专利名称：利用低能的管道和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉M低能的利用，尤其涉及一种系统，在该系统中通过诸如 热泵等终端从土地、岩石或水中经由介质流体传输热能。
背景技术：
在这里低能指的是低温热源，该低温热源的温度可以是例如+2到+10 度。在本说明书中，由诸如土地、岩石或水等热源供给的地热被称为低能。 对土地、岩石或水等低能的利用一M借助例如热泵或热能收集回i^对建 筑物或家用水进行加热。这种地热系统的工作原理与冷冻器的原理相似， 只不过是逆向的，所以举例来说该系统冷却土地并加热水蓄集器。通常， 每消耗一个电能单元便能获得两到四个热单元。利用系数显然比直接用电 加热要好。在寒带，房产的热能粉目当高。随着电力和燃油成本的增高， 利用地热变得越来越有利。
这种低能系统还能替代性地用于内部冷却，例如经由冷却管等使^h质 流体从土地循环流动。
一种回收热能的常用方式是水平安置在大约1米深度的管道系统，然 而，这种管道系统需要4艮大面积，所以它只能用在大面积场地。该收集回 路可以在地下或在水中.在地下安置水平的管道系统需要挖掘用于收集回 路的整个面积的管道沟道。该回路的管道线路必须彼此间隔至少1.5米， 从而使得相邻的管道线路不M碍彼此的热能回收。例如，将水平管道安 置在公园时^J^避免损坏植物和树木的根系。
第二种回收热能的常用方式是地热井。在这里，将管道系统埋置在岩 石上钻出的孔中。地热井-即钻井通常是沿竖直方向钻出的。相对于水平 管道系统来^L，地热井所需的面积非常小。然而，在岩石以上可能有数十
米相当深的覆盖层。覆盖层的部分必须设有保护管，这样便增加了成本。 西此，具有M覆盖层的土壤限制了地热井的安置。地热井中的热产量一 般大于水平管道系统中的热产量.地热井的热产量部分取决于地下水流。 然而，不进行昂贵的钻探是不可能判断地下水流的。
第三种回收热能的常用方式是在湖底或另一种水道底部安置热能回收 管道系统，由此将热能从底部沉积物及水中传输到介质溶液。管道可以放 置到土地中的水里，但是在这种情况下必须将供给管的坑道和回流管的坑 道分开。在水道底部安装置于水中的管道系统是容易的。然而，充满溶液 的管道比^轻，所以它倾向于向上浮起。浮起的管道部分可能引起阻碍 循环的气穴。因此，管道必须用足够数量的重物锚定在底部。安置在底部
的管道系统还容易破碎。船舶等的锚可能会卡住管道系统并对管iiit成破 坏。在水边，供给管和回流管必须掘入底部，从而使得冰不会损坏管道系 统。
然而，这三种方式的选^^取决于所用场地的位置、面积和土壤。低能
网路设计成以这种方式实施即若千房屋共用 一个较大的热能收集回路。
发明内容
因而本发明的一个目的是提供一种能够解决上述问题的管道和系统。 本发明的目的通过具有独立权利要求中所述特征的管道和系统来实现。本 发明的优选实施方式在从属权利要求中公开.
