CN104913545A - 一种浅表地热热能耦式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅表地热热能耦式换热器，包括加强型换热管，储能室管，锥体和管件，加强型换热管包括外管、内管、换热筋片、进气/进水孔和热能导出管，加强型换热管的上端与管件连通，进气/进水孔与进水进气管连通，加强型换热管的底端与储能室管的一端连通，储能室管的另一端与锥体底端配接，热能导出管的另一端穿出封盖，内管与封盖连接，热能导出管内设有抽水管，抽水管的一端从热能导出管伸出，另一端伸入储能室内，抽水管与水泵连接。这种换热器埋管深，占地面积少，换热器外管管壁与岩土接触面积大，单位井深换热量高，水-气型的热泵机组都能使用，下管时安装简单，能降低安装工程的造价。

Description

一种浅表地热热能耦式换热器

技术领域

本发明涉及再生能源利用技术，具体是一种浅表地热热能耦式换热器。

背景技术

随着我国经济水平的快速发展，人们生活水平的提高和受全球气候变暖的影响，空调已越来越成为人们调节室内环境及保障身体健康的必需品。不可忽视的是，人们在享受室内环境舒适的同时，带来的是加大能源消耗和环境空气污染的严重后果，而开发环保可再生的地热热能资源来供热制冷，满足人们对室内环境舒适的要求，则是一种最环保最好的节能方法。

地表浅层地热资源，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收的太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。这种储存于地表浅层近乎无限的地热能，使得它也像太阳能一样，成为清洁的取之不尽的可再生能源。

热泵机组是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热，经过电力做功，输出可用的高品位热能的设备。它可以把消耗的高品位电能转换为3—4倍左右的热能。但是，热泵机组也还存在一个致命的缺陷，那就是对环境温度的依赖，冬季制热，环境温度在2℃左右时，热泵机组制热效率下降，而夏季制冷，环境温度在35℃以上时，热泵机组制冷效率下降。如何开发一种安装制作简便、工程造价低，且能从土壤中高效获取地热能的换热器，消除热泵机组对环境温度的依赖，向热泵机组提供环保可再生的地热热能，来提高热泵机组供热制冷的效率，则是一种新型的能源利用技术。

其实，人类在很早以前就已经开始利用地热源了，目前，根据热泵机组利用地热源的种类和方式的不同，以及发展的情况，将其大致分为以下三类：地下水热泵、地表水热泵和土壤源热泵。

受政策限制抽取地下水的热泵机组和受河流、湖泊地域限制抽取地表水的热泵机组，虽然在安装使用时，利用可再生的地热源效果好和工程造价低，但却受使用地域条件及抽取地下水的政策限制而没有大的发展前景。

土壤源热泵以大地作为热源和热汇，将热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。根据地下热交换器的布置形式，主要分为垂直埋管换热器、水平埋管换热器和蛇行埋管换热器三类。

水平埋管方式和蛇型埋管方式的换热器优点是：安装简单，工程造价低，缺点是：需要较大的场地，由于埋管浅而造成:运行性能上的不稳定(由于浅层大地的温度和热特性随着季节、降雨以及埋深而变化)，泵耗能较高;系统效率低。

垂直埋管换热器通常采用的是U型方式及套管型方式，按其埋管深度可分为浅层(<30m),中层(30-100m)和深层(>100m)三种。

U型埋管方式换热器的直径一般为32mm左右，其优点在于：埋管深，地下岩土温度比较稳定，占地面积小，土壤的温度和热特性变化小，需要的管材少，泵耗能低。而缺点主要在于:受流量限制，埋管管径小，单位井深的换热量不足，需要增加打井的个数和深度。造成初投资比较高，系统复杂，安装难度大，对设计、施工、施工现场管理要求较高，需要有专业的技术人员参与其中。

套管型垂直埋管方式换热器的外管直径一般为100-200mm，内管为φ15-φ25mm。由于增大了管外壁与岩土的换热面积，因此其单位井深的换热量比U型管高。其优点是：可减少打井的深度和个数。其缺点是：埋管比U型管浅、容易造成热短路问题。套管直径及钻孔直径较大，下管时，由于深井内的阻力作用，给下管带来困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种浅表地热热能耦式换热器，这种浅表地热热能耦式换热器埋管深，占地面积少，换热器外管管壁与岩土接触面积大，单位井深换热量高，水-气型的热泵机组都能使用，下管时安装简单，能降低安装工程的造价。

