利用天然地熱的地面調溫融雪裝置及其應用的製作方法

2023-06-10 21:25:56

專利名稱：利用天然地熱的地面調溫融雪裝置及其應用的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於一種地熱利用系統，尤其涉及一種利用天然地下熱能進行除雪除 冰的地面調溫融雪裝置。
背景技術：
近年來，隨著中國經濟的高速發展，國家在基礎設施建設上的投入不斷加大，許多 快速公路、高速公路以及機場相繼建成使用，給人們的生產生活及出行提供了極大的方便 快捷。但是，在某些北方地區的冬春季節，由於降雪頻繁，以及晝夜溫差大，易在路面上形成 積雪或冰凍的現象，嚴重影響車輛或飛機的行駛安全，造成極大的安全隱患。以往對於路 表積雪，主要是利用人工或除雪車進行清雪作業或撒鹽，不僅耗費大量的人力物力，車輛燃 油排放還對環境形成汙染，更重要的是這些常規方法效率較低，能耗高，通常需要較長的時 間，容易造成交通堵塞，高速公路封閉，機場關閉，鐵路停運，耽誤人們的正常出行，造成巨 大經濟損失。2005年3月23日公開的專利號為03120732. 4的中國專利，提供了一種利用 地熱的地面調溫融雪裝置，通過垂直埋設於地下的採熱器，和在熱交換器之間循環供給的 一次不凍液採集地熱，採集到的地熱，通過熱交換器轉移到循環在該熱交換器和鋪設於融 雪場所的放熱管之間的二次不凍液上，在融雪場所釋放該熱能融化積雪的裝置。在採熱器 和熱交換器之間，為了使一次不凍液循環而設有往路和迴路，在該迴路上為一次不凍液循 環設有循環泵。這種技術方案利用地熱隨時融化路面積雪，工作效率有了一定的提高。但 是，由於該技術方案使用不凍液作為熱交換媒介，一但不凍液發生變性遇冷凝固，將堵塞管 路，使系統無法實現正常的熱量循環，因此必須定期更換不凍液，費用較高。而且，該技術方 案在中途還利用熱交換器件進行一次熱量交換，這一過程不可避免地產生熱量損失，降低 地熱能量的利用率。此外，在管路中設置循環泵，一方面加大了能源的消耗，另一方面也帶 來了新的汙染。因此，該技術方案無論從經濟角度還是從環保角度考慮，均存在一些明顯的 不足。另外，冬天蔬菜大棚溫度低時需要利用土暖氣燃煤生火提高地溫棚溫，浪費能源， 增加排放。果園在寒流來時需要生火生煙防止霜凍，新疆內蒙等地草原冬天大雪覆蓋草原， 牛羊無處安歇藏身，造成大量牛羊凍死。這些均需要一種經濟方便環保的調溫措施。
發明內容本實用新型的目的之一在於克服上述缺陷，提供一種地熱利用率高、無任何汙染 且無需額外消耗其他能源的利用天然地熱的地面調溫融雪裝置。本實用新型是這樣實現的，包括集熱部和散熱部，散熱部高於集熱部，集熱部通過 輸出管和回流管與散熱部相連通，組成密閉的迴路，其特徵在於迴路中裝有低沸點工質 作為傳熱工質，散熱部由至少一根散熱管和一根集流管組成，散熱管與集流管經返回部相 連，集流管位於散熱管下方，散熱管兩端分別與輸出管及返回部相連通，集流管兩端分別與 返回部及回流管上端相連通，集流管從返回部向回流管方向向下連續傾斜，其傾斜度小於
41 10。所述低沸點工質是指在常溫下為氣態，在低於其沸點時會轉變為液態的工質，如 液氨、氟利昂或其環保替代品。在實際應用中，可以根據地區的氣溫特點選用不同沸點的材 料作為傳熱工質。一股來說，所選用低沸點工質的沸點應不高於-10°C。為了實現傳熱工質材料在迴路中的順利循環，散熱部的散熱管與集流管之間可以 利用至少一根比集流管更細的集流支管保持連通。此外，還可以採用散熱管從輸出管與散 熱管的接合部至返回部方向向下連續傾斜的技術方案，根據實際工程經驗，一股情況下傾 斜度小於4 100。為了提高散熱部的散熱效率，散熱部可以包含二根或二根以上在水平 方向平行排列的散熱管，散熱管的兩端分別通過連集管相連通，散熱管入口端的連集管與 輸出管相連通，散熱管出口端的連集管經返回部與集流管相連通。另外，散熱部的散熱管上 還可以設置翅片來進一步提高散熱能力。由於低沸點工質經散熱管散熱冷凝後體積大幅減 小，因此也可以對應二根或二根以上散熱管設置一根集流管，一根散熱管對應一根集流管 時集流管可以更細些。為了便於隨時往迴路內添加低沸點工質，在迴路中設置低沸點工質的灌注口和相 應的灌注開關閥。此外，為了能夠隨時排出隨低沸點工質混入迴路的氣體雜質，還可以在回 路中設置排氣口和相應的排氣開關閥。本實用新型中集熱部的形式可以多種多樣，根據需要，集熱部可以為一 U形管，U 形管的兩端分別與輸出管和回流管相連；集熱部也可以為一盲管，輸出管的下端位於盲管 頂部，回流管下端位於盲管底部。為了減少循環過程中的熱量損失，可以在迴路中採取一些保溫措施，例如，在至少 部分輸出管和回流管上設置保溫層等。