一种用于地源热泵空调系统的地埋管换热器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于地源热泵空调系统的地埋管换热器，其从管路自身结构因素以及与地热资源的交互因素多方面入手，通过结构的改善和优化，使得地埋管换热器的换热性能得以增强，提高了地埋管换热器管内水流与地热资源之间的换热效率。将本发明的地埋管换热器应用在地源热泵空调系统中，能够延长地埋管换热器的使用寿命，帮助提高地源热泵空调系统的能效，降低系统能耗和故障率，从而有效解决现有的地埋管换热器结构容易导致地源热泵空调系统换热效率低、故障率较高、能效较低、节能效益不显著等问题。
【专利说明】一种用于地源热泵空调系统的地埋管换热器
【技术领域】
[0001]本发明涉及空调及供热【技术领域】，具体涉及一种用于地源热泵空调系统的地埋管换热器。
【背景技术】
[0002]随着经济的发展和人们生活水平的提高，公共建筑和住宅的供暖和空调已经成为普遍的要求。作为中国传统供热的燃煤锅炉不仅能源利用率低，而且还会给大气造成严重的污染，因此在一些城市中燃煤锅炉在被逐步淘汰，而燃油、燃气锅炉则运行费用很高。地源热泵空调系统就是一种在技术上和经济上都具有较大优势的解决供热和空调的替代方式。
[0003]地源热泵空调系统，是一种利用地下浅层地热资源既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统，是中央空调系统的一种。系统中地源热泵通过输入少量的高品位能源(电能)，即可实现能量从低温热源向高温热源的转移。在冬季，把土壤中的热量“取”出来，提高温度后供给室内用于采暖；在夏季，把室内的热量“取”出来释放到土壤中去，并且常年能保证地下温度的均衡，具有节能环保的优点。
[0004]地源热泵空调系统的主要结构如图1所示，其主要由地源热泵机组1、空调末端11和地埋管换热器12构成，三者之间靠水或空气作为换热介质进行热量的传递，由地埋管换热循环泵2驱动地源热泵机组I与地埋管换热器12之间的换热介质循环，由空调换热循环泵10驱动地源热泵机组I与空调末端11之间的换热介质循环；其中，地源热泵机组I与地埋管换热器12之间换热介质为水，与建筑物内的空调末端11换热介质可以是水或空气。
[0005]地源热泵空调系统在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行液-汽转化的循环；在地埋管换热循环泵的驱动下，由室外的地埋管换热器吸收地下水或土壤里的热量，通过地源热泵机组系统内冷媒的蒸发，将地埋管换热器的水路循环中的热量吸收至冷媒中；在空调换热循环泵的驱动下，在冷媒循环的同时，空调末端再通过冷媒-空气热交换器内冷媒的冷凝，通过空气循环将冷媒所携带的热量吸收；在地下的热量不断转移至室内的过程中，通过室内的空调末端向室内供暖。
[0006]地源热泵空调系统在制冷状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，使其进行汽-液转化的循环；在空调换热循环泵的驱动下，空调末端通过冷媒-空气热交换器内冷媒的蒸发将室内空气循环所携带的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒-水热交换器内冷媒的冷凝；在地埋管换热循环泵的驱动下，由地源热泵机组与地埋管换热器之间的循环水路将冷媒中所携带的热量吸收，最终通过室外的地埋管换热器将热量转移至地下水或土壤里；在室内热量通过空调末端、地源热泵机组和地埋管换热器不断转移至地下的过程中，通过空调末端的冷媒-空气热交换器，以冷风的形式为室内供冷。
