CN1854641A - 从地表中为热泵收集热能的探头 - Google Patents

Abstract

探头(10)包括一用来在连接到一热泵的一流体入口(28)和一流体出口(34)之间循环传热流体的回路。该回路包括至少两个平行延伸的管子(12、14)，包括一流体进口管(14)和一流体返回管(12)，流体进口管和返回管在其远端(18、22)处彼此连通(24)。两管子在其全部长度上制成有一公共壁，有利地是一等温壁。它们可以是一个接合在另一个(12、14)内，或它们可以是毗邻。该组件形成一用于埋入的单一的管状元件，其具有一自由的远端，远端可容易地引入到由微型钻孔机已挖掘出的一小直径的隧道内。返回管可设置有突出部分(44)，其适于在所述管内流动的流体中形成紊流。

Description

从地表中为热泵收集热能的探头

技术领域

本发明涉及一用来从地表中为热泵收集热能的探头，该泵可以是所谓的“水/水”型或“气./水”型泵。

背景技术

这样的设备用来收集地壳上层中存在的热能，以便集中所述能量(提高其温度)，并供应其所述集中的形式以馈送到一加热的回路。对于一“水/水”型泵，泵芯包括一压缩机和两个分别连接到收集网络和供热网络的热交换器，连同一包括一冷凝器、一膨胀器和一蒸发器的冷冻机回路。压缩机在蒸发器处集中从地表收集能量并供应能量，以供应到冷凝器处的加热回路。

在收集网络中，设置有一由用来循环一传热流体的回路构成的“收集器探头”，传热流体通常是一诸如具有添加到其中的乙二醇的水那样的液体，但它同样也可以是一气态流体。该收集器流体或传热流体被热泵的蒸发器冷却，然后，送到地面内以便通过与周围介质接触而被加热，由此，从其中萃取热能。当回路处于操作中时，埋入在所述周围介质内的探头的各线性测量计因此可携带几焦耳热能到热泵，以此方法加热的流体然后返回到热泵，热泵集中和供应以此方法收集的热能。

收集器探头通常以构成一回路的管子形式实现，回路在其各端处连接到热泵的对应终端。管子特性，尤其是其壁的热传导率，确定其与周围介质的热交换特性。此外，管子直径以及回路的较长或较短长度确定热交换面积，以及从中收集热量的周围介质的质量。

一称之为“水平”收集的第一技术在于，将管子埋入地表下一浅的深度(约50厘米(cm)至70厘米)，使它循着一蜿蜒的路径，从而占据一最大地面面积，以便接合周围介质的一足够的质量。

对于埋入探头的目的，该第一技术要求地面在一大范围内成条带形，或者它要求挖掘管沟，并具有源于这些要求的各种约束：运土成本；在一房屋下放置收集网络的不可能性；以及管子埋入之后如何可利用地面的限制，例如，不可能在其中植树。

另一称之为“垂直”收集的技术在于，将一垂直钻孔钻进到一深达100米(m)的深度，然后，在全部深度上埋入一个或多个回路的管子。给定可以到达的深度，该第二技术需要一相对大直径的钻孔，在200毫米(mm)的量级上，因此，在使用中需要笨重而庞大的专用设备。的确，它可从地面的一小区域中展开，但它遭受其它的缺点：钻探的成本和时间；控制较差的热交换；介质只涉及钻孔周围的单一圆柱形质量的形式。

因此，目前提出的用来埋入热泵用的收集器探头的解决方案，无论从经济上说，还是热交换效率方面，都还没有找到真正满意的结果。

发明内容

本发明的目的之一是弥补这些缺点，其提出一新颖探头为热泵收集取自地表的热能：

·在埋入时最大程度地减少麻烦事；

·以低的成本；

·在如何使用地面方面不留下其后的限制；以及

·此外，与以前提出的解决方案相比，从热交换效率的观点来看，它特别地能够进行优化。

在一不喻自明的方式中，本发明的探头包括一用来循环传热流体的回路，该回路具有适于连接到一热泵对应终端的一流体入口和一流体出口。回路包括至少两个平行延伸的管子，一流体进口管连接到流体入口，而一流体返回管连接到流体出口。流体进口管和返回管在其远端处彼此连通。

在表征本发明的方式中，流体进口管和返回管在其全部长度上制成有一公共壁，并形成一用于埋入的单个管状元件，该管状元件具有一带所述流体入口和出口的近端，并具有一自由的远端。

