CN214039016U - 地下换热管凝结热获取和释放装置 - Google Patents

Abstract

地下换热管凝结热获取和释放装置属于地源热泵领域，具体涉及地下换热管凝结热获取和释放装置。本实用新型提供一种大幅度提升取热/储冷效果的地下换热管凝结热获取和释放装置。本实用新型的地下换热管凝结热获取和释放装置，包括地上换热装置，其特征在于：地上换热装置与地下换热管相连，所述地下换热管内设置有凝固点低于0℃的防冻液或相变制冷剂。

Description

地下换热管凝结热获取和释放装置

技术领域

本实用新型属于地源热泵领域，具体涉及地下换热管凝结热获取和释放装置。

背景技术

传统地源热泵采用水管换热，最低换热水温3℃，以防止结冰冻坏，即便采用防冻液循环，各种技术标准仍以土壤降温至3～5℃来计算出热能量，100米深孔取热供暖/制冷建筑面积50～60m²，10000m²建筑要打地源孔200个，不仅仅造价高，城市建筑周围土地几乎没有能钻如此多孔的位置，因此地源热泵市场比例不足风冷热泵的5%，无论哪种热泵，夏季压缩机排热耗电都很大，目前没有制冷设备的动力系统至少都是依托泵循环，没有利用阳光热能以及室内外温差循环的冷暖设备，更没有单根管路能够传递冷热量的设备，化学冷媒使用带来的环境问题更是人类痛点，尚有设备费用高，工程效益差，维修等多种问题。因为现有热泵获得的能量密度小，耗电及设备成本较高，较难在农业应用，更缺少高密度直接存储阳光热量的地源孔，高密度储热、储冷装置。

发明内容

本实用新型就是针对上述问题，提供的一种大幅度提升取热/储冷效果的地下换热管凝结热获取和释放装置。

为实现本实用新型的上述目的，本实用新型采用如下技术方案，本实用新型的地下换热管凝结热获取和释放装置，包括地上换热装置，其特征在于：地上换热装置与地下换热管相连，所述地下换热管内设置有凝固点低于0℃的防冻液或相变制冷剂。

作为本实用新型的一种优选方案，所述地下换热管的进口和/或出口处设置有隔热保温护套。

作为本实用新型的另一种优选方案，所述地下换热管伸入地下部分垂直长度大于或等于25m。

本实用新型的有益效果：1、本实用新型基于：水的比热：4.2j/g，水结冰释放的凝结热：366j/g，将地下土壤温度降至0℃以下结冰释放土壤中水份凝结热，一个地源孔土壤水份释放的热量是传统地源3～5℃换热能量的80倍，使工程造价降低数倍，替代风冷空调低温热量不足、能效低的问题。

2、本实用新型地源孔比传统水降温型数量减少5-8倍，占地面积大幅减小，城市密集建筑群也能应用本地源换热器，高密度储能冻土融化降温侵蚀较少，夏季供冷电费下降95%以上，对人类可持续发展具有重要意义。

3、本实用新型的地上换热装置除新建外，还适合各种旧的冷却塔、风冷换热空调改造，不再使用耗电巨大的压缩机，利用冬季严寒散热，同样换热器散热能力比夏季散热提高数倍，系统更加可靠，维护更加简单，成本大幅降低。

4、本实用新型地上换热装置，室内可采用换热微管、套管换热器、板式换热器各种隔离设备，再通过水循环地热管或风机盘管传热，外换热器采用太阳能板，科学巧妙的结构，实现了无费用的建筑或农业自动循环供暖，供冷。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图。

图2是本实用新型实施例2的结构示意图。

图3是本实用新型实施例3的结构示意图。

图4是本实用新型实施例4的结构示意图。

图5是本实用新型实施例5的结构示意图。

图6是本实用新型实施例6的结构示意图。

附图中1为地下换热管、2为出口、3为地源孔、4为隔热保温护套、5为控制阀、6为循环泵、7为室内换热器、9为三通阀门、10为室外换热器、11为冷媒换热管、12为板式换热器、13为压缩机、14为系统阀门、15为换热装置泵、16为节流管、17为单向阀、18为储液罐、19为除湿换热器、20为隔热层。

