一种增强型嵌套式地源热泵地下换热系统的制作方法

1.本实用新型属于浅层地热利用技术领域，涉及一种增强型嵌套式(套管或套筒)地源热泵地下换热系统。


背景技术：

2.地热资源量大面广，是一种清洁的可再生能源。地源热泵是浅层地热利用的重要形式之一，其是以岩土体、地下水或地表水等地热资源为低温热源，由热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的空调系统。研究者们普遍认为，在目前和将来，地源热泵是最有前途、最节能的空调系统。
3.垂直埋管地源热泵地下换热器埋设于岩土体中，是地埋管地源热泵空调系统与周围岩土体进行热交换的重要部件，显著影响地埋管地源热泵空调系统的换热效率。垂直埋管地源热泵地下换热器内的循环液与周围岩土体的换热过程依次包括：外管内的循环液(通常为水)与外管换热、外管与回填材料换热、回填材料与周围岩土体换热。
4.目前，垂直埋管地源热泵地下换热器的换热效率较低，无法满足需要。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种增强型嵌套式地源热泵地下换热系统，能够增强地下换热系统的换热效率。
6.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种增强型嵌套式地源热泵地下换热系统，该换热系统埋设在岩土体中，所述的换热系统包括埋设在岩土体中的外管、设置在外管内部的内管以及设置在外管与岩土体之间的回填材料层，所述的内管与外管同轴设置，并且所述的内管与外管之间设有内管支撑机构，所述的内管的顶端设有出液管，底端开设有与外管的内部相连通的内管入口，所述的外管的侧面顶部设有进液管。
8.进一步地，所述的岩土体上开设有钻孔，所述的换热系统埋设在钻孔内。
9.进一步地，所述的外管的顶端及底端均呈封闭状。
10.进一步地，所述的内管支撑机构包括多个由上而下依次设置在内管与外管之间的内管支撑组件。
11.进一步地，所述的内管与外管之间设有两个内管支撑组件，分别为上内管支撑组件、下内管支撑组件。
12.进一步地，所述的上内管支撑组件与内管顶端的之间的距离、上内管支撑组件与下内管支撑组件之间的距离、下内管支撑组件与内管底端之间的距离均相等。
13.进一步地，所述的内管支撑组件包括多个沿周向均匀布设在内管与外管之间的倾斜支撑杆，所述的倾斜支撑杆的内端高于外端。
14.进一步地，所述的外管的内径为10
‑
15cm，壁厚为4
‑
6mm；所述的内管的内径为7
‑
10cm，壁厚为4
‑
6mm；所述的出液管的内径为3
‑
5cm，壁厚为4
‑
6mm；所述的进液管的内径为3
‑
5cm，壁厚为4
‑
6mm。
15.优选地，所述的外管的导热系数为1.2
‑
2.0w/m
·
k，所述的内管的导热系数为0.1
‑
0.15w/m
·
k。
16.优选地，所述的外管由pvc、碳纤维材料制成，所述的内管由pvc、聚氨酯材料制成。
17.优选地，所述的进液管及出液管均由pvc材料制成。
18.优选地，所述的回填材料层中，回填材料包括以下组分：膨润土、标准砂、碳纤维及除气水，所述的膨润土、标准砂与除气水的质量比为1:(1.8
‑
2.2):(0.9
‑
1.1)，所述的碳纤维的质量为膨润土、标准砂与除气水总质量的0.9％
‑
1.1％。通过掺入碳纤维，可显著提高回填材料的导热系数。回填材料层也可以选用常规的回填材料。
19.优选地，所述的膨润土呈粉末状，比重为2.6，密度范围为1.2
‑
1.8g/cm3，平均粒径为0.27mm；标准砂采用标准中级砂，不均匀系数为1.0，曲率系数为1.8，平均粒径为0.27mm；碳纤维为粉末状，直径为7.4μm，长度为0.15mm，长径比为20，导热系数为17.1w/m
·
k，碳纤维含碳量大于95wt％；除气水，由自来水除去水中空气而制成。
20.应用时，循环液经进液管进入外管内并向下流动，在流动的过程中与外管进行换热，同时外管将热量依次传递至回填材料层、岩土体中；循环液在流至外管底时，经内管入口进入内管中并向上流动，之后经出液管排出。内管支撑机构对内管进行支撑固定，保证内管与外管之间的同轴度。
21.本实用新型的现场施作过程为：先进行现场钻孔施工，之后将预组装的外管、内管、内管支撑机构、进液管、出液管压入钻孔中，待其达到预定位置后将回填材料注入钻孔空隙中。