本发明的探头因此呈一柔性管状元件的形式，其一个端部设置有流体入口和流体出口，而其另一端为自由的。

该结构能使管状元件通过其自由的部分插入到一小直径(几十毫米)的隧道内，且其通过一单一点朝向表面敞开。

用于埋入的管状元件呈柔性，以使其能适应隧道过程可能遵循的复杂的弧形，同时需有足够的强度，以便能在其全部长度上独自地从其一端推入到隧道内。

小尺寸的钻孔机能够非常容易地挖出隧道，其在几十米的长度上花费成本低，且具有几十毫米(例如，50mm的直径)的直径，例如，用于在路面或住房下通过供水管的微型钻孔机或“鼹鼠”不需开挖任何的敞开的沟渠。用这样钻孔机挖掘的隧道不必是垂直的或水平的，但可以循着适于场地构造的任意弧形的路径。挖掘这样一隧道不导致对地面的很大破坏，因此，消除水平收集器的主要缺点，还能挖出足够深的隧道，避免对植树或在地面内挖孔的阻碍。

最后，挖这样一隧道在地面上仅需要一小的区域，该区域甚至可取自建筑物内，在此建筑物内，可以从建筑物下面全面地或局部地收集热能。

根据各种优选的和有利的诸特征：

·公共壁是一等温壁；

·返回管的流体流动截面大于进口管的流体流动截面；

·流体返回管的壁的内表面设置有突出的部分，其适于在所述管内流动的流体中形成紊流，而流体进口管的壁的内表面是一光滑表面，其适于在所述管内流动的流体中促成层流；

·用于埋入的所述单一管状元件的外截面，在所述元件的全部长度上是均匀的，尤其是，呈圆形；

·用于埋入的所述单一管状元件的外直径小于150mm，较佳地小于100mm，最好小于50mm；

·管子用柔性材料制成，其适于对埋入的管状元件提供柔性；

·用于埋入的所述单一管状元件的远端在其外部设置有一配合的端块；以及

·沿着其长度的选择段，探头还可包括流体进口管和/或流体返回管的加强的绝热。

在一第一实施例中，流体进口和返回管是一个接合在另一个内的两个管子，两个管子之一是在其远端处敞开的一内管，使其壁构成所述公共壁，而两个管子之另一个是包含内管并在其远端处封闭的一外管。

在此实施例中，有利地是，内管的内表面是一光滑表面，其适于在所述管内流动的流体中促成层流，而该内管的外表面设置有突出的部分，其适于在外管内的所述管外流动的流体中形成紊流。此外，内管壁可以是一具有等温内芯的复合壁。

在另一实施例中，流体进口和返回管是毗邻的两管。可以有一与一单一的返回管相连的单一进口管，返回管的截面大于进口管的截面。然而，也可提供至少三个管子，使流体进口管的数量少于流体返回管的数量，返回管的总的截面大于进口管的总的截面。

本发明还提供一为热泵从地表收集热能的网络，该网络包括多个如上所述的探头，它们埋入在地表内挖出的隧道内。这样一网络具有一三维的构造，其由一在地面给定区域和给定埋入深度上延伸的包围体积所界定。

有利地是，诸探头包括流体进口管和/或流体返回管的加强的绝热件，绝热件位于在地表层和所述包围体积之间延伸的部分上。

附图说明

下面是参照附图对给定的本发明装置的一实施例的描述，其中，相同的标号用来从一个图到另一图表示相同的或功能上类似的元件。

图1是本发明第一实施例中的一收集器探头的垂直截面。

图2是图1的线II-II上的平面截面图。

图3是图1中标记为III的细节。

图4是图1的线IV-IV上的截面图。

图5、6和7类似于图4，示出本发明的其它实施例。

图8是一示意图，示出本发明的多个探头如何能与一公共热泵相连地串联连接。

图9和10是一立面图和一截面图，示出安装在地表内的一系列的探头，且其构造特别具有优点。

具体实施方式

在图1中，标号10是本发明的收集器探头的总的标号，在此实施例中，它由两个管子构成，其中一个接合在另一个中，它包括一外管12和一内管14。举例来说，外管的外直径d约为40mm，因此，它能插入到具有稍大直径D的一隧道或井16内，例如，一稍大直径可为50mm。

外管12可用任何合适的方法在其远端18处封闭，例如，用机械的堵塞，或趁热模制成一封闭的结构。该端部18也可有利地用一保护端块20覆盖，例如，金属制的端块，使它更容易地接合隧道中的管子。

内管14在其远端22处敞开，以便在所述端部22和外管12的面向封闭端部18之间留下一间隙24。

在近端处，外管和内管12和14连接到一连接头元件26，其能将两个管子彼此连接在一起，使内管14占据中心位置，并在标号28处显露出来。连接头26还具有敞开而进入一环腔32内的纵向通道30(在图2截面图中也可见)，环腔32又与外孔34连通，因此，外孔34与外管12的体积流体地连通，所述外管12在所述管子的壁和内管14的壁之间延伸。