实现本发明目的的技术方案是：

一种浅表地热热能耦式换热器，包括

加强型换热管，所述加强型换热管包括外管、内管、换热筋片、进气/进水孔和热能导出管，内管设置在外管内，换热筋片设置在内管、外管之间与内管、外管连接，换热筋片5之间构成进气/进水孔；热能导出管设置在内管中，设有密封圈，密封圈设置在位于加强型换热管底部的热能导出管的管口与内管的管口上；

储能室管，所述储能室管内设有水位控制器，水位控制器与控制电路连接，储能室管内腔形成储能室；

锥体，所述锥体设有带导孔的锥孔，锥孔上设有与之适配的锥形堵头，锥体上设有机械控制器，锥形堵头通过弹簧与机械控制器连接，锥形堵头的端口设置在机械控制器的锁紧装置上，锥孔与锥形堵头呈开放式状态；

管件，所述管件设有封盖和进水进气管；

所述加强型换热管的上端与管件连通，进气/进水孔与进水进气管连通，加强型换热管的底端与储能室管的一端连通，储能室管的另一端与锥体底端配接，热能导出管的导出端穿出封盖，内管与封盖连接，热能导出管内设有抽水管，抽水管的一端从热能导出管伸出，另一端伸入储能室内，抽水管与水泵连接。

包括导出管支撑架，所述导出管支撑架设置在热能导出管与内管之间的区间内，此区间构成热短路阻隔区。

所述外管直径大于200mm。

这种浅表地热热能耦式换热器，解决了目前土壤源热泵垂直地埋管换热器现有技术的不足，采用套管型，外管直径大于200mm，采用垂直深埋的方法，充分利用浅表土壤深度中温度和热特性变化小，岩土温度比较稳定的特性，发扬垂直U型地埋管换热器，埋管深，占地面积少，和垂直套管式地埋管换热器外管管壁与岩土接触面积大，单位井深换热量高的优点，克服了U型地埋管换热器管径小，造成单位井深换热量的不足，需要增加打井深度和个数的缺点，也克服了垂直套管型地埋管换热器，埋管浅、下管困难的缺点。而且，该换热器在套管内，增设的热短路阻隔区，不但解决了热短路的问题，还使得该换热器具有使用空气和水（或者防冻液）两种流体，作为传热媒介的功能，让水—气型的热泵机组都能使用。下管时安装简单，能降低安装工程的造价。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为图1中加强型换热管的剖面结构示意图。

图中，1.外管 2.储能室管 3.锥体 4.内管 5.换热筋片 6.进气/进水孔 7.热能导出管 8.支撑架 9.热短路阻隔区 10.管件 11.进气进水管 12.水位控制器 13.抽水管 14.储能室 15.锥孔 16.锥形堵头 17.弹簧 18.机械控制器 19.橡胶密封圈 20.密封圈 21.封盖 22.承插连接管件。

图1中换热器内的箭头示意出流体的流动方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的说明，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1-图2，一种浅表地热热能耦式换热器，包括

加强型换热管，所述加强型换热管包括外管1、内管4、换热筋片5、进气/进水孔6和热能导出管7，内管4设置在外管1内，换热筋片5设置在内管4、外管1之间与内管4、外管1连接，换热筋片5之间构成进气/进水孔6；热能导出管7设置在内管4中，设有密封圈20，密封圈20设置在位于加强型换热管底部的热能导出管7的管口与内管4的管口上；

储能室管2，所述储能室管2内设有水位控制器12，水位控制器12与控制电路连接，储能室管2内腔形成储能室；

锥体3，所述锥体3设有带导孔的锥孔15，锥孔15上设有与之适配的锥形堵头16，锥体3上设有机械控制器18，锥形堵头16通过弹簧17与机械控制器18连接，锥形堵头16的端口设置在机械控制器18的锁紧装置上，锥孔15与锥形堵头16呈开放式状态；

管件10，所述管件10设有封盖21和进水进气管11；

所述加强型换热管的上端与管件10连通，进气/进水孔6与进水进气管11连通，加强型换热管的底端与储能室管2的一端连通，储能室管2的另一端与锥体3底端配接，热能导出管7的导出端穿出封盖21，内管4与封盖21连接，热能导出管7内设有抽水管13，抽水管13的一端从热能导出管7伸出，另一端伸入储能室14内，抽水管13与水泵连接。

