中浅层复合模式地埋管热传导装置的制作方法

本发明属于地热能换热热传导技术领域，涉及换热传导装置，尤其是涉及一种中浅层复合模式地埋管热传导装置。

背景技术：

地热能是一种储量巨大、可再生的清洁能源，在当前人们环保意识越来越强和能源日趋紧缺的情况下，地热能作为煤炭、石油等化石能源的替代能源，对地热资源的合理开发并利用越来越迫切。现已开发应用的中浅层地热技术，如地源热泵受当地地质条件等不确定因素影响，利用范围小，设备成本高，地热能利用效率低，而且会出现土壤热不平衡问题，长期运行后将会导致土壤温度失衡，为了更高效的利用地热能，需寻求更好的换热方式。这些问题制约了中浅层地热能利用技术的应用和发展。为此，人们进行了长期的探索，提出了各种各样的解决方案。

例如，中国专利文献公开了一种地源热泵预警控制器及其控制方法[申请号：CN201010238783.9]，包括传感器、输入电路、微型计算机、通信电路和输出电路，传感器作为地源热泵预警控制器的信号输入采集地源热泵系统的土壤信号，传感器的信号输出端与输入电路的信号输入端相连，输入电路的信号输出端与微型计算机的信号输入端相连，微型计算机与输出电路的对应输入信号端相连，输出电路作为地源热泵预警控制器的控制信号输出控制地源热泵系统的现场执行机构，微型计算机的通信信号端通过通信电路与地源热泵系统的上位控制机进行通信。本发明从运行过程的角度出发为地源热泵系统提供一个安全、可靠的运行控制策略，根据土壤温度的变化情况决定地埋管和辅助冷/热源(例如冷却塔)的切换，给运行管理人员提供一个有效而方便的参照，以便运行过程中管理人员能合理地控制与指导土壤热泵系统的运行，调节地埋管与辅助冷、热源的运行时间，确保向土壤的排热和取热保持在平衡状态。

上述方案虽然一定程度上解决了土壤热不平衡问题，但是本方案仍然存在设备的整体结构复杂问题，而且需要管理人员根据地源热泵预警控制器的判断进行控制与指导土壤热泵系统的运行，存在没有自平衡能力，自动化程度不够高，运行过程过于繁琐，能源消耗仍然较多，地热能利用率不够高等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提供一种中浅层复合模式地埋管热传导装置；解决了现有技术所存在的设备结构复杂，成本高，维修不便，无法实现土壤热量的自平衡等技术问题。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本中浅层复合模式地埋管热传导装置包括设置在地下土壤内的浅层井管，所述的浅层井管内设有能将浅层井管内部自上向下依次分隔成第一有孔区域、无孔区域与第二有孔区域的分隔结构，在浅层井管内设有能带动浅层井管外侧的地下土壤内的地下水扰动从而能使浅层井管外侧、第一有孔区域和第二有孔区域三者之间形成地下水循环的扰动水循环结构，在浅层井管内设有浅层地埋换热管，且所述的浅层地埋换热管上端延伸至浅层井管外侧且与用户侧换热器相连，所述的用户侧换热器与用户侧换热管相连且两者内均充填有第一导热工质，所述的用户侧换热管与用户端相连，在浅层井管内穿设有贯穿整个浅层井管且向下延伸设置的中层地埋换热管，所述的中层地埋换热管内充填有第二导热工质且中层地埋换热管两端分别与用户端相连。

本方案中，通过浅层地埋换热管与浅层地下水进行换热，分隔结构和扰动水循环结构带动浅层井管内外侧的地下土壤内的地下水扰动，以达到增大换热效果的目的，同时利用中层换热管从深层收集的地热能给浅层补给热量，提高地热能的利用率。

在上述中浅层复合模式地埋管热传导装置中，所述的分隔结构包括两个分别自上向下横向设置在浅层井管内的隔板，两个隔板之间形成上述的无孔区域，且位于上方的隔板上端与浅层井管上端之间形成第一有孔区域，位于下方的隔板下端与浅层井管底部之间形成第二有孔区域以分隔第一有孔区域和第二有孔区域，增强循环扰动效果。

在上述中浅层复合模式地埋管热传导装置中，所述的浅层井管位于无孔区域的周向内侧与浅层井管底部均呈密封设置，所述的隔板相互平行设置且所述的隔板周向外侧与浅层井管周向内侧密封设置，所述的第一有孔区域和第二有孔区域呈等分设置。

在上述中浅层复合模式地埋管热传导装置中，所述的扰动水循环结构包括设置在浅层井管上且能将第一有孔区域和第二有孔区域分别与浅层井管外侧地下土壤内的地下水相连通的连通组件，且所述的浅层井管内设有能将位于第一有孔区域内的地下水引流至第二有孔区域或能将位于第二有孔区域内的地下水引流至第一有孔区域的引流组件。

