一种内管径占比可变的中深层井下换热器的制作方法

本发明属于中深层地热利用领域，涉及中深层井下换热器，特别涉及一种内管径占比可变的中深层井下换热器。

背景技术：

伴随我国城镇化建设的快速推进，建筑能耗已经成为我国主要能源消耗之一，在建筑能耗中，空调、供热和热水能耗所占比例最大。2015年，全国建筑能耗占能源消费总量的19.93％，其中北方采暖能耗占比21％。从长远发展角度来看，在能源与环境的双重压力下，发展可再生能源供暖是实现建筑供暖领域节能减排最根本、最理想的路径，意义重大。

地热能是可再生能源的一种，是埋藏于地表以下的热能。地热资源包括天然存在或人工引入的热水、热蒸汽等地热流体或干热岩等地热载体。地热资源按开采深度可分为浅层、中深层和超深层地热资源。浅层地热能一般在地表200m以浅，中深层地热能一般在地下200～3000m之间。为建筑供暖所利用的地热资源类型一般为浅层或中深层，开采方式可分为“取水取热”型和“取热不取水”型，前者直接抽取地下热水，在地面换热后再回灌至地层中，后者则通过闭式换热器与地下土壤间接换热，以水等介质将吸收的热量传到地面。

近年来，由于资源和环境影响等问题，“取水取热”型技术发展受限，一方面，地热流体属于矿产资源，不是随处可见，也并非取之不尽；另一方面，针对地热水资源浪费和回灌不利引发的水污染等环境问题，各级政府要求中深层地热水必须进行梯级利用和全部同层回灌，实行“以灌定采”，这对现有回灌技术提出了挑战和考验，且大幅提高了初投资及运行成本。因此，近年来“取热不取水”型中深层地热利用技术备受关注。

目前，常规的“取热不取水”型中深层地热利用技术一般采用同轴式井下换热器提取地热能，系统图如图1所示，其中循环介质(一般为水)从井下换热器外管顶端流入，在底部流入内管，再从内管顶部流出，这种流动方式可以保证被地热加热的循环介质可以从保温较好的内管中流出，避免热量损失。外管一般为导热较好的金属井管，内管一般由保温性能较好的材料制作。由于目前该类系统尚处于研究及示范运行阶段，暂无相关国家或行业标准对中深层井下换热器的设计提出严格要求。在2016年公布的陕西省地方标准《无干扰地热供热系统工程技术规范》(db61/t1053-2016)中，也未对内管尺寸如何设计进行说明。

天津大学李思奇在2018年发表的硕士论文《闭式中深层井下换热及参数影响研究》中，通过数值模拟研究发现，在外管尺寸、流量及进口温度一定的情况下，内管尺寸越小，换热效果越好，对于3000m深度，当内管径与(内管径+外管径)之比从0.08提高到0.91时，延米换热量下降了8.5％。

然而，该研究只关注了内管径占比对换热效果的影响，而忽略了其对流动阻力的影响。当内管径降低时，其内部流通截面积下降，流速上升，进而显著提高了流动阻力。在实际工程中，较大的流动阻力要求循环泵要有足够高的扬程，提高了循环泵的初投资及运行能耗。根据刁乃仁、方肇洪所著的《地埋管地源热泵技术》3.4.5节中地热换热器沿程阻力的计算公式，对不同内管径占比下的沿程阻力进行了计算，得到的结论为：随着内管径占比逐渐降低即内管尺寸逐渐减小，合计沿程阻力呈现先降低后剧烈上升的趋势，当内管径占比为0.1时，其合计沿程阻力比内管径占比为0.6时增加了约3093倍，虽然此时的换热效果最好，但在实际应用中，其对应的扬程接近400m，很难匹配到如此高扬程的循环泵，即使可以匹配到，其价格也会很高。

以德国wilo牌循环泵为例，通过核算不同离心泵的价格及性能，可知：mhi406比mhi402额定扬程增加了约3.4倍，仅相当于内管径占比从0.6降低到0.3～0.4，而额定功率则增加了约2.7倍，价格增加了约1.5倍。因此，虽然降低内管径占比可以提高换热器换热量，但由此带来的循环泵能耗及初投资的增加是不可小视的。

此外，在同一个供热季的不同月份或同一天的不同时段，建筑热负荷也是差别很大的，在负荷较低的时候仅需要提取较少的地热能即可以满足机组正常运行。通过采样分析可知，各个月典型日平均热负荷有较大差异，其中1月严寒期的日平均热负荷比11月初寒期和3月末寒期分别增加了约42％和93％；而对于同一个月，其典型日最高负荷与最低负荷也差别较大，以1月为例，典型日最高负荷约为最低负荷的2.1倍。若将整个供热季各个时刻进行对比，最高负荷与最低负荷之比高达7.16倍。

由于地热供热系统设计时均按照满足最大负荷设计，因此在供热季大部分时刻井下换热器都有足够的换热潜力，若全部在取热能力最大化的井下换热器设计下运行，换热效果提升对热泵机组运行能耗降低的作用并不显著，而循环泵运行能耗则会相对过高。

