CN101939598A - 地热能利用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种地热能利用装置。本发明以开发出一种通过使地热能的回收方法合理化而更加经济实用的新式地热能利用装置作为技术课题。本发明的地热能利用装置，其特征在于，地热能回收管做成双重管构造，将内管的内部空间、外管与内管之间的空间分别作为载热体的往路或复路，将内管及外管连接于热量利用设备而形成循环通路，且在循环通路内封入载热体，这些载热体的往路与复路之间被绝热，并且，通过采用饱和蒸汽压比较高的材料作为载热体，利用潜热来运送热量，能减小载热体的循环量，从而能够紧凑地构成整个装置的规模，因此，能降低原始成本和运行成本。另外，通过封入饱和蒸汽压比较高的载热体，即使在将地热能回收管埋设得较深的情况下，也能够高效地回收地热能。

Description

地热能利用装置
技术领域
本发明涉及一种地热能利用装置，特别是涉及一种通过降低原始成本、运行成本、维护成本来显著提高实用性的装置。
背景技术
由于地热能在整个一年当中都是大致恒定的温度，因此，可将其与地面上的温度差用作空调、融雪用的热源。
为此，以往采用如下方法：汲取地下水、或者作为载热体向配置在地下的管路内输送盐水(brine)来吸收地热能，并且，通过使盐水循环等而在地面上回收热量(例如参照专利文献1)。
在这样的以往方法的情况下，由于利用显热，因此，地下水的汲取量、载热体的循环量很大，导致配管、泵的规模较大。并且，存在如下问题：热效率也较差，导致原始成本、运行成本、维护成本均增加，不合算。另外，在汲取地下水的情况下，也存在导致地面下沉这样的弊端。
专利文献1：日本特开2006-292310公报
发明内容
本发明即是考虑到这样的背景而做成的，以开发出一种通过使地热能的回收方法合理化而更加经济实用的新式地热能利用装置作为技术课题。
即，技术方案1所述的地热能利用装置使载热体在埋设于地下的地热能回收管中循环，从在该地热能回收管内吸收了地热能后的载热体回收热量并有效地利用，其特征在于，上述地热能回收管为双重管构造，将内管的内部空间、外管与内管之间的空间分别作为载热体的往路或复路，将上述内管及外管连接于热量利用设备而形成循环通路，并且，在该循环通路内封入载热体，而且，这些载热体的往路与复路之间绝热，并且，通过采用饱和蒸汽压较高的材料作为上述载热体，利用潜热来运送热量。
采用本发明，能够减小载热体的循环量，从而能够紧凑地构成整个装置的规模，因此，能够降低原始成本和运行成本。
另外，通过封入饱和蒸汽压较高的载热体，即使在将地热能回收管埋设得较深的情况下，也能够高效地回收地热能。
技术方案2所述的地热能利用装置除上述技术特征之外，其特征还在于，在由上述地热能回收管回收地下的热能时，利用载热体的自然循环向热量利用设备供给载热体。
采用本发明，由于载热体循环不需要动力，因此，能够降低装置的原始成本和运行成本。
技术方案3所述的地热能利用装置除上述技术方案1所述的技术特征之外，其特征还在于，在由上述地热能回收管回收地下的冷能时，利用装备在地热能回收管下部的泵向热量利用设备供给液化后的载热体。
采用本发明，能够以较小的泵动力高效地回收较大的冷能。
技术方案4所述的地热能利用装置除上述技术方案1所述的技术特征之外，其特征还在于，将上述外管直接连接于热泵装置的压缩机，将上述内管直接连接于热泵装置的膨胀阀，从而完成热泵装置的循环，由上述地热能回收管回收地热能的热能。
采用本发明，使地热能回收管起到热泵装置的蒸发器的作用，能够高效地回收地热能。
