CN106440428A - 地源双u型地埋管强化换热传导装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地源双U型地埋管强化换热传导装置，属于地热能换热热传导技术领域。它解决了现有换热效率低，长期换热导致土壤温度失衡等技术问题。本换热传导装置包括具有对应设置在地下土壤内的循环U型管和换热U型管的双U管组，换热U型管一端与用户侧循环管一端相连通，换热U型管另一端与用户侧循环管另一端相连通，且换热U型管与用户侧循环管内均充填有导热工质，用户侧循环管两端分别连接有用户侧，在用户侧循环管上设有换热器，循环U型管与换热器之间设有能带动地下土壤内地下水扰动从而形成地下水循环且能使用户侧循环管与换热器之间进行换热的扰动式换热结构。本发明具有结构简单，换热效率高，土壤温度自平衡效果好等优点。

Description

地源双U型地埋管强化换热传导装置

技术领域

本发明属于地热能换热热传导技术领域，涉及换热传导装置，尤其是涉及一种地源双U型地埋管强化换热传导装置。

背景技术

浅层地热资源作为一种储量大、可再生的清洁能源，在当今人们的环保意识越来越强和能源日趋紧缺的情况下，地热能作为煤炭、石油等化石能源的替代能源，对地热资源的合理开发利用越来越迫切。在现有的浅层地热能开发利用技术中，如地源热泵，受当地地质条件等不确定因素影响，设备成本高，地热能利用效率低，而且会出现土壤热不平衡问题，长期运行后将会导致土壤温度失衡。这些问题制约了浅层地热能利用技术的应用和发展。为此，人们进行了长期的探索，提出了各种各样的解决方案。

例如，中国专利文献公开了一种地源热泵预警控制器及其控制方法[申请号：CN201010238783.9]，包括传感器、输入电路、微型计算机、通信电路和输出电路，传感器作为地源热泵预警控制器的信号输入采集地源热泵系统的土壤信号，传感器的信号输出端与输入电路的信号输入端相连，输入电路的信号输出端与微型计算机的信号输入端相连，微型计算机与输出电路的对应输入信号端相连，输出电路作为地源热泵预警控制器的控制信号输出控制地源热泵系统的现场执行机构，微型计算机的通信信号端通过通信电路与地源热泵系统的上位控制机进行通信。本发明从运行过程的角度出发为地源热泵系统提供一个安全、可靠的运行控制策略，根据土壤温度的变化情况决定地埋管和辅助冷/热源(例如冷却塔)的切换，给运行管理人员提供一个有效而方便的参照，以便运行过程中管理人员能合理地控制与指导土壤热泵系统的运行，调节地埋管与辅助冷、热源的运行时间，确保向土壤的排热和取热保持在平衡状态。

上述方案虽然一定程度上解决了土壤热不平衡问题，但是本方案仍然存在设备的整体结构复杂问题，而且需要管理人员根据地源热泵预警控制器的判断进行控制与指导土壤热泵系统的运行，存在没有自平衡能力，自动化程度不够高，运行过程也过于繁琐等问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种地源双U型地埋管强化换热传导装置；解决了现有技术所存在的设备结构复杂，成本高，无法实现土壤热量的自平衡等的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本地源双U型地埋管强化换热传导装置包括具有对应设置在地下土壤内的循环U型管和换热U型管的双U管组，所述的换热U型管一端与用户侧循环管一端相连通，所述的换热U型管另一端与用户侧循环管另一端相连通，且所述的换热U型管与用户侧循环管内均充填有导热工质，用户侧循环管两端分别连接有用户侧，在用户侧循环管上设有换热器，所述的循环U型管与换热器之间设有能带动地下土壤内地下水扰动从而形成地下水循环且能使用户侧循环管与换热器之间进行换热的扰动式换热结构。

本地源双U型地埋管强化换热传导装置通过双U管组的设置，换热U型管直接与用户侧循环管内工质进行混合换热，循环U管通过换热器与用户侧循环管内工质再次进行换热，能够快速、大量、充分地利用浅层地下潜藏的地热能，增强换热效果的同时通过循环水泵的工作，带动地下水的扰动，形成地下水循环，实现自动平衡地下温度。

在上述的中地源双U型地埋管强化换热传导装置中，所述的扰动式换热结构包括若干分别设置在循环U型管管壁上且能将循环U型管内部与地下土壤内的地下水相连通的通孔，所述的循环U型管一端通过循环水泵与换热器一端相连，循环U型管另一端与换热器另一端相连。

