CN203810794U - 一种地源热泵空调系统的地埋管换热器结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种地源热泵空调系统的地埋管换热器结构，其通过对地埋进水管、地埋出水管以及U型弯管接头的结构改善，从地埋管换热器由进至出的流通通道中的多个环节上缓解了降低换热效率的促发因素，延长了地埋管换热器的使用寿命，增强了地埋管换热器的换热性能，从而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。将本实用新型的地埋管换热器结构应用在地源热泵空调系统中，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。

Description

一种地源热泵空调系统的地埋管换热器结构

技术领域

本实用新型涉及空调及供热技术领域，具体涉及一种地源热泵空调系统的地埋管换热器结构。

背景技术

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。

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。

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1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1与空调末端11之间的换热介质循环；其中，地源热泵机组1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。

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。

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。

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。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1万元左右。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

针对现有技术中存在的上述不足，本实用新型的目的在于提供一种地源热泵空调系统的地埋管换热器结构，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，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。

为解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术手段：

一种地源热泵空调系统的地埋管换热器结构，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。

作为上述地源热泵空调系统的地埋管换热器结构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。

作为上述地源热泵空调系统的地埋管换热器结构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。

作为上述地源热泵空调系统的地埋管换热器结构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。

相比于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型地源热泵空调系统的地埋管换热器结构中，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。

2、本实用新型地源热泵空调系统的地埋管换热器结构中，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。

3、本实用新型地源热泵空调系统的地埋管换热器结构，从其管路自身结构的入手，通过结构的多方面改善和优化，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。

附图说明

图1为现有技术中地源热泵空调系统的结构示意图。

图2为本实用新型地源热泵空调系统的地埋管换热器结构中地埋进水管或地埋出水管一种管道结构的径向视图。

图3为图2所示管道结构的A-A剖视图。

图4为本实用新型地源热泵空调系统的地埋管换热器结构中地埋进水管或地埋出水管另一种管道结构的径向视图。

图5为图4所示管道结构的B-B剖视图。

图6为本实用新型地源热泵空调系统的地埋管换热器结构中U型弯管接头的剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步说明。

本实用新型提供了一种地源热泵空调系统的地埋管换热器结构，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。

本实用新型地源热泵空调系统的地埋管换热器结构的整体构造，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，本实用新型地埋管换热器结构中对地埋进水管、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。

本实用新型的地埋管换热器结构中，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1a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1b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，本实用新型地埋管换热器结构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Δt_m与传热系数 K 值的乘积为等式，计算式为Q=K·F·Δt_m。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，本实用新型的地埋管换热器结构中，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Δt_m一定的情况下，本实用新型地埋管换热器结构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。

为了证明本实用新型地埋管换热器结构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，本实用新型还进行了模拟实验加以验证。实验采用长、宽、高尺寸为1000mm×1000mm×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℃和50℃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。

表1、进水温度为35℃的各管出水温度：

表2、进水温度为50℃的各管出水温度：

通过上述对比，可以看到，在相同运行时间的情况下，2#管（纵向凹槽型）和3#管（螺旋凹槽型）比内壁光滑的1#管进出水温差更大，说明在相同的水流流速条件下，内壁设有纵向凹槽和螺旋凹槽的管道加大了管内壁与流体的对流换热强度，提高了换热效率；同时，2#管与3#管相比，在相同运行时间的情况下，3#管进出水温差大于2#管，说明在相同的水流流速条件下，内壁设有螺旋凹槽的管道比内壁设有纵向凹槽的管道的换热效率更高。该实验结果也印证了本实用新型上述对管道换热原理和换热效果的分析。同时，对于系统在低负荷工况下时，由于水泵变频，系统水流速相对减小（如0.3m/s），但在管道内壁螺旋凹槽的扰流作用下，其管内流体仍然处于紊流的状态，相对于较高流速的情况而言换热效果变化较小，从而增加了地埋管高效率换热流速区间，增强了管道对于管内流速的波动适应范围，减小了管道内流体流速对换热效率的影响。当然，从理论上讲，相比于设置纵向凹槽，设置螺旋凹槽的管道因为对流体存在扰流现象，流体在管道内的流动阻力会相应增加，进而带来一定程度的水泵功率及耗电量的增加。这就涉及到地源热泵空调系统整体的能效均衡问题，需要将本实用新型的地热管换热器具体应用到地源热泵空调系统中，再加以具体分析。但本实用新型地热管换热器对于换热性能的提升效果是非常明显的。

针对于现有技术的地埋管换热器中，U型弯管容易阻塞而影响地埋管换热器水流循环的整体流速，导致地热管换热器使用寿命短、系统阻力大、故障率高、换热效果较差的问题，在本实用新型的地埋管换热器结构中，采用了改进结构的U型弯管接头。如图6所示，该U型弯管接头20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21，这里的通径是指容置腔室允许水流流通的通道内径，容置腔室21的一侧通过进水通道24连通至U型弯管接头的进水端口22，另一侧通过出水通道25连通至U型弯管接头的出水端口23，容置腔室21的底面呈下凹的弧面，且容置腔室21底面上靠近出水通道25一侧具有一从容置腔室底面向上延伸的阻挡壁26；进水通道24和出水通道25之间位于容置腔室21上方的位置还设有连通通道27。本实用新型地埋管换热器结构中采用的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，该通径较大的容置腔室能够容纳更多的积累物而不被阻塞，并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，能够使得在容置腔室内积累下沉的积累物被阻挡壁阻挡，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；不仅如此，即便U型弯管接头的容置腔室水流不畅，从进水通道进入的水流依然可以通过连通通道流通至出水通道，更好地保证了地埋管换热器中水流循环畅通；由此，使得地埋管换热器更不易发生阻塞，能够具备更长的使用寿命，并很好地解决了因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。具体实施时，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，最好设计其纵向截面呈上小下大的三角形或梯形状，以确保其具备较强的抗压承受力，避免U型弯管接头的容置腔室内积累物较多、水流流速较快的情况下致使阻挡壁折而形成新的阻塞物。

由此可见，在自身结构因素对换热效率的影响方面，本实用新型的地埋管换热器结构通过对地埋进水管、地埋出水管以及U型弯管接头的结构改善，从地埋管换热器由进至出的流通通道中的多个环节上缓解了降低换热效率的促发因素，延长了地埋管换热器的使用寿命，增强了地埋管换热器的换热性能，从而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。将本实用新型的地埋管换热器结构应用在地源热泵空调系统中，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。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种地源热泵空调系统的地埋管换热器结构，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。

2.根据权利要求1所述地源热泵空调系统的地埋管换热器结构，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所述地源热泵空调系统的地埋管换热器结构，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所述地源热泵空调系统的地埋管换热器结构，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。