CN1847748B - 循环地热换热式地下储能液库 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种循环地热换热式地下储能液库，主要由一个或以上的经非开挖方式建造在地下的地下液库、载热介质、埋地换热管、循环输送管路、储能水箱组成，地下液库内的载热介质中聚集储存有包括地热能在内的自然界冷量或热量，埋地换热管连接于地下液库之间，循环输送管路的输送管道设置在地下液库与地面间的孔道中。由于采用了上述结构，地下储存的载热介质与地表的温差大，可储存的能量加大，与利用江河作为冷热水源的方法相比，避免了对生态环境造成的热污染与不良影响，大大减少了地表的占地面积，换热速度大为加快，换热效率得到提高，适合于大规模推广应用。

Description

循环地热换热式地下储能液库 

技术领域

本发明属环保节能技术与可再生能源利用领域，尤其是涉及一种循环地热换热式地下储能液库技术。 

背景技术

地表水源和土壤是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。地源热泵系统是一种利用地下浅层可再生能源，包括地下水、土壤、或地表水等的高效循环换热系统，通过向热泵输入少量的高品位能源，获取大量低温位能量向高温位能量的转移输出。 

现有热泵技术中采用的主要形式是空气源热泵、水源热泵或地源热泵，其中，地表水源如江河水源或深井水源是水源热泵的主要换热来源，应用江河水源时，因在需要采暖的冬季从江河水源的下部大量吸取热量或在需要制冷的夏季从江河水源的下部大量排放出热量，会对水体生态系统造成冷热污染和不良影响。应用深井水源时，深井回灌水源热泵由于向地下回灌比取水要困难，此外，还有地下水源，应用地下水源时受当地水文地质条件的限制较大，地下水文地质条件的变化对系统性能的影响很大，系统难以大规模复制生产。水源热泵技术在利用地下水以及地表水源中，因存在地下水回灌的成本问题和地表水受环境温度影响较大以及换热对水体生态环境的影响等问题，使其应用受到了一定的限制。 

土壤埋管式土壤源热泵系统是地源热泵系统的一种方式，通过埋设土壤换热器来实现载热介质与岩土的换热，不存在冷热污染等不良影响。埋地换热管式循环地热换热式地下储能液库可用作土壤埋管式热泵系统的一个前端耦合部分，通常分为：水平埋管、垂直埋管及螺旋盘管，其中，最有效的土壤埋管设置方法是利用开挖埋管或每相隔一定间距垂直埋设一个地下U形管的方式设置土壤埋管，这些技术在北美各国已经得到大量使用，被证实能够用来解决诸如建筑空调与热水的能源供应问题(参见：“地源热泵的节能机理”，太阳能学报vol.25，No.1)，其中，水平开挖埋管的方式如中国专利ZL200420015826.7所公布的“浅层土壤地温水源热泵”，由于需要进行大量的土方作业而成本剧增，已不常使用，螺旋管埋管也需要开挖埋管，换热效果不及U形管垂直埋管；非开挖埋管的方式仅靠U形管土壤埋管进行换热，对土壤换热器的材质及地质结构的要求比较高，因此效率不够高，系统一般适用于面积比较小的居住类单体建筑，在大型工程中应用相对困难，且垂直埋管的地下钻孔深度大、工程周期长、成本高，通常地下钻孔工程费用要占到整个工程的50％，特别是在城市中应用时，因建筑与公共设施密集分布使施工非常不便，且由于城市土地价格昂贵，进行上述工程作业建造土壤埋管除了受地面建筑间距的影响较大外还占用了大量地表面积，并且，U形管土壤加热器还受到近地表层土壤段大量接触传热的不利影响，许多场合下的应用都受到 限制。

综上所述，由于现有技术还存在着上述种种缺陷与使用限制，为了更好地解决利用大地储热等可再生能源提供建筑空调与热水能源供应及生产所需的低位冷热能源的大规模推广应用问题，还需要从新的角度来考虑对现有技术的制约进行全面的突破。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种比现有土壤埋地换热管技术换热性能更稳定的，占地面积小、施工费用低、施工周期短，并适宜于在城市大中型地源热泵节能工程中施工与使用的，可采用非开挖方式建造与大规模推广应用的循环地热换热式地下储能液库。 

