶球，堵头30的外壁与外管20的下管口的内壁密闭配合，利用橡胶材质的堵头30直接与外管20的下端管口配合，可将堵头30做成内芯为金属材质，在堵头30的表面设置橡胶，在增大堵头30重量的同时，确保堵头30与外管20下管口配合的密封性。

为避免内管10由于外管20洗井操作不彻底而抽取外管20筒底部的污泥，所述内管10的下管端封闭，临近内管10下管端的管身上设置有通孔11，所述通孔11沿着内管10的管长方向均匀间隔设置，优选地，通孔11距离内管10的下管端2米左右，这样设计可降低媒介混有污泥杂质的可能性，确保地源热泵空调系统的稳定性。

进一步地，作为本发明的实施例一，结合图2所示，为方便实现对内管10安装及日常维护检修，所述外管20的上管端与外管法兰60连接，所述内管10穿过内管法兰70且管外壁与内管法兰70固定，所述的内管法兰70位于外管法兰60的上方，内管法兰70与外管法兰60盘面贴合且构成可拆卸式的紧固连接。结合图2所示，将内管10的外壁固定设置在内管法兰70上，内管法兰70与外管法兰60构成的可拆卸式的紧固连接，当将内管10通入外管20内时，可实现对内管10的固定，并且实际检修的过程中，可方便将内管法兰70从外管法兰60上拆卸下来，进而方便对内管10的维护。结合图1所示，通过在地面上设置观察井B，进而方便对该换热器的日常维护。

具体地，所述的外管法兰60与外管20的上管端之间设置有连接管50，连接管50的中段开设有用于通入媒介的入料管51，入料管51管口水平设置，连接管50的下管口与外管20的上管口螺纹连接、上管口与外管法兰60连接。所述的内管法兰70上设置有内管法兰管71，所述内管法兰管71的两管端伸出内管法兰70的两盘面，内管法兰管71的两管口分别与钢塑过渡管80的钢管段螺纹连接，所述钢塑过渡管80的塑料管段分别与内管10的管端连接。所述的外管法兰60上设置有供内管法兰管71穿过的通孔，所述通孔的下孔端所在的盘面设置有外管法兰管61，所述外管法兰管61与连接管50的上管口螺纹连接。

作为本发明的实施例二，结合图3所示，所述外管20的上管端设置有管帽90，所述管帽90呈盖筒状，管帽90的盖口与外管20的上管端焊接固定，管帽90的上设置有媒介入口，内管10的管身穿过管帽90的盖底。该种结构的管头主要应用于永久锚地的换热器，该种换热器免维护或者少维护。

邻近内管10的上端管段的外壁设置成螺纹连接段，内管10的螺纹连接段与封盖90的盖底设置的螺纹孔构成螺纹配合。通过内管10上的螺纹连接段实现与封盖90盖底之间的螺纹连接，内管10的上管段采用钢制材料制成，可避免封盖90与外管20焊接时对内管10的损伤。

下面对上述地温能换热器的安装方法进行介绍：

上述地温能换热器的安装方法，包括如下步骤：

a)钻井，在待安装地面钻设设定深度的安装井，安装井的直径与外管(10)的外管径相符；

b)将外管20置入至安装井内，直至外管20的下管端邻近井底位置；

c)洗井，将置入安装井内的外管20内的浑水、泥沙抽出外管20外；

d)将堵头30由外管20的上管端投入；堵头30与外管20下管口处的内壁构成密封配合。

e)将内管10插入外管20内，直至内管10的下管端邻近外管20的下管端位置；

f)将内管10的上管端与外管20的上管端固连为一体，并在内管10的上管端开设媒介出口，外管的上管端开设媒介入口。

将外管20设置成通管状结构，水及泥浆可进入外管20内，外管20的下端承受的压力很小，进而外管20可打入地表很深的位置，利用洗井装置将外管20内的泥浆及水等抽取出来，向外管20内投入堵头，堵头30在其自身重力的作用下下落，并一直下落至外管20的下管端位置处，外管20的收口状设置的下管端可对堵头30进行限位，防止堵头30的进一步下落，该限位部可以为斜面或者阶梯面，以起到对堵头30的托撑，堵头30与外管20的下管端构成的密闭配合，可防止泥浆再次进入外管内，上述的换热器换热效率高。

为确保堵头30实现对外管20的下管端的封堵，堵头30的表面涂设防水胶，采用上述方法安装换热器，能够安装至地下200米以上，因此安装井的深度可开设至250米～350米之间。

