CN114017949A - 一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置，包括土体中开挖的井体，所述井体中设置有换热结构，所述换热结构包括外壳，所述外壳中设置有换热用的U型管，所述外壳内部形成Ⅰ号管厢、Ⅱ号管厢，所述U型管的两端分别与Ⅰ号管厢、Ⅱ号管厢连通，所述Ⅰ号管厢还与出液管连通，Ⅱ号管厢还与进液管连通，所述外壳中还设置有免回灌且将渗入井体中热交换的水送入储水层的多级泵。本发明只是通过换热器将地下水的低品位能量提供给热泵，地下水在储水层循环，不提升到地面，有效避免地下水污染和消耗。本发明中通过多级泵强制地下水在储水层流动，提高换热器温差，为热泵提供较高品味的能量；弥补了一些地区地下水回灌难的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于热交换技术领域，具体涉及一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置。
背景技术
地源热泵是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源，如电能等，实现由低品位热能向高品位热能转移的装置。利用地源热泵所得到的冷量和热量通常是所消耗能量的4倍以上。
地源热泵一机多用，应用范围广。冬季可供暖，夏季可制冷，还可供生活热水，一套***可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或***。
随着生态环境改善的需要，地源热泵的利用率逐年上升。但安装条件的限制阻碍了地源热泵的推广。地源热泵***分为开式和闭式两种：开式***是指地下水在循环泵的驱动下，经过处理直接流经水源热泵机组或者通过中间换热器进行热交换的***；闭式***是在深埋于地下的封闭塑料管内，注入防冻液，通过换热器与水或土壤交换能量的封闭***。
闭式***虽然不受地下水位、水质等因素影响，也不消耗地下水资源，但施工条件很受限制，造价也偏高，最重要的是换热有限，不能充分发挥热泵的节能特性。开式***节能效果一般在80%以上，技术简单，维修方便，但地下水回灌要消耗较大能源，回灌水水质不能得到保障，一些地区很难做到100%回灌，使宝贵的地下水资源浪费。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置。
本发明的技术方案是：一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置，包括土体中开挖的井体，所述井体中设置有换热结构，所述换热结构包括外壳，所述外壳中设置有换热用的U型管，所述外壳内部形成Ⅰ号管厢、Ⅱ号管厢，所述U型管的两端分别与Ⅰ号管厢、Ⅱ号管厢连通，所述Ⅰ号管厢还与出液管连通，所述Ⅱ号管厢还与进液管连通，所述外壳中还设置有避免回灌且将渗入井体中热交换的水送入储水层的多级泵。
更进一步的，所述出液管的另一端与热泵的进液端连通，所述进液管的另一端与循环泵的出液端连通，所述热泵的出液端与循环泵的进液端连通。
更进一步的，所述外壳包括位于上部的上密闭壳体，所述上密闭壳体下端为过水壳体、所述过水壳体下端为下密闭壳体，所述下密闭壳体下端为过渡壳体，所述过渡壳体下端为下壳体。
更进一步的，所述上密闭壳体内部形成横向的连接板，所述连接板与顶板之间设置有分隔板，所述分隔板将内部空间分隔为Ⅰ号管厢、Ⅱ号管厢。
更进一步的，所述过水壳体中形成进水孔，所述进水孔将井体中的地下水引入到外壳内部。
更进一步的，所述进水孔均匀分布在过水壳体中，且进水孔与U型管的位置相对应。
更进一步的，所述过渡壳体为减缩状，所述下壳体的内径小于下密闭壳体的内径。
更进一步的，所述多级泵15设置在下壳体7中，所述多级泵15将外壳内部的水送入到与井底连通的储水层中。
更进一步的，所述井体的内壁中设置有支撑环，所述过渡壳体放置到支撑环的内圈中。
