CN105091411A - 一种制冷制热两用热管型地埋管换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制冷制热两用热管型地埋管换热器，其构成部件包括其内部充有工质的热管主体以及分别设置在所述热管主体上、下部的放热端和吸热端，所述放热端的外部缠绕设置连接热泵机组的制热用换热管，所述吸热端的外部缠绕设置连接热泵机组的制冷用换热管，所述的制热用换热管和制冷用换热管上分别设置有换热管切换阀门。本发明的优点是：即可实现冬季供热，也可实现夏季供冷，适用地区广泛，性价比高，能保证冬季向地下排放的冷量与夏季向土壤排放的热量平衡，从而使地下土壤的年平均温度在多年运行过程中稳定在热管有效工作区间内，保证了热管长期、稳定的运行。

Description

一种制冷制热两用热管型地埋管换热器

技术领域

本发明涉及一种换热器，更具体的说，本发明设置一种用于土壤源热泵***的制冷制热两用热管型地埋管换热器。

背景技术

地埋管换热器是土壤源热泵***的一部分。所述土壤源热泵的使用目的是利用浅层地热资源(指地表浅层的土壤、地下水或河流中吸收的太阳能、地热能而蕴藏的低品位热能)来实现冬季供暖和夏季制冷。一般情况下，浅层土壤的温度在全年范围内是相对稳定的，但夏季的土壤温度会低于环境温度，而冬季的土壤温度又会高于环境温度。因此，利用土壤源热泵***的工作原理，可在夏季将其作为冷源供冷，冬季又可将其作为热源供热。

图1、图2分别示意了采用土壤源热泵***供暖和制冷的原理。

由图1、图2可见，所述的土壤源热泵***实现冬季供暖和夏季制冷的关键部件就是地埋管换热器，所述地埋管换热器的作用是：夏季，将房间的热量排给低于环境温度的土壤以制冷；冬季，则从高于环境温度的土壤中收取热量以供暖。所以，地埋管换热器承担着与地下土壤交换热量的重要作用，其换热性能的好坏，决定了地源热泵***供暖和制冷的效果。

图3示意了一种用于地下换热的热管型地埋式低温高效换热管的原理图。

参照图3，该换热管包括一个内部保持真空的管壳以及充填在所述管壳内部的特定工质，在换热管的工作过程中，其下部吸热段a的温度较高，可达到管内压力下工质的蒸发温度，当工质蒸汽由于密度较低向上扩散到达温度较低的热管上部时，在其内壁凝结为液体并顺内壁流至下部吸热段a再次蒸发，如此往复，直至将热管底部的热量高效传递至热管上部放热段c放热。由于换热管具有传热效率高且不需要循环泵的优势，故被广泛应用于地埋管换热器。

现有的地埋管换热器多为单制热式热管型，申请号为200910080776.8的中国发明专利所公开的“用于地下换热的热管型地埋式低温高效换热管”即为其一(见图3)，其组成部分包括管壳5、受热端1、放热端4、翅片3以及管壳5内的工质2，其技术要点在于做功工质的选择及真空的制作工艺；所述的管壳5是一个内部保持真空的密封容器，所述管壳5内部的工质2始终处于气液两相共存的饱和状态，且无不可凝气体。工作时处于下部吸热段a内的工质吸热汽化产出蒸气，蒸气分子流向上部，在放热段c内的冷壁上凝结并释放汽化潜热，随后，凝结的工质回流而下，重新吸热汽化，循环不已。

上述“用于地下换热的热管型地埋式低温高效换热管”，只能实现供热功能，不能满足制冷需求，故只适用于寒冷地区，不适用于有较大制冷需求的夏热冬冷及夏热冬暖地区使用。

由于土壤的导热系数一般介于1-3W/(m·K)之间，相对于导热系数约为400W/(m·K)的金属铜和导热系数约为80W/(m·K)的金属铁来说，其导热能力较差，由此带来的问题是：单制热式地埋管不断的从土壤中取热，而热管向地下土壤排放的冷量却难以在短时间内散出，以至在地埋管周围产生冷量堆积；又由于其地下部分长期处于吸热运行状态，必然使地埋管周围的土壤温度逐渐降低，当热管下部周围土壤的温度低于工质的蒸发温度后，工质将无法蒸发，致使热管内的吸热、放热循环无法进行，从而造成热管失效。

