地埋换热器、地源热泵系统及地埋换热器施工方法与流程

1.本发明涉及热源地泵技术领域，具体地，涉及一种地埋换热器、地源热泵系统及地埋换热器施工方法。


背景技术：

2.地源热泵是一种利用浅层地热资源(也称地能，包括地表水，土壤、地下水等的能量)的既可供热又可制冷的高效节能系统。
3.地源热泵通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在埋于地下的热交换器与热泵机组之间流动，实现系统与大地之间的热交换。
4.目前，埋于地下的热换热器通常采用单u或者双u型埋管换热器，但是单u或者双u型埋管换热器采用的是pe管材，导热系数大约为土壤的30％，在循环介质和地层之间形成热阻，换热效率较低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种地埋换热器、地源热泵系统及地埋换热器施工方法，以解决现有技术中的埋管换热器换热效率低的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供一种地埋换热器，所述地埋换热器包括主换热管以及连接在所述主换热管底端的配重；
7.所述主换热管包括中心管及套在所述中心管外侧的透水管，所述透水管设置为水能够透过所述透水管的管壁且能在所述透水管的管壁内流动，所述中心管的顶端设置有与所述中心管连通的出水支管，所述透水管的顶端设置有与所述透水管的管壁连通的进水支管；其中，所述中心管的下部位置设置为与所述透水管连通；
8.在所述主换热管位于地下的安装孔中时，所述透水管和所述安装孔之间的环状空间填充的固井材料形成包裹在所述透水管外侧的隔水层，从所述进水支管进入到所述透水管的管壁内的水能够从下部位置进入到所述中心管内，并从所述中心管向上流动至所述出水支管。
9.优选地，所述中心管的下部位置设置有多个与所述透水管连通的过水通道。
10.优选地，所述配重包括沿向下的方向截面逐渐缩小的锥形体。
11.优选地，所述地埋换热器还包括位于所述透水管的顶端且套在所述中心管的外侧的套管，所述进水支管与所述套管连通。
12.优选地，所述地埋换热器还包括包裹在所述透水管外侧的用于透水隔土的滤层，所述隔水层形成在所述滤层的外侧。
13.根据本发明的另一方面，还提供一种地源热泵系统，所述地源热泵系统包括热泵机组、循环水泵以及埋入地下的如上所述的地埋换热器；
14.其中，所述地埋换热器的所述出水支管和所述进水支管分别与所述热泵机组连接，在所述循环水泵的作用下，循环水在所述热泵机组和所述地埋换热器之间循环。
15.根据本发明的再一方面，还提供一种地埋换热器施工方法，所述方法包括：
16.在地面钻孔形成具有预定孔径和预定深度的竖直安装孔；
17.将如上所述的地埋换热器的所述主换热管竖直地放入所述安装孔，其中所述主换热管底端的配重朝下放入；
18.在所述安装孔和所述地埋换热器之间的环状空间灌入固井材料，所述固井材料在所述主换热管的外侧形成隔水层。
19.优选地，所述将如上所述的地埋换热器的所述主换热管竖直地放入所述安装孔，包括：
20.用提吊法将所述主换热管下入所述安装孔中；
21.在所述主换热管的外侧设置导正部件，通过所述导正部件将所述主换热管保持在所述安装孔内的居中位置。
22.优选地，在所述安装孔和所述地埋换热器之间的环状空间灌入固井材料，包括：
23.向所述中心管内下入风管并通过所述风管向所述中心管内注入压缩空气；
24.在向所述中心管内注入压缩空气的同时，在所述安装孔和所述地埋换热器之间的环状空间灌入所述固井材料。
25.优选地，在地面钻孔形成具有预定孔径和预定深度的安装孔，包括：
26.采用第一钻头进行钻孔，形成所述安装孔；
27.在所述安装孔中填入黏土；
28.采用第二钻头在所述安装孔中钻孔，所述安装孔的孔壁上形成黏土层，其中所述第二钻头的外径小于所述第一钻头的外径。
29.本发明提供的地埋换热器与现有技术中的单u或者双u型地埋管换热器相比，本发明提供的地埋换热器与现有技术中的单u或者双u型埋管换热器相比，透水管的周长远大于单u或者双u型埋管，单位延米的换热面积增加，而且本发明提供的地埋换热器中透水管2中的循环水与周边的地层的直接接触热阻小，透水管内的水在管壁内流动可以使得透水管内的水与外侧的岩土层水体进行充分的热交换，从而可以有效提高循环水与周边岩土体的换热效率。
