CN108302669A - 一种基于空气介质的地埋套管式换热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于空气介质的地埋套管式换热装置，其有别于基于水源介质的地能换热结构，在自身能耗指标及建设成本方面进一步提高了实用性能和效果。其包括内绝热管、外换热管、用于埋于地下10米‑100米的底部连通腔。本发明利用地下土壤自身20℃左右的恒温特性，仅需采用风机提供动力即可，不受地域、气候的影响，具有较好的节能效果和适应性。而由于采用内外套管式结构、螺旋形凸起或翅片的设置，及保温层的设置，有效降低了内绝热管与外界环境的接触，大幅提升换热效率和恒温效果。经实际测定，采用本发明，利用地下土壤自身的20℃恒温特性作为温度调节源，仅需采用风机提供动力即可，不受地域、时间的影响，具有较好的节能效果和适应性。
Description
技术领域
本发明涉及节能环保领域，具体为一种基于空气介质的地埋套管式换热装置。
背景技术
公用移动通信基站是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。移动通信基站的建设是我国移动通信运营商投资的重要部分，移动通信基站的建设一般都是围绕覆盖面、通话质量、投资效益、建设难易、维护方便等要素进行。其中，基站的通信基站通常分为两类，一种是机房内放置数台通信设备及ups电源的宏站；一种是内置设备和ups电源的户外机柜的一体化站。
而我国大部分通信基站都是修建在户外的高山上，特别是在夏季，户外温度高导致基站内存放设备的机房温度也非常高，按照一贯的方式都是采用空调对机房进行降温，对设备区域温控在45℃以下，对ups电源区域温控要求在30℃以下。一般情况下，宏站机房根据具体情况配置一到三台空调，在机房内完成上述温控要求；一体化站中，设备柜通过内外风独立循环结构采用强制换热方式进行柜内制冷，保证设备柜内＜45℃，含ups电源的机柜配置机柜式空调，保证电源机柜内＜30℃。这种模式一直以来都在使用在各种基站机房，但是空调的维护费用和运作成本非常高，空调系统一年消耗的电费占基站总电耗的30%~60%，且还不算上空调的维护维修费用。因此对于整个基站系统而言，不仅维护维修费用高，而且消耗大量的能源。
为此，本发明提供一种基于空气介质的地埋套管式换热装置，以解决上述问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：提供一种高效的换热结构，有效降低用于基站机房降温的空调能耗，具体为一种基于空气介质的地埋套管式换热装置。本发明利用地下土壤自身的20℃恒温特性作为温度调节的源头，仅需采用风机提供动力即可，不受地域、时间的影响，具有较好的节能效果和适应性。而由于采用内外套管结构、螺旋形凸起或翅片的设置，及保温层的设置，有效降低了内绝热管与外界环境的接触，大幅提升换热效率和换热效果。经实际测定，采用本发明，密闭空间内的温度可以在20~30℃区间内实现精准控制，有效保证设备的正常运行；夏季制冷的电能消耗降低至现有空调制冷的百分之五以下。同时，对于高寒地区，本发明还能提供20℃±10区间的超低能耗恒温效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于空气介质的地埋套管式换热装置，包括内绝热管、外换热管、埋于地下10米-100米的底部连通腔，所述内绝热管的外径小于外换热管的内径，所述内绝热管包括用于与待换热设备相连的内管地上端、与内管地上端相连的内管地下端，所述外换热管包括用于与换热气体相连的外管地上端、外管地下端；
所述外管地下端与外管地上端相连且换热气体能通过外管地上端进入外管地下端，所述内绝热管与外换热管之间的环腔为换热腔且气体能通过换热腔与土壤进行换热，所述内管地下端位于外管地下端内侧且经换热腔换热后的气体能通过内绝热管流出，所述外换热管通过底部连通腔与内绝热管相连且底部连通腔能将换热腔内的气体导入内绝热管；
