CN106642764A - 中深层地温复合模式换热地埋管装置 - Google Patents

中深层地温复合模式换热地埋管装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种中深层地温复合模式换热地埋管装置，属于地热能换热热传导技术领域。本发明解决了现有技术设备结构复杂，运行能耗高，换热效率低，且容易导致地面沉降或对地下水源构成威胁和污染等的技术问题。其包括埋设于地下土壤内的深层地埋换热管，深层地埋换热管内部充填有第一换热工质且深层地埋换热管两端与用户侧相连，在深层地埋换热管上端一侧设有至少一个埋设于地下土壤内且填充有第二换热工质的中层地埋换热管，且中层地埋换热管两端分别与用户侧相连，深层地埋换热管自上向下分隔成保温区域和换热区域，且中层地埋换热管全部或局部位于保温区域内。本发明具有结构简单，换热效率高，地热利用率高等优点。

Description

中深层地温复合模式换热地埋管装置
技术领域
本发明属于地热能换热热传导技术领域，具体地涉及一种换热地埋管装置。
背景技术
地热能是一种储量巨大的洁净能源，对地热能的合理开发利用越来越受到人们的青睐。现已开发应用的深层地热技术，如地热发电、地热供暖等，多是将地下储藏的天然蒸汽或热水从地热井抽至地面利用，效率低，且时间久会导致地面沉降；若采用回灌技术，又会对地下水源构成威胁和污染；地热能深入利用受当地地质条件等不确定因素影响，利用范围小，技术条件苛刻，这些问题都制约了深层地热利用技术的应用和发展，为了更广泛的利用地热能，克服上述问题，需寻求更好的方法。
例如，中国专利文献公开了一种地热供暖系统[申请号：CN201110449856.3]，包括安装在地热井内的热交换器，设置在热交换器内且穿出热交换器的循环封闭导热管，导热管内装有导热介质，导热管穿出热交换器的一部分设置在温差发电机的热端表面，置于热交换器和温差发电机相连的一段导热管上设有流量计和循环泵，循环泵和控制器的输出端相连，控制器的输入端和设置在热交换器内的温度传感器相连；温差发电机冷端安装有冷水管，冷水管一端和冷水管注水口相连，冷水管和冷水管注水口间安装有冷凝器和冷水阀，温差发电机和蓄电池相连。本发明简化了设备结构，不需要汽轮机等大型装置，而且没有环境危害。
上述方案虽然一定程度上解决了现有技术设备复杂问题，但是结构仍然过于复杂，且采用多个电子部件，容易出现故障；而且还存在地热能利用率过低，换热效果差等缺点，需要寻求更好的方法提高热量利用率的同时不会对地下水源构成威胁也不会造成地面沉降的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种中深层地温复合模式换热地埋管装置；解决了现有技术所存在的设备结构复杂，运行能耗高，换热效率低，长时间使用会导致地面沉降或对地下水源构成威胁和污染等的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：包括埋设于地下土壤内的深层地埋换热管，所述的深层地埋换热管内部充填有第一换热工质且深层地埋换热管两端与用户侧相连，在深层地埋换热管上端一侧设有至少一个埋设于地下土壤内且填充有第二换热工质的中层地埋换热管，且所述的中层地埋换热管两端分别与用户侧相连，所述的深层地埋换热管自上向下分隔成保温区域和换热区域，且所述的中层地埋换热管全部或局部位于保温区域内。
本方案通过中层地埋换热管和深层地埋换热管复合，使换热速度加快，能够多通道提供热量，充分利用地下热量，通过深层地埋换热管的换热区域对地下热源进行收集，中层地埋换热管利用深层换热管留在保温区域的热量进行二次集热，大量地利用地下潜藏的地热能，提高地热能利用率和换热效率。
