专利名称：地源热泵竖埋管换热器技术的制作方法
技术领域：
本发明为地源热泵竖埋管换热器技术，属于能源、材料和空调技术领域。
背景技术：
地下埋管换热的地源热泵系统，被称为21世纪的一项以节能和环保为特征的最 具有发展前途的空调技术，竖埋管换热器是最普遍最常用的形式。地源热泵竖埋管换热器， 是地源热泵的核心，是地源热泵的冷热源获取效率所在。不仅决定着机组系统的能效，而且 决定地下岩土能量的利用率。进而决定了初投资和运行费用。地源热泵地下各部分的换热 热阻是这个问题的根本，地下岩土体在钻孔以外的热阻几乎无法改变，我们可以控制可改 变是钻孔内热阻部分的大小。根据研究表明，(目前技术情况下)通常钻孔内热阻占地下 换热器热阻的一半，哪么地源热泵竖埋管换热器的技术成熟程度就取决于钻孔内热阻的最 小化程度。本技术即是本着这一目标而产生。目前的钻孔1内技术有，钻孔1内进出水管2、3采用导热性能较好的高分子材料 (HDPE)，尽可能增大埋管间距采用地热弹簧分管，提高钻孔1内的回填材料4的导热性能， 采用导热性较好的沙土配方。提高钻孔1内的回填材料4的导热性能，采用膨润土、沙石等 混合，据报道国外最高能达到2-3W/M *S，但配比复杂，操作不易。常规回填材料4的导热系 数在1. Off/M *S。虽然HDPE管道材料的导热系数在高分子材料中是高的，但也只有0. 45W/ M *S，对换热来说仍然是采用的不良热导体，其所占地下换热总热阻的比例也不小。但同时 竖埋管换热存在进出水管2、3的热回流，或叫热短路，随着管材和回填材料4导热性能的增 加将加大。因此这是一对矛盾的问题，从理论计算来看，如果在现有的钻孔内材料的导热系 数提高一倍，但带来的换热结果却并不一定会增加。目前工程应用中竖埋管埋深在40-120 米之间，随着埋管埋深的增加，热回流问题会加重，因此，对于深埋管来说避免热回流问题 更为重要。发明内容及
具体实施例方式基于现在地源热泵竖埋管换热器技术目前的现状，本发明内容概括为一方面加 入导热助剂增大钻孔内换热管材及回填材料4的导热性能，使用袋式布管器，充分合理布 管使埋管的当量直径尽可能大；另一方面采用绝热管材减小存在热回流管道的传热性能， 减小热回流。具体内如下竖埋管换热器的进水管2、出水管3中两者之一(而且只有其一)的部分管段或全 部管段采用导热系数小于0. 3W/M · S的可热熔接的复合材料管道或复合结构管道。竖埋 管换热器的进水管2、出水管3中两者之一(而且只有其一)采用导热系数大于0. 5W/M.S 的可热熔接的复合材料管道。钻孔回填材料4是采用石墨或导热碳黑两者中至少一种的 质量含量为0. 1_5%，其它成份中包含沙或石的材料；或者采用质量份数为0. 1-50%的石 墨粉末或导热碳黑，与粘合材料(例如水泥)、沙或细石子混合后造粒，再用这种颗粒材料 或与其它材料的混合材料。地源热泵竖埋管换热器还包括袋式布管器5，使U型管或蛛状管 的换热管道与袋式布管器通长均勻附着，采用袋式布管器布管使竖埋管充分均勻分开，且袋式布管器的断面周长大于地埋管钻孔断面周长1-20% ；钻孔回填材料4回填在袋式布管 器5内。导热系数小于0. 3W/M-S的可热熔接的复合材料管道，其实现方式之一是PE材料 与导热系数较小的材料复合，如与PVC材料复合，并在管道接头热熔接处采用HDPE高含量 管段；或者管道外侧采用HDPE内侧采用低导热性高分子材料。包含保温绝热结构使管道 材料总体的当量导热系数小于0. 3W/M-S且可热熔接的复合结构管道，其实现方式之一是 管道的内外侧为承力高分子材料，其中外侧为可热熔接高分子材料，中间通过肋来连接和 支撑，肋可以为横肋、竖肋、斜肋或网状肋，肋之间为保温材料或气体。