在上述的中地源双U型地埋管强化换热传导装置中，所述的循环U型管具有相互连通的第一支管和第二支管，且所述的循环水泵与第一支管相连，所述的通孔分别设置在第一支管的下端以及设置在第二支管的上端，在循环水泵工作时，利用位于循环U型管的第一支管的下端的通孔抽吸井内底端区的水，运送至井内上端区，随循环U型管出水管第二支管的上端的通孔排出，以此带动地下水的扰动，形成地下水的循环，使浅层地下水温均衡。

在上述的中地源双U型地埋管强化换热传导装置，所述的用户侧循环管上分别设有位于换热器两端的第一阀门。

在上述的中地源双U型地埋管强化换热传导装置，所述的换热U型管至少一端与用户侧循环管之间设有第二阀门。

本地源双U型地埋管强化换热传导装置在循环水泵工作时，第一阀门和第二阀门可实现灵活调节换热程度，可控性高。

在上述的中地源双U型地埋管强化换热传导装置，所述的循环U型管和换热U型管均呈竖直且平行设置，且所述的循环U型管和换热U型管均设置在地下深井内，且所述的地下深井的深度为100-300米，地下深井的直径大小为100-200毫米。

在上述的中地源双U型地埋管强化换热传导装置，所述的循环U型管和换热U型管长度相等且循环U型管和换热U型管长度为100-300米。

在上述的中地源双U型地埋管强化换热传导装置，所述的循环U型管的第一支管距离循环U型管底部0-60米范围为第一支管开孔区，所述的循环U型管的第二支管距离地面10-70米范围为第二支管开孔区，且所述的通孔分别设置在第一支管开孔区和第二支管开孔区内，所述的第一支管开孔区与第二支管开孔区之间形成20-60米范围的盲区。

在上述的中地源双U型地埋管强化换热传导装置，所述的换热器和循环水泵设置在地下深井距离地面1-3米处，且所述的换热器、循环水泵与用户侧循环管均设置在一个箱体内，且所述的用户侧循环管端部延伸至箱体外侧且与用户侧相连通。

在上述的中地源双U型地埋管强化换热传导装置，所述的导热工质为纳米颗粒超导介质且所述的导热工质包括粒径1-20纳米的碳粒子、二氧化钛、R123、水、溴化锂溶液与R134a中的任意一种或多种的组合。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：1、该装置设计合理，结构简单，投入成本低；2、该装置通过工质水导热与深井中的地下水进行换热，利用地热能能源，能耗低，且不会污染地下水和土壤；3、由循环U型管和换热U型管构成的双U管组进行热传导，热能利用率高，且利用循环水泵工作通过循环U型管对地下水进行扰动，形成地下水循环，自动平衡地下温度。

附图说明

图1是本发明提供的结构示意图。

图中，双U管组1、换热U型管11、循环U型管12、通孔121、第一支管122、第一支管开孔区1221、第二支管123、第二支管开孔区1231、用户侧循环管2、换热器3、循环水泵4、第一阀门5、第二阀门6、箱体7。

具体实施方式

如图1所示，本发明的地源双U型地埋管强化换热传导装置，包括具有对应设置在地下土壤内的循环U型管12和换热U型管11的双U管组1，换热U型管11一端与用户侧循环管一端相连通，换热U型管11另一端与用户侧循环管另一端相连通，且换热U型管11与用户侧循环管内均充填有导热工质，用户侧循环管两端分别连接有用户侧，在用户侧循环管2上设有换热器3，循环U型管12与换热器3之间设有能带动地下土壤内地下水扰动从而形成地下水循环且能使用户侧循环管2与换热器3之间进行换热的扰动式换热结构，本地源双U型地埋管强化换热传导装置通过双U管组1的设置，换热U型管直接与用户侧循环管2内工质进行混合换热，循环U管通过换热器3与用户侧循环管2内工质再次进行换热，能够快速、大量、充分地利用浅层地下潜藏的地热能，增强换热效果的同时通过循环水泵4的工作，带动地下水的扰动，形成地下水循环，实现自动平衡地下温度。

具体地，本实施例中的扰动式换热结构包括若干分别设置在循环U型管12管壁上且能将循环U型管12内部与地下土壤内的地下水相连通的通孔，循环U型管12一端通过循环水泵4与换热器3一端相连，循环U型管12另一端与换热器3另一端相连；进一步地，循环U型管12具有相互连通的第一支管122和第二支管123，且循环水泵4与第一支管122相连，且通孔分别设置在第二支管123的上端以及设置在第一支管122的下端，在循环水泵4工作时，利用位于循环U型管12的第一支管122的下端的通孔抽吸井内底端区的水，运送致井内上端区，随循环U型管12第一支管122的上端的通孔排出，以此带动地下水的扰动，形成地下水的循环，使浅层地下水温均衡。