本发明基于这样的原理，即诸如地热泵的地下回漆之类的低能接收回 路设置成一种管道，所述管道的外周具有向内延伸的凹入部。所述管道的 外端是封闭的，所以溶液可以在所述管道的端部根据流动方向的不同而从 内部管道部分移动到外部管道部分，或者从外部管道部分移动到内部管道 部分。内部管道部分和外部管道部分可设置成一个管道或者设置成两个独 立的管道，外部管道环绕内部管道而形成。
本发明的一个目的是提供一种实施终端低能接收回路的系统。
本发明的另一个目的是提供一种实施终端低能接收回路的管道。
根据本发明的一个目的的实施方式，所述系统包括终端和地下回路， 其中，传递给在该回路中循环的介质流体的热量通过例如地热泵传输给房 产的加热回路。该地下回路设置有内部管道和以这种方式环绕该内部管道
的外部管道使得所述外部管道的外端是封闭的，从而该介质流^^L据流 动方向的不同而在所述管道的端部从内部管道移动到外部管道，或者从外 部管道移动到内部管道。
所述系统的地下回路可以通过例如将它掘入沟道内来设置成水平的。 根据本发明的管道允许在没有独立的回流管道的情况下实施所述回路。为 地下回路挖掘的沟道长度根据外部管道外表面的面积而减小。
所述管道可通it^地平面斜向下钻孔而设置在地下。因为不需要用于 所述回路的回流管道的独立坑道，所以不仅可以用地钻在岩石上钻孔，而 且可以用地钻在岩石与土地之间钻孔。根据本发明的所述管道使所述管道 能安置在水道下方，在该处所述管道受到保护。用于所述管道的孔是斜向 下打钻出来的，所述管道的外端能够安置在更深处，该处的温度也更高。 使所述管道倾斜向下使得空气能够从所述管道系统排出。所述管道的斜度 根据土壤而变化。所述管道不必是直的，而且能够随着土地钻孔情况而弯 曲或弯折。因为不需要独立的回流管道，所以才艮据本发明的所述管道允许 地下回路设置在水道、公园、道路或者甚至是建筑物下方。
根据第二实施方式，地下回路包括连接到终端的主管道系统，两个或 多个具有内部管道和外部管道的所述管道^t接到所述主管道系统。所述主 管道系统可设置成独立系统，但是在这种情况下必须通过将所述管道彼此 分隔开或者4吏输送受热的介质流体的主管道绝热而使热传输最小化。所述 管道的数量和长度可以根据所使用的面积和土壤而变化。应当指出，不仅 是,本发明的管道，而且以常规方式实施的地下回路都能够联接到所述 主管道系统。
根据本发明第二个目的的实施方式，介质在所述管道的内部管道中从 热泵输送出去，其中所述管道包括外部管道和所述外部管道中的内部管 道，热泵从介于所述内部管道的外表面和环绕内部管道的所述外部管道的 内表面之间的空间接收经过地热加热的介质流体。在斜向下或径直向下钻 出的孔中，其温度高于所述管道的末端的温度。将尽可能冷的介质输送到
较低位置，从而在所述管道的端部处提供所述介质流体和所述管道的外部 物质之间最大可能温度差，外部物质为诸如土壤、水或位于所述管道外部 的填充材料等。大的温度差使得热能高效地传输到介质。
才艮据本发明的一个实施方式，所述管道包括内部管道，内部管道的外 部设置有被凹入部隔开的外部管道部分，所述外部管道部分形成外部管 道。由于其内设置有所述凹入部，因此所述外部管道提供了更大的将能量 传输到介质溶液的面积，因为能量也可以通过所述凹入部的侧壁传输。更 大的面积为利用所述管道外部的物质的相位变化给出了良好的起始点.所 述管道外部的所述物质可以冰冻或融化，即从液体转化为固体，或者反之。 进一步地，所述凹入部使得所述管道能够弯曲，而不会使所述管道的形状 不利于实现其功能。所述管道比外周处没有凹入部的同轴管道更容易弯 曲。优选地，在与制勤目关联的巻筒上制造所述管道，所以其仍有热度因 而更容易弯曲.加热使得所述管道更容易从所述巻筒上松开。所述管道可 通过例如将温热的液体输送到两个管道部分来进行加热，由此更容易进行 弯曲。由于具有所述凹入部，因此可以通it^外部加热所述管道来对内部 管道进行加热。根据本发明的又一个实施方式，所述管道包括外部管道， 外部管道的内部能够布置内部管道。借助于布置在所述外部管道内的凹入 部，所述内部管道的外表面布置成与所述外部管道的内表面隔开。所述凹 入部可以是外部管道的具有特定形状的部分，其4吏得内部管道对准外部管 道中心。