专利名称：一种设置在地下室中的地热换热装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属空调节能与可再生能源利用领域，尤其是涉及一种设置在地下室中的地热换热装置技术。
发明背景水源热泵是利用了地球表面或浅层水源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地球表面水源和土壤是一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。当今，人类社会已进入了呼唤可持续发展的阶段，水源热泵这种利用储存于地表浅层近乎无限的可再生能源为人类提供暖空调的技术，当之无愧的成为可再生能源利用的一种形式。
水源热泵系统的一个热源是池塘、湖泊或河溪中的地表水。在靠近江河湖海等大体量自然水体的地方利用这些自然水体作为热泵的低温热源是值得考虑的一种空调热泵的形式。当然，这种地表水热泵系统也受到自然条件的限制。此外，由于地表水温度受气候的影响较大，与空气源热泵类似，当环境温度越低时热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因数有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先加以考虑。
水源热泵系统的另一个热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。经过换热的地下水可以排入地表水系统，但对于较大的应用项目通常要求通过回灌井把地下水回灌到原来的地下水层。但是，应用这种地下水热泵系统也受到许多限制。首先，这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。因此在采用地下水热泵系统之前，需要事先做详细的水文地质调查并打勘测井，以获取地下温度、地下水深度、水质和出水量等数据，地下水热泵系统的经济性与地下水层的深度有很大的关系，如果地下水位较低，不仅成井的费用增加，运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率；如采用受地面环境温度影响较大的水井等，还会使系统的换热效率累积损失增大。此外，虽然理论上抽取的地下水将回灌到地下水层，但目前现有地下水回灌技术还不成熟，在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度，从地下抽出来的水经过换热器后很难再被全部回灌到含水层内，造成地下水资源的流失和地面沉降等危害。
如中国专利ZL0227625.6公开了采用地下水为热源的“一种复合式地源热泵空调装置”，该装置由取水井、回水井、取水泵、风机盘管、地源热泵空调机组等组成，地下水经泵入风机盘管与空气换热后再进入空调机组的冷凝器中，以使地下水温度资源得到有效、充分的利用。利用取水井、回灌井方式的优点是简单易行，但前期需要投入大量的水文地质勘探费用，由于该装置采用了开口的取水井、回水井与同时设置取水泵，难以避免循环泵工作噪声对环境质量的影响，其地面换热装置还占去宝贵的建筑面积，特别是对于城市昂贵的土地面积来说是资源的浪费，此外，由于地面设置的换热单元受环境温度的影响大，会造成较大的换热效率累积损失；采用水井造成的地下水蒸发量损失也较大；再者，采用地面换热装置使用管理不易控制，较难保障地层表面已被污染的环境因素等不对地下水资源造成污染，危害人类的长期利益，不符合可持续发展的全球性大趋势。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种合理利用地下水资源的地下循环地热换热装置，使用中能最大程度避免循环泵工作噪声对环境质量的影响，节省宝贵的地面占地面积，同时使换热单元受环境温度的影响最小，换热效率损失减少到最小，并能免除装置由于长期使用中管理保养不易控制及地层表面已被污染的环境等因素而易对地下水资源造成污染的潜在风险，达到可持续发展的环境保护要求。