进一步地，循环U型管12和换热U型管11均呈竖直且平行设置，循环U型管12和换热U型管11之间架设有保持两者相互平行，使装置处于最佳的换热状态，同时提高循环U型管12和换热U型管11的强度的支架；循环U型管12和换热U型管11均设置在地下深井内，且地下深井的深度为100-300米，本实施例采用深度为180米，地下深井的直径大小为100-200毫米，本实施例采用直径为150毫米。

本实施例中，用户侧循环管2上分别设有位于换热器3两端的第一阀门5；同样的，在换热U型管11至少一端与用户侧循环管2之间设有第二阀门6。在地源双U型地埋管强化换热传导装置工作时，第一阀门5和第二阀门6可实现灵活调节换热程度和切换换热模式，可控性高。

进一步地，循环U型管12和换热U型管11长度相等且循环U型管12和换热U型管11长度为100-300米，本实施例的循环U型管和换热U型管长度均为200米；循环U型管12的第一支管122距离循环U型管12底部0-60米范围为第一支管开孔区1221，本实施例中，距离循环U型管12底部60米处位置为开孔区，循环U型管12的第二支管123距离地面10-70米范围为第二支管开孔区1231，本实施例中距离地面70米处位置为开孔区，且通孔分别设置在第一支管开孔区1221和第二支管开孔区1231内，第一支管开孔区1221与第二支管开孔区1231之间形成20-60米范围的盲区，使地下升井底部的地下水能过顺利地运输至上部后从上部开孔处排出。

同样的，换热器3和循环水泵4设置在地下深井距离地面1-3米处，本实施例为1.5米处左右，且换热器3、循环水泵4与用户侧循环管2均设置在一个箱体7内，用户侧循环管2端部延伸至箱体7外侧且与用户侧相连通，为了避免双U管组和用户侧循环管以及换热器热量散失，箱体采用聚氨酯保温隔热材料或者离心玻璃棉毡或者复合硅酸盐保温隔热砂浆或者泡沫石棉制品等保温材料而制成，提高热量利用率；同时，为了检修方便，箱体的侧壁上开设有检修门；而且双U管组和用户侧循环管与箱体与之间，检修门与箱体之间均设置有密封圈，密封圈具有减小热量散失的作用，同时避免地下水进入箱体，损坏换热器等设备。

进一步地，导热工质为纳米颗粒超导介质且导热工质包括粒径1-20纳米的碳粒子、二氧化钛、R123、水、溴化锂溶液与R134a中的任意一种或多种的组合。

综上所述，该地源双U型地埋管强化换热传导装置工作过程如下：

状态1：关闭换热器两端的第一阀门5，同时关闭循环水泵4，打开第二阀门6，此时，循环U型管12处于关闭状态，内部流体不流转，停止传热；换热U型管11处于单独工作状态，换热U型管11与地下深井中的地下水进行换热，同时换热U型管11与用户侧循环管2连通，通过工质混合实现与用户侧循环管2内的工质进行换热。但是此工作状态易导致地下水水温不平衡，以致出现土壤热不平衡问题，不宜长期工作。

状态2：关闭换热器两端的第一阀门5，同时打开循环水泵4，打开第二阀门6，此时，循环U型管12仍处于工作状态，但是其只负责对地下水进行扰动循环，没有与用户侧循环管进行换热，换热U型管11处于工作状态，换热U型管11与地下深井中的地下水进行换热，换热U型管11与用户侧循环管2连通，通过工质混合实现与用户侧循环管2内的工质进行换热。此工作状态的循环管处于工作状态，对地下水进行循环扰动，平衡地下温度，不易出现土壤温度失衡的情况，但是由于是单管换热，换热速度与效率比较低，适合于热量需求较小的情况。

状态3：打开换热器两端的第一阀门5，同时打开循环水泵4，关闭第二阀门6，此时，循环U型管12处于工作状态，换热器也处于工作状态，循环U型管不仅负责对地下水进行扰动循环，而且通过换热器与用户侧循环管进行换热，而此时，换热U型管11处于关闭状态，由循环U型管单管工作。此工作状态的循环管处于工作状态，与用户侧循环管进行换热的同时，对地下水进行循环扰动，平衡地下温度，不易出现土壤温度失衡的情况，但是其由于是单管换热，而且通过换热器进行换热，换热效率低，同样适合于热量需求低的情况。