[0007]但是，在现有的地源热泵空调系统研究中，往往主要关注地源热泵机组与地埋管换热器之间和空调末端之间的换热效能问题，而对于地埋管换热器的换热效能研究并不多见。目前的地埋管换热器结构通常较为简单，如图1所示，通常将地埋进水管4、地埋出水管6竖直并行排列地埋入地下，地埋进水管4和地埋出水管6之间通过管卡9相互固定，以地埋进水管4和地埋出水管6的上端管口分别作为地埋管换热器的进水口和出水口，地埋进水管4和地埋出水管6的下端通过U型弯管5相连通，即构成地埋管换热器12 ;在地埋出水管6高近地面的异端管体上通常还设有保温套8用以保温；其地埋进水管4、地埋出水管6通常采用普通的PE (聚乙烯)管道，而其U型弯管5也通常采用与地埋进水管4、地埋出水管6相同口径的PE弯管。一方面，普通PE管光滑的内壁不利于促进管内水流与管外的地下水或土壤进行换热。另一方面，在地埋管换热器敷设过程和电、热熔接管过程中，管道中难免会进入泥沙及管材碎屑，同时在长期的运行过程中，地埋管换热器底部同样会积累水中的杂质、污垢等，由于地埋管换热器的地埋进水管、地埋出水管高度一般为80-100米，且一般采用DN32和DN25的PE管，管径较小，管内运行流速通常在0.4m/s^0.6m/s范围内，堵塞物体很难由借助水流从地埋出水管流出地面，最终容易因U型弯管积累过多杂质而影响地埋管换热器水流循环的整体流速，同时也容易引起地源热泵空调系统频繁出现故障。根据《地源热泵工程技术规范(GB-50366-2009年版)》，规定了地源热泵空调系统中的地埋管换热器最低循环流速为0.4m/s，当低于此流速时，地埋管换热器内由于流速过低，管壁处于层流状态，将严重制约换热效果，同时层流态增大了系统阻力，加之地埋进水管、地埋出水管光滑的内壁换热效果较差，系统阻力大，最终导致地源热泵空调系统全年多处于低负荷状态下运行，换热效率低，甚至因地热管换热器完全阻塞导致其寿命缩短。从而在地源热泵全寿命周期内，导致出现能效较低、故障率较高、节能效益不显著等问题。不仅如此，现有地埋管换热器简单的分布结构，对于其换热效率也存在一定的影响，然而地埋管换热器一经布建便难以更改。同时地热管换热器中U型弯管积累杂质的问题也容易造成其管道阻塞，进而缩短了地热管换热器的使用寿命。地埋管换热器建设初投资较大，一般情况下，布建地埋管换热器的钻孔打井费用及管材、回填等费用，总计在I万元左右。因此，如何延长地埋管换热 器的使用寿命、增强其换热能效，是地源热泵空调技术中亟待解决的问题。
【发明内容】
[0008]针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种用于地源热泵空调系统的地埋管换热器，以通过结构改善，延长地埋管换热器的使用寿命，并使得地埋管换热器的换热性能得以增强，能够提高其管内水流与地热资源之间的换热效率，进而帮助提高地源热泵空调系统的能效，降低系统能耗，以解决现有的地埋管换热器结构容易导致地源热泵空调系统换热效率低、故障率较高、能效较低、节能效益不显著等问题。
[0009]为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术手段:
一种用于地源热泵空调系统的地埋管换热器，包括地埋进水管、地埋出水管和U型弯管接头；所述地埋进水管和地埋出水管的上端管口分别作为地埋管换热器的进水口和出水口，地埋进水管和地埋出水管的下端分别与U型弯管接头的进水端口和出水端口相连通，且地埋进水管和地埋出水管之间通过管卡相互固定；
