CN2800177Y - 地下水库式地热换能装置 - Google Patents

Abstract

采用地下水库式地热换能装置，由埋地管、换热单元、循环泵、载热介质、循环管路等组成地热换热循环回路，其特征在于，地热换热循环回路中还包括一个或一个以上的地下水库，地下水库经埋地管相互连通、并分别经冷、热液流管接入换热循环回路。由于采用了地下水库与埋地管组合的循环地热换热装置，可使得换热器设置深度加深，装置受地面环境温度的影响减小，单位面积上储能容量得到大幅度增加，因而可适合于大中型建筑节能工程的应用，并且，由于其地下结构可适于采用非开挖方式进行深层施工作业，使得施工较为简单，与对应的现有浅层水平埋管技术相比，施工影响面积或占地面积减小，同时，装置能适合在城市等建筑密集地带施工与安装使用，能减少施工费用、缩短施工周期，并能免除开挖施工对地面结构与环境造成的不利影响。

Description

地下水库式地热换能装置

技术领域

本实用新型属空调节能与可再生能源利用领域，尤其是涉及一种地下水库式地热换能装置技术。

发明背景

地球表面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地能，包括地下水、地壤、或地表水等的既可供热又可制冷的高效建筑节能空调系统，通过输入少量的高品位电能，可实现低温位能量向高温位能量的转移，其中，水源热泵是利用了地球表面或浅层水源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统，当之无愧地成为可再生能源一种形式。水源热泵技术利用地下水以及地表水源的过程当中，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。

土壤埋管式热泵系统是地源热泵系统的又一种方式，通过埋设土壤换热器来实现载热介质与岩壤的换热，如在冬季供热过程中，载热介质从地下收集热量，再通过系统把热量带到室内；夏季制冷时系统逆向运行，即从室内带走热量，再通过系统将热量送到地下岩土中。因此，土壤埋管式热泵系统保持了地下水源热泵利用大地作为冷热源的优点，同时又不需要抽取地下水作为传热的介质，是一种具有更大发展前途的可持续发展建筑节能新技术，埋地管式循环地热换热装置可用作土壤埋管式热泵系统的一个前端耦合部分，通常，按埋地换热器埋管方式分为：水平埋管、垂直埋管及螺旋盘管，这种地源热泵系统对土壤换热器的材质及地质结构的要求比较高，其中，水平埋管占地面积较大，需要开挖，因此埋管深度浅，受地表气温、太阳辐射等因素影响较大，系统稳定性低；垂直埋管受地表环境温度影响小，但埋管深，采用高承压聚乙烯塑料U型管时相应的地孔钻掘费用及相关材料费用增加，螺旋管占地面积小，投资相对较小，但需要开挖，换热效果不及垂直埋管，介于前两者之间，由于土壤埋管式热泵系统投资较其它地源热泵方式要高，所以这种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。

例如中国专利ZL200420015826.7公开了一种采用地下浅层埋管汲取热源的“浅层土壤地温水源热泵”，该装置由热泵机组和配置供水泵的循环水管及串接于循环水管中水平埋设于地下的地温换热管组成，利用地温换热管取代打竖井及在孔中埋设塑料管换热器为水源热泵提供水源，以解决现行水源热泵回灌困难及造成地下水资源丢失的问题。由于该装置采用了水平埋设于地下的浅层埋管地温换热管，使得该装置极易受地表环境温度的影响，装置的运行稳定性较差，装置的施工影响面积和地下占地面积较大，开挖施工还对地面结构与环境造成不利的影响，因此，只适用于使用设置要求较低、应用面积较小的居住类单体建筑和建筑密度较低的乡镇地区，不适合在建筑面积密度较大的城市和大型工程中应用。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种换热性能受地面环境温度影响小而稳定、能扩大单位面积上地热换热能量级别、并适用于大中型空调节能工程应用的循环地热换热装置，使得其在土壤换热器设置深度加深的同时，其地下部分结构的施工简便，施工影响面积或占地面积减小，同时，装置能适合于在城市等建筑密集地带施工与安装使用，与现有对应的埋地管浅层水平埋管技术相比应能降低施工费用、缩短施工周期，并能免除开挖施工对地面结构与环境造成的不利影响。

