地热能中央空调连接式浅层地热能同井转换装置及方法.pdf

本发明公开了一种地热能中央空调的连接式浅层地热能同井转换装置及方法，包括水源井及井盖，内井管和外井管、出水管、回水管和潜水泵，其中外井管和内井管分别有多个井管段焊接组成，相邻外井管段之间连接有外管密封接头，外管密封连接头的内壁相应位置设置有橡胶环锥台，并在内井管外壁上的对应位置分别设置橡胶锥片，橡胶锥片与橡胶环锥台的锥面能够匹配套装和支撑；本发明可以确保外管密封接头与橡胶锥片完全贴合不留间隙。内井管中部各接点在焊接时只需将内井管向上拉出一定高度H便于操作即可，由于外管密封接头与橡胶锥片始终完全贴合，不用考虑焊接误差因素，施工方便简单，效率高，效果好。

权利要求书
1.  一种地热能中央空调连接式浅层地热能同井转换装置，包括水源井及井盖，内井管和外井管、出水管、回水管和潜水泵，其特征是：所述外井管和内井管分别有多个井管段焊接组成，相邻外井管段之间连接有外管密封接头，或者在外管密封接头与相邻外井管段之间再连接补偿连接头，所述外管密封连接头的内壁相应位置设置有橡胶环锥台，并在内井管外壁上的对应位置分别设置橡胶锥片，且橡胶锥片的上侧面增设有金属衬板，所述橡胶锥片与橡胶环锥台的锥面能够匹配套装和支撑；位于下层的橡胶锥片外径不大于上层橡胶环锥台内径；外井管套装在水源井内侧，内井管套装于外井管中心，外井管位于橡胶环锥台之间的管壁上设置透水孔；出水管携带潜水泵吊装于内井管中的水位线以下，多个回水管分别引流至相邻锥形隔离支撑层之间区域内。

2.  根据权利要求1所述的地热能中央空调连接式浅层地热能同井转换装置，其特征是：锥形隔离支撑层是在外井管内壁相应位置设置内支撑环，所述橡胶环锥台固定在内支撑环外侧。

3.  根据权利要求1所述的地热能中央空调连接式浅层地热能同井转换装置，其特征是：在出水管与内井管之间为空气隔热层，或者在出水管与内井管之间的夹层内灌注隔热材料形成隔热层，以避免回灌水与出水产生冷热交换。

4.  根据权利要求1所述的地热能中央空调连接式浅层地热能同井转换装置，其特征是：在水源井的井壁与外井管之间设置有环形渗水层，该环形渗水层为整体式环形渗水材料，或者环形渗水层设置了内、外支撑网并在内、外支撑网夹层中填充渗水材料，或者环形渗水层是填充于支撑透水管与土壤层之间的砾石料。

5.  一种浅层地热能同井转换装置的灵活式连接方法，其特征是：水源井成井后，将多组带孔外井管段与实心内井管段配对并逐对先后吊装下井，其中各内井管段的下方固定有橡胶锥片，相邻外井管段之间需焊接外管密封接头，在外管密封接头的内壁上设置有橡胶环锥台，每个橡胶环锥台与对应橡胶锥片的锥面能够匹配贴合在一起；位于下层的橡胶锥片外径不大于上层橡胶环锥台内径；（1）先将外管密封接头与对应橡胶锥片的锥面匹配贴合对接，（2）然后将内井管提升一定高度H后与相邻内井管进行焊接，（3）内井管段焊接后再将外管密封接头随内井管同步下降一定高度H，（4）再将外管密封接头与相邻外井管段焊接在一起；重复以上步骤（1）-步骤（4）直至最后一段内外井管焊接完成；出水管携带潜水泵吊装于内井管中的水位线以下，多个回水管分别引流至相邻橡胶环锥台之间区域内，对井口上盖密封。