所述地埋进水管和地埋出水管的内壁上均顺其延伸方向设置有导流凹槽；所述地埋进水管外壁上的一侧沿其管道延伸方向等间隔地分布设置有若干个进水管固定槽；所述地埋出水管的外壁上顺其管道延伸方向等间隔地螺旋分布设置有若干个出水管固定槽，每相邻两个出水管固定槽之间在地埋出水管外壁上的分布位置呈90°相位角；且地埋进水管外壁上的进水管固定槽与地埋出水管外壁上相应位置的出水管固定槽处于同一水平位置；所述U型弯管接头的下部具有一通径大于地埋进水管和地埋出水管内径的容置腔室，所述容置腔室的一侧通过进水通道连通至U型弯管接头的进水端口，另一侧通过出水通道连通至U型弯管接头的出水端口，容置腔室的底面呈下凹的弧面，且容置腔室底面上靠近出水通道一侧具有一从容置腔室底面向上延伸的阻挡壁；所述进水通道和出水通道之间位于容置腔室上方的位置还设有连通通道；
所述管卡具有能够套接在地埋进水管上的第一固定环、能够套设在地埋出水管上的第二固定环、以及连接所述第一固定环和第二固定环的间隔环；所述第一固定环和第二固定环分别连接在间隔环上相对的两侧，且第一固定环与间隔环的连接处朝向第一固定环的一侧设有与地埋进水管外壁上的进水管固定槽形状相匹配的进水管固定卡栓，第二固定环与间隔环的连接处朝向第二固定环的一侧设有与地埋出水管外壁上的出水管固定槽形状相匹配的出水管固定卡栓；
所述地埋进水管和地埋出水管之间通过若干个管卡相互固定；其中，每个管卡的第一固定环固定套接在地埋进水管上，第二固定环套固定设在地埋出水管上，且管卡的进水管固定卡栓和出水管固定卡栓分别对应地卡接在地埋进水管外壁和地埋出水管外壁上处于同一水平位置的进水管固定槽和出水管固定槽中；由于地埋进水管外壁上的若干个进水管固定槽沿其管道延伸方向等间隔地分布设置在地埋进水管外壁上的一侧，而地埋出水管的外壁上的若干个出水管固定槽顺其管道延伸方向等间隔地螺旋分布设置，从而在若干个管卡的固定作用下，使得地埋进水管和地埋出水管相互扭转形成双螺旋分布。
[0010]作为上述用于地源热泵空调系统的地埋管换热器基础上的一种优选方案，所述地埋进水管和地埋出水管的内壁上的导流凹槽为沿其管道延伸方向设置的纵向凹槽。
[0011]作为上述用于地源热泵空调系统的地埋管换热器基础上的另一种优选方案，所述地埋进水管和地埋出水管的内壁上的导流凹槽为顺其管道延伸方向螺旋设置的螺旋凹槽。
[0012]作为上述用于地源热泵空调系统的地埋管换热器基础上的一种优选方案，所述U型弯管接头的容置腔室底面上靠近出水通道一侧的阻挡壁的纵向截面呈上小下大的三角形或梯形状。
[0013]作为上述用于地源热泵空调系统的地埋管换热器基础上的进一步优化方案，所述管卡的第一固定环和第二固定环远离间隔环的一侧均设有固定环开口，所述固定环开口的两侧分别设有能够相互扣接的卡孔和卡扣。
[0014]相比于现有技术，本发明具有以下有益效果:
1、本发明用于地源热泵空调系统的地埋管换热器中，在地埋进水管和地埋出水管的内壁上顺其延伸方向设置导流凹槽，对管内水流导流，通过内壁上导流凹槽对流体导流使得流体的层流层变薄、湍流强度增大，从而增大了水流与管壁之间的传热系数，并增加水流与管壁的换热接触面积，由此使得地埋进水管和地埋出水管的换热效率得以提升。
[0015]2、本发明用于地源热泵空调系统的地埋管换热器中，通过U型弯管接头的下部的容置腔室容纳积累物，并借助阻挡壁防止容置腔室内大量积累物被从进水通道流向出水通道的水流冲刷进入地埋出水管而导致管道堵塞，同时还借助U型弯管接头进水通道与出水通道之间的连通通道更好地保证水流循环畅通，解决了因U型弯管接头阻塞而导致的系统阻力大、故障率高、换热效果较差的问题，提升了地埋管换热器的流通性能和换热性能，延长了地埋管换热器的使用寿命。
[0016]3、本发明用于地源热泵空调系统的地埋管换热器中，其地埋进水管与地埋出水管之间所设置的管卡结构明显不同于现有技术，其安装更方便，对地埋进水管、地埋出水管的固定作用也更加牢固。
