CN114893930A - 一种基于不同材质复合管的地埋管高效换热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于不同材质复合管的地埋管高效换热系统，用于浅层地热能资源的开发和利用，主要包括回填材料、热交换装置和热传递装置。本发明提出了以金属镀锌铁管作为含水层内的换热管道，其本身的传热性能远高于一般的换热管道；采用渗透性材料作为含水层内钻孔回填材料，而且由于水的对流换热能够极大的提高换热效率；在含水层条件好地区，应用此项技术能够有效的利用该地区的浅层地热能。本发明的有益效果是：提高了换热效率，极大地提高热泵的工作性能，且避免了技术应用中由于抽水回灌造成的工程问题；在地下水丰富、含水层条件良好的地区采用该项技术将会使得热泵技术方案更加多元化，性能更加高效和稳定。
Description
技术领域
本发明涉及水源热泵技术领域，具体为涉及一种金属埋管换热技术领域，尤其涉及一种基于不同材质复合管的地埋管高效换热系统。
背景技术
地热能作为新能源的一种，属于清洁的可再生能源。地热能不受季节、昼夜变化影响且系统运行稳定，具有长期开发利用的潜力，是当前可再生能源发展的亮点领域，尤其是浅层地热资源，开发利用潜力巨大。
地下含水层作为良好的浅层地热能储热场所，具备很高的地热开发利用潜力。由于含水层位于地下水位以下且介质完全饱水，水的比热容较普通岩土体介质大，因此含水层中赋存的地热能较隔水层及非饱和带更为丰富，其浅层地热资源赋存具有单位体积储能大的特点。在浅层地热能开发利用方面，含水层地热能易于开发，且技术形式多样。众多工程实例表明，其开发利用效率和可持续性要明显优于非透水层。尤其在存在地下水渗流的条件下，含水层中温度得以不断的更新，能量可持续性好，更适合浅层地热能开发利用。
换热技术作为含水层内浅层地热开采的重要部分，其技术性能的优劣直接决定了含水层地热能的应用规模，开发能效。然而现有的含水层内换热技术存在着换热效率低或引起不良地质环境问题等缺点，极大限制了含水层地热能开发。
目前，针对含水层的浅层地热能开采的技术主要有开放式系统和封闭式系统两种。其中，封闭式系统利用垂直U型等形式的换热器使用的聚乙烯(PE)管导热性很低，为了隔绝地下水通常以低导热性的膨润土作为回填料，且管与孔壁之间的回填质量难以控制，管内流体需要通过几层截面热阻和低导热性材料才可以实现与岩土体传热，这个过程以热传导为主，换热效率低，当建筑冷热负荷不均时容易形成地下“热堆积”现象，可持续性较差。另外一种是开放式系统，该系统是通过潜水泵抽取地下水直接送入热泵机组，系统组成简单，成本较低。开放式系统地下换热以对流换热为主，传热效率较高。然而，这种开放式系统存在诸多显著的地质环境问题，如抽水沉降、回灌堵塞、系统氧化与结垢等。
以上两种开采技术均存在着弊端，无法在保护地下水资源的前提下做到含水层内高效换热。因此，需要对地下水源换热技术进行创新来提高换热效率并避免技术应用过程中造成的地质环境问题。
现有含水层内换热技术都是基于地下水抽灌形式和地埋管换热器形式等方面的考虑，对含水层内换热技术进行了创新，但是均没有考虑到更换地埋管换热材料，设置含水层内回填料，避免抽水回灌等方面。而此项专利则很好的考虑了含水层内地下水对流换热特点，通过优化地埋管技术能够实现含水层内的高效换热，同时避免了抽水回灌引起的水文地质和岩土工程问题。为在地下水资源丰富的地区中开采浅层地热能提供了新思路。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于不同材质复合管的地埋管高效换热系统，用于浅层地热能资源的开发和利用。该地埋管高效换热系统主要包括回填材料、热交换装置和热传递装置，所述热交换装置位于回填材料内，该热交换装置顶端与热传递装置连接。
所述回填材料，用于回填钻孔隔水层和含水层位置；
所述热交换装置包括镀锌铁管和PE管，用于进行管内流体与管壁周围水分的热交换；