导热系数大于0.5W/ M · S的可热熔接的复合材料管道，其实现方式之一是采用可热熔接的高分子材料与导热 性良好的纳米氮化铝或石墨或石墨化碳黑或碳纤维其中至少一种材料复合而成的材料，纳 米氮化铝或石墨或石墨化碳黑的质量含量在0. 01-10%之间。包含强化传热结构的使管道 材料总体的当量导热系数大于0. 5W/M-S且可热熔接的复合结构管道，其实现方式之一是 可热熔接的高分子材料与网状铝纤维或铜纤维或碳纤维三者中至少一种材料构成的管道。 袋式布管器5材料是导热系数大于1. 5W/M · S的织物或导热系数大于1. 5W/M · S的高分子 复合材料薄膜。袋式布管器5为网状形式，网孔大小应满足80%以上回填材料不能通过。钻 孔回填材料4的一种具体实施方案是石墨(质量份数1_10%)、水泥(质量份数1_30%)、 水与沙(或石子)混合造粒，保证造粒的颗粒的密度大于水，再与石墨粉末、水泥、水混合后 回填入钻孔1。原理竖埋管换热器的进水管2、出水管3中两者之一(而且只有其一)的部分管段或全 部管段采用导热系数小于0. 3W/M · S的可热熔接的复合材料管道或复合结构管道。其原 理为当提高钻孔回填材料4的导热性能，竖埋管换热器的进水管2、出水管3间的热回流 程度将增加，为了避免热回流，需.要在热回流严重的管段采用保温绝热管道，但目前应用 的可热熔接的高分子管道的导热系数在0. 3-0. 5W/M-S之间，因此这里提出采用可热熔接 的复合材料管道或复合结构管道来达到导热系数小于0. 3W/M *S。进水管2、出水管3中两 者只能有一根为低导致热性管道，而另一根必需为导热性良好的管道。这也是进水管2、出 水管3中两者之一(而且只有其一)采用导热系数大于0. 5W/M · S可热熔接的复合材料 管道或复合结构管道的道理。石墨或导热碳黑，因其良好的导热性能，而且廉价丰富，少量的加入就能达到材料 整体高的导热性能，因此在回填材料4中提出采用石墨或导热碳黑作为成份。但同时其比 重较小，因此不能含量过大，否则会因比重过轻而难以回填。这里提出用其与水泥、沙子、石 子混合造粒，并保证造粒比重大于水，是为了回填材料能够顺利地、有效地回填入钻孔。袋式布管器5是为了保证竖埋换热管道能均勻且紧贴钻孔1布置。根据理论研 究，当多根换热管道尽可能分散布置时，当量管道直径最大，热回流最小，这时的换热能力 最强。
附图是地源热泵竖埋管换热器技术的典型实施方案的示意图。附图标记1_钻孔2-进水管(或出水管)3-出水管(或进水管)4-钻孔回填材料5-袋式布管器
权利要求
地源热泵竖埋管换热器技术，地源热泵竖埋管换热器包括地源热泵地下钻孔、钻孔内埋管和钻孔回填材料，其特征在于地源热泵竖埋管换热器技术至少包括以下四项技术特征之一技术特征一当竖埋管换热器的埋管形式为U型管或蛛状管(即多根分支管与一根集管相连)时，其进水管、出水管中两者之一(而且只有其一)的部分管段或全部管段采用导热系数小于0.3W/M·S的可热熔接的复合材料管道；或采用包含保温绝热结构使管道材料总体的当量导热系数小于0.3W/M·S且可热熔接的复合结构管道。当竖埋管换热器的埋管形式为套管或螺旋管形式时，内管采用导热系数小于0.3W/M·S的可热熔接的复合材料管道；或采用包含保温绝热结构使管道材料总体的当量导热系数小于0.3W/M·S且可热熔接的复合结构管道。技术特征二，当竖埋管换热器的埋管形式为U型管或蛛状管(即多根分支管与一根集管相连)时，进水管、出水管两者之一(而且只有其一)采用导热系数大于0.5W/M·S的可热熔接的复合材料管道；或采用包含强化传热结构的使管道材料总体的当量导热系数大于0.5W/M·S且可热熔接的复合结构管道。当竖埋管换热器的埋管形式为套管或螺旋管形式时，外管采用导热系数大于0.5W/M·S的可热熔接的复合材料管道；或采用包含强化传热结构的使管道材料总体的当量导热系数大于0.5W/M·S且可热熔接的复合结构管道。