一种分层梯级相变纳米地下换热结构及热泵系统

本发明涉及地源热泵的，具体涉及一种分层梯级相变纳米地下换热结构及热泵系统。

背景技术：

1、随着社会经济的快速发展，能源问题得到了越来越多国家的重视。为了满足持续增长的能耗需求，我国传统的能源结构亟待优化。近年来风能、太阳能、地热能等清洁可再生能源得到大力开发，其中地热能由于储量大、分布广更是引起了广泛关注。同时集中供热不仅是北方民建的刚性需求，近年在南方也得到了大范围的推广，国家也因此大力推动相关技术的发展。在这样的背景下，地源热泵技术应运而生。

2、其中地源热泵空调系统由地下换热结构、水源热泵机组系统、室内采暖空调末端系统三部分组成，是“利用地下换热结构将以土壤、地下水的低品位能量提取出来，通过少量电力将低品位能源提升为高品位能源”，有着节能高效、经济环保等优点。

3、传统的地源热泵空调系统需单独埋设换热器，这将占用更多的土地资源并带来昂贵的钻孔费用；同时考虑到土壤热失衡，在实际使用过程可能会由于释热量、取热量不等而导致土壤出现冷堆积或热堆积现象，这将影响到土壤恢复效力以及机组的长期工作效率。

4、有人结合当下建筑常用的管桩基础提出了一种“中空夹层钢管混凝土柱地热采暖系统”。这种技术在桩基里布设热交换管道，即混凝土柱既是建筑的竖向承重结构，同时其夹层混凝土内也铺设有室内采暖空调系统的水暖管道。另在管内布置有板式热交换器，加快垂直热泵系统与水源热泵机组的热交换效率。这种设计一方面于基础柱中铺设管道，节约建筑使用空间；另一方面无需再设地埋换热器减小了成本；同时混凝土及钢材比土壤有更高的导热系数，也进一步提高了能量转换效率。但该技术仍未能有效解决土壤温度变化幅度大、速度快等问题，土壤冷热堆积的现象仍然有待解决。

5、另外也有专家提出设计一种预制能源桩，将桩基内部纵筋、螺旋箍筋设置成中空形式，利用载热防腐流体在钢筋笼系统中流动实现热量交换。这种桩由于钢筋密集，延长热交换路径，使得热交换更加充分，温幅变化更小，但同时工艺繁琐，成本较高。

6、对于使用相变材料的能源桩也有人提出过。因为相变材料对混凝土的腐蚀性，所以提出将相变材料石蜡储存在钢球内作为骨料，然后布置好钢筋笼、热交换管、和若干钢球后浇筑混凝土。含有相变材料的若干钢球均匀布置在整个桩体中。该种相变材料能源桩制作工艺复杂，且采用不锈钢球包装相变材料，需要的钢球数量多，成本较高。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种分层梯级相变纳米地下换热结构及热泵系统。本发明的换热结构的截面形式可以是圆管或方管，内管壁之间的中空部分布置热交换管，为固定热交换管，内部空腔沿径向分层填充两层pcm(相变材料)，两层相变材料之间采用第二内侧管隔开，外侧pcm与混凝土之间采用第一内侧管分隔开。沿径向使用两层相变材料，沿深度方向使用多层不同相变材料可对不同温度的热量进行有效相变蓄能，减缓土壤冷热堆积现象，提高地源热泵的运行能效。热交换管内循环流动着纳米流体材料，外接水源热泵机组即可得到一个完整的基于分层梯级相变纳米地下换热结构的地源热泵空调系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种分层梯级相变纳米地下换热结构，所述换热结构包括由外至内设置的外表面约束管、第一内侧管、第二内侧管与热交换管，其中，所述热交换管设置于所述第二内侧管内，沿所述第一内侧管、所述第二内侧管的长度方向均匀分布设有若干分隔片，所述分隔片将所述第一内侧管、所述第二内侧管划分为若干层；每层填充有2种相变材料，且所述2种相变材料互不干涉。

4、需要说明的是，所述相变材料包括各层内层pcmn1、外层pcmn2(n为沿深度方向第n层)；当所述内层pcmn1填充于第n层的所述第二内侧管内时，所述外层pcmn2填充于第n层的所述第一内侧管与第二内侧管之间。

