CN114909827A - 一种新型地源热泵换热器系统及其应用方法 - Google Patents

Description

一种新型地源热泵换热器系统及其应用方法

技术领域

本发明属于地源热泵领域，具体为一种新型地源热泵换热器系统及其应用方法。

背景技术

在各种可再生能源中，地热能被认为是最环保、最高效的空间加热和冷却能源之一。地热能作为一种可直接使用的能源类型具有很大的潜力，特别是与地源热泵系统结合使用时。地面耦合热泵(地源热泵)系统作为一种可再生能源技术，因其高能效和环境友好的空间冷却和加热机制而日益受到关注，地源热泵系统将管道埋入地下，形成地热交换器(换热器)。通过使用与热泵相连的循环流体，从地下提取热量或通过埋入地下的管子释放热量，并用于建筑物的供暖和空调。地源热泵系统不仅适用于住宅建筑，也可以应用于办公建筑。

在各种类型的换热器中，对于在有限的安装区域内需要大量地热供暖或制冷能力的住宅或商业建筑，垂直换热器系统比水平换热器更受欢迎。尽管安装成本较高，但与水平系统相比，垂直系统的优点是所需安装面积小，且换热性能更好，能源效率更高。垂直式换热器由塑料管(常用材料为聚乙烯或聚丙烯)、制冷剂和回填材料组成，这样可以减少管道和地面之间的热阻，并使两种材料良好接触。

最常用的垂直换热系统是钻孔换热器，由一根或两根换热管组成，插入垂直钻孔，并与热泵连接，形成一个封闭的循环。孔壁和换热管之间的空间被灌浆，以加强土壤和循环流体之间的热传导。垂直安装换热器仍然需要大量的土地来钻井，且地下一定深度内的温度基本保持不变，垂直换热器需要较少的管道长度来产生与水平式相同的效率，但由于需要较高的深度，因此安装成本较高，这是在城市地区应用地源热泵技术的主要障碍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可利用抗浮锚杆孔作为换热孔的新型地源热泵换热器系统及其应用方法，提高地源热泵技术在城区建筑的应用。

本发明提供的这种新型地源热泵换热器系统，包括管状换热器、换热介质分流管、换热介质回流管、集分水器和供热管路，管状换热器包括下端连通的螺旋盘管和竖直管，集分水器连接换热介质分流管和换热介质回流管，各管状换热器埋设于建筑抗浮锚杆孔中，各管状换热器的螺旋盘管上端与换热介质分流管连通、竖直管上端与换热介质回流管连通，集分水器通过供热管路给建筑物供暖或散热。

上述系统的一种实施方式中，所述螺旋盘管和竖直管均采用高密度聚乙烯管。

上述系统的一种实施方式中，所述螺旋盘管和竖直管的上端分别连接高密度聚乙烯管的90°弯头，通过90°弯头与所述换热介质分流管和换热介质回流管连接。

上述系统的一种实施方式中，所述90°弯头外设置相应的金属刚性防水套管。

本发明提供的这种上述管状换热器在建筑抗浮锚杆孔中的埋设方法，包括以下步骤：

(1)在锚杆锚筋的指定位置焊接导中支架；

(2)将管状换热器的螺旋盘管与导中支架绑扎固定，固定前调整管状换热器下端距锚杆锚筋下端的高度为150-250mm；

(3)将两根注浆管分别与锚杆锚筋绑扎固定，一根注浆管下端与锚杆锚筋下端的高度为450-550mm，另一根注浆管下端距锚杆锚筋的下端2900-3100mm；

(4)锚杆孔清渣处理；

(5)将步骤(1)-(3)固定好的整体件吊放入锚杆孔中；

(6)往锚杆孔中泵送清水至孔口返水；

(7)采用二次注浆法将锚杆锚筋和管状换热器锚固于锚杆孔中；

(8)将各管状换热器与换热介质分流管和换热介质回流管连通。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述锚杆锚筋有两根，通过钢筋焊接固定形成锚杆体。

7、如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述锚杆锚筋上至少焊接两组导中支架，每组包括多个导中支架，各导中支架包括长竖直段和其两端对称的内折弯段及内折弯段末端外折的短竖直段，短竖直段与锚杆锚筋的不同方位焊接固定。

8、如权利要求5所述的方法，其特征在于：第一次注浆压力为0.4-0.5MPa，待第一注浆完成2个小时后进行第二次注浆，第二次注浆压力为压力为2-3MPa。

本发明将抗浮锚杆孔用于地源热泵管状换热器安装，锚杆在作为传统地下结构抗浮措施的基础上同时作为换热孔，实现抗浮锚杆施工与地源热泵预成孔埋设螺线形管状换热器的施工一体化、一次完成。布设在抗浮锚杆孔内的地源热泵管状换热器，采用换热性能优良的螺线形管，结合抗浮锚杆孔间距较小的特点，不但可以起到与独立钻孔埋设管状换热器的同等功效，而且节约了地源热泵独立钻孔埋管施工的费用和工期。热交换产生的温度效应在钢筋及水泥砂浆的工作范围之内，对锚杆的负载性能影响在可控范围之内。抗浮锚杆孔中布设的螺线形管状换热器均绑扎在导中支架内侧，独立钻孔埋管相比，管状换热器的埋管位置精度能够得到有效保证。本发明属于封闭式地源热泵交换系统，与开放式系统相比，不需要依赖丰富的地下水资源以及因为抽水消耗额外的电力，也避免了频繁抽水循环及管路腐蚀、结垢和细菌、污染等造成生态系统破坏和地下水资源浪费。此外，抗浮锚杆在国内应用较为广泛，将本技术能够推广使用，将进一步促进地源热泵技术的发展，尤其是提高地源热泵技术在城区建筑的应用，环境和经济效益是极为显著的。

