CN104819601A - 地埋管、地埋管换热器及换热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地埋管、地埋管换热器及换热系统，其中，地埋管包括：粘结在一起的聚乙烯管和金属管，所述聚乙烯管位于所述金属管的外侧。本发明提供一种地埋管、地埋管换热器及换热系统能够提高换热效率。

Description

地埋管、地埋管换热器及换热系统

技术领域

本发明涉及地埋管换热器结构及换热技术，尤其涉及一种地埋管、地埋管换热器及换热系统。

背景技术

地埋管换热器是利用地下土壤具有温度较为稳定的特性，通过深埋于建筑物周围土壤中的管路系统与土壤之间进行热交换的装置。土壤中的管路系统与建筑物内的管路系统内分别通有循环流体，在冬天，土壤作为热源，循环流体吸收土壤中的热量，通过热泵机组提供给建筑物进行供暖；在夏天，土壤作为冷源，循环流体吸收建筑物内的热量，通过热泵机组向土壤排放。与传统的燃煤、燃气供暖方式和空调制冷方式相比，地埋管换热器仅需要消耗少量的电能，即可达到相同的供暖或制冷效果，运行费用低，且不产生任何有害物质，节能环保。

目前，地埋管换热器主要包括至少两根地埋管，地埋管是竖直向下插入土壤中，两根地埋管之间通过连接件固定连接。由于聚乙烯管具有防腐性好、柔韧性较好的优点，已经成为地埋管主流的管材。但是聚乙烯管的强度需要由壁厚来保证，为了达到承压要求，聚乙烯管壁厚度需要达到相应标准，但随着壁厚的增加带来的缺点是增加了导热热阻，减弱了地埋管的导热能力，降低了换热效率。

发明内容

本发明提供一种地埋管、地埋管换热器及换热系统，用于提高换热效率。

本发明实施例提供一种地埋管，包括：粘结在一起的聚乙烯管和金属管，所述聚乙烯管位于所述金属管的外侧。

如上所述的地埋管，所述金属管的内表面设有加强肋。

如上所述的地埋管，所述加强肋为螺纹肋条。

如上所述的地埋管，所述加强肋为锯齿状肋条。

如上所述的地埋管，所述加强肋为网格状肋条。

本发明实施例还提供一种地埋管换热器，包括：至少两根如上所述的地埋管、连接两根地埋管底部的U形端头、以及用于固定至少两根地埋管的连接件。

本发明实施例还提供一种换热系统，包括：建筑物内换热器、热泵以及如上所述的地埋管换热器，所述地埋管换热器设置在建筑物附近的土壤内；所述地埋管换热器中地埋管的顶端经进液管和出液管与热泵的一端相连，所述热泵的另一端与所述建筑物内换热器相连。

本发明实施例提供的技术方案通过采用聚乙烯管和金属管构成地埋管，且将聚乙烯管设置在金属管的外侧，能够保证地埋管的耐磨性及耐腐蚀性，延长使用寿命，同时，位于内侧的金属管能够提高地埋管的强度，还降低了地埋管的热阻，并且，可以在保证地埋管强度的前提下，降低聚乙烯管的厚度，进一步降低了地埋管整体的热阻，提高换热效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的地埋管的俯视剖面图；