本发明是通过以下技术方案实现的：采用一种循环地热换热式地下储能液库，主要由一个或以上的经非开挖方式建造在地下的地下液库、载热介质、埋地换热管、循环输送管路组成，地下液库内的载热介质中聚集储存有包括地热能在内的自然界冷量或热量，其特征在于：埋地换热管为水平的布置，分别连接于相邻地下液库之间的上液层之间及下液层之间，或埋地换热管为螺旋盘管型的曲线布置，在同一个地下液库外的上液层与下液层两部分之间设置连接，地下液库经孔道或人孔与地面出口处相通，上述的循环输送管路的输送管道设置在地下液库与地面间的孔道或人孔中，该孔道或人孔的地面出口处设有封闭地下液库的孔盖。所述的经非开挖方法建造的地下液库是经爆炸成形的，地下液库与地面间爆炸成形时设置的送药孔洞经扩孔设置成直径约660毫米的人孔，冷、热液流管设置在该人孔内。所述的地下液库为多个，多个地下液库组成矩阵排列；每个地下液库的供水与回水管口分别设置在其顶端或底端附近，每个地下液库的供水与回水管口附近设置埋地换热管，相邻的地下液库之间也水平设置换热连通的埋地换热管。所述的经非开挖方法建造的地下液库是经非开挖水平钻进与顶管方式埋管铺设的、适于建造直径大于600毫米以上的封闭管状容腔式循环地热换热式地下液库；在地下液库上设置直径约660毫米的人孔。所述的地下液库的砂浆固壁层内表面、或是地下液库的埋管或顶管的内管表面上可敷设保护载热介质的隔离保护层，所述的地下液库内设置有柔性的薄膜内衬溶液袋。所述的水平布置的埋地换热管为采用非开挖水平导向埋管的多个埋地换热管，该埋地换热管相互间为(A)间隔的水平的布置，所述的间隔包括水平方向的间隔和垂直方向的间隔。所述的地下液库的最佳设置深度是地表(G)以下第一储水层的深度(H)左右；所述的水平设置的埋地换热管的所述间隔(A)的范围在1.5到6米。所述的埋地换热管外壁钻地孔洞内设置吸水保湿填料；在埋地换热管换热影响区内按一定的间隔距离夯压或钻管设置保湿渗水管，定时从地面灌水用于保持埋地换热管设置深度上换热影响区域的传热湿度。埋地换热管的表面带有增强换热的翅片或翅纹，所述的翅片间设置吸水保湿填料。所述的单个地下液库的上、下液层间具有带孔的分隔板。 

本发明的优点是：由于采用了地下储能液库与埋地换热管组合的循环地热换热式地下储能液库，使得地下换热设置深度加大，地下储存的载热介质与地表的 温差大、储存的能量也大，与利用江河作为冷热水源的方法相比，避免了对生态环境造成的热污染与不良影响；又由于采用非开挖方式进行深层施工，埋地换热管连接于地下液库之间或地下液库的上、下液层间，施工费用与周期减少，与现有U形管土壤埋管技术相比，施工影响面积或占地面积减小，适合在城市大中型地源热泵节能工程中施工与使用，能免除开挖施工对地面结构与环境造成的不利影响，适合于大规模推广应用；还由于循环输送管路的输送管道设置在地下液库与地面间的孔道中，避免了类似U形管土壤加热器中受近地表层土壤段大量接触传热的不利影响，系统换热效率与稳定性都得到很大提高。 

在达到相同的系统土壤换热能力下，采用本发明的循环地热换热式地下储能液库和建造地下液库的方法与现有埋设U型管作为地源热泵进行对比，应用在输出功率50KWH以上的大中型工程中相比较有如下有益结果： 