技术特征三，钻孔回填材料是采用石墨或导热碳黑两者中至少一种的质量含量为0.1-5％，其它成份中包含沙或石的材料；或者采用质量份数为0.1-50％的石墨粉末或导热碳黑，与粘合材料(例如水泥)、土或沙或细石或其它含矿颗粒混合后造粒，再用这种颗粒材料或与其它材料的混合材料。技术特征四，地源热泵竖埋管换热器还包括袋式布管器。袋式布管器为柔软的袋状外套，使U型管或蛛状管的换热管道与袋式布管器通长均匀附着，且袋式布管器的断面周长大于地埋管钻孔断面周长1-20％；钻孔回填材料回填在袋式布管器内。
2.根据权利要求1所述的地源热泵竖埋管换热器技术，导热系数小于0.3W/M · S的可 热熔接的复合材料管道，其实现方式之一是PE材料与导热系数较小的材料复合，如与PVC 材料复合，并在管道接头热熔接处采用HDPE高含量管段；或者管道外侧采用HDPE内侧采用 低导热性高分子材料。
3.根据权利要求1所述的地源热泵竖埋管换热器技术，包含保温绝热结构使管道材料 总体的当量导热系数小于0. 3W/M-S且可热熔接的复合结构管道，其实现方式之一是管道 的内外侧为承力高分子材料，其中外侧为可热熔接高分子材料，中间通过肋来连接和支撑 内外层，肋可以为横肋、竖肋、斜肋或网状肋，肋之间为保温材料或气体。
4.根据权利要求1所述的地源热泵竖埋管换热器技术，导热系数大于0.5W/M · S的可 热熔接的复合材料管道，其实现方式之一是采用可热熔接的高分子材料与导热性良好的 纳米氮化铝或石墨或石墨化碳黑或碳纤维其中至少一种材料复合而成的材料，纳米氮化铝 或石墨或石墨化碳黑的质量含量在0. 01-10%之间。
5.根据权利要求1所述的地源热泵竖埋管换热器技术，包含强化传热结构的使管道材 料总体的当量导热系数大于0. 5W/M*S且可热熔接的复合结构管道，其实现方式之一是可 热熔接的高分子材料与网状铝纤维或铜纤维或碳纤维三者中至少一种材料构成的管道。
6.根据权利要求1所述的地源热泵竖埋管换热器技术，袋式布管器材料是导热系数大于1. 5W/M · S的织物或导热系数大于1. 5W/M · S的高分子复合材料薄膜。
7.根据权利要求1所述的地源热泵竖埋管换热器技术，袋式布管器为多孔网状形式， 网孔大小应满足80%以上回填材料不能通过。
8.根据权利要求1所述的地源热泵竖埋管换热器技术，钻孔回填材料的一种具体实施 方案是石墨(质量份数1_10%)、水泥(质量份数1_30%)、水与沙(或石子)混合造粒， 保证造粒的颗粒的密度大于水，再与石墨粉末、水泥、水混合后回填入钻孔。
全文摘要
地源热泵竖埋管换热器技术，包括地源热泵地下竖埋管换热器钻孔(1)、钻孔内进出水管(2、3)和钻孔回填材料(4)，特征在于包括以下四项技术特征钻孔内埋出水管(3)(或进水管2)采用导热系数小于0.3W/M·S的可热熔接的复合材料管道或复合结构管道。进水管(2)(或出水管3)采用导热系数大于0.5W/M·S的可热熔接的复合材料管道。钻孔回填材料(4)是采用石墨或导热碳黑两者中至少一种的质量含量为0.1-5％，其它成份中包含沙或石的材料；或者采用质量份数为0.1-50％的石墨粉末或导热碳黑，与粘合材料(例如水泥)、沙或细石子混合后造粒，再用这种颗粒材料或与其它材料的混合材料。竖埋进出水管(2、3)采用袋式布管器(5)布管，使竖埋进出水管(2、3)充分均匀分开，且袋式布管器(5)的断面周长大于竖埋管钻孔(1)断面周长1-20％；钻孔回填材料(4)回填在袋式布管器(5)内。
文档编号F24J3/08GK101886851SQ20091013661
公开日2010年11月17日 申请日期2009年5月11日 优先权日2009年5月11日
发明者王庆鹏 申请人:王庆鹏