图2为本发明实施例提供的地埋管的主视剖面图；

图3为本发明实施例提供的又一种地埋管的主视剖面图；

图4为本发明实施例提供的另一种地埋管的主视剖面图；

图5为本发明实施例提供的另一种地埋管的俯视剖面图；

图6为本发明实施例提供的另一种地埋管的主视剖面图；

图7为本发明实施例提供的一种连接件的俯视图；

图8为本发明实施例提供的地埋管换热器的俯视剖面图；

图9为本发明实施例提供的地埋管换热器的主视图；

图10为本发明实施例提供的另一种连接件的俯视图；

图11为本发明实施例提供的又一种地埋管换热器的俯视剖面图；

图12为本发明实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图；

图13为本发明实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图；

图14为本发明实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图；

图15为本发明实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图；

图16为本发明实施例提供的各组地埋管并联的结构示意图；

图17为本发明实施例提供的另一种连接件的俯视图；

图18为本发明实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图；

图19为本发明实施例提供的另一种连接件的俯视图；

图20为本发明实施例提供的另一种连接件的俯视图；

图21为本发明实施例提供的另一种地埋管的俯视剖面图；

图22为本发明实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图；

图23为本发明实施例提供的另一种连接件的俯视图；

图24为本发明实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图；

图25为本发明实施例提供的地埋管换热器的传热计算模型示意图。

具体实施方式

图1为本发明实施例提供的地埋管的俯视剖面图，图2为本发明实施例提供的地埋管的主视剖面图。如图1和图2所示，本实施例提供的地埋管包括：粘结在一起的聚乙烯管1和金属管2，其中，聚乙烯管1位于金属管2的外侧。通常，地埋管都为圆筒形，因此，聚乙烯管1相当于外圈，金属管2相当于内圈。

由于聚乙烯材料具有防腐性好，柔韧性强，不易扭曲破裂且方便施工等优点，因此，将聚乙烯管1设置在外侧，能够提高地埋管的耐磨性及耐腐蚀性，延长使用寿命。而金属管2的导热性较好，且强度较高，设置在内侧，可以提高地埋管的强度，且降低地埋管的热阻。另外，由于金属管2的强度较高，可以在保证地埋管强度的前提下，降低聚乙烯管1的厚度，进一步降低了地埋管整体的热阻，提高换热效率。

地埋管换热器包括至少两根地埋管，地埋管之间通过连接件固定连接。地埋管是竖直埋入土壤中的，任意两根地埋管的底部通过U形端头连接，两个地埋管的顶部分别连接进液管和出液管，进液管和出液管分别连接至热泵的一端，使得两个地埋管、U形端头、进液管、出液管和热泵的一端形成回路，回路内部填充循环流体，循环流体可以为水或其它液体。热泵的另一端与建筑物内布设的管路相连通，循环流体流经地埋管的过程中与土壤之间进行热量交换，再经过热泵进一步换热之后提供给建筑物。

本实施例提供的技术方案通过采用聚乙烯管和金属管构成地埋管，且将聚乙烯管设置在金属管的外侧，能够提高地埋管的耐磨性及耐腐蚀性，延长使用寿命，同时，位于内侧的金属管能够提高地埋管的强度，还降低了地埋管的热阻，并且，可以在保证地埋管强度的前提下，降低聚乙烯管的厚度，进一步降低了地埋管整体的热阻，提高换热效率。

上述地埋管中的聚乙烯管1和金属管2的厚度与地埋管的管径以及承压要求相关，均可以由生产技术人员来设定。

另外，为了进一步提高地埋管的强度，增加换热面积及强化换热效果，还可以在金属管2的内表面设置加强肋，加强肋可以由金属制成，其形状可以设计为很多种。

如图2所示，加强肋可以为螺纹肋条3，在金属管2的内表面呈螺旋状排布。设置螺纹肋条3的另一个好处在于还能够促进地埋管中的循环流体较容易处于紊流状态，强化换热。

图3为本发明实施例提供的又一种地埋管的主视剖面图，图4为本发明实施例提供的另一种地埋管的主视剖面图。除了螺纹肋条3之外，技术人员还可以设置其它形式，如图3或4所示，图3中，金属管2的内表面设置锯齿状肋条4，图3示出的锯齿状肋条4是竖直方向排布的，还可以水平方向排布，或螺旋排布均可。图4中，金属管2的内表面设置网格状肋条5。

为了避免两根地埋管交叉拧在一起，通常在两根地埋管之间设置有管卡，在水平方向上让两个地埋管保持相对间距。沿着地埋管的深度方向上，每隔2m至4m设置一个管卡，用于将两根地埋管分隔开并使其相对位置固定。在地埋管和管卡安装完毕，回填土壤的过程中，由于管卡的横向阻隔，极容易出现空气穴，增加了回填土壤的热阻，导致传热效率较差。

因此，针对上述问题，本实施例对上述地埋管进行了改进。图5为本发明实施例提供的另一种地埋管的俯视剖面图，图6为本发明实施例提供的另一种地埋管的主视剖面图。如图5和图6所示，聚乙烯管1和金属管2构成地埋管10，地埋管10的外表面(也即：聚乙烯管1的外表面)设有延展臂11，延展臂11在地埋管10中心线方向上的长度与地埋管10的长度相等，则地埋管10的中心线即为地埋管10的轴线。从图6中看，在地埋管10的轴线方向上，延展臂11的上端面与地埋管10的上端面齐平，延展臂11的下端面与地埋管10的下端面齐平。图5和图6中的金属管2内壁设有螺纹肋条3，该螺纹肋条3可以更换为上述锯齿状肋条4或网格状肋条5。

