阅读说明：本技术 地下换热管凝结热获取和释放方法及装置 (Method and device for acquiring and releasing condensation heat of underground heat exchange tube ) 是由 奉政一 于 2020-06-09 设计创作，主要内容包括：地下换热管凝结热获取和释放方法及装置属于地源热泵领域,具体涉及地下换热管凝结热获取和释放方法及装置。本发明提供的一种大幅度提升取热/储冷能量的地下换热管凝结热获取和释放方法及装置。本发明的地下换热管凝结热获取和释放装置,包括地上换热装置,其特征在于：地上换热装置与地下换热管相连,所述地下换热管内设置有凝固点低于0℃的防冻液或相变制冷剂。(A method and a device for acquiring and releasing condensation heat of an underground heat exchange tube belong to the field of ground source heat pumps, and particularly relate to a method and a device for acquiring and releasing condensation heat of an underground heat exchange tube. The invention provides a method and a device for acquiring and releasing condensation heat of an underground heat exchange tube capable of greatly improving heat/cold storage energy. The invention relates to a device for acquiring and releasing condensation heat of an underground heat exchange tube, which comprises an overground heat exchange device and is characterized in that: the overground heat exchange device is connected with an underground heat exchange tube, and an anti-freezing solution or a phase-change refrigerant with the freezing point lower than 0 ℃ is arranged in the underground heat exchange tube.)

地下换热管凝结热获取和释放方法及装置

技术领域

本发明属于地源热泵领域，具体涉及地下换热管凝结热获取和释放方法及装置。

背景技术

传统地源热泵采用水管换热，为防止结冰冻坏，最低换热水温3℃，即便采用防冻液循环，各种技术标准仍以土壤降温至4～5℃来计算出热能量，100米深孔取热供暖/制冷建筑面积50～60m²，10000m²建筑要打地源孔200个，不仅仅造价高，城市建筑周围土地几乎没有能钻如此多孔的位置，因此地源热泵市场比例不足风冷热泵的5%，无论哪种热泵，夏季压缩机排热耗电都很大，目前没有制冷设备的动力系统完全依托泵循环，没有利用阳光热能以及室内外温差循环的冷暖设备，更没有单根管路能够传递冷热量的设备，因为现有热泵土壤取热获得的降温能量密度小，耗电及设备成本较高，较难在农业应用。

目前的室外体育场，高铁站，公交车站等场所，没有冬季自动供暖储冷，夏季自动供冷的方法及装置，用自然工质二氧化碳实现目标更是人类的千年梦想。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供的一种大幅度提升取热/储冷能量的地下换热管凝结热获取和释放方法及装置。

为实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明的地下换热管凝结热获取和释放装置，包括地上换热装置，其特征在于：地上换热装置与地下换热管相连，所述地下换热管内设置有凝固点低于0℃的防冻液或相变制冷剂。

作为本发明的一种优选方案，所述地下换热管的进口和/或出口处设置有隔热保温护套。

本发明使用上述装置的地下换热管凝结热获取和释放方法，其特征在于：地上温度低于0℃时，地下换热管内的防冻液或者相变制冷剂在地上换热装置中进行散热，地上换热装置控制防冻液循环，防冻液低于0℃时，地下换热管内的防冻液或冷媒会使地下形成冻土；地上温度高时，地下换热管配合地上换热装置将冻土内储存的冷量释放到地上。

本发明的有益效果：1、本发明基于：水的比热：4.2j/g，水结冰释放的凝结热：366j/g，将地下土壤温度降至0℃以下结冰释放土壤中水份凝结热，一个地源孔土壤水份释放的热量是传统地源3～5℃换热能量的80倍，使工程造价降低数倍，替代风冷空调低温热量不足、能效低的问题。

2、本发明地源孔比传统水降温型数量减少5-8倍，占地面积大幅减小，城市密集建筑群也能应用本地源换热器，高密度储能冻土融化降温侵蚀较少，夏季供冷电费下降95%以上，对人类可持续发展具有重要意义。

3、本发明的地上换热装置除新建外，还适合各种旧的冷却塔、风冷换热空调改造，不再使用耗电巨大的压缩机，利用冬季严寒散热，同样换热器散热能力比夏季散热提高数倍，系统更加可靠，维护更加简单，成本大幅降低。

4、本发明地上换热装置，室内可采用换热微管、套管换热器、板式换热器各种隔离设备，再通过水循环地热管或风机盘管传热，外换热器采用太阳能板，科学巧妙的结构，实现了建筑的无费用供暖，供冷，还适合农业应用。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例2的结构示意图。

