地源熱泵地埋管專利技術(shù)綜述

李 冬

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北 武漢 430070）

1 地埋管地源熱泵系統(tǒng)的基本原理與分類

地埋管地源熱泵系統(tǒng)是由傳熱介質(zhì)通過豎直或水平土壤換熱器與巖土體進行熱交換的地源熱泵系統(tǒng)，也稱地耦合系統(tǒng)。利用巖土體作為熱泵的低位熱源， 與空氣源熱泵相比地埋管地源熱泵系統(tǒng)機組不需要風(fēng)機，噪聲小，不需要除霜，從而節(jié)省熱泵的除霜損失，提高地源熱泵運行的可靠性。 同與利用地下水、地表水為低位熱源的水源熱泵相比， 適用范圍較廣， 它不受地下水、地表水資源的限制，只要有足夠的埋管空間即可。因此，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛。

對于地埋管地源熱泵系統(tǒng)的地埋管換熱器應(yīng)在工程勘察結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)可使用的底面面積、挖掘成本等因素確定埋管方式。地埋管換熱器有水平和豎直兩種埋管方式。當可利用地表面積較大，淺層巖土體的溫度及熱物性受氣候、雨水、預(yù)埋深度影響較小時，宜采用水平地埋管換熱器，否則，宜采用豎直地埋管換熱器。

2 地源熱泵地埋管系統(tǒng)分類特點

地源熱泵地埋管的技術(shù)分支包括地埋管結(jié)構(gòu)、回填材料、地埋管系統(tǒng)零部件以及性能測試設(shè)備。 跟地埋管有關(guān)的分類如表1，主要分布在下列幾個分類號下：F25B30/06，以低勢熱源為特征的熱泵系統(tǒng)；F24F5/00，不包含在F24F 1/00 或F24F 3/00 組中的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)或設(shè)備；F25B29/00，加熱和制冷組合系統(tǒng)，例如交替或同時運轉(zhuǎn)的；G01N25/20 通過測量熱的變化， 即量熱法，例如通過測量比熱測量熱導(dǎo)率。

表1 本領(lǐng)域主要申請分類號分布情況

表2 本領(lǐng)域主要申請人分布情況

表2 是本領(lǐng)域的主要申請人的分布情況，由圖中可見，本領(lǐng)域的申請主要集中在大學(xué)和公司申請中， 其中東南大學(xué)和同濟大學(xué)作為全國院校中建筑專業(yè)實力較強的單位有著很多相關(guān)領(lǐng)域的申請。而天津、北京以及山東作為全國地源熱泵項目較多的區(qū)域和省份， 當?shù)氐墓疽采暾埩溯^多相關(guān)的專利。 從整體來看，地源熱泵地埋管的相關(guān)申請還擁有較強的地域性。

2005年后，我國對可再生能源應(yīng)用與節(jié)能減排工作不斷加強，《可再生能源法》、《節(jié)約能源法》、《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》、《民用建筑節(jié)能管理條例》 等法律法規(guī)相繼頒布和修訂，外加財政部、建設(shè)部兩部委《建設(shè)部、財政部關(guān)于推進可再生能源在建筑中應(yīng)用的實施意見》逐步實施，各省市陸續(xù)出臺相關(guān)的地方政策，設(shè)備廠家不斷增多，集成商規(guī)模不斷擴大，新專利新技術(shù)不斷涌現(xiàn)， 從業(yè)人員不斷增多， 有影響力的大型工程不斷出現(xiàn)，地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用進入了爆發(fā)式的快速發(fā)展階段。 據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2012年底，我國從事地源熱泵相關(guān)設(shè)備產(chǎn)品制造、工程設(shè)計與施工、系統(tǒng)集成與調(diào)試管理維護的相關(guān)企業(yè)已經(jīng)達到4 000 余家。 從全國范圍來看，現(xiàn)有工程數(shù)量已經(jīng)達到23 000 多個，總面積達到24000 萬m2。 從表3 中可以看出，本領(lǐng)域的專利申請量逐年增加[1]。