附图说明

图1为本发明一个实施例中的系统结构示意图。

图2为图1中的A部放大示意图。

图3为图1中的B部放大示意图。

图4为图1中的C部放大示意图。

具体实施方式

本发明为解决传统地源热泵钻探和回填材料成本高，且需占用额外土地的问题，促进地源热泵技术的推广应用，利用锚杆孔数量多、孔深可达10米左右的特点，将抗浮锚杆孔用于地源热泵管状换热器的埋设安装，实现抗浮锚杆施工与地源热泵预成孔埋设管状换热器的施工一体化、一次完成，锚杆在作为传统地下结构抗浮措施的同时将锚杆孔作为换热孔，在建筑物和土层之间交换热量，前者的温度随不同季节而变化，后者则是全年恒温的来源。

但锚杆孔的孔径小，所以为了适应锚杆孔的安装，需设计新的管状换热器。

本实施例新的管状换热器包括平行布置的螺旋盘管1和竖直管2，它们的下端连通，换热介质从集分水器7的分支流入螺旋盘管1的上端，再从竖直管2的上端流出回流到集分水器的换热介质回流管，再回到集分水器中分流循环换热。当集分水器中的换热介质温度达到设定要求时，泵至建筑使用。具体来说，在夏季，建筑物内的热量经换热介质在管路及抗浮锚杆孔内螺旋盘管中流动与土层的换热降低温度后返回制冷。在冬季换热介质在锚杆孔内螺旋盘管中流动与土层换热温度升高后送至建筑物供暖。

集分水器可安装于室外检查井8中，水泵可安装于地下室的制冷机房内。

换热介质流经螺旋盘管1的行程长，可延长换热介质与锚杆孔3外土层的换热时间，提高换热效率。另外，可通过调整盘管圈之间的间距来实现螺旋盘管1更长的行程和更大的换热面积，即螺旋盘管作为换热管，与直管相比具有更大的传热面积和更好的流动模式。螺旋盘管1与竖直管2串联时，不会在转弯处的管道中出现空气阻滞，还可放置气体在管道顶部聚集。所以在土地有限和建筑物占用面积大的情形下，本实施例的这种管状换热器结构是理想选择。

螺旋盘管1和竖直管2采用高密度聚乙烯材质，以更利于在锚杆孔3中的注浆锚固。

管状换热器和锚杆固定成整体后，利用塔吊或者汽车吊等吊装设备吊入锚杆中埋设。

锚杆采用两根锚筋4通过钢筋5焊接而成。锚杆的总长根据锚杆孔的孔深加上地下室底板中所需长度确定，要求锚杆制作平顺，锚筋制作前应清除表面油污及锈膜。

本实施例在锚筋4外壁的底部和上部分别焊接一组导中支架6，通过导中支架来保证锚杆位于锚杆孔的轴向中心。

导中支架6包括长竖直段和其两端对称的内折段及内折段外端的短竖直段。

导中支架6与锚筋4固定时，两端的短竖直段贴合焊接于锚筋外壁。

管状换热器的螺旋盘管1套于锚杆和导中支架6的竖直段围成的区域之间，所以在导中支架6与锚筋4焊固前，先将螺旋盘管1套于锚筋4外，导中支架6与锚筋焊固后将螺旋盘管1绑扎固定，注意螺旋盘管1的下端面在锚杆下端面的上方约150mm。

接下来将注浆管与锚筋4绑扎固定(图中未示出)。注浆管设置两根分别为一次注浆管和二次注浆管，它们均采用内径为20mm的塑料管。一次注浆管的下端面在锚杆下端面的上方约500mm，二次注浆管的下端面在锚杆下端面的上方约3000mm。

至此锚杆、导中支架、螺旋盘管和注浆管形成可吊放的整体件，并检查锚筋的直线度，注浆管有无破裂或堵塞。

整体件在锚杆孔中的埋设施工步骤如下：

(1)用高压空气将锚杆孔中的残渣吹净，直至孔内沉渣厚度小于20mm。必要时进行二次清孔，将孔内沉渣和积水清理干净；

(2)利用塔吊、汽车吊等吊装设备将整体件吊装下放入锚杆孔中，若无法将锚杆下放至孔底，将整体件吊出后用钻机重新扫孔后再下锚；

(3)泵送清水至孔口返水；

(4)第一次注浆，注浆压力为0.4-0.5MPa，随水泥砂浆注入逐渐提升第一次注浆管，并保证注浆管口始终位于浆液面下部不少于1000mm位置直至注浆完成。注浆必需连续不断的进行，直至孔口一出的浆液权为水泥砂浆后轻质注浆；