所述内绝热管外壁设置有螺旋形凸起或翅片且通过外换热管进入的气体能在螺旋形凸起或翅片作用下进行混合。
所述内绝热管采用绝热材料制备而成，所述外换热管、底部连通腔采用金属材料制备而成。
所述内绝热管外壁设置有保温层，所述螺旋形凸起或翅片设置在保温层上。
所述螺旋形凸起为设置在内绝热管外壁的螺旋形缠绕线。
所述内管地上端和/或外管地上端设置有保温结构。
所述换热腔、底部连通腔、内绝热管依次连通形成气体通路，所述气体通路上设置有用于驱动气体流动的风机。
所述风机为至少一个。
所述风机为两个（一用一备，极端情况下同时开启）。
包括用于对内绝热管进行支撑的支撑机构。
还包括与底部连通腔相连的排水装置且排水装置能将底部连通腔内的水排出。
所述排水装置包括与底部连通腔相连的排水管、水泵，所述排水管的出水端设置在地面上，且水泵设置在排水管一端。
还包括水位测定装置、控制系统，所述水位测定装置设置于底部连通腔内，所述水位测定装置、水泵分别与控制系统相连，所述水位测定装置能将底部连通腔内的水位信息传递给控制系统；当底部连通腔内的水位达到高位设定值时，控制系统启动水泵进行抽水；当底部连通腔内的水位达到低位设定值时，控制系统关闭水泵，停止抽水。
针对前述问题，本发明提供一种基于空气介质的地埋套管式换热装置，其包括内绝热管、外换热管、底部连通腔。安装时，底部连通腔埋于地下10~米以下。内绝热管的外径小于外换热管的内径，并保证内绝热管空气流量与环腔内空气流量的一致性；内绝热管包括用于与待换热设备相连的内管地上端、与内管地上端相连的内管地下端，外换热管包括用于与换热气体相连的外管地上端、与外管地上端相连的外管地下端。内绝热管与外换热管之间的环腔为换热腔，气体能通过换热腔与土壤进行换热。该结构工作时，气体通过换热腔与土壤进行热交换，实现对气体的冷却。冷却后的气体再经内绝热管排出，并对相应的设备或空间进行冷却。然而，申请人发现，由内外管间环腔引入的热风，经外管被土壤冷却后的空气，再经内绝热管排出供冷给机房的过程中，会出现环腔空气换热制冷不均匀，从而降低了气流的冷却效果，因此在内绝热管外壁设置螺旋形紊流装置，使得气流在冷却过程中充分混合换热，从而达到最大制冷效果；同时，为防止冷却后的气流在内绝热管行程中被环腔部热空气再次加热，采用了有效的绝热措施，避免内绝热管温度上升。
内绝热管采用绝热材料制备而成，外换热管、底部连通腔采用金属材料制备而成。进一步，紊流装置为设置在内绝热管外壁的螺旋形凸起。进一步，在内绝热管的外壁上设置有螺旋形缠绕线，螺旋形凸起设置在保温层上。通过螺旋形凸起起到紊流的作用，从而使从内管至外管之间不同温差的气体进行混合。经测定，本发明采用紊流结构较不采用紊流结构相比，在相同的进气温度和流量条件下，能够将气体冷却效果提升20%以上，具有显著的节能效果。通过保温层的设置，也能在一定程度上避免内绝热管温度的上升。基于结构的改进，使得本发明内绝热管出口端的气体温度能维持在20~25℃之间。
外换热管、底部连通腔、内绝热管依次连通形成气体通路，气体通路上设置有用于驱动气体流动的三元流风机。通过风机，能够驱动气体流动；通过对风机进风量的控制，能够使内绝热管的出气温度控制在20~25℃之间。进一步，一套装置中配置两台风机；通常为一用一备的工作方式，当一个风机损坏后，另一个进行联动开机，以确保装置工作的持续与稳定，并通知客户进行维修，有效保证冷却效果。极端情况中，两台风机将同时启动，以增强系统的换热及温控效果。