技术方案5所述的地热能利用装置除上述技术方案1所述的技术特征之外，其特征还在于，将上述内管直接连接于热泵装置的膨胀阀，将上述外管直接连接于热泵装置的压缩机，完成热泵装置的循环，由上述地热能回收管回收地热能的冷能。
采用本发明，使地热能回收管起到热泵装置的冷凝器的作用，能够高效地回收地热能。
于是，能够将这些各技术方案所述的技术特征作为手段来谋求解决上述课题。
采用本发明，能够提供一种通过使地热能的回收方法合理化而经济实用的新式地热能利用装置
附图说明
图1是详细表示地热能回收管的构造的纵剖侧视图。
图2是表示采用融雪装置作为直线循环型的热量利用设备的实施例的回路图。
图3是表示采用空气换热器作为直线循环型的热量利用设备、并回收热能的实施例的回路图。
图4是表示采用空气换热器作为直线循环型的热量利用设备、并回收冷能的实施例的回路图。
图5是表示采用换热器***型作为热泵循环型的热量利用设备、并回收热能的实施例的回路图。
图6是表示采用换热器***型作为热泵循环型的热量利用设备、并回收冷能的实施例的回路图。
图7是表示采用直接嵌入型作为热泵循环型的热量利用设备、并回收热能的实施例的回路图。
图8是表示采用直接嵌入型作为热泵循环型的热量利用设备、并回收冷能的实施例的回路图。
附图文字翻译
1、地热能利用装置；2、地热能回收管(双重管)；21、内管；21a、连接口；21b、连通口；22、外管；22a、连接口；23、绝热材料；24、泵；3、融雪装置；31、上部集管；31a、载热体供给口；32、下部集管；32a、载热体排出口；33、融雪盘管；4、空气换热器；4a、载热体出入口；4b、载热体出入口；4c、风扇；5、热泵装置；51、换热器；51a、载热体出入口；51b、载热体出入口；52、压缩机；53、冷凝蒸发器；54、膨胀阀；6、房屋；60、屋顶；D、热量利用设备；D1、直线循环型；D2、热泵循环型；D21、换热器***型；D22、直接嵌入型；E、目标工作机；M、载热体；M1、液相载热体；M2、气相载热体；m、载热体；m1、液相载热体；m2、气相载热体；P、管路；V1、三通阀；V2、三通阀。
具体实施方式
本发明的地热能利用装置将在以下实施例中说明的内容作为最佳方式，但也包含在本发明的技术构思的范围内对该实施例适当地施加变更而成的内容。
实施例
下面，根据图示的实施例说明本发明的地热能利用装置1。
如图1所示，地热能利用装置1的基本构造是这样的装置，即，向埋设在地下的地热能回收管2供给载热体M，使载热体M在该地热能回收管2内吸收地热能(热能或冷能)，通过热量利用设备D自该载热体M回收并有效地利用热量。
上述地热能回收管2做成双重管构造，其将筒状的内管21的两端分别作为连接口21a、连通口21b，封闭筒状的外管22的一端并将另一端作为连接口22a，上述内管21的连接口21a做成自外管22的侧壁部分突出的状态。即，地热能回收管2构成为形成有自连接口21a经由连通口21b到达连接口22a的流路。在上述内管21的外周部还设有绝热材料23。
而且，通过上述连接口21a及连接口22a连接于热量利用设备D而形成循环通路，在该循环通路内封入有载热体M。
另外，上述内管21由聚氯乙烯、聚乙烯等导热系数比较低的原料形成，在能够利用原料确保所需的绝热性的情况下，也可以不设置上述绝热材料23。另一方面，上述外管22由铁、铜等导热系数比较高的原料形成。
这样，通过将地热能回收管2做成双重管构造，埋设时的挖孔直径较小即可，因此，能够降低设置成本。
另外，在本发明中，通过采用饱和蒸汽压比较高的材料作为上述载热体M，从而利用潜热来运送热量，具体地讲，可采用二氧化碳、丁烷等。另外，也可以采用氟利昂，但考虑到保护自然环境，优选采用上述二氧化碳、丁烷等。