本实用新型是通过以下技术方案实现的，采用一种设置在地下室中的地热换热装置，由地下水源、换热单元、循环泵、载热介质、循环管路等组成地热换热循环回路，其特征在于，还包括一地下安装室，地热换热循环回路设置在地下安装室中，所述的换热循环是经直接循环或是间接循环而与终端使用装置相连接的换热循环，地热换热循环回路中的初级循环载热介质是地下原水或地下水源中储入的地表水。所述的间接循环是地下水源与终端使用装置间经间接连接输出的包括初级地热换热循环和与其相偶合的次级换热循环的间接换热循环，其换热能量经次级换热循环输向地面。所述的地下水源包括地下储水层、天然基岩或人工形成的地下水库、或是上述的组合。所述的地下水库是一个或一个以上的地下水库，后者可经相互连通而成为同一个水系的地下水库群。所述的相互连通是由非开挖定向钻进铺设的埋地管构成的相互连通。所述的设置地热换热循环回路的地下安装室是封闭型的隔声、隔热地下建筑结构。所述的初级的地热换热循环回路可以是开式的的地热换热循环回路，其地热换热循环回路中可带有储存地表能源的储能水箱。所述的载热介质包括液体及液体中含有固态相变储能材料的液态流体。所述的载热介质的液体可是水、或矿物质溶液、或乳化液。所述的换热单元包括换热器、散热器、蒸发器、冷凝器和热泵。
本实用新型的优点是由于采用了设置在地下的地下水循环地热换热装置，可免除建筑占地与地面环境温度等对装置保温的不良影响，有利于通过土壤层等的隔声与隔热保温性能而屏蔽循环泵工作时产生的噪声和提高装置的换热效率，与现有设置在地面的地下水循环地热换热装置相比可以最大限度地降低换热效率损耗、免除产生地面换热装置长期使用管理不易控制以及地层表面已被污染的环境等不良因素而导致对地下水的污染和水资源损耗的风险，保障地下水可利用的长期利益和达到可持续发展的环境保护要求。
图1是本实用新型一种设置在地下室中的地热换热装置循环回路一个实施例的结构示意图；图2是本实用新型的地热换热装置循环回路采用地下水库群的一个实施例的连接剖面示意图；图3是本实用新型实施例的一种设置在地下室中的地热换热装置循环回路带地下水库连通管的结构示意图图4是本实用新型实施例的采用非开挖水平导向钻进与顶管铺设人造地下水库的剖面示意图。
具体实施方式
按图1、图2所示，本实用新型一种设置在地下室中的地热换热装置的一个实施例的地热换热循环回路由地下水源1、换热单元2、循环泵3、载热介质4、循环管路5、地下安装室6等组成，其中，地下水源1包括地下储水层111、天然基岩112、人工形成的地下水库113及地下水库间的连通管114；循环管路5包括流量调节阀511、温度传感器512、流量计513、除污装置514、储能器515、开关阀516、排气阀517等；换热单元2包括板式换热器211、热泵212。其中，载热介质4是地下原水，初级地热换热循环回路包括地下水源、换热单元的一个偶合端、初级循环泵、载热介质、初级循环管路等；次级换热循环回路包括换热单元的另一个偶合端、次级循环泵、载热介质、次级循环管路等，换热循环是经间接循环而与终端使用装置相连接的换热循环，间接循环是地下水源与终端使用装置间经间接连接输出的包括初级地热换热循环和与其相偶合的次级换热循环的间接换热循环，其换热能量经次级换热循环输向地面。
地热换热循环回路设置在地下安装室中，地下安装室是封闭型的隔声、隔热地下建筑结构，可供人进入维修维护。地热换热循环回路设置在地下室结构内的优点是可以免除建筑占地与地面环境温度等对装置保温的不良影响，有利于通过土壤层等的隔声与隔热保温性能屏蔽循环泵工作时产生的噪声并提高换热装置的换热效率，与现有设置在地面的地下水循环地热换热装置相比可以最大限度地降低换热效率损耗、免除产生地面换热装置长期使用管理不易控制以及地层表面已被污染的环境等因素而导致对地下水的污染和水资源损耗的风险。
所述的地下水源包括地下储水层、天然基岩或人工形成的地下水库、或是上述的组合。参见图2所示是采用基岩、地下储水层和人工成形地下固壁水库三者经连通管相互连通而组合成为同一个水系的地下水库群。地下水库可是一个或一个以上的地下水库，后者可经相互连通而成为同一个水系的地下水库群，当采用如图1、图3所示的单个或多个人工成形地下水库时，初级地热换热循环回路中的载热介质是地下水库中储入的地表水，而当采用如图2所示的地下储水层、天然基岩和人工形成的地下水库的组合时，初级地热换热循环回路中的载热介质是地下原水。