综上，若可设计出一种内管径占比可随热负荷工况变化的中深层井下换热器，则可在保证稳定供热运行的基础上，尽可能降低循环泵的运行能耗，提高系统整体经济性。

通过对公开专利文献的检索，并未发现与本专利申请相同的公开专利文献。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种内管径占比可变的中深层井下换热器，各从管为嵌套结构，便于施工下管，且可以改变中深层井下换热器的内管径占比，降低循环泵的运行能耗，提高经济性；本发明还可应用于既有中深层井下换热器供热系统的升级改造，旧系统中已有的内管可以作为从管之一继续使用，减少了初投资。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种内管径占比可变的中深层井下换热器，其特征在于：包括主外管与主外管同轴套装的主内管，所述主外管与所述主内管之间同轴套装有从管单元，所述从管单元包括若干同轴套装的从管，所述主外管、主内管及从管单元一端连通，另一端分别设置有主外管接口、主内管接口及从管接口，所述主外管接口连接至热泵机组源侧出口，所述主内管接口连接至热泵机组源侧入口，所述从管单元若干从管的从管接头上均连接有切换连通管，所述切换连通管上设置有切换阀，所述切换连通管中的最外层切换连通管连接至热泵机组源侧出口，所述切换连通管中其他切换连通管连接至热泵机组源侧入口。

而且，所述从管单元中从管的数量为2根及以上。

而且，所述切换连通管的任意两根管之间均设置有旁通管，所述旁通管上设置有旁通切换阀。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明的主外管与所述主内管之间同轴套装有从管单元，所述从管单元包括若干同轴套装的从管，主外管、主内管及从管单元一端连通，另一端分别设置有主外管接口、主内管接口及从管接口，主外管接口连接至热泵机组源侧出口，主内管接口连接至热泵机组源侧入口，从管单元若干从管的从管接头上均连接有切换连通管，切换连通管上设置有切换阀，切换连通管中的最外层切换连通管连接至热泵机组源侧出口，切换连通管中其他切换连通管连接至热泵机组源侧入口，可以通过切换阀的调节改变中深层井下换热器的内管径占比，可以实现在保证稳定供热运行的基础上，尽可能降低循环泵的运行能耗，提高系统整体经济性。

2、本发明的从管单元中从管的数量为2根及以上，可实现多种不同内管径占比的工况，提高换热效率，节约能源。

3、本发明的切换连通管的任意两根管之间均设置有旁通管，旁通管上设置有旁通切换阀，可以实现多种主外管入口的切换，便于充分换热，提高换热效率。

4、本发明的从管单元中若干从管为嵌套结构，便于一次性下管施工。

5、本发明可以直接应用于既有中深层井下换热器供热系统的升级改造，旧系统中已有的内管可以作为从管之一继续使用，减少了初投资。

附图说明

图1为本发明换热器的安装工况图；

图2为本发明中井下换热器部分的结构示意图；

图3为本发明的结构示意图。

附图标记说明

1-主外管、2-第一从管、3-第二从管、4-主内管、5-主外管接口、6-第一从管接口、7-第二从管接口、8-主内管接口、9-第二切换连通管、10-第一切换阀、11-旁通切换阀、12-第二切换阀、13--热泵机组源侧出口、14-热泵机组源侧入口、15-第一切换连通管、16-旁通管。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1为本换热器的安装工况图，将本换热器一端伸入到深井层中，另一端设置在地面上并与热泵机组源连接进行地热能换热。

如图2和图3可见本发明的实施例，一种内管径占比可变的中深层井下换热器的结构示意图。

一种内管径占比可变的中深层井下换热器，其创新之处在于：包括主外管1与主外管同轴套装的主内管4，主外管与主内管之间同轴套装有从管单元，从管单元包括第一从管2及第二从管3，主外管、主内管、第一从管、及第二从管一端连通并位于地面下端深井层中，另一端分别设置有主外管接口5、主内管接口8、第一从管接口6及第二从管接口7，主外管接口、主内管接口、第一从管接口及第二从管接口位于地面上，主外管接口连接至热泵机组源侧出口13，主内管接口连接至热泵机组源侧入口14，第一从管接口及第二从管接口上分别连接有第一切换连通管15及第二切换连通管9，切换连通管上分别设置有第一切换阀10及第二切换阀12，第一切换连通管连接至热泵机组源侧出口，第二切换连通管连接至热泵机组源侧入口，可以通过第一、第二切换阀的调节改变中深层井下换热器的内管径占比，可以实现在保证稳定供热运行的基础上，尽可能降低循环泵的运行能耗，提高系统整体经济性。

第一切换连通管及第二切换连通管之间设置有旁通管16，旁通管上设置有旁通切换阀11，可以实现多种主外管入口的切换，便于充分换热，提高换热效率。

当主外管、第一从管、第二从管、主内管的管径分别为300mm、200mm、130mm、90mm时，通过切换阀的调整实现不同内管径占比如表1所示(忽略各管壁厚影响)。

表1不同内外管组合方式的内管径占比表

实际应用中可根据实际建筑热负荷及当地地质参数计算不同典型工况下的最优从管尺寸，并以此进行换热器设计及切换准则设计。切换可采用手动控制球阀、闸阀等阀门进行人工切换，也可采用电磁阀等进行自动切换。还可加入基于天气预报、人员行为预测等影响的负荷预测系统，预测未来一天至一周内的逐时热负荷曲线，由智能算法自动设计切换方案并自动控制切换，以最大程度提高系统运行经济性。

本发明中管单元中若干从管为嵌套结构，便于一次性下管施工，且可直接应用于既有中深层井下换热器供热系统的升级改造，旧系统中已有的内管可以作为从管之一继续使用，减少了初投资。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。