出於方便維護和控制的考慮，在輸出管或/和回流管上設置開關閥。所述開關閥 還可以設置遠程控制裝置以方便管理。本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，利用集熱部中的低沸點工質作為 傳熱工質吸收地下熱能，蒸發汽化，帶走大量的潛熱，工質蒸汽主要沿輸出管上升至設置於 地面或路面內的散熱部中，遇冷凝結為液態，釋放出大量凝結潛熱，液態工質經集流管引導 最終沿回流管返回至集熱器，實現一次熱交換循環。通過不斷地自動重複上述熱循環過程， 不用任何電力或燃料，就可以將地熱源源不斷地輸送到散熱部附近的地表或路面，將地表 的溫度維持在零度以上，起到防止地面或路面上存留霜雪、防止結冰或融化霜雪的作用。由 於在整個工作過程中沒有二次換熱，因此系統結構更加簡單，地熱利用率更高，傳送過程中 熱量損失少。又因為本實用新型在工作過程中不涉及任何輔助動力裝置，因此不額外消耗 能源，即環保又經濟。此外，本實用新型利用沸點低的傳熱工質作為熱量交換的載體，無 轉換部件，維修保養容易實現，避免了傳統技術中使用不凍液作為熱傳遞載體時，不凍液變 性後易凝固堵塞管路，清理維修困難，滲漏後易造成環境汙染，頻繁更換保養費用較高等問 題。此外，為了充分利用散熱部，作為一種特例，在本實用新型中還可以增設冷卻部， 冷卻部的位置高於散熱部，並與散熱部相互連通，冷卻部由至少一根帶有翅片的冷卻管組 成，冷卻部與散熱管和集流管之間的連接管路上分別設置開關閥。這種結構的本實用新型 利用天然地熱的地面調溫融雪裝置還可以實現為道路降溫的作用。其原理為在路面過熱的季節，將散熱部與集熱部之間的開關閥都關閉，打開冷卻部與散熱管和集流管之間的連 接管路上的開關閥，這樣，冷卻部與散熱部之間形成獨立的迴路，向散熱部中灌注低沸點工 質，使之充滿散熱部。道路表面經日光照射等原因升溫後，散熱部中的低沸點工質受熱蒸發 進入冷卻部，冷卻部對外散熱後，低沸點工質冷凝後再流回到散熱部中，實現一次熱交換循 環。通過不斷地自動重複上述熱循環過程，就可以降低地表或路面溫度，起到防止地面或路 面過熱的作用。本實用新型的第二個目的在於提供一種應用上述利用天然地熱的地面調溫融雪 裝置的調溫地面結構，其特徵在於所述利用天然地熱的地面調溫融雪裝置沿道路的延伸方 向連排設置，地面調溫融雪裝置的散熱部置於地面下方，集熱部位於調溫地面兩旁或下方 設置的地熱井中，集熱部在地熱井中的深度至少達到地溫常年不低於10°c的地質層，地熱 井上部設置工作井，連接散熱部與集熱部的輸出管和回流管及相應開關閥設在工作井內， 工作井的上埠設置井蓋。研究表明，從地表向下到達一定深度就是恆溫層，其溫度就不受外界四季氣溫的 變化而改變。到達恆溫層的深度因地而異，一股來說對於我國北方大部分地區，大約在地下 10-15米起始，地溫就能常年保持在14°C以上，而且在一定深度內，每加深100米，地溫增 加約3°C。對於我國東北，恆溫層的溫度就要相對低些，例如文獻表明大慶地區的恆溫層溫 度只有2°C。集熱部採集的淺層地溫能通常位於地球表層變溫帶以下10-200米以內的土 壤或基巖中，其熱能主要來自地球深部的內熱，無窮無盡，用之不竭，非常環保，基於上述原 因，集熱部上沿的埋設深度通常為地面下方10米以下，埋入的集熱部長度根據所對應的地 面加熱面積成正比，和地表與地溫溫差成正比。只要集熱部周圍能達到本實用新型要求的 地溫，且埋入的集熱部長度足夠，就可以保證本實用新型裝置的正常工作。為最大程度地發揮調溫和融雪效果，平時不用時可以關閉閥門，防止地熱無為地 散失；在下雪前或有結冰、霜凍傾向時及時打開閥門。為防止熱量散失給表層巖土，還可以 在調溫地面結構中對應散熱部的散熱管下方設置保溫層。此外，為了便於管理和操作，一個 或一個以上工作井內的開關閥的遠程控制裝置可以聯動。需要指出的是，本實用新型所述 的地面結構不僅指城市街道、小區路面、工廠地面、體育場地、普通公路或高速公路，還包括 機場跑道、鐵路道床、蔬菜大棚土壤、果樹周圍土壤、草原牧場地面等具體形式。本實用新型地面結構由於應用了利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，可以調節地 面溫度，使地面溫度始終高於零度以上，使雪花落地即化，積水流走或蒸發乾消失，有效防 止路面存留冰雪帶來的行車安全隱患。特別是對於裡程較長或較偏遠的道路，可以大大緩 解因突降霜雪無法用人工及時清理造成的道路不暢現象，保障交通運輸的順利進行，徹底 避免北方大雪後高速公路封閉、機場關閉等對國民經濟造成的巨大損失。對於鐵路可以保 持道床不積雪，不結冰，如果大功率密集布置，還可以融化鋼軌和道岔上的積雪，避免鐵路 積雪或道岔結冰造成的鐵路中斷。