[0017]4、本发明地埋管换热器的地埋进水管、地埋出水管与管卡之间采用了完全不同于现有技术的连接结构，使得地埋进水管和地埋出水管相互扭转形成双螺旋分布，让地埋管换热器进水、出水侧周围的温度分布得以均衡，更有利于进水、出水侧周围土壤之间的热量、冷量扩散，从而有助于降低土壤温度变化速率，增大土壤与管内水流的温差，提升地埋管换热器的整体换热效率。
[0018]5、本发明用于地源热泵空调系统的地埋管换热器，从其管路自身结构因素以及与地热资源的交互因素多方面入手，通过结构的改善和优化，使得地埋管换热器的换热性能得以增强，提高了地埋管换热器管内水流与地热资源之间的换热效率，能够帮助提高地源热泵空调系统的能效，降低系统能耗和故障率，从而有效解决现有的地埋管换热器结构容易导致地源热泵空调系统换热效率低、故障率较高、能效较低、节能效益不显著等问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为现有技术中地源热泵空调系统的结构示意图。
[0020]图2为本发明用于地源热泵空调系统的地埋管换热器中地埋进水管或地埋出水管一种管道结构的径向视图。
[0021]图3为图2所示管道结构的A-A剖视图。
[0022]图4为本发明用于地源热泵空调系统的地埋管换热器中地埋进水管或地埋出水管另一种管道结构的径向视图。
[0023]图5为图4所示管道结构的B-B剖视图。
[0024]图6为本发明用于地源热泵空调系统的地埋管换热器中U型弯管接头的剖视结构示意图。
[0025]图7为本发明模拟实验中所建的地埋管换热器三维换热模型的模型示意图。
[0026]图8为本发明模拟实验中所建三维换热模型中在地埋管换热器管道位置处垂直剖面上的土壤温度分布图。
[0027]图9为本发明模拟实验中所建三维换热模型中在地埋管换热器管道位置处水平剖面上的土壤温度分布图。
[0028]图10为本发明用于地源热泵空调系统的地埋管换热器中地埋进水管上进水管固定槽设置位置以及地埋出水管上出水管固定槽设置位置示例说明图。
[0029]图11为本发明用于地源热泵空调系统的地埋管换热器中的管卡结构示意图。
[0030]图12为本发明地埋管换热器的双螺旋结构示意图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
[0032]本发明提供了一种用于地源热泵空调系统的地埋管换热器，其通过结构优化，从多方面缓解了降低换热效率的促发因素，使得地埋管换热器的换热性能得以增强，能够提高其管内水流与地热资源之间的换热效率，进而帮助提高地源热泵空调系统的能效，降低系统能耗。
[0033]本发明用于地源热泵空调系统的地埋管换热器的整体构造，主要由地埋进水管、地埋出水管和U型弯管接头构成；地埋进水管和地埋出水管的上端管口分别作为地埋管换热器的进水口和出水口，地埋进水管和地埋出水管的下端分别与U型弯管接头的进水端口和出水端口相连通，且地埋进水管和地埋出水管之间通过管卡相互固定。与现有技术中地埋管换热器的最主要不同之处在于，本发明地埋管换热器中对地埋进水管、地埋出水管和U型弯管接头的结构都进行了优化改进，并改变了地埋进水管、地埋出水管的分布结构。
