[发明专利]一种制冷制热两用热管型地埋管换热器

说明书

技术领域

本发明涉及一种换热器，更具体的说，本发明设置一种用于土壤源热泵系统的制冷制热两用热管型地埋管换热器。

背景技术

地埋管换热器是土壤源热泵系统的一部分。所述土壤源热泵的使用目的是利用浅层地热资源(指地表浅层的土壤、地下水或河流中吸收的太阳能、地热能而蕴藏的低品位热能)来实现冬季供暖和夏季制冷。一般情况下，浅层土壤的温度在全年范围内是相对稳定的，但夏季的土壤温度会低于环境温度，而冬季的土壤温度又会高于环境温度。因此，利用土壤源热泵系统的工作原理，可在夏季将其作为冷源供冷，冬季又可将其作为热源供热。

图1、图2分别示意了采用土壤源热泵系统供暖和制冷的原理。

由图1、图2可见，所述的土壤源热泵系统实现冬季供暖和夏季制冷的关键部件就是地埋管换热器，所述地埋管换热器的作用是：夏季，将房间的热量排给低于环境温度的土壤以制冷；冬季，则从高于环境温度的土壤中收取热量以供暖。所以，地埋管换热器承担着与地下土壤交换热量的重要作用，其换热性能的好坏，决定了地源热泵系统供暖和制冷的效果。

图3示意了一种用于地下换热的热管型地埋式低温高效换热管的原理图。

参照图3，该换热管包括一个内部保持真空的管壳以及充填在所述管壳内部的特定工质，在换热管的工作过程中，其下部吸热段a的温度较高，可达到管内压力下工质的蒸发温度，当工质蒸汽由于密度较低向上扩散到达温度较低的热管上部时，在其内壁凝结为液体并顺内壁流至下部吸热段a再次蒸发，如此往复，直至将热管底部的热量高效传递至热管上部放热段c放热。由于换热管具有传热效率高且不需要循环泵的优势，故被广泛应用于地埋管换热器。

现有的地埋管换热器多为单制热式热管型，申请号为200910080776.8的中国发明专利所公开的“用于地下换热的热管型地埋式低温高效换热管”即为其一(见图3)，其组成部分包括管壳5、受热端1、放热端4、翅片3以及管壳5内的工质2，其技术要点在于做功工质的选择及真空的制作工艺；所述的管壳5是一个内部保持真空的密封容器，所述管壳5内部的工质2始终处于气液两相共存的饱和状态，且无不可凝气体。工作时处于下部吸热段a内的工质吸热汽化产出蒸气，蒸气分子流向上部，在放热段c内的冷壁上凝结并释放汽化潜热，随后，凝结的工质回流而下，重新吸热汽化，循环不已。

上述“用于地下换热的热管型地埋式低温高效换热管”，只能实现供热功能，不能满足制冷需求，故只适用于寒冷地区，不适用于有较大制冷需求的夏热冬冷及夏热冬暖地区使用。

由于土壤的导热系数一般介于1-3W/(m·K)之间，相对于导热系数约为400W/(m·K)的金属铜和导热系数约为80W/(m·K)的金属铁来说，其导热能力较差，由此带来的问题是：单制热式地埋管不断的从土壤中取热，而热管向地下土壤排放的冷量却难以在短时间内散出，以至在地埋管周围产生冷量堆积；又由于其地下部分长期处于吸热运行状态，必然使地埋管周围的土壤温度逐渐降低，当热管下部周围土壤的温度低于工质的蒸发温度后，工质将无法蒸发，致使热管内的吸热、放热循环无法进行，从而造成热管失效。

德国卡尔斯鲁厄大学和德国FKW热泵公司研究所曾在2008年联合发表了一篇关于热管型地埋管换热器实验研究的论文(DeepBoreholeHeatExchangerwithaCO2GravitationalHeatPipe.GeoCongress2008.)，该论文实验所用的热管型地埋管换热器与图3所示用于地下换热的热管型地埋式低温高效换热管的原理相似，只是将工质换成了二氧化碳。

图4示意了二氧化碳工质热管的工作区间。

参照图4可知，在特定压力下，二氧化碳工质从液态变为气态时的蒸发温度是固定的，所以，当外界土壤由于长期向热管放热而温度降低时，土壤的温度将会低于管内工质的蒸发温度，以至工质无法蒸发。可见，前述论文实验所用的热管型地埋管换热器，同样没有考虑到土壤温度下降后对工质蒸发温度的影响，故同样存在热管失效的问题，并且同样不能满足制冷需求，只能应用于冬季供热。

图5示意了某地埋管地源热泵项目运行一年的地下土壤温度变化情况。该项目采用的地埋管为U型垂直地埋管，既可在冬季供热，也可在夏季供冷，但冬季的总热负荷要大于夏季的总冷负荷。