CN108458508A - 螺旋地桩式空气-土壤换热储能管及储热型换热管、储冷型换热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋地桩式空气‑土壤换热储能管及储热型换热管、储冷型换热管，外管内间隙套接有内管，外管为良好导热材质，下端为尖部向下的封闭的圆锥形，上端开口暴露在地面上；内管为良好隔热材质，下端开口高于外管下端，上端开口暴露在地面上；外管的外侧壁上设有外螺旋叶；内管的外侧壁与外管的内侧壁之间紧配合的缠绕有内螺旋叶；以外管上端与内管上端之间为气流入口，以内管上端为气流出口，气流入口至气流出口之间设有风机。本发明的有益效果是：能够大幅缩减埋管时的土方开挖工作量，节约了工时和成本；提高了热交换效率，以低成本实现了高效储热、储冷及后续的热能冷能的抽取利用，而且可以做到储能管的可回收再利用。

Description

螺旋地桩式空气-土壤换热储能管及储热型换热管、储冷型换 热管

技术领域

本发明属于环保节能领域，具体是一种螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，及在该螺旋地桩式空气-土壤换热储能管基础上发展而来的储热型换热管、储冷型换热管。

背景技术

太阳能温室(solar green house)在设施农业的构成中是一个核心基础要素，设施园艺目前在种、养殖技术上已有很大发展，但不论国内外现有技术水平多高，其能耗大，成本高却是一个始终未能逾越的障碍，成为一个世界性难题。

温室是一个巨大的太阳能集热体，由于其提供的光照才促进了作物的光合作用，其提供的能源才可维持种、养对象所需的温度条件。然而当气象条件变化到环境温度特低和特高的时候，温室此时却又无能为力，不得不借助从温室外部补充能源以求解决温室的加热与降温问题。

这就是加热时使用燃煤、燃气、电加热锅炉，以传统的末端散热方式进行采暖。但是燃煤会因环境保护的原因被逐步禁止直至被淘汰；燃气受限于气源的供给，需要一定的初始投入；而电加热却是成本太高，难以接受。而所有这些能源的使用，其运行费用都是很高的。

当降温时则使用水帘通风、压缩式热泵制冷等方式处理。但是水帘通风有较大初投资，而且其过程是直接式增湿等焓蒸发降温，会增加温室含湿量，其相对湿度甚至高达90％以上，这对作物生长是有危害的，也易促发病虫害的增长。而压缩式热泵制冷机的一次投资更高，而且仍需电力的输入才能提高低温能源的品位，能耗大会更加突出。如使用光伏电源，则一次投入会更高。

无奈之下，借用传统建筑的空气源或多源的空气能地源热泵，所指地源热泵包含地下水源、地表水源、地埋管地源等，用以对温室进行加热与制冷。然而单一的空气源热泵在寒冷和严寒季节因室外气温过低，引起低温热源供热量不足，

压缩机的高压缩比、排气温度过高、能效比下降、制冷剂的冷迁移、润滑油的润滑效果变差、机组热损失加大、工作不稳定，甚至停机。虽然从热泵热力循环上加以改进，如二级压缩、复叠、喷气增焓等，对热泵工作有所改善，但其能效仍然因低温供热量这一更本性问题未得到解决而无法保持，有热泵企业作到在-25℃，甚至-35℃也能工作，但-25℃的COP已低到1.5左右，而-35℃就是1.0左右了，这昂贵的代价换来的却是一个电加热管的功能，已经没有什么意义。

对此，多源热泵与之比较，确实是一个可缓解矛盾的改进，因为可以通过从地源补充低温热源供热量的不足，然而对于地表水源，要受到地理条件的限制；地下水源要受到地质条件的限制，还必须采补平衡，不能引发地下水超采现象，因而必须要有完善的回灌系统，只有保证了100％的回灌地下水，才能再考察其经济性、可靠性和安全性；另外，在系统设计和施工中，如不能确保埋管换热面积以及抽、回水支管和抽、回水井的间距与布置方式，则会产生抽水温度发生改变的热贯通现象；凡此种种，其后期都是有风险的。

