地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置的製作方法

2023-05-20 16:51:16

本實用新型屬於地熱能換熱熱傳導技術領域，涉及換熱傳導裝置，尤其是涉及一種地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置。

背景技術：

淺層地熱資源作為一種儲量大、可再生的清潔能源，在當今人們的環保意識越來越強和能源日趨緊缺的情況下，地熱能作為煤炭、石油等化石能源的替代能源，對地熱資源的合理開發利用越來越迫切。在現有的淺層地熱能開發利用技術中，如地源熱泵，受當地地質條件等不確定因素影響，設備成本高，地熱能利用效率低，而且會出現土壤熱不平衡問題，長期運行後將會導致土壤溫度失衡。這些問題制約了淺層地熱能利用技術的應用和發展。為此，人們進行了長期的探索，提出了各種各樣的解決方案。

例如，中國專利文獻公開了一種地源熱泵預警控制器及其控制方法[申請號：CN201010238783.9]，包括傳感器、輸入電路、微型計算機、通信電路和輸出電路，傳感器作為地源熱泵預警控制器的信號輸入採集地源熱泵系統的土壤信號，傳感器的信號輸出端與輸入電路的信號輸入端相連，輸入電路的信號輸出端與微型計算機的信號輸入端相連，微型計算機與輸出電路的對應輸入信號端相連，輸出電路作為地源熱泵預警控制器的控制信號輸出控制地源熱泵系統的現場執行機構，微型計算機的通信信號端通過通信電路與地源熱泵系統的上位控制機進行通信。本實用新型從運行過程的角度出發為地源熱泵系統提供一個安全、可靠的運行控制策略，根據土壤溫度的變化情況決定地埋管和輔助冷/熱源(例如冷卻塔)的切換，給運行管理人員提供一個有效而方便的參照，以便運行過程中管理人員能合理地控制與指導土壤熱泵系統的運行，調節地埋管與輔助冷、熱源的運行時間，確保向土壤的排熱和取熱保持在平衡狀態。

上述方案雖然一定程度上解決了土壤熱不平衡問題，但是本方案仍然存在設備的整體結構複雜問題，而且需要管理人員根據地源熱泵預警控制器的判斷進行控制與指導土壤熱泵系統的運行，存在沒有自平衡能力，自動化程度不夠高，運行過程也過於繁瑣等問題。

技術實現要素：

本實用新型的目的是針對上述問題，提供一種地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置；解決了現有技術所存在的設備結構複雜，成本高，無法實現土壤熱量的自平衡等的技術問題。

為達到上述目的，本實用新型採用了下列技術方案：本地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置包括具有對應設置在地下土壤內的循環U型管和換熱U型管的雙U管組，所述的換熱U型管一端與用戶側循環管一端相連通，所述的換熱U型管另一端與用戶側循環管另一端相連通，且所述的換熱U型管與用戶側循環管內均充填有導熱工質，用戶側循環管兩端分別連接有用戶側，在用戶側循環管上設有換熱器，所述的循環U型管與換熱器之間設有能帶動地下土壤內地下水擾動從而形成地下水循環且能使用戶側循環管與換熱器之間進行換熱的擾動式換熱結構。

本地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置通過雙U管組的設置，換熱U型管直接與用戶側循環管內工質進行混合換熱，循環U管通過換熱器與用戶側循環管內工質再次進行換熱，能夠快速、大量、充分地利用淺層地下潛藏的地熱能，增強換熱效果的同時通過循環水泵的工作，帶動地下水的擾動，形成地下水循環，實現自動平衡地下溫度。

在上述的中地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置中，所述的擾動式換熱結構包括若干分別設置在循環U型管管壁上且能將循環U型管內部與地下土壤內的地下水相連通的通孔，所述的循環U型管一端通過循環水泵與換熱器一端相連，循環U型管另一端與換熱器另一端相連。

在上述的中地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置中，所述的循環U型管具有相互連通的第一支管和第二支管，且所述的循環水泵與第一支管相連，所述的通孔分別設置在第一支管的下端以及設置在第二支管的上端，在循環水泵工作時，利用位於循環U型管的第一支管的下端的通孔抽吸井內底端區的水，運送至井內上端區，隨循環U型管出水管第二支管的上端的通孔排出，以此帶動地下水的擾動，形成地下水的循環，使淺層地下水溫均衡。

在上述的中地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置，所述的用戶側循環管上分別設有位於換熱器兩端的第一閥門。

在上述的中地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置，所述的換熱U型管至少一端與用戶側循環管之間設有第二閥門。

本地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置在循環水泵工作時，第一閥門和第二閥門可實現靈活調節換熱程度，可控性高。

在上述的中地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置，所述的循環U型管和換熱U型管均呈豎直且平行設置，且所述的循環U型管和換熱U型管均設置在地下深井內，且所述的地下深井的深度為100-300米，地下深井的直徑大小為100-200毫米。

