地埋管换热器及换热系统的制作方法

地埋管换热器及换热系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及地埋管换热器结构及强化换热技术，尤其涉及一种地埋管换热器及换热系统。
【背景技术】
[0002]地埋管换热器是利用地下土壤具有温度较为稳定的特性，通过深埋于建筑物周围土壤中的管路系统与土壤之间进行热交换的装置。土壤中的管路系统与建筑物内的管路系统内分别通有循环流体，在冬天，土壤作为热源，循环流体吸收土壤中的热量，通过热泵机组提供给建筑物进行供暖；在夏天，土壤作为冷源，循环流体吸收建筑物内的热量，通过热泵机组向土壤排放。与传统的燃煤、燃气供暖方式和空调制冷方式相比，地埋管换热器仅需要消耗少量的电能，即可达到相同的供暖或制冷效果，运行费用低，且不产生任何有害物质，节能环保。
[0003]目前，地埋管换热器主要包括至少两根地埋管，地埋管是竖直向下插入土壤中，两根地埋管的底部通过U形端头连接后形成U形结构。为了避免两根地埋管相互缠绕，在两根地埋管之间还设置有管卡，以保证地埋管之间的水平间距。沿着地埋管的深度方向上，每隔2m至4m设置一个管卡，用于将两根地埋管分隔开并使其相对位置固定。在地埋管和管卡安装完毕，回填土壤的过程中，由于管卡的横向阻隔，极容易导致其下方的土壤不能被压实，容易出现空气穴，增加了回填土壤的热阻，导致传热效果恶化。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型提供一种地埋管换热器及换热系统，用于提高土壤回填密实程度，提高传热效率。
[0005]本实用新型实施例提供一种地埋管换热器，包括:至少两根地埋管、连接两根地埋管底部的U形端头、以及用于固定至少两根地埋管的连接件；其中，每根地埋管的外表面设有延展臂，所述延展臂在所述地埋管中心线方向上的长度与地埋管的长度相等；所述延展臂中远离所述地埋管的端部设有第一卡接部，所述连接件上设有至少两个用于与所述第一卡接部连接的第二卡接部。
[0006]如上所述的地埋管换热器，所述第一卡接部在垂直于所述地埋管中心线的平面上的投影为T字形，所述第二卡接部为T形槽。
[0007]如上所述的地埋管换热器，所述第一卡接部在垂直于所述地埋管中心线的平面上的投影为燕尾形，所述第二卡接部为燕尾槽。
[0008]如上所述的地埋管换热器，所述延展臂的数量为两个，两个所述延展臂以所述地埋管的中心线轴对称。
[0009]如上所述的地埋管换热器，所述第二卡接部的数量为两个。
[0010]如上所述的地埋管换热器，所述第二卡接部的数量为四个。
[0011]如上所述的地埋管换热器，所述地埋管的数量为四根，四根地埋管中的第一卡接部分别与所述连接件中的四个第二卡接部相连。
[0012]如上所述的地埋管换热器，所述地埋管包括聚乙烯层和金属层，所述聚乙烯层在所述金属层的外侧。
[0013]如上所述的地埋管换热器，所述金属层的内表面设有螺纹肋条。
[0014]本实用新型实施例还提供一种换热系统，包括:建筑物内部换热器、热泵以及如上所述的地埋管换热器，所述地埋管换热器深埋在建筑物附近的土壤内；所述地埋管换热器中地埋管的顶端经进液管和出液管与热泵的一端相连，所述热泵的另一端与所述建筑物内部换热器相连。
[0015]本实用新型实施例提供的技术方案通过在每个地埋管的外表面设置延展臂，且在延展臂中远离地埋管的端部设置第一卡接部，并采用具有能够与第一卡接部卡紧连接的第二卡接部的连接件将至少两根地埋管固定连接，避免地埋管在施工下管时相互缠绕。而且，延展臂在地埋管中心线方向上的长度与地埋管的长度是相等的，实现竖直方向上无阻隔，因此，在进行土壤回填的过程中，地埋管的周围的土壤都可以被压实，提高了回填土壤的密实程度，避免了空气穴的产生，降低了回填土壤的热阻，提高了传热效率。并且，与现有技术需采用多个管卡的方式而言，本实施例提供的技术方案能够降低施工难度。
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型实施例提供的地埋管换热器的俯视剖面图；
[0017]图2为图1的主视图；
[0018]图3为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中地埋管的俯视剖面图；
[0019]图4为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中地埋管的主视剖面图；
[0020]图5为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中一种连接件的俯视图；
[0021]图6为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中另一种连接件的俯视图；
[0022]图7为本实用新型实施例提供的又一种地埋管换热器的俯视剖面图；