对于地埋管地源，对热泵而言，利用的是大地热流通过热阻非常大的岩土层过程中，耗散在岩土层并储存下来的小于25℃的热能，其热泵应用的首要关键是冷、热要平衡，如冬季采暖用了土壤的热量，则必须在夏季制冷时，将其排出的热量回补到土壤中去，达致平衡才行，如取热量和出热量严重不平衡，就会出现枯竭现象，然而实际上这种计算设计和施工能力，对于一般普通温室设备配套企业是有些苛求了。

然而即使在理想状况下，上述多源热泵设计、施工与运行均属良好，且不论其一次投资仍然很大，更不尽人意的是其能耗仍然偏高，这不但提高了成本，也不符合节能环保的宗旨。

究其原因，主要是没有充分利用好巨大温室从太阳能(指北半球)得到的热量与与环境在夏半年夜间和冬半年低温期间的冷量，而产生这一情况的原因是没有实施冷、热量的储存。而这正是能源供给存在时、空矛盾时需要用储能技术解决的这一带有普遍性的问题。

对此，有众多的现有技术作为对策进行研究、试验与实践示范，不需采用上述煤、气、电热和热泵的方式。

1)对于冬季采暖，采用架设于温室南向前侧或其顶部的平板或真空管太阳能集热器，加热储存于水箱中的水，再以水为介质通过以蛇形管或排管形式分层水平地埋设于浅层地下的管路，一般约为地面下浅层0.3米和较深层1.5米左右，用以在夏半年环境温度高，太阳能辐射好时加热较深层处土壤并予以储存，待到冬季温室气温难以自保时，通过阀门控制，又通过埋设的管路将较深层土壤的热量输导到浅层0.3米的管路中对浅层土壤加热，即保障作物根系温度，又对温室进行了地面辐射采暖，一举两得，曾在寒冷地区保障温室越冬抗冻上取得很好效果。

但不足的是该作法需以集热器阵列的投入费用为代价，从温室之外获取太阳能；而且水平地埋管的施工需大开挖，耗用人工、机具设备费用较高；所用昂贵防冻液有泄露污染土壤的危险；所用金属管难以回收；如用塑料管则又会形成白色污染。

2)免除上述集热器阵列的添加，采用温室顶部较高温度热空气，对水进行加热，也是一个利用自身富余得热的思路，但需采用在加入热量的首端和采暖的末端分别使用《气—水换热器》与《水介质散热器》，这无疑增加了一次换热，降低了系统热效，也使成本加大。同样存在防冻液、金属管难以回收和塑料管形成白色污染问题。

3)使用相变储能抑制温室温度，有直接使用的，也有与空气源热泵配合使用的，技术上效果还是可以，但其成本仍然很大。

4)鉴于上述各种原因，对温室的采暖与降温转向采用以空气为传热工质，以土壤为储能载体的能源系统。早就在国内外出现了水平地埋塑料管和竖埋套管式塑料管的空气—土壤换热管，并进行了大量的研究、试验与实践示范。由于以空气为介质，可以直接采用热风采暖和冷气降温，不需异种工质的换热环节，可取得高效低成本的效果；而土壤的特性决定了它是这种情况下使用时最为经济和有效的形式。已有的研究、实践结果表明这种空气—土壤换热系统是一个最近期也是较好方案的选择，证明其技术可行的，但在成本上仍较高，难以被实际使用接受。

如2016年5月25日公开的专利文献CN105605826A，实际是前述的地源辅助空气源热泵，只是多了一个气—水换热器，由热泵提供的“节约了的能量”用于其冷热不平衡的反补，仍然逃不出投资大、能耗高的问题。

重庆大学张建波于2008年10月发表了题为《套管式土壤空气换热器实验与数值模拟研究》的论文，提供了一种竖直套管式土壤—空气换热管思路，并作了深入的研究与试验，在空气—土壤换热上做出十分宝贵的工作。不足的是外管是表面光滑的塑料管，敷设前仍需按外管直径钻出一个竖井，再放入外管，还需对其管外环隙进行回填(灌)，这会加大施工的复杂性与难度，增加了成本；从热工上看，外管表面与土壤之间的接触热阻难以做到较好；另外气流在内外环隙中与外管内壁的换热也需强化，而内管外壁也需进一步隔热。