(1)可节省地表的占地面积10倍以上； 

(2)运行成本降低30％以上； 

(3)采用爆炸成形和砂浆固壁方法或是非开挖水平导向钻探埋管或顶管方法建筑地下液库的施工，比U型管土壤钻孔埋管施工工期可缩短60％以上，施工成本降低30％以上； 

(4)地下液库经埋地换热管路与地面应用终端装置连通，由于储能容量大，使得循环地热换热式地下储能液库无论与地面应用终端相连或相分离一定距离时，都不受近地表层土壤段大量接触传热损失的不利影响，配套方式适应性强和使用方便； 

(5)进行大规模推广复制应用时，系统输出效率稳定，不受地下岩土层含水量高低变化的影响，且可适合于绝大部分地区和水文条件下的施工。 

以下通过实施例及附图说明对本发明作进一步的描述。 

附图说明

图1是本发明采用爆炸成型与砂浆固壁建造的循环地热换热式地下储能液库一个实施例的结构示意图； 

图2是本发明实施例中地下储能液库采用螺旋盘管型曲线连通埋地换热管的结构示意图； 

图3是用爆炸成型与砂浆固壁建造的地下储能液库、埋地换热管及连接管道的实施例平面连接示意图； 

图4是用非开挖水平导向钻探埋管或顶管建造的地下储能液库又一个实施例的结构示意图。 

具体实施方式：

实施例之一：按图1至图3所示，本发明的循环地热换热式地下储能液库由一个或以上的经非开挖方式建造在地下的地下液库1、埋地换热管2、载热介质3、循环输送管路4、人孔5、孔盖6、保湿渗水管7、储能水箱8、内衬溶液袋13等组成，其中，地下液库1包括分隔板111，循环输送管路4可分为初级循环输送管路和次级循环输送管路，前者中包括除污装置411、温度传感器412、流量调节阀 413、流量计414、输送管道415、输送泵416、换热单元417。 

循环地热换热式地下储能液库包括一个或以上的地下液库，可采用经爆炸成形的地下固壁液库。埋地换热管连接于地下液库的上、下液层间或地下液库之间是指按图2所示的包括在同一个地下液库外的上、下部分间设置了螺旋曲线埋地换热管埋设与连接，或是图1与图3所示的在一个以上的地下液库间设置了直线埋地换热管埋设与连接，其中，单个地下液库的上下水层间经图2中所示的带孔的分隔板111分隔以减少上下层的换热对流。 

埋地换热管设置在地下储能液库的供水与回水管口附近，冷、热液流管是循环输送管路的一部分，载热介质分别经通入地下储能液库底部或顶部的冷、热液流管流入循环输送管路，形成如图1所示的单个初级地热换热的循环输送回路。 

初级地热换热循环回路包括：埋地换热管、地下储能液库、载热介质、初级循环输送管路、循环泵、换热单元或其偶合端等，初级地热换热循环回路中还可连接储能水箱8；次级换热循环回路包括：换热单元的另一个偶合端、循环泵、载热介质、次级循环输送管路等，循环换热是通过初级地热换热循环回路中的初级地热换热循环、以及与初级地热换热循环回路相偶合的次级换热循环回路中的循环换热这两个循环实现的，其中，上述两个换热循环回路中的换热单元。 

所述的埋地换热管可采用金属管、或塑料管或是上述材料的组合，其表面可带有翅片或增强换热的翅纹，翅片间可设置吸水保湿填料，金属管的表面可经金属化学镀或金属表面涂塑等防腐处理，此外，也可采用高分子材料如高压聚乙烯的螺纹管等。 

埋地换热管是经非开挖水平导向钻探埋管方法在地下直线钻探埋设的硬管，或是可经弯曲埋管成型的可弯管或半硬管，所述的埋地换热管是采用非开挖方式如水平钻管方式埋设的，施工中先通过挖掘或爆炸成形的方法形成地下储能液库，然后，利用地下储能液库的空间设置小型非开挖水平导向埋管钻机，完成埋地换热管的非开挖埋管施工，埋地换热管间其相邻间隔A的范围在1.5到6米，最佳的相邻间隔A为3至4米，具体根据土壤组成与地下的湿度控制条件决定，一般地下埋设层的湿度状况下，如选择间隔为3米，可以取得较好的换热效率。 