图3是本发明实施例3的结构示意图。

图4是本发明实施例4的结构示意图。

图5是本发明实施例5的结构示意图。

图6是本发明实施例6的结构示意图。

附图中1为地下换热管、2为出口、3为地源孔、4为隔热保温护套、5为控制阀门、6为循环泵、7为室内换热器、8为冷却塔、9为冷却阀门、10为室外换热器、11为冷媒换热管、12为板式换热器、13为压缩机组、14为换热装置泵、15、为第二单向阀、16为第一单向阀、17为压缩机、18为节流阀、19为储液罐、20为隔热层。

具体实施方式

本发明的地下换热管凝结热获取和释放装置，包括地上换热装置，其特征在于：地上换热装置与地下换热管1相连，所述地下换热管1内设置有凝固点低于0℃的防冻液或者相变制冷剂。

作为本发明的一种优选方案，所述地下换热管1的进口和/或出口2处设置有一段隔热保温护套4。

作为本发明的另一种优选方案，所述地上换热装置为室外换热器，设置在地面或墙壁上。

实施例1，结合附图1对本实施例作进一步说明。

所述地上换热装置，包括冷却塔8和室内换热器7，地下换热管1的出口2与循环泵6相连，循环泵6的出口分别与冷却塔8和室内换热器7的进口相连；冷却塔8和室内换热器7的出口与地下换热管1的进口相连。

所述冷却塔的进口处设置有冷却阀门，所述室内换热器7的进口处设置有控制阀门。

以中国（北京）地区10000m²商业建筑为例，原空调采用1934KW变频离心水冷机组，最大耗电量：350KW，每月电费：35万元，夏季电费：200万元。改造为冷却塔做冬季使用，在距建筑18米停车场钻地源孔3共40个，深度120m，孔径20cm，植入PE材料底部为U型的地下换热管1，20组并联为一个回路，地下换热管1通过循环泵6连接冷却阀门9和控制阀门5，控制阀门5的另一端连接室内换热器7，冷却阀门9上端口连接冷却塔，地下换热管1另一端与室内换热器7另一端与冷却塔8下端口共同连接，管路内为防冻液循环。

PE材料的地下换热管1耐低温达-60℃，被冻土挤压稍微内收缩强度良好，可使用数十年，地下水位通常在20米以下，地面可设隔热层20，地下换热管1出口2距地面5米设有隔热保温护套4，用来控制地面下5米为土层结冰高度，地下换热管1进口下部30m设隔热保温护套4，主要在30米深向下含水层结冰向四周围微膨胀，地源孔3的孔距间隔2～8米，使建筑安全万无一失。原压缩机组不再运行，夏季冷却塔不工作。

工作原理：冬天气温进入-5℃后的午夜，控制阀门5关断，冷却阀门9连通，循环泵6工作，将防冻液通过冷却阀门9输入冷却塔8，散热后回流的-4℃防冻液进入地源孔3内带隔热护套的地下换热管1进口，经U型的地下换热管1进入另一支路由下至上吸收土壤热量，经地下换热管1的出口2重新进入冷却塔散热循环，由于低温防冻液较重，吸热后的防冻液较轻，通过变频调速，使循环泵6的流量让冷却塔大的回液温度接近室外气温-4.5℃，循环泵6耗电很微小，直至气温降至-12℃，最低月份，冷却塔的回液温度早已经低于冰点温度，由于冰的导热系数达2.2w℃m，2倍于水和土壤，地源孔3下部土壤结冰以后很快扩散为冻土，40个地源孔3冻冰直径4米，储存冷量7879×10³KWH达该建筑夏季冷能需求的2倍。

夏天到来，地源孔3内冻土融化了20～30%，冻土集中区域融化更少，室内温度高于25℃后，冷却阀门9关断，控制阀门5连通，循环泵6启动将地下换热管1内约3～9℃防冻液输入室内换热器7供冷，直到整个夏季结束。

实施例2：结合附图2对本实施例作进一步说明。

在地下换热管1同一地源孔3内设置有冷媒换热管11，冷媒换热管11与地上的室外换热器10相连；地下换热管1和地上换热装置之间设置有循环泵6。

地上换热装置可为室内换热器7。

实施例1所述的冬季地源管散热储冰方法及装置，冬天需要循环泵6工作消耗电力，冷却塔内的风扇工作也需要消耗一定的电力，并带来设备磨损及人员工作，按照惯例停车场需要扫雪、除冰，也需要大量人力劳动。