而且，所述凹入部使得所述管道在弯曲时不^it成所述管道的形 状不利于实现其功能。所述管道的端部布置成容纳以这种方式封闭所述外 部管道端部的端部截面使得在所述管道中输送的介质流体能够依据流动 方向的不同而在所述端部从所述内部管道移动到所述外部管道，或者从所 述外部管道移动到所述内部管道，从而设置成热能收集回路。对所述管道 的封闭可根据钻孑L设备和方法以各种方式来实施.然而，必须明白的是所 述端部截面仅仅封闭所述外部管道的端部，所以所述溶液能够从一个管道 移动到另一个管道。例如利用端部截面的形状使流体从所述内部管道导向 到外部管道或者反之能够简化介质流体的传输。
例如，所述管道的材料是聚乙烯。所述外部管道的直径例如是100毫 米，所述内部管道的直径例如是40毫米。在这种情况下，所述外部管道的 外周大于所述内部管道，由于其中i殳置有所述凹入部，能量可以通过更大 的面积传输到所迷介质溶液。
与所述内部管道的容量相关的所述外部管道的内表面和所述内部管道 的外表面之间的容量能够通过改变所述管道的直径比率以及凹入部的数 量及形状来增加。长形凹入部的数量优选的是至少三个，由此内部管道能 够同心地安置在外部管道内。所述外部管道的凹入部还可以螺紋状方式实 施，由此形成在所述凹入部之间的流动通道变得比直线型凹入部的流动通 道更长。当凹入部以螺紋状方式设置在所述管道内时，设置较少数量的所 述凹入部就能实现将外部管道的中心与内部管道对准，对准内部管道甚至 可以用一个具有细牙螺紋的凹入部来实施。同样，螺紋状的技术方案能够
作为单件和双件管道结构以这样的方式来实施即通过凹入部^吏所述管道 《更于弯曲。
应当指出的是，管道的材料和直径可以变化。所述内部管道还可以进 行绝热以减少所述内部管道和外部管道之间(双件结构)或者外部管道部 分之间(单件结构)的热传输。然而，当所述内部管道的外表面和所述外
部管道的外表面之间的面积差很大时，绝热对于实现根据本发明的所述管 道的功能来说不是必要的。尽管如此，如果希望进一步减少所述管道之间 的热传输，可以对所述内部管道进行绝热。对所述内部管道进行绝热可根 据所述管道的制造工艺以各种方式实施。替代独立的绝热材料或者除了绝 热材料以外，所述内部管道的厚度、材料等也可以变化。例如，所述内部 管道可以造得更厚或者设置成具有两层壁，由此所述内部管道以这样的方 式具有比所述外部管道更好的绝热属性即所述管道的介质流体之间比所 述外部管道中的介质流体与环绕外部管道的土地或水之间的热传输更少。
可以仅^Mt起始端对内部管道进行绝热，因而外部管道末端部分的流 量增加。因此，大部分能量传输在传输效率最高的位置进行。因此对所述 起始端进行的绝热可以与安装结M来，例如通过将另一个管道推压到所 述内部管道之上。
添加到所述介质流体中的最常用的添加剂包括醇或甲酸钾。添加剂的 主*务是降低结水点。通过根据本发明的管道实现的新方法允许使用就 其醇浓度来说更稀的溶液，因为所述内部管道中输送的是更冷的介质流 体，而所述内部管道又被所述外部管道中的已经升温的介质流体围绕。因 此，本发明甚至允许使用没有添加剂的水作为介质流体。当将所述管道的 端部安置在比起始面低的深度时，较低深度的温度高于起始面的温度。因 此，所述管道端部的土壤温度和所述内部管道的介质流体温度之间的温度 差是最大的。大的温度差加速了热量向沿着所述外部管道输送的溶液的传 输。所述外部管道内已升温的介质流体围绕着所述内部管道内输送的介质 流体并防止其结水。
现在参照附图并结合优选实施方式对本发明进行更详细地说明，附图
中
图l示出了根据本发明的系统的一种实施方式；
图2示出了根据本发明的系统的第二实施方式；
图3示出了根据本发明的系统的第三实施方式；
图4示出了根据本发明的系统的第四实施方式；
图5示出了根据本发明的系统的第五实施方式；
图6示出了根据本发明的系统的第六实施方式；
图7示出了根据本发明的管道的实施方式的端视图8示出了其中设置有内部管道的图7中的管道的端视图9示出了根据本发明的第二实施方式的端视图10示出了其中设置有内部管道的图9中的管道的端视图ll示出了图9中的管il^水平方向上的正视图12示出了根据本发明的管道的第三实施方式的端视图13示出了其中设置有内部管道的才艮据图12的管道的端视图14示出了根据本发明的管道的第四实施方式的端视图15示出了其中设置有内部管道的根据图14的管道的端视图；图16示出了从一侧直接观察的根据本发明的管道的一种实施方式；