30.本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
31.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
32.在附图中：
33.图1为根据本发明的一个实施方式中地埋换热器埋在地下的示意图。
34.附图标记说明
35.1-中心管；11-过水通道；2-透水管；21-滤层；3-配重；4-隔水层；5-出水支管；6-进水支管；7-套管；8-安装孔；9-地层。
具体实施方式
36.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描
述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。
39.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
40.本发明提供一种地埋换热器，所述地埋换热器包括主换热管以及连接在所述主换热管底端的配重3；
41.所述主换热管包括中心管1及套在所述中心管1外侧的透水管2，所述透水管2设置为水能够透过所述透水管2的管壁且能在所述透水管2的管壁内流动(即水可以沿透水管2的管壁径向流动，也可以沿管壁的轴向延伸方向流动，这样水在管壁内能够以紊流的方式自由流动)，所述中心管1的顶端设置有与所述中心管1连通的出水支管5，所述透水管2的顶端设置有与所述透水管2的管壁连通的进水支管6；其中，所述中心管1的下部位置设置为与所述透水管2连通；
42.在所述主换热管位于地下的安装孔8中时(主换热管竖直地位于安装孔8中)，所述透水管2和所述安装孔8之间的环状空间填充的固井材料形成包裹在所述透水管2外侧的隔水层4，从所述进水支管6进入到所述透水管2的管壁内的水能够从下部位置进入到所述中心管1内，并从所述中心管1向上流动至所述出水支管6。其中所述固井材料通常采用黏土、粗砂和水的混合物。
43.在安装孔8中设置隔水层4时使得隔水层4从安装孔8的底部延伸到地表。
44.本发明提供的地埋换热器与现有技术中的单u或者双u型埋管换热器相比，单位延米的换热面积增加，而且本发明提供的地埋换热器中透水管2中的循环水与周边的地层直接接触热阻小，透水管内的水在管壁内以紊流的方式流动可以使得透水管内的水与外侧的岩土层水体进行充分的热交换，从而可以有效提高循环水与周边岩土体的换热效率。
45.因此，本发明提供的地埋换热器结构简单，换热效率高，且循环水与地下水通过隔水层相互隔离，不会与地下水相互串通污染。
46.在一个具体实施方式中，如图1所示，在所述中心管1的下部位置设置有多个与所述透水管2连通的过水通道11，其中，所述过水通道11可以是滤水孔，也可以是在中心管1上设置的长条形的缝隙，透水管2内的水可以通过所述过水通道11进入到所述中心管1内。
47.本实施方式中，优选地，所述中心管1可以采用具有较大热阻以起到保温作用的管材，所述透水管2可以采用厚壁圆环状高孔隙率管材，水能够在透水管2的管壁内以紊流的方式自由流动，水在透水管2的管壁内流动换热性能好。
48.所述配重3优选包括沿向下的方向截面逐渐缩小的锥形体，锥形体可以在该地埋换热器竖直地向下放入安装孔8中时起到导正作用。所述配重3还可以包括位于锥形体上方
的与主换热管连接的圆柱体，也就是说该配重3可以是圆柱体和锥形体的组合体。当然，所述配重3也可以采用其它形式的能够起到配重和导正作用的结构。
49.为设置所述进水支管6与所述透水管2的管壁连通，所述地埋换热器还包括位于所述透水管2的顶端且套在所述中心管1的外侧的套管7，所述进水支管6与所述套管7连通。
50.具体的，如图1所示，与所中心管1连通的出水支管5从套管7顶部的封盖板上伸出，与套管7连通的进水支管6连接在套管7的一侧。
51.所述地埋换热器还包括包裹在所述透水管2外侧的用于透水隔土的滤层，所述隔水层4形成在所述滤层的外侧。通过设置所述滤层，可以有效防止外侧的泥沙进入到透水管2内。
