基于复杂岩土地层的地热利用系统的制作方法

本发明涉及地热利用领域，具体涉及基于复杂岩土地层的地热利用系统。

背景技术：

结合我国现行岩土工程勘察标准来看，对于地质条件的等级划分可以分为三级、二级以及一级三个类型，三级地质条件是最简单的地质条件，主要是指评估区域内的岩土种类单一，无明显的性质变化，工程开展不会收地下水影响。二级地质条件是常见的地质条件，主要是指评估区域内的岩土种类较多，存在一定的性质变化，且工程开展在一定程度上受地下水影响，但可及时避免。一集地质条件及复杂岩土地层，主要特点是：地质灾害发育强烈，地形与地貌类型复杂，地质构造复杂，岩性、岩相存在显著变化，岩土体工程地质性质不良，工程地质、水文地质条件不佳，破坏地质环境的人类工程活动强烈，多年冻土、湿陷性、膨胀性、盐渍性岩土，需要专门进行处理。由于复杂岩土地层地质条件比较复杂，所以目前的地热系统并没有应用到复杂岩土地层上，使得复杂岩土地层的热能没有被利用起来，造成资源浪费。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于复杂岩土地层的地热利用系统，能够将复杂岩土地层的能源用于地热利用系统中，更好地利用复杂岩土地层的能源。

基于复杂岩土地层的地热利用系统，包括换热系统、地表管道、以及热泵系统；热泵系统包括压缩机、蒸发器、膨胀阀以及冷凝器；蒸发器的入口分别与换热系统的出口和地表管道的出口连接，冷凝器的入口分别与换热系统的出口和地表管道的出口连接，蒸发器的出口分别与换热系统的入口和地表管道的入口连接，冷凝器的出口分别与换热系统的入口和地表管道的入口连接；所述换热系统包括埋于复杂岩土地层的地表下方的换热管道、循环泵、换热阀和换热器；换热器设置在换热管道内，换热器依次与循环泵和换热阀串联；所述地表管道埋于房屋室内地面下方且其上端和地面的距离为1～5米，地表管道上具有由圆管盘旋形成的整体为方形螺旋状的螺旋段，且螺旋段轴线与地面平行，螺旋段由多个与地面平行的上水平段圆管、位于与地面垂直平面内的侧纵向段圆管、以及与地面平行的下水平段圆管连接形成，所有上水平段圆管等距分布且与下水平段圆管交错设置，侧纵向段圆管的两端分别与上水平段圆管和下水平段圆管连接，且侧纵向段圆管与地面的夹角为30°～60°。

优选地，所述侧纵向段圆管与地面的夹角为45°。

优选地，所述地表管道上端和地面的距离为2米。

优选地，所述换热器包括换热管、以及设置在换热管两端的换热入口和换热出口；换热管包括换热内管、以及与换热内管同轴设置的换热外管，换热内管的内腔形成连通换热入口和换热出口的冷水通道，换热内管与换热外管之间的腔室形成连通换热入口和换热出口的热水通道；换热内管中依次相互平行设有第一隔板、第二隔板和第三隔板，将冷水通道分割为第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室；还包括第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管；第一连接管从第一腔室穿过第二腔室设置；第二连接管从第二腔室穿过第三腔室伸入第四腔室内，并从第四腔室弯曲穿回第三腔室设置；第三连接管从第三腔室穿过第二腔室伸入第一腔室内设置；第三连接管从第一腔室穿过第二腔室和第三腔室伸入第四腔室内设置。

优选地，所述换热内管由导热材料制成。

优选地，所述第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管的端部均设有单向阀；其中第一连接管上单向阀的阀瓣沿着从第一腔室穿过第二腔室的方向打开；第二连接管位于第二腔室内的端部中单向阀的阀瓣沿着从第二腔室穿过第三腔室的方向打开，第二连接管位于第三腔室内的端部中单向阀的阀瓣沿着从第四腔室穿过第三腔室的方向打开；第三连接管上单向阀的阀瓣沿着从第三腔室穿过第二腔室的方向打开；第四连接管上单向阀的阀瓣沿着从第一腔室穿过第二腔室的方向打开。