循环泵可以采用潜水泵或增压泵，当采用潜水泵时，最有利于降低工作噪声和摩擦散热，有利于延长泵的工作寿命与装置的可靠性。地热换热循环回路中设有过滤去污器。所述的换热单元包括一个或一个以上的换热单元。换热单元可包括换热器、散热器、蒸发器、冷凝器和热泵，换热单元可以是散热器如采暖用的散热片、或是冷却器如制冷用的风机盘管、或是换热器如板式或板翅式的液——液或液——气换热器，其选用根据载热介质被用作热源或冷源而定，图1所示采用了2个相互串接的板式换热器和与之串接的1个热泵所组成。
参见图2，地下水库的最佳设置深度是在地面以下至第一储水层深度H之间，以避开地下储水层对地下安装室的环境影响，同时取得较佳的保温与隔声效果。所述的一个或一个以上的地下水库除了利用天然形成的如基岩、地下储水层，还可以采用如图3所示的经人工爆炸成形的地下固壁水库、或是如图4所示的地下储水埋管式人造地下水库，地下水库与循环回路间的初级地热换热循环回路可以是开式的或是闭式的地热换热循环回路，初级的地热换热循环闭式回路中可带有排气阀与储能罐。除了闭式换热回路外，还可是开式循环回路，其循环回路中可带有如图4中所示的补水器兼储存地表反季节能源的储能水箱7。
所述的地热换热循环回路中供作热源或冷源的载热介质可作为终级的热源或冷源、或作为次级的热源或冷源，以此进一步提升为高位的能量源供作终级装置使用。采暖模式下，蒸发器及制冷时冷凝器经换热器切换连接地下水库循环换热回路，采暖模式下切换后可经太阳能集热器增温补偿。地热换热循环回路中可带有加热水箱及储能水箱。地热换热循环回路中供作热源或冷源的液流可作为终级的热源或冷源、或作为次级的热源或冷源。
参见图3、图4所示，本实用新型一种设置在地下室中的地热换热装置又一个实施例包括地下水源1、换热单元2、循环泵3、载热介质4、循环管路5、地下安装室6、地表能源储能水箱7等，并由此连接形成一个开式的地热换热循环回路，其中，地下水源1是包括由2个人工成形地下固壁水库113与经非开挖水平定向钻进与顶管方式埋设的地下水库连通管114相互连通而组合成的同一个水系的地下水库群；循环管路5包括流量调节阀511、温度传感器512、流量计513。
所述的载热介质除了人工储入的地表水可是矿物质溶液、或是乳化液等。循环泵可采用抽水泵，当载热介质为液体或液体中含有固态相变储能材料液态流体时，抽水泵应采用蠕动泵，这样便可不损坏其中的固态相变储能材料。初级地热换热循环回路包括地下水源、换热单元的散热器与热泵一个偶合端、初级循环泵、地下原水、初级循环管路等，并可连通至地面设置的开式的储存地表能源的储能水箱7等，地下水库中的载热介质经抽水泵储入带空气连通管的储能水箱7后可在重力作用下回流进行换热循环、或可通过设置增压泵将载热介质进行回灌。
所述的直接循环是地下水源与终端使用装置间经直接连接输出的换热循环。换热单元2包括换热器、散热器、蒸发器、冷凝器和热泵，图3所示为采用了1个直接的终端换热装置输出的散热器风机盘管211和与之串接的1个空调机组的冷凝器或蒸发器212所组成的换热单元，其中，与散热器风机盘管组成的换热循环是经直接循环而与终端使用装置相连接的换热循环，与空调机组的冷凝器或蒸发器组成的换热循环是经间接循环而与终端使用装置相连接的换热循环，制冷时输出冷水先经风机盘管构成直接循环，经直接利用输出冷量后再经与空调机组的冷凝器构成间接循环、达到进一步间接利用输出冷量的目的，同理，采暖时可与空调机组的蒸发器作连接，输出热水先经风机盘管直接利用后再经空调机组的蒸发器进一步间接利用，作为次级的低位冷源或热源，用作进一步提升为高位的能量源供作终级装置使用。
储入载热介质时，可以根据不同的地表资源，譬如利用地面反季节使用的载热介质预先经季节自然环境温度调温后储能输入地下水库中，例如，夏季可经电控开关阀K切换后从地下水库的底部取水上送供制冷，其开式的地表能源储能水箱7内储备的大量夏季热水可回灌送入地下水库的上层水层供作反季节时利用，冬季时相反，可抽取地下水库上层的热水供作采暖热源，将其地表能源储能水箱7内储备的大量冬季冰水回灌送入地下水库的底层水层供作反季节时利用，为了更有效的利用地下水库储存冷热资源，还可采用多个地下子水库进行冷热分类隔离储存，如此，可最大程度地反季节利用地表季节性天然能源资源。