另外，上述二氧化碳的临界温度低到31.1℃，作为一个例子31.1℃时的饱和蒸汽压约为75kg/cm2Abs。
下面，针对热量利用设备D的构造不同的每个实施例说明地热能利用装置1，该热量利用设备D大致分为直线循环型D1和热泵循环型D2。
另外，在以下说明中，将成为最终获取热量处的装置作为目标工作机E，并且，在图中以双重框表示。
采用直线循环型的热利用设备的实施例
作为直线循环型D1的热量利用设备D的具体例子，能够列举出图2所示的融雪装置3和图3、4所示的空气换热器4。
(1)融雪装置
首先，对采用融雪装置3作为直线循环型D1的热量利用设备D的实施例进行说明，图2所示的地热能利用装置1使载热体M在设置于房屋6的屋顶60上的融雪装置3与地热能回收管2之间循环。
上述融雪装置3构成为在配置于屋顶60上部的上部集管31与配置于屋顶60下部的下部集管32之间具有融雪盘管33。而且，上述地热能回收管2的连接口22a通过管路P连接于上部集管31的载热体供给口31a，另一方面，上述地热能回收管2的连接口21a通过管路P连接于下部集管32的载热体排出口32a，从而形成循环通路，载热体M被填充在该循环通路内。
另外，上述管路P由聚氯乙烯、聚乙烯等导热系数比较低的原料形成，并且，融雪盘管33由铁、铜等导热系数比较高的原料形成。
而且，在该实施例所示的地热能利用装置1中，为了使载热体M自然循环，内管21内的载热体M(液相载热体M 1)与外管22内的载热体M(液相载热体M1)具有液面压头差(日文：液ヘツド差：高低差)，为此，通过融雪装置3的下部集管32设置在比地热能回收管2高的位置来实现该压头差。
下面，对地热能利用装置1的载热体M的状况和热量的移动进行说明。
另外，在该说明中，将外管22与内管21之间的空间称作“外管22内”。另外，对于载热体M，将处于液相状态的情况称作液相载热体M1，处于气相状态的情况称作气相载热体M2。
首先，在外管22内被地热能加热后的(将地热能作为热能吸收后的)液相载热体M1蒸发而成为气相载热体M2，因此，利用外管22内的液相载热体M 1的液面与内管21内的液相载热体M1的液面之间的液面压头差，载热体M会自然循环。
然后，上述气相载热体M2经由连接口22a在管路P内前进，立即进入到上部集管31中，并被供给到融雪盘管33中。
接着，气相载热体M2的热量通过融雪盘管33被传导到积存于屋顶60的雪，因此，雪会融化。另一方面，这样放出了潜热后的气相载热体M2成为液相载热体M1，液相载热体M1经由下部集管32在管路P内前进，并立即从连接口21a到达内管21内。
然后，在内管21内流下的液相载热体M 1会继续这样的循环，即，从连通口21b移动到外管22内，立即被地热能加热而蒸发，再次成为气相载热体M2而被供给到融雪盘管33中。
(2)空气换热器
接着，对采用空气换热器4作为直线循环型D1的热量利用设备D的实施例进行说明，该空气换热器4是这样构成的装置，即，通过由风扇4c输送空气而在其与载热体M之间进行热交换。
另外，如图3、4所示，该实施例中所示的地热能利用装置1使载热体M在空气换热器4与地热能回收管2之间循环，利用管路P将地热能回收管2的连接口22a和空气换热器4的载热体出入口4a连接起来，同样地利用管路P将连接口21a和载热体出入口4b连接起来。
因此，图3、4所示的地热能利用装置1通过切换三通阀V1、三通阀V2，能够向直线循环型D1或热泵循环型D2中的任一个热量利用设备D供给载热体M，关于热泵循环型D2之后说明。