[0034]本发明的地埋管换热器中，地埋进水管和地埋出水管的内壁上均顺其延伸方向设置有导流凹槽。具体而言，地埋进水管和地埋出水管内壁上的导流凹槽，可以是沿其管道延伸方向设置的纵向凹槽，如图2和图3所示，其中标号10表示地埋进水管或地埋出水管的管壁，标号Ia表示纵向凹槽；也可以是顺其管道延伸方向螺旋设置的螺旋凹槽，如图4和图5所示，其中标号10表示地埋进水管或地埋出水管的管壁，标号Ib表示螺旋凹槽。相比于现有技术中采用内壁光滑的普通PE管作为地埋进水管和地埋出水管而言，本发明地埋管换热器中的地埋进水管和地埋出水管通过在内壁上设置导流凹槽，来提高地埋进水管和地埋出水管的换热效率。其原理在于:当流体流过固体壁面时，由于流体黏性的作用，使壁面附近的流体减速而形成流动边界，边界层内存在速度梯度；当边界层内的流动处于滞流状态时，称为滞流边界层；当边界层内的流动发展为湍流时，称为湍流边界层。但是，即使是湍流边界层，靠近壁面处仍有一层薄层(滞流内层)存在，在此薄层内流体呈滞流流动。滞流内层和湍流主体之间称为缓冲层。由于滞流内层中流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动，因此在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导(实际上，在滞流流动时的传热总是要受到自然对流的影响，使传热加剧)。由于流体的导热系数较低，使滞流内层内的导热热阻很大，因此该层中温差较大，即温度梯度较大。在湍流主体中，由于流体质点的剧烈混合并充满漩涡，因此湍流主体中温度差(温度梯度)绩效，各处温度基本相同。在缓冲层区，热对流和热传导的作用大致相同，在该层内温度发生缓慢的变化。由以上原理分析可知，对流传热是集热对流和热传导于一体的综合现象，对流传热的热阻主要在滞流内层；因此，减薄滞流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。地热管换热器的换热量Q与换热器的有效换热面积F、对数温差Atm与传热系数K值的乘积为等式，计算式为Q=K*F.Atm。传热介质在管内流动时，由于光滑管壁的粗糙度小而使介质在流动时产生边界层的层流，大大减低了管内的换热效果，影响传热效果。针对于此，本发明的地埋管换热器中，在地埋进水管和地埋出水管的内壁上顺其延伸方向设置导流凹槽，一方面，导流凹槽起到了对管内水流导流的作用，并通过内壁上导流凹槽对流体导流使得流体的层流层变薄、湍流强度增大，从而增大了水流与管壁之间的传热系数K，且根据导流凹槽设置方式的不同，相比于沿管道延伸方向设置的纵向凹槽对减小流体层流层、增强湍流强度的效果而言，顺管道延伸方向螺旋设置的螺旋凹槽除了能够减小流体层流层、增强湍流强度之外，还能够大幅度增加水流在地埋进水管和地埋出水管内壁流动的扰动性，形成扰流，提高管内水流与管内壁间的对流换热效率，因此，螺旋凹槽相比于纵向凹槽的导流凹槽设置方式而言，对传热系数K的提升幅度更大；另一方面，地埋进水管和地埋出水管的内壁上增设导流凹槽，还相当于增加了水流与管壁的换热接触面积F ;由此以来，在管内水流温度相对于管外地热资源的对数温差△ tm —定的情况下，本发明地埋管换热器中的地埋进水管和地埋出水管在单位时间内能够获得更大的换热量Q，从而使得换热效率得以提升。
[0035]为了证明本发明地埋管换热器中地埋进水管和地埋出水管的内壁上设置导流凹槽以增强管道换热效率的实际效果，本发明还进行了模拟实验加以验证。实验采用长、宽、高尺寸为1000mmX 1000mmX 700mm且外壁保温的保温箱，保温箱内盛满土壤，即不受室外环境的影响。实验用了三种不同管壁类型的PE管进行对比测试，即内壁光滑PE管(简称为1#管)，内壁上沿其管道延伸方向设置有纵向凹槽的PE管(简称为2#管,管道内壁的纵向凹槽结构如图2和图3所示)，以及内壁上顺其管道延伸方向螺旋设置有螺旋凹槽的PE管(简称为3#管，管道内壁的螺旋凹槽结构如图4和图5所示)，实验所用三种管道的管径均为DN32。测试时，三种管道分别穿过保温箱内的土壤层，保证三种管道的进口水温、流速、流量情况相同。在设定管道内水流流速为0.5m/s的情况下，分别测试进水温度为35°C和50°C时，该三种PE管出水温度和进出水温差随运行时间的变化情况，如表1和表2所示。