6.  根据权利要求5所述的浅层地热能同井转换装置的灵活式连接方法，其特征是：如果外管密封接头与相邻外井管段之间存在间隙无法直接焊接，则可以在间隙中焊接补偿连接头保持相连焊接即可。

7.  根据权利要求5所述的浅层地热能同井转换装置的灵活式连接方法，其特征是：先将外管密封接头与对应橡胶锥片的锥面匹配贴合，再简单固定，确保外管密封接头与橡胶锥片始终完全贴合不留间隙，待外管密封接头与下部外井管段焊接后取出简单固定。

8.  根据权利要求5所述的浅层地热能同井转换装置的灵活式连接方法，其特征是：在外井管内壁相应位置设置内支撑环，橡胶环锥台固定在内支撑环外侧，橡胶锥片上侧面增设金属衬板，金属衬板焊固在内井管外壁上。

9.  根据权利要求5所述的浅层地热能同井转换装置的灵活式连接方法，其特征是：保持外井管与水源井内壁有环形间隙，在环形间隙中填充渗水材料形成环形渗水层。

说明书地热能中央空调连接式浅层地热能同井转换装置及方法
技术领域
本发明属于地（热）能中央空调领域中关于浅层地（热）能利用同井转换装置，尤其涉及一种地（热）能中央空调地（热）能利用同井转换装置。
背景技术
地（热）能中央空调，是以温度长年恒定的地下水为传递地热能介质，通过热泵机组，提高或降低水温来达到制冷、制热目的，为建筑物提供冷、热源的中央空调。由于其能效比高，比传统的其它形式中央空调节能40～60%，节能降耗效果显著而逐步受到政府、机关、企业单位的青睐，同时达到了大多数的用户的认可。目前，已实施安装水源热泵中央空调的回水方式均采用“多井回灌”方式。即从一口水源井抽水，通过热泵主机的换热器将水中的冷量或热量取走后将水排出，向二口或二口以上的水源井回灌。此方式优点是能效比高，但存在排出的水无法及时全部回灌至地下的问题。首先，由于回水是在井口敞开式无压力自然流淌，不仅回流速度慢，而且容易造成回水污染。而无法及时回到地下的水，会从井口溢出或由管道直接排放至地面。长期的排放，不仅导致水资源的浪费，还可能导致地下水位下降甚至枯竭，进而影响到周边建筑物的安全；其次，需要打的井数较多，需占用的土地面积大，在占地面积较小的建筑群（物）中无法使用。“多井回灌”方式的上述缺点，使得水源热泵中央空调的节能优势被抵消，是在水源热泵中央空调推广，实施节能降耗、改善环境的过程中的一个瓶颈问题，也是国家水利部门严格禁止的行为。
由于其弊端已经大面积显现，主要表现在取用的地下水不能做到100%全部回灌至地下，转而向地面排放，造成水源井淤塞、水位下降。此方式在“取用”地下水温度的同时，还“使用” 了地下水，造成了宝贵的水资源极大的浪费，同时使水源热泵中央空调因无水可用而导致整个系统瘫痪。因此。“多井回灌”方式的缺点成为水源热泵中央空调推广和发展的瓶颈。
现有同井回灌技术中，采用内外管分别安装的方式，例如专利公布号为CN 103982956 A的专利文献中，公开了由内井管和外井管的同井回灌技术，首先需要向井内下入外井管，到位后再下内井管。外井管内部设置有与内井管外壁之间相互配合的接触面和隔离结构，只有每个接触段的长度完全相同才能保持彼此密封连接，但由于井深通常上百米，外井管和内井管分别独立的许多段通过焊接组成，而且不同井深情况不同需要现场进行切割与焊接作业，内、外井管分别下井后因位移、切割误差或焊接误差等因素影响，误差积累程度之大导致内井管与外井管之间的接触性密封性能不好，实际很难做到全部隔离层都实现密封连接。另外，由于密封对接过程发生在井下，处于盲区，无法下人操作、维护和检测，隔离层会阻挡焊口位置，如果将内井管拉出在隔离层以上进行焊接，焊接后再下内井管就不能保证精度，使内外井管的支撑力度和密封严密性不可预知，这是同井回灌设备在施工中存在的重要难题，该方案在日后的潜水泵费时、费工，长时间影响空调的使用。