具体实施方式

本实用新型的地下换热管凝结热获取和释放装置，包括地上换热装置，其特征在于：地上换热装置与地下换热管1相连，所述地下换热管1内设置有凝固点低于0℃的防冻液或者相变制冷剂。

作为本实用新型的一种优选方案，所述地下换热管1的进口和/或出口2处设置有一段隔热保温护套4。

作为本实用新型的另一种优选方案，所述地下换热管1伸入地下部分垂直长度大于或等于25m。

实施例1，结合附图1对本实施例作进一步说明。

所述地上换热装置包括与地下换热管1出口连接的三通阀门9，三通阀门9的一端连通地下换热管1出口22、室内换热器7和地下换热管1的进口；三通阀门9的另一端连通地下换热管1出口22、冷却塔和地下换热管1的进口。

所述地下换热管1和地上换热装置之间设置有循环泵6。

以中国（北京）地区10000m²商业建筑为例，原空调采用1934KW变频离心水冷机组，最大耗电量：350KW，每月电费：35万元，夏季电费：200万元。改造为冷却塔做冬季使用，在距建筑18米停车场钻地源孔3共40个，深度120m，孔径20cm，植入PE材料底部为U型的地下换热管1，33组并联为一个回路，地下换热管1通过循环泵6连接三通阀门9公共端口b，三通阀门9右侧端口c连接室内换热器7，三通阀门9左侧端口a连接冷却塔，地下换热管1与室内换热器7冷却塔共同连接，管路为防冻液循环，三通阀门9也可以用两个阀门代替。

PE材料的地下换热管1耐低温达-60℃，被冻土挤压稍微内收缩强度良好，可使用数十年，地下水位20米以下，地面可设隔热层20，地下换热管1出口距地面5米设有隔热保温护套4，用来控制地面下5米为土层结冰高度，地下换热管1进口下部30m设隔热保温护套4，主要在30米深高含水层结冰向四周围微膨胀，地源孔3的孔距间隔4米，建筑安全万无一失。原压缩机组不再运行，夏季冷却塔不工作。

工作原理：

冬天气温进入-5℃后的午夜，三通阀门9a、b连通，循环泵6工作，将防冻液输入冷却塔，散热后回流的-4℃防冻液进入地源孔3内带隔热护套的地下换热管1进口，经U型的地下换热管1进入另一支路由下至上吸收土壤热量，经地下换热管1出口22重新进入冷却塔散热循环，由于低温防冻液较重，吸热后的防冻液较轻，通过变频调速，使循环泵6的流量让冷却塔大的回液温度接近室外气温-4.5℃，循环泵6耗电很微小，直至气温降至-12℃，最低月份，冷却塔的回液温度早已经低于冰点温度，由于冰的导热系数达2.2w℃m，2倍于水和土壤，地源孔3下部土壤结冰以后很快扩散为冻土，40个地源孔3冻冰直径4米，储存冷量7879×10³KWH为该建筑夏季冷能需求的2～3倍。

夏天到来，地源孔3内冻土融化了20～30%，冻土集中区域融化更少，室内温度高于25℃后，三通阀门9切换到b、c连通，循环泵6将地下换热管1内3℃防冻液输入室内换热器7供冷，直到整个夏季结束。

实施例2：结合附图2对本实施例作进一步说明。

在地下换热管1侧方设置有冷媒换热管11，冷媒换热管11与地上的室外换热器10相连；地下换热管1和地上换热装置之间设置有循环泵6。

实施例1所述的冬季地源管散热储冰装置，冬天需要循环泵6工作消耗电力，冷却塔内的风扇工作也需要消耗一定的电力，还带来设备磨损以及人员的跟随工作，按照惯例停车场需要扫雪、除冰，也需要大量人力劳动。

