CN103322832A - 一种地源热泵高效换热器及其建造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地源热泵高效换热器及其建造方法，其特征是：在钻井中设置套管结构，所述套管结构中的外套管采用钢管，以封底的钢管在钻井中作为支护管；套管结构中的内置管是底部贯通的PE直管，在所述钢管与PE直管之间形成环形夹套。本发明较之传统的双U管换热器，单井换热效率提高3-5倍，大大减少了传统换热器的数量和用地面积，并具有一定的可修复性。

Description

一种地源热泵高效换热器及其建造方法

技术领域

本发明属可再生新能源开发利用领域，具体涉及高效利用地源能，为建筑物供暖和制冷。

技术背景

研究表明，形成于46亿年前的地球，在漫长的演化过程中，其内部聚集了大量的能量，其核心部位温度高达6880℃，比太阳表面5500℃还高一千多度。火山爆发让人类直接感受了其能量的巨大威力。

钻探和测量显示，地表20米以下的温度已不受太阳辐射的影响，各深度层温度受地核传导热量控制，一年四季恒定不变。地表向下100米处为19-20℃，200米处21-22℃，深度每增加100米，温度增加约3℃，火山活动地热异常区除外。由此可见，地源能量储量巨大，分布广泛，清洁环保，地源热泵空调***为人类使用地源能提供了可能。

在我国，目前建筑能耗占全社会总能耗的1/3，建筑物使用中最大的能耗是采暖和制冷，约占建筑物总能耗低50-70%。与气候条件相近的发达国家相比，我国建筑每平方米采暖能耗是发达国家的3倍，随着生活舒适标准的不断提高，建筑能耗还将大幅上涨。地源热泵空调***和常规空调相比大约节能50%左右。

地源热泵空调***主要包括室外地下换热***、地源热泵机组和室内空调末端***三个组成部分。

目前，电源热泵机组与室内空调末端***的制造技术比较成熟，一般承建单位都具备相应的技术水平；决定地源热泵空调***可靠性、安全性及总体效率的核心是地下换热***的建造水平与换热效率。国内外现行换热器建造技术是采用单U管或双U管换热器，用两根或四根直径为25mm 或为32mm的PE管底部相连，埋于井下，如图2所示，U管1直接埋设在基岩2中，基岩2的上方为土层4，U管的管壁外部为回填料3，U管的一端为进水口1a，另一端为出水口1b。在这一结构形式中，由于受PE管最大承压16MPa的限制，埋管井深一般不超过120m。这种形式的换热器存在以下缺陷：

1、换热效率低、占地面积大，许多建筑因此不具备使用该技术的条件；

2、由于换热器过多且大多埋于大楼地下室，基本不具可修复性；

3、在换热器的群孔条件下，***的长效性、稳定性有待研究；

4、建筑物下部与四周密集布孔，孔比地基深，其对地基结构的影响有待研究。

以上问题使得70%以上新建建筑无法采用地源热泵空调***，旧楼改造更加难以使用。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种地源热泵高效换热器及其建造方法，以提高地源热泵***单井换热能力，减少井的数量，节约用地，使地下换热器具备可修复性。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明地源热泵高效换热器的结构特点是：在钻井中设置套管结构，所述套管结构中的外套管采用钢管，以封底的钢管在钻井中作为支护管；套管结构中的内置管是底部贯通的PE直管，在所述钢管与PE直管之间形成环形夹套，在所述套管中形成的水流通道为：

水流在PE直管的顶部引入，在PE直管中由上而下，再进入环形夹套并由下而上，在钢管顶部引出；

或水流在钢管顶部引入，在环形夹套中由上而下，再进入PE直管并由下而上，在PE直管的顶部引出。

本发明地源热泵高效换热器的结构特点也在于：所述钻井深度为125-200m，所述钢管的直径为127-159mm，所述PE直管的直径为26-32mm。

本发明地源热泵高效换热器的建造方法的特点是按如下步骤进行：

a、采用直径为140-180mm的钻头实施钻井，形成深度为125-200m的竖井；

b、冲洗竖井中的泥沙，向竖井中下直径为127-159mm的底口封闭的钢管，以钢管在竖井中作为支护管，在钢管外周围以原浆回填，使钢管稳固并与竖井侧壁相贴合；

c、向钢管中下直径为26-32mm的PE直管，使得在PE直管与钢管之间形成环形夹套，并保持PE直管在管底部与环形夹套相连通。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明设置套管结构，换热面积的增加使换热能力大幅提高，单井换热能力是已有技术中双U管换热器的3-5倍。