本发明的有益效果如下：
本发明只是通过换热器将地下水的低品位能量提供给热泵，地下水在储水层循环，不提升到地面，有效避免地下水污染和消耗。
本发明中U型管使换热面积大大增加，提高热泵效率。
本发明中通过多级泵强制地下水在储水层流动，提高换热器温差，为热泵提供较高品味的能量；弥补了一些地区地下水回灌难的缺陷。
本发明中井体可深可浅，适用于不同具有地下水资源的地区；尤其是高寒地区，寒冷的冬季不用电辅助加热，也能满足采暖需要。
本发明在炎热季节，不开启热泵压缩机，只用地下水提供的冷量，也能有效制冷。消耗电风扇的能量，达到中央空调效果。
本发明安装方便，占地面积小，换热器可提升至地面进行维修保养、清除水垢，使用寿命长。
附图说明
图1 是本发明的一种结构剖视图；
图2 是本发明的另一种结构剖视图；
其中：
1 土体 2 井体
3 上密闭壳体 4 过水壳体
5 下密闭壳体 6 过渡壳体
7 下壳体 8 分隔板
9 Ⅰ号管厢 10 Ⅱ号管厢
11 出液管 12 进液管
13 快速接头 14 U型管
15 多级泵 16 进水孔
17 支撑环 18 热泵
19 循环泵 20 内撑板。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1~2所示，一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置，包括土体1中开挖的井体2，所述井体2中设置有换热结构，所述换热结构包括外壳，所述外壳中设置有换热用的U型管14，所述外壳内部形成Ⅰ号管厢9、Ⅱ号管厢10，所述U型管14的两端分别与Ⅰ号管厢9、Ⅱ号管厢10连通，所述Ⅰ号管厢9还与出液管11连通，所述Ⅱ号管厢10还与进液管12连通，所述外壳中还设置有避免回灌且将渗入井体中热交换的水送入储水层的多级泵15。
所述多级泵15的排水面积小于井体2的渗水面积。
如果换热装置采用地面回灌需要大于取水井（一倍以上）的回灌井，而且地面与地下压差大，需要大功率高压水泵强制压进储水层，在操作过程中，回灌压力与流量控制不好会损坏回灌井。
本发明中置于底部的多级泵15功率大大小于地面回灌泵，多级泵15给井水一个向下的力。由于排出面积大大小于渗水面积，使井体2内水位保持浸没换热器，同时，本发明只是使周围地下水温度暂时发生变化，不对地下水造成任何危害。
所述出液管11的另一端与热泵18的进液端连通，所述进液管12的另一端与循环泵19的出液端连通，所述热泵18的出液端与循环泵19的进液端连通。
所述外壳包括位于上部的上密闭壳体3，所述上密闭壳体3下端为过水壳体4、所述过水壳体4下端为下密闭壳体5，所述下密闭壳体5下端为过渡壳体6，所述过渡壳体6下端为下壳体7。
所述上密闭壳体3内部形成横向的连接板，所述连接板与顶板之间设置有分隔板8，所述分隔板8将内部空间分隔为Ⅰ号管厢9、Ⅱ号管厢10。
所述过水壳体4中形成进水孔16，所述进水孔16将井体2中的地下水引入到外壳内部。
所述进水孔16均匀分布在过水壳体4中，且进水孔16与U型管14的位置相对应。
所述过渡壳体6为减缩状，所述下壳体7的内径小于下密闭壳体5的内径。
所述多级泵15设置在下壳体7中，所述多级泵15将外壳内部的水送入到与井底连通的储水层中。
所述井体2的内壁中设置有支撑环17，所述过渡壳体6放置到支撑环17的内圈中。
优选的，所述支撑环17的内圈形成与过渡壳体6外壁相适应的弧形。
所述上密闭壳体3、过水壳体4、下密闭壳体5、过渡壳体6、下壳体7为一体结构。
所述U型管14的两端均设置在连接板中，且分别位于分隔板8两侧。
所述U型管14为一体结构，包括两个竖直段和一个半圆段。
优选的，所述U型管14为多个，且半圆段同心，如图1所示，所述U型管14为三个。
所述出液管11、进液管12的自由端设置有快速接头13，所述快速接头13便于热泵18、循环泵19以及管网的安装。
所述过渡壳体6与下密闭壳体5、下壳体7的过渡处为平滑过渡。