延展臂11可以与聚乙烯管1为一体成形，也可以为独立的部件与聚乙烯管1固定连接。

延展臂11中远离地埋管10的端部设有第一卡接部12，两个地埋管10中的第一卡接部12均与一个连接件6相互卡接，通过该连接件6可以将两个地埋管10固定。至少两根地埋管10构成地埋管换热器。连接件6的长度可以与地埋管10的长度相同。

与第一卡接部12的结构相对应的，在连接件6上设有至少两个用于与第一卡接部12连接的第二卡接部61。第一卡接部12与第二卡接部61的结构是相互匹配的，使得第一卡接部12能够与第二卡接部61卡紧连接。连接件6上设置有至少两个第二卡接部61，则意味着一个连接件6能够连接至少两个地埋管10。第二卡接部61在地埋管10中心线方向上的长度与连接件6的长度相同。

第一卡接部12和第二卡接部61的结构可以设置为多种形式，图5和图6示出了第一卡接部12的一种形式，即：第一卡接部12在垂直于地埋10管中心线的平面上的投影为T字形结构。对应的，图7为本发明实施例提供的一种连接件的俯视图。如图7所示，该连接件6具有两个第二卡接部61，两个第二卡接部61均为T型槽结构，T形槽的长度方向与地埋管10的中心线平行。T字形结构的第一卡接部12能够沿着地埋管10中心线的方向插入T型槽结构的第二卡接部61中，限制了第一卡接部12在垂直于地埋管10中心线的平面内的移动。

另外，在地埋管10中心线的方向上，第一卡接部12的长度也与地埋管10的长度相等，即：第一卡接部12的上端面与地埋管10的上端面齐平，第一卡接部12的下端面与地埋管10的下端面齐平。在地埋管10与连接件6安装的过程中，在竖直方向上，将连接件6中的两个第二卡接部61从上至下分别与两个地埋管10中的第一卡接部12插接。通过图7所示的连接件6将图5所示的地埋管10固定连接之后所形成的地埋管换热器的结构可参照图8和图9，其中，图8为本发明实施例提供的地埋管换热器的俯视剖面图，图9为本发明实施例提供的地埋管换热器的主视图。图8所示的地埋管换热器也可以称为单U形换热器。两根地埋管10的底部通过U形端头7相连，顶部分别与进液管8和出液管9相连。

上述技术方案通过在每个地埋管的外表面设置延展臂，且在延展臂中远离地埋管10的端部设置第一卡接部，并采用具有能够与第一卡接部卡紧连接的第二卡接部的连接件将至少两根地埋管固定连接，避免地埋管在施工下管时互相缠绕。而且，延展臂在地埋管中心线方向上的长度与地埋管的长度是相等的，实现竖直方向上无阻隔，因此，在进行土壤回填的过程中，地埋管的周围的土壤都可以被压实，提高了回填土壤的密实程度，避免了空气穴的产生，降低了回填土壤的热阻，提高了传热效率。并且，与现有技术需采用多个管卡的方式而言，本实施例提供的技术方案能够降低施工难度。

图10为本发明实施例提供的另一种连接件的俯视图。除了可以采用图7所示的连接件6之外，还可以采用如图10所示的结构，连接件6上设置有四个第二卡接部61，则意味着一个连接件6能够连接四个地埋管，如图11所示，图11为本发明实施例提供的又一种地埋管换热器的俯视剖面图。图11中，包括四根地埋管10，各地埋管10的第一卡接部12分别与图10所示的具有四个第二卡接部61的连接件6相连，使得四根地埋管10固定在一起，形成十字形结构。另外，图11中，任意两根地埋管10的底部通过U形端头7连接，形成双U形换热器，其中，通过U形端头7连接的两根地埋管10作为一组，两组之间各自与进液管8和出液管9相连，相当于两组之间并联。