内管14可以有利地用图3中详细所示的方式制造，其包括一内壁36和一外壁40，内壁36具有光滑的自由表面38，外壁40具有一设置有突出部分44的外表面42。一等温的内芯46用来在管子14任一侧上流动的流体流之间提供绝热。

流体在探头内循环如下。

离开热泵的冷流体引入到(箭头50所示)内管14的自由近端28内，流体从该近端流到远端22，光滑表面38促成管内流体的层流。

然后，流体展开而进入位于外管12(流体返回管)远端处的区域24内，流体从该远端送回，在其全部长度上朝向该管的相对端(箭头52、54所示)，以便通过通向连接头元件26的出口34(箭头58所示)的通道30而被收集(箭头56)。突出部分44的存在有利于在流体中形成紊流，由此，减慢流动和提高与外界的热交换。

从内管14的近端引入的流体被直接带到该管的远端开口22，而不越过除管子所循的弧形之外的任何其它障碍物。一旦到达远端开口，外管远端处的流体返回朝向其近端。

当沿着外管12流动时，收集器流体从周围介质中接受热能，然后，返回到热泵，在返回冷却的流体回到探头内之前，热泵集中和萃取所述热能，以便重新开始一收集循环。

可以看到，采用所示的该结构，热量收集在探头远端区域内开始，即，可能是最热的区域，以及其中温度最快地重新开始的区域，此后液体上升返回朝向热泵，由此，热泵被加热流体所馈送。

在某些情形中，流体的流动方向可以倒过来，即，可允许流体通过孔34流入外管12内(然后，它成为一流体进口管)内，以便在其全部长度上沿其流动并在远端处被管14(它由此变为流体返回管)收集，并通过开口28而从中萃取。在这样的情形下，与上述结构不同，它则是最靠近连接头元件26的周围介质的部分，即，它最卷入到热交换中。可以容易地理解到，只要反向流体循环通过收集器探头的方向，即可选择这两个结构中的一个或另一个，由此，使得根据要求来优化热交换变得非常简单，或者，可试验两种结构并比较获得的结果。

外管12由一具有足够强度和半刚度的材料制成，在大多数情形中，该材料能够沿着已经钻出的隧道16推进管子。如果需要的话，管子可以加压以增加其刚度和其强度。也可选择材料使其具有承受伸展的足够能力，这样，在必要的情形下，能够沿着隧道从其敞开的远端曳拉管子。管子还应具有足够的强度来抵抗被弄平，并相对于沿其循环的流体应表现为惰性。

在实践中，由聚丙烯制成的饮用供水管(直径32mm，厚度3.6mm)可完全适用于热泵的大多数情形，其中，使用水和乙二醇的混合物作为热收集器网络中的传热流体。

如果网络的传热流体是气体，则可以使用小直径的金属管，以便限制采用的气体量和减小压头损失。具体来说，可以使用不锈钢管制成的管子，通过焊接其在端部处封闭，或者预先地或者在管子埋入时根据需要，采用焊接方法(例如，轨道的TIG焊接)端部对端部地将管段连接起来：在这样的情形中，使用任意长度的管段，可以快速地形成连续管，且管子强度沿其全部长度完全均匀。

内管14可以是具有足够柔性的塑料材料的管子，且有利地设置有与其一体形成的突出部分44，例如，凹槽、凸起等。其长度与外管的长度相匹配，以确保它的远端开口22位于离开外管封闭端18几个厘米，所述远端开口可以斜切而最大地供应流体。可设置能使流体循环的侧向槽(未示出)，即使在探头被弄平或某种其它方式被堵塞的情形中，也能使流体形成循环。

与外管12相同，内管14相对于收集热的流体必须呈惰性。沿着其长度，其最小曲率半径必须小于或等于外管的曲率半径，且其外直径必须小于外管的内直径，以使它能够接合在外管内。

可以看到，对于内管和外管不需是严格的同轴；内管14可以与外管12的内壁接触，例如，在探头呈弧形的区域内，而不阻碍流体的循环：倘若管子不被弄平，则流动截面仍保持相同，的确，从热力的观点来看，这样一单一性可具有在单一性发生处形成附加紊流的优点。

内管14的材料较佳地是传导率低的材料，否则，它可由包括一如图3所示的等温内芯的结构构成，以便热力地绝缘沿相对方向的流动，即，将内管14内的流动(进口流)与外管12内的流动(返回流)隔开。热交换必须基本上发生在外管12内流动的流体和周围介质之间，而不发生在两个相对方向流动之间。