由於本實用新型裝置不需外設動力，無商品能耗，無排 放，維護保養工作量小，因此非常實用而且十分環保。對於蔬菜大棚和果樹，利用本實用新型可以用地熱加熱土壤，提高地溫和棚溫，使 蔬菜和果樹適宜生長期更長，應對霜凍和寒流。對於畜類防雪災，可以在牛羊棚地面下設置 調溫地面，防止牛羊凍死。或利用本實用新型設立一片調溫露天草原，這樣下大雪時，草不 會被積雪覆蓋，可供牛羊雪災期間吃草。當然這也需要將本實用新型調溫融雪裝置大功率密集布置，集熱部要足夠長，井要足夠密，散熱管要足夠密。 本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，管路結構簡單，工程造價低，通過 本實用新型的特殊結構設計，在散熱部設計高度最低的條件下，使工質沿閉合管路大致單 向循環，保證了較高的傳熱效率，因此地熱利用率高，同時既節能又環保，無運轉部件，後期 維修保養費用低，可以廣泛應用於城市街道、公路、高速公路、機場跑道、體育場、鐵路道床 的融冰融雪，基於本實用新型的技術原理，還可以將本實用新型用於蔬菜大棚、果園、牧場 等場所的地表融冰融雪和地面保溫。

[0020]圖1為本實用新型的結構示意圖之一。[0021]圖2為圖1所示本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置的應用示意圖。[0022]圖3為圖2的A-A剖視圖。[0023]圖4為本實用新型的結構示意圖之二。[0024]圖5為圖4所示本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置的應用示意圖。[0025]圖6為圖5的B-B剖視圖。[0026]圖7為本實用新型的結構示意圖之三。[0027]圖8為圖7所示本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置的應用示意圖。[0028]圖9為本實用新型的結構示意圖之四。[0029]圖10為本實用新型的結構示意圖之五。[0030]圖11為本實用新型的結構示意圖之六。[0031]圖12為圖11所示本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置的應用示意圖。[0032]圖13為本實用新型的結構示意圖之七。[0033]圖14為圖13所示本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置的應用示意圖。
具體實施方式
實施例一如圖1所示本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，包括集熱部1，集熱部 1為一 U形管，並通過輸出管6和回流管7與散熱部2相連，組成密閉的迴路，迴路中裝有 低沸點工質——液氨(圖中未具體示出)作為傳熱工質，其充滿集熱器內部的大部分空間。 散熱部2由一根散熱管3和一根集流管4組成，散熱管3高於集流管4並與集流管通過返 回部5相互連通，散熱部2中散熱管3與輸出管6相連的入口高於集流管4與回流管7相 連的出口。為了實現傳熱工質材料在迴路中的順利循環，散熱管3從入口至返回部5方向 向下連續傾斜，集流管4從返回部向出口方向向下連續傾斜，本例中，散熱管和集流管的傾 斜度均為3 100。為了防止傳熱工質在輸出管6內上升的過程中過早釋放熱量給表面巖 土，導致提前冷凝液化下流，影響整個熱量循環的實現，在輸出管6表面設置保溫層12，基 於這種考慮，一股來說，在本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置中，輸出管6表面 必須要給予保溫處理，除設置保溫層外，也可以直接選用具有保溫特性的管材作為輸出管。 此外，為了便於控制和維修，在輸出管6和回流管7上分別設置開關閥8和開關閥9，通過這 兩個開關閥可以隨時阻斷整個熱循環過程，或是控制熱循環總量。另外，為了便於往迴路內添加低沸點工質，在輸出管上部設置低沸點工質的灌注口 10和相應的灌注開關閥11。為保 證高傳導效率，工質灌注前，應先用真空泵將閉合管路中的空氣抽真空。當然，灌注口 10及 灌注開關閥11也可以設置在迴路中的其他位置。應用時，如圖2、圖3所示公路，利用天然地熱的地面調溫融雪裝置延公路的延伸 方向間隔地交錯連排設置，地面調溫融雪裝置的散熱部2設於道路使用路面14下方的混凝 土結構16中，集熱部1埋設於道路兩旁的人行道13上設置的地熱井100中，連接散熱部2 與集熱部1的輸出管6和回流管7及相應開關閥設置在地熱井100上部的工作井17內，工 作井17的上埠設置井蓋15。