本发明中，多级泵7的出水口朝向储水层，多级泵7的出水口将外壳中经过换热的地下水，重新引入到储水层，同时，井体中会渗入地下水，继续进行热交换。
本发明中采用底部的缩颈结构，并将多级泵7置于缩颈结构中，能够有效的将换热后的地下水进行引出。
本发明中将地下水只在地下的环境中进行热交换，保证了热交换的效率，利用地下水资源进行交换。
所述换热装置置于井体中，彻底不需要回灌，从换热效率以及换热后水的后续处理上，均有提升。
同时，本发明对地下水环境更加的友好，全程封闭化，不会造成对地下水环境的污染。
本发明通过出水向下的多级泵7，对地下水进行引导，提高换热的同时，大幅减少了引导所需的能耗。
又一实施例
一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置，包括土体1中开挖的井体2，所述井体2中设置有换热结构，所述换热结构包括外壳，所述外壳中设置有换热用的U型管14，所述外壳内部形成Ⅰ号管厢9、Ⅱ号管厢10，所述U型管14的两端分别与Ⅰ号管厢9、Ⅱ号管厢10连通，所述Ⅰ号管厢9还与出液管11连通，所述Ⅱ号管厢10还与进液管12连通，所述外壳中还设置有避免回灌且将渗入井体中热交换的水送入储水层的多级泵15。
所述出液管11的另一端与热泵18的进液端连通，所述进液管12的另一端与循环泵19的出液端连通，所述热泵18的出液端与循环泵19的进液端连通。
所述外壳包括位于上部的上密闭壳体3，所述上密闭壳体3下端为过水壳体4、所述过水壳体4下端为下密闭壳体5，所述下密闭壳体5下端为过渡壳体6，所述过渡壳体6下端为下壳体7。
所述上密闭壳体3内部形成横向的连接板，所述连接板与顶板之间设置有分隔板8，所述分隔板8将内部空间分隔为Ⅰ号管厢9、Ⅱ号管厢10。
所述过水壳体4中形成进水孔16，所述进水孔16将井体2中的地下水引入到外壳内部。
所述进水孔16均匀分布在过水壳体4中，且进水孔16与U型管14的位置相对应。
所述过渡壳体6为减缩状，所述下壳体7的内径小于下密闭壳体5的内径。
所述多级泵15设置在下壳体7中，所述多级泵15将外壳内部的水送入到与井底连通的储水层中。
所述井体2的内壁中设置有支撑环17，所述过渡壳体6放置到支撑环17的内圈中。
优选的，所述支撑环17的内圈形成与过渡壳体6外壁相适应的弧形。
所述上密闭壳体3、过水壳体4、下密闭壳体5、过渡壳体6、下壳体7为一体结构。
所述U型管14的两端均设置在连接板中，且分别位于分隔板8两侧。
所述U型管14为一体结构，包括两个竖直段和一个半圆段。
优选的，所述U型管14为多个，且半圆段同心，如图1所示，所述U型管14为三个。
所述出液管11、进液管12的自由端设置有快速接头13，所述快速接头13便于热泵18、循环泵19以及管网的安装。
所述过渡壳体6与下密闭壳体5、下壳体7的过渡处为平滑过渡。
在本实施例中，所述上密闭壳体3的外壁处设置有内撑板20，所述内撑板20，所述内撑板20沿上密闭壳体3外圈均布，所述内撑板20的自由端顶住井体2的内壁。
优选的，所述井体2的内壁与内撑板20对应的位置局部浇筑混凝土，从而保证井体2与内撑板20之间的顶紧固定。
所述内撑板20包括一个横向的连接板和一个竖向的弧形板，所述连接板一端与弧形板内部相连，连接板的另一端固定在上密闭壳体3的外壁处。所述弧形板的弧形与井体2的内壁相适应，且弧形板与井体内壁为面接触。
优选的，所述内撑板20至少为三个。
本发明的工作过程如下：
地下水经过井体2的井壁进入井内，再经过过水壳体4进入换热器中。循环泵19驱动循环水流向U型管14，换热后再流回热泵18。由于U型管14的换热面积大，从而提高了换热效率。
取暖时，将地下水的低品位热能提供给热泵18；夏季则将热泵18排出的热量带到地下。经过换热的地下水与U型管14内的水温差缩小，多级泵15高压将换热器中的水压向井底，在储水层无组织扩散，地下水通过井壁进入换热器与U型管内的循环水换热，由于温差增大，提高了热泵的工作效率。炎热季节，不开启热泵压缩机，只用地下水提供的冷量，也能有效制冷。