外管和内管的各自截面应有利地选择为：在进口流截面(内管14中)和返回流截面(外管12和内管14之间)之间形成一最佳比例。当进口截面小于返回截面时，进口流的速度高于返回流的速度。一快速的进口流在内管14中损失，而一返回流速度低，且紊流促进外管12和周围介质之间的热交换。

本发明的其它实施例可以构思出一不同于以上所述的管结构，其中，一内管14以图4所示的方式接合在一外管12内，以分别对返回流和进口流形成两个同心的截面60和62。

因此，如图5所示，可以提供一收集器探头，其具有一外管64和一不再接合在外管内的内管66，但它内部地接触以使两管享有一公共壁68，使两管在其同一侧延伸。这样一组件可采用挤压法或共挤压法进行制造。外管和内管64和66的尺寸这样进行选择：形成一返回流截面70，其相当地大于进口流截面72，以便减缓返回流和促成热交换。

在如图6所示的变体中，两管不再内部地接触，但代之以它们外部地接触，探头呈两个毗邻管74和76的形式，两管享有一公共壁78，两管在壁的相对侧上延伸。还在此情形中，对管子可选择不同的尺寸，以便分别优化进口流和返回流。

在还有一变体中，如图7所示，提供管子的数量大于两个，例如，有三个管子80、82和84。如果所有管子是相同直径，那么，它可以使用两个管子80和82用作返回流，而一单一管子84用作进口流。这同样地能整体地提高返回流截面。

在以上所述中，所有描述涉及到：存在有适于在返回流中形成紊流的突出部分，以及用于进口流的光滑表面，还涉及到：进口流和返回流之间的绝热继续是适用的，已对图5和7所示的各种实施例作必要修正，其中，两管接触而不是一个接合在另一个内。

图8是显示使用本发明的多个收集器探头10、10’、和10”的一种安装的示意图，诸探头串联地连接，以便进一步提高与周围介质的热交换。

第一探头10的入口28连接到热泵88的流体出口86，所述第一探头的出口34连接到第二探头10’的入口28’，如此等等，第三探头10”的出口34”连接到热泵88的流体入口90。

当由探头馈送的热泵需要的流量不能被一单一探头的管子之一的内部截面妥善地满足时，也可并联地连接多个收集器探头。

如将可容易地理解到的，本发明的收集器探头或本发明的多个收集器探头可以埋入在循着一路径的隧道内，所述路径根据地形的约束和下层土的特性而形成。隧道也可成坡度的、垂直的、起先坡形随后为水平的、弧形的等。可以提供带有以下隧道的安装：隧道下降到地表内的各种深度，并以足够的间距将一个隧道设置在另一个隧道上。这样一结构特别地用于接合收集热量的介质的一质量，该质量远大于线性的或呈二维的结构可能的质量，这就如呈垂直或水平的传统收集系统的情形。

图9和10是一立面图和一截面图，分别示出以此方式安装在地表内的诸探头的一网络，其结构是特别地具有优点。

在所示的实例中，该网络具有五个如上所述的探头10，它们引入到基本上从同一部位挖出的隧道内，各仅通过一单一的孔通向大气。

在插入到隧道内之后，探头10串联地和/或并联地连接，且它们连接到热泵88。

在图9和10的有优点的结构中，探头的网络径向地从像触须那样的连接点延伸通过下层土，在平面图中(图10)所述触须可以是任意形状，视周围地表的约束而定，唯独的限制是机器挖掘隧道所能实现的曲率半径，以及可被探头遵循的曲率半径。就深度而言(图9)，探头的网络延伸到某一深度，该深度根据地表的热力特性和法规进行选择，通常是地表下0.5m至10m的量级，即，在全年中趋于呈现均匀温度的下层土的区域内(温和区域和低海拔处，约为9)。这些探头最好用其热力端部放置在其下部点，以避免出现气泡。

在收集热中接合的地面质量由此由位于浅表深度和占据围绕热泵的地面的三维体积92定义。

该收集的体积92延伸地表层以下至少50cm，即使存在有植树94，也可安装一探头的网络，如图10所示，还可在住房96下面通过。该图还示出两个探头，在平面图中它们彼此交叉，由于隧道在该部位处不正好是相同的深度，所以，它们的交叉是完全可能的。因此，可以根据地形的约束来调节位置和与周围介质热交换的强度，同时，避免与现有技术的环路系统相关的所有缺点。

此外，管子和探头10有利地设置有绝热件98，例如，呈绝热套筒的形式，其覆盖在地面层(集管或与泵88的连接)和收集体积92的上层之间延伸那些部分。这用来避免该地表的浅表区域内的低效的热交换，这会跌落到一温度太低而不能提供满意的热效率的温度。