其中，集熱部1在地熱井中的深度達到地溫常年恆定在不低 於15°C的地質層，本例中集熱部位於地下10-30米之間的土壤中，即U型管中單側管長20 米。利用天然地熱的地面調溫融雪裝置之間的設計間距應根據所採用的本實用新型利用天 然地熱的地面調溫融雪裝置能夠實現的地面調溫面積進行設定，不應留有死角。使用時，夏天，關閉開關閥8和9，防止地熱散失，冬天，在第一次降雪前打開閥門， 準備融雪。其融雪工作過程是這樣實現的，由於集熱部1深埋在土壤20中，集熱部周圍環 境地溫始終高於15°C，其內部的低沸點工質吸收地熱後蒸發，蒸汽沿輸出管6進入散熱部 2，經散熱管3對外放熱後液化，冷凝後的液體經返回部5、集流管4和回流管7重新回到集 熱部，完成一次換熱循環。本實用新型的特殊結構設計可以在散熱部整體設計高度很低的 條件下，使工質在閉合管路中大致單向循環，上升熱蒸汽流主要行走於輸出管和散熱管，冷 凝液體主要行走於集流管和回流管，防止熱蒸汽和冷凝液體相互對流，在傳導途中彼此交 換熱量，因此傳導效率高，散熱部和集熱部的溫差只有幾度。只要集熱部周圍的溫度高於低 沸點工質的沸點及散熱部周圍的溫度，這種循環就可以維持，將集熱部外部的地熱不斷地 傳向散熱部周圍，因此可以保證路面14的地表溫度至少高於零度(一股在3 5°左右，視 風力和氣溫不同)，落上霜雪後會自動消融，不會大量積存，而且始終不結冰，積水將流走或 蒸發消失。維護時，只需要打開井蓋15，即可以完成添加低沸點工質或調整開關閥流量等工 作。為保持熱量，路面乾燥後也可以關閉開關閥8和9。本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，其管路可以用鋼管、PB管或PE管 等管材構成，都可以實現很好的效果。其中輸送管和回流管可以採用導熱率較低的材料制 成的管材，以便於保溫，但集熱部管材及散熱管必須使用導熱率高的管材以確保可以與外 部進行高效的熱量交換。本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，利用集熱部中沸 點低的傳熱工質吸收地下熱能，吸熱氣化後的傳熱工質將熱量直接傳送到設置於地面或路 面下方的散熱部中，傳熱工質在散熱管內完成熱量釋放後變為液態，經集流管引導最終沿 回流管返回至集熱部，實現一次熱交換循環。通過不斷地自動重複上述熱循環過程，就可 以提高地表或路面溫度，起到防止地面或路面上存留霜雪或融化霜雪的作用。由於在整個 工作過程中沒有二次換熱，因此系統結構更加簡單，地熱利用率更高，傳送過程中熱量損失 少。又因為本實用新型在工作過程中不涉及任何輔助動力裝置，因此不額外消耗能源，即環 保又經濟。此外，本實用新型利用沸點低的傳熱工質作為熱量交換的載體，無需轉換設施， 維修保養容易實現，避免了傳統技術中使用不凍液作為熱傳遞載體時，不凍液變性後易凝 固堵塞管路，清理維修困難，易產生汙染，頻繁更換保養費用較高等問題。而且基本上可以 實現單向循環。應用這種地面調溫融雪裝置的道路結構，可以有效防止路面存留冰雪帶來的行車安全隱患。特別是對於裡程較長或較偏遠的道路，可以大大緩解因突降霜雪無法用人工及 時清理造成的道路封閉現象，保障交通運輸的順利進行，其不需外設動力，維護保養工作量 小，非常實用而且十分環保。需要指出的是，本例僅以公路為例進行說明，實際應用中，基於本實用新型的技術 原理，具體應用的道路結構還可以是城市街道、高速公路、飛機跑道等其他道路形式。當然 本實用新型技術同樣也可以應用於體育場、蔬菜大棚、果園及牧場等大面積場地的融冰融 雪和地面保溫，只需要在上述場地間隔設置本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置 即可，與在道路結構中的應用相似，集熱部深埋於地下，散熱部置於目標地面下方，其位於 地面下方的具體深度根據實際需要確定，例如應用於牧場時，散熱部上方土層的厚度應滿 足耕作深度的需要。應用於果園時，應將散熱管布置於樹下。另外，本例中以集熱部埋在土壤中30米深為例進行說明，實際應用中，也可以是 埋設在巖石或沙石等其他地質結構中。此外根據地域的不同，埋深也可以有所變化，只要是 地溫常年恆定在10°C以上的地質層，都可以起到很好的效果。例如，對於某些地熱資源豐富 的地區，可能地面以下10米就可以滿足本實用新型對地溫的應用要求，這種情況應用本實 用新型可以大大降低成本和施工難度。可利用的低沸點工質除提到的液氨外，還可以是氟 利昂或其環保替代品，例如HFC-13^、R401A和R407C等。根據理論分析和實際工程經驗， 集流管的傾斜度小於1 10，散熱管傾斜度小於4 100。