表3 本領(lǐng)域年度申請量增長曲線

3 地源熱泵地埋管的主要技術(shù)分支

3.1 回填材料

回填材料的選擇以及正確的回填施工對于保證地埋管換熱器的性能有重要的意義，灌漿回填材料一般為膨潤土和細砂（或水泥）的混合漿或其他專用灌漿材料。 但是這種回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，只有0.65-0.9W/m.K，而且這種膨潤土回填材料容易干燥收縮、干裂。 因此，近年來，有不少單位和個人就通過改進回填材料的組分提升其導(dǎo)熱性能。2006年，山東建筑大學(xué)申請了一種地埋管換熱器鉆孔回填材料（申請?zhí)?0061004380.9），公開了一種地埋管換熱器鉆孔回填材料。由水泥：100～60，石英砂：200～250，消泡劑：0．05～0．1，膨潤土：1～2，減水劑：0．2～2，膨脹劑：0～10組成，在地埋管施工現(xiàn)場加水攪拌均勻注入鉆孔。 通過加入普通水泥提升砂漿的流動性，石英砂提高水泥砂漿的導(dǎo)熱性，減水劑降低水泥砂漿固化后的孔隙率， 從而提高回填材料整體的導(dǎo)熱系數(shù)。2008年，高秀明（申請?zhí)?00810139512.0）申請了一種地源熱泵地埋管鉆孔回灌材料。 它的重量百分比組分是： 石墨5－80%，無機顆粒20－95%。 由于石墨的純度僅有25%，因此，回灌時，可無需添加無機顆粒，直接將未加工的石墨與水混合回灌即可。 它內(nèi)部含有質(zhì)量比不低于5%的石墨，使回灌材料的傳熱系數(shù)K 值在10 以上。 2011年，北京圣兆科技開發(fā)有限公司申請了一種回填材料（申請?zhí)?01110192446.5），其配方是粉料與骨料的質(zhì)量百分比為1∶2。其中粉料中含有金屬及其化合物組份占粉料總質(zhì)量的10%～20%，耐熱水泥占粉料總質(zhì)量的30%－35%，膨潤土占粉料總質(zhì)量的10%－15%，其余為粘土；骨料中有含有金屬及其化合物組份占骨料總質(zhì)量的15%～30%， 其余為石英砂、三氧化二鋁其中的一種或二種的混合物； 減水劑占所有干料質(zhì)量的0．3%。 通過加入熱導(dǎo)率較高的金屬提高回灌材料的導(dǎo)熱性能。

由此可見，對于回灌材料的申請，主要集中在通過改變回灌材料組分，使用一些熱導(dǎo)性較好的組分，提升其導(dǎo)熱性能，同時也改善之前回灌材料的干燥、干裂、流動性較差等不足之處。

3.2 地埋管結(jié)構(gòu)的改進

對于地埋管結(jié)構(gòu)的改進，包括對地埋管施工技術(shù)的改進、地埋管零部件的結(jié)構(gòu)改造以及地埋管本身形狀及選用材料的改進。

3.2.1 地埋管零部件結(jié)構(gòu)改造

2004年，蘇登超、原政軍、方肇洪申請了一種U 型管狀地熱彎頭（03216681.8），解決了豎直埋管換熱器的一大難題，它是豎直U 型換熱器的關(guān)鍵部件，聯(lián)結(jié)著換熱管，使流經(jīng)換熱器的介質(zhì)在彎頭處作180 度轉(zhuǎn)向。 2007年，重慶大學(xué)申請了一種豎直埋設(shè)的U 型彎頭（200720124034.7），該彎頭包括位于其底部的弧形彎管段和連接在該弧形彎管段兩端上部的各一段延伸段。 各延伸段的上半部是可以套接在待接直管上的套管段， 其下半部是與該套管段同軸的、其內(nèi)徑與待接直管相等、且與所述弧形彎管段的端口內(nèi)徑相等且吻合聯(lián)接的直管段。 該弧形彎管段內(nèi)的各處內(nèi)徑均不小于其端口內(nèi)徑， 該弧形彎管段的外側(cè)有把該段全部包裹起來、同時構(gòu)成該弧形彎管段外壁體的填充實體，該填充實體呈其尖端朝下的橢圓錐形。 它解決了U 形管滲漏問題。2010年，天津市奧瑞特環(huán)保節(jié)能工程有限公司申請了一種防堵U 型埋管換熱器（201010568727.1），它包括：熱熔三通1，熱熔彎頭2，熱熔管3、4、5、6、7。其特征是：所述熱熔三通分別與3、4、5、6 連接，彎頭分別與3、7 管連接，形成一個豎直U 型管換熱器，從而使其結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造。

圖1 03216681.8 附圖

圖2 200720124034.7 附圖

圖3 201010568727.1 附圖

圖4 200920222575 附圖

圖5 20112038980.4 附圖

3.2.2 地埋管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及鋪設(shè)方法

對于地埋管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及鋪設(shè)方法的改進， 主要是提高管內(nèi)流體的流動，提高換熱性能。 2010年，長沙北極熊節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司申請了一種水平埋管地源熱泵換熱裝置（200920222575），包括同程回流管、回流集管、環(huán)路、U 形管和供給集管。 U 形管5 和環(huán)路4 組成支管，水平方向的支管相串聯(lián)。如果水平方向的支管較多， 則按照相鄰兩個或三個分組相互串聯(lián)，串聯(lián)后的支管在縱向上并聯(lián)，并聯(lián)支管一端連接供給集管3，一端連接回流集管2， 最后采用同程回流管1 連接外面的總管。該實用新型采用地埋管串并聯(lián)相結(jié)合的方式， 可以充分利用兩者的優(yōu)點，保證管路系統(tǒng)水流量的平衡，取得更好的換熱效果。2012年， 重慶交通大學(xué)申請了一種地源熱泵豎直雙s 型埋地換熱器（20112038980.4），包括水平方向S 型換熱器、垂直方向S 型換熱器。 水平方向S 型換熱器與垂直方向S 型換熱器呈相互垂直的空間布置狀態(tài)。 雙S 型埋地換熱器放在事先打好的熱交換井內(nèi)，最后再埋上回填材料，便可與周圍的土壤進行換熱。