本实用新型是通过以下技术方案实现的，采用地下水库式地热换能装置，由埋地管、换热单元、循环泵、载热介质、循环管路等组成地热换热循环回路，其特征在于，地热换热循环回路中还包括一个或一个以上的地下水库，地下水库经埋地管连通、并分别经冷、热液流管接入地热换热循环回路。

所述的地下水库经埋地管的连通，可以是一个地下水库的上、下水层间经分隔后设置换热埋地管的相互连通、或是一个以上的地下水库间经设置换热埋地管的相互连通。所述的埋地管可以是直线管的、或是曲线管。所述的埋地管是经非开挖方式埋设的，其相邻间隔A的范围在1.5到6米。所述的埋地管表面可带有翅片，翅片间可设置吸水保湿填料。所述的所述的载热介质包括液体及液体中含有固态相变储能材料液态流体。所述的埋地管可所述的载热介质的液体可是水、或矿物质溶液、或乳化液。所述的埋地管可所述的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。所述的地下水库的最佳设置深度是距地表以下第一储水层的深度。所述的一个或一个以上的地下水库是经爆炸成形的地下固壁水库。采暖模式下，所述的蒸发器及制冷时冷凝器经换热器切换连接地下水库循环换热回路，采暖模式下切换后可经太阳能集热器增温补偿。

本实用新型的优点是：由于采用了地下水库与埋地管组合的循环地热换热装置，可使得换热器设置深度加深，装置受地面环境温度的影响减小，单位面积上储能容量得到大幅度增加，因而可适合于大中型建筑节能工程的应用，并且，由于其地下结构可适于采用非开挖方式进行深层施工作业，使得施工较为简单，与对应的现有浅层水平埋管技术相比，施工影响面积或占地面积减小，同时，装置能适合在城市等建筑密集地带施工与安装使用，能减少施工费用、缩短施工周期，并能免除开挖施工对地面结构与环境造成的不利影响。

附图说明

图1是本实用新型地下水库式地热换能装置一个实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中地下水库采用螺旋盘管型曲线连通换热埋地管的结构示意图；

图3是地下水库、埋地管及连接管道的实施例平面连接示意图。

具体实施方式：

按图1所示，本实用新型地下水库式地热换能装置实施例之一由埋地管1、地下水库2、载热介质3、循环管路4、循环泵5、换热单元6、储能水箱7、保湿渗水管8等组成，其中，循环管路4中包括除污装置411、温度传感器412、流量调节阀413、流量计414等组成。土壤换热器部分包括了埋地管和地下水库。

地下水库包括一个或一个以上的地下水库，可采用经爆炸成形的地下固壁水库。地下水库经埋地管连通，是指一个地下水库2的上下水层间经图2中所示的分隔板201分隔后设置换热埋地管1的相互连通、或是指经图3中所示的一个以上的地下水库间经设置换热埋地管的相互连通。对于单个地下水库，埋地管的相互连通是指上、下层间经直线埋地管或曲线埋地管方式的相互连通，对于一个以上的地下水库，是指地下水库间经直线埋地管或曲线埋地管方式的相互连通。埋地管设置在地下水库的供水与回水管口附近，冷、热液流管是循环管路的一部分，载热介质分别经通入地下水库底部或顶部的冷、热液流管流入换热循环回路，从而形成如图1所示的一个初级地热换热的循环回路，所述的换热循环回路可以设置在地面或地下安装室的建筑结构中。

初级地热换热循环回路包括：埋地管1、地下水库2、载热介质3、初级循环管路4、初级循环泵5、换热单元或其偶合端6等，初级地热换热循环回路中还可连接储能水箱7；次级换热循环回路包括：换热单元的另一个偶合端6、次级循环泵、载热介质、次级循环管路等，换热装置的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、循环泵和循环管路都可设置在地面或地下。