地下水库除了采用经爆炸成形的一个或一个以上相互连为一个水系的地下固壁水库，还可采用如图4所示的经非开挖水平钻进与顶管方式埋管铺设的、直径Φ大于300毫米的封闭管状容器式人造地下水库，但后者与爆炸成形相比的不足是施工量增大，设置成本也相应增加，优点是埋管地下水库可形成的容积大，更适合于大中型地热换热工程的应用场合，其地下水的换热循环是从上述埋管式地下水库的一端上层水层经循环管路5和设置在地下安装室6中的地热换热循环回路后输向地面G，经地面的使用装置换热后从次级循环管路流回地下，经地下安装室6中的初级循环回路后回灌送入上述人造埋管式地下水库，并经内管从其另一端水层的下层流出，如此进行换热循环，不断地送出地下的可再生能源。
本实用新型所提供的技术方案与现有技术相比，由于采用了从地下水源中采集空调等所需的能量，因而可以取得连续的循环换热效果及稳定的地下能量输出，克服了现有技术由于采用取水井与回水井易产生循环换热出水量难以调控、难于满足大多数连续换热循环流量要求的弊端。
权利要求1.一种设置在地下室中的地热换热装置，由地下水源、换热单元、循环泵、载热介质、循环管路等组成地热换热循环回路，其特征在于，还包括一地下安装室，地热换热循环回路设置在地下安装室中，所述的换热循环是经直接循环或是间接循环而与终端使用装置相连接的换热循环，地热换热循环回路中的初级循环载热介质是地下原水或地下水源中储入的地表水。
2.根据权利要求1所述的一种设置在地下室中的地热换热装置，其特征在于，所述的间接循环是地下水源与终端使用装置间经间接连接输出的包括初级地热换热循环和与其相偶合的次级换热循环的间接换热循环，其换热能量经次级换热循环输向地面。
3.根据权利要求1所述的一种设置在地下室中的地热换热装置，其特征在于，所述的地下水源包括地下储水层、天然基岩或人工形成的地下水库、或是上述的组合。
4.根据权利要求1或3所述的一种设置在地下室中的地热换热装置，其特征在于，所述的地下水库是一个或一个以上的地下水库，后者可经相互连通而成为同一个水系的地下水库群。
5.根据权利要求4所述的一种设置在地下室中的地热换热装置，其特征在于，所述的相互连通是由非开挖定向钻进铺设的埋地管构成的相互连通。
6.根据权利要求1所述的一种设置在地下室中的地热换热装置，其特征在于，所述的设置地热换热循环回路的地下安装室是封闭型的隔声、隔热地下建筑结构。
7.根据权利要求1所述的一种设置在地下室中的地热换热装置，其特征在于，所述的初级的地热换热循环回路可以是开式的的地热换热循环回路，其地热换热循环回路中可带有储存地表能源的储能水箱。
8.根据权利要求1所述的一种设置在地下室中的地热换热装置，其特征在于，所述的载热介质包括液体及液体中含有固态相变储能材料的液态流体。
9.根据权利要求1所述的一种设置在地下室中的地热换热装置，其特征在于，所述的载热介质的液体可是水、或矿物质溶液、或乳化液。
10.根据权利要求1所述的一种设置在地下室中的地热换热装置，其特征在于，所述的换热单元包括换热器、散热器、蒸发器、冷凝器和热泵。
专利摘要采用一种设置在地下室中的地热换热装置，由地下水源、换热单元、循环泵、载热介质、循环管路等组成地热换热循环回路，其特征在于，还包括一地下安装室，地热换热循环回路设置在地下安装室中，所述的换热循环是经直接循环或是间接循环而与终端使用装置相连接的换热循环，地热换热循环回路中的初级循环载热介质是地下原水或地下水源中储入的地表水。由于采用了设置在地下的地下水循环地热换热装置，可免除建筑占地与地面环境温度等对装置保温的不良影响，有利于通过土壤层等的隔声与隔热保温性能而屏蔽循环泵工作时产生的噪声和提高装置的换热效率，与现有设置在地面的地下水循环地热换热装置相比可以最大限度地降低换热效率损耗、免除产生地面换热装置长期使用管理不易控制以及地层表面已被污染的环境等不良因素而导致对地下水的污染和水资源损耗的风险，保障地下水可利用的长期利益和达到可持续发展的环境保护要求。
文档编号F25B30/00GK2783217SQ20052004045
公开日2006年5月24日 申请日期2005年3月28日 优先权日2005年3月28日
发明者潘戈 申请人:潘戈