一种螺旋式地埋管换热器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种螺旋式地埋管换热器，其通过对地埋进水管、地埋出水管与管卡的结构改进，改变了管卡与地埋进水管、地埋出水管的连接方式，进而改变地埋进水管和地埋出水管的排布方式，来解决因进水、出水侧周围的温度分布不均衡导致换热效率降低的问题，从管路排布环节上缓解了降低换热效率的促发因素，增强了地埋管换热器的换热性能，提高了其管内水流与地热资源之间的换热效率。将本实用新型的螺旋式地埋管换热器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，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能效较低、节能效益不显著等问题。
【专利说明】一种螺旋式地埋管换热器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及空调及供热【技术领域】，具体涉及一种螺旋式地埋管换热器。
【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。而地埋进水管和地埋出水管的排布方式，对地埋管换热器的换热效率存在相当的影响。例如在夏季运行工况下，地埋进水管的水温变化较大、温度较高，较高的地埋管进水温度通过地埋进水管后由于放热，温度下降，再进入地埋回水管后，由于水温较低，地埋回水管内水温与土壤温度温差较小，放热较为微弱；因此，现有地埋管换热器中地埋进水管和地埋出水管的并行排布方式，其换热主要集中在地埋进水管一侧，而若长期运行，地埋进水管一侧附近的土壤也容易随着换热的进行而升温，而地埋进水管一侧的土壤因集中受热，其吸收的热量又难以有效的得以迅速扩散，导致地埋进水管一侧的水温与土壤温差减小，换热效率降低。通过模拟实验，经过流体力学计算Fluentl4.5计算模拟，建立出具有竖直双U型地埋管群的地埋管换热器与土壤的三维换热模型。土壤长X宽X深设为25mX20mX100m，为了能够分层设置土壤初始温度，将土壤竖向由浅至深划分为9块，分别为0-5m、5-10m、10-20m、20-30m、30-60m、60-70m、70-80m、80-90m以及90_100m。钻孔共设置12 口，钻孔直径130mm，每孔间距5m。双U型地埋管设定为外径为32mm、壁厚为3mm的PE管,每组进出水管的中心间距为70mm,图2为所建的地埋管换热器三维换热模型的模型示意图。通过模拟其在夏季运行工况下运行之后，测量地埋管换热器周围土壤的温度分布情况；图3示出了在地埋管换热器中一组进、回水管道位置处在垂直剖面上的温度分布图，图4示出了在地埋管换热器管道10米埋深位置处水平剖面上的温度分布图；从图3可以看出，左侧为地埋管进水管，右侧为地埋管出水管，可以得到整个垂直方向上，地埋管进水管周围的土壤温度明显高于回水管周围土壤温度；从图4同一埋深高度下双U埋管土壤温度分布情况可以看出，双U供水管土壤温度呈现较高的趋势。综合水平和竖直方向温度分布情况，可以看出，地埋管换热器的进水、出水两侧呈现明显的温度分布不均衡的情况，进水侧周围的土壤温度明显较高。由此证明了现有技术的地埋管换热器中地埋进水管和地埋出水管的排布方式存在受热分布不均、换热效率较低的问题。在冬季运行工况下，情况亦然，地埋回水管一侧换热较为微弱，而地埋进水管一侧的土壤因长时间集中受冷，其吸收的冷量难以迅速扩散，导致地埋进水管一侧的水温与土壤温差减小，换热效率降低。由此便使得地埋管换热器进水、出水侧周围的温度分布不均衡，长时间运行导致进水、出水侧换热效率都较低的情况，影响地埋管换换热器的换热效果，最终带来地源热泵空调系统能耗高，节能效益不显著等问题。
【发明内容】
[0008]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螺旋式地埋管换热器，以通过结构改善，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，本实用新型采用了如下的技术手段:
[0010]一种螺旋式地埋管换热器，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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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。
[0014]作为上述螺旋式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。
[0015]相比于现有技术，本实用新型具有以下有益效果:
[0016]1、本实用新型的螺旋式地埋管换热器中，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]2、本实用新型的螺旋式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]3、本实用新型的螺旋式地埋管换热器，从其管路与地热资源的交互因素入手，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，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。
[0021]图3为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。
[0022]图4为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。
[0023]图5为本实用新型螺旋式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。
[0024]图6为本实用新型螺旋式地埋管换热器中的管卡结构示意图。