发明内容
本发明不仅要完全克服“多井回灌”的缺陷，使回水能100%全部回灌至地下，还能使出水温度始终保持在合适的温度；同时利用内外管一体式的组装结构可以使产品规格统一化和标准化，避免内外井轴向错位问题，可使对接作业处于井外进行，确保密封连接的可操作性，提高密封对接质量和施工效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种地热能中央空调连接式浅层地热能同井转换装置，包括水源井及井盖，内井管和外井管、出水管、回水管和潜水泵，所述外井管和内井管分别有多个井管段焊接组成，相邻外井管段之间连接有外管密封接头，或者在外管密封接头与相邻外井管段之间再连接补偿连接头，所述外管密封连接头的内壁相应位置设置有橡胶环锥台，并在内井管外壁上的对应位置分别设置橡胶锥片，且橡胶锥片的上侧面增设有金属衬板，所述橡胶锥片与橡胶环锥台的锥面能够匹配套装和支撑；位于下层的橡胶锥片外径不大于上层橡胶环锥台内径；外井管套装在水源井内侧，内井管套装于外井管中心，外井管位于橡胶环锥台之间的管壁上设置透水孔；出水管携带潜水泵吊装于内井管中的水位线以下，多个回水管分别引流至相邻锥形隔离支撑层之间区域内。
锥形隔离支撑层是在外井管内壁相应位置设置内支撑环，所述橡胶环锥台固定在内支撑环外侧。
在出水管与内井管之间为空气隔热层，或者在出水管与内井管之间的夹层内灌注隔热材料形成隔热层，以避免回灌水与出水产生冷热交换。
在水源井的井壁与外井管之间设置有环形渗水层，该环形渗水层为整体式环形渗水材料，或者环形渗水层设置了内、外支撑网并在内、外支撑网夹层中填充渗水材料，或者环形渗水层是填充于支撑透水管与土壤层之间的砾石料。
一种地热能同井转换装置的灵活式连接方法，水源井成井后，将多组带孔外井管段与实心内井管段配对并逐对先后吊装下井，其中各内井管段的下方固定有橡胶锥片，相邻外井管段之间需焊接外管密封接头，在外管密封接头的内壁上设置有橡胶环锥台，每个橡胶环锥台与对应橡胶锥片的锥面能够匹配贴合在一起；位于下层的橡胶锥片外径不大于上层橡胶环锥台内径；（1）先将外管密封接头与对应橡胶锥片的锥面匹配贴合对接，（2）然后将内井管提升一定高度H后（超出已安装的外井管管口，以便焊接操作）与相邻内井管进行焊接，（3）内井管段焊接后再将外管密封接头随内井管同步下降一定高度H，（4）再将外管密封接头与相邻外井管段焊接在一起；重复以上步骤（1）-步骤（4）直至最后一段内外井管焊接完成；出水管携带潜水泵吊装于内井管中的水位线以下，多个回水管分别引流至相邻橡胶环锥台之间区域内，对井口上盖密封。如果外管密封接头与相邻外井管段之间存在间隙无法直接焊接，则可以在间隙中焊接补偿连接头保持相连焊接即可。上述方案中，可以先将外管密封接头与对应橡胶锥片的锥面匹配贴合，再简单固定，确保外管密封接头与橡胶锥片始终完全贴合不留间隙，待外管密封接头与下部外井管段焊接后取出简单固定。
在外井管内壁相应位置设置内支撑环，橡胶环锥台固定在内支撑环外侧，橡胶锥片上侧面增设金属衬板，金属衬板焊固在内井管外壁上。