图17是连接件附接到图16中的管道的原理图18是连接件附接到图16中的管道的原理图19示出了根据图7的管道的第二实施方式的端视图20示出了图9中的管道的第二实施方式的端视图21示出了图12中的管道的第二实施方式的端视图22示出了图14中的管道的第二实施方式的端视图。
具体实施例方式
参照图1，该图示出了才艮据本发明的系统的实施方式，其中管道l水 平地安置在地面以下。该管道的深度d可以是例如1.2到2米。终端3利 用蓄积在管道系统1内的低能并通过传输管道31将所述低能传输到房屋 2，在房屋2中所述低能循环流过加热回路7并沿着传输管道32返回收集 管道系统。在这里管道1直接连接到终端3。终端3可以是例如地热泵。 该图示出了管道l的原理图，其中经冷却的介质流体沿着直径较小的内部 管道10从该终端传输出来。该介质在该内部管道的外端处移动至外部管道 20，外部管道20的直径大于内部管道10的直径。
图2示出了^fl据本发明的系统的第二实施方式，其中图l中的管道l 倾斜地向下安置，在这里管道1与终端3分离。因此，管道1和终端3都 能安置到适当的位置。管道1通过传输管道41和42连接到终端3。在该 图中，管道1的起始端位于2米深处，而其外端位于50米深处的岩石附近。 起始端深度处和末端深度处之间的温度差可能是若干度。该管道的倾角可 以根据岩石的深度而变化。应当指出的是，根据本发明的管道l也可以安 置在岩石上钻出的孔内，以及在土地和部分岩石中钻出的孔内。
图3示出了根据本发明的系统的第五实施方式，其中管道l倾斜地向 下安置在另一建筑物2下方。管道l安置在用地钻钻出的部分在土地部分 在岩石内的孔中。在与管道l的连接中，安置有将岩石和土地分开的诸如
密封件之类的分隔件110，以防止土地与地下水混合。这样一来，在例如
土壤M的情况下，既可以利用土地提供的低能和又可以利用岩石提供的 低能。
图4示出了根据本发明的系统的第六实施方式，其中管道l安置在水 道下方、位于沉积层中，从沉积层中便于吸收低能，因而管道l的整个长 度都在底部下方受到保护。当然，捐^据本发明的管道1也能以传统方式加 上重物安置在水道内。
图5示出了根据本发明的系统的第三实施方式，其中有三根管道l连 接到终端。管道1在分配罐80内^i接起来，并从该分配罐80处经传输管 道41和42连接到终端3。管道1的数量、长度和倾角可根据土壤和/或能 量需求而变化。
图6示出了相^据本发明的系统的第四实施方式，其中若干房屋2或房 产连接到该系统。管道1经由主管道系统连接到终端3。主管道系统1000、 2000的大小可才艮据压力阻力而变化。管道1通过适当的连接装置81或经 由分配罐80连接到主管道系统1000、 2000。介质流体经由分配罐80或直 接连接装置返回管道系统l。
图7示出了根据本发明的具有五个凹入部220的管道20的实施方式。 凹入部具有两个侧壁222和形成该凹入部的底端的定位壁221。
图8示出了其中安置有内部管道IO的图7中的管道20。定位壁221 变成环绕内部管道10安置，从而使内部管道10与外部管道20的中心大致 对准。在定位壁221和内部管道之间，存在小间隙T以便于将内部管道IO 安装到外部管道内。内部管道10形成一个流动通道，且外部管道20的凹 部之间的空间形成五个外部管道部分200，即流动通道。
安装成以后，该间隙T可能会因为外部管道被向内挤压而消失。因而 根据本发明的管道系统提供了一种均匀的管道结构，其中内部管道10也作 为使外部管道20更加坚固的结构而发挥作用。因此，管道20不会在外部 压力作用下完全压毁。
图9示出了根据本发明的管道20的第二实施方式，其中凹部220的数 量是六个。
图10示出了其中安置有内部管道10的图9中的管道20。该内部管道 形成一个流动通道，外部管道20的凹部之间的空间形成六个外部管道部分 200,即流动通道。
图11示出了凹部220沿管道20的纵向设置的图9中的管道，
图12示出了根据本发明的管道20的第三实施方式，其中凹部220的 数量是六个。