通过使用多个各具有25m长度的探头，由此，即使在一小块的土地内，也可接合周围介质的一大的质量，例如，具有的最大尺寸通常为35m至50m的量级。对于即使较小尺寸的小块土地，例如，在低矮房屋的区域内，也可提供多个重叠的探头，例如，第一层占据的收集体积位于地表层以下0.5m至1.5m，收集体积中的第二层位于地表层以下的3m至4m的范围内等，虽然地面面积较小，但可增加所涉及的外界介质的质量。

Claims (19)

1.一为热泵从地表中收集热能的收集器探头，该探头(10)包括一用来循环传热流体的回路，该回路具有适于连接到一热泵(88)对应终端(86、90)的一流体入口(28)和一流体出口(34)，回路包括至少两个平行延伸的管子(12、14；64、66；74、76；80、82、84)，一流体进口管(14；66；76；84)连接到流体入口，而一流体返回管(12；64；74；80、82)连接到流体出口，流体进口管和返回管在其远端处彼此连通，探头的特征在于，流体进口管和返回管在其全部长度上制成有一公共壁，并形成一用于埋入的单个管状元件，该管状元件具有一带所述流体入口和出口的近端，并具有一自由的远端。

2.如权利要求1所述的收集器探头，其特征在于，所述公共壁是一等温壁。

3.如权利要求1所述的收集器探头，其特征在于，返回管的流体流动截面大于进口管的流体流动截面。

4.如权利要求1所述的收集器探头，其特征在于，流体返回管的壁的内表面设置有突出的部分(44)，适于在所述管内流动的流体中形成紊流。

5.如权利要求1所述的收集器探头，其特征在于，流体进口管的壁的内表面是一光滑表面，适于在所述管内流动的流体中促成层流。

6.如权利要求1所述的收集器探头，其特征在于，用于埋入的所述单一管状元件的外截面，在所述元件的全部长度上是均匀的。

7.如权利要求6所述的收集器探头，其特征在于，用于埋入的所述单一管状元件的外截面是圆形截面。

8.如权利要求1所述的收集器探头，其特征在于，用于埋入的所述单一管状元件的外直径(d)小于150mm，较佳地小于100mm，最好小于50mm。

9.如权利要求1所述的收集器探头，其特征在于，管子用柔性材料制成，其适于对埋入的所述单一管状元件提供柔性。

10.如权利要求1所述的收集器探头，其特征在于，用于埋入的所述单一管状元件的远端在其外部设置有一配合的端块(20)。

11.如权利要求1所述的收集器探头，其特征在于，所述流体进口和返回管是一个接合在另一个内的两个管子(12、14)，两个管子之一是在其远端(22)处敞开的一内管(14)，使其壁构成所述公共壁，而两个管子之另一个是包含内管并在其远端(18)处封闭的一外管(12)。

12.如权利要求11所述的收集器探头，其特征在于，内管(14)的内表面(38)是一光滑表面，其适于在所述管内流动的流体中促成层流，而该内管(14)的外表面(42)设置有突出的部分(44)，其适于在外管内的所述内管外侧流动的流体中形成紊流。

13.如权利要求1所述的收集器探头，其特征在于，内管壁可以是一具有等温内芯(46)的复合壁(36、40、46)。

14.如权利要求1所述的收集器探头，其特征在于，所述流体进口和返回管是毗邻的管(64、66；74、76；80、82、84)。

15.如权利要求14所述的收集器探头，其特征在于，包括一单一的流体进口管(66；76)和一单一的流体返回管(64；74)，其中，返回管的截面大于进口管的截面。

16.如权利要求15所述的收集器探头，其特征在于，包括至少三个管子(80、82、84)，使流体进口管(84)的数量少于流体返回管(80、82)的数量，且其中，返回管的总的截面大于进口管的总的截面。

17.如权利要求1所述的收集器探头，其特征在于，在其长度的选择部分段上，还包括流体进口管和/或流体返回管的加强的绝热件(98)。

18.一为热泵从地表收集热能的收集器网络，该网络的特征在于：

·它包括多个如权利要求1至17中任何一项所述的探头(10)，探头埋入在地表内挖出的隧道内；以及

·它具有一三维的构造，由一在地面给定区域和给定埋入深度上延伸的包围体积(92)所界定。

19.如权利要求18所述的收集器网络，其特征在于，诸探头(10)具有流体进口管和/或流体返回管的加强的绝热件(98)，绝热件位于在地表层和所述包围体积之间延伸的部分上。

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