(5)第二次注浆，待第一次注浆初凝强度达到5MPa后(第一次注浆完成2小时后)开始，注浆压力为2-3MPa，采用孔底返浆法，通过二次压浆管将水泥浆注入孔底，水泥砂浆从钻孔底口向外依次充满并将孔内空气压出，而水泥砂浆则由孔眼处挤出并冲破第一次注浆体。二次注浆后，在浆体强度未达到设计要求前，锚杆体及地源热泵换热器不得承受外力或由外力引起的锚体移动。

各锚杆孔中浇固锚杆和管状换热器后，在各螺旋盘管1和竖直管2的上端分别连接同材质的90°弯头，并在90°弯头外套上90°金属弯头，将各螺旋盘管上端的塑料弯头分别连接至换热介质分流管，各竖直管上端的塑料弯头连接至换热介质回流管形成回路。

检查回路及集分水器整体的压力无泄漏，确保各管线水压合格后完成施工。

当然可根据实际需要，综合考虑建筑实际热负荷及控制地源热泵系统造价的需求，可以设计在所有抗浮锚杆孔内埋设地源热泵管状换热器或者间隔埋设。

从本实施例的管状换热器结构及其在锚杆孔中浇固过程可以看出，本发明具有以下优势：

抗浮锚杆孔用于地源热泵管状换热器安装，锚杆在作为传统地下结构抗浮措施的基础上同时作为换热孔，实现抗浮锚杆施工与地源热泵预成孔埋设螺线形管状换热器的施工一体化、一次完成。布设在抗浮锚杆孔内的地源热泵管状换热器，采用换热性能优良的螺线形管，结合抗浮锚杆孔间距较小的特点，不但可以起到与独立钻孔埋设管状换热器的同等功效，而且节约了地源热泵独立钻孔埋管施工的费用和工期。热交换产生的温度效应在钢筋及水泥砂浆的工作范围之内，对锚杆的负载性能影响在可控范围之内。抗浮锚杆孔中布设的螺线形管状换热器均绑扎在导中支架内侧，独立钻孔埋管相比，管状换热器的埋管位置精度能够得到有效保证。

上述技术属于封闭式地源热泵交换系统，与开放式系统相比，不需要依赖丰富的地下水资源以及因为抽水消耗额外的电力，也避免了频繁抽水循环及管路腐蚀、结垢和细菌、污染等造成生态系统破坏和地下水资源浪费。此外，抗浮锚杆在国内应用较为广泛，如果本技术能够推广使用，将进一步促进地源热泵技术的发展，环境和经济效益是极为显著的。

Claims (8)

1.一种新型地源热泵换热器系统，其特征在于：该系统包括管状换热器、换热介质分流管、换热介质回流管、集分水器和供热管路，管状换热器包括下端连通的螺旋盘管和竖直管，集分水器连接换热介质分流管和换热介质回流管，各管状换热器埋设于建筑抗浮锚杆孔中，各管状换热器的螺旋盘管上端与换热介质分流管连通、竖直管上端与换热介质回流管连通，集分水器通过供热管路给建筑物供暖或散热。

2.如权利要求1所述的新型地源热泵换热器系统，其特征在于：所述螺旋盘管和竖直管均采用高密度聚乙烯管。

3.如权利要求2所述的新型地源热泵换热器系统，其特征在于：所述螺旋盘管和竖直管的上端分别连接高密度聚乙烯管的90°弯头，通过90°弯头与所述换热介质分流管和换热介质回流管连接。

4.如权利要求3所述的新型地源热泵换热器系统，其特征在于：所述90°弯头外设置相应的金属刚性防水套管。

5.一种权利要求1中管状换热器在建筑抗浮锚杆孔中的埋设方法，包括以下步骤：

(1)在锚杆锚筋的指定位置焊接导中支架；

(2)将管状换热器的螺旋盘管与导中支架绑扎固定，固定前调整管状换热器下端距锚杆锚筋下端的高度为150-250mm；

(3)将两根注浆管分别与锚杆锚筋绑扎固定，一根注浆管下端与锚杆锚筋下端的高度为450-550mm，另一根注浆管下端距锚杆锚筋的下端2900-3100mm；

(4)锚杆孔清渣处理；

(5)将步骤(1)-(3)固定好的整体件吊放入锚杆孔中；

(6)往锚杆孔中泵送清水至孔口返水；

(7)采用二次注浆法将锚杆锚筋和管状换热器锚固于锚杆孔中；

(8)将各管状换热器与换热介质分流管和换热介质回流管连通。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述锚杆锚筋有两根，通过钢筋焊接固定形成锚杆体。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述锚杆锚筋上至少焊接两组导中支架，每组包括多个导中支架，各导中支架包括长竖直段和其两端对称的内折弯段及内折弯段末端外折的短竖直段，短竖直段与锚杆锚筋的不同方位焊接固定。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：第一次注浆压力为0.4-0.5MPa，待第一注浆完成2个小时后进行第二次注浆，第二次注浆压力为压力为2-3MPa。

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