中国专利文献CN107702251A于2018年2月16日公开了“一种基于空气介质的基站机房地埋式换热装置”，是一个基于以空气为介质进行空气—土壤换热的很好应用，但仍需在地面设置一个深度不小于10米的井，其外观的敷设回填成本与换热效率上仍然存在问题。

而已公开的中国专利文献CN101012976A、CN104374121A、 CN104515415A、CN201710246572、CN205209298、CN201740314、 CN101846474等均采用了光面套管式换热结构，都是以水为介质，背离以空气为介质的技术导向，有的甚至仍需与热泵联用，而且在埋设套管时，必须钻井，埋设完毕后，还需回填(灌)，土壤与外管管壁之间的接触难以紧密，导致换热效果不够理想。

钢螺旋地桩是建筑与工程基础的新形式，它的地下部分类似一个巨大的螺钉，无需挖坑，只需要如拧螺钉一般，通过专用的设备将螺旋桩转入地下即可。这样的结构特征使螺旋桩具有高负荷性、稳固性、抗沉降性及抗拉拔性，不需像水泥墩、柱那样需要足够水源与养生周期，而且寿命长，可回收重复用使用，也为空气—土壤储能提供了有益的借鉴。

因而如果能够结合现有技术各自的优点，研发出一种建设成本低、使用效果显著的空气—土壤换热设备，就可以将其有效的推广使用，促进种植养殖业的节能减排工作。

发明内容

基于以上问题，本发明提供一种螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，能够大幅缩减埋管时的土方开挖工作量，节约了工时和成本；提高了热交换效率，以低成本实现了高效储热、储冷及后续的热能冷能的抽取利用，而且可以做到储能管的可回收再利用。在此基础上，本发明还提供了一种储热型换热管和一种储冷型换热管。

为了实现发明目的一，本发明采用如下技术方案：一种螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，包括大部纵向埋设于土壤中的外管，外管内间隙套接有内管，外管为良好导热材质，下端为尖部向下的封闭的圆锥形，上端开口暴露在地面上；内管为良好隔热材质，下端开口高于外管下端，上端开口暴露在地面上；外管的外侧壁上设有外螺旋叶；内管的外侧壁与外管的内侧壁之间紧配合的缠绕有内螺旋叶；以外管上端与内管上端之间为气流入口，以内管上端为气流出口，气流入口至气流出口之间设有风机。

本方案设计的螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，除了包括传统的大部分埋入地面下的换热管的外管，还在外管内套接了内管。外螺旋叶设于外管的外侧壁上，类似螺钉上螺纹的放大版，使整个储能管类似放大版的螺钉。这样的设计使土工施工变得非常方便，无需大规模深度开挖埋设，就能借助周向旋转力将外管钻入地表下；另一方面，外管周边土壤未经松掘，与外管侧壁的贴合非常紧密，因此非常有利于通过外管侧壁进行热交换。在外螺旋叶的尺寸选择上，也可参考常规螺钉的尺寸按比例确定。内管的外侧壁与外管的内侧壁之间紧配合的缠绕有内螺旋叶，使内管内侧壁与外管外侧壁之间的气流通道被设计为螺旋形，大大拉长了气流通道的长度，延长了空气在内管内侧壁与外管外侧壁之间进行热交换的时间，对气流产生了扰流效果，优化了热交换的效果。在内螺旋叶的螺距选择上，也可参考常规螺杆按比例确定。在此基础上，确定空气的流动方向经由外管的上端与内管的上端之间进入，沿螺旋形的气流通道在外管与内管之间下行，同时与外管外侧的土壤产生热交换，之后气流再从内管下端进入，通过内管上行排出。在此气流通道上设计有风机。气流的进气方向和出气方向均可由使用者自行确定，以满足换热储能的最佳效果。由于可以通过外螺旋叶螺旋式下钻，因此本储能管的下端可以插入地面足够深度，而地表下方深度越深，土壤的温度越恒定，对由换热储能管送下来进行换热的空气进行热交换时的效果越好。由于采用了外管内套接内管的方式，因此换热储能管的整体体积更小，施工的难度降低，在单位面积上的密度也可以显著减少。经过计算和实地试用，正常跨度的普通太阳能大棚每个桩基下布设一个换热储能管，就可以覆盖常规使用的冷热调节需求，因此在建设时，只需要将本换热储能管作为桩基替代物埋入地表即可，从而大幅度减少土方施工时间成本和经济成本。由于外管采用的是良好导热材质，通常选择的是碳钢或铸铁，因此强度高寿命长，长时期埋设在土壤中使用后，依然可以挖出回收，在其它地点重新布设，这又体现了本方案的又一经济优势。内管的材质为良好隔热材质，例如PE、PP、PVC等。