还包括导出管支撑架8，所述导出管支撑架8设置在热能导出管7与内管4之间的区间内，此区间构成热短路阻隔区9。

所述外管1直径大于200mm。

具体地，加强型换热管的上端通过承插连接管件22与管件10连通，承插连接管件22为塑料管，换热管的材料为PE塑料管，外管1、内管4、换热筋片5、热能导出管7、支撑架8用模具在塑料挤出机上一次性纵向挤出成型。连接在外管1、内管4之间的换热筋片5，除了具有辅助换热的功能外，其主要功能是提高外管1和内管4的承压问题。设置在内管4和热能导出管7之间的支撑架8，其主要功能是在内管4和热能导出管7 之间构成热短路阻隔区以及提高热能导出管7的承压问题。

先在换热管内管4和热能导出管7底部固定安装好塑料密封圈20，储能室管用于集聚被换热后的空气和水（防冻液），在储能室管2内设置有水位控制器12和抽水管13。储能室管2水位控制器12与换热器管外连接的电路控制器连接，抽水管13与换热器管外水泵连接。

与储能室管底端连接的锥体3，锥孔15底部设有橡胶密封圈19，在锥体3与储能室管2连接前，先将弹簧17的一头安装固定在锥形堵头导杆16上，带导杆的锥形堵头16从锥体外部锥孔15插入，将弹簧17的另一头与设置在锥体3上的机械控制器18连接固定，锥形堵头16的端口安装在机械控制器18的锁紧装置上，让锥孔与锥头呈开放式状态。

上述部件为塑料PE材料，采用热熔承插方式连接，在地面上全部安装完毕经检验合格后，用吊装设备将换热器垂直装入已打好的地下深井内。在下管时，深井内的空气或者水，从锥体上开放式的锥孔进入换热器管内，消除深井内空气或者水对下管时产生的阻力。待换热器下到深井内，锥头接触深井底部时，锥头导杆在换热器自身重力及弹簧作用力下，顶开机械控制器锁紧装置，使锥头进入锥孔内，与设置在锥孔内的橡胶密封垫紧密接触，不让深井内的水再进入换热管内。换热管下到深井内后，用泥浆泵将沙浆泵入换热器外管与深井井壁的缝隙，将缝隙填满，并固定好换热器。

本换热器具备使用空气或者水（防冻液）两种流体作为传热媒介的功能。可以向水源热泵机组，提供使用水或者防冻液作为传热媒介，获取地热热能，也可以向空气源热泵机组，提供使用空气作为传热媒介，获取地热热能。其工作原理是：

一、使用空气作为传热媒介，向空气源热泵机组提供热源的工作原理是：

换热器安装并固定好后，将热能导出管外管口通过管道与调速风机连接，调速风机通过管道与安装在室内的空气源热泵机组及空调末端连接。管件10的进风管11，通过管道连接至安装有空气源热泵机组的室内。接通电源，启动水泵，通过安装在导出管内连接的抽水管13，将换热管、热能导出管、储能室管内的浊水全部抽干净。

冬季制热水和向空调末端供暖时，打开电源，启动与热能导出管7接通的调速风机，将积聚在换热器储能室管及导出管内已换热好的空气热源，经管道输送给安装在室内的空气源热泵机组提升后，制成热水和向空调末端供暖。换热器管外的冷空气在换热器管内真空吸力的作用下，从安装至空气源热泵机组室内连接的管道，进入由外管1、内管4、换热筋片5构成的进气(水）孔6。进入进气（水）孔6的冷空气，沿着换热管底部向储能室14运动的过程中，经与换热筋片5及外管1管壁的摩擦作用下，完成换热过程。汇聚在储能室14，被换热后的气体，进入导出管7内，再经热能导出管7及调速风机送至空气源热泵机组，完成换热循环输送过程。留存在换热管内被换热后的冷量，通过外管1管壁与接触的深井井壁转换至土壤中，完成与土壤的换热过程。

夏季向空调末端供冷降温时，打开电源，启动与热能导出管7接通的调速风机，通过管道直接向空调末端输送冷空气供冷降温，或者提供给安装在室内的空气源热泵机组提升后，制成冷源，向空调末端供冷降温，换热器管外的热空气在换热器管内真空吸力的作用下，从安装在空气源热泵机组，与室内连接的管道，进入由外管1、内管4、换热筋片5构成的进气进水孔6。进入进气进水孔6的热空气，在向换热管底部储能室14运动的过程中，经与换热筋片5及外管1管壁的摩擦作用下，完成换热过程。汇聚在储能室14，被换热后的气体，进入导出管7内，再经热能导出管7及调速风机送至空调末端或者空气源热泵机组，完成换热循环输送过程。留存在换热管内被换热后的热量，通过外管1管壁与接触的深井井壁转换至土壤中，完成与土壤的换热过程。

