一种以冻结管为地下换热器的热泵装置.pdf

本发明涉及一种以冻结管为地下换热器的热泵装置，所述装置利用冻结管作为地下热交换器为热泵提供稳定的热源和冷源，冬季和夏季运行时可通过改变地下热交换器中的水流方向以达到最佳的换热效果。热泵的最终热源或冷源为土壤和地下水，热泵的出水端连接用户，冬季提供采暖洗浴的热源夏季提供空调的冷源。

1、  一种以冻结管为地下换热器的热泵装置，其特征是包括冻结管1，循环管2，蒸发器3，压缩机4，冷凝器5，节流阀6，用户7，浅部循环管8，引出管9以及连接管路构成，蒸发器3，压缩机4，冷凝器5，节流阀6顺序连接构成制冷回路，冻结管1与循环管2、浅部循环管8、引出管9、蒸发器3、冷凝器5构成地下能量采集回路。

2、  根据权利要求1，所述的一种以冻结管为地下换热器的热泵装置，其特征在于在冬季运行时循环管2出水连接蒸发器3的进水，蒸发器3的出水连接引出管9的进水。

3、  根据权利要求1，所述的一种以冻结管为地下换热器的热泵装置，其特征在于在夏季运行时，引出管9的出水连接冷凝器5的进水，冷凝器5的出水连接循环管2的进水。

4、  根据权利要求1，所述的一种以冻结管为地下换热器的热泵装置，其特征在于冬季运行引出管9进水，循环管2出水，夏季运行循环管2进水，引出管9出水。

5、  根据权利要求1，所述的一种以冻结管为地下换热器的热泵装置，其特征在于浅部循环管8进水与冷凝器5出水连接。

一种以冻结管为地下换热器的热泵装置
技术领域
本发明涉及冻结管地下换热技术，也涉及热泵技术，特别是冻结管为地下换热器的热泵装置。
背景技术
在有较厚表土的地质条件下，开凿井筒前，一般先将井筒周围含水层用人工制冷方法冻结成封闭的圆筒形冻结壁，以抵抗地压并隔绝地下水与井筒的联系，在冻结壁的保护下进行掘砌作业。冻结施工顺序是在井筒周围钻若干冻结孔，孔内安装由供液管、回液管和底端封闭的冻结管组成的冻结器；地面冷冻站将制出的低温媒剂(一般为-20～-35℃的盐水)循环输送到冻结器内，吸收地层的热量，使含水层形成以冻结管为中心的冻结圆柱，逐渐扩大与相邻的冻结圆柱连成封闭的冻结壁。冻结壁达设计厚度后，即可进行井筒掘砌作业，直到顺利穿过不稳定地层为止。
目前，在我国利用地源热泵取代传统的锅炉供热技术，已经取得非常成功的应用。地源热泵系统能否正常运行的关键为是否设计和布置了合理的地下换热器。地下换热器一般由埋藏深度为60～120m的U型PE管组成。地下换热器的施工需要较大的占地面积和较高的安装成本。而对于矿山企业来说，大量的冻结管在冻结施工完成后都将废弃，以冻结管的孔径为150mm，深度500m，平均地层温度为20℃计算，单个冻结管换热量可达到50kW以上，换热量相当于12个钻孔深度为100m的普通地埋管换热器，可以提供的供暖面积为800m²。
发明内容
本发明的目的是：提出一种以冻结管为地下换热器的热泵装置，将冻结管改造成为地下换热器，与土壤和地下水进行热交换，为热泵提供稳定的热源或热汇，冬季地下换热器作为蒸发端吸收热量，通过热泵的提升为用户提供45～65℃的热源，满足建筑物采暖及洗浴热水加热的需求。夏季地下换热器作为放热端，吸收经热泵从建筑物里面带出的热量，为用户提供5～12℃的冷源，满足建筑物空调的需求。本发明还在于：利用本装置可以低成本高效率的提取冻结管周围的热量，用于矿山企业的采暖、洗浴和夏季空调，并且对环境无任何的污染和破坏。
本发明的目的是这样实现的，一种以冻结管为地下换热器的热泵装置，循环管2插入冻结管1中，冻结管1顶部密封并设置引出管9，冻结管1和循环管2组合成套筒式地下换热器，地下换热器与土壤和地下水进行热交换。冬季，循环管2的出水端(即热源水)，与蒸发器3的进水端连接，热源水在蒸发器3中与氟利昂进行热交换，热量被氟利昂吸收，温度降低后由引出管9进入冻结管1，与土壤及地下水进行热交换后从循环管2出来，再进入蒸发器3。吸收热量后的氟利昂通过压缩机4压缩，温度升高压力增加，进入冷凝器5，氟利昂的热量转移到从用户7来的循环水中，温度降低后通过节流阀6节流降温降压，进入蒸发器3中吸收热量。从用户7出来温度较低的循环水进入冷凝器5，温度升高后，返回热用户7。夏季，引出管9的出水端(即冷源水)，与冷凝器5的进水端连接，冷源水在冷凝器5吸收热量温度升高后从循环管2进入热交换器，向土壤和地下水排放热量。氟利昂在冷凝器5中冷却后通过节流阀6节流，降温降压后，进入蒸发器3吸收由用户7来的冷冻水中热量，温度升高后经压缩机4压缩，进入冷凝器6将热量传递给冷源水。在用户7中吸收热量后的冷冻水进入蒸发器3放热，温度降低后再进入用户7。在冻结管下部温度较高的矿井，夏季从冷凝器5出来的高温冷源水从浅部循环管8进入地下换热器，与热交换器的上层土壤及地下水进行热交换，避开冻结管下部的高温区对夏季排热的不良影响。
本发明的最大优点是利用冻结管和循环管组合成的新型地下热交换器，高效的与土壤和地下水进行热交换，吸收土壤和地下水中的热量或冷量，从而在冬季向用户提供稳定的采暖、洗浴的热源，夏季向用户提供稳定的空调冷源。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1本发明冬季工作原理及系统示意图
图2本发明夏季工作原理及系统示意图
图3本发明分层取热工作原理及系统示意图
图中，1.冻结管，2.循环管，3.蒸发器，4.压缩机，5.冷凝器，6.节流阀，7.用户，8.浅部循环管，9.引出管。
具体实施方式
在图1中，从循环管2中出来的8～18℃的热源水，进入蒸发器3中释放热量，温度降低为2～10℃后，由引出管9进入冻结管1继续吸收热量，蒸发器3中的氟利昂吸收热量后温度升高为5～13℃再经压缩机4后温度升高到50～70℃进入冷凝器5，温度降低为45～65℃后通过节流阀6，温度降低为0～8℃进入蒸发器3。从用户7过来的40～50℃的循环水经过冷凝器5加热后温度升高为45～65℃后再进入用户7。
图2所示示例中，从冻结管1中出来的20～30℃冷却水由引出管9进入冷凝器5中，温度升高为25～35℃进入循环管2向土壤和地下水排放热量，温度降为20～30℃再次进入冷凝器5，冷凝器5中的氟利昂温度从30～35℃降为25～30℃后，经节流阀6温度降为3℃左右进入蒸发器3，吸收冷冻水的热量后温度升高至8℃左右经压缩机4进入冷凝器5，从用户7出来的12℃的冷冻水经蒸发器3后温度降低为7℃后在进入用户7作为空调的冷源。
图3所示示例中，由冷凝器5中出来的冷却水，从浅部循环管8进入冻结管1，向浅部较低温度的土壤和地下水排放热量，避开冻结管深部的高温对冷却水排热的不利影响，其它部分工作原理与图2相同，不再赘述。