5、需要说明的是，填充方式采用径向填充2种不同的相变材料和深度方向填充n种不同的相变材料。

6、需要说明的是，所述热交换管中的循环流体为高导热系数纳米流体。

7、需要说明的是，所述外表面约束管与所述第一内侧管之间灌注有混凝土。

8、本发明还提供一种分层梯级相变纳米地下换热结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：

9、s1预制由外表面约管、第一内侧管、第二内侧管依次组成的换热结构；

10、s2在外表面约束管与第一内侧管之间绑扎受力钢筋、箍筋及填充混凝土；

11、s3在第二内侧管中安装热交换管，并使用分隔片划分若干层，再将配置好的各层内层pcmn1和外层pcmn2(n为沿深度方向第n层)进行分层填充；

12、s4将相变材料pcm11填充在第一层的第二内侧管内，而相变材料pcm12则回填在该层的第一内侧管与第二内侧管之间；类似地，将相变材料pcmn1填充在第n层的第二内侧管内，而相变材料pcmn2则回填在该层的第一内侧管与第二内侧管之间。按照该填充方式进行不同层内外侧相变材料的填充；

13、s5在热交换管内填充高导热系数的纳米流体。

14、需要说明的是，所述热交换管采用u型管或螺旋型管。

15、本发明再提供一种具有分层梯级相变纳米地下换热结构的热泵系统，所述系统包括夏季空调模式和冬季热泵模式，其中

16、所述夏季空调模式包括依次连接的分层梯级相变纳米地下换热结构、增压泵、冷凝器、节流阀、蒸发器与室内末端，其中，还设有压缩机，所述压缩机的两端分别与所述冷凝器、所述蒸发器连接；

17、所述冬季热泵模式包括依次连接的分层梯级相变纳米地下换热结构、增压泵、蒸发器、节流阀、冷凝器与室内末端，其中，还设有压缩机，所述压缩机的两端分别与所述蒸发器、所述冷凝器连接；在增压泵与所述蒸发器之间设有三通阀，所述三通阀与水箱的一端连接，水箱的另一端与生活热水末端连接。

18、本发明的有益效果在于，本发明的分层梯级相变纳米地下换热结构不仅通过纳米流体提高了热交换管提取地热能的换热效率，而且实现了结构性能两用，可以同时提高系统在冬季和夏季的换热性能，大大降低了生产施工成本。同时根据材料热学性能参数选用的回填相变材料作为缓冲剂能有效吸收、释放相变潜热，大大降低温度变化幅度，有效解决土壤冷热堆积问题，提高机组工作效率，延长机组使用寿命

19、总的来说，本发明具有以下优势：

20、1、施工灵活方便。地下换热结构以预制构件为主，空腔内热交换管也可预先在工厂完成预制，现场施工时便可确定热交换管位置，定位完成后再分层填充回填pcm即可。

21、2、对周围土体扰动较小，加快土壤恢复。相变回填材料作为缓冲剂能通过相变有效吸收或释放热量，延缓土壤温度变化速度，减小土壤温度变化幅度，减小土壤热影响半径，且材料相变潜热越大，土壤温度变化越小，可有效解决土壤的冷热堆积问题。

22、3、换热能力更强。分层梯级相变纳米地下换热结构中的循环流体采用具有高导热系数的纳米流体，可进一步提高地下换热结构的换热能力。

23、4、节约土地资源，减少施工成本。将热交换管布置在管空腔中并以复合相变材料填充，一方面无需另外埋设室外地埋管换热器，避免了额外的土地占用，另一方面在回填充实的同时有利于提高结构的承载力。

24、5、工作性能优越，环保经济综合效益良好。内外侧管提高了结构的导热系数，使得地下换热结构的换热效率得到较大提升，还可以同时保证结构的刚度，满足承载力要求。钢管和混凝土均有利于热交换更加完全，为建筑物提供大量清洁能源。

25、6、适用性更强，实现能量梯级利用。沿径向使用两层相变材料，沿深度方向使用多层不同相变材料可对不同温度的热量进行有效相变蓄能，减缓土壤冷热堆积现象，提高地源热泵的运行能效。