并且，该实施例中所示的地热能利用装置1为了能够使载热体M自然循环，使内管21内的载热体M(液相载热体M1)与外管22内的载热体M(液相载热体M1)具有液面压头差，为此，通过将空气换热器4的载热体出入口4b设置在比地热能回收管2高的位置来实现该压头差。
另外，图4所示的地热能利用装置1具有与图3所示的装置同样的基本构造，在地热能回收管2的连通口21b附近还具有泵24。
下面，对地热能利用装置1的载热体M的状况和热量的移动进行说明。
(2-1)热能的回收
首先，对利用地热能利用装置1将地热能作为热能进行回收的实施例进行说明，如图3所示，这种情况下形成如下循环路径：从地热能回收管2的连接口22a排出的载热体M从载热体出入口4a进入到空气换热器4中，被从载热体出入口4b排出而返回到连接口21a。
下面，对地热能利用装置1的载热体M的状况和热量的移动进行说明。
首先，在外管22内被地热能加热后的(将地热能作为热能吸收后的)液相载热体M1蒸发而成为气相载热体M2，因此，利用外管22内的液相载热体M1的液面与内管21内的液相载热体M1的液面之间的液面压头差，载热体M会自然循环。
然后，上述气相载热体M2经由连接口22a在管路P内前进，立即从载热体出入口4a被供给到空气换热器4(目标工作机E)中。在空气换热器4中，在由风扇4c输送的空气与载热体M之间进行热交换，空气的温度会上升。
另一方面，这样放出了潜热后的气相载热体M2成为液相载热体M 1，液相载热体M 1经由载热体出入口4b在管路P内前进，并立即从连接口21a到达内管21内。
然后，在内管21内流下的液相载热体M 1会继续这样的循环，即，从连通口21b移动到外管22内，立即被地热能加热而蒸发，再次成为气相载热体M2而被供给到空气换热器4中。
(2-2)冷能的回收
接着，对利用地热能利用装置1将地热能作为冷能进行回收的实施例进行说明，如图4所示，这种情况下形成如下循环路径：从地热能回收管2的连接口21a排出的载热体M从载热体出入口4b进入到空气换热器4中，被从载热体出入口4a排出而返回到连接口22a。
下面，对地热能利用装置1的载热体M的状况和热量的移动进行说明。
首先，在外管22内被地热能冷却后的(将地热能作为冷能吸收后的)气相载热体M2冷凝而成为液相载热体M1，液相载热体M1被泵24从连通口21b输送到内管21中，经由连接口21a在管路P内前进，立即从载热体出入口4b被供给到空气换热器4(目标工作机E)中。在空气换热器4中，在由风扇4c输送的空气与载热体M之间进行热交换，空气的温度会下降。
另一方面，这样放出了潜热后的液相载热体M 1成为气相载热体M2，气相载热体M2经由载热体出入口4a在管路P内前进，并立即从连接口22a到达外管22内。
然后，气相载热体M2会继续这样的循环，即，在外管22内被地热能冷却，冷凝而成为液相载热体M1，液相载热体M1再次被泵24供给到空气换热器4中。
采用热泵循环型的热量利用设备的实施例
接着，对采用热泵循环型D2的热量利用设备D的实施例进行说明。作为热泵循环型D2(热泵装置5)的具体例子，能够列举出图5、6所示的换热器***型D21和图7、8所示的直接嵌入型D22。
(3)换热器***型
首先，对构成为换热器***型D21的热泵循环型D2的热量利用设备D进行说明，如图5、6所示，该类型的热量利用设备D用于构成使换热器51起到载热体m的蒸发器或者冷凝机的作用的热泵循环。
具体地讲，由换热器51、压缩机52、冷凝蒸发器53及膨胀阀54形成载热体m的循环路径，另一方面，上述地热能回收管2的连接口22a利用管路P连接于换热器51的载热体出入口51a，上述地热能回收管2的连接口21a利用管路P连接于载热体出入口51b，从而形成载热体M的循环通路。