状态4：打开第一阀门5，同时打开循环水泵4和第二阀门6，使双U管组1处于双管工作状态，调节第一阀门5和第二阀门6大小可以调整换热程度，此时，换热U型管11与深井中的地下水进行换热，换热U型管11与用户侧循环管2连通，通过工质混合实现与用户侧循环管2内的工质进行换热；通过循环水泵4实现循环水泵4、循环U型管12和换热器3组成的循环管路中地下水的循环，位于循环U型管12的第一支管122的下端的通孔抽吸井内底端区的水，运送至井内上端区，随循环U型管12第二支管123的上端的通孔排出，以此带动地下水的扰动，形成地下水的循环，平衡地下温度；且双U管组1中循环U型管12内的水通过换热器3与用户侧循环管2内工质再次进行换热，能够快速、大量、充分地利用浅层的地热能，增强换热效果。该工作模式能最大程度地利用热量，提高换热效率，同时不易出现土壤温度失衡的情况，工作状态最佳。该装置设计合理、结构简单、低能耗，不会污染地下水和土壤，根据需要利用各个阀门切换模式，采用双U管组1进行强化换热，充分利用了地热能，在供暖、空调方面具有广泛的应用前景。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了双U管组1、换热U型管11、循环U型管12、通孔121、第一支管122、第一支管开孔区1221、第二支管123、第二支管开孔区1231、用户侧循环管2、换热器3、循环水泵4、第一阀门5、第二阀门6、箱体7等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种地源双U型地埋管强化换热传导装置，包括具有对应设置在地下土壤内的循环U型管(12)和换热U型管(11)的双U管组(1)，其特征在于，所述的换热U型管(11)一端与用户侧循环管(2)一端相连通，所述的换热U型管(11)另一端与用户侧循环管(2)另一端相连通，且所述的换热U型管(11)与用户侧循环管(2)内均充填有导热工质，用户侧循环管(2)两端分别连接有用户侧，在用户侧循环管(2)上设有换热器(3)，所述的循环U型管(12)与换热器(3)之间设有能带动地下土壤内地下水扰动从而形成地下水循环且能使用户侧循环管(2)与换热器(3)之间进行换热的扰动式换热结构。

2.根据权利要求1所述的地源双U型地埋管强化换热传导装置，其特征在于，所述的扰动式换热结构包括若干分别设置在循环U型管(12)管壁上且能将循环U型管(12)内部与地下土壤内的地下水相连通的通孔(121)，所述的循环U型管(12)一端通过循环水泵(4)与换热器(3)一端相连，循环U型管(12)另一端与换热器(3)另一端相连。

3.根据权利要求2所述的地源双U型地埋管强化换热传导装置，其特征在于，所述的循环U型管(12)具有相互连通的第一支管(122)和第二支管(123)，且所述的循环水泵(4)与第一支管(122)相连，且所述的通孔(121)分别设置在第一支管(122)的下端以及设置在第二支管(123)的上端。

4.根据权利要求1或2或3所述的地源双U型地埋管强化换热传导装置，其特征在于，所述的用户侧循环管(2)上分别设有位于换热器(3)两端的第一阀门(5)。

5.根据权利要求4所述的地源双U型地埋管强化换热传导装置，其特征在于，所述的换热U型管(11)至少一端与用户侧循环管(2)之间设有第二阀门(6)。

6.根据权利要求3所述的地源双U型地埋管强化换热传导装置，其特征在于，所述的循环U型管(12)和换热U型管(11)均呈竖直且平行设置，且所述的循环U型管(12)和换热U型管(11)均设置在地下深井内，且所述的地下深井的深度为100-300米，地下深井的直径大小为100-200毫米。

7.根据权利要求6所述的地源双U型地埋管强化换热传导装置，其特征在于，所述的循环U型管(12)和换热U型管(11)长度相等且循环U型管(12)和换热U型管(11)长度为100-300米。

8.根据权利要求7所述的地源双U型地埋管强化换热传导装置，其特征在于，所述的循环U型管(12)的第一支管(122)距离循环U型管(12)底部0-60米范围为第一支管开孔区(1221)，所述的循环U型管(12)的第二支管(123)距离地面10-70米范围为第二支管开孔区(1231)，且所述的通孔(121)分别设置在第一支管开孔区(1221)和第二支管开孔区(1231)内，所述的第一支管开孔区(1221)与第二支管开孔区(1231)之间形成20-60米范围的盲区。

9.根据权利要求6所述的地源双U型地埋管强化换热传导装置，其特征在于，所述的换热器(3)和循环水泵(4)设置在地下深井距离地面1-3米处，且所述的换热器(3)、循环水泵(4)与用户侧循环管(2)均设置在一个箱体(7)内，且所述的用户侧循环管(2)端部延伸至箱体(7)外侧且与用户侧相连通。

10.根据权利要求1所述的地源双U型地埋管强化换热传导装置，其特征在于，所述的导热工质为纳米颗粒超导介质，且所述的导热工质包括粒径1-20纳米的碳粒子、二氧化钛、R123、水、溴化锂溶液与R134a中的任意一种或多种的组合。