德国卡尔斯鲁厄大学和德国FKW热泵公司研究所曾在2008年联合发表了一篇关于热管型地埋管换热器实验研究的论文(DeepBoreholeHeatExchangerwithaCO2GravitationalHeatPipe.GeoCongress2008.)，该论文实验所用的热管型地埋管换热器与图3所示用于地下换热的热管型地埋式低温高效换热管的原理相似，只是将工质换成了二氧化碳。

图4示意了二氧化碳工质热管的工作区间。

参照图4可知，在特定压力下，二氧化碳工质从液态变为气态时的蒸发温度是固定的，所以，当外界土壤由于长期向热管放热而温度降低时，土壤的温度将会低于管内工质的蒸发温度，以至工质无法蒸发。可见，前述论文实验所用的热管型地埋管换热器，同样没有考虑到土壤温度下降后对工质蒸发温度的影响，故同样存在热管失效的问题，并且同样不能满足制冷需求，只能应用于冬季供热。

图5示意了某地埋管地源热泵项目运行一年的地下土壤温度变化情况。该项目采用的地埋管为U型垂直地埋管，既可在冬季供热，也可在夏季供冷，但冬季的总热负荷要大于夏季的总冷负荷。

由图5可见，在一年的供能周期中，地埋管在采暖季向地下排放的总冷量要大于供冷季向地下排放的总热量。那么，由于土壤的导热能力较差，蓄积的冷量难以在供能间歇期中散出，故运行一年后的土壤温度比初始状态下降了约1℃之多。当然，对于单制热式热管型地埋管换热器来说，由于没有夏季向地下排放的热量来抵消或缓解冬季向地下排放的冷量，其周围土壤温度的下降将更为明显。

发明内容

本发明的目的就是解决以上现有技术存在的诸多问题，并为此提供一种制冷制热两用热管型地埋管换热器，从而实现夏季供冷与冬季供热的需求，同时保证其长期稳定的运行。

本发明的技术方案是：

一种制冷制热两用热管型地埋管换热器，其构成部件包括其内部充有工质的热管主体以及分别设置在所述热管主体上、下部的放热端和吸热端，所述放热端的外部缠绕设置连接热泵机组的制热用换热管，所述吸热端的外部缠绕设置连接热泵机组的制冷用换热管，所述的制热用换热管和制冷用换热管上分别设置有换热管切换阀门。

在以上设置中：

所述的制热用换热管和制冷用换热管均采用金属铜制作；

所述制热用换热管和制冷用换热管内的循环介质为水；

所述制热用换热管和制冷用换热管的外表面均设置有防腐层和保温层；

所述制冷用换热管的地下直管部分与所述的热管主体相固定；

所述的换热管切换阀门为电子自动阀门或手动阀门。

本发明的有益效果是：

(1)不仅可在冬季供热，还可实现夏季供冷，相比于普通单制热式热管型地埋管换热器，大幅增加了适用地区，提高了热管型地埋管换热器的性价比。

(2)可使冬季向地下排放的冷量与夏季向土壤排放的热量平衡，从而获得使地下土壤的年平均温度能在多年运行过程中稳定在热管有效工作区间内的技术效果，保证了热管长期、稳定的运行。

附图说明

图1是采用土壤源热泵***供暖的原理示意图；

图2是采用土壤源热泵***制冷的原理示意图；

图3是现有技术用于地下换热的热管型地埋式低温高效换热管的结构示意图；

图4是以二氧化碳作为工质的热管型地埋管换热器的工作区间示意图；

图5是某地埋管地源热泵项目运行一年的地下土壤温度变化的示意图；

图6是本发明的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的优点和特征更容易被清楚理解，下面结合附图和实施例对其技术方案作以详细说明。

图6示意了本发明的结构情况。

参见图6，本发明的制冷制热两用热管型地埋管换热器，其构成部件包括热管主体1，所述热管主体1的上部为放热端2，所述热管主体1的下部为吸热端3，所述热管主体1的内部充有工质，所述放热端2的外部缠绕安装连接热泵机组的制热用换热管4，所述吸热端的外部缠绕安装连接热泵机组的制冷用换热管5，所述的制热用换热管4和制冷用换热管5上分别安装换热管切换阀门6。

本发明的使用方法如下：

由于工质的相变温度介于吸热端3所处的增温层温度与吸热端2所处的恒温层温度之间，故使用本发明时，应将所述的热管主体1垂直埋入土壤中，并使其上部的放热端2处于地下的恒温层内，同时使其下部的吸热端3处于地下的增温层内，以免在夏季温度过高的情况下其工质蒸汽无法凝结；

