CN110345782A - 一种水井式螺旋地埋管换热器及换热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水井式螺旋地埋管换热器及换热系统，水井式螺旋地埋管换热器包括储热装置、热交换装置以及热传递装置；储热装置包括井盖和下端呈封盖设置的井筒，井筒用于设于钻孔中，井筒内用于装有导热液体，井筒的井壁与围岩热导接，以使导热液体与围岩进行热交换，井盖盖合于井筒上端；热交换装置包括地埋管，地埋管设于井筒内，以使地埋管内的水与导热液体进行热交换；热传递装置包括第二进水管和第二出水管，第二进水管一端与地埋管的进水端连接，第二出水管一端与地埋管的出水端连接，第二进水管和第二出水管的另一端用于与热泵系统连接。本发明的有益效果：提高地埋管换热器的换热性能。
Description
技术领域
本发明涉及用于地源热泵换热系统技术领域，尤其涉及一种水井式螺旋地埋管换热器及换热系统。
背景技术
当今世界能源问题是制约经济社会发展的重要因素，绿色健康可持续发展的理念逐步进入到公众的视野中。传统的化石燃料的过度使用，造成了大量的温室气体的排放，因此寻找清洁、可再生、分布广、储量大的能源迫在眉睫。地热资源是能源家族中的新能源之一，不仅是重要的能源类矿产，又是可再生的清洁的、环境友好的绿色能源。合理的利用地热资源是缓解资源约束和环境压力，实现节约发展、清洁发展、安全发展和可持续发展的一项重要战略举措。浅层地热能资源目前国内外应用较为广泛，技术相对成熟，浅层地热能的温度略高于当地平均气温3-5℃，温度比较稳定，分布广泛，开发利用方便，具有十分广阔的开发利用前景。
浅层地热能的利用主要是通过热泵技术的热交换方式，将赋存于地层中的低品位热源转化为可以利用的高品位热源，既可供热又可制冷。开发浅层地热能，可以改善我国能源消费结构，减少二氧化碳排放。我国利用地源热泵技术开发浅层地热能与国外相比，虽然起步晚，但发展很快，其范围之广、规模之大已远超国外。
地埋管换热器作为热泵系统中最重要的组成部分，直接参与决定热泵机组的换热效率。在工程实际中地埋管的布置方式通常有水平方式和竖直钻孔方式两种，二者各具利弊。水平方式地下埋深较为浅，但占地面积比较大从而造成土地资源的浪费；相反竖直埋管占地面积小而地下钻孔深度一般大于100米。相比之下竖直钻孔方式较为常用。在钻孔埋设地埋管时需用回填材料进行填充钻孔空隙，否则会导致热泵机组的换热效率降低，同时地表水入渗会造成地下水的污染。地源热泵传热器回填材料是地源热泵换热器换热效果好坏的关键因素。地埋管地源热泵换热器回填材料是连接换热器与土层的传热介质，其传热性能的好坏将直接影响到整个换热器的性能。
实际上现有的地埋管换热器从钻孔布置的方式上有水平方式和竖直布置两种，但是根据现场情况，工程常用的布置方式为竖直布置方式。而在地埋管的铺设上又有单U型、双U型，地埋管与周围岩土介质中间以混凝土、石英砂、相变材料、膨润土等材料进行回填，共通过组成地埋管换热器，该种换热器钻孔是深度一般在100-200m范围内，随着钻孔深度的增加，钻孔成本也会随着增加，这样会大大增加了热泵的初始投资；另外一种换热器方式为能源桩，即将地埋管绑在钢筋笼上然后浇筑混凝土，作为建筑物地基的一部分，该种地埋管换热器的长度一般视桩的长度而定，地埋管的形式有单U型、双U型、W型以及螺旋形。但能源桩的换热性能一定程度受到建筑物荷载的影响，减小了换热性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种水井式螺旋地埋管换热器，旨在提高地埋管换热器的换热性能。
本发明的实施例提供一种水井式螺旋地埋管换热器，包括：