经上述非开挖方法建造在地下的储能液库，其地下液库间可经埋地换热管相互连通而组合成的同一个水系的循环地热换热式地下储能液库群。地下储能液库的最佳设置深度是距地表G以下第一储水层的深度H左右，以取得岩土换热层较理想的换热湿度，此外，埋地换热管外壁钻地孔洞内可设置吸水保湿填料14，当第一储水层较深时，可在埋地换热管换热影响区内可按一定的间隔距离夯压或钻管设置保湿渗水管7，定时从地面灌水用于保持埋地换热管设置深度上换热影响区域的传热湿度，以利于提高循环地热换热式地下储能液库的地热换热效率。 

参见图3所示给出了多个地下储能液库、埋地换热管及连接管道之间的的一个平面连接示意图，通常，地下储能液库的供水与回水管口最适合分别设置在其顶端或底端附近，除了在每个地下储能液库的供水与回水管口附近设置埋地换热管外，相邻的地下储能液库之间也可水平设置换热连通埋地换热管，多个地下储能液库可组成地下储能液库的矩阵排列，由于采用了爆炸成形的地下固壁水库， 其相互间的换热连通埋地换热管设置施工便可以利用地下储能液库的容积空间，经设置小型的非开挖钻机进行钻进与顶管或拉管实现埋管施工，并且，从地下储能液库引出的换热连通埋地换热管的钻进与埋管可以采用直线管连通、或曲线管如圆弧型或螺旋盘管型(Φ)的曲线连通(参见图2)，后者可使得土壤换热器的换热容量大大增加。又参见图3：地下储能液库可先经地面输送管道作串接、并接或者混合连接后再与循环回路相连接。 

地热换热循环回路可设置在地下安装室中，以免除建筑占地与地面环境温度等对装置保温的不良影响，有利于通过土壤层等的隔声与隔热保温性能屏蔽循环泵工作时产生的噪声并提高换热装置的换热效率，与现有设置在地面的地下水循环地热换热式地下储能液库相比可以最大限度地降低换热效率损耗。循环泵可以采用潜水泵或抽水泵，当采用潜水泵时，最有利于降低工作噪声和摩擦散热，有利于延长泵的工作寿命与装置的可靠性。换热单元包括一个或以上的换热单元。换热单元可包括换热器、散热器、蒸发器、冷凝器和热泵，换热单元可以是散热器如采暖用的散热片、或是冷却器如制冷用的风机盘管、或是换热器如板式或板翅式的液-液或液-气换热器，其选用根据载热介质被用作热源或冷源而定。 

循环输送管路4的输送管道415设置在地下液库与地面间的孔道中，采用直接连接时，地下液库内载热介质中储存的冷量或热量经循环输送管路循环输送管路中的输送泵416直接连接于地面终端使用装置如风机盘管进行循环换热，采用间接连接时，地下液库内载热介质中储存的冷量或热量经输送泵和换热单元如换热器或热泵等后间接连接于地面终端使用装置进行循环换热。 

所述的地热换热循环回路可以是开式的的地热换热循环回路，其地热换热循环回路中可带有储存地表能源的储能水箱。参见图1所示，当地下储能液库与循环回路间的初级地热换热循环回路采用开式的地热换热循环回路时，初级的地热换热循环闭式回路中可带有储存地表能源的储能水箱8，地下储能液库中的载热介质经抽水泵储入开式的储能水箱8后，可在重力作用下回流进行换热循环、或可通过设置增压泵将载热介质进行回灌。当地下储能液库与循环回路间采用闭式换热回路时，其循环回路中可带有排气阀与储能罐。 

载热介质中聚集储存有包括地热能在内的自然界冷量或热量，所述的载热介质是储能载热介质，包括液体或液体中含有固态储能物质的液态流体或液体与固体的组合，其中，液体包括水、乳化液、水性溶液如甲醇水溶液或化合物溶液如水合盐磷酸氢二钠的溶液，固态储能物质包括相变储热微胶囊，固体可为经过表面处理的膨胀石墨相变材料等。载热介质还可包括含悬浮亚微级粒子包括纳米粒子的纳米流体，如含悬浮金属纳米粒子的流体，此外，金属纳米粒子可经羧酸盐等处理在纳米粒子表面形成化学吸附的羧酸盐保护层，并使其悬浮在载热介质中，以大幅度地增加热导和传热速率。循环输送泵可以采用抽水泵，当载热介质为液体或液体中含有固态相变储能材料液态流体和纳米流体时，抽水泵可采用蠕动泵，这样便可不破坏其中的固态相变储能材料及纳米粒子外层的化学吸附保护层。 