受到气压和温度的影响，气体中的水分会冷凝成水珠掉落到底部连通腔内。为此，本发明设置与底部连通腔相连的排水装置，通过排水装置能将底部连通腔内冷凝的水排出。进一步，排水装置包括与底部连通腔相连的排水管、水泵；排水管的出水端设置在地面上，另一端与底部连通腔相连；水泵设置在排水管上，为排水管提供动力。进一步，还包括用于对内绝热管进行支撑的支撑机构。该结构中，热空气于井道冷却过程中产生的冷凝水将会在井底积水，系统中安装有水位测量及自动排水装置。为了进一步降低水泵的能耗，本发明还包括水位测定装置、控制系统。水位测定装置设置于底部连通腔内，其能够对底部连通腔内的水位进行测定；其中，水位测定装置、水泵分别与控制系统相连，水位测定装置能将底部连通腔内的水位信息传递给控制系统，控制系统则基于测定的水位，对水泵进行控制；当底部连通腔内的水位达到高位设定值时，控制系统启动水泵进行抽水；当底部连通腔内的水位到达达到低位设定值时，控制系统关闭水泵，停止抽水。采用该方式，既能保证装置的正常运行，又使得水泵采用变频工作，有效降低水泵能耗。而支撑机构的设置，则能有效保证内绝热管位置不偏移。优选考虑上方是十字结构、下方也是十字结构，通过一个杆将两者相连，这样风阻较小。
有别于基于水源介质的地能换热结构，本发明提供一种新的基于空气介质的地埋套管式换热装置，其利用地下土壤自身的20℃恒温特性作为源头，仅需采用风机提供动力即可，不受地域、时间的影响，在自身能耗指标及建设成本方面进一步提高了实用性能和效果，具有较好的适应性和应用前景，值得大规模推广和应用。
基于上述结构改进，使得本发明的结构极为简单，更加易于维护。本发明中，仅有风机会消耗电源，使得设备的维护成本大幅降低，运行成本大幅减少，具有极高的经济价值。
通常情况下，需要单独设置两根独立的管道，需要分别朝地下打两根不同的井，以实现管道的安装和冷风和热风的分别输送。而本发明中，采用内外套管结构，仅需朝地下打一口井，即可实现两根管道的安装，大幅降低设备安装成本。另外，由于采用内外套管结构，有效降低了内绝热管与外界环境的接触，减少了其腐蚀的可能性，有利于延长内绝热管的使用寿命。
通常情况下，要求机房内的电池的密闭空间需要控制在30℃以下。经实际测定，采用本发明，密闭空间内的温度在28℃下，能够有效保证设备的正常运行；夏季的电能消耗降低至现有空调制冷的5%以下，夏季能耗对比更加明显。而在高寒地区，室外温度通常在0℃以下，甚至低达-20℃左右，而基于本发明，能够提供20℃±10℃区间范围内的超低能耗恒温效果。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明的结构示意图。
图中标记：1、底部连通腔，2、内管地上端，3、内管地下端，4、外管地上端，5、外管地下端，6、螺旋形凸起，7、地面，8、水泵，9、排水管。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
如图所示，该装置包括内绝热管、外换热管、底部连通腔、风机，内绝热管的外径小于外换热管的内径。其中，内绝热管包括内管地上端、与内管地上端连接为一体的内管地下端，外换热管包括外管地上端、与外管地上端连接为一体的外管地下端，内管地上端穿过外管地上端。换热气体能通过外管地上端进入外管地下端，内绝热管与外换热管之间的环腔为换热腔，气体能通过换热腔与土壤进行换热，经换热腔换热后的气体能通过内绝热管流出。同时，外换热管通过底部连通腔与内绝热管相连，底部连通腔能将换热腔内的气体导入内绝热管。
本实施例中，内绝热管外壁设置有螺旋形凸起或翅片，通过外换热管进入的气体能在螺旋形凸起或翅片作用下进行混合。内绝热管采用绝热材料制备而成，外换热管、底部连通腔采用金属材料制备而成，外换热管与底部连通腔处于密闭状态。
进一步，该装置中，内绝热管外壁设置有保温层，螺旋形凸起或翅片设置在保温层上；内管地上端、外管地上端分别设置有保温结构。
本实施例中，风机设置在外换热管上，外换热管、底部连通腔、内绝热管依次连通形成气体通路。
该装置安装时，将底部连通腔埋于地下10米-100米（将排水装置设置在底部连通腔内），并将外换热管与换热气体相连，内绝热管与待换热设备相连。该装置工作时，气体通过外换热管进入换热腔内与土壤进行换热；换热后的气体则通过内绝热管排向待换热设备，实现对待换热设备的热交换。