本例中，集熱部的U型管中單側 管長為20米，根據使用地區具體氣候條件及調溫預期不同，集熱部長度可以進行調整，其 基本原則是埋入地下的集熱部長度與所對應的地面加熱面積成正比，和地表與地溫溫差成 正比，據此可通過理論計算或通過試驗井和試驗區來確定最優的集熱部長度和埋深。但一 股情況下，為了確保實現採集足夠的地下熱能，集熱部的設置長度應不少於5米。上述說明 適用於本實用新型所有實施例。實施例二如圖4所示利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，與實施例一的區別在於為避免回 流管7內冷凝後的低沸點工質向淺表巖土散熱，在回流管7表面也設置保溫層12。此外，為 了能夠隨時排出隨低沸點工質混入迴路的氣體雜質，在散熱管末端設置排氣口 18和排氣 開關閥19。本例中，散熱管和集流管的傾斜度分別為1 100和2 100，散熱部整體高度 更低。如圖5和圖6所示應用上述天然地熱的地面調溫融雪裝置的道路結構，與實施例 一的區別在於，其具體為雙向車道的高速公路。利用天然地熱的地面調溫融雪裝置延高速 公路的延伸方向連排設置，地面調溫融雪裝置的散熱部2設置於道路使用路面14下方的混 凝土結構16中，集熱部1埋設於道路兩旁的護提13上設置的地熱井100中，連接散熱部2 與集熱部1的輸出管6和回流管7及相應開關閥8和9設置在地熱井100上部的工作井17 內，工作井17的上埠設置井蓋15。本例以在地熱資源豐富的地域為例，集熱部埋設深度 為10-50米之間，其周圍地溫常年不低於20°C。為了便於將集熱部1順利放入地熱井100 中，施工時，鑽出地熱井後先放入工程塑料管150，防止出現塌方等不利現象，再將集熱部1 置於工程塑料管150的管腔內，然後進行回填，這樣可以有效避免熱量非預期散失。此外，在雙向車道之間的隔離帶21上設置檢修操作井22，排氣口 18和排氣口開關 閥19置於檢修操作井22中，兩個車道下方分別設置的本實用新型利用天然地熱的地面調
9溫融雪裝置共用一個檢修操作井22，檢修操作井22上埠設置井蓋23。為防止散熱管3 傳遞的熱量過多地向其周圍傳遞損失，在道路的混凝土結構中對應散熱部的散熱管3下方 設置保溫層170，這樣就可以保證散熱管散發的熱量主要向路面方向傳遞輻射。需要指出的 是，所述保溫層不僅僅在散熱管下方設置，其尺寸應與散熱管輻射的整個路面區域對應，甚 至是沿道路方向在道路混凝土結構16中連續地設置。由於在散熱管下方設置了保溫層，大大提高了地熱利用率，因此本例所述技術方 案的融冰融雪效率更佳。這種結構的好處是便於將集熱部設置於地下深處，有易於深井埋 管的施工便利，並且可以實現長距離熱量傳輸，同時不受傳輸方向影響。研究表明，從地表向下到達一定深度(地層溫度恆定)，其溫度就不受外界氣溫的 變化而改變。到達恆溫層的深度因地而異，一股來說在地下10 15m左右。本實用新型應 用的淺層地溫能通常位於地球表層變溫帶以下10-200米以內的第四系土壤或基巖中，其 熱能主要來自地球深部的內熱。本例選在地熱資源豐富的地區，所以設置深度僅為50米就 可以保證地溫不低於20°C，當然，根據地域不同和實際工程需要，集熱部可以在215米以內 的深度選定。只要集熱部周圍能達到本實用新型要求的不低於10°C地溫，都可以保證本實 用新型的正常工作進行。在同一地點，雖然集熱部在地球表層變溫帶以下埋設越深，其周圍環境地溫就越 高，地面融雪效果也越好，但是由於集熱部埋設越深，其相應連接管路也越長，產品製造成 本和施工成本都相應提高，因此在實際應用中應根據當地氣候情況進行設計計算，或通過 試驗井和試驗小區來確定，以確定集熱部的最佳埋設深度及長度，以及與散熱管的熱功率 匹配。實施例三如圖7所示本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，與實施例一的區別在 於，集熱部1為一盲管，盲管內設置有低沸點工質25，輸出管6開口位於盲管頂部，回流管7 下端位於盲管底部。為了提高散熱效率，散熱部中包含多根平行排列的散熱管3，散熱管3 的兩端分別通過連集管26相連通，連集管沈再通過返回部5與集流管4連通。為避免熱 量的非預期散失以及輸出管和回流管之間的非預期換熱，在輸出管6和回流管7外均設置 保溫層12。另外，為了便於往迴路內添加低沸點工質，在連集管沈上設置低沸點工質的灌 注口 10和相應的灌注開關閥11。散熱部包含多根散熱管時，散熱管彼此之間的間距應根據 單根散熱管夠實現的地面調溫面積進行設定，不應留有死角。