2、本发明设置套管结构，以钢管为支护管，使得PE直管并不直接承受压力，因此可以增加井深，极好地改善了换热器的换热性能。

3、本发明套管结构中的PE直管可以更换，其可修复性为***的长期稳定运行提供了保障。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为已有技术结构示意图；

图中标号：1为U管，1a进水口，1b出水口，2基岩，3回填料，4土层，5钢管，6原浆，7为PE直管，8环形夹套。

具体实施方式

参见图1，本实施例中的地源热泵高效换热器的结构形式是：在钻井中设置套管结构，所述套管结构中的外套管采用钢管5，以封底的钢管5在钻井中作为支护管；套管结构中的内置管是底部贯通的PE直管7，在钢管5与PE直管7之间形成环形夹套8，在套管中形成的水流通道为：

水流在PE直管7的顶部引入，在PE直管中由上而下，再进入环形夹套8并由下而上，在钢管5的顶部引出；

或水流在钢管5的顶部引入，在环形夹套8中由上而下，再进入PE直管7并由下而上，在PE直管7的顶部引出。

具体实施中，钻井深度为125-200米，钢管5的直径为127-159mm，PE直管7的直径为26-32mm。

本实施例中地源热泵高效换热器的建造方法是按如下步骤进行：

a、采用直径为140-180mm的钻头在基岩2中实施钻井，形成深度为125-200m的竖井；

b、冲洗竖井中的泥沙，向竖井中下直径为127-159mm的底口封闭的钢管5，以钢管5在竖井中作为支护管，基岩2的上方为土层4，在钢管5的外周围以原浆6回填，使钢管5稳固并与竖井侧壁相贴合；

c、向钢管5中下直径为26-32mm的PE直管7，使得在PE直管7与钢管5之间形成环形夹套8，并保持PE直管7在管底部与环形夹套8相连通。

实施例：

设计钻井深度为200米，钢管选用直径为159mm、壁厚为4mm的无缝钢管，选用XY-4钻机，采用172mm金刚石复合片钻头。

在钻井深度至到200米时，冲洗井中泥浆至基本清水，将长度为6m、管底封闭的钢管放入清洗干净的井中，由于单根钢管的长度达不到竖井深度，因此需要以多根钢管进行连接，相邻钢管之间可以采用丝扣加密封胶密封连接，直至钢管下到井底；在钢管与钻井井壁之间回填原浆，使钢管稳固。

在钢管中下直径为32mm的PE直管，使PE直管的底口距离钢管底部保持有0.5米的距离。最后在钢管和PE直管的顶部分别连接外接管，并将钢管的顶部敞口进行封闭即完成。

Claims (3)

1.一种地源热泵高效换热器，其特征是：在钻井中设置套管结构，所述套管结构中的外套管采用钢管(5)，以封底的钢管(5)在钻井中作为支护管；套管结构中的内置管是底部贯通的PE直管(7)，在所述钢管(5)与PE直管(7)之间形成环形夹套(8)，在所述套管中形成的水流通道为：

水流在PE直管(7)的顶部引入，在PE直管中由上而下，再进入环形夹套(8)并由下而上，在钢管(5)的顶部引出；

或水流在钢管(5)的顶部引入，在环形夹套(8)中由上而下，再进入PE直管(7)并由下而上，在PE直管(7)的顶部引出。

2.根据权利要求1所述的地源热泵高效换热器，其特征是：所述钻井深度为125-200m，所述钢管(5)的直径为127-159mm，所述PE直管(7)的直径为26-32mm。

3.一种权利要求1所述地源热泵高效换热器的建造方法，其特征是按如下步骤进行：

a、采用直径为140-180mm的钻头实施钻井，形成深度为125-200m的竖井；

b、冲洗竖井中的泥沙，向竖井中下直径为127-159mm的底口封闭的钢管，以钢管在竖井中作为支护管，在钢管外周围以原浆回填，使钢管稳固并与竖井侧壁相贴合；

c、向钢管中下直径为26-32mm的PE直管，使得在PE直管与钢管之间形成环形夹套，并保持PE直管在管底部与环形夹套相连通。

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