作为优选，外螺旋叶为良好导热材质。这样可以使外螺纹充分发挥热交换翅片的作用，提高热交换效率。

作为优选，内螺旋叶为良好导热材质。内螺旋叶的外侧与外管侧壁接触，叶面与热交换过程中的空气接触，采用良好的导热材质制造，可以高效的将来自外管侧壁外的土壤内的温度传导至内螺旋叶叶面主体上，以利与空气热交换。

作为优选，内螺旋叶的外侧边设有向上翻起的内螺旋叶翻边。内螺旋叶翻边向上翻起，在内螺旋叶的外侧与外管内侧壁之间形成良好的接触与支撑，可以使外管侧壁与内螺旋叶形成良好的导热。进一步的，还可以在翻边与外管内侧壁之间涂以导热胶，以便达到更好的导热和固化效果。

作为优选，内管的外侧壁上包裹有隔热层。空气在由外管和内管之间的间隙下行的过程中逐渐完成热交换，进入内管后的空气温度与外管与内管之间的温度已经有了相当的温差，通过隔热层来强化隔绝两者，避免通过内管管壁产生热交换，有助于保持内管管壁内外两侧之间的温差，可以使整体换热效能更高。

作为优选，外管下端的圆锥形的端部固定有辅助钻进结构。通过设计辅助钻进结构，可以提高外管下端的钻进效率，更快的将外管埋设到位。

作为优选，所述辅助钻进结构为轴向与外管轴向重合的锥管钻尾，锥管钻尾由硬质材料板块十字交叉互嵌构成，锥管钻尾绕轴线旋转构成的空间体为上大下小的圆锥形或圆台形，在硬质材料板块的侧边上设有利于钻进的刃口。本方案中，辅助钻进结构为锥管钻尾，这是由硬质材料板块十字交叉互嵌构成，硬质材料板块在随着外管绕轴线转动时构成一个圆锥形或者圆台形，通过硬质材料板块的侧边上设置刃口，可以使锥管钻尾快速切削触及的土壤，实现快速钻进的效果。

由于工作时换热储能管内不同位置的温差较大，因此热空气内的水蒸汽会冷凝并聚集在外管的中空圆锥形下端，以便集中排放处理。为了解决冷凝水排放问题，可以有两种方案：

作为优选之一，外管下端的圆锥形内部中空，侧壁上贯通的设有渗水孔。如果所在地的地下水位较低，可以在外管圆锥形端部侧壁上设计渗水孔，将冷凝水排出管外，通过毛细作用分散渗入附近土壤中。

作为优选之二，外管下端的圆锥形内部中空；吸管的下端开口于外管下端圆锥形的内部，中部主体沿外管向上延伸，并密封的穿过外管侧壁的地面以上部分，上端连接至吸液泵。如果所在位置地下水水位较高，则可以通过吸管将冷凝水从上方吸出。

为了实现发明目的二，本发明采用如下技术方案：一种储热型换热管，包括前述的螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，外管上端开口通过阀门可选的与第一主进气口或副进气口其中之一连接；内管上端开口与第一出气口连接。