图13示出了其中安置有内部管道10的根据图12的管道20。在这里， 内部管道10具有不同于外部管道20的绝热性能。内部管道10可以由绝热 材朴没置而成，但是对于实现本发明的功能而言这不是必需的。不过，内 部管道IO的特殊属性可以根据生产工艺而变化。如果所述管道由相同的材 料制成，那么可以改变内部管道10的厚度和结构，因而，所述管道之间的 热量传输4更得以减少。
图14示出了推^据本发明的管道20的第四实施方式，其中凹部220的 数量是六个。图15示出了其中安置有内部管道10的根据图14的管道20。
图16示出了^L据本发明的管道的一种实施方式，其中凹部220以螺紋 状方式沿管道20的纵向设置。因而，在外部管道20内流动的流体的行进 距离随着螺紋的数量而增大。在细牙螺故的情况下，流体可以沿着一条或 两条流动通道200输送到管道的另 一端。
图17是根据本发明的管道的端部零件5的实施方式的局部视图，在该 端部零件5中流体从内部管道10流到具有賴^据本发明的凹入部220的外部 管道20中。所示箭头显示的是流动方向。应当指出的是，流动方向也能够 逆向实施。该端部零件能够以适合的方式-例如通过焊接附接到该管道 上。
图18是根据本发明的管道的端部零件5的实施方式的局部视图，在该 端部零件5中流体从内部管道流到具有根据本发明的凹入部220的外部 20。在这里凹入部220沿该管道的纵向设置。所示箭头显示的是流动通道 200内的流动方向。应当指出的是，该流动方向也能够逆向实施。
图19显示的是根据本发明的管道的实施方式，其中设置有五个凹入部
220。 在每个凹入部内，有两个侧壁222和形成该凹入部的底端的定位壁
221。 定位壁221经由壁223彼此相互连接，这样便形成了内部管道10。 换句话说，外部管道部分200-即流动通道绕内部管道10形成。内部管道 10形成一个流动通道，而形成在外部管道20的凹入部220之间的空间构 成五个环绕内部管道10的流动通道。
图20示出了根据本发明的管道的实施方式，其中凹部220的数量是六 个。内部管道10形成一个流动通道，而形成在外部管道20的凹入部220 之间的空间构成六个外部流动通道.图中的箭头显示的是外部管道部分 200内的能量传输。从图中可以看到，能量在管道部分200内输送的介质 和围绕管道的物质之间传输，这种传输既从管道20的外周进行也通过靠近 管道的回转轴线安置的凹入部220的壁222进行。
图21示出了根据本发明的管道的实施方式，其中凹入部220的数量是 六个。
图22示出了根据本发明的管道的实施方式，其中凹入部220的数量是 五个。在图19、 21和22的结构中，外部管道部分200以这样的方式形成 在内部管道10上:使得该外部管道部分200仅在狭窄的部分彼此相互连接。 因而，更有利于管道的弯曲，而且由于共用空间更少，所以内部管道10 和外部管道部分之间的热量传输减少。
根据图19到22，应当指出的是，外部管道部分200的形状和数量可 以变化。进一步地，内部管道10可具有不同于外部管道部分200的绝热性 能。内部管道10可由绝热材^H更置而成，或者内部管道10的厚度或结构 可以变化。因此，能够减少所述管道之间的热量传输，但是对于实现本发 明的功能来+兌这不是必需的。例如在才艮据图19到22的技术方案中，因为 凹入部延伸到内部管道IO的外周，所以能量可以在内部管道中输送的介质 和包围管道的物质之间传输。对于本领域技术人员来说显而易见的是，随 着该技术的t艮，本发明的基本理念可以多种不同方式实施。因而本发明 及其实施方式不局限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内做出变 化。
权利要求
1.一种利用低能的管道，其特征在于，所述管道(20)设置有在所述管道(20)的外周处向内延伸的凹入部(220)，所述凹入部(220)在所述外周的部分上以这种方式敞开使得在所述管道中热能能够在所述管道中传输的介质与环绕所述管道的物质之间传输，所述传输既从所述管道(20)的外周进行，也通过设置成比较靠近所述管道的回转轴线的凹入部(220)的壁(222)进行；而且最靠近所述凹入部(220)的回转轴线的定位壁(221)用作确定能够布置在所述管道(20)内的内部管道(10)的位置的构件。