进入进气进水孔6的热空气，在向换热管底部储能室14运动换热的过程中，会产生部分冷凝水集聚在储能室14内，储能室管2内冷凝水上升至水位控制器12时，水位控制器12与换热管外连接的电路控制器，接通抽水管13与换热管外连接的水泵电源，将储能室管2内的冷凝水抽干净后自动关闭电源。

春秋季节，需要制热水，不需要向空调末端提供冷气、暖气时，可以不需要换热器提供地热热能，而由空气源热泵机组从室外空气中，直接获取热能。

二、使用水或者防冻液作为传热媒介，向水源热泵机组提供地热热源的工作原理是：

换热器安装并固定好后，接通电源，启动水泵，通过安装在导出管内连接的抽水管13，将换热管、热能导出管、储能室管内的浊水全部抽干净。然后将水泵上的水管连接至室内水源热泵机组进水管上。从管件10的进水管11，向换热管内灌注水或者防冻液，让水或者防冻液经储能室管2进入导出管7内，让导出管7内的水或者防冻液液面与进水管中液面平齐，灌注工作完成后，将进水管11及热能导出管7通过管道连接至安装在室内的水源热泵机组进水管和回水管上。

春、秋、冬季制热水和向空调末端供暖时，打开水泵电源，将热能导出管7内，已换热好的水或者防冻液，经管道向安装在室内的水源热泵机组蒸发器输送热源，供热泵机组提升后，制成热水或者向空调末端供暖。被换热后的水或者防冻液，从与水源热泵机组连接的回水管道，进入由外管1、内管4、换热筋片5构成的进气进水孔6。进入进气进水孔6的水或者防冻液，沿着换热管底部向储能室14运动的过程中，经与换热筋片5及外管1管壁的摩擦作用下，完成换热过程。汇聚在储能室14，被换热后的水或者防冻液，进入热能导出管7内，再经水泵及管道送至水源热泵机组，完成换热循环输送过程。留存在换热管内被换热后的冷量，通过外管1管壁与接触的深井井壁转换至土壤中，完成与土壤的换热过程。

夏季制冷向空调末端供冷时，打开水泵电源，将热能导出管7内，已换热好的水或者防冻液，经管道向安装在室内的水源热泵机组冷凝器输送冷源，供热泵机组提升后，向空调末端供冷。被换热后的水或者防冻液，从与水源热泵机组连接的回水管道，进入由外管1、内管4、换热筋片5构成的进气进水孔6。进入进气进水孔6的水或者防冻液，沿着换热管底部向储能室14运动的过程中，经与换热筋片5及外管1管壁的摩擦作用下，完成换热过程。汇聚在储能室14，被换热后的水或者防冻液，进入热能导出管7内，再经水泵及管道送至水源热泵机组，完成换热循环输送过程。留存在换热管内被换热后的热量，通过外管1管壁与接触的深井井壁转换至土壤中，完成与土壤的换热过程。

Claims (3)

1.一种浅表地热热能耦式换热器，其特征在于：包括

加强型换热管，所述加强型换热管包括外管、内管、换热筋片、进气/进水孔和热能导出管，内管设置在外管内，换热筋片设置在内管、外管之间与内管、外管连接，换热筋片5之间构成进气/进水孔；热能导出管设置在内管中，设有密封圈，密封圈设置在位于加强型换热管底部的热能导出管的管口与内管的管口上；

储能室管，所述储能室管内设有水位控制器，水位控制器与控制电路连接，储能室管内腔形成储能室；

锥体，所述锥体设有带导孔的锥孔，锥孔上设有与之适配的锥形堵头，锥体上设有机械控制器，锥形堵头通过弹簧与机械控制器连接，锥形堵头的端口设置在机械控制器的锁紧装置上，锥孔与锥形堵头呈开放式状态；

管件，所述管件设有封盖和进水进气管；

所述加强型换热管的上端与管件连通，进气/进水孔与进水进气管连通，加强型换热管的底端与储能室管的一端连通，储能室管的另一端与锥体底端配接，热能导出管的导出端穿出封盖，内管与封盖连接，热能导出管内设有抽水管，抽水管的一端从热能导出管伸出，另一端伸入储能室内，抽水管与水泵连接。

2.根据权利要求1所述的浅表地热热能耦式换热器，其特征在于：包括导出管支撑架，所述导出管支撑架设置在热能导出管与内管之间的区间内，此区间构成热短路阻隔区。

3.根据权利要求1所述的浅表地热热能耦式换热器，其特征在于：所述外管直径大于200mm。