[0023]图8为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图；
[0024]图9为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图；
[0025]图10为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图；
[0026]图11为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图；
[0027]图12为本实用新型实施例提供的各组地埋管并联的结构示意图；
[0028]图13为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中另一种连接件的俯视图；
[0029]图14为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图；
[0030]图15为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中另一种连接件的俯视图；
[0031]图16为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中另一种连接件的俯视图；
[0032]图17为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器中地埋管的俯视剖面图；
[0033]图18为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图；
[0034]图19为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中另一种连接件的俯视图；
[0035]图20为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图；
[0036]图21为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器中地埋管的主视剖面图；
[0037]图22为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器中地埋管的主视剖面图；
[0038]图23为本实用新型实施例提供的地埋管换热器的传热计算模型示意图。
【具体实施方式】
[0039]图1为本实用新型实施例提供的地埋管换热器的俯视剖面图，图2为图1的主视图。如图1和图2所示，本实施例提供的地埋管换热器包括:至少两根地埋管1、连接两根地埋管I底部的U形端头2、以及用于固定至少两根地埋管I的连接件3。采用U形端头2将两根地埋管连接起来，形成一组U形结构，循环流体可在两根地埋管I和U形端头2中流动，循环流体可以为水或其它液体。两根地埋管的上端分别与进液管4和出液管5相连，进液管4和出液管5与热泵的一端相连，热泵的另一端与建筑物管路系统连接，以在地埋管换热器与建筑物管路系统之间进行热量传递。
[0040]其中，每根地埋管I的外表面设有延展臂11，延展臂11在地埋管I中心线方向上的长度与地埋管I的长度相等，地埋管I可以为圆筒形，则地埋管I的中心线即为地埋管I的轴线。从图2中看，在地埋管I的轴线方向上，延展臂11的上端面与地埋管I的上端面齐平，延展臂11的下端面与地埋管I的下端面齐平。
[0041]延展臂11可以与地埋管I为一体成形，也可以为独立的部件与地埋管I固定连接。
[0042]图1中的延展臂11中远离地埋管I的端部设有第一卡接部12，图5为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中一种连接件的俯视图，如图5所示，在连接件3上设有至少两个用于与第一卡接部1 2连接的第二卡接部31。第一卡接部12与第二卡接部31的结构是相互匹配的，使得第一卡接部12能够与第二卡接部31卡紧连接。连接件3上设置有至少两个第二卡接部31，则意味着一个连接件3能够连接至少两个地埋管I。连接件3的长度可以与地埋管I的长度相同，第二卡接部31在地埋管I中心线方向上的长度与连接件3的长度相同。
[0043]第一卡接部12和第二卡接部31的结构可以设置为多种形式，图3为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中地埋管的俯视剖面图，图4为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中地埋管的主视剖面图。图3和图4示出了第一卡接部12的一种形式，即:第一卡接部12在垂直于地埋管I中心线的平面上的投影为T字形结构。对应的，图5中的第二卡接部31为T型槽结构，T形槽的长度方向与地埋管I的中心线平行。T字形结构的第一卡接部12能够沿着地埋管I中心线的方向插入T型槽结构的第二卡接部31中，限制了第一卡接部12在垂直于地埋管I中心线的平面内的移动。