当温度低于常温时，空气中的水分会自然冷凝成水珠，特别是在夏天，当外部气温较高，而出现一个低温时，那么在低温处就会出现大量的水珠。在本实施例中，空气中的水分会冷凝到管壁上，并沉积在底部连通腔内。为此，本实施例中，还包括与底部连通腔相连的排水装置。该排水装置包括与底部连通腔相连的排水管、水泵、水位测定装置、控制系统，排水管的出水端设置在地面上，排水管的另一端与底部连通腔相连，水泵设置在排水管上。水位测定装置设置于底部连通腔内，水位测定装置、水泵分别与控制系统相连。本实施例中，水位测定装置用于测定相应的水位高低。在本发明的装置工作时，水位测定装置能将底部连通腔内的水位信息传递给控制系统，控制系统则基于测定的水位信息，对水泵进行控制；当底部连通腔内的水位达到高位设定值时，控制系统启动水泵进行抽水，并通过排水管将水排出；当底部连通腔内的水量达到低位设定值时，控制系统关闭水泵，停止抽水。
经实际测定，风道内的风量控制为300m³/h左右，在一年的使用期间内，整个系统运行正常，实现了基站机房内设备温度的温度小于40℃、ups电源＜28℃的稳定效果，耗电量仅为改造前的5%以下，维护成本、运营成本大幅降低，具有显著的进步意义。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种基于空气介质的地埋套管式换热装置，其特征在于，包括内绝热管、外换热管、埋于地下10米-100米的底部连通腔，所述内绝热管的外径小于外换热管的内径，所述内绝热管包括用于与待换热设备相连的内管地上端、与内管地上端相连的内管地下端，所述外换热管包括用于与换热气体相连的外管地上端、外管地下端；
所述外管地下端与外管地上端相连且换热气体能通过外管地上端进入外管地下端，所述内绝热管与外换热管之间的环腔为换热腔且气体能通过换热腔与土壤进行换热，所述内管地下端位于外管地下端内侧且经换热腔换热后的气体能通过内绝热管流出，所述外换热管通过底部连通腔与内绝热管相连且底部连通腔能将换热腔内的气体导入内绝热管；
所述内绝热管外壁设置有螺旋形凸起或翅片且通过外换热管进入的气体能在螺旋形凸起或翅片作用下进行混合。
2.根据权利要求1所述基于空气介质的地埋套管式换热装置，其特征在于，所述内绝热管采用绝热材料制备而成，所述外换热管、底部连通腔采用金属材料制备而成。
3.根据权利要求1~2任一项所述基于空气介质的地埋套管式换热装置，其特征在于，所述内绝热管外壁设置有保温层，所述螺旋形凸起或翅片设置在保温层上。
4.根据权利要求1所述基于空气介质的地埋套管式换热装置，其特征在于，所述螺旋形凸起为设置在内绝热管外壁的螺旋形缠绕管线。
5.根据权利要求1所述基于空气介质的地埋套管式换热装置，其特征在于，所述内管地上端和/或外管地上端设置有保温结构。
6.根据权利要求1~5任一项所述基于空气介质的地埋套管式换热装置，其特征在于，所述换热腔、底部连通腔、内绝热管依次连通形成气体通路，所述气体通路上设置有用于驱动气体流动的风机。
7.根据权利要求1所述基于空气介质的地埋套管式换热装置，其特征在于，包括用于对内绝热管进行支撑的支撑机构。
8.根据权利要求1-7任一项所述基于空气介质的地埋套管式换热装置，其特征在于，还包括与底部连通腔相连的排水装置且排水装置能将底部连通腔内的水排出。
9.根据权利要求8所述基于空气介质的地埋套管式换热装置，其特征在于，所述排水装置包括与底部连通腔相连的排水管、水泵，所述排水管的出水端设置在地面上，且水泵设置在排水管一端。
10.根据权利要求9所述基于空气介质的地埋套管式换热装置，其特征在于，还包括水位测定装置、控制系统，所述水位测定装置设置于底部连通腔内，所述水位测定装置、水泵分别与控制系统相连，所述水位测定装置能将底部连通腔内的水位信息传递给控制系统；当底部连通腔内的水位达到高位设定值时，控制系统启动水泵进行抽水；当底部连通腔内的水位达到低位设定值时，控制系统关闭水泵，停止抽水。
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