[發明專利]一種人造含水層結合淺層同軸套管的新型地源熱泵系統

有效

• 申請號: 202110373248.2
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113203213B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 郭亮亮;靳佩樺;王子紅;周雪雨
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: F24T10/17
• 分類號: F24T10/17;F24T10/20;F24T10/00;F25B30/06;F24D11/00
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 任林芳

本發明屬于地源熱泵技術領域，具體是一種人造含水層結合淺層同軸套管的新型地源熱泵系統。包括設置在場地兩側的地下水槽I和地下水槽II，地下水槽I和地下水槽II之間設置有帶有斜坡的地下人造含水層，地下人造含水層上層設置有原位土壤，原位土壤上側為反斜坡，反斜坡地下鋪設有水利回路管線；所述的場地內設置有若干鉆孔，鉆孔內側設置有一層水泥注漿層，水泥注漿層內側設置有外管，外管內設置內管。

技術領域

本發明屬于地源熱泵技術領域，具體是一種人造含水層結合淺層同軸套管的新型地源熱泵系統。

背景技術

目前的地源熱泵主要采用淺層地埋管的形式進行供暖及制冷，這種形式存在以下問題：目前地埋管主要選用PVC管，該管導熱系數很低，約為0.4 W/(m·K)，而且鉆孔回填中易產生大孔隙，進一步降低了鉆孔整體導熱系數，造成管內循環工質與地層之間綜合導熱系數低，使得單孔換熱量較低，需要大量的鉆孔才能滿足建筑負荷要求，因此既占用了大量土地面積，又增加了投資，阻礙了地源熱泵的推廣。

要想解決以上問題，需要增加管內循環工質與地層之間的導熱系數。這二者之間主要包括地埋管和回填材料（導熱系數約為1.4 W/(m·K)，如果回填工藝不好產生孔隙，導熱系數會大大降低）。地層導熱系數一般為1.8~4 W/(m·K)，其中黏土地層導熱系數較低，火成巖地層導熱系數較高。近年來中深層同軸套管供暖比較熱門，取得了較好的效果。具體結構及運行見圖2，水從內外管之間的環空注入到管底部，再通過內部絕熱管抽出。外管采用鋼管（導熱系數約為45 W/(m·K)），水泥注漿導熱系數約為1.6 W/(m·K)，而且該注漿工藝在石油上非常成熟，可避免大孔隙產生。因此，循環工質與地層之間導熱系數比傳統地埋管大很多，每延米換熱量可達100~150 W/m，是傳統地埋管的3~4倍。然而，中深層同軸套管系統的缺點是目前只能供暖，而且深井費用太高。

天然地下水的滲流對地埋管換熱有增益效果，但是申請人通過研究發現這種增益是有條件的，必須同時使鉆孔綜合導熱系數和地下水流速達到某一值時才有效。若單純采用同軸套管形式，即使鉆孔綜合導熱系數得到大幅提升，由于天然地下水流速較低（細砂巖約0.01m/d），因此幾乎沒有增益效果。若單純提高地下水流速，而采用傳統地埋管形式，由于導熱系數太低的緣故，因此也幾乎沒有增益效果。

發明內容

本發明為了解決上述問題，提供一種人造含水層結合淺層同軸套管的新型地源熱泵系統。

本發明采取以下技術方案：一種人造含水層結合淺層同軸套管的新型地源熱泵系統，包括設置在場地兩側的地下水槽I和地下水槽II，地下水槽I和地下水槽II之間設置有帶有斜坡的地下人造含水層，地下人造含水層上層設置有原位土壤，原位土壤上側為反斜坡，反斜坡地下鋪設有水利回路管線；所述的場地內設置有若干鉆孔，鉆孔內側設置有一層水泥注漿層，水泥注漿層內側設置有外管，外管內設置內管。

進一步的，地下水槽I和地下水槽II為墻體狀結構；地下水槽I頂面的高程與地下水槽II頂面的高程相同，地下水槽I底面的高程大于地下水槽II底面的高程；地下水槽I面向含水層的一面均勻開有漏孔；地下水槽II分為上下兩段，地下水槽II的下段內側與地下人造含水層連接，并且該段面相含水層的一面均勻開有漏孔，地下水槽II的上段沒有漏孔。

進一步的，地下水槽II上段的高度為H1，H1的計算方法如下：（1）通過對整個系統進行數值模擬，得出最優地下水流速v；（2）根據達西定律求解H1=v·L/K，其中L是A1B0之間的水平距離，K是含水層滲透系數。

進一步的，反斜坡表面設置有防滲層。

進一步的，地下人造含水層為充填有堅硬巖石形成的孔隙介質含水層，地下人造含水層的下水流速值1 m/d。

進一步的，所述的垂直地下水流方向相鄰鉆孔的間距為L1，平行地下水流方向相鄰鉆孔的間距為L2，L1和L2的數值根據不同厚度人造含水層，模擬當地下水流速為1m/d時得到的鉆孔附近溫度場影響范圍。