为此在地源孔3内同时植入地下换热管1和冷媒换热管11，冷媒换热管11连接室外换热器10，室外换热器10可为：地面散热管、风冷放热器、或其它放热器中的至少一种，优选结构为室外换热器10的气管进口比液管出口位置高1米以上，如换热器粘贴在墙壁上，冷媒换热管11和室外换热器10内抽真空后充注气液混合二氧化碳，或其它相变传热介质。

工作原理：当冬季来临，室外气温低于地源孔3内冷媒换热管11温度后，冷媒换热管11中的二氧化碳受热气化，从U型管路一侧支管的气体出口上升进入室外地面散热管或风冷器放热，被低气温冷却后变成液体，进入U型的冷媒换热管11支管的液体进口一端，重新进入冷媒换热管11，构成自然放热储冷循环，将地源孔3下部土壤释放凝结热后结冰作为夏季冷源。

地源孔3可在停车场格状分布，恰好将每个地源孔3的室外换热器10设置在对应部位水泥中，在前半个冬季，在循环的过程中把地面的积雪和冰融化掉，节省大量扫雪、除冰劳动。车场也不那么寒冷。

在上海等地区，冬季0℃以下天数较短，将图1、图2进行合成，在地源孔3内植入的连接地面或室外换热器10，地下换热管1连接冷却塔，在气温下降到0℃以下时，循环泵6也同时工作，二个散热系统同时散热，在宝贵的低温时段最大限度的放热储冷，直到地下成为冻土，给来年的建筑提供可靠的巨大冰储冷源。

地源冷媒中循环防冻液的管路和冷媒换热管11路之间通过土壤作为传热介子，实现了现有水系统空调或风冷空调改造的巧妙耦合，施工简单，成本低廉。

实施例3，结合附图3对本实施例作进一步说明。

地源孔3内设置有地下换热管1，地下换热管1与循环泵6、压缩机13和板式换热器12串联，板式换热器12另一侧上端口连接换热装置泵15进口和系统阀门14一侧端口，板式换热器12另一侧下端口连接室内换热器7下端口和系统阀门14另一端口，换热装置泵15出口连接压缩机另一侧下端口，压缩机上端口连接室内换热器7上端口。

地面可设置隔热层20。

所述压缩机13为离心机组。

在中国（北京）地区现有10000m²商业建筑为例，原空调采用一台1934KW变频离心水冷机组，最大耗电量：510KW，全夏季电费：200万元，现将原有供冷离心机组改造为单供暖机组，最大供热量：2393KW，供热功率：80W/m²，如采用传统地源热泵孔3需要400个，降为本实用新型在运动场位置钻孔40个，连接如图3所示。

工作原理：入冬开始，原有系统阀门14开启，压缩机13工作，经循环泵6将地下换热管1中的防冻液输入压缩机13的换热器，内部蒸发吸热后防冻液经板式换热器12进入地下换热管1的进口构成循环工作，离心压缩机出口端由换热装置泵15推动的水或防冻液换热为热水或防冻液进入室内换热器7供暖，放热后的水或防冻液通过系统阀门14构成循环。由于地源孔3低于0℃换热通常在-5℃左右，制热能效比仅仅由4.5降至4.2左右。

夏季到来，单个地源土壤结冰释放的凝结热达180000KWH，1个地源孔3输出热量达到传统地源孔5个以上输出的热量。由于地源孔3数量少，冻土冷量密度高，集中位置融化更少，储存的冰提供的夏季供冷接近于免费，其节省的电费制冷电费比冬季增量降低6～8倍。仅需循环泵6工作，地源孔3内凝结的冻土冷量，被地下换热管1换热为2～3℃的防冻液导入板式换热器12，再经换热装置泵15、进入室内换热器7吸热降温，通过换热装置泵15的变频调速，控制室内温度和除湿风冷器，使室内达到最佳舒适度。