[0044]另外，在地埋管I中心线的方向上，第一^^接部12的长度也与地埋管I的长度相等，即:第一卡接部12的上端面与地埋管I的上端面齐平，第一卡接部12的下端面与地埋管I的下端面齐平。在地埋管I与连接件3安装的过程中，在竖直方向上，将连接件3中的两个第二卡接部31从上至下分别与两个地埋管I中的第一卡接部12插接。通过图5所示的连接件将图3和图4所示的两根地埋管I固定连接之后的结构可参照图1和图2，图1所示的地埋管换热器也可以称为单U形换热器。
[0045]本实用新型实施例提供的技术方案通过在每个地埋管的外表面设置延展臂，且在延展臂中远离地埋管的端部设置第一卡接部，并采用具有能够与第一卡接部卡紧连接的第二卡接部的连接件将至少两根地埋管固定连接，避免地埋管在施工下管时相互缠绕。而且，延展臂在地埋管中心线方向上的长度与地埋管的长度是相等的，实现竖直方向上无阻隔，因此，在进行土壤回填的过程中，地埋管的周围的土壤都可以被压实，提高了回填土壤的密实程度，避免了空气穴的产生，降低了回填土壤的热阻，提高了传热效率。并且，与现有技术需采用多个管卡的方式而言，本实施例提供的技术方案能够降低施工难度。
[0046]图6为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中另一种连接件的俯视图。除了可以采用图5所示的连接件3之外，还可以采用如图6所示的结构，连接件3上设置有四个第二卡接部31，则意味着一个连接件3能够连接四个地埋管1，如图7所示，图7为本实用新型实施例提供的又一种地埋管换热器的俯视剖面图。图7中，包括四根地埋管1，各地埋管I的第一卡接部12分别与图6所示的具有四个第二卡接部31的卡接件3相连，使得四根地埋管I固定在一起，形成十字形结构。另外，图7中，任意两根地埋管I的底部通过U形端头2连接，形成双U形换热器，其中，通过U形端头2连接的两根地埋管I作为一组，两组之间各自与进液管4和出液管5相连，相当于两组之间并联。
[0047]对于上述方案中提到的地埋管I的结构，可以在地埋管I的外表面设置两个延展臂11，并且两个延展臂11以地埋管I的中心线轴对称，如图3和图4所示的结构。因此，本实施例提供的连接件和地埋管具有良好的可拓展性，例如采用图5和图6所示的两种连接件相结合，又可以组合得到其它形式的地埋管换热器。另外，地埋管I外表面设置的延展臂11的数量也可以为一个、三个或大于三个，具有不同数量延展臂11的多个地埋管I又可以组成多种结构的地埋管换热器。
[0048]图8为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图。如图8所示，地埋管换热器包括6根地埋管，其中，四根地埋管I通过图6所示的具有四个第二卡接部31的连接件3连接在一起，其中，相对的两根地埋管I分别又采用图5所示的具有两个第二卡接部31的连接件3与另外的两根地埋管I连接在一起。图8中，任意两根地埋管I的底部通过U形端头2连接，形成三U形换热器，其中，通过U形端头2连接的两根地埋管I作为一组回路，图8中共有三组回路，三组回路之间各自与进液管4和出液管5相连，相当于三组回路之间并联。
[0049]图9为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图。如图9所示，地埋管换热器包括8根地埋管，在图8的基础上，中间四根地埋管I中的另外两根也分别通过图5所示的具有两个第二卡接部31的连接件3与两位的两根地埋管I连接在一起。图9中，任意两根地埋管I的底部通过U形端头2连接，形成四U形换热器，其中，通过U形端头2连接的两根地埋管I作为一组回路，图9中共有四组回路，四组回路之间各自与进液管4和出液管5相连，相当于四组回路之间并联。
[0050]图10为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图。如图10所示，地埋管换热器包括四根地埋管1，通过图6所示的具有四个第二卡接部31的连接件3顺次连接成回字形。图10中，任意两根地埋管I的底部通过U形端头2连接，其中，通过U形端头2连接的两根地埋管I作为一组回路，图10中共有两组回路，两组回路之间各自与进液管4和出液管5相连，相当于两组回路之间并联。
[0051]图11为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图。如图11所示，地埋管换热器包括十二根地埋管1，采用图6所示的具有四个第二卡接部31的连接件3进行连接，形成图11所示的结构。图11中，任意两根地埋管I的底部通过U形端头2连接，形成井字形换热器，其中，通过U形端头2连接的两根地埋管I作为一组回路，图11中共有六组回路，六组回路之间各自与进液管4和出液管5相连，相当于六组回路之间并联。