在上述的中地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置，所述的循環U型管和換熱U型管長度相等且循環U型管和換熱U型管長度為100-300米。

在上述的中地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置，所述的循環U型管的第一支管距離循環U型管底部0-60米範圍為第一支管開孔區，所述的循環U型管的第二支管距離地面10-70米範圍為第二支管開孔區，且所述的通孔分別設置在第一支管開孔區和第二支管開孔區內，所述的第一支管開孔區與第二支管開孔區之間形成20-60米範圍的盲區。

在上述的中地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置，所述的換熱器和循環水泵設置在地下深井距離地面1-3米處，且所述的換熱器、循環水泵與用戶側循環管均設置在一個箱體內，且所述的用戶側循環管端部延伸至箱體外側且與用戶側相連通。

在上述的中地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置，所述的導熱工質為納米顆粒超導介質且所述的導熱工質包括粒徑1-20納米的碳粒子、二氧化鈦、R123、水、溴化鋰溶液與R134a中的任意一種或多種的組合。

與現有的技術相比，本實用新型的優點在於：1、該裝置設計合理，結構簡單，投入成本低；2、該裝置通過工質水導熱與深井中的地下水進行換熱，利用地熱能能源，能耗低，且不會汙染地下水和土壤；3、由循環U型管和換熱U型管構成的雙U管組進行熱傳導，熱能利用率高，且利用循環水泵工作通過循環U型管對地下水進行擾動，形成地下水循環，自動平衡地下溫度。

附圖說明

圖1是本實用新型提供的結構示意圖。

圖中，雙U管組1、換熱U型管11、循環U型管12、通孔121、第一支管122、第一支管開孔區1221、第二支管123、第二支管開孔區1231、用戶側循環管2、換熱器3、循環水泵4、第一閥門5、第二閥門6、箱體7。

具體實施方式

如圖1所示，本實用新型的地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置，包括具有對應設置在地下土壤內的循環U型管12和換熱U型管11的雙U管組1，換熱U型管11一端與用戶側循環管一端相連通，換熱U型管11另一端與用戶側循環管另一端相連通，且換熱U型管11與用戶側循環管內均充填有導熱工質，用戶側循環管兩端分別連接有用戶側，在用戶側循環管2上設有換熱器3，循環U型管12與換熱器3之間設有能帶動地下土壤內地下水擾動從而形成地下水循環且能使用戶側循環管2與換熱器3之間進行換熱的擾動式換熱結構，本地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置通過雙U管組1的設置，換熱U型管直接與用戶側循環管2內工質進行混合換熱，循環U管通過換熱器3與用戶側循環管2內工質再次進行換熱，能夠快速、大量、充分地利用淺層地下潛藏的地熱能，增強換熱效果的同時通過循環水泵4的工作，帶動地下水的擾動，形成地下水循環，實現自動平衡地下溫度。

具體地，本實施例中的擾動式換熱結構包括若干分別設置在循環U型管12管壁上且能將循環U型管12內部與地下土壤內的地下水相連通的通孔，循環U型管12一端通過循環水泵4與換熱器3一端相連，循環U型管12另一端與換熱器3另一端相連；進一步地，循環U型管12具有相互連通的第一支管122和第二支管123，且循環水泵4與第一支管122相連，且通孔分別設置在第二支管123的上端以及設置在第一支管122的下端，在循環水泵4工作時，利用位於循環U型管12的第一支管122的下端的通孔抽吸井內底端區的水，運送致井內上端區，隨循環U型管12第一支管122的上端的通孔排出，以此帶動地下水的擾動，形成地下水的循環，使淺層地下水溫均衡。

進一步地，循環U型管12和換熱U型管11均呈豎直且平行設置，循環U型管12和換熱U型管11之間架設有保持兩者相互平行，使裝置處於最佳的換熱狀態，同時提高循環U型管12和換熱U型管11的強度的支架；循環U型管12和換熱U型管11均設置在地下深井內，且地下深井的深度為100-300米，本實施例採用深度為180米，地下深井的直徑大小為100-200毫米，本實施例採用直徑為150毫米。

本實施例中，用戶側循環管2上分別設有位於換熱器3兩端的第一閥門5；同樣的，在換熱U型管11至少一端與用戶側循環管2之間設有第二閥門6。在地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置工作時，第一閥門5和第二閥門6可實現靈活調節換熱程度和切換換熱模式，可控性高。

進一步地，循環U型管12和換熱U型管11長度相等且循環U型管12和換熱U型管11長度為100-300米，本實施例的循環U型管和換熱U型管長度均為200米；循環U型管12的第一支管122距離循環U型管12底部0-60米範圍為第一支管開孔區1221，本實施例中，距離循環U型管12底部60米處位置為開孔區，循環U型管12的第二支管123距離地面10-70米範圍為第二支管開孔區1231，本實施例中距離地面70米處位置為開孔區，且通孔分別設置在第一支管開孔區1221和第二支管開孔區1231內，第一支管開孔區1221與第二支管開孔區1231之間形成20-60米範圍的盲區，使地下升井底部的地下水能過順利地運輸至上部後從上部開孔處排出。