22.研究表明，垂直埋管地源热泵地下换热器的换热效率较低，主要有以下几方面的原因：
23.1)内管在外管中的位置不稳定，容易发生偏移而导致换热过程不稳定；
24.2)循环液与周围岩土体之间的传热阻力较大；
25.3)内管内外侧的循环介质会通过内管管壁进行热交换，产生“热短路”现象。
26.与现有技术相比，本实用新型具有以下特点：
27.1)通过在内管与外管之间设置内管支撑机构，对内管与外管的相对位置进行固定，避免了内管在外管中的偏移，保证了换热过程的稳定性，增强了换热效率；
28.2)通过优选设置高导热性能的回填材料层及外管，可进一步显著提高循环液与周围岩土体之间的传热系数，以进一步增强换热效率；通过优选设置低导热系数的内管，以降低循环液通过内管管壁进行的热交换，避免发生“热短路”问题；
29.3)现场施作简单，绿色环保。
附图说明
30.图1为实施例1中换热系统的俯视剖视结构示意图；
31.图2为实施例1中换热系统的主视剖视结构示意图；
32.图中标记说明：
33.1—岩土体、2—外管、3—内管、4—回填材料层、5—出液管、6—内管入口、7—进液管、8—钻孔、9—倾斜支撑杆。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
35.实施例1：
36.如图1、图2所示的一种增强型嵌套式地源热泵地下换热系统，埋设在岩土体1中，换热系统包括埋设在岩土体1中的外管2、设置在外管2内部的内管3以及设置在外管2与岩土体1之间的回填材料层4，内管3与外管2同轴设置，并且内管3与外管2之间设有内管支撑机构，内管3的顶端设有出液管5，底端开设有与外管2的内部相连通的内管入口6，外管2的侧面顶部设有进液管7。
37.其中，岩土体1上开设有钻孔8，换热系统埋设在钻孔8内。外管2的顶端及底端均呈封闭状。
38.内管支撑机构包括两个由上而下依次设置在内管3与外管2之间的内管支撑组件，分别为上内管支撑组件、下内管支撑组件。上内管支撑组件与内管3顶端的之间的距离、上内管支撑组件与下内管支撑组件之间的距离、下内管支撑组件与内管3底端之间的距离均相等。内管支撑组件包括多个沿周向均匀布设在内管3与外管2之间的倾斜支撑杆9，倾斜支撑杆9的内端高于外端。
39.外管2的内径为10cm，壁厚为4mm；内管3的内径为7cm，壁厚为4mm；出液管5的内径为3cm，壁厚为4mm；进液管7的内径为3cm，壁厚为4mm。
40.应用时，循环液经进液管7进入外管2内并向下流动，在流动的过程中与外管2进行换热，同时外管2将热量依次传递至回填材料层4、岩土体1中；循环液在流至外管2底时，经内管入口6进入内管3中并向上流动，之后经出液管5排出。内管支撑机构对内管3进行支撑固定，保证内管3与外管2之间的同轴度。
41.换热系统的现场施作过程为：先进行现场钻孔施工，之后将预组装的外管2、内管3、内管支撑机构、进液管7、出液管5压入钻孔8中，待其达到预定位置后将回填材料注入钻孔8空隙中。
42.实施例2：
43.本实施例中，外管2的内径为15cm，壁厚为6mm；内管3的内径为10cm，壁厚为6mm；出液管5的内径为5cm，壁厚为6mm；进液管7的内径为5cm，壁厚为6mm。外管2的导热系数为2.0w/m
·
k，内管3的导热系数为0.1w/m
·
k。回填材料层4中，回填材料包括以下组分：膨润土、标准砂、碳纤维及除气水，膨润土、标准砂与除气水的质量比为1:2.2:0.9，碳纤维的质量为膨润土、标准砂与除气水总质量的1.1％。其余同实施例1。
44.实施例3：
45.本实施例中，外管2的内径为12cm，壁厚为5mm；内管3的内径为8cm，壁厚为5mm；出液管5的内径为4cm，壁厚为5mm；进液管7的内径为4cm，壁厚为5mm。外管2的导热系数为1.2w/m
·
k，内管3的导热系数为0.15w/m
·
k。回填材料层4中，回填材料包括以下组分：膨润土、标准砂、碳纤维及除气水，膨润土、标准砂与除气水的质量比为1:1.8:1.1，碳纤维的质量为膨润土、标准砂与除气水总质量的0.9％。其余同实施例1。
46.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用
新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。