用于冬季制热时，打开安装在所述制热用换热管4上的换热管切换阀门6并关闭安装在所述制冷用换热管5上的换热管切换阀门6，使所述的制热用换热管4连通热泵机组源侧循环管路。所述吸热端3所汲取的热量使所述热管主体1内的工质蒸发散热，并将热能通过位于所述热管主体1上部的放热端2与所述的制热用换热管4进行热交换，再通过所述的制热用换热管4将热量传至热泵机组，实现供暖。

用于夏季制冷时，关闭安装在所述制热用换热管4上的换热管切换阀门6并打开安装在所述制冷用换热管5上的换热管切换阀门6，使所述的制冷用换热管5连通热泵机组源侧循环管路。由于在夏季供冷工况下，所述热泵机组源侧的出水温度(即进入制冷用换热管5的温度)高于所述热管主体1内工质的蒸发温度，可使工质在所述的吸热端3实现蒸发；又由于所述放热端2的温度低于所述热管主体1内工质的冷凝温度，可使工质蒸汽凝结放热，从而实现热管循环并将冷量提供给制冷用换热管5，再通过所述的制冷用换热管5将冷量传至热泵机组，实现制冷。

本发明的最佳实施方式如下：

1.所述热管主体1、位于所述热管主体1上部的放热端2以及位于热管主体1下部的吸热端3的设计，均根据地源热泵国家标准GB50036-2009《地源热泵***工程技术规范》中的有关要求进行地下热物性指标测试，并结合建筑冷热负荷等参数设计热管主体1的尺寸和材料等参数、内部工质的型号和充灌量等参数以及与热泵机组连接的换热管的相关参数。需要注意的是，为了保证热管换热器长期稳定运行，应遵循国家标准第4.3.2条中“地源热泵***总释热量宜与其总吸热量相平衡”的相关要求，故该设计应保证冬季取热量与夏季排热量的基本平衡，若取热量或排热量过多，则多余的量应当通过其他辅助供能方式提供。比如：若取热量多于排热量，则多出的取热量可通过太阳能予以补足；若排热量多于取热量，则多出的排热量可通过冷却塔予以补足。

2.所述的制热用换热管4以及制冷用换热管5的设计，应以减少热阻为目的，为此，要求两处换热管均与所述的热管主体1紧密接触，并选择金属铜等导热系数较高的材料制作，管内设置水等循环介质。考虑到地下条件较为复杂的情况，应在所述制热用换热管4以及制冷用换热管5的外表面加设防腐层及保温层，并将所述制冷用换热管5的地下直管部分与所述的热管主体1相固定，以避免影响热管换热。

3.所述换热管切换阀门6的设计，用于冬季时将热泵机组源侧循环管路与所述的制热用换热管4相连通；夏季时将热泵机组源侧循环管路与所述的制冷用换热管5相连通，其安装位置应根据现场条件确定，最好安装在易于安装、操作的位置，可选择采用电子自动阀门或手动阀门。

以上参照附图和实施例对本发明的技术方案进行了示意性描述，该描述没有限制性。本领域的技术人员应能理解，在实际应用中，本发明中各个技术特征均可能发生某些变化，而其他人员在其启示下也可能做出相似设计。特别需要指出的是：只要不脱离本发明的设计宗旨，所有显而易见的细节变化或相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种制冷制热两用热管型地埋管换热器，包括其内部充有工质的热管主体以及分别设置在所述热管主体上、下部的放热端和吸热端，其特征在于：所述放热端的外部缠绕设置连接热泵机组的制热用换热管，所述吸热端的外部缠绕设置连接热泵机组的制冷用换热管，所述的制热用换热管和制冷用换热管上分别设置有换热管切换阀门。

2.根据权利要求1所述的制冷制热两用热管型地埋管换热器，其特征在于：所述的制热用换热管和制冷用换热管均采用金属铜制作。

3.根据权利要求1所述的制冷制热两用热管型地埋管换热器，其特征在于：所述制热用换热管和制冷用换热管内的循环介质为水。

4.根据权利要求1所述的制冷制热两用热管型地埋管换热器，其特征在于：所述制热用换热管和制冷用换热管的外表面均设置有防腐层和保温层。

5.根据权利要求1所述的制冷制热两用热管型地埋管换热器，其特征在于：所述制冷用换热管的地下直管部分与所述的热管主体相固定。

6.根据权利要求1所述的制冷制热两用热管型地埋管换热器，其特征在于：所述的换热管切换阀门为电子自动阀门或手动阀门。