[0025]图7为本实用新型螺旋式地埋管换热器的双螺旋结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]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。
[0027]本实用新型提供了一种螺旋式地埋管换热器，其通过结构优化，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。
[0028]本实用新型的螺旋式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，针对于现有地埋管换热器进水、出水侧周围的温度分布不均衡，长时间运行导致进水、出水侧换热效率都较低，影响地埋管换换热器的换热效果的问题，本实用新型的螺旋式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，来改变地埋进水管和地埋出水管的排布方式。
[0029]本实用新型的螺旋式地埋管换热器中，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；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。具体举例而言，如图5所示，左侧的地埋进水管沿其周向每间隔90°相位角分别标记为A、B、C、D四个相位方向，右侧的地埋出水管沿其周向每间隔90°相位角分别标记为1、2、3、4四个相位方向；而沿地埋进水管的管道延伸方向，在地埋进水管外壁的A、B、C、D四个相位方向上分别等间隔地存在“ A3, B1,B2> B3, C1, C2, C3以及Dp D2, D3等位置，相应地，沿地埋出水管的管道延伸方向，在地埋出水管的1、2、3、4四个相位方向上分别等间隔地存在以及4p42、43等位置；进水管固定槽在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，即三个相邻的进水管固定槽可以设置在左侧地埋进水管的Ap A2、A3位置；而出水管固定槽在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，且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，即三个相邻的出水管固定槽可以设置在右侧地埋出水管的3p42、l3位置。而管卡的结构如图6所示，本实用新型螺旋式地埋管换热器中所采用的管卡30具有能够套接在地埋进水管上的第一固定环31、能够套设在地埋出水管上的第二固定环32、以及连接所述第一固定环和第二固定环的间隔环33 ;第一固定环31和第二固定环32分别连接在间隔环33上相对的两侧，且第一固定环31与间隔环33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34，第二固定环32与间隔环33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35。具体设计时，管卡30的第一固定环31和第二固定环32远离间隔环33的一侧还可以设有固定环开口，在固定环开口的两侧分别设置能够相互扣接的卡孔36和卡扣37，从而使得第一固定环31和第二固定32环能够从固定环开口处分别套接在地埋进水管、地埋出水管外侧后，再通过固定环开口两侧的卡孔35和卡扣37相互扣接套紧，从而更便于将套管更方便、快捷地安装在地埋进水管、地埋出水管之间。由此，如图7所示，本实用新型的螺旋式地埋管换热器中，地埋进水管11和地埋出水管12之间通过若干个管卡30相互固定，地埋进水管11和地埋出水管12的下端通过U型弯管接头20相连通；其中，每个管卡30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30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11外壁和地埋出水管12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11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12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30的固定作用下，使得地埋进水管11和地埋出水管12相互扭转形成双螺旋分布。双螺旋分布的地埋进水管和地埋出水管，使得地埋进水管和地埋出水管在地埋土壤中的分布情况相互交错，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。
[0030]由此可见，在与地热资源交互的因素对换热效率的影响方面，本实用新型的螺旋式地埋管换热器通过对地埋进水管、地埋出水管与管卡的结构改进，改变了管卡与地埋进水管、地埋出水管的连接方式，进而改变地埋进水管和地埋出水管的排布方式，来解决因进水、出水侧周围的温度分布不均衡导致换热效率降低的问题，从管路排布环节上缓解了降低换热效率的促发因素，增强了地埋管换热器的换热性能，提高了其管内水流与地热资源之间的换热效率。将本实用新型的螺旋式地埋管换热器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，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能效较低、节能效益不显著等问题。
[0031]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。
【权利要求】
1.一种螺旋式地埋管换热器，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所述螺旋式地埋管换热器，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】F25B30/06GK203928228SQ201420267480
【公开日】2014年11月5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