对于上述方案中提到的地埋管10的结构，可以在地埋管10的外表面设置两个延展臂11，并且两个延展臂11沿地埋管10的中心线轴对称，如图5和图6所示的结构。

本实施例提供的连接件和地埋管具有良好的可拓展性，例如采用图7和图10所示的两种连接件6相结合，又可以组合得到其它形式的地埋管换热器。

图12为本发明实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图。如图12所示，地埋管换热器包括六根地埋管10，其中，四根地埋管10通过图10所示的具有四个第二卡接部61的连接件6连接在一起，其中，相对的两根地埋管10分别又采用图7所示的具有两个第二卡接部61的连接件6与另外的两根地埋管10连接在一起。图12中，任意两根地埋管10的底部通过U形端头7连接，形成三U形换热器，其中，通过U形端头7连接的两根地埋管10作为一组回路，图12中共有三组回路，三组回路之间各自与进液管8和出液管9相连，相当于三组回路之间并联。

图13为本发明实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图。如图13所示，地埋管换热器包括八根地埋管10，在图12的基础上，中间四根地埋管10中的另外两根也分别通过图7所示的具有两个第二卡接部61的连接件6与另外的两根地埋管10连接在一起。图13中，任意两根地埋管10的底部通过U形端头7连接，形成四U形换热器，其中，通过U形端头7连接的两根地埋管10作为一组回路，图13中共有四组回路，四组回路之间各自与进液管8和出液管9相连，相当于四组回路之间并联。

图14为本发明实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图。如图14所示，地埋管换热器包括四根地埋管10，通过图10所示的具有四个第二卡接部61的连接件6顺次连接成回字形。图14中，任意两根地埋管10的底部通过U形端头7连接，其中，通过U形端头7连接的两根地埋管10作为一组回路，图14中共有两组回路，两组回路之间各自与进液管8和出液管9相连，相当于两组回路之间并联。

图15为本发明实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图。如图15所示，地埋管换热器包括十二根地埋管10，采用图10所示的具有四个第二卡接部61的连接件6进行连接，形成图15所示的结构。图15中，任意两根地埋管10的底部通过U形端头7连接，形成井字形换热器，其中，通过U形端头7连接的两根地埋管10作为一组回路，图15中共有六组回路，六组回路之间各自与进液管8和出液管9相连，相当于六组回路之间并联。

各组回路之间的并联关系可参照图16，图16为本发明实施例提供的各组地埋管并联的结构示意图。每组回路中，两根地埋管10的上端分别与进液管8和出液管9相连，进液管8进一步与循环流体的供液管21相连，出液管9进一步与循环流体的回液管22相连。循环流体供液管21和循环流体回液管22分别连接至热泵的一端，与热泵的一端形成循环回路。循环流体从供液管21流经各个地埋管10，与土壤进行热交换之后，汇集至回液管22，完成地源测热交换过程。图16中，虚线所示的结构为地埋孔23，在地埋管安装的过程中，首先要在地下钻出地埋孔23，然后将地埋管10放入地埋孔23中，再向地埋孔23中回填土壤或其它回填材料。

除了上述几种连接方式之外，技术人员还可以设计其它的连接方式，采用上述地埋管10和连接件6能够形成多种回路，使得本实施例提供的地埋管换热器能够更加灵活的适应各种施工现场的要求。

图17为本发明实施例提供的另一种连接件的俯视图。在上述技术方案的基础上，上述连接件6除了可以采用图7或图10所示的结构之外，技术人员也可以设计其它方式，例如采用图17的方式，连接件6的中间为空心结构，空心结构的四周设置对称的四个第二卡接部61。采用图17所示的连接件6，可以固定四个地埋管10，如图18所示，图18为本发明实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图。

图19为本发明实施例提供的另一种连接件的俯视图。连接件6还可以设置为如图19所示的结构，中间不设置空心结构，而是实心结构。实心结构的四周设置对称的四个第二卡接部61。采用图19所示的连接件6，可以固定四个地埋管10。

图20为本发明实施例提供的另一种连接件的俯视图。如图20所示，连接件6还可以设置为如图20所示的结构，连接件6设置有两个第二卡接部61，且两个第二卡接部61均为燕尾槽，燕尾槽的长度方向与地埋管10的中心线平行。对应的，地埋管10中的第一卡接部12在垂直于地埋管10中心线的平面上的投影为燕尾形，第一卡接部12的长度方向与地埋管10的中心线平行。燕尾形结构的第一卡接部12能够沿着地埋管10中心线的方向插入燕尾槽中。如图21所示，图21为本发明实施例提供的另一种地埋管的俯视剖面图。采用图20所示的连接件6可以将两个图21所示的地埋管10固定连接，连接之后的结构可参照图22，图22为本发明实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图。