在上述中浅层复合模式地埋管热传导装置中，所述的连通组件包括若干设置在浅层井管位于第一有孔区域周向内壁上以及设置在浅层井管位于第二有孔区域周向内壁上的通孔。

在上述中浅层复合模式地埋管热传导装置中，所述的引流组件包括设置在第一有孔区域内的泵体，所述的泵体的进口端连接有引流管，且所述的引流管贯穿于无孔区域且延伸至第二有孔区域内。

在上述中浅层复合模式地埋管热传导装置中，所述的中层地埋换热管贯穿于浅层井管的区域为保温区，所述的中层地埋换热管上位于浅层井管下方的区域为集热区，且所述的中层地埋换热管位于保温区的周向外侧设有保温层，以减小热量损失，可将热量远距离高效输送给用户侧使用。

在上述中浅层复合模式地埋管热传导装置中，所述的保温层由聚氨酯保温隔热材料、离心玻璃棉毡、复合硅酸盐保温隔热砂浆与泡沫石棉制品中的任意一种或多种组合制成。

在上述中浅层复合模式地埋管热传导装置中，所述的中层地埋换热管为U型管，所述浅层地埋换热管为单管双通道超导管，且中层地埋换热管与浅层地埋换热管均呈竖直设置，所述的中层地埋换热管长度为2000-4000米，且所述中层地埋换热管的底层温度为60-150度；所述的浅层井管的深度为100-300米且所述的浅层井管底层温度为10-20度。

在上述中浅层复合模式地埋管热传导装置中，所述的第一导热工质为超导工质；所述的第二导热工质为纳米流体。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：1、该装置设计合理，结构简单，投入成本低；2、该装置通过换热管与地下水进行换热，利用地热能能源，能耗低，且不会污染地下水和土壤；3、由水泵带动地下水的扰动，将浅层井管设置为分隔的多个区域，实现了井管内外地下水的循环流动，自动平衡地下温度；4、中层地埋管利用中深层的地热能供给给用户端，同时在保温区将热量补给给浅层地埋换热管，提高地热能的利用率。

附图说明

图1是本发明提供的结构示意图。

图中，浅层井管1、第一有孔区域11、第二有孔区域12、无孔区域13、隔板14、引流组件15、泵体151、引流管152、浅层地埋换热管2、用户侧换热器3、中层地埋换热管4、保温区41、集热区42、扰动水循环结构5、连通组件51、通孔511。

具体实施方式

如图1所示，本中浅层复合模式地埋管热传导装置包括设置在地下土壤内的浅层井管1，浅层井管1内设有能将浅层井管1内部自上向下依次分隔成第一有孔区域11、无孔区域13与第二有孔区域12的分隔结构，在浅层井管1内设有能带动浅层井管1外侧的地下土壤内的地下水扰动从而能使浅层井管1外侧、第一有孔区域11和第二有孔区域12三者之间形成地下水循环的扰动水循环结构5，在浅层井管1内设有浅层地埋换热管2，且浅层地埋换热管2上端延伸至浅层井管1外侧且与用户侧换热器3相连，用户侧换热器3与用户侧换热管相连且两者内均充填有第一导热工质，用户侧换热管与用户端相连，在浅层井管1内穿设有贯穿整个浅层井管1且向下延伸设置的中层地埋换热管4，中层地埋换热管4内充填有第二导热工质且中层地埋换热管4两端分别与用户端相连。

本方案中，通过浅层地埋换热管2与浅层地下水进行换热，分隔结构和扰动水循环结构5带动浅层井管1内外侧的地下土壤内的地下水扰动，以达到增大换热效果的目的，同时利用中层换热管从深层收集的地热能给浅层补给热量，提高地热能的利用率。

进一步地，分隔结构包括两个分别自上向下横向设置在浅层井管1内的隔板14，两个隔板14之间形成上述的无孔区域13，且位于上方的隔板14上端与浅层井管1上端之间形成第一有孔区域11，位于下方的隔板14下端与浅层井管1底部之间形成第二有孔区域12以分隔第一有孔区域11和第二有孔区域12，增强循环扰动效果。

为了增强扰动效果，本实施例中浅层井管1位于无孔区域13的周向内侧与浅层井管1底部均呈密封设置，隔板14相互平行设置且隔板14周向外侧与浅层井管1周向内侧密封设置，第一有孔区域11和第二有孔区域12呈等分设置。

进一步地，扰动水循环结构5包括设置在浅层井管1上且能将第一有孔区域11和第二有孔区域12分别与浅层井管1外侧地下土壤内的地下水相连通的连通组件51，且浅层井管1内设有能将位于第一有孔区域11内的地下水引流至第二有孔区域12或能将位于第二有孔区域12内的地下水引流至第一有孔区域11的引流组件15。

更具体地，连通组件51包括若干设置在浅层井管1位于第一有孔区域11周向内壁上以及设置在浅层井管1位于第二有孔区域12周向内壁上的通孔511；同样的，引流组件15包括设置在第一有孔区域11内的泵体151，泵体151的进口端连接有引流管152，且引流管152贯穿于无孔区域13且延伸至第二有孔区域12内，引流管152和水泵将浅层井管1内底层的地下水向上层运输，或者将上层的地下水向下层运输，同时由于通孔511的存在同时带动浅层井管1外部的地下水进入浅层井管1内或流出浅层井管1外，达到浅层井管1外部以及内部地下水循环平衡的目的。