所述的地热换热循环回路中供作热源或冷源的载热介质可作为终级的热源或冷源、或作为次级的热源或冷源，以此进一步提升为高位的能量源供作终级装置 使用。采暖模式下，蒸发器及制冷时冷凝器经换热器切换连接地下储能液库循环换热回路，采暖模式下切换后可经太阳能集热器增温补偿，因此，地热换热循环回路中还可带有加热水箱。地热换热循环回路中供作热源或冷源的液流可作为终级的热源或冷源、或作为次级的热源或冷源。 

采暖模式下，其载热介质的换热循环是从地下储能液库上端的上层水层经热液流管或循环管道输向地面G，经地面的换热单元换热后流回相同或不同的地下储能液库下端底部；制冷模式下，其载热介质的换热循环是从地下储能液库下端的下层水层经冷液流管或循环管道输向地面G，经地面的换热单元换出冷量后流回相同或不同的地下储能液库的上部，不断地送出地下的可再生能源。 

地下液库与地面间保留爆炸成形时设置的送药孔洞，为了便于日后的维修维护进出，可将此孔洞经扩孔设置成直径约660毫米的人孔5，因冷、热液流管设置在该人孔内，地面出口处设有封闭的孔盖6，因此，避免了采用U型管土壤埋地方式中与表层土壤段接触传热的不利影响，可适合于大规模推广应用。 

可采循环地热换热式地下储能液库除了采用经爆炸成形的一个或以上的循环地热换热式地下储能液库，还用如图4所示的经非开挖水平钻进与顶管方式埋管铺设的、适于建造直径大于600毫米以上的封闭管状容腔式循环地热换热式地下储能液库，封闭管状容腔式循环地热换热式地下储能液库的管径增大时还可在地下液库上设置直径约660毫米的人孔供作日后的维修维护进出，所述的封闭管状容腔是金属管、或塑料管、或玻璃纤维管、或是上述的组合、或钢筋混凝土预制管，金属管如采用钢管时，其内外表面均可经表面防腐蚀涂层处理。 

经非开挖方法建造的地下液库是经爆炸成形和砂浆固壁方法建筑的地下液库、或是经非开挖水平导向钻探埋管或顶管方法建筑的地下液库(参见图4所示)。地下液库的砂浆固壁层内表面、或是地下液库的埋管或顶管的内管表面上可敷设保护载热介质并兼防渗漏的隔离保护层，对砂浆固壁层的表面敷设可保护载热介质或水源等储存物免受砂浆中有害物质逸出的不良影响。可以采用的表面涂覆隔离保护层包括耐油的瓷面聚胺脂漆、耐水的无毒水性丙烯酸漆或防水涂料等等隔离保护层。为了更好地预防地下液库内壁材料中有害物质的逸出和载热介质的泄漏，所述的地下液库内可设置柔性的薄膜内衬储液袋，如采用橡塑等柔性材料制作的薄膜内衬溶液袋，其尺寸与形状与地下液库的内部形状相配，通过人孔进行安放与更换，用以盛放灌入的载热介质，或者地下液库内可设置内衬储液管作为内套管。储入载热介质时，可以根据不同的地表资源，譬如利用地面反季节使用的载热介质预先经季节自然环境温度调温后储能输入地下储能液库中，例如，夏季可经电控开关阀K切换后从地下储能液库的底部取水上送供制冷，其开式的地表能源储能水箱8内储备的大量夏季热水可回灌送入地下储能液库的上层水层供作反季节时利用，冬季时相反，可抽取地下储能液库上层的热水供作采暖热源，将其地表能源储能水箱8内储备的大量冬季冰水回灌送入地下储能液库的底层水层供作反季节时利用，为了更有效的利用地下储能液库储存冷热资源，还可采用多个地下储能子液库进行冷热分类隔离储存，如此，可最大程度地反季节利用地表季节性天然能源资源。 