而且，在该实施例中，为了使载热体M自然循环，内管21内的载热体M(液相载热体M1)与外管22内的载热体M(液相载热体M1)具有液面压头差，为此，通过将换热器51设置在比地热能回收管2高的位置来实现该压头差。
另外，图6所示的地热能利用装置1具有与图5所示的装置同样的基本构造，在地热能回收管2的连通口21b附近还具有泵24。
下面，对地热能利用装置1的载热体M的状况和热量的移动进行说明。
(3-1)热能的回收
首先，对利用地热能利用装置1将地热能作为热能进行回收的实施例进行说明，如图5所示，这种情况下形成如下循环路径：从地热能回收管2的连接口22a排出的载热体M从载热体出入口51a进入到换热器51中，被从载热体出入口51b排出而返回到连接口21a。另外，对于载热体m来说，形成在换热器51、压缩机52、冷凝蒸发器53、膨胀阀54中前进而返回到换热器51的循环路径。并且，上述冷凝蒸发器53会起到冷凝器的作用。
首先，在外管22内被地热能加热后的(将地热能作为热能吸收后的)液相载热体M1蒸发而成为气相载热体M2，因此，利用外管22内的液相载热体M1的液面与内管21内的液相载热体M1的液面之间的液面压头差，载热体M会自然循环。
然后，上述气相载热体M2经由连接口22a在管路P内前进，立即从载热体出入口51a被供给到换热器51中。在换热器51中，在载热体m(液相载热体m1)与载热体M(气相载热体M2)之间进行热交换，液相载热体m1吸收潜热而成为气相载热体m2。
接着，气相载热体m2利用压缩机52成为更高的温度，在起到冷凝器作用的冷凝蒸发器53(目标工作机E)中放出热量，并且冷凝而成为液相载热体m1，液相载热体m1经由膨胀阀54再次被输送到换热器51中。
另一方面，如上所述那样在换热器51中放出了潜热后的气相载热体M2成为液相载热体M1，液相载热体M1经由载热体出入口51b在管路P内前进，并立即从连接口21a到达内管21内。
然后，在内管21内流下的液相载热体M1会继续这样的循环，即，从连通口21b移动到外管22内，立即被地热能加热而蒸发，再次成为气相载热体M2而被供给到换热器51中。
(3-2)冷能的回收
接着，对利用地热能利用装置1将地热能作为冷能进行回收的实施例进行说明，如图6所示，这种情况下形成如下循环路径：从地热能回收管2的连接口21a排出的载热体M从载热体出入口51b进入到换热器51中，被从载热体出入口51a排出而返回到连接口22a。另外，对于载热体m来说，形成在换热器51、膨胀阀54、冷凝蒸发器53、压缩机52中前进而返回到换热器51的循环路径。并且，上述冷凝蒸发器53会起到蒸发器的作用。
首先，在外管22内被地热能冷却后的(将地热能作为冷能吸收后的)气相载热体M2冷凝而成为液相载热体M1，液相载热体M1被泵24从连通口21b输送到内管21中，经由连接口21a在管路P内前进，立即从载热体出入口51b被供给到换热器51中。在换热器51中，在载热体m(气相载热体m2)与载热体M(液相载热体M1)之间进行热交换，气相载热体m2吸收潜热而成为液相载热体m1。
接着，液相载热体m1经由膨胀阀54，在起到蒸发器作用的冷凝蒸发器53(目标工作机E)中吸收热量，并且蒸发而成为气相载热体m2，气相载热体m2经由压缩机52再次被输送到换热器51中。
另一方面，如上所述那样在换热器51中吸收了潜热后的液相载热体M1成为气相载热体M2，气相载热体M2经由载热体出入口51a在管路P内前进，并立即从连接口22a到达外管22内。
然后，气相载热体M2会继续这样的循环，即，在外管22内被地热能冷却，冷凝而成为液相载热体M1，液相载热体M1再次被泵24供给到换热器51中。