实施例4，结合附图4对本实施例作进一步说明。

所述地下换热管1侧方设置有冷媒换热管11，冷媒换热管11的液管连接三通阀门9的b口，三通阀门9的c口连接室外换热器10的液管接口，室外换热器10的气管接口连接压缩机13的进口，压缩机13出口与储液罐18、室内换热器7、除湿换热器19上端口共同连接，室内换热器7出口串联单向阀17与除湿换热器19下端口串联的节流管16下端口、三通阀门9的a端口共同连接，冷媒换热管11液管连接三通阀门9的c端口。

地面可设置隔热层20。

优选结构为：压缩机采用磁悬浮无油型，室外换热器10采用阳光板换热器，室内换热器7采用微孔管多根并联埋入水泥中，或者采用微孔管辐射板，系统内充注相变冷媒二氧化碳、R134a，R410等。

工作原理：冬季开始地源孔3内冷媒换热管11的15℃冷媒气体直接进入压缩机13回气口，输出30℃进入室内换热器7放热，当室内温度设定为23℃，冷媒放热冷凝回液温度24℃，能效比达6～7。

冬季过半，地源孔3内土壤围绕换热管温度降至0℃开始结冰，导热系数由含水土壤的0.8W℃/m上升至冰的导热系数2.2W℃/m，冰的凝结热达366j/g，比水降温放热4.2j/g高80倍，随着结冰直径不断加大，压缩机进气温度在-2～5℃时，已经实现最大功率工作，输出压力对应温度35℃，当室内温度设定23℃，二氧化碳放热冷凝回液温度26℃，由于地源冷媒换热管11气体向的压缩机13热管自动循环，没有水泵耗电，能效比大幅高于传统地源热泵，达5.5。

夏季到来，清晨气温比较低，三通阀门9a、c连通，冷媒液体基本都流入地源冷媒换热管11和室外换热器10，三通阀门9关闭，随着室外气温提高，特别是阳光照射到室外换热器10以后，内部冷媒气化膨胀，压力不断升高达到设定值时，三通阀门9的a、c连通，室外换热器10中的高压冷媒迅速进入冷媒换热管11，通过U型管将换热管11中的液体通过节流管16顶入除湿换热器19和储液罐18中，除湿换热器19风机将冷媒冷量吹入室内同时除湿，部分进入室内换热管7供冷，三通阀9关闭，等待地源孔内土壤已经将冷媒换热管11冷却至0-2℃，室外换热器10中的冷媒气体也全部进入地下换热管1形成低压空腔，三通阀门9的a、c连通，储液罐18中的冷媒一部分反向进入除湿器19蒸发制冷除湿，另一部分通过室内换热器7供冷、气体通过单向阀17、三通阀门9a、c端口、室外换热器10进入地源孔3内冷媒换热管11冷却为液体直到满液状态，冷媒在流过室外换热器10时带走大量热能，使其温度降低也成为满液状态，即使室外换热器10内部为气液混合物，三通阀门9关断后，内部液体时间稍长蒸发压力增加，再次连通三通阀门9时，重复将地源冷媒换热管11中的液体冷凝顶入室内换热器7，从而实现自然能量供冷，没有任何电力消耗。

500m²别墅，采用传统地源孔3需要打孔10个，但本技术仅需打孔2个，设备和工程成本降低数倍，每个孔内植入冷媒换热管11，采用多根微孔管并联回油好，地源冷媒换热管11的气管端口连接压缩机回口，压缩机出口连接室内换热器7或水-冷媒换热器，室内采用冷媒换热管11时下端口串联风冷除湿器，夏天时，通过控制三通阀门9实现室内免费供冷。

如果将压缩机13改成控制阀5，增加地源孔数量，在一个地面范围内，中心的孔重点储热，四周的孔重点储冷，外换热器10采用60m2面积的阳光板，夏季向地源孔3内输送更多热量，实现冬季无费用供暖方式。