本方案的储热型换热管，主要适用于收集热空气并将热量储存在地下，以备今后使用。本方案的储热型换热管，在前面介绍的螺旋地桩式空气- 土壤换热储能管基础上，还设置有第一主进气口和副进气口，第一主进气口和副进气口之间通过阀门选择气流的导通方向。内管上端开口与第一出气口连接。一般的，本储热型换热管被安装在太阳能温室大棚的侧壁，螺旋地桩式空气-土壤换热储能管部分埋设在地表下，起到换热功能，兼做大棚侧壁的地桩。上方的第一主进气口、副进气口和第一出气口都可以与外管、内管的上端分别连接，连接方式可以是套接，也可以是法兰连接等。第一主进气口连通大棚内，做大棚内空气的正常温湿度交换使用；副进气口可以设计在第一主进气口的上方。在光照条件许可的情况下，在太阳能温室大棚内近顶棚的位置是热空气聚集的地方。如果太阳能温室大棚内近顶棚的位置热空气大量产生，可以通过适当的引流装置，将聚集在顶棚下的热空气从副进气口导入外管内，通至地下深处，经过换热管与周围土壤进行热交换，将这些热能储存在土壤中，以备夜里或者秋冬季节温室大棚采暖取用。为了提高集热效果，还可以在太阳能温室内近顶棚的位置安装一层吸热导流膜，这是一种深色膜，可以大幅度吸收阳光中的热量，对膜上的空气进行加热，使太阳能温室内近顶棚的位置的空气温度更高，采集到的热能更多，储存在地下使用的效果更好，节能更显著。如果副进气口附近有锅炉等热源，也可以通过副进气口收集这些热源的热空气。在取用地下储存的热能的时候，关闭副进气口，仅打开第一主进气口，就可以将太阳能温室内的空气引入地下进行加温后重新送回太阳能温室内。在本方案中，可以将风机如风扇安装在第一主进气口。

为了实现发明目的三，本发明采用如下技术方案：储冷型换热管，包括前述的螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，外管上端开口通过三通管及阀门可选的与第一主进气口或第二主进气口其中之一连接；内管上端开口通过三通管及阀门可选的与第一出气口或第二出气口连接。

本方案的储冷型换热管，主要适用于收集冷空气并将冷能储存在地下，以备今后使用。本方案的储冷型换热管，同样被安装在太阳能温室大棚的侧壁，螺旋地桩式空气-土壤换热储能管部分埋设在地表下，起到换热功能，兼做大棚侧壁的地桩。第一主进气口和第二主进气口连接在外管上端，分别朝向太阳能温室大棚内侧和外侧，通过三通管和阀门可选择打开其中之一。第一出气口和第二出气口连接在内管上端，同样分别朝向太阳能温室大棚内侧和外侧，通过三通管和阀门可选择打开其中之一。在冬季或者夏季的夜间温度相对较低时，可以打开朝向室外的第二主进气口和第二出气口，让室外的冷空气进入换热管，下行至地下与土壤热交换，将冷能存储在地下，以备需要为太阳能温室大棚内降温时使用。在降温使用时，打开第一主进气口和第一出气口，将温室大棚内的空气进入换热管，与周围土壤换热降温，降温后的空气重新回到温室大棚内。在本方案中，可以将风机安装在其中某个三通管的主通道上。

综上所述，本发明的有益效果是：能够大幅缩减埋管时的土方开挖工作量，节约了工时和成本；提高了热交换效率，以低成本实现了高效储热、储冷及后续的热能冷能的抽取利用，而且可以做到储能管的可回收再利用。

附图说明

图1是本发明的纵剖示意图兼实施例1的示意图。

图2是图1中A部的放大图。

图3是图2中F部的放大图。

图4是图1中B部的放大图。

图5是图4中D-D剖视图。

图6是实施例2的示意图。

图7是图6中C部的放大图。

图8是实施例2的使用状态示意图。

图9是实施例3的示意图。

图10是图9中E部的放大图。

图11是实施例3的使用状态示意图。

其中：1外管，2第一主进气口，3内管，4第一出气口，5阀门，6风机，7外螺旋叶，8锥管钻尾，9硬质材料板块，10隔热层，11内螺旋叶， 12渗水孔，13吸管，14吸液泵，15内螺旋叶翻边，59地面，70太阳能温室大棚顶棚，71吸热导流膜，87第二出气口，88第二主进气口，89副进气口，98法兰螺栓副，99法兰。