[0052]各组回路之间的并联关系可参照图12，图12为本实用新型实施例提供的各组地埋管并联的结构示意图。每组回路中，两根地埋管I的上端分别与进液管4和出液管5相连，进液管4进一步与循环流体的供液管6相连，出液管5进一步与循环流体的回液管7相连。循环流体供液管6和循环流体回液管7分别连接至热泵的一端，与热泵的一端形成循环回路。循环流体从供液管6流经各个地埋管1，与土壤进行热交换之后，汇集至回液管7，完成地源测热交换过程。图12中，虚线所示的结构为地埋孔8，在地埋管安装的过程中，首先要在地下挖凿出地埋孔8，然后将地埋管I放入地埋孔8中，再向地埋孔8中回填土壤或其它回填材料。
[0053]除了上述几种连接方式之外，技术人员还可以设计其它的连接方式，采用上述地埋管I和连接件3能够形成多种回路，使得本实施例提供的地埋管换热器具有优异的拓展性，能够更加灵活的适应各种施工现场的要求。
[0054]图13为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中另一种连接件的俯视图。在上述技术方案的基础上，上述连接件3除了可以采用图5或图6所示的结构之外，技术人员也可以设计其它方式，例如采用图13的方式，连接件3的中间为空心结构，空心结构的四周设置对称的四个第二卡接部31。采用图13所示的连接件3，可以固定四个地埋管1，如图14所示，图14为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图。
[0055]图15为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中另一种连接件的俯视图。连接件3还可以设置为如图15所示的结构，中间不设置空心结构，而是实心结构。连接件3中实心结构的四周设置对称的四个第二卡接部31，可以固定四根地埋管I。
[0056]图16为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中另一种连接件的俯视图。如图16所示，连接件3还可以设置为如图16所示的结构，连接件3设置有两个第二卡接部31，且两个第二卡接部31均为燕尾槽，燕尾槽的长度方向与地埋管I的中心线平行。对应的，地埋管I中的第一卡接部12在垂直于地埋管I中心线 的平面上的投影为燕尾形，第一卡接部12的长度方向与地埋管I的中心线平行。燕尾形结构的第一卡接部12能够沿着地埋管I中心线的方向插入燕尾槽中。如图17所示，图17为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中地埋管的俯视剖面图。采用图16所示的连接件3可以将两个图17所示的地埋管I固定连接，连接之后的结构可参照图18，图18为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图。
[0057]图19为本实用新型实施例提供的地埋管换热器中另一种连接件的俯视图。如图19所示，连接件3中还可以设置四个第二卡接部31，且四个第二卡接部31均为燕尾槽。则该连接件3可以同时固定连接四个地埋管1，如图20所示，图20为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器的俯视剖面图。
[0058]在上述技术方案的基础上，本实施例还对地埋管I的结构做了进一步的改进，如图3所示，地埋管I具体可以包括聚乙烯层13和金属层14两层结构，其中，聚乙烯层13在金属层14的外侧。
[0059]由于聚乙烯材料具有防腐性好，柔韧性强，不易扭曲破裂且方便施工等优点，因此，将聚乙烯层设置在外侧，能够提高地埋管的耐磨性及耐腐蚀性，延长使用寿命。而金属层的导热性较好，且强度较高，设置在内侧，可以在保证地埋管强度的前提下，降低聚乙烯层的厚度，降低了地埋管整体的热阻，进一步提高换热效率。
[0060]为了进一步提高地埋管的传热效率，还可以在金属层14的内表面设置螺纹肋条15，由金属制成，如图4所示。设置螺纹肋条15的好处在于还能够增加循环流体在地埋管I中的扰动，实现紊流状态，提高对流换热系数，进一步降低传热热阻。
[0061]图21为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器中地埋管的主视剖面图，图22为本实用新型实施例提供的另一种地埋管换热器中地埋管的主视剖面图。除了螺纹肋条15之外，技术人员还可以设置其它形式，如图21或22所示，图21中，金属层14的内表面设置锯齿状肋条16。图22中，金属层14的内表面设置网格状肋条17。
[0062]采用上述地埋管换热器埋入土壤中，热量交换中的热阻有如下几项:土壤层热阻Rs,回填材料热阻Rg，地埋管管壁导热热阻Rpm以及地埋管内侧管壁的对流热阻Rf，热阻的单位为m.°C /W。
