一种利用多节接力热管高效提取地热的建筑供暖系统及方法与流程

本发明涉及地热资源与建筑能源利用技术领域，具体涉及一种利用多节接力热管高效提取地热的建筑供暖系统及方法。

背景技术：

随着全球变暖及大气污染状况的日益严峻，传统化石能源已不能满足可持续发展的要求。清洁能源包括太阳能、风能、地热能和生物质能等，其中地热能分布广泛，并具有稳定、连续和高效的优点，随着化石能源日益紧缺,其在全球范围内得到广泛关注。

现今将浅层地热资源用于提供生活热水及建筑采暖，已得到广泛开发使用。国内外在浅层地源热泵系统方面做了大量相关研究，但该技术中浅层地埋管的埋管面积大，易受场地制约并且设计不当时冷热不平衡现象严重。深层地热资源作为开发潜力最大的地热资源类型，目前主要应用于发电领域，在建筑供能领域，深层地热的开发利用同样有一定探索。岩土的平均地温梯度约为3℃/100m，自恒温层向下垂直深度每增加100m，土壤温度增加3℃，则地下2000m处，岩土温度约为75℃(考虑室外平均温度为15℃时)，是存量巨大的热源。

目前常见的深层地热提取方式是直接将地下热水提取并使用，但应用过程中存在回灌困难、地下水资源污染，岩土层变形移位等问题。而对深层地埋管换热器而言，使用工作介质进行地下深层热量提取时，循环功耗较大，水泵运行费用甚至占总运行费用的三分之一以上。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用多节接力热管高效提取地热的建筑供暖系统及方法，在为建筑供热的同时，避免传统工质强制循环式系统流体输送耗功过大的现象出现。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种利用多节接力热管高效提取地热的建筑供暖系统，包括沿轴向依次相互嵌连设置在地下的顶部热管、接力热管和底部热管，与顶部热管耦合连接提取热量的换热器，以及输入端与换热器连接的热泵机组，热泵机组的输出端通过管路及水泵与用户相连接形成回路供暖；

所述的底部热管与接力热管耦合相连，经过多节接力热管耦合相连后与顶部热管耦合相连；热管的顶部呈直径缩小的变径连接段，中部为绝热段，底部中空形成环形受热段，变径连接段能够嵌入配合在环形受热段内；每节热管内部灌注有与所在温区相对应的相变工质，所述对应的相变工质先从所在热管的底部环形受热段内吸热蒸发，继而在中部绝热段内上升，最后于顶部变径连接段内冷凝后经中部绝热段回流至底部环形受热段内形成导热循环。

优选的，变径连接段外部呈螺纹设置，环形受热段中空内壁呈螺纹设置。

优选的，变径连接段和环形受热段的连接端面上设置导热硅脂。

优选的，变径连接段呈上凸圆柱状或上凸圆台状；对应的环形受热段的中心区域呈下凹圆柱状或下凹圆台状，变径连接段和环形受热段同轴设置。

优选的，地下设置的顶部热管、接力热管和底部热管外部分别布置回填材料。

一种利用多节接力热管高效提取地热的建筑供暖方法，基于上述任意一项所述的系统，包括如下步骤，

步骤1，底部热管的底部环形受热段受热，底部热管内的相变工质发生相变后工质蒸汽在底部热管内的绝热段内上升，在底部热管顶端变径连接段即冷凝相变区域放热至接力热管，之后凝结相变工质回到底部热管的底部环形受热段继续循环；

步骤2，接力热管的底部环形受热段受热，接力热管内的相变工质发生相变后工质蒸汽在接力热管内的绝热段内上升，在接力热管顶端变径连接段即冷凝相变区域放热至上一级接力热管，之后凝结相变工质回到该级接力热管的底部环形受热段继续循环；

步骤3，经过多级接力热管的多次传递，热量被传导至顶层，顶部热管内的相变工质发生相变后工质蒸汽在顶部热管内的绝热段内上升，在顶部热管顶端变径连接段即冷凝相变区域放热至耦合的换热器，之后凝结相变工质回到该级接力热管的底部环形受热段继续循环；

步骤4，换热器的换热介质将热量提取并输送至热泵机组为机组提供热量，提升品位后，二次侧介质经过管路送至用户使用；用户使用完毕后二次侧介质返回机组并不断进行循环。

优选的，热管的变径连接段向配合的环形受热段从内部集中释放冷凝相变潜热，环形受热段外部吸收对应深度的岩土温度。

优选的，所述每节热管内部灌注的相变工质根据热管所在温区，采用丙酮、甲醇、水、纳米材料溶液和混合制冷剂中的一种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明利用接力的重力热管提取深层地热能，可利用重力热管的自循环特性减少深层地热能提取装置的循环功耗，解决管程过长提升阻力过大的问题，之后通过地上热泵机组提升能量品位为建筑供暖。同时，同时多节热管接头处做变径连接处理，顶端变径管可以将冷凝相变潜热集聚，底端环形管腔中相变工质可以在外部高温岩土以及内部下一级热管的冷凝段的双重加热下完成工质蒸发，可进一步提高换热效果和热管效率，吸收的热量进行散热时不会传递到系统外，吸热时同时吸收所在深度的岩土温度，因此该系统可以高效提取深层地热供地面建筑使用。