本发明只是通过换热器将地下水的低品位能量提供给热泵，地下水在储水层循环，不提升到地面，有效避免地下水污染和消耗。
本发明中U型管使换热面积大大增加，提高热泵效率。
本发明中通过多级泵强制地下水在储水层流动，提高换热器温差，为热泵提供较高品味的能量；弥补了一些地区地下水回灌难的缺陷。
本发明中井体可深可浅，适用于不同具有地下水资源的地区；尤其是高寒地区，寒冷的冬季不用电辅助加热，也能满足采暖需要。
本发明在炎热季节，不开启热泵压缩机，只用地下水提供的冷量，也能有效制冷。消耗电风扇的能量，达到中央空调效果。
本发明安装方便，占地面积小，换热器可提升至地面进行维修保养、清除水垢，使用寿命长。
Claims (9)
1.一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置，包括土体（1）中开挖的井体（2），其特征在于：所述井体（2）中设置有换热结构，所述换热结构包括外壳，所述外壳中设置有换热用的U型管（14），所述外壳内部形成Ⅰ号管厢（9）、Ⅱ号管厢（10），所述U型管（14）的两端分别与Ⅰ号管厢（9）、Ⅱ号管厢（10）连通，所述Ⅰ号管厢（9）还与出液管（11）连通，所述Ⅱ号管厢（10）还与进液管（12）连通，所述外壳中还设置有避免回灌且将渗入井体中热交换的水送入储水层的多级泵（15）。
2.根据权利要求1所述的一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置，其特征在于：所述出液管（11）的另一端与热泵（18）的进液端连通，所述进液管（12）的另一端与循环泵（19）的出液端连通，所述热泵（18）的出液端与循环泵（19）的进液端连通。
3.根据权利要求1所述的一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置，其特征在于：所述外壳包括位于上部的上密闭壳体（3），所述上密闭壳体（3）下端为过水壳体（4）、所述过水壳体（4）下端为下密闭壳体（5），所述下密闭壳体（5）下端为过渡壳体（6），所述过渡壳体（6）下端为下壳体（7）。
4.根据权利要求3所述的一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置，其特征在于：所述上密闭壳体（3）内部形成横向的连接板，所述连接板与顶板之间设置有分隔板（8），所述分隔板（8）将内部空间分隔为Ⅰ号管厢（9）、Ⅱ号管厢（10）。
5.根据权利要求3所述的一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置，其特征在于：所述过水壳体（4）中形成进水孔（16），所述进水孔（16）将井体（2）中的地下水引入到外壳内部。
6.根据权利要求5所述的一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置，其特征在于：所述进水孔（16）均匀分布在过水壳体（4）中，且进水孔（16）与U型管（14）的位置相对应。
7.根据权利要求3所述的一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置，其特征在于：所述过渡壳体（6）为减缩状，所述下壳体（7）的内径小于下密闭壳体（5）的内径。
8.根据权利要求3所述的一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置，其特征在于：所述多级泵（15）设置在下壳体（7）中，所述多级泵（15）将外壳内部的水送入到与井底连通的储水层中。
9.根据权利要求3所述的一种应用于地源热泵的地下水储水层主动循环换热装置，其特征在于：所述井体（2）的内壁中设置有支撑环（17），所述过渡壳体（6）放置到支撑环（17）的内圈中。
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