同樣的，換熱器3和循環水泵4設置在地下深井距離地面1-3米處，本實施例為1.5米處左右，且換熱器3、循環水泵4與用戶側循環管2均設置在一個箱體7內，用戶側循環管2端部延伸至箱體7外側且與用戶側相連通，為了避免雙U管組和用戶側循環管以及換熱器熱量散失，箱體採用聚氨酯保溫隔熱材料或者離心玻璃棉氈或者複合矽酸鹽保溫隔熱砂漿或者泡沫石棉製品等保溫材料而製成，提高熱量利用率；同時，為了檢修方便，箱體的側壁上開設有檢修門；而且雙U管組和用戶側循環管與箱體與之間，檢修門與箱體之間均設置有密封圈，密封圈具有減小熱量散失的作用，同時避免地下水進入箱體，損壞換熱器等設備。

進一步地，導熱工質為納米顆粒超導介質且導熱工質包括粒徑1-20納米的碳粒子、二氧化鈦、R123、水、溴化鋰溶液與R134a中的任意一種或多種的組合。

綜上所述，該地源雙U型地埋管強化換熱傳導裝置工作過程如下：

狀態1：關閉換熱器兩端的第一閥門5，同時關閉循環水泵4，打開第二閥門6，此時，循環U型管12處於關閉狀態，內部流體不流轉，停止傳熱；換熱U型管11處於單獨工作狀態，換熱U型管11與地下深井中的地下水進行換熱，同時換熱U型管11與用戶側循環管2連通，通過工質混合實現與用戶側循環管2內的工質進行換熱。但是此工作狀態易導致地下水水溫不平衡，以致出現土壤熱不平衡問題，不宜長期工作。

狀態2：關閉換熱器兩端的第一閥門5，同時打開循環水泵4，打開第二閥門6，此時，循環U型管12仍處於工作狀態，但是其只負責對地下水進行擾動循環，沒有與用戶側循環管進行換熱，換熱U型管11處於工作狀態，換熱U型管11與地下深井中的地下水進行換熱，換熱U型管11與用戶側循環管2連通，通過工質混合實現與用戶側循環管2內的工質進行換熱。此工作狀態的循環管處於工作狀態，對地下水進行循環擾動，平衡地下溫度，不易出現土壤溫度失衡的情況，但是由於是單管換熱，換熱速度與效率比較低，適合於熱量需求較小的情況。

狀態3：打開換熱器兩端的第一閥門5，同時打開循環水泵4，關閉第二閥門6，此時，循環U型管12處於工作狀態，換熱器也處於工作狀態，循環U型管不僅負責對地下水進行擾動循環，而且通過換熱器與用戶側循環管進行換熱，而此時，換熱U型管11處於關閉狀態，由循環U型管單管工作。此工作狀態的循環管處於工作狀態，與用戶側循環管進行換熱的同時，對地下水進行循環擾動，平衡地下溫度，不易出現土壤溫度失衡的情況，但是其由於是單管換熱，而且通過換熱器進行換熱，換熱效率低，同樣適合於熱量需求低的情況。

狀態4：打開第一閥門5，同時打開循環水泵4和第二閥門6，使雙U管組1處於雙管工作狀態，調節第一閥門5和第二閥門6大小可以調整換熱程度，此時，換熱U型管11與深井中的地下水進行換熱，換熱U型管11與用戶側循環管2連通，通過工質混合實現與用戶側循環管2內的工質進行換熱；通過循環水泵4實現循環水泵4、循環U型管12和換熱器3組成的循環管路中地下水的循環，位於循環U型管12的第一支管122的下端的通孔抽吸井內底端區的水，運送至井內上端區，隨循環U型管12第二支管123的上端的通孔排出，以此帶動地下水的擾動，形成地下水的循環，平衡地下溫度；且雙U管組1中循環U型管12內的水通過換熱器3與用戶側循環管2內工質再次進行換熱，能夠快速、大量、充分地利用淺層的地熱能，增強換熱效果。該工作模式能最大程度地利用熱量，提高換熱效率，同時不易出現土壤溫度失衡的情況，工作狀態最佳。該裝置設計合理、結構簡單、低能耗，不會汙染地下水和土壤，根據需要利用各個閥門切換模式，採用雙U管組1進行強化換熱，充分利用了地熱能，在供暖、空調方面具有廣泛的應用前景。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本實用新型精神作舉例說明。本實用新型所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本實用新型的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。

儘管本文較多地使用了雙U管組1、換熱U型管11、循環U型管12、通孔121、第一支管122、第一支管開孔區1221、第二支管123、第二支管開孔區1231、用戶側循環管2、換熱器3、循環水泵4、第一閥門5、第二閥門6、箱體7等術語，但並不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本實用新型的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本實用新型精神相違背的。