为此在地源孔3内同时植入地下换热管1和冷媒换热管11，冷媒换热管11连接室外换热器10，室外换热器10为：地面散热管、风冷放热器、或其它形式放热器中的至少一种，优选结构为室外换热器10的气管进口比液管位置高，冷媒换热管11和室外换热器10内抽真空后充注气液混合二氧化碳，或其它相变传热介质。

工作原理：当冬季来临，室外气温低于地源孔3内冷媒换热管11温度后，地源冷换热管11中的二氧化碳受热气化，从U型管路一侧气支管上升进入室外换热器10,被低气温冷却后变成液体，进入U型管路液管，向下进入冷媒换热管11，构成自然放热储冷循环释放土壤中水分凝结热后结冰作为夏季冷源。

地源孔3如在停车场格状分布，每个地源孔3的上部为室外换热器10对应水泥部位，在前半个冬季，在循环的过程中把地面的积雪和冰融化掉，节省大量扫雪、除冰劳动。车场也不那么寒冷。

在上海等地区，冬季0℃以下天数较短，将图1、图2进行合成，在地源孔3内植入的连接地面或室外换热器10，地下换热管1连接冷却塔，在气温下降到0℃以下时，循环泵6也同时工作，二个系统同时散热，在较短低温时段最大限度放热储冷直到地下成为冻土，给来年的建筑提供可靠的巨大冰储冷源。

地下换热管1和冷媒换热管11路之间通过土壤传热，实现了现有水系统和风冷系统的巧妙耦合，施工简单，成本低廉。

实施例3，结合附图3对本实施例作进一步说明。

所述地上换热装置包括与地下换热管1相连的循环泵6，循环泵6的出口通过管路和室外换热器10相连；所述管路分别经过压缩机组13和板式换热器12，所述压缩机组13的一侧端口与室内换热器7的一端相连，室内换热器7的另一端同时与板式换热器12的一端和一换热装置泵14的一端相连，所述板式换热器12的另一端也与换热装置泵14相连，换热装置泵14的另一端与压缩机组13的另一侧端口相连；所述室内换热装置7和换热装置泵14之间设置有控制阀门5；所述板式换热器12和换热装置泵14之间设置有冷却阀门9。

地源换热管1内注入防冻液或制冷剂。

地面可设置隔热层20。

以中国（北京）地区现有10000m²商业建筑为例，原空调采用一台1934KW变频离心水冷机组，最大耗电量：510KW，全夏季电费：200万元，现将原有供冷离心机组改造为单供暖机组，最大供热量：2393KW，供热功率：80W/m²，如采用传统地源热泵孔3需要400个，降为本发明在运动场位置钻孔80个，连接如图3所示。地下换热管中充注防冻液，室内换热器可充注防冻液或水。

工作原理：入冬供暖，循环泵6工作，冷却阀门9关闭，控制阀门5开启，压缩机组13工作，循环泵6将地下换热管1中的防冻液输入压缩机组13的换热器，内部蒸发吸热后防冻液经板式换热器12、室外换热器10进入地下换热管1的进口构成循环，换热装置泵14工作，将室内换热器7回口冷水通过控制阀门9、压缩机组13输出热水进入室内换热器7构成供暖循环，在开始供暖月份，由于夏季供冷储存的大量阳光热能，能效比高于现有地源热泵，后期地源孔3内温度降为0℃-5℃，比现有地源热泵制热能效略低，室外换热管10的末段埋设在地面，通过板式换热器12的防冻液高于室外气温时，被自动放热为0℃以下再进入地下换热管增加冻土量，让地源孔土壤结冰释放凝结热的结果，使单个地源释放的凝结热达18000KWH，1个地源孔输出热量达到传统地源孔5个以上输出的热量，由于地源孔3数量少，冻土冷量密度比现有地源热泵降低土壤及水分高得多，集中位置融化更少。

夏季到来，冷却阀门9接通，控制阀门5关断，循环泵6工作，地源孔3内凝结的冻土冷量，被地下换热管1换热为2～3℃的防冻液导入板式换热器12，将冷量传递给次级，换热装置泵14工作，防冻液或水进入室内换热器7吸热降温，换热装置泵14变频调速，控制室内温度和除湿风冷器，板式换热器12吸热后的防冻液再进入室外换热器10吸收阳光热量，增温5-10℃再进入地下换热管1，给冬天增添能量。

实施例4，结合附图4对本实施例作进一步说明。

地源孔3内设置有地源冷媒换热管11，冷媒换热管11的气管通过第二单向阀16连接板式换热器12的上端口，板式换热器12下端口通过第二单向阀15、串联室外换热器10，室外换热器10连接冷媒换热管11的液管，板式换热器12另一侧上端口连接压缩机17进口，压缩机17出口连接室内换热器7，室内换热器7另一端口通过冷却阀门9连接板式换热器12另一侧下端口，在压缩机17二端并联控制阀门5，冷媒换热管11和室外换热器10，按容积充注二氧化碳液体或制冷剂。