在上述的中深层地温复合模式换热地埋管装置中，所述的深层地埋换热管和中层地埋换热管均呈竖直且错位设置在地下深井内，且所述的地下深井深度为2000-4000米，所述地下深井的底层温度为60-150度，所述的深层地埋换热管的长度为2000-4000米，所述的中层地埋换热管的长度为400-600米，且中层地埋换热管底部外侧的温度为10-20度，深层地埋换热管用于收集60——150度的温度，长期用于供热；中层地埋换热管用于收集10-20度的温度，单独的中层地埋换热管可在供冷期提供冷量，供热期提供热量。
在上述的中深层地温复合模式换热地埋管装置中，所述的深层地埋换热管自地面向下400-600米区域为保温区域，所述的深层地埋换热管自保温区域向下的区域为换热区域。
在上述的中深层地温复合模式换热地埋管装置中，所述的深层地埋换热管位于保温区域的管壁周向外侧设有保温层，可防止热量损失，为用户侧提供热水或供暖。
在上述的中深层地温复合模式换热地埋管装置中，所述的保温层由聚氨酯保温隔热材料、离心玻璃棉毡、复合硅酸盐保温隔热砂浆与泡沫石棉制品中的任意一种或多种组合制成。
在上述的中深层地温复合模式换热地埋管装置中，所述的深层地埋换热管位于保温区域的管壁周向外侧未设有保温层，且所述的深层地埋换热管位于保温区域的部分与中层地埋换热管相互换热；此种情况，深层地埋换热管将换热区域的热量扩散于保区域，使保温区域的热量大幅度提高，供一根或多根中层地埋换热管收集保温区热量，增强中层地埋换热管的换热效果和供暖效果，多根中层地埋换热管将热量可以高效地传于多个不同的用户侧，实现一根深层地埋换热管结合中层地埋换热管向多个用户侧提供热量的目的，简化结构，充分利用深层热量。
在上述的中深层地温复合模式换热地埋管装置中，所述的深层地埋换热管为单通道管，且所述的深层地埋换热管为U形管、同轴套管与单管垫管中的任意一种。
在上述的中深层地温复合模式换热地埋管装置中，所述的深层地埋换热管管内充填的第一导热工质为纳米流体，其具有均匀、稳定、高导热等优点，提高导热效率。
在上述的中深层地温复合模式换热地埋管装置中，所述的中层地埋换热管为单通道或双通道的冷热交换管，且中层地埋换热管可双回路切换，且每一个地下深井内的中层地埋换热管的数量为至少一个。
在上述的中深层地温复合模式换热地埋管装置中，所述的中层地埋换热管管内充填第二导热工质为超导介质。
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、以中层地埋换热管与深层地埋换热管复合模式进行换热，既收集了较深层的热量，大量地利用地下潜藏的地热能，又利用了较浅层的地热能，能够同时实现供热供冷，提高换热效率；3、中层地埋换热管与深层地埋换热管的导热工质都不与地下水连通，只是通过导热工质进行传热，保证良好换热效果的同时，不会存在因为抽吸地下水导致地面沉降，或者回灌技术对地下水源构成威胁和污染的问题。
附图说明
图1是本发明深层地埋换热管单独工作的结构示意图；
图2是本发明深层地埋换热管和中层地埋换热管复合工作的结构示意图。
图中，深层地埋换热管1、保温区域11、换热区域12、中层地埋换热管2。
具体实施方式
实施例一
如图1和图2所示，本发明的中深层地温复合模式换热地埋管装置，包括埋设于地下土壤内的深层地埋换热管1，深层地埋换热管1内部充填有第一换热工质且深层地埋换热管1两端与用户侧相连，在深层地埋换热管1上端一侧设有至少一个埋设于地下土壤内且填充有第二换热工质的中层地埋换热管2，且中层地埋换热管2两端分别与用户侧相连，深层地埋换热管1自上向下分隔成保温区域11和换热区域12，且中层地埋换热管2全部或局部位于保温区域11内，本实施例通过中层地埋换热管2和深层地埋换热管1复合工作，使换热速度加快，通过深层地埋换热管1的集热区对地下热源进行收集，中层地埋换热管利用深层地埋换热管留在保温区域的热量进行二次集热，大量地利用地下潜藏的地热能，提高地热能利用率和换热效率，大量地利用地下潜藏的地热能。