图中虚线箭头为阀门的启闭翻转范围，实线箭头为气流方向。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例1

如图1所示的实施例1，为一种螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，安装在某太阳能温室大棚的侧壁处。本例的螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，包括大部纵向埋设于土壤中的外管1，外管为铸铁管，具有强度高、成本低、导热好的特点。外管内间隙套接有内管3，内管为良好隔热材质，本例选择为PVC管。

如图2所示，外管的外侧壁上设有外螺旋叶7。外螺旋叶采用碳钢薄板制成，强度高，导热好。外螺旋叶类似螺钉上螺纹的放大版，与外管配合在一起形成超大的螺钉结构，可以通过周向用力，沿外螺旋叶的螺旋方向将外管钻入地表。内管的外侧壁上包裹有隔热层10，可以阻隔内管内外的热交换。内管的外侧壁与外管的内侧壁之间紧配合的缠绕有内螺旋叶11，内螺旋叶采用碳钢薄板制成，强度高，导热好。内螺旋叶类似螺钉上螺纹的放大版，在内管与外管之间形成一条盘旋的空气通道。如图3所示，内螺旋叶的外侧边设有向上翻起的内螺旋叶翻边15，内螺旋叶翻边与外管内侧壁之间以导热胶粘接。

如图4所示，外管下端封闭，最底部收敛成中空的圆锥形。外管内还设有冷凝水吸出装置；冷凝水吸除装置包括吸管13，吸管的下端开口于外管圆锥形端部内，中部主体沿外管向上延伸，并密封的穿过外管侧壁的地面以上部分，上端连接至吸液泵14，使用冷凝水吸出装置将积存在外管圆锥形端部内的冷凝水吸至地表上排出外管。本方案适合地下水水位较高的地质环境。为了提高外管端部的钻进效率，在外管的下端圆锥形的端部固定有辅助钻进结构。本例所采用的辅助钻进结构为轴向与外管轴向重合的锥管钻尾8。锥管钻尾由硬质材料板块9十字交叉互嵌构成，本例选用的是硬质合金钢。锥管钻尾绕轴线旋转构成的空间体为上大下小的圆台形。如图5所示，在硬质合金钢板的侧边上设有利于钻进的刃口。

在以外管上端与内管上端之间为气流入口，以内管上端为气流出口，气流入口至气流出口之间设有风机6，通过风机带动气流从外管上端和内管上端之间的间隙进入外管，然后被送入地下深处，通过外管与周围土壤进行热交换，热交换后的空气再进入内管下端，最后从内管上端开口流出。使用者只需要将需要调剂温度的空气送入外管上端开口，就可以通过土壤换热，在内管上端开口获取到温度合适的空气，也可以有意识的将过热、过冷的空气引入地下，将热能或冷能存储在土壤中，以备需要使用时再通过换热方式取出利用。

实施例2

如图6所述的实施例2，为一种储热型换热管，包括了如实施例1中所述的螺旋地桩式空气-土壤换热储能管。本例的储热型换热管，包括大部纵向埋设于土壤中的外管1，外管为铸铁管，具有强度高、成本低、导热好的特点。外管内间隙套接有内管3，内管为良好隔热材质，本例选择为 PVC管。

如图7所示，外管的暴露在地面上的上端设有第一主进气口2，方向向左，正对温室大棚内侧，对应的设有阀门5控制其启闭。内管长度小于外管，上方密封的穿过暴露在地面上的外管侧壁，顶端设有第一出气口4。第一出气口方向向左，即正对温室大棚内侧，位置位于第一主进气口下方。气流通道上设有风机6，本例中的风机位于第一出气口处。为了便于施工和安装，本例中将第一主进气口、副进气口及第一出气口设计在一个整体上，螺旋地桩式空气-土壤换热储能管的上端安装有法兰99，两者通过法兰螺栓副98紧固连接。