埋地管可采用金属管或塑料管，表面可带有翅片，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。所述的埋地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水库，然后，利用地下水库的空间设置小型非开挖水平导向埋管钻机，完成埋地管的非开挖埋管施工，埋地管间其相邻间隔A的范围在1.5到6米，最佳的相邻间隔A为3到4米，具体根据土壤组成与地下的湿度控制条件而决定，一般地下埋设层的湿度状况下，如选择埋地管的间隔为3米，可以取得较好的换热效率。地下水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，埋地管外壁钻地孔洞内可设置吸水保湿填料，当第一储水层较深时，可在埋地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8，定时从地面灌水用于保持埋地管设置深度上换热影响区域的传热湿度，以利于提高地热换热的效率。

参见图3所示给出了多个地下水库、埋地管及连接管道之间的的一个平面连接示意图，通常，地下水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，除了在每个地下水库的供水与回水管口附近设置埋地管外，相邻的地下水库之间也可水平设置换热连通埋地管，多个地下水库可组成地下水库的矩阵排列，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管设置施工便可以利用地下水库的容积空间，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，从地下水库引出的换热连通埋地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：地下水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装置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一个以上的换热单元。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。

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，当地下水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7，地下水库中的载热介质经抽水泵储入开式的储能水箱7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。当地下水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。

所述的载热介质可以采用人工储入地下水库的地表水、或是矿物质溶液、或是乳化液等载热介质。循环泵可以采用抽水泵，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。

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水库循环换热回路，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水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水库下端底部；制冷模式下，其载热介质的换热循环是从地下水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水库的上部。如此，通过换热循环不断地送出地下的可再生能源。

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水库中，例如，夏季可经电控开关阀K切换后从地下水库的底部取水上送供制冷，其开式的地表能源储能水箱7内储备的大量夏季热水可回灌送入地下水库的上层水层供作反季节时利用，冬季时相反，可抽取地下水库上层的热水供作采暖热源，将其地表能源储能水箱7内储备的大量冬季冰水回灌送入地下水库的底层水层供作反季节时利用，为了更有效的利用地下水库储存冷热资源，还可采用多个地下子水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。

Claims (10)

1.地下水库式地热换能装置，由埋地管、换热单元、循环泵、载热介质、循环管路等组成地热换热循环回路，其特征在于，地热换热循环回路中还包括一个或一个以上的地下水库，地下水库经埋地管连通、并分别经冷、热液流管接入地热换热循环回路。

2.根据权利要求1所述的地下水库式地热换能装置，其特征在于，所述的地下水库经埋地管的连通，可以是一个地下水库的上、下水层间经分隔后设置换热埋地管的相互连通、或是一个以上的地下水库间经设置换热埋地管的相互连通。

3.根据权利要求1所述的地下水库式地热换能装置，其特征在于，所述的埋地管可以是直线管的、或是曲线管。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的地下水库式地热换能装置，其特征在于，所述的埋地管是经非开挖方式埋设的，其相邻间隔A的范围在1.5到6米。

5.根据权利要求1所述的地下水库式地热换能装置，其特征在于，所述的埋地管表面可带有翅片，翅片间可设置吸水保湿填料。

6.根据权利要求1所述的地下水库式地热换能装置，其特征在于，所述的载热介质包括液体及液体中含有固态相变储能材料液态流体。

7.根据权利要求1所述的地下水库式地热换能装置，其特征在于，所述的埋地管可所述的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。

8.根据权利要求1所述的地下水库式地热换能装置，其特征在于，所述的地下水库的最佳设置深度是距地表以下第一储水层的深度。

9.根据权利要求1所述的地下水库式地热换能装置，其特征在于，所述的一个或一个以上的地下水库是经爆炸成形的地下固壁水库。

10.根据权利要求1所述的地下水库式地热换能装置，其特征在于，采暖模式下，所述的蒸发器及制冷时冷凝器经换热器切换连接地下水库循环换热回路，采暖模式下切换后可经太阳能集热器增温补偿。

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