进一步地，深层地埋换热管1和中层地埋换热管2均呈竖直且错位设置在地下深井内，且地下深井深度为2000-4000米，本实施例采用深度为3000米，地下深井的底层温度为60-150度，深层地埋换热管1的长度为2000-4000米，且长度与深井深度一致，中层地埋换热管2的长度为400-600米，本实施例中的中层地埋换热管2采用500米长度，且中层地埋换热管2底部外侧的温度为10-20度，深层地埋换热管1用于收集60-150度的温度，长期用于供热；中层地埋换热管2用于收集10-20度的温度，单独的中层地埋换热管2可在供冷期提供冷量，供热期提供热量。
优选的，深层地埋换热管1自地面向下400-600米区域为保温区域11，深层地埋换热管1自保温区域11向下的区域为换热区域12也就是集热区，用于将地下2000-4000米的地热能量进行收集，通过深层地埋换热管1内的工质进行传热，将热量送于用户侧；深层地埋换热管1位于保温区域11的管壁周向外侧设有保温层，保温层由聚氨酯保温隔热材料、离心玻璃棉毡、复合硅酸盐保温隔热砂浆与泡沫石棉制品中的任意一种或多种组合制成，可防止热量损失，为用户侧提供热水或供暖，提高深层地埋换热管1的供热效率，深层地埋换热管1与中层地埋换热管2之间设置有具有耐热防腐蚀性能的连接支架，用于保持两者的稳定性，同时防止深层地埋换热管1与中层地埋换热管2在地下发生晃动而造成两者之间撞击损坏换热管。
为了提高导热效率，深层地埋换热管1管内充填的第一导热工质为纳米流体，其具有均匀、稳定、高导热等优点；同样的，中层地埋换热管2管内充填第二导热工质为超导介质，其具有启动温度低，传递速度快，效率高且不用维修等优点，十分适用于浅层低温热量的换热利用。
在本方案中，深层地埋换热管1为单通道管，且深层地埋换热管1为结构简单、安装方便的U形型管，深层地埋换热管1也可以采用同轴套管与单管垫管中的任意一种；中层地埋换热管2为单通道或双通道的冷热交换管，且中层地埋换热管2可双回路切换，且每一个地下深井内的中层地埋换热管2的数量为至少一个。
实施例二：
该实施例与实施例一类似，不同之处在于深层地埋换热管1位于保温区域11的管壁周向外侧未设有保温层，且深层地埋换热管1位于保温区域11的部分与中层地埋换热管2相互换热；此种情况，深层地埋换热管1将换热区域的热量扩散于保温区域11，使保温区域11的热量大幅度提高，供一根或多根中层地埋换热管2收集保温区热量，增强中层地埋换热管2的换热效果和供暖效果，多根中层地埋换热管2将热量可以高效地传于多个不同的用户侧，实现一根深层地埋换热管1结合中层地埋换热管2向多个用户侧提供热量的目的，简化结构，充分利用深层热量；深层地埋换热管1与中层地埋换热管2之间设置有连接支架，以保持两者的稳定性，连接支架可以采用传热效率较好的金属材质，例如铝，同时在连接支架表面涂覆防腐耐热层，连接支架防止深层地埋换热管1与中层地埋换热管2在地下发生晃动而造成两者之间撞击损坏换热管，同时提高深层地埋换热管1与中层地埋换热管2之间的传热效率。
综上所述，该地源双U型地埋管强化换热传导装置工作模式如下：
模式1：在冬天需要供暖的情况下，关闭中层地埋换热管2所在的阀门，利用深层地埋换热管换热区域12收集的热量进行供热，能够很好地利用深层地埋换热管所在的区域周围的地热能，通过深层地埋换热管1内的纳米流体介质进行传热，传于用户侧的温度完全可满足用户供暖和供热水的需要。
模式2：在冬天需要供热的另一种情况下，中层地埋换热管2与深层地埋换热管1同时进行利用，深层仍然用于供热，但是深层的热量直接利用，尤其是用于供暖的时候温度过高，这样就需要散去部分热量，导致利用率过低；而中层在浅层地表所收集到的温度为10-20度，供热热量不足需要其他设备(例如热泵)进行调节，只比原有技术使用纯空调供热的方法节约了百分之四十左右的能源，仍然需要消耗较多的能源；本方案将深层地埋换热管1将从地下深井底下的温度，部分送至用户侧，部分热量停留在保温区域11供一根或多根中层地埋换热管2进行换热，中层地埋换热管2对深层地埋换热管1在保温区的热量进行二次收集，分得深层热量，提高中层地埋换热管2内工质的温度，实现向多个用户侧供热，提高地下深井内地热能的利用率，提高中层地埋换热管向用户侧传递的热量，节约其他设备为调整中层地埋换热管对应用户侧的温度消耗的能源，充分利用深层地埋换热管收集的热量。