中层地埋换热管4贯穿于浅层井管1的区域为保温区41，中层地埋换热管4上位于浅层井管1下方的区域为集热区42，且中层地埋换热管4位于保温区41的周向外侧设有保温层，以减小热量损失，可将热量远距离高效输送给用户侧使用。

为保证保温效果，保温层可以由聚氨酯保温隔热材料、离心玻璃棉毡、复合硅酸盐保温隔热砂浆与泡沫石棉制品中的任意一种或多种组合制成。

更具体地，中层地埋换热管4为U型管，浅层地埋换热管2为单管双通道超导管，U型管又包括第一支管和第二支管，为提高换热效果，浅层地埋换热管2位于第一支管和第二支管之间；中层地埋换热管4与浅层地埋换热管2均呈竖直设置，且隔板14上设置有相应穿孔恰好供中层地埋换热管4和中层地埋换热管4穿越，中层地埋管与中层地埋换热管4之间可以设置有连接支架以保持两者的稳定性，同时可避免地下水晃动等原因造成隔板14与换热管之间，换热管与换热管之间的撞击而损坏换热管；中层地埋换热管4长度为2000-4000米，且中层地埋换热管4的底层温度为60-150度；浅层井管1的深度为100-300米且浅层井管1底层温度为10-20度；本实施例中，中层地埋换热管4采用长度为3000米，浅层井管1深度为200米。

为达到良好、快速的传热效果等目的，本实施例中的第一导热工质为超导工质；第二导热工质为纳米流体；这里的超导工质具有启动温度低，传递速度快，效率高等优点，而纳米流体具有均匀，稳定，高导热等优点。

综上所述，该中浅层复合模式地埋管热传导装置工作过程如下：

状态1：关闭中层地埋换热管4所对应的阀门，由浅层地埋换热管2单独工作，浅层地埋换热管2与浅层地下水进行换热，通过浅层地埋换热管2与换热器进行换热向用户侧传热；由于浅层地下水常年保持10-20度的恒温状态，其在供冷期进行供冷，供热期进行供热，应用十分灵活；此时可同时开启水泵，通过引流管152将第一有孔区域11的水引流至第二有孔区域12，或者将第二有空区域的水引流至第一有孔区域11，此处以第一种情况为例进行说明：第一有孔区域11的水被引流至第二有孔区域12后，第一有孔区域11的水量下降，该处浅层井管1内的水压小于浅层井管1外部的水压，外部地下水通过第一有孔区域11的通孔511进入第一有孔区域11以使内外水压平衡，同样的，此时第二有孔区域12由于抽吸了第一有孔区域11内的水，水压大于浅层井管1外部的水压，从而通过第二有孔区域12的通孔511流出于浅层井管1的外部，以使内外水压平衡，而浅层井管1外部的地下水是相互连通的，在进行上述动作的过程中带动了地下水的扰动循环，从而平衡地下水温度，避免地下水温度不平衡。

状态2：关闭浅层地埋换热管2所对应的阀门，由中层地埋换热管4进行单独工作，中层地埋换热管4与中层地下水进行换热，通过中层地埋换热管4内的纳米流体工质向用户侧传热，由于用户侧换热管与浅层地埋换热管2内填充的为不同工质，所以传热方式采用丰混合换热，使换热有序进行，同时也可以打开水泵进行扰动循环，工作过程与状态1中一致。

状态3：同时打开浅层地埋换热管2和中层地埋换热管4所对应的阀门，使两者同时进行工作，中层地埋换热管4用于对热量需求量较大的用户侧进行供热，例如供应热水等；浅层地埋换热管2用于热量需求量较小的用户侧，例如20几度的供暖/供冷需求；在投入使用时，中层地埋换热管4收集中深层的热量，将热量通过纳米流体向保温区41域以及用户侧传递；浅层地埋换热管2收集浅层地下能源，得到10-20度的温度，然后在保温区41得到中层换热管热量的供给，得到足够多的热量后向用户侧进行传热，节约用户侧其他设备为调节供暖热量所需要消耗的能量，充分利用中深层地热能，提高热传递效率，同时也可以打开水泵进行扰动循环，工作过程与状态1一致。

该装置设计合理、结构简单、维护方便，运行能耗低换热效果好，不会污染地下水和土壤，且具有温度自平衡能力；可根据具体环境和用户侧需求选择浅层地下热量或者深层地下热量，以复合模式进行热传导，给浅层补给热量，提高了地热能的利用效率，在供暖/供冷、供热水等应用方面具有广泛的应用前景。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了浅层井管1、第一有孔区域11、第二有孔区域12、无孔区域13、隔板14、引流组件15、泵体151、引流管152、浅层地埋换热管2、用户侧换热器3、中层地埋换热管4、保温区41、集热区42、扰动水循环结构5、连通组件51、通孔511等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。