附图说明

图1为本发明实例中所述热管的整体结构示意图。

图2为本发明实例中所述热管的顶部示意图。

图3为本发明实例中所述热管的底部示意图。

图4为本发明实例中所述热管的剖视图和对应的相变工质的相变状态。

图5为本发明实例中所述系统的结构示意图。

其中：1为换热器、2为顶部热管、3为接力热管、4为底部热管、5为热泵机组、6为水泵、7为用户、8为回填材料、9为导热硅脂、底部环形受热段10、中部绝热段11、顶部变径连接段12、内螺纹13、绝热材料14、外螺纹15、相变工质16。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

热管是一种热量运输元件，利用自然循环和重力作用，可以在不施加外界驱动能源的情况下实现热量的搬运。并且根据换热理论和相变潜热大小可知，重力热管中的工质相变将释放大量能量，提高换热系数和热量传递效率。因此热管技术在能量提取与工业领域得到了大量应用，通过在热管管腔内充灌适宜工质，利用其相变特性和重力作用实现热量转移。

本发明是一种利用多节接力热管高效提取地热的建筑供暖系统，利用多节接力热管耦合换热器1提取深层地热能，再通过地上的热泵机组5提升能量品位为建筑供暖。工作过程中，根据地下地温梯度计算每节热管的工作温区，从而将工作温区与相变工质物性参数进行匹配，为每节热管内部灌注与所在温区相对应的相变工质，使用时循环工质在底部环状空间受热，发生相变后工质蒸汽在管内绝热段内上升，在顶端变径冷凝相变区域放热，之后凝结工质回到底部空间继续循环。最顶部第一节热管冷凝相变区域与换热器1耦合，通过换热介质将热量提取并输送至热泵机组5，提升品位后使用。该系统利用重力热管的自循环特性减少深层地热能提取装置的循环功耗，同时多节热管接头处做异形连接处理，可在提高换热效果的同时解决管程过长提升阻力过大的问题，因此该系统可以高效提取深层地热供地面建筑使用。

本发明所述系统，如图5所示，其包括换热器1、顶部热管2、接力热管3、底部热管4、回填材料8、导热硅脂9及热泵机组5、水泵6、用户7；且顶部热管2、接力热管3和底部热管4之间相互嵌连。

所述的顶部热管2、接力热管3和底部热管4之中充注相变工质16，所述的底部热管4与接力热管3相连，经过多节接力热管3后与顶部热管2相连；顶部热管2与换热器1耦合连接。顶部热管2、接力热管3、底部热管4之间通过变径螺纹连接，连接处设置导热硅脂9，且热管顶面连接段形状可为上凸圆柱状或上凸圆台状、下凹圆柱状、下凹圆台状，底面连接段与顶面保持同向，即本优选实例中变径连接段和环形受热段同轴设置。

所述的换热器1与热泵机组5相连，热泵机组5通过管路及水泵6与用户相连接形成回路供暖。

通过本发明所述的方法进行工作的过程中，根据地下地温梯度计算每节热管的工作温区，从而将工作温区与相变工质物性参数进行匹配，为每节热管内部灌注有与所在温区相对应的相变工质，所述对应的相变工质先从所在热管的底部蒸发区吸热蒸发，继而在中部绝热段上升，最后于顶部冷凝区冷凝后经中部回流至底部蒸发区形成导热循环。

所述的热管，如图1、2、3和图4所示，所述对应的相变工质16先从所在热管的底部环形受热段10内吸热蒸发，继而在中部绝热段11内上升，最后于顶部变径连接段12内冷凝后经中部绝热段11回流至底部环形受热段10内形成导热循环；其中，底部环形受热段10内设置有内螺纹13，对应相变工质的蒸发，为整个热管的蒸发段；中部绝热段11采用绝热材料14制成，对应相变工质的状态保持，为整个热管的绝热段；顶部变径连接段12外部设置有外螺纹15，对应相变工质的冷凝，为整个热管的冷凝段。

使用时，循环的相变工质首先在底部热管4的底部受热，发生相变后工质蒸汽在底部热管4内绝热段内上升，在底部热管4顶端变径连接段即冷凝相变区域放热至接力热管3，之后凝结工质回到底部热管4的底部空间继续循环。接力热管3底部环形区域内工质受热，发生相变后蒸汽上升，同样在顶端变径连接段即冷凝相变区域放热至上一级接力热管3。经过多次传递，热量被传导至顶层，顶部热管2冷凝相变区与换热器1耦合，换热器1的换热介质将热量提取并输送至热泵机组5为机组提供热量，提升品位后，二次侧介质经过管路送至用户使用。用户使用完毕后二次侧介质返回机组并不断进行循环。具体的，所述每节热管内部灌注的相变工质根据热管所在温区，采用丙酮、甲醇、水、纳米材料溶液和混合制冷剂中的一种。例如，热管所在温区为20℃至50℃时，热管内的相变工质可采用丙酮、水或甲醇，适应于低温工况；对于纳米材料和混合制冷剂，是可以按照需求进行调配的。

本发明所述的热管均为抽真空的重力热管，从而利用重力热管自然循环特性，通过设置多级接力热管使用相变工质完成深层地热能的提取。

本发明在接力热管顶端及底端进行了变径螺纹设置，既满足了多级热管之间的连接要求，顶端的变径部分可集中释放冷凝相变潜热，底端的圆环部分可以让相变工质尽可能与热源相接触，提高换热效率。

本发明在进行地热能的提取之后，使用热泵机组进行热能品位的二次提升，满足建筑供热的需求。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。