保持外井管与水源井内壁有环形间隙，在环形间隙中填充渗水材料形成环形渗水层。
本发明的有益效果是：
1. 本发明上述方案是将外井管与内井管逐段先后吊装下井。先将各外管密封接头与对应橡胶锥片的锥面匹配贴合对接简单固定，然后将内井管提升一定高度H后与相邻内井管进行焊接，再将外管密封接头随内井管同步下降一定高度H，使外管密封接头与相邻外井管段焊接在一起，去除简单固定。如果外管密封接头与相邻外井管段之间存在间隙无法直接焊接，则可以在间隙中焊接补偿连接头保持相连焊接即可。这样可以确保外管密封接头与橡胶锥片完全贴合不留间隙。内井管中部各接点在焊接时只需将内井管向上拉出一定高度H便于操作即可，由于外管密封接头与橡胶锥片始终完全贴合，不用考虑焊接误差因素，施工方便简单，效率高，效果好。
本发明设计结构更合理，可以允许内井管和外井管长度不完全相等，降低施工难度，对切割误差和焊接误差有较宽的允许范围，提高工作效率。即使在较大误差范围内，内管可以实现自动伸或缩补偿，克服井下盲区内多个隔离支撑层对接不严密问题和承力不平均问题。避免因轴向不统一造成的误差或移位，可以确保每段对接都处于最佳连接状态。避免因下置井管不当，导致土壤井壁坍塌，造成水源井报废。
通过设置橡胶环锥台，以及下层的橡胶锥片外径不大于上层橡胶环锥台内径，可以很方便地将内井管放入外井管中，以及很方便地将内井管从外井管中取出，为装井和维护带来方便，提高施工效率和降低维护成本和难度。本发明具有三层施工结构，其外井管一次性下井后永久使用；内井管与外井管的合理结构确保内井管可以在数年甚至数十年期间进行出井维护；吊装于内井管中的潜水泵，可以根据实际需要随时提升或下降或进行维护。
4.通过在车间内产业化制造和加工，使产品规格统一化和标准化，避免内外井轴向错位问题，确保密封连接的可操作性，提高密封对接质量。产业化的标准件利于现场快速、准确定位和施工。装管速度至少提高一倍。
5.潜水泵高度可以提升至内井管中部位置，而不用连接在内井管底部，节约了出水管长度和电缆线长度，也降低维护难度。
在同一口井内实现等量的出水、回水，并使回水在与土壤进行充分的热交换后，温度达到初始阶段的出水温度；同时使回水与出水管管壁接触过程中，不与已达到初始出水温度的出水产生新的热交换，从而可以大幅提高水源热泵机组效率。多对密封隔离层组成多层回水空间，实现多路同时回水的目的，再借助于高压回水，确保单井即可完成全部回水任务。借助于环形渗水层及土壤层，降低回水流动速度，以便温度高低的回水与地层充分进行冷热交换后在将回水汇总于地下水，最终达到同井水资源循环的目的。从而避免水资源的浪费，避免地下水位因移动而下降甚至枯竭，确保地下构造稳定及周边建筑物的安全。此方式使地下水始终处于密闭状态，第一，对水本身没有任何污染；第二，丝毫不浪费地下水；第三，由于采用复合式出水源井管，将已取走的冷量、或热量的回水通过空气隔绝，彻底杜绝了彼此之间的接触，使之不会因出、回水的温差而产生新的热交换，保持了出水温度的恒定。本发明将抽出的水被全部回灌至地下，真正地做到了只“利用”地下水的热量和冷量而不浪费宝贵的地下水资源。占地面积小，保证了地下水位正常，且不会影响建筑物的基础，使得面积狭小的场地也能采用节能的水源热泵中央空调。
附图说明
图1是本发明的剖面结构示意图。