與前述實施例相比，集熱部1中的低沸點工質通過管壁從外界吸熱後蒸發，蒸汽 沿輸出管3上升，進入散熱部2，並通過散熱管3向外界放熱後凝結，冷凝後的液體通過返回 部5、集流管4和回流管7重新進入集熱部盲管底部中心，如此完成換熱循環。本實施例的特殊結構可以使工質在迴路中單向循環傳輸，上升的蒸汽和下降的冷 凝工質分別行走於輸出管6和回流管7中，互不阻擾，互不換熱，工質的循環方向與向上傳 熱和向下傳冷循環方向一致，單向循環更明確，熱傳導效率更高。與實施例一相似，使用時，將集熱部1垂直埋設於地下，屋頂狀的散熱部埋設於道 路的混凝土層中，集熱部和散熱部之間通過輸出管6和回流管7相連。集熱部1採集到的 地下熱能使集熱部中設置的低沸點工質25吸熱蒸發，熱蒸汽經輸出管6進入散熱部中，經 散熱管3向外部散熱後被冷卻重新凝結，冷凝後的液體通過返回部5、集流管4和回流管7重新進入集熱部1，如此完成換熱循環。只要集熱部1的外部溫度高於散熱部的外部溫度， 上述熱量循環即可維持，將地下熱量不斷傳向散熱部的外部，這樣就可以保證路面上的雪 或冰霜不斷被融化，不會產生積留。由於本例所述的地面調溫融雪裝置中散熱部包含多根 散熱管，散熱效率更高，在使用時其覆蓋面積大，使用數量少，因此對於機場等大面積區域 的融冰融雪，效果更佳。應用於具體形式為機場跑道的本實用新型道路結構時，如圖8所 示，由於機場跑道101較寬，而為保證熱量循環順利進行，散熱管不宜設置的過長，因此可 以將本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置在跑道寬度方向並列設置。其中，輸出 管和回流管均設置在工作井100中，集熱部深埋在工作井下方的地熱井中，埋設深度位於 地下10 120米，由於布置方式與實施例一或實施例二相似，在此不另剖面視圖進行說明。 本例中，散熱部寬20米，半側散熱管長5米，間距為0. 4米，最高處埋深0. 1米，傾斜度為 3 1000，集流管傾斜度1 100。需要指出的是，為防止發生意外，工作井的井蓋設置成內置式，與跑道路面保持高 度一致。當地表溫度較高不需要融雪時，或僅部分路段需要融雪時，可以利用調整開關閥8 和9來關閉地面調溫融雪裝置或部分關閉地面調溫融雪裝置。圖8中僅以並列設置二組本 實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置為例進行說明，在實際應用中，根據路面的實 際寬度，也可以並列設置三組、四組甚至更多。與U形管結構的集熱部相比，在施工時，本例中所述盲管式的集熱部比U形管式的 集熱部所需地熱井尺寸更細，更易於施工操作。本例所述的技術方案，由於集熱部採用了盲 管結構，結構更緊湊，非常適於打孔深埋，施工便利，基本無需回填，工程量小，經濟性好。本例中輸出管和回流管表面基本全部都設置了保溫層，基於恆溫層的深度一股來 說在地下10 15米以下的理論，可以僅在地表以下10米左右的範圍內對輸出管和回流管 表面設置保溫層，深於10米的部分不再設置保溫層，以此來降低成本。實施例四如圖9所示本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，與實施例三的區別在 於，為提高利用效率，在集熱部1的盲管中設置另一組地面調溫融雪裝置的集熱部30，集熱 部30為一 U形管，U形管內設置有低沸點工質(未具體示出)，U形管的兩端分別與輸出管 6和回流管7相連，輸出管6和回流管7表面均設置保溫層12。另外，散熱部的散熱管3上 設置翅片27來進一步提高散熱能力。對應多根散熱管3設置一根集流管4，為便於導流， 設置多個返回部5，並通過連集管沈與集流管4相連。此外，為便於控制，可以利用網絡技 術，利用計算機系統31遠程對開關閥8和開關閥9進行控制。當然根據這一原理，應用多 個本例所述天然地熱的地面調溫融雪裝置的道路結構還可以實現對多個本實用新型利用 天然地熱的地面調溫融雪裝置的聯動控制，甚至可以設置外部溫度感知裝置進行智能控制 地面調溫融雪裝置的工作。利用這種控制方式可以很容易地實現對任一或任幾個地面調溫 融雪裝置的隨時調整，可以大大節省人工控制成本，更加方便高效。其具體應用於道路結構 時與實施例三相似，在此不再別附圖說明。本例中，由於在散熱管上增設了翅片，散熱面積顯著提高，因此散熱效率得以提 高，融雪融冰性能大幅提升。實施例五如圖10所示本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，與實施例二的區別在於，在散熱部的的一側(路邊或中間隔離帶)上方設置冷卻部200，冷卻部200的位置高 於散熱部2，冷卻部由多根帶有翅片的冷卻管組成，冷卻部與散熱部通過上升管和下降管連 通，其中散熱管與冷卻部上端通過上升管連通，集流管與冷卻部下端通過下降管連通，冷卻 部200與輸出管6和集流管4之間的連接管路上分別設置開關閥202和201。