上述非开挖方法建造的多个循环地热换热式地下储能液库经埋地换热管相互连通后可组成同一个水系的循环地热换热式地下储能液库或地下储水库群。 

采用本发明方法建造的循环地热换热式地下储能液库或地下空腔库适合于大规模推广应用，同时经配以各种不同埋管材料和强度与隔离保护层处理后，也能适于用作各种大、中型规模的循环地热换热式地下储能液库、地下储水库、地下油库、地下防水仓库或储存库、弹药库等等，并同样可用于高度污染物质的地下防水掩埋处理等。 

Claims (9)

1.循环地热换热式地下储能液库，主要由一个或以上的经非开挖方式建造在地下的地下液库、载热介质、埋地换热管、循环输送管路组成，地下液库内的载热介质中聚集储存有包括地热能在内的自然界冷量或热量，其特征在于：埋地换热管为水平的布置，分别连接于相邻地下液库之间的上液层之间及下液层之间，或埋地换热管为螺旋盘管型的曲线布置，在同一个地下液库外的上液层与下液层两部分之间设置连接，地下液库经孔道或人孔与地面出口处相通，上述的循环输送管路的输送管道设置在地下液库与地面间的孔道或人孔中，该孔道或人孔的地面出口处设有封闭地下液库的孔盖。

2.根据权利要求1所述的循环地热换热式地下储能液库，其特征在于，所述的经非开挖方法建造的地下液库是经爆炸成形的，地下液库与地面间爆炸成形时设置的送药孔洞经扩孔设置成直径约660毫米的人孔(5)，冷、热液流管设置在该人孔内。

3.根据权利要求2所述的循环地热换热式地下储能液库，其特征在于，所述的地下液库为多个，多个地下储能液库组成矩阵排列；每个地下储能液库的供水与回水管口分别设置在其顶端或底端附近，每个地下储能液库的供水与回水管口附近设置埋地换热管，相邻的地下储能液库之间也水平设置换热连通的埋地换热管。

4.根据权利要求1所述的循环地热换热式地下储能液库，其特征在于，所述的经非开挖方法建造的地下液库是经非开挖水平钻进与顶管方式埋管铺设的、适于建造直径大于600毫米以上的封闭管状容腔式循环地热换热式地下储能液库；在地下液库上设置直径约660毫米的人孔(5)。

5.根据权利要求4所述的循环地热换热式地下储能液库，其特征在于，所述的地下液库的砂浆固壁层内表面、或是地下液库的埋管或顶管的内管表面上敷设保护载热介质的隔离保护层，所述的地下液库内设置有柔性的薄膜内衬溶液袋。

6.根据权利要求1或3所述的循环地热换热式地下储能液库，其特征在于，所述的埋地换热管为采用非开挖水平导向埋管的多个埋地换热管时，该埋地换热管相互间为(A)间隔的水平的布置，所述的间隔包括水平方向的间隔和垂直方向的间隔。

7.根据权利要求6所述的循环地热换热式地下储能液库，其特征在于，所述的地下液库的最佳设置深度是距地表(G)以下第一储水层的深度(H)左右；所述间隔的相邻埋设间隔(A)的范围在1.5到6米。

8.根据权利要求7所述的循环地热换热式地下储能液库，其特征在于，所述的埋地换热管外壁钻地孔洞内设置吸水保湿填料(14)；在埋地换热管换热影响区内按一定的间隔距离夯压或钻管设置保湿渗水管(7)，定时从地面灌水用于保持埋地换热管设置深度上换热影响区域的传热湿度。

9.根据权利要求1所述的循环地热换热式地下储能液库，其特征在于，所述的埋地换热管采用螺旋盘管型曲线连通埋地换热管；埋地换热管的表面带有增强换单个地下液库的上、下液层间具有带孔的分隔板(111)。

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