控制阀门5采用电动阀，冷却阀门9采用节流阀或电子膨胀阀，在第二单向阀15出口和第一单向阀16进口之间可以并联多个上述机组。

地面可设置隔热层20。

板式换热器12优选套管换热器。

压缩机17可为普通冷媒压缩机。普通冷媒压缩机采用R410，R134a均可。

在中国（北京）地区10层5000m2住宅为例，室内采用地面微孔管，每户安装一台价格低廉的R134a或R410冷媒的6-9KW供暖机组，安装于露台高于室内地面1m位置，供暖功率：80W/m²，如采用传统地源热泵孔3需要100个，本发明钻孔30个。

冬季，地源冷媒换热管11中冷媒蒸发吸热从气管上升通过第二单向阀16进入套管换热器12，耦合传热到次级由冷媒压缩机17增温输入室内换热器7放热供暖，冷凝后变成液体通过冷却阀门9回到套管换热器12，套管换热器12初级冷媒凝结为液体后重量增加，通过第二单向阀15、室外换热器10放热回到地源冷媒换热管11构成自动循环，室外气温越低，室外换热器10的冷却量越大自动回流至地源换热管的速度越快。

夏天到了，冷却阀门9连通，控制阀门5连通，清晨地源冷媒换热管11内为液体，室外换热器10内为液体，当阳光照射室外换热器10，热量给它增温增压，气体进入地源孔冷媒换热管11，不断的把冷媒管11中的液体低温冷媒通过第一单向阀16顶入套管换热器12吸热，当室外换热器10内冷媒液体全部蒸发为气体，而地源冷媒换热管11中的气体又逐渐被冰土吸收热量体积缩小压力降低，第二单向阀15导通，室外换热器10内的冷媒气体都流入地下冷媒换热管，形成内部低温低压腔，套管换热器12内气液体冷媒通过第二单向阀15流入室外换热器10，在流出过程中不断给套管换热器12蒸发吸热，直到地下冷媒换热管11和室外换热器10内充满液体冷媒，重复阳光加热自动供冷过程，由于套管换热器12设置在比室内换热器7高1m以上位置，换热后液体冷媒依托重力通过节流阀9进入室内换热管7一侧端口，在室内换热器7内吸热为气体后通过阀门5重新进入套管换热器7上部冷却，形成室内侧自动循环，节流阀9的大小可以控制每户住宅的室温。在换热器12初级或次级可以串联风冷除湿器。

实施例5，结合附图5对本实施例作进一步说明。

地源孔3内设置有冷媒换热管11，冷媒换热管11的气管通过第一单向阀16连接室内换热器7的进口，室内换热器7出口通过节流阀18串联室外换热器10连接冷媒换热管11的液管，第一单向阀16二端并联压缩机17，冷媒换热管11和室外换热器10按容积充注二氧化碳液体或制冷剂。

优选方案：第一单向阀16、压缩机17、节流阀18，设置在上部设置维修盖设备井中。

地面可设置隔热层20。

接室内换热器7优选微孔管换热器、铺装在地面水泥中。

工作原理：入夏夜晚，气温较低，节流阀18接通，室外换热器10和地源冷媒换热管11中为冷媒液体，室内换热器7内部为等温气体，节流阀18再关闭，白天阳光照射到室外换热器10，包括室外热天给它增温，内部冷媒气化压力增加，气体进入地源孔冷媒换热管11右侧支管，经U型管将液体冷媒由左侧支管向上顶，通过第一单向阀16把低温液体冷媒顶入室内换热器7，辐射供冷直到内部接近满液，此时，室外换热器10内冷媒液体被全部蒸发完毕，不再产生蒸汽，顶入地源冷媒换热管11中的冷媒蒸汽被冰土吸收了热量，体积收缩成为低压腔，室外换热器10内高温气体被吸入地源冷媒换热管，室外换热器10内部成为低压腔，室内换热器7内液体冷媒吸热压力增大，节流阀18开启，气液冷媒流入室外换热器10，蒸发吸热在流入地下冷媒换热管11被冰土冷凝为液体，直至液体冷媒全部进入室外换热器10，节流阀18关闭，等待阳光再次加热重复上述自动供冷过程，节流阀18开启频率、开闭大小都可控制室温。