所述热传递装置，用于控制管内气体排出和实时监测进出水温度及水箱内的水位高度。
进一步地，所述回填材料包括膨润土加砂混合料和渗透性材料，膨润土加砂混合料位于渗透性材料上方，膨润土加砂混合料用于回填钻孔隔水层位置，渗透性材料用于回填钻孔含水层位置。
进一步地，所述膨润土加砂混合料由膨润土和细砂混合形成。
进一步地，所述镀锌铁管与PE管之间通过螺纹配件进行连接。
进一步地，所述镀锌铁管的管径为32-50mm，安装于含水层内使管内流体与管壁周围水分进行热交换。
进一步地，所述PE管的管径为32-50mm，安装于隔水层位置，起到保温作用。
进一步地，所述热传递装置包括进水管道、进水温度传感器、出水管道、出水温度传感器、排气阀门、管道循环泵和定压补水装置，所述进水管道与出水管道与热交换装置连接，所述进水温度传感器及温度表设置在进水管道，用于实时监测进水温度；所述出水管道与镀锌铁管相连，用于输送循环出来的液体；所述排气阀门安装在出水管道上，用于控制管内气体排出；所述出水温度传感器及温度表安装在出水管道上，用于实时监测出水管道内温度。
进一步地，所述管道循环泵为离心泵，通过旋转叶轮带动管道内水进行循环流动。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
1、钻孔内地埋管周围选用渗透性材料作为含水层位置的回填材料，保证地下水能自由通过地埋管周围，通过对流换热的方式，提高换热效率；
2、在含水层内采用金属镀锌铁管，隔水层内采用聚乙烯(PE)管作为换热管道，保证热量在含水层内交换，提高了换热管的换热效率，极大地提高热泵的工作性能；
3、依据“取热不取水”的设计理念，采用地埋管形式在含水层内热交换，避免了技术应用中由于抽水回灌造成的工程问题；
4、在地下水丰富、含水层条件良好的地区采用该项技术将会使得热泵技术方案更加多元化，性能更加高效和稳定。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种基于不同材质复合管的地埋管高效换热系统的结构图。
图中序号表示：1.进水管道；2.定压补水装置；3.排气阀门；4.进水温度传感器及温度表；5.PE管；6.出水管道；7.管道循环泵；8.出水温度传感器及温度表；9.钻孔孔壁；10.膨润土加砂混合料；11.隔水层；12.渗透性材料；13.含水层； 14.镀锌铁管。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
请参考图1，图1是本发明实施例中一种基于不同材质复合管的地埋管高效换热系统的结构图，应用于地下含水层区域的浅层地热能资源的开发和利用，具体包括：回填材料、热交换装置和热传递装置。
所述回填材料主要包括膨润土加砂混合料10和渗透性材料12，膨润土加砂混合料10位于渗透性材料12上方；该膨润土加砂混合料10由膨润土和细砂混合形成，用于回填钻孔隔水层位置；渗透性材料12用于回填钻孔含水层位置，以此来满足含水层内水流流动，促进地下水流对流换热。
所述热交换装置由镀锌铁管14和聚乙烯(PE)管5两个部分组成；镀锌铁管14顶端与聚乙烯管5之间通过螺纹配件进行连接，镀锌铁管14与聚乙烯管5 插入于钻孔孔壁9内，然后回填材料回填于钻孔孔壁9内，渗透性材料12回填进对应于含水层13内的位置，膨润土加砂混合料10回填进位于含水层13上方的隔水层11对应的位置。所述镀锌铁管14为U型管，其管径为32-50mm，具有良好的导热能力，安装于含水层内使管内流体与管壁周围水分进行热交换，能量主要通过含水层进行传递；所述聚乙烯(PE)管5的管径为32-50mm，安装于隔水层位置，用于起到保温作用。