储热装置，所述储热装置包括井盖和下端呈封盖设置的井筒，所述井筒用于设于钻孔中，所述井筒内用于装有导热液体，所述井筒的井壁与围岩热导接，以使所述导热液体与所述围岩进行热交换，所述井盖盖合于所述井筒上端；
热交换装置，所述热交换装置包括地埋管，所述地埋管设于所述井筒内，以使所述地埋管内的水与所述导热液体进行热交换；以及，
热传递装置，所述热传递装置包括第二进水管和第二出水管，所述第二进水管一端与所述地埋管的进水端连接，所述第二出水管一端与所述地埋管的出水端连接，所述第二进水管和所述第二出水管的另一端用于与热泵系统连接。
进一步地，所述导热液体为水。
进一步地，所述井盖贯设有第一通孔和第二通孔；
所述地埋管包括螺旋管道和连接管道，所述螺旋管道沿上下向延伸，具有进水下端和出水上端，所述连接管道包括第一进水管和第一出水管，所述第一进水管一端与所述第二进水管相连，另一端穿过所述第一通孔与所述进水下端相连，所述第一出水管一端与所述第二出水管相连，另一端穿过所述第二通孔与所述出水上端相连。
进一步地，所述第二进水管上设有第一温度监测装置，所述第一温度监测装置用于监测所述第二进水管内水的温度；和/或，所述第二出水管上设有第二温度监测装置，所述第二温度监测装置用于监测所述第二出水管内水的温度。
进一步地，所述井盖贯设有穿孔，所述水井式螺旋地埋管换热器还包括补给管道，所述补给管道一端穿过所述穿孔，设于所述井筒内，另一端设于井筒外，用于与井筒外补给装置连接，向所述井筒内补给导热液体。
进一步地，还包括水位计，所述水位计设于所述井筒内，用于记录所述井筒内导热液体的水位高度。
进一步地，所述水井式螺旋地埋管换热器还包括第三温度监测装置，所述第三温度监测装置用于监测所述井筒内导热液体的温度。
本发明的实施例还提供一种换热系统，包括建筑物内部换热器、热泵系统以及如上所述的水井式螺旋地埋管换热器，所述水井式螺旋地埋管换热器设于钻孔内；所述水井式螺旋地埋管换热器中所述第二进水管和所述第二出水管的另一端与所述热泵系统的一端相连，所述热泵系统的另一端与所述建筑物内部换热器相连。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过设置有井筒，将导热液体填充于地埋管与围岩之间，可扩大热交换的面积，将导热液体作为交换热的过渡介质，能有效地储存能量，提高换热的效率。
附图说明
图1是本发明提供的水井式螺旋地埋管换热器的结构示意图；
图中：1-井盖、11-第一通孔、12-第二通孔、13-穿孔、2-井筒、3-地埋管、31-螺旋管道、32-连接管道、321-第一进水管、322-第一出水管、4-第二进水管、41-进水阀门、42-第一温度监测装置、5-第二出水管、51-出水阀门、52-第二温度监测装置、6-补给管道、61-补给管道阀门、7-水位计、8-第三温度监测装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明实施例提供一种换热系统，包括建筑物内部换热器、热泵系统以及水井式螺旋地埋管换热器，所述水井式螺旋地埋管换热器设于钻孔内；所述水井式螺旋地埋管换热器与所述热泵系统的一端相连，所述热泵系统的另一端与所述建筑物内部换热器相连。其中，本发明的发明点在于水井式螺旋地埋管换热器，以下对水井式螺旋地埋管换热器做具体说明。
请参见图1，本发明实施例提供一种水井式螺旋地埋管换热器，包括储热装置、热交换装置以及热传递装置。
