[发明专利]桩埋螺旋管式地源热泵系统及其地热换热器的传热模型

说明书

技术领域：

本发明涉及的是一种在桩基中埋设螺旋管作为地热换热器的桩埋螺旋管式地源热泵系统及其地热换热器的传热模型，属于建筑环境与设备工程、制冷工程技术及相关传热领域。 

背景技术：

地源热泵系统是一种利用地下浅层地热资源(包括地下水、地下岩土或地表水等)，既可供热又可制冷的高效节能装置。其中地埋管地源热泵系统较少受环境条件的限制，因而正日益受到重视。它利用地下土壤温度相对稳定的特性，在投入少量高位能的基础上，通过埋在地下的地埋管地热换热器与大地进行冷热交换，实现夏季制冷、冬季供暖，还可以提供生活用热水，是国家重点推广应用的实现建筑节能减排的新技术。但由于地源热泵空调系统的初投资较高使其应用受到限制，钻孔施工费用居高不下是造成初投资较高的主要原因。 

针对目前建筑物桩基的使用日益普及，把地埋管与建筑桩基础结合已成为应用地源热泵技术的一个新热点。由于桩基础的深度通常远小于竖直钻孔埋管的深度，在目前国内外不多的已有桩埋管研究应用中，桩基埋管主要采用了四种形式：串联双U型(W型)、单U型、并联双U型和并联三U型。但是，在相对较短的桩中采用单U型管，管的传热面积太少，不能充分发挥桩的作用；W型管易在桩中最高端集气，引起流动的阻塞；并联双U和三U管虽然增加了管在桩中总的传热面积，但是流体单程的行程仍偏短，多个U型管并联设置造成流通截面过大，换热器进出口温差偏小，使换热效果恶化，同时增加了循环水泵的功耗和运行费用。 

螺旋管具有传热系数比直管的高，在相同空间里可得到更大的传热面积，布置更长的管道，更具有安全性的特性。在地源热泵系统的地埋管换热器中，就有螺旋埋管换热器。螺旋埋管可以增加管与土壤的接触面积，但因其不易施工，主要应用于水平埋管形式。如果将其应用于竖直埋管，需要解决在土壤中盘绕时管间距不易确定的困难，因此目前的文献中几乎查不到关于竖直螺旋埋管的资料。但如果将竖直螺旋管与桩基结合，则很容易解决施工上的困难，实施方式可以是将螺旋盘管固定在建筑物地基的预制空心钢筋笼中，然后随钢筋笼一起下到桩井中，再浇注混凝土。因此提出在桩基(预制管桩、灌注桩、地下连续墙)中埋设螺旋管的地源热泵系统，即桩埋螺旋管式地源热泵系统。该系统在桩径大或桩的数量多时可能完全满足建筑物的需要，当桩埋螺旋管地热换热器不足以承担全部建筑空调负荷时，不足部分可采用钻孔竖直埋管，或者采用其他冷热源来补充，这可以通过设计来解决。 

和其他埋管方式相比，桩埋螺旋管式地源热泵系统充分利用建筑物的地下面积，通过桩基与周围大地形成换热，省去大量的钻孔和埋管费用，并且大大提高施工效率，施工也极为方便快捷，这将为地源热泵系统的应用开辟更为广阔的前景。 

地热换热器的传热研究一直是地源热泵技术的难点、核心和应用基础。现有的桩基埋管工程中只能依靠试验或经验进行传热的估算。与钻孔相比，桩基础的体量大，其径向尺度和热容量都不能忽略，针对钻孔埋管的传热模型已不再适用。针对桩埋螺旋管换热器的特点，不同于已有的地热换热器线热源模型和空心圆柱面热源模型，本专利提出了实心介质中的圆柱面热源模型。利用该理论模型可以对桩埋螺旋管地热换热器的各参数对其传热能力的影响进行定量的分析，并为工程设计提供了依据。 

在已有的专利中，如200610017286.X《保温式多组管状换热器地能转换预应力混凝土管桩》，仅简单叙述在采用的预应力混凝土管桩管内孔中，直接下置多组U型管状换热器或螺旋型盘管换热器，并没有对桩中螺旋盘管做更多的介绍。在200620028157.6《螺旋盘管浅层地热转换预成孔灌注型桩》中，虽然将螺旋盘管应用于桩中，但仅针对预成孔灌注型桩，而 且没有对地源热泵系统进行详细的描述。另外在已有的桩埋管地源热泵中，都没有提出其桩埋管地热换热器的传热分析方法，这将成为桩埋管的设计和应用的一个重要障碍。 

发明内容：

本发明的目的就是为了克服已有技术的不足，提供一种具有满足可持续发展和节能减排对制冷空调行业在节能和环保上的要求，且结构简单，使用方便等优点的桩埋螺旋管式地源热泵系统及其地热换热器的传热模型。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种桩埋螺旋管式地源热泵系统，它包括地热换热器，地热换热器通过管路与空调热泵系统连接，空调热泵系统则与向建筑物内的输送和末端系统连接，所述地热换热器有多个，每个地热换热器由建筑物桩基和安装在桩基内的螺旋管组成桩埋螺旋管式地热换热器。 

所述每个螺旋管为单螺旋或双螺旋式盘绕。 

所述各螺旋管串联或并联。