由上述技术方案可知，本发明提供的基于复杂岩土地层的地热利用系统，换热管道用于完成换热管道内的介质与复杂岩土地层能量之间的换热，换热管道内的介质起到中间传输的作用，换热器设置在换热管道内，用于收集换热管道中介质的热能。埋于地面下方的地表管道具有方形螺旋状的螺旋段，且和地面的距离为1～5米，工程量小，占用面积小，既克服了现有技术中水平埋管占用面积大的缺陷，也克服了垂直埋管需要将管道埋在距离地面几十米的深度，工程量大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了本实施例中提供的地热利用系统的结构示意图。

图2示出了本实施例中提供的地热利用系统中换热器的结构示意图；

附图中，41-换热系统，42-热泵系统，43-地表管道，44-换热管道，21-第一腔室，22-第二腔室，23-第三腔室，24-第四腔室，25-第一隔板，26-第二隔板，27-第三隔板，30-换热入口，31-换热出口，32-第一连接管，33-第二连接管，34-第三连接管，35-第四连接管。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例：

基于复杂岩土地层的地热利用系统，如图1所示，包括换热系统41、地表管道43、以及热泵系统42；热泵系统42包括压缩机、蒸发器、膨胀阀以及冷凝器；蒸发器的入口分别与换热系统的出口和地表管道的出口连接，冷凝器的入口分别与换热系统的出口和地表管道的出口连接，蒸发器的出口分别与换热系统的入口和地表管道的入口连接，冷凝器的出口分别与换热系统的入口和地表管道的入口连接；所述换热系统包括埋于复杂岩土地层的地表下方的换热管道44、循环泵、换热阀和换热器；换热器设置在换热管道内，换热器依次与循环泵和换热阀串联；所述地表管道埋于房屋室内地面下方且其上端和地面的距离为1～5米，地表管道上具有由圆管盘旋形成的整体为方形螺旋状的螺旋段，且螺旋段轴线与地面平行，螺旋段由多个与地面平行的上水平段圆管、位于与地面垂直平面内的侧纵向段圆管、以及与地面平行的下水平段圆管连接形成，所有上水平段圆管等距分布且与下水平段圆管交错设置，侧纵向段圆管的两端分别与上水平段圆管和下水平段圆管连接，且侧纵向段圆管与地面的夹角为30°～60°。换热管道中的介质可以是空气，也可以是水。

上水平段圆管是指处于与地面平行的平面内、且距离地面深度小的管段，下水平段圆管是指处于与地面平行的平面内、且距离地面深度大的管段。在供热工况下，所述热泵系统通过入口四通换向阀和出口四通换向阀控制流体的流向，使流体(既换热管道内的介质)先进入所述蒸发器放热，将热量传递给热媒，降温后返回地埋孔再次吸热，形成室外循环。所述热泵系统通过所述压缩机做功，将在所述蒸发器吸收完热量的热媒传递给所述冷凝器，并在所述冷凝器中完成热媒与地表管道的室内循环水的热交换；传热降温后的热媒通过所述膨胀阀减压后，重新流入所述蒸发器再次吸热，形成热泵供热循环。室内循环水吸取所述冷凝器的热量达到供暖温度后，通过地表管道完成室内放热，降温后返回冷凝器再次吸热，形成室内循环，达到室内供暖效果。

在制冷工况下，换热管道中的流体送入所述热泵系统的冷凝器，吸收冷媒中的热量，而后返回释放热量，形成室外循环。所述热泵系统做功，将在所述冷凝器中完成放热的冷媒传递给所述蒸发器，并在所述蒸发器中吸收地表管道中室内循环水的热量；吸热升温后的冷媒重新流入所述冷凝器再次放热，形成热泵制冷循环。经所述蒸发器放热降温的室内循环水，通过地表管道吸取室内热量，而后返回所述蒸发器再次放热，完成室内循环，实现室内降温的目的。