图中标号1为外井管，2为内井管，3为出水管，4为回水管，5为井盖，6为橡胶环锥台，7为衬板，8为橡胶锥片，9为外管密封接头，10为补偿连接头，11为内支撑环，12为内井管焊接处，13为潜水泵，14为外井管焊接处，15为环形渗水层。
具体实施方式：
实施例1：参见图1，一种水源热泵中央空调水源井连接式同井回灌装置，包括水源井及井盖，内井管和外井管、出水管、回水管和潜水泵，环形渗水层等。
外井管和内井管分别有多个井管段焊接组成，外井管段和内井管段最好配对以便统一处理。相邻外井管段之间连接有外管密封接头，也可以根据需要在外管密封接头与相邻外井管段之间再连接补偿连接头。并在锥形隔离支撑层是在外井管内壁相应位置设置内支撑环，橡胶环锥台固定在内支撑环外侧。在所述内井管外壁上的对应位置分别设置橡胶锥片，且橡胶锥片的上侧面增设有金属衬板。所述橡胶锥片与橡胶环锥台的锥面能够匹配套装和支撑。
位于下层的橡胶锥片外径不大于上层橡胶环锥台内径。
外井管套装在水源井内侧，内井管套装于外井管中心，外井管位于橡胶环锥台之间的管壁上设置透水孔；出水管携带潜水泵吊装于内井管中的水位线以下，多个回水管分别引流至相邻锥形隔离支撑层之间区域内。
另外，还可以在出水管与内井管之间为空气隔热层，或者在出水管与内井管之间的夹层内灌注隔热材料形成隔热层，以避免回灌水与出水产生冷热交换。
在水源井的井壁与外井管之间设置有环形渗水层，该环形渗水层为整体式环形渗水材料，或者环形渗水层设置了内、外支撑网并在内、外支撑网夹层中填充渗水材料，或者环形渗水层是填充于支撑透水管与土壤层之间的砾石料。
实施例2：一种同井回灌装置的灵活式连接方法，参见图1，在水源井成井后，将多组带孔外井管段与实心内井管段配对并逐对先后吊装下井。
其中各内井管段的下方固定有橡胶锥片，橡胶锥片上侧面增设金属衬板，金属衬板焊固在内井管外壁上。
相邻外井管段之间需焊接外管密封接头，在外井管内壁相应位置设置内支撑环，橡胶环锥台固定在内支撑环外侧。
每个橡胶环锥台与对应橡胶锥片的锥面能够匹配贴合在一起。位于下层的橡胶锥片外径不大于上层橡胶环锥台内径。
某对外井管段和内井管段与相邻上侧一对外井管段和内井管段的焊接过程是：（1）先将外管密封接头与对应橡胶锥片的锥面匹配贴合对接，并简单固定，可以利用铁丝或简单固定工具；（2）然后将内井管段提升一定高度H，超出已安装的外井管段的管口，以便焊接操作，并将该将内井管段与相邻内井管段进行焊接；（3）相邻两个内井管段焊接后，再将外管密封接头随内井管同步下降一定高度H，（4）再将外管密封接头与相邻外井管段焊接在一起，如果外管密封接头与相邻外井管段之间存在间隙无法直接焊接，则可以在间隙中焊接补偿连接头保持相连焊接即可；焊接后可去除外管密封接头和对应橡胶锥片之间的简单固定。重复以上步骤（1）-步骤（4）直至最后一段内外井管焊接完成。
出水管携带潜水泵吊装于内井管中的水位线以下，多个回水管分别引流至相邻橡胶环锥台之间区域内，对井口上盖密封。上述方案中，可以先将外管密封接头与对应橡胶锥片的锥面匹配贴合，再简单固定，确保外管密封接头与橡胶锥片始终完全贴合不留间隙，待外管密封接头与下部外井管段焊接后取出简单固定。
保持外井管与水源井内壁有环形间隙，在环形间隙中填充渗水材料形成环形渗水层15。环形渗水层15的形式多样，例如以下三种结构：（1）可以使整体式环形渗水材料；（2）可以将环形渗水层15设置内、外支撑网并在内、外支撑网夹层中填充渗水材料；（3）环形渗水层15是填充于支撑透水管与土壤层之间的砾石料。