所述热传递装置主要由进水管道1、进水温度传感器及温度表4、出水管道 6、出水温度传感器及温度表8、排气阀门3、管道循环泵7和定压补水装置2 组成，所述进水管道1与出水管道6与热交换装置连接，该进水管道1上依次设置定压补水装置2、排气阀门3和进水温度传感器及温度表4，出水管道6上依次设置管道循环泵7和出水温度传感器及温度表8，该进水温度传感器及温度表 4用于实时监测进水温度。所述排气阀门3安装在进水管道1上，用于控制管内气体排出，所述管道循环泵7为离心泵，通过旋转叶轮带动管道内水进行循环流动，所述出水温度传感器及温度表8安装在出水管道6上，用于实时监测出水管道内温度。所述定压补水装置包括有补给水装置和水箱，水箱内上设置有水位计，用于实时监控其水箱内的水位高度，当箱内水位降低到设计的最低刻度线时，补给水装置的补给水管道则自动打开，通过水位计参数向系统传输电流信号，当水位不足时，电流值低于预设最小值，系统控制补水管道阀门开启，向水箱内自动补充水量，直至水位达到设计的水位线时，补给水装置自动关闭，起到定压补水作用。
本申请以镀锌铁管14作为含水层内的换热管道，其本身的传热性能远高于一般的换热管道；采用渗透性材料12作为钻孔回填材料，而且由于水的对流换热能够极大的提高换热效率；在含水层条件好地区，应用此项技术能够将会有效的利用该地区的浅层地热能。
本发明的有益效果是：
1、钻孔内地埋管周围选用渗透性材料作为含水层位置的回填材料，保证地下水能自由通过地埋管周围，通过对流换热的方式，提高换热效率；
2、在含水层内采用金属镀锌铁管，隔水层内采用聚乙烯(PE)管作为换热管道，保证热量在含水层内交换，提高了换热管的换热效率，极大地提高热泵的工作性能；
3、依据“取热不取水”的设计理念，采用地埋管形式在含水层内热交换，避免了技术应用中由于抽水回灌造成的工程问题；
4、在地下水丰富、含水层条件良好的地区采用该项技术将会使得热泵技术方案更加多元化，性能更加高效和稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于不同材质复合管的地埋管高效换热系统，其特征在于：包括回填材料、热交换装置和热传递装置；所述热交换装置位于回填材料内，该热交换装置顶端与热传递装置连接；
所述回填材料，用于回填钻孔隔水层和含水层位置；
所述热交换装置包括镀锌铁管和PE管，用于进行管内流体与管壁周围水分的热交换；
所述热传递装置，用于控制管内气体排出和实时监测进出水温度及水箱内的水位高度。
2.如权利要求1所述的一种基于不同材质复合管的地埋管高效换热系统，其特征在于：所述回填材料包括膨润土加砂混合料和渗透性材料，膨润土加砂混合料位于渗透性材料上方，膨润土加砂混合料用于回填钻孔隔水层位置，渗透性材料用于回填钻孔含水层位置。
3.如权利要求2所述的一种基于不同材质复合管的地埋管高效换热系统，其特征在于：所述膨润土加砂混合料由膨润土和细砂混合形成。
4.如权利要求1所述的一种基于不同材质复合管的地埋管高效换热系统，其特征在于：所述镀锌铁管与PE管之间通过螺纹配件进行连接。
5.如权利要求1所述的一种基于不同材质复合管的地埋管高效换热系统，其特征在于：所述镀锌铁管的管径为32-50mm，安装于含水层内使管内流体与管壁周围水分进行热交换。
6.如权利要求1所述的一种基于不同材质复合管的地埋管高效换热系统，其特征在于：所述PE管的管径为32-50mm，安装于隔水层位置，起到保温作用。
7.如权利要求1所述的一种基于不同材质复合管的地埋管高效换热系统，其特征在于：所述热传递装置包括进水管道、进水温度传感器、出水管道、出水温度传感器、排气阀门、管道循环泵和定压补水装置，所述进水管道与出水管道与热交换装置连接，所述进水温度传感器及温度表设置在进水管道，用于实时监测进水温度；所述出水管道与镀锌铁管相连，用于输送循环出来的液体；所述排气阀门安装在出水管道上，用于控制管内气体排出；所述出水温度传感器及温度表安装在出水管道上，用于实时监测出水管道内温度。
8.如权利要求7所述的一种基于不同材质复合管的地埋管高效换热系统，其特征在于：所述管道循环泵为离心泵，通过旋转叶轮带动管道内水进行循环流动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220812 |