[0063]图23为本实用新型实施例提供的地埋管换热器的传热计算模型示意图。对于上述地埋管换热器，可建立传热计算模型，如图23所示，图中，Ts为地埋管换热器周围土壤的初始温度，Tb为地埋井井壁的平均温度，Tg为回填材料的平均温度，Tf为地埋管换热器内循环流体的进出液体的平均温度。
[0064]则遵照《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005 (2009版)中的计算方法，由于本实施例中的地埋管换热器采用外层聚乙烯内层金属的复合管材，能够降低地埋管管壁导热热阻Rpm。另外，由于金属层内表面加设金属制成的螺纹肋条，可以促进循环流体较容易处于紊流状态，增加换热面积，因此还能够降低地埋管内侧管壁的对流热阻Rf。地埋管之间采用连接件插接，有效保证了回填密实性，避免了空气穴产生，降低了回填材料热阻Rgo并且由于采用插接结构，有效地避免了热短路，使得地埋管的换热效果更好，提高换热效率，与现有技术中同管径的常规主流地埋管相比，本实施例提供的地埋管换热器的换热能力至少提尚5%。
[0065]另外，本实施例还提供一种换热系统，包括:布设在建筑物内的建筑物内部换热器、热泵以及如上任意一种地埋管换热器，其中，地埋管换热器深埋在建筑物附近的土壤内，地埋管换热器中地埋管的顶端经进液管和出液管与热泵的一端相连，热泵的另一端与建筑物内部换热器相连。
[0066]该换热系统通过采用上述地埋管换热器，在每个地埋管的外表面设置延展臂，且在延展臂中远离地埋管的端部设置第一卡接部，并采用具有能够与第一卡接部卡紧连接的第二卡接部的连接件将至少两根地埋管固定连接，避免地埋管在施工下管时相互缠绕。而且，延展臂在地埋管中心线方向上的长度与地埋管的长度是相等的，实现竖直方向上无阻隔，因此，在进行土壤回填的过程中，地埋管的周围的土壤都可以被压实，提高了回填土壤的密实程度，避免了空气穴的产生，降低了回填土壤的热阻，提高了传热效率。并且，与现有技术需采用多个管卡的方式而言，本实施例提供的技术方案能够降低施工难度。
[0067]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
【主权项】
1.一种地埋管换热器，其特征在于，包括:至少两根地埋管、连接两根地埋管底部的U形端头、以及用于固定至少两根地埋管的连接件；其中，每根地埋管的外表面设有延展臂，所述延展臂在所述地埋管中心线方向上的长度与地埋管的长度相等；所述延展臂中远离所述地埋管的端部设有第一卡接部，所述连接件上设有至少两个用于与所述第一卡接部连接的第二卡接部。
2.根据权利要求1所述的地埋管换热器，其特征在于，所述第一卡接部在垂直于所述地埋管中心线的平面上的投影为T字形，所述第二卡接部为T形槽。
3.根据权利要求1所述的地埋管换热器，其特征在于，所述第一卡接部在垂直于所述地埋管中心线的平面上的投影为燕尾形，所述第二卡接部为燕尾槽。
4.根据权利要求2或3所述的地埋管换热器，其特征在于，所述延展臂的数量为两个，两个所述延展臂以所述地埋管的中心线轴对称。
5.根据权利要求2或3所述的地埋管换热器，其特征在于，所述第二卡接部的数量为两个。
6.根据权利要求2或3所述的地埋管换热器，其特征在于，所述第二卡接部的数量为四个。
7.根据权利要求6所述的地埋管换热器，其特征在于，所述地埋管的数量为四根，四根地埋管中的第一卡接部分别与所述连接件中的四个第二卡接部相连。
8.根据权利要求1所述的地埋管换热器，其特征在于，所述地埋管包括聚乙烯层和金属层，所述聚乙烯层在所述金属层的外侧。
9.根据权利要求8所述的地埋管换热器，其特征在于，所述金属层的内表面设有螺纹肋条。
10.一种换热系统，其特征在于，包括:建筑物内部换热器、热泵以及如权利要求1-9任一项所述的地埋管换热器，所述地埋管换热器深埋在建筑物附近的土壤内；所述地埋管换热器中地埋管的顶端经进液管和出液管出与热泵的一端相连，所述热泵的另一端与所述建筑物内部换热器相连。
【专利摘要】本实用新型提供一种地埋管换热器及换热系统，其中，地埋管换热器包括：至少两根地埋管、连接两根地埋管底部的U形端头、以及用于固定至少两根地埋管的连接件；其中，每根地埋管的外表面设有延展臂，所述延展臂在所述地埋管中心线方向上的长度与地埋管的长度相等；所述延展臂中远离所述地埋管的端部设有第一卡接部，所述连接件上设有至少两个用于与所述第一卡接部连接的第二卡接部。本实用新型提供的地埋管换热器及换热系统能够提高土壤回填密实程度，提高传热效率,同时具有良好的拓展性，可以适应多种施工环境需求。
【IPC分类】F24J3-08, F25B30-06
【公开号】CN204612250
【申请号】CN201520300388
【发明人】徐伟, 杨灵艳
【申请人】中国建筑科学研究院
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月11日