8平方米室外换热器每天接受的阳光热量达64kwh，在供冷的同时将该热量以及供冷热量向地源冷媒换热管11内阶梯式存储，地面隔热板20防止冷热量散失，夏季结束地源孔底部温度达45℃，如果室外换热器下部出口设置3-4m2隔热玻璃，调整节流阀18，秋季继续存储阳光热量，直到地源孔上部温度也达到30-40℃。

冬季开始，节流阀18开启，地源孔冷媒换热管11内40℃冷媒气体进入室内换热器7供暖，放热后液体通过节流阀18进入室外换热管10，经过室外低气温过冷，再进入地源冷媒管成为虹吸液体，直到从液管出口进入气管吸热，通过U型部位向上加热为气体构成自动供暖循环，室外气温越低循环越快。

冬季过半，当地源孔内温度低于26℃无法满足室内供暖时，启动并联在第一单向阀16二端的压缩机17，吸入地源冷媒换热管气体，输出32℃气体进入室内换热器7放热，第一单向阀16此时截止，压缩机17频率及节流阀18控制室内温度，能效比达6～7。当地源孔3底部土壤水分已降至0℃开始结冰，导热系数由含水土壤的0.8W℃/m上升至冰的导热系数2.2W℃/m，冰的凝结热达366j/g，比水降温放热4.2j/g高80倍，随着结冰直径不断加大，压缩机进气温度在-2～-5℃，能效比仍达4.5。

500m²别墅，采用传统水换热地源孔需打孔10个，本技术仅需2个，孔内植入冷媒换热管11，压缩机设置在地下设备井内，上部没有丝毫的噪音，工程造价降低数倍，如室内已经铺设传统地热管，将室内换热器7设置为水-冷媒换热器，夏天仅用泵的微小耗电实现室内供冷。

实施例6，结合图6对本实施例做进一步描述：

地源孔内设置有冷媒换热管11，冷媒换热管11左侧支管通过第一单向阀16连接储液罐19和第一单向阀16进口，第二单向阀15出口连接室外换热器10的一侧端口，室外换热器10的另一侧端口与冷媒换热管11右侧支管连接。

室外换热器10可根据需要设置在室内。

目前的高铁站、公交车站、室外体育场等场所，没有无费用的供冷、供暖产品，在地球南北纬度较高地区，冬季阳光照射不足，气温太低农田不能生产，采用塑料大棚内部取暖也要耗费大量能源，导致产出作物成本太高，而夏季阳光过强时大棚内部温度过高作物无法适应需要遮挡阳光或吸热降温。用自然工质二氧化碳替代化学冷媒应用于农业更是人类的千年梦想。

工作原理：室外换热器10优选各种微管，包括透明的石墨烯微通道换热器，铺设在高铁站，公交车站、体育场馆的座椅左右地面，塑料大棚内等需求场所，清晨气温较低时，室外换热器10和地下冷媒换热管11内为液体，阳光热量对室外换热器10加热增压，高压冷媒气体进入地源冷媒换热管11，通过U型传递将内部液体冷媒通过第一单向阀16顶入储液罐19中，随着时间推移，室外换热器10内冷媒全部蒸发为气体不再吸热增压，地下冷媒换热管11内气体被土壤冷却为液体，体积缩减成为低压腔，室外换热器10气体被吸入地源换热管11，第二单向阀15自动开启，储液罐19中的冷媒液体流入室外换热器10，再次被阳光加热进行新的循环，如此不仅给包括体育场馆，车站以及塑料大棚内降温，还将大量阳光热量带入土壤储存起来。

冬季来临，当室外换热器10的温度低于地源孔内土壤温度的情况下，地源冷媒换热管11内气体向上通过第一单向阀16、第二单向阀15进入室外换热器10放热，液体通过地源冷媒换热管11的右侧支管虹吸向下，直到通过地源冷媒换热管U型再次吸热为气体，再向上体育场馆，车站及塑料大棚内自动供暖，直到冬季结束，这种不用电力冬季供暖方式，将给北方农业带来新的发展，给各种厂房车间，露天体育场，高铁站，公交车站等提供空调。

储热储冷方法，并非能够概括各种阀门及水泵的各种连接形式。其方法已经最大限度节省电能开资，工程造价低廉。

本发明使用上述装置的地下换热管凝结热获取和释放方法，其特征在于：地上温度低于0℃时， 地下换热管1内的防冻液或者相变制冷剂在地上换热装置中进行散热，地上换热装置控制防冻液循环，防冻液低于0℃时，地下换热管1内的防冻液会使地下形成冻土；地上温度高时，地下换热管1配合地上换热装置将冻土内储存的冷量释放到地上。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。