如图2所示，外管的外侧壁上设有外螺旋叶7。外螺旋叶采用碳钢薄板制成，强度高，导热好。外螺旋叶类似螺钉上螺纹的放大版，与外管配合在一起形成超大的螺钉结构，可以通过周向用力，沿外螺旋叶的螺旋方向将外管钻入地表。内管的外侧壁上包裹有隔热层10，可以阻隔内管内外的热交换。内管的外侧壁与外管的内侧壁之间紧配合的缠绕有内螺旋叶11，内螺旋叶采用碳钢薄板制成，强度高，导热好。内螺旋叶类似螺钉上螺纹的放大版，在内管与外管之间形成一条盘旋的空气通道。如图3所示，内螺旋叶的外侧边设有向上翻起的内螺旋叶翻边15，内螺旋叶翻边与外管内侧壁之间以导热胶粘接。

如图4所示，外管下端封闭，最底部收敛成中空的圆锥形。外管内还设有冷凝水吸出装置；冷凝水吸除装置包括吸管13，吸管的下端开口于外管圆锥形端部内，中部主体沿外管向上延伸，上方密封的穿过外管侧壁的地面以上部分，上端连接至吸液泵14，使用冷凝水吸出装置将积存在外管圆锥形端部内的冷凝水吸至地表上排出外管。本方案适合地下水水位较高的地质环境。为了提高外管端部的钻进效率，在外管的下端圆锥形的端部固定有辅助钻进结构。本例所采用的辅助钻进结构为轴向与外管轴向重合的锥管钻尾8。锥管钻尾由硬质材料板块9十字交叉互嵌构成，本例选用的是硬质合金钢。锥管钻尾绕轴线旋转构成的空间体为上大下小的圆台形。如图5所示，在硬质合金钢板的侧边上设有利于钻进的刃口。

外管最上端还设有向左侧太阳能温室大棚内部开口的副进气口89，同样对应的设有阀门5控制其启闭。

本例的储热型换热管，安装时无需在地表挖坑，在选好定位点后，直接如钻进螺钉般将螺旋地桩式空气-土壤换热储能管钻进埋设在土壤中，然后通过法兰将换热管的上部结构固定即可。由于可以替代传统的温室大棚地桩，因此可以将太阳能温室大棚侧壁沿相邻的换热储能管设置，将换热管的上部结构固定在侧壁中。

如图8所示，本储热型换热管常见的使用模式包括两种：

其一为储热除湿模式。在光照强烈，太阳能温室大棚顶棚70的内侧顶部气温较高的条件下，关闭第一主进气口，仅打开副进气口。启动风机，副进气口吸入温室大棚顶部的高温空气，使高温空气在地下与外管外的土壤发生热交换，就可以利用土壤储存大量热能。在热交换的过程中，还可以将热空气中富含的水蒸汽冷凝析出，降低空气湿度。

其二为放热模式。在储热之后，当光照不佳、温室大棚内温度偏低的时候，可以关闭副进气口，打开第一主进气口，启动风机，将温室大棚内空气吸入外管内，在地下实现热交换，通过事先储存在周边土壤中的热能为其加热后，从第一出气口抽出，从而实现热能利用。

为了强化太阳能利用效率，可以在温室大棚内近顶棚的位置安装一层吸热导流膜71，这是一种深色膜，表面为粗糙的绒面或凹凸面，可以大幅度吸收阳光中的热量，对膜上的空气进行加热，使温室大棚内近顶棚的位置的空气温度更高，采集到的热能更多，储存在地下使用的效果更好，节能更显著。

实施例3

如图9所示的实施例3，为一种储冷型换热管，包括了如实施例1中所述的螺旋地桩式空气-土壤换热储能管。该储冷型换热管不设有副进气口，而是设有通向温室大棚外侧的第二主进气口88，第一主进气口、第二主进气口和外管以三通管连通。三通管内设有可选择气流导通方向的阀门，可选择进气方向；三通管内的通向外管的一端设有风机。同样的，也设有通向温室大棚外侧的第二出气口87，第一出气口、第二出气口和内管以三通管连通。三通管内设有可选择气流导通方向的阀门，可选择出气方向。

