加速地下水流动的复合土壤源热泵系统

摘要

加速地下水流动的复合土壤源热泵系统，它涉及一种利用地下水水井抽灌地下水来加速地埋管换热岩土中的地下水流动的复合土壤源热泵系统。该方式是这样实现的：通过地下水水井抽取地下水，再利土壤源热泵的地埋管钻孔回灌入地下，一方面可以加速土壤源热泵的热源岩土中的地下水流速，提高地埋管换热能力，利用更多岩土中的热量；另一方面可以提取抽灌的地下水中的热量，使系统形式为地下水与地埋管复合的地源热泵系统。本发明还提出地埋管钻孔由圆形改进为扁长形钻孔。

说明书

技术领域

本发明为加速地下水流动的复合土壤源热泵系统，属于能源领域和空调技 术领域。

背景技术及发明原理

土壤源热泵，是一种实现可持续发展的可再生能源，因其节能、环保、经 济等优点而被国际暖通空调组织认为是最有发展前图的空调方式之一。自发明 以来经过不断实践，使其在技术上不断成熟，但作为新技术，而且关联着地质、 水文等多学科领域，其技术成熟度在应用和研究过程中还有待不断完善。其应 用受限止的一个不利特征：利用钻孔周围岩土及水份中的热量，容易造成能量 集聚，长时间运行会使能源井孔周围温度场越来越不利于换热取能，影响效率。

而地下水渗流是影响地源热泵换热效率的一个动态因素，而且也能改善地 下能量集聚和冬夏负荷不平衡。地下水渗流，在地源热泵所利用的地球表层岩 土中都或多或少地存在。地下水渗流动对地源热泵换热器的换热能力影响是很 大的，根据我国最近出版的地源热泵专著《地源热泵的设计与应用》(吕悦、马 最良等编)的研究结果：当地下水流速为30米/年时，即10^-6m/s时，竖埋管换 热器的换热能力比无渗流时增大约30％，可见地下水流速的增大对换热能力的 提高意义重大。地下水渗流对土壤换热器的影响从长期来看，能够带走因冬夏 负荷不平衡而在地下集聚的能量，使土壤源热泵在使用在地域上不受限制，而 且充分利用。

但地源热泵发展至今，对地下水渗流的影响由不认识到认识，但只是被动 地接受，并没有积极地利用。本新技术即是积极利用地下水渗流的地源热泵技 术。

另一方面，土壤源热泵发明至今，埋管形式并没有实质性的变化。圆形的 钻孔是否对换热有利？由于从造价的考虑，竖埋管钻孔不可能很大，通常的钻 孔是比110mm大一些的孔径，这么小的孔径使两根温度不同的两根地埋换热管 之间发生热传递，造成热短路，这已是研究人员所共知并证实，根据研究资料 显示短路的换热损失在20％以上。并且目前改进回填材料的导热能力是地源热 泵的发展方向，也将会使热短路更加严重。并且埋深越大热损越大。另外从实 际施工看，由于回填材料都难以回填密实，通常在长时间地压作用下，钻孔会 缩径，更进一步减小了两管间距，因此圆形钻孔造成的热短路是严重的。这也 正是坚埋管换热器长时间运行的换热能力偏低(资料数据取热为：25W/m)的 一个重要原因。而且也是资料显示的桩埋管比土壤回填埋管换热能力大很多的 原因之一(桩埋管回填的是混凝土，钻孔不缩径，两管间距不缩小，有利于减 小热短路)。为了减小热短路损失，现有发明：地热弹簧，把两管在钻孔内尽可 能分开，但很明显不能从根本上解决问题，而且当回填材料不密实时，钻孔缩 径会使地热弹簧可能失去应有的作用。要从根本解决这个问题，只有改变钻孔 几何形状。改变地热钻孔机器。

发明内容

加速地下水流动的复合土壤源热泵系统：

内容一、在土壤源热泵的地埋管附近(5-1000米)，增设地下水抽水井(1)， 地下水从水井(1)中抽出后，利用距离水井远的一侧的地埋管钻孔(9)进行 回灌，保证全面加速地埋管所利用的岩土中的地下水，回灌地下水的钻孔(9) 采用渗水性好的材料回填，如石子等；并且保证水井(1)和回灌井孔(9)距 离地埋管钻孔群(6)适当远的距离(大于5米)，使地下水能流经地埋管群土 壤之外较远的土壤，利用更多岩土中的热量。

内容二、必要时采用空调热泵装置(4)提取抽灌的地下水中的能量，及增 设蓄水池(3)的办法调节空调负荷高峰，这种方式有利于大量减少土壤源热泵 中热源井孔的设计数量，是一种土壤源热泵为主，地下水源热泵为辅的混合系 统。

内容三、本发明提出土壤源热泵的竖直地埋管钻孔(6)和(9)的钻孔形 式为扁长形钻孔，断面长宽比大于1.1∶1，使竖埋管沿长边布置，保证进出水 两支管(5)距离尽可能分开远离；同时使钻孔长边方向垂直于地下水流动方向， 本发明同时提出一种并排多钻头的钻机，可以钻出扁长形钻孔。

实现形式

1、在水平埋管或竖直埋管的土壤源热泵的换热岩土附近(最好不要为地下 水自然流动的上水侧)，增设加速地下水流动的地下水抽水井1，抽水井1为独 立水井，设在地埋管钻孔群6附近适当远距离：5-1000米，使循环的地下水尽 可能流经较多的岩土，换取更多的岩土中的热量；但同时又保证地埋管岩土中 的地下水有理想的经济流速。抽水井的井径、井深及所利用的地水水层，根据 工程实际的抽水量、地层中的地下水设计渗流速度等设计。

回灌井9是与地埋管热源钻孔的合用形式，抽出的地下水经过埋在地下水 的水管，蓄水池、除沙器3等装置，最后由埋设在回灌钻孔中的回灌水管7灌 入抽出的地层中；抽水井1和回灌井孔9的位置，最好设在地埋管冷热源岩土 的两侧，或是抽水井1设在中间，回灌井孔9设在外围等具体形式。采用水泵2 抽取地下水在换热岩土的另一侧利用回灌钻孔9回灌入地下，加快换热岩土中 的地下水渗流速度，提高换热效率和岩土利用率。

2、另一方面，可以提取抽灌的地下水中的能量，及必要时增设蓄水池3的 办法调节空调负荷高峰，这种方式有利于大量减少土壤源热源井孔6的设计数 量，是一种土壤源热泵为主，地下水源热泵为辅的混合系统。当地下水量不足 时，可以不依赖地下水取能，而只利用其循环流动来强化换热和调节负荷高峰 的作用，另处还能起到加速平衡地源热泵中冬夏不平衡的负荷。当地下水水位 较低时，也可以利用回灌的办法提高地下水水位，有利于提高浅层岩土的含水 量，提高浅层岩土的换热能力。

3、把坚直埋管土壤源热泵的钻孔6和9，由圆形孔改进为扁长形孔：扁长 形钻孔的长宽比在1.1∶1以上，且钻孔的长径垂直于地下水流动的方向。本发 明同时提出一种并排多钻头的钻机，可以钻出扁长形钻孔。

附图说明

附图1为加速地下水流动的复合土壤源热泵系统图示。

附图标记：1-地下水抽水井；2-水泵；3-蓄水池；4-热泵机组；5-U 型地埋管；6-地埋管换热器钻孔；7-地下水回灌管；8-U型管换热器主干管； 9-地下水回灌及地埋管换热器合用钻孔。