52.本发明的另一方面，还提供一种地源热泵系统，所述地源热泵系统包括热泵机组、循环水泵以及埋入地下的热塑所述的地埋换热器；
53.其中，所述地埋换热器的所述出水支管5和所述进水支管6分别与所述热泵机组连接，在所述循环水泵的作用下，循环水在所述热泵机组和所述地埋换热器之间循环。所述热泵机组和所述地埋换热器之间循环换热过程为本领域技术人员所熟知的技术，在此不再赘述。
54.根据本发明的再一方面，还提供一种地埋换热器施工方法，所述方法包括：
55.在地面钻孔形成具有预定孔径和预定深度的竖直安装孔8；
56.将如上所述的地埋换热器的所述主换热管竖直地放入所述安装孔8，其中所述主换热管底端的配重3朝下放入；
57.在所述安装孔8和所述地埋换热器之间的环状空间灌入固井材料，所述固井材料在所述主换热管的外侧形成隔水层4。
58.所述将如上所述的地埋换热器的所述主换热管竖直地放入所述安装孔8，具体包括：
59.用提吊法将所述主换热管下入所述安装孔8中；
60.在所述主换热管的外侧设置导正部件，通过所述导正部件将所述主换热管保持在安装孔内的居中位置。
61.在所述安装孔8和所述地埋换热器之间的环状空间灌入固井材料，具体包括：
62.向所述中心管1内下入风管并通过所述风管向所述中心管1内注入压缩空气；
63.在向所述中心管1内注入压缩空气的同时，在所述安装孔8和所述地埋换热器之间的环状空间灌入所述固井材料，所述固井材料优选为黏土、砂和水的流态混合物。其中，向所述中心管1内注入压缩空气时，中心管1内的水向上走，在压力作用下，透水管2内水向下流动并进入到中心管1内，由于在透水管2外侧的滤层21的阻隔作用下，固井用的黏土和砂的混合物留在透水管2的外侧，水进入透水管2内，这样可以较为容易在透水管周边形成隔水层4。
64.优选地，所在地面钻孔形成具有预定孔径和预定深度的安装孔8，包括：
65.采用第一钻头钻孔，形成所述安装孔8；
66.在所述安装孔中填入黏土；
67.采用第二钻头在所述安装孔中钻孔，所述安装孔8的孔壁上形成黏土层，其中所述第二钻头的外径小于所述第一钻头的外径。
68.下面根据具体实施方式描述采用本发明提供的地埋换热器施工方法进行施工的具体过程。
69.第一实施方式：
70.1、钻孔：选择孔位，安装钻机，调试正常后采用第一钻头配合稠泥浆循环液钻孔，孔径孔深按设计执行，到达孔深后循环泥浆清理孔底沉渣，符合要求后提钻，形成如图1所示的贯穿多个地层9的安装孔8；
71.2、造壁：将准备好的黏土(天然块状或加工成黏土球)填入安装孔8中，静置一定时间后重新用比第一钻头小一级的筒状钻头钻进到孔底，更换稀泥浆后提钻；
72.3、安装：将配重3、中心管1和透水管2连接，用提吊法依次下入孔中，其中，配重3在下，在主换热器管外侧每隔一定距离安装导正部件，所述导正部件可以是围绕在所述主换热器管外侧间隔相等的多组垫块，也可以是能够主换热器管居中在安装孔8内的其它部件；
73.4、固井：安装完成后，在中心管1内下入风管，在中心管1内注入压缩空气的同时在透水管2外灌入固井材料，所述固井材料是黏土、中粗砂和水的流态混合物；
74.5、地面连接：将该地埋换热器的进水支管6与热泵系统的出水管路连接，该地埋换热器的出水支管5与所述热泵系统的进水管路连接，然后根据需要配置补水、监测控制、过滤排污等装置。
75.第二实施方式：
76.1、钻孔：选择孔位，安装钻机，调试正常后用泥浆做循环液钻孔，孔径孔深按设计执行，到达孔深后循环泥浆清理孔底沉渣并换浆，符合要求后提钻；
77.2、安装：将配重3、中心管1和透水管2连接，用提吊法依次下入孔中；其中，配重3在下，管外每隔一定距离安装导正部件；
78.3、固井：安装完成后，在中心管1内下入风管，在中心管1内注入压缩空气的同时在透水管2外灌入固井材料，所述固井材料是黏土、中粗砂和水的流态混合物；
79.4、地面连接：将该地埋换热器的进水支管6与热泵系统的出水管路连接，该地埋换热器的出水支管5与所述热泵系统的进水管路连接，然后根据需要配置补水、监测控制、过滤排污等装置。
80.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。