图23为本发明实施例提供的另一种连接件的俯视图。如图23所示，连接件6中还可以设置四个第二卡接部61，且四个第二卡接部61均为燕尾槽。则该连接件6可以同时固定连接四个地埋管10，如图24所示，图24为本发明实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图。

采用上述地埋管换热器埋入土壤中，热量交换热阻有如下几项：土壤层热阻Rs，回填材料热阻Rg，地埋管管壁导热热阻Rpm以及地埋管内侧管壁的对流热阻Rf，热阻的单位为m·℃/W。

图25为本发明实施例提供的地埋管换热器的传热计算模型示意图。对于上述地埋管换热器，可建立传热计算模型，如图25所示，Ts为地埋管换热器周围土壤的初始温度，Tb为地埋孔壁的平均温度，Tg为回填材料的平均温度，Tf为地埋管换热器内循环流体的进出液体的平均温度。

则遵照《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005(2009版)中的计算方法，由于本实施例中的地埋管采用外层聚乙烯内层金属的复合管材，能够降低地埋管管壁导热热阻Rpm。另外，由于金属管内表面加设金属制成的螺纹肋条，可以促进循环流体较容易处于紊流状态，增加换热面积，因此还能够降低地埋管内侧管壁的对流热阻Rf。地埋管之间采用连接件插接，有效增加了回填密实性，避免空气穴产生，降低了回填材料热阻Rg。并且由于采用插接结构，有效地避免了热短路，使得地埋管的换热效果更好，提高换热效率，与现有技术中同管径的常规主流地埋管相比，本实施例提供的地埋管换热器的换热能力至少提高5％。

另外，本实施例还提供一种换热系统，包括：布设在建筑物内的建筑物内换热器、热泵以及如上任意一种地埋管换热器，其中，地埋管换热器设置在建筑物附近的土壤内，地埋管换热器中地埋管的顶端经进液管和出液管与热泵的一端相连，热泵的另一端与建筑物内换热器相连。

该换热系统采用上述地埋管换热器，通过采用聚乙烯管和金属管构成地埋管，且将聚乙烯管设置在金属管的外侧，能够保证地埋管的耐磨性及耐腐蚀性，延长使用寿命，同时，位于内侧的金属管能够提高地埋管的强度，还降低了地埋管的热阻，并且，可以在保证地埋管强度的前提下，降低聚乙烯管的厚度，进一步降低了地埋管整体的热阻，提高换热效率。

另外，上述技术方案还在每个地埋管的外表面设置延展臂，且在延展臂的端部设置第一卡接部，并采用具有能够与第一卡接部卡紧连接的第二卡接部的连接件将至少两根地埋管固定连接，避免地埋管在施工下管时互相缠绕。而且，延展臂在地埋管中心线方向上的长度与地埋管的长度是相等的，实现竖直方向上无阻隔，因此，在进行土壤回填的过程中，地埋管的周围的土壤都可以被压实，提高了回填土壤的密实程度，避免了空气穴的产生，降低了回填土壤的热阻，进一步提高了传热效率。并且，与现有技术需采用多个管卡的方式而言，本实施例提供的技术方案能够降低施工难度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种地埋管，其特征在于，包括：粘结在一起的聚乙烯管和金属管，所述聚乙烯管位于所述金属管的外侧。

2.根据权利要求1所述的地埋管，其特征在于，所述金属管的内表面设有加强肋。

3.根据权利要求2所述的地埋管，其特征在于，所述加强肋为螺纹肋条。

4.根据权利要求2所述的地埋管，其特征在于，所述加强肋为锯齿状肋条。

5.根据权利要求2所述的地埋管，其特征在于，所述加强肋为网格状肋条。

6.一种地埋管换热器，其特征在于，包括：至少两根如权利要求1-5任一项所述的地埋管、连接两根地埋管底部的U形端头、以及用于固定至少两根地埋管的连接件。

7.一种换热系统，其特征在于，包括：建筑物内换热器、热泵以及如权利要求6所述的地埋管换热器，所述地埋管换热器设置在建筑物附近的土壤内；所述地埋管换热器中地埋管的顶端经进液管和出液管与热泵的一端相连，所述热泵的另一端与所述建筑物内换热器相连。