(4)直接嵌入型
接着，对构成为直接嵌入型D22的热泵循环型D2的热量利用设备D进行说明，如图7、8所示，该类型的热量利用设备D用于构成使地热能回收管2起到载热体M的蒸发器或者冷凝机的作用的热泵循环。
具体地讲，由地热能回收管2、压缩机52、冷凝蒸发器53及膨胀阀54形成载热体M的循环路径。
另外，图8所示的地热能利用装置1具有与图7所示的装置同样的基本构造，在地热能回收管2的连通口21b附近还具有泵24。
下面，对地热能利用装置1的载热体M的状况和热量的移动进行说明。
(4-1)热能的回收
首先，对利用地热能利用装置1将地热能作为热能进行回收的实施例进行说明，如图7所示，在这种情况下，在外管22内被地热能加热后的(将地热能作为热能吸收后的)液相载热体M1蒸发而成为气相载热体M2，气相载热体M2经由连接口22a在管路P内前进，利用压缩机52成为更高的温度。然后，气相载热体M2在起到冷凝器作用的冷凝蒸发器53(目标工作机E)中放出热量，并且冷凝而成为液相载热体M1，液相载热体M1经由膨胀阀54成为气液状态之后，从连接口21a到达内管21内。
然后，在内管21内流下的液相载热体M1会继续这样的循环，即，从连通口21b移动到外管22内，立即被地热能加热而蒸发，再次成为气相载热体M2而被供给到压缩机52中。
(4-2)热能的回收
接着，对利用地热能利用装置1将地热能作为冷能进行回收的实施例进行说明。如图8所示，在这种情况下，在外管22内被地热能冷却后的(将地热能作为冷能吸收后的)气相载热体M2冷凝而成为液相载热体M1，液相载热体M1被泵24从连通口21b输送到内管21中，经由连接口21a在管路P内前进。液相载热体M1立即经由膨胀阀54而在起到蒸发器作用的冷凝蒸发器53(目标工作机E)中吸收热量，并且蒸发而成为气相载热体M2，气相载热体M2经由压缩机52从连接口22a到达外管22内。
然后，气相载热体M2会继续这样的循环，即，在外管22内被地热能冷却，冷凝而成为液相载热体M1，液相载热体M1再次被泵24供给到膨胀阀54中。

Claims (5)

1.一种地热能利用装置，该地热能利用装置使载热体在埋设于地下的地热能回收管中循环，从在该地热能回收管内吸收了地热能的载热体回收热量而有效地利用，其特征在于，
上述地热能回收管为双重管构造，将内管的内部空间、外管与内管之间的空间分别作为载热体的往路或复路，将上述内管及外管连接于热量利用设备而形成循环通路，并且，在该循环通路内封入载热体，而且，这些载热体的往路与复路之间绝热，并且，通过采用饱和蒸汽压较高的材料作为上述载热体，利用潜热来运送热量。
2.根据权利要求1所述的地热能利用装置，其特征在于，
在由上述地热能回收管回收地下的热能时，利用载热体的自然循环向热量利用设备供给载热体。
3.根据权利要求1所述的地热能利用装置，其特征在于，
在由上述地热能回收管回收地下的冷能时，利用装备在地热能回收管的下部的泵向热量利用设备供给液化后的载热体。
4.根据权利要求1所述的地热能利用装置，其特征在于，
将上述外管直接连接于热泵装置的压缩机，将上述内管直接连接于热泵装置的膨胀阀，从而完成热泵装置的循环，由上述地热能回收管回收地热能的热能。
5.根据权利要求1所述的地热能利用装置，其特征在于，
将上述内管直接连接于热泵装置的膨胀阀，将上述外管直接连接于热泵装置的压缩机，从而完成热泵装置的循环，由上述地热能回收管回收地热能的冷能。
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