模式3：在夏天需要供冷的情况下，深层地埋换热管可以仍然用于供热水，也可以将深层地埋换热管1所在阀门关闭，减小中层地埋换热管供冷的影响，由中层地埋换热管2进行供冷，将浅层地表10-20度恒温热量传于用户侧实现夏天供冷的效果。
本发明最大程度地利用了地热能，同时实现供热和供冷，且在深层热量利用充分的同时不会导致地面沉降，也不会对水源构成威胁和污染，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深层地埋换热管1、保温区域11、换热区域12、中层地埋换热管2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)

1.一种中深层地温复合模式换热地埋管装置，包括埋设于地下土壤内的深层地埋换热管(1)，其特征在于，所述的深层地埋换热管(1)内部充填有第一换热工质且深层地埋换热管(1)两端与用户侧相连，在深层地埋换热管(1)上端一侧设有至少一个埋设于地下土壤内且填充有第二换热工质的中层地埋换热管(2)，且所述的中层地埋换热管(2)两端分别与用户侧相连，所述的深层地埋换热管(1)自上向下分隔成保温区域(11)和换热区域(12)，且所述的中层地埋换热管(2)全部或局部位于保温区域(11)内。
2.根据权利要求1所述的中深层地温复合模式换热地埋管装置，其特征在于，所述的深层地埋换热管(1)和中层地埋换热管(2)均呈竖直且错位设置在地下深井内，且所述的地下深井深度为2000-4000米，所述地下深井的底层温度为60-150度，所述的深层地埋换热管(1)的长度为2000-4000米，所述的中层地埋换热管(2)的长度为400-600米，且中层地埋换热管(2)底部外侧的温度为10-20度。
3.根据权利要求2所述的中深层地温复合模式换热地埋管装置，其特征在于，所述的深层地埋换热管(1)自地面向下400-600米区域为保温区域(11)，所述的深层地埋换热管(1)自保温区域(11)向下的区域为换热区域(12)。
4.根据权利要求1或2或3所述的中深层地温复合模式换热地埋管装置，其特征在于，所述的深层地埋换热管(1)位于保温区域(11)的管壁周向外侧设有保温层。
5.根据权利要求4所述的中深层地温复合模式换热地埋管装置，其特征在于，所述的保温层由聚氨酯保温隔热材料、离心玻璃棉毡、复合硅酸盐保温隔热砂浆与泡沫石棉制品中的任意一种或多种组合制成。
6.根据权利要求1或2或3所述的中深层地温复合模式换热地埋管装置，其特征在于，所述的深层地埋换热管(1)位于保温区域(11)的管壁周向外侧未设有保温层，且所述的深层地埋换热管(1)位于保温区域(11)的部分与中层地埋换热管(2)相互换热。
7.根据权利要求1所述的中深层地温复合模式换热地埋管装置，其特征在于，所述的深层地埋换热管(1)为单通道管，且所述的深层地埋换热管(1)为U形管、同轴套管与单管垫管中的任意一种。
8.根据权利要求7所述的中深层地温复合模式换热地埋管装置，其特征在于，所述的深层地埋换热管(1)管内充填的第一导热工质为纳米流体。
9.根据权利要求2所述的中深层地温复合模式换热地埋管装置，其特征在于，所述的中层地埋换热管(2)为单通道或双通道的冷热交换管，且中层地埋换热管(2)可双回路切换，且每一个地下深井内的中层地埋换热管(2)的数量为至少一个。
10.根据权利要求9所述的中深层地温复合模式换热地埋管装置，其特征在于，所述的中层地埋换热管(2)管内充填第二导热工质为超导介质。
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