所述储热装置包括井盖1和下端呈封盖设置的井筒2，所述井筒2用于设于钻孔中，所述井筒2内用于装有导热液体，所述井筒2的井壁与围岩热导接，以使所述导热液体与所述围岩进行热交换；本实施例中，井筒2深度为30-50m，直径为0.8-1.5m，所述导热液体为水，也可以为其他热容较大的液体，井筒2的直径较大，可使围岩与井筒2内的水之间的接触面积较大，可提高围岩与水的热交换率，更好的避免热损失。所述井盖1盖合于所述井筒2上端，可避免井筒2内受到污染，所述井盖1贯设有第一通孔11、第二通孔12和穿孔13。
所述热交换装置包括地埋管3，所述地埋管3设于所述井筒2内，以使所述地埋管3内的水与所述导热液体进行热交换，本实施例中，为地埋管3中的水与井筒2内的水进行热交换。所述地埋管3包括螺旋管道31和连接管道32，所述螺旋管道31沿上下向延伸，具有进水下端和出水上端，本实施例中，螺旋管道31为铜管，管径为32-50mm，增大地埋管3与井筒2内水热交换的有效接触面积，可充分地使螺旋管道31内的水和井筒2内的水进行热交换，大大地提高热泵的工作性能，可减小钻井的深度。所述连接管道32包括第一进水管321和第一出水管322，本实施例中，第一进水管321和第一出水管322为铜管，管径为32-50mm，用于将地表流体输送至螺旋管道31内，铜管的传热性高于一般的塑料管道，可提高换热效率。本实施例中，第一进水管321和第一出水管322为直管且沿上下向延伸，所述第一进水管321下端与所述进水下端相连，上端穿过所述第一通孔11位于所述井筒2外，所述第一出水管322下端与所述出水上端相连，上端穿过所述第二通孔12位于所述井筒2外。
所述热传递装置包括第二进水管4和第二出水管5，所述第二进水管4一端与所述地埋管3的进水端连接，本实施例中，与第一进水管321的上端相连，所述第二出水管5一端与所述地埋管3的出水端连接，本实施例中，与第一出水管322的上端相连，所述第二进水管4和所述第二出水管5的另一端与热泵系统连接，本实施例中，所述第二进水管4和所述第二出水管5上分别设有进水阀门41和出水阀门51，以控制第二进水管4和第二出水管5内水的流量。所述第二进水管4上设有第一温度监测装置42，所述第一温度监测装置42用于监测所述第二进水管4内水的温度；所述第二出水管5上设有第二温度监测装置52，所述第二温度监测装置52用于监测所述第二出水管5内水的温度。本实施例中，第一温度监测装置42和第二温度监测装置52均为温度传感器和温度计。
所述水井式螺旋地埋管换热器还包括补给管道6，所述补给管道6一端穿过所述穿孔13，设于所述井筒2内，另一端设于井筒2外，用于与井筒2外补给装置连接，向所述井筒2内补给导热液体，本实施例中，补给装置向井筒2内补给水。所述补给管道6上设有补给管道阀门61，用以控制补给管道6内水的流量。所述水井式螺旋地埋管换热器还包括水位计7，所述水位计7设于所述井筒2内，用于记录所述井筒2内导热液体的水位高度。本实施例中，采用电子监控技术，利用水位计7实时获取井筒2内水位高度，当井内水位降低至井内设计的最低刻度线时，补给管道阀门61自动打开，通过补给管道6向井筒2内注水，使得井内水位达到工程所需的水位高度，补给管道阀门61自动关闭，对于补给管道阀门61的自动监控技术为现有技术，在此不做具体描述。
所述水井式螺旋地埋管换热器还包括第三温度监测装置8，本实施例中，第三温度监测装置8为温度传感器和温度计，下端设于所述井筒2内，上端穿过井盖1固定于所述井盖1顶部，所述第三温度监测装置8用于监测所述井筒2内水的温度。