实施例5：结合图5对本实施例做进一步描述：

在地下换热管1侧方设置有冷媒换热管11，冷媒换热管11的出口与室外换热板的进口相连，室外换热板的出口与三通阀门9的c口相连，三通阀门9的b口与冷媒换热管11的出口相连，三通阀门9的c口与室内换热器7的进口相连，室内换热器7的出口分别与冷媒换热管11的进口和一控制阀5相连，单向阀17的出口端与室外换热板的进口相连。

采用图5所示装置，0耗电供暖、0耗电供冷。

工作原理：进入冬季后，三通阀门9的a，b接通，地源孔3内夏季储存的热量通过冷媒换热管11、三通阀门9输入室内换热器7给室内供暖，放热后冷媒液体通过管路进入地源孔3内冷媒换热管11，经U型弯重新加热，构成连续循环。如果室外换热板采用部分玻璃隔热层20，当白天阳光充足时，冬季管内温度高于室内温度时，三通阀门9的a、c接通，室外换热板内冷媒会直接进入室内换热器7放热供暖。

如果需要储存较大冷量，单向阀17采用控制阀5，午夜打开，会把室外换热板内低于0℃的冷媒吸入地源孔3内液管，形成地源孔3上部土壤温度大幅降低，逐渐降温成为冻土。

夏天到来，室外换热板内温度高于30℃，室内温度高于25℃，三通阀门9的b、c连通，室外换热板内高压冷媒气体极速前进地源孔3冷媒换热管11中，将冷媒换热管11内的低温液体冷媒全部顶入室内换热器7内，将其内部的冷媒气体被压缩并冷却进入三通阀门9的a连接管路中，进入室内换热器7的冷媒不断释放冷量，此时地源孔3内冷媒换热管11内气体温度逐渐降温至15℃以下成为少量液体，压力降低，室外换热板内压力也大幅降低，室内换热器7液体冷媒吸热后温度压力提高，一部分直接进入地下换热管1液管，另一部分通过控制阀5、室外换热板、三通阀门9进入地源孔3内换热管气管，室内换热器7内冷媒回流压力降低，剩下的冷媒不断蒸发吸热为气体，直到地源孔3内冷媒换热管11内灌满液体，室外换热板内管路也接近灌满液体，室内换热器7内成为气体腔，三通阀门9关闭，等待室外换热板温度压力提高以后进行下次切换供冷。

实施例6，结合图6对本实施例做进一步描述：

地下换热管1侧方设置有冷媒换热管11，冷媒换热管11的出口与板式换热器12的进口相连，板式换热器12的出口与三通阀门9的c口相连，三通阀门9的b口与冷媒换热管11的进口相连，同阀门的a口与储液罐18相连，报警器及探测线设置在金属管和外包覆塑料埋入土壤的表面。

在地球纬度较高地区，冬季由于阳光照射不足，气温太低农田不能生产，采用塑料大棚内部取暖也要耗费大量能源，导致产出作物成本太高，而夏季阳光过强时一些大棚需要遮挡，有些水果蔬菜喜欢低温。

工作原理：本实施例地源管冬夏自循环系统农业应用，室外换热器12设置在塑料大棚中，适合各种辐射换热器，包括使用透明的石墨烯微通道换热器，当地源内换热管11和室外换热器12内为冷媒液体时，阳光热量使室外换热器加热增压，三通阀a、b连通，室外换热器12内高压冷媒气体进入冷媒换热管11，将内部液体冷媒全部顶入储液罐18，三通阀9关闭，随着时间的推移，地源管内气体被土壤冷量冷却为液体，体积降低几十倍，包括室外换热器12内部压力共同降低，三通阀9的a、c连通，储液罐18内的液体自然下流，通过室外换热器12进入冷媒换热管11，三通阀9关闭，再次进行新的循环，如此不仅给塑料大棚内降温，还将大量阳光热量带入土壤储存起来，三通阀9可以使用微功耗电动阀，动作频率很小，一块光伏板可以供电几十个电动阀。