[0036]表1、进水温度为35°C的各管出水温度:
【权利要求】
1.一种用于地源热泵空调系统的地埋管换热器，包括地埋进水管、地埋出水管和U型弯管接头；所述地埋进水管和地埋出水管的上端管口分别作为地埋管换热器的进水口和出水口，地埋进水管和地埋出水管的下端分别与U型弯管接头的进水端口和出水端口相连通，且地埋进水管和地埋出水管之间通过管卡相互固定；其特征在于: 所述地埋进水管和地埋出水管的内壁上均顺其延伸方向设置有导流凹槽；所述地埋进水管外壁上的一侧沿其管道延伸方向等间隔地分布设置有若干个进水管固定槽；所述地埋出水管的外壁上顺其管道延伸方向等间隔地螺旋分布设置有若干个出水管固定槽，每相邻两个出水管固定槽之间在地埋出水管外壁上的分布位置呈90°相位角；且地埋进水管外壁上的进水管固定槽与地埋出水管外壁上相应位置的出水管固定槽处于同一水平位置； 所述U型弯管接头的下部具有一通径大于地埋进水管和地埋出水管内径的容置腔室，所述容置腔室的一侧通过进水通道连通至U型弯管接头的进水端口，另一侧通过出水通道连通至U型弯管接头的出水端口，容置腔室的底面呈下凹的弧面，且容置腔室底面上靠近出水通道一侧具有一从容置腔室底面向上延伸的阻挡壁；所述进水通道和出水通道之间位于容置腔室上方的位置还设有连通通道； 所述管卡具有能够套接在地埋进水管上的第一固定环、能够套设在地埋出水管上的第二固定环、以及连接所述第一固定环和第二固定环的间隔环；所述第一固定环和第二固定环分别连接在间隔环上相对的两侧，且第一固定环与间隔环的连接处朝向第一固定环的一侧设有与地埋进水管外壁上的进水管固定槽形状相匹配的进水管固定卡栓，第二固定环与间隔环的连接处朝向第二固定环的一侧设有与地埋出水管外壁上的出水管固定槽形状相匹配的出水管固定卡栓； 所述地埋进水管和地埋出水管之间通过若干个管卡相互固定；其中，每个管卡的第一固定环固定套接在地埋进水管上，第二固定环套固定设在地埋出水管上，且管卡的进水管固定卡栓和出水管固定卡栓分别对应地卡接在地埋进水管外壁和地埋出水管外壁上处于同一水平位置的进水管固定槽和出水管固定槽中；由于地埋进水管外壁上的若干个进水管固定槽沿其管道延伸方向等间隔地分布设置在地埋进水管外壁上的一侧，而地埋出水管的外壁上的若干个出水管固定槽顺其管道延伸方向等间隔地螺旋分布设置，从而在若干个管卡的固定作用下，使得地埋进水管和地埋出水管相互扭转形成双螺旋分布。
2.根据权利要求1所述用于地源热泵空调系统的地埋管换热器，其特征在于，所述地埋进水管和地埋出水管的内壁上的导流凹槽为沿其管道延伸方向设置的纵向凹槽。
3.根据权利要求1所述用于地源热泵空调系统的地埋管换热器，其特征在于，所述地埋进水管和地埋出水管的内壁上的导流凹槽为顺其管道延伸方向螺旋设置的螺旋凹槽。
4.根据权利要求1所述用于地源热泵空调系统的地埋管换热器，其特征在于，所述U型弯管接头的容置腔室底面上靠近出水通道一侧的阻挡壁的纵向截面呈上小下大的三角形或梯形状。
5.根据权利要求1所述用于地源热泵空调系统的地埋管换热器，其特征在于，所述管卡的第一固定环和第二固定环远离间隔环的一侧均设有固定环开口，所述固定环开口的两侧分别设有能够相互扣接的卡孔和卡扣。
【文档编号】F25B30/06GK103968607SQ201410222183
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】陈金华, 韩浩然 申请人:重庆大学