2.根据权利要求1所述的管道，其特征在于，所述管道(20)包括至 少三个凹入部，所述凹入部以这种方式安置4吏得所述管道(20)的中央 部分保留一定空间，所述内部管道(10)能够安置在所述空间内。
3.才艮据权利要求1所述的管道，其特征在于，所述管道(20)包括至 少三个凹入部(220)，壁(223)以这种方式设置在所述凹入部(220)之 间4吏得所述管道(20)的中央部分形成所述内部管道(10)。
4.根据权利要求3所述的管道，其特征在于，所述管道(20)包括内 部管道(10)和通过凹入部彼此隔开的外部管道部分(200)。
5.根据前iysi利要求中任一项所述的管道，其特征在于，所述管道(20 ) 中的凹入部(220)以螺紋状方式沿所述管道的纵向设置。
6.才艮据前述权利要求中任一项所述的管道，其特征在于，所述凹入部 (220)的壁厚小于所述管道的外部的壁厚。
7.根据前述权利要求中任一项所迷的管道，其特征在于,所述管道(20 ) 中的凹入部(220)大体上呈字母U形。
8. —种利用低能的系统，包括 -终端(3)，以及-地下回路，其具有管道系统，所述管道系统具有低能传递到其上的 循环的介质流体，该低能通过所述终端(3)来利用，所述系统的特征在于， 所iiifc下回i^设置有内部管道(10)和以这种方式环绕所述内部管道(10) 的外部管道(20):使得所述外部管道(20)的外端是封闭的，从而所述介 质流体能够在所述管道的端部根据流动方向的不同而从所述内部管道(10) 移动到所述外部管道(20)或者从所述外部管道(20)移动到所述内部管 道(10 )，其中，所述外部管道(20 )的外周包括向内延伸的凹入部(220 )， 所述凹入部(220)以这种方式在所述外周的部分上敞开使得热能能够在 所述管道(20)中输送的介质与环绕所述管道的物质之间传输，所述传输 既从所述管道(20)的外周进行，也通过设置成比较靠近所述管道的回转 轴线的凹入部(220)的壁进行，而且最靠近所述凹入部(220)的回转轴 线的定位壁(221)用作确定能够布置在所述管道内的内部管道(10 )的位 置的构件。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述管道(20)包括至 少三个凹入部(220)，壁(223)以这种方式设置在所述凹入部(220)之 间使得所述管道(20)的中央部分形成所述内部管道(10)。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述管道(20)包括 内部管道(10)和通过凹入部彼此隔开的外部管道部分(200)。
11.根据前述权利要求8到10中任一项所述的系统，其特征在于，具 有所述内部管道(10 )和所述外部管道部分(200 )的所述管il^地平面向 下定向。
12.根据前述权利要求8到10中任一项所述的系统，其特征在于，所 迷地下回路进一步包括连接到所述终端的主管道系统，两根或多根具有所 述内部管道(10 )和所述外部管道部分(200 )的所述管道^t接到所述主管 道系统。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括 主管道系统(1000、 2000)，所述内部管道(10)和所述外部管道部分(200) 经由分配罐(80)和连接装置(81)联接到所述主管道系统(1000、 2000 )。
全文摘要
本发明涉及一种利用低能的系统，包括终端(3)，加热回路(7)和地下回路(1)，其中传递给在地下回路中循环的溶液的热量通过诸如地热泵等终端(3)传输到加热回路(7)。本发明的特征在于，地下回路(1)设置有内部管道(10)和以这种方式环绕所述内部管道(10)的外部管道(20)使得所述外部管道(20)的外端是封闭的，从而溶液在管道(1)的端部根据流动方向的不同而从内部管道移动到外部管道或者从外部管道移动到内部管道。进一步地，本发明还涉及一种利用低能的管道(1)。
文档编号F24J3/08GK101375113SQ200780003591
公开日2009年2月25日 申请日期2007年1月26日 优先权日2006年1月27日
发明者埃尔基-尤西·帕努拉, 莫里·利斯科斯基 申请人:马泰夫公司