應用時，與實 施例二基本相同，集熱部埋設於地下，將冷卻部置於地面之上，暴露於空氣之中，在此不再 另附圖說明。用於融雪時，將開關閥202和201關閉，打開開關閥8和9，其熱循環過程與實 施例二完全相同。此外，這種結構的本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置還可以 實現為道路降溫的作用。應用於降溫時，將散熱部與集熱部之間的開關閥8和9都關閉，打 開冷卻部200與散熱管3和集流管4之間的連接管路上的開關閥201和202，這樣，冷卻部 200與散熱部2之間形成獨立的迴路，向散熱部中灌注低沸點工質，使之充滿散熱部。道路 表面經日光照射等原因升溫後，散熱部中的傳熱工質受熱蒸發進入冷卻部，經冷卻部對外 散熱後，傳熱工質冷凝再回到散熱部中，實現一次熱交換循環。通過不斷地自動重複上述熱 循環過程，就可以降低地表或路面溫度，起到防止地面或路面過熱的作用。本實施例的特殊結構可以使道路冷卻時工質在迴路中也大致單向循環傳輸，上升 的蒸汽和下降的冷凝工質分別行走於上升管300和下降管301中，互不阻擾，互不換熱，工 質的循環方向與向上傳熱和向下傳冷循環方向一致，熱傳導效率較高。實施例六如圖11所示本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，與實施例二的區別 在於，為了實現傳熱工質材料在迴路中的順利循環，散熱部2的散熱管3與集流管4之間可 以利用多根比集流管4更細的集流支管160保持連通。散熱管與地表平行，無傾角。另外， 保溫層170設置在集流管4的下方。雖然散熱管無傾角，也不會堵塞，因為設置了集流支管160，散熱管3中的傳熱工 質冷凝後可以就近沿集流支管160流至集流管4中，進而由集流管匯總經回流管7回到集 熱部1中，因此這種結構的本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置熱循環效率更 高，散熱管平行於地面易於施工，散熱部的整體設計高度可以控制的很低，融雪效果更好， 尤其適合機場跑道、廣場等尺寸較大的調溫地面。值得指出的是，本實施例中集流管也可以平行於地面或採用極低的傾斜度，例如 1 1000，也不影響效果。因為集流管中即使充滿了冷凝後的液態工質，集流支管的液位高 差也能保證集流管回流暢通。由於這種結構的散熱部的總高度極低，可以做到0. 1米以下， 因此這種結構可以用於對既有路面的改造，改造時，先在路面橫向鑽孔，例如孔徑120mm，然 後將散熱部插入橫向孔中，與其它管路現場焊接，試壓，抽真空後灌注低沸點工質，然後用 自流平無收縮水泥將孔填實，固化後路面即可使用。應用時如圖12所示，與實施例二的區別在於，應用於東北寒冷地區時，恆溫層溫 度較低，為更好地採集地下熱能，集熱器1設置於達地表下25 150米深的地熱井100中， 地熱井不回填，利用井水向集熱部傳熱。此外，僅在地表至地表以下25米範圍內的輸送管 6和回流管7表面設置保溫層12。需要指出的是，根據本例所述集熱部埋設深度，地熱井中會有地下水，在圖示中並 未具體示出，在之前的實施例中也未對地熱井中可能出現的地下水給予表示，特此說明。實施例七[0070] 如圖13所示本實用新型利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，與實施例三的區別 在於，為了適應路面較寬，需要散熱部長度較長的需求，散熱管3及集熱管4分別僅向一側 傾斜設置。這樣，在連集管沈、散熱管3和集流管4的管徑分別相同的情況下，本例所述結 構中的散熱管及集流管可以設置的更長，因此更適用於機場跑道等寬闊地面結構的調溫應 用。應用於飛機跑道時，如圖14所示方式連排布置於跑道下方。
權利要求1.一種利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，包括集熱部和散熱部，散熱部高於集熱部， 集熱部通過輸出管和回流管與散熱部相連通，組成密閉的迴路，其特徵在於迴路中裝有低 沸點工質作為傳熱工質，散熱部由至少一根散熱管和一根集流管組成，散熱管與集流管經 返回部相連，集流管位於散熱管下方，散熱管兩端分別與輸出管及返回部相連通，集流管兩 端分別與返回部及回流管上端相連通，集流管從返回部向回流管方向向下連續傾斜，其傾 斜度小於1 10。
2.根據權利要求1所述的利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，其特徵在於散熱部的散 熱管與集流管之間由至少一根比集流管更細的集流支管連通。