在使用时，补给管道阀门61打开，通过补给管道6向井筒2内注水，使得井筒2内水位达到工程所需的水位高度，达到相应高度后自动关闭补给管道阀门61；井筒2内的水与围岩之间进行热交换，井筒2内第三温度监测装置8记录井筒2内水的温度，直到温度达到实际所需的温度；打开进水阀门41和出水阀门51，使地埋管3内的水从第二进水管4、地埋管3、第二出水管5至热泵系统，地埋管3内的水通过热泵系统将热量传递给建筑物内部换热器，低温的水再次通过第二进水管4回流至地埋管3中，地埋管3内的水与围岩进行热交换，如此可不断地将浅层地热能传递至建筑物内部换热器；当地埋管3的水经过第二进水管4时，通过第一温度监测装置42记录第二进水管4内的温度，当地埋管3的水进入第二出水管5时，通过第二温度监测装置52记录第二出水管5内的温度，当井筒2内水位降低至预设的最低水位时，补给管道阀门61打开，向井筒2内补给水，直到水位达到预设水位，补给管道阀门61关闭。
本发明通过设置有井筒2，将水填充于地埋管3与围岩之间，可扩大热交换的面积，而且水具有较大的热容，将水作为交换热的过渡介质，能有效地储存能量，提高换热的效率；由于水的普适性和经济性，在地下水丰富的地区，利用水资源进行热传递可有效地利用该地区的浅层地热能。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种水井式螺旋地埋管换热器，其特征在于，包括：
储热装置，所述储热装置包括井盖和下端呈封盖设置的井筒，所述井筒用于设于钻孔中，所述井筒内用于装有导热液体，所述井筒的井壁与围岩热导接，以使所述导热液体与所述围岩进行热交换，所述井盖盖合于所述井筒上端；
热交换装置，所述热交换装置包括地埋管，所述地埋管设于所述井筒内，以使所述地埋管内的水与所述导热液体进行热交换；以及，
热传递装置，所述热传递装置包括第二进水管和第二出水管，所述第二进水管一端与所述地埋管的进水端连接，所述第二出水管一端与所述地埋管的出水端连接，所述第二进水管和所述第二出水管的另一端用于与热泵系统连接。
2.如权利要求1所述的水井式螺旋地埋管换热器，其特征在于，所述导热液体为水。
3.如权利要求1所述的水井式螺旋地埋管换热器，其特征在于，所述井盖贯设有第一通孔和第二通孔；
所述地埋管包括螺旋管道和连接管道，所述螺旋管道沿上下向延伸，具有进水下端和出水上端，所述连接管道包括第一进水管和第一出水管，所述第一进水管一端与所述第二进水管相连，另一端穿过所述第一通孔与所述进水下端相连，所述第一出水管一端与所述第二出水管相连，另一端穿过所述第二通孔与所述出水上端相连。
4.如权利要求1所述的水井式螺旋地埋管换热器，其特征在于，所述第二进水管上设有第一温度监测装置，所述第一温度监测装置用于监测所述第二进水管内水的温度；和/或，所述第二出水管上设有第二温度监测装置，所述第二温度监测装置用于监测所述第二出水管内水的温度。
5.如权利要求1所述的水井式螺旋地埋管换热器，其特征在于，所述井盖贯设有穿孔，所述水井式螺旋地埋管换热器还包括补给管道，所述补给管道一端穿过所述穿孔，设于所述井筒内，另一端设于井筒外，用于与井筒外补给装置连接，向所述井筒内补给导热液体。
6.如权利要求1所述的水井式螺旋地埋管换热器，其特征在于，还包括水位计，所述水位计设于所述井筒内，用于记录所述井筒内导热液体的水位高度。
7.如权利要求1所述的水井式螺旋地埋管换热器，其特征在于，所述水井式螺旋地埋管换热器还包括第三温度监测装置，所述第三温度监测装置用于监测所述井筒内导热液体的温度。
8.一种换热系统，其特征在于，包括建筑物内部换热器、热泵系统以及如权利要求1-7任一项所述的水井式螺旋地埋管换热器，所述水井式螺旋地埋管换热器设于钻孔内；所述水井式螺旋地埋管换热器中所述第二进水管和所述第二出水管的另一端与所述热泵系统的一端相连，所述热泵系统的另一端与所述建筑物内部换热器相连。
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