如图10所示，圆锥形端部的侧壁上贯通的设有渗水孔12，外管内冷凝水可从渗水孔排出。本方案适用于地下水水位较低的地质环境。

余同实施例2。

如图11所示，本例的储冷型换热管也有两种主要的使用模式：

其一为储冷模式。在寒冷的冬季，室外气温较低，此时关闭通向温室大棚内侧的第一主进气口和第一出气口，仅打开通向温室大棚外侧的第二主进气口和第二出气口。启动风机，室外冷空气被吸入地下，与外管外的土壤发生热交换，就可以利用土壤储存大量冷能。

其二为放冷模式。在储冷之后，当太阳能温室大棚内温度偏高的时候，可以关闭第二主进气口和第二出气口，打开通向太阳能温室大棚内侧的第一主进气口和第一出气口，启动风机，将温室大棚内空气吸入外管内，在地下实现热交换，通过事先储存在周边土壤中的冷能为其降温后，从第一出气口抽出，从而实现冷能利用。

需要注意的是，实施例2和实施例3中的上下两个法兰的结合部以上部分可以通配互换，在需要更改使用模式的时候，无需将埋入地表的换热储能管的下段挖出，只需要更换法兰结合部以上的上段即可。实施例1中的B部和实施例3中的E部也可以设计成与外管主体通配互换的结构，以便根据不同的地下水位要求使用不同的冷凝水排出方案。

Claims (10)

1.一种螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，包括大部纵向埋设于土壤中的外管（1），外管内间隙套接有内管（3），其特征是，外管为良好导热材质，下端为尖部向下的封闭的圆锥形，上端开口暴露在地面上；内管为良好隔热材质，下端开口高于外管下端，上端开口暴露在地面上；外管的外侧壁上设有外螺旋叶（7）；内管的外侧壁与外管的内侧壁之间紧配合的缠绕有内螺旋叶（11）；以外管上端与内管上端之间为气流入口，以内管上端为气流出口，气流入口至气流出口之间设有风机（6）。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，其特征是，外螺旋叶为良好导热材质。

3.根据权利要求1或2所述的一种螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，其特征是，内螺旋叶为良好导热材质。

4.根据权利要求1或2所述的一种螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，其特征是，内管的外侧壁上包裹有隔热层（10）。

5.根据权利要求1或2所述的一种螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，其特征是，外管下端的圆锥形的端部固定有辅助钻进结构。

6.根据权利要求5所述的一种螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，其特征是，所述辅助钻进结构为轴向与外管轴向重合的锥管钻尾（8），锥管钻尾由硬质材料板块（9）十字交叉互嵌构成，锥管钻尾绕轴线旋转构成的空间体为上大下小的圆锥形或圆台形，在硬质材料板块的侧边上设有利于钻进的刃口。

7.根据权利要求1或2所述的一种螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，其特征是，外管下端的圆锥形内部中空，侧壁上贯通的设有渗水孔（12）。

8.根据权利要求1或2所述的一种螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，其特征是，外管下端的圆锥形内部中空；吸管（13）的下端开口于外管下端圆锥形的内部，中部主体沿外管向上延伸，并密封的穿过外管侧壁的地面以上部分，上端连接至吸液泵（14）。

9.一种储热型换热管，包括如权利要求1所述的螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，其特征是，外管上端开口通过阀门（5）可选的与第一主进气口（2）或副进气口（89）其中之一连接；内管上端开口与第一出气口（4）连接。

10.一种储冷型换热管，包括如权利要求1所述的螺旋地桩式空气-土壤换热储能管，其特征是，外管上端开口通过三通管及阀门可选的与第一主进气口（2）或第二主进气口（88）其中之一连接；内管上端开口通过三通管及阀门可选的与第一出气口（4）或第二出气口（87）连接。