采用具有方形螺旋状的螺旋段的地表管道给室内供热，综合利用了水平埋管和竖直埋管的优点：水平埋管埋管深度浅，工程量小。竖直埋管占用面积小，但是埋管深度深，工程量大。采用螺旋状的管道进行室内供热，能够在保证供热需求的前提下，减小埋管占用面积，减小工程量。地表管道上端和地面的距离为1～5米，螺旋段的上水平段圆管与地面平行，能够保证更好的室内供热效果，侧纵向段圆管与地面的夹角为30°～60°，能够保证更好地室内供热效果。具体实施时，所述侧纵向段圆管与地面的夹角为45°。所述地表管道上端和地面的距离为2米。

该地热利用系统，换热管道用于完成换热管道内的介质与复杂岩土地层能量之间的换热，换热管道内的介质起到中间传输的作用，换热器设置在换热管道内，用于收集换热管道中介质的热能。埋于地面下方的地表管道具有方形螺旋状的螺旋段，且和地面的距离为1～5米，工程量小，占用面积小，既克服了现有技术中水平埋管占用面积大的缺陷，也克服了垂直埋管需要将管道埋在距离地面几十米的深度，工程量大的问题。

为了最大程度进行换热，达到更好的换热效果。所述换热器，如图2所示，包括换热管、以及设置在换热管两端的换热入口30和换热出口31；换热管包括换热内管、以及与换热内管同轴设置的换热外管，换热内管的内腔形成连通换热入口和换热出口的冷水通道，换热内管与换热外管之间的腔室形成连通换热入口和换热出口的热水通道；换热内管中依次相互平行设有第一隔板25、第二隔板26和第三隔板27，将冷水通道分割为第一腔室21、第二腔室22、第三腔室23和第四腔室24；还包括第一连接管32、第二连接管33、第三连接管34和第四连接管35；第一连接管从第一腔室穿过第二腔室设置；第二连接管从第二腔室穿过第三腔室伸入第四腔室内，并从第四腔室弯曲穿回第三腔室设置；第三连接管从第三腔室穿过第二腔室伸入第一腔室内设置；第三连接管从第一腔室穿过第二腔室和第三腔室伸入第四腔室内设置。

热媒从换热入口进入热水通道，并从换热出口流出；冷媒从换热入口进入冷水通道，并从换热出口流出，通过换热内管壁面的导热以及流体在壁面的对流，实现热媒和冷媒的换热。冷媒从换热入口进入冷水通道后，部分冷媒停留在第一腔室内，与热水通道的热媒实现换热，部分冷媒顺着第一连接管从第一腔室流向第二腔室。进入第二腔室的冷媒，部分冷媒停留在第二腔室内，与热水通道的热媒实现换热，部分冷媒顺着第二连接管从第二腔室流向第三腔室。进入第三腔室的冷媒，部分冷媒停留在第三腔室内，与热水通道的热媒实现换热，部分冷媒顺着第三连接管从第三腔室流向第一腔室。进入第一腔室的冷媒，部分冷媒停留在第一腔室内，与热水通道的热媒实现换热，部分冷媒顺着第四连接管从第一腔室流向第四腔室，并从换热出口流出。该冷媒能够在换能器中实现多次循环和多次换热，能够更高效地实现换热。所述换热内管由导热材料制成，能够更好地提高热媒和冷媒的换热效果。

为了防止冷媒回流，所述第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管的端部均设有单向阀；其中第一连接管上单向阀的阀瓣沿着从第一腔室穿过第二腔室的方向打开；第二连接管位于第二腔室内的端部中单向阀的阀瓣沿着从第二腔室穿过第三腔室的方向打开，第二连接管位于第三腔室内的端部中单向阀的阀瓣沿着从第四腔室穿过第三腔室的方向打开；第三连接管上单向阀的阀瓣沿着从第三腔室穿过第二腔室的方向打开；第四连接管上单向阀的阀瓣沿着从第一腔室穿过第二腔室的方向打开。

上述连接管中单向阀的设置保证了冷媒从换热入口进入第一腔室后，经第一连接管进入第二腔室，再经过第二连接管进入第三腔室，经第三连接管进入第一腔室，最后从第一腔室进入第四腔室后，从换热出口流出，这样保证了冷媒经过多次循环和多次换热后才从换热出口流出，换热效果更好。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。