Claims (13)

1.一种地温能换热器，其特征在于：包括隔热材料制成的内管(10)及套设在内管(10)外部的导热材料制成的外管(20)，外管(20)的下管口的管腔处设置有堵头(30)，堵头(30)自上而下通过管腔，内管(10)延伸至外管(20)管腔下端且二者相互连通，外管(20)的上端设置有媒介入口，内管(10)上端设置有媒介出口，外管(20)的下端管腔的管内径至上而下整体呈逐渐减小的收口状布置，所述的堵头(30)的外壁与外管(20)的下管口的内壁密闭配合。

2.根据权利要求1所述的地温能换热器，其特征在于：所述的外管(20)的下端管腔为倒圆锥台形管腔，所述的堵头(30)为球形或圆锥或圆锥台形。

3.根据权利要求2所述的地温能换热器，其特征在于：所述堵头(30)为一金属材质球，堵头(30)外壁与外管(20)内壁之间设置有密封圈(40)，所述密封圈(40)径向方向的内侧面及外侧面分别与堵头(30)的外壁及外管(20)的内壁贴合。

4.根据权利要求2所述的地温能换热器，其特征在于：所述堵头(30)为橡胶球，堵头(30)的外壁与外管(20)的下管口的内壁密闭配合。

5.根据权利要求1所述的地温能换热器，其特征在于：所述内管(10)的下管端封闭，临近内管(10)下管端的管身上设置通孔(11)，所述通孔(11)沿着内管(10)的管长方向均匀间隔设置。

6.根据权利要求1所述的地温能换热器，其特征在于：所述外管(20)的上管端与外管法兰(60)连接，所述内管(10)穿过内管法兰(70)且管外壁与内管法兰(70)固定，所述的内管法兰(70)位于外管法兰(60)的上方，内管法兰(70)与外管法兰(60)盘面贴合且构成可拆卸式的紧固连接。

7.根据权利要求6所述的地温能换热器，其特征在于：所述的外管法兰(60)与外管(20)的上管端之间设置有连接管(50)，连接管(50)的中段开设有用于通入媒介的入料管(51)，入料管(51)管口水平设置，连接管(50)的下管口与外管(20)的上管口螺纹连接、上管口与外管法兰(60)连接。

8.根据权利要求6所述的地温能换热器，其特征在于：所述的内管法兰(70)上设置有内管法兰管(71)，所述内管法兰管(71)的两管端伸出内管法兰(70)的两盘面，内管法兰管(71)的两管口分别与钢塑过渡管(80)的钢管段螺纹连接，所述钢塑过渡管(80)的塑料管段分别与内管(10)的管端连接。

9.根据权利要求8所述的地温能换热器，其特征在于：所述的外管法兰(60)上设置有供内管法兰管(71)穿过的通孔，所述通孔的下孔端所在的盘面设置有外管法兰管(61)，所述外管法兰管(61)与连接管(50)的上管口螺纹连接。

10.根据权利要求1所述的地温能换热器，其特征在于：所述外管(20)的上管端设置有管帽(90)，所述管帽(90)呈盖筒状，管帽(90)的盖口与外管(20)的上管端焊接固定，管帽(90)的上设置有媒介入口，内管(10)的管身穿过管帽(90)的盖底。

11.根据权利要求10所述的地温能换热器，其特征在于：邻近内管(10)的上端管段的外壁设置成螺纹连接段，内管(10)的螺纹连接段与封盖的盖底设置的螺纹孔构成螺纹配合。

12.一种如权利要求1所述的地温能换热器的安装方法，包括如下步骤：

a)钻井，在待安装地面钻设设定深度的安装井，安装井的直径与外管(20)的外管径相符；

b)将外管(20)置入至安装井内，直至外管(20)的下管端邻近井底位置；

c)洗井，将置入安装井内的外管(20)内的浑水、泥沙抽出外管(20)外；

d)将堵头(30)由外管(20)的上管端投入；堵头(30)与外管(20)下管口处的内壁构成密封配合；

e)将内管(10)插入外管(20)内，直至内管(10)的下管端邻近外管(20)的下管端位置；

f)将内管(10)的上管端与外管(20)的上管端固连为一体，并在内管(10)的上管端开设媒介出口，外管的上管端开设媒介入口。

13.根据权利要求12所述的地温能换热器的安装方法，其特征在于：堵头(30)的表面涂设防水胶，安装井深度为250米～350米之间。