3.根據權利要求1所述的利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，其特徵在於散熱管從輸 出管與散熱管的接合部至返回部方向向下連續傾斜，傾斜度小於4 100。
4.根據權利要求1所述的利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，其特徵在於散熱部中包 含二根或二根以上在水平方向平行排列的散熱管，散熱管的兩端分別通過連集管相連通， 散熱管入口端的連集管與輸出管相連通，散熱管出口端的連集管經返回部與集流管相連 通。
5.根據權利要求4所述的利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，其特徵在於對應二根或 二根以上散熱管設置一根集流管。
6.根據權利要求1所述的利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，其特徵在於集熱部為一 U形管，U形管的兩端分別與輸出管和回流管相連。
7.根據權利要求1所述的利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，其特徵在於集熱部為一 盲管，輸出管下端位於盲管頂部，回流管下端位於盲管底部。
8.根據權利要求1所述的利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，其特徵在於迴路中設有 低沸點工質的灌注口和灌注開關閥。
9.根據權利要求1所述的利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，其特徵在於迴路中設有 排氣口和排氣開關閥。
10.根據權利要求1所述的利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，其特徵在於至少部分 輸出管和回流管上設置保溫層。
11.根據權利要求1所述的利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，其特徵在於輸出管或/ 和回流管上設置開關閥。
12.根據權利要求11所述的利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，其特徵在於開關閥設 有遠程控制裝置。
13.根據權利要求1所述的利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，其特徵在於散熱部的 散熱管上設置有翅片。
14.根據權利要求11所述的利用天然地熱的地面調溫融雪裝置，其特徵在於還設有冷 卻部，冷卻部的位置高於散熱部，冷卻部與散熱部相互連通，冷卻部由至少一根帶有翅片的 冷卻管組成，冷卻部與散熱管和集流管之間的連接管路上分別設置開關閥。
15.一種應用權利要求1-14中任一權利要求所述的調溫地面結構，其特徵在於所述利 用天然地熱的地面調溫融雪裝置沿道路的延伸方向連排設置，融雪裝置的散熱部位於地面 下方，集熱部位於調溫地面兩旁或調溫地面下方設置的地熱井中，集熱部在地熱井中的深 度至少達到地溫常年不低於10°C的地質層，地熱井上部設置工作井，連接散熱部與集熱部的輸出管和回流管及相應開關閥設在工作井內，工作井的上埠設置井蓋。
16.根據權利要求15所述的調溫地面結構，其特徵在於道路結構中對應散熱部的散熱 管下方設置保溫層。
17.根據權利要求15所述的調溫地面結構，其特徵在於一個或一個以上工作井內的開 關閥的遠程控制裝置可以聯動。
專利摘要本實用新型屬於地熱利用系統，尤其涉及除雪除冰的融雪裝置。其包括集熱部和散熱部，集熱部通過輸出管和回流管與散熱部相連通，組成密閉的迴路，特徵是迴路中裝有低沸點工質，散熱部由至少一根散熱管和一根集流管組成，散熱管與集流管經返回部相連，集流管位於散熱管下方，散熱管兩端分別與輸出管及返回部相連通，集流管兩端分別與返回部及回流管上端相連通，集流管從返回部向回流管方向向下連續傾斜，其傾斜度小於1∶10。本實用新型利用集熱器中沸點低的熱媒介吸收地下熱能，吸熱氣化後的熱媒介將熱量直接傳送到設置於地面或路面下方的散熱器中，起到防止地面或路面上存留霜雪或融化霜雪的作用，其不額外消耗能源，環保經濟，可保障道路的暢通。
文檔編號F24J3/08GK201857566SQ20102022612
公開日2011年6月8日 申請日期2010年6月13日 優先權日2010年6月13日
發明者孔祥斐, 尹學軍 申請人:尹學軍, 青島科而泰環境控制技術有限公司