冬季来临，在储液罐内液体下流一半的情况下，关闭三通阀，只要塑料大棚内温度低于地源孔内，地源孔内换热管气管冷媒气体进入室外换热器12，给大棚内自动增温，直到冬季结束，这种不用电力将夏季太阳能储存起来冬季放入方式，将给北方农业带来新的发展，它也同样适合各种厂房车间。

储热储冷方法，并非能够概括各种阀门及水泵的各种连接形式。其方法已经最大限度节省电能开资，工程造价低廉。

本实用新型使用上述装置的地下换热管凝结热获取和释放方法，其特征在于：地上温度低于0℃时，地下换热管1内的防冻液或者相变制冷剂在地上换热装置中进行散热，地上换热装置控制防冻液循环，防冻液低于0℃时，地下换热管1内的防冻液会使地下形成冻土；地上温度高时，地下换热管1配合地上换热装置将冻土内储存的冷量释放到地上。

可以理解的是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.地下换热管凝结热获取和释放装置，包括地上换热装置，其特征在于：地上换热装置与地下换热管（1）相连，所述地下换热管（1）内设置有凝固点低于0℃的防冻液或者相变制冷剂。

2.根据权利要求1所述的地下换热管凝结热获取和释放装置，其特征在于：所述地下换热管（1）的进口和/或出口处设置有一段隔热保温护套（4）。

3.根据权利要求1所述的地下换热管凝结热获取和释放装置，其特征在于：所述地下换热管（1）伸入地下部分垂直长度大于或等于25m。

4.根据权利要求1所述的地下换热管凝结热获取和释放装置，其特征在于：在地下换热管（1）侧方设置有冷媒换热管（11），冷媒换热管（11）与地上的室外换热器（10）相连；地下换热管（1）和地上换热装置之间设置有循环泵（6）。

5.根据权利要求1所述的地下换热管凝结热获取和释放装置，其特征在于：地源孔（3）内设置有地下换热管（1），地下换热管（1）与循环泵（6）、压缩机（13）和板式换热器（12）串联，板式换热器（12）另一侧上端口连接换热装置泵（15）进口和系统阀门（14）一侧端口，板式换热器（12）另一侧下端口连接室内换热器（7）下端口和系统阀门（14）另一端口，换热装置泵（15）出口连接压缩机另一侧下端口，压缩机上端口连接室内换热器（7）上端口。

6.根据权利要求1所述的地下换热管凝结热获取和释放装置，其特征在于：所述地下换热管（1）侧方设置有冷媒换热管（11），冷媒换热管（11）的液管连接三通阀门（9）的b口，三通阀门（9）的c口连接室外换热器（10）的液管接口，室外换热器（10）的气管接口连接压缩机（13）的进口，压缩机（13）出口与储液罐（18）、室内换热器（7）、除湿换热器（19）上端口共同连接，室内换热器（7）出口串联单向阀（17）与除湿换热器（19）下端口串联的节流管（16）下端口、三通阀门（9）的a端口共同连接，冷媒换热管（11）液管连接三通阀门（9）的c端口。

7.根据权利要求1所述的地下换热管凝结热获取和释放装置，其特征在于：在地下换热管（1）侧方设置有冷媒换热管（11），冷媒换热管（11）的出口与室外换热板的进口相连，室外换热板的出口与三通阀门（9）的c口相连，三通阀门（9）的b口与冷媒换热管（11）的出口相连，三通阀门（9）的c口与室内换热器（7）的进口相连，室内换热器（7）的出口分别与冷媒换热管（11）的进口和一控制阀（5）相连，单向阀（17）的出口端与室外换热板的进口相连。

8.根据权利要求1所述的地下换热管凝结热获取和释放装置，其特征在于：地下换热管（1）侧方设置有冷媒换热管（11），冷媒换热管（11）的出口与板式换热器（12）的进口相连，板式换热器（12）的出口与三通阀门（9）的c口相连，三通阀门（9）的b口与冷媒换热管（11）的进口相连，同阀门的a口与储液罐（18）相连。

Images