3.3 地埋管換熱性能測試設(shè)備

熱響應(yīng)測試器是一種對待安裝或已安裝的埋地換熱器的傳熱性能進行測試勘察的設(shè)備， 用以獲得土壤傳熱性能的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，為埋地換熱器的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。 快速反應(yīng)埋地換熱器傳熱性能的熱響應(yīng)測試儀器能準確測試出埋地換熱器的傳熱系數(shù)、擴散系數(shù)、鉆井熱阻、初始溫度、運行溫度、循環(huán)水流量、循環(huán)水流速。 同時，也能夠根據(jù)建筑冷負荷、熱負荷、建筑周圍的空氣面積，提供埋地換熱器的設(shè)計方案。 但這種結(jié)構(gòu)也存在不足：只有加熱功能，加熱器的功率是分段逐漸增加，不能線性調(diào)節(jié)，電加熱器安裝在水箱內(nèi)存在安全隱患， 監(jiān)測數(shù)據(jù)點有限等。 2008年， 上海莘陽建筑節(jié)能科技開發(fā)有限公司申請了一種快速反應(yīng)埋地換熱器傳熱性能的熱響應(yīng)測試儀器（200810038449.1），包括上機位，上機位與控制器元件相接；控制器元件通過接口分別與壓差傳感器、溫度傳感器以及流量傳感器相接；壓差傳感器、溫度傳感器以及流量傳感器連接在系統(tǒng)的管路上； 循環(huán)水泵的一端與變功率蓄熱桶或者變功率蓄冰桶相接， 循環(huán)水泵的另一端與待檢測的埋地換熱器相連接。 通過這樣設(shè)計達到實際地源熱泵系統(tǒng)的夏季或者冬季運行效果。

圖6 200810038449.1 附圖

圖7 201010542651.5 附圖

熱響應(yīng)測試儀不能同時模擬換熱量和熱導(dǎo)率測試兩種模式，此外，因為配置了水箱，極大地增加了系統(tǒng)的體積，運輸不便，系統(tǒng)的運行也還沒有完全實現(xiàn)自動化。 針對上述問題，2010年， 南京大學(xué)李曉昭等人申請了一種地源熱泵的地層原位熱物性及地埋管換熱量測試儀和測試方法（201010542651.5）。 該測試儀包括管路循環(huán)系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，其中管路循環(huán)系統(tǒng)由流量傳感器、循環(huán)水泵、電加熱器、膨脹罐、排氣閥、三通閥、補水閥所構(gòu)成，通過接頭連接U 型地埋管構(gòu)成回路；測試系統(tǒng)由流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、功率傳感器所構(gòu)成，并分別與監(jiān)控系統(tǒng)相連。 該測試儀機構(gòu)緊湊，便于攜帶，可同時實現(xiàn)地層熱物性測試和換熱量測試兩種測試模式。

4 總結(jié)

我國在地埋管地源熱泵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用方面起步較晚，但是2 000年以后，隨著各項政策法規(guī)的出臺，我國對于該項目的研究進入了突飛猛進的階段。在地源熱泵系統(tǒng)中，地埋管換熱器的研究一直是地源熱泵技術(shù)的難點。 國內(nèi)在如何有效降低地源熱泵系統(tǒng)初投資、 保證系統(tǒng)的可靠運行等方面的研究一直沒有大的突破。 其主要原因是已開展的研究絕大多數(shù)局限于對所建立的具體系統(tǒng)進行研究并與傳統(tǒng)的空氣源熱泵性能進行技術(shù)經(jīng)濟比較，從而得出地源熱泵節(jié)能的一般性結(jié)論。 由于缺乏對地埋管換熱器在巖土中復(fù)雜的傳熱、 傳質(zhì)綜合傳遞過程的深入研究，使得這些申請往往只適用于某一具體的系統(tǒng)。 相信在未來的數(shù)年內(nèi)，隨著理論研究與實驗研究的飛速發(fā)展，該領(lǐng)域的專利在發(fā)明的高度與應(yīng)用的深度上均會得到進一步的提升與飛躍。

[1]可再生能源蓄能技術(shù)在低能耗建筑的應(yīng)用課題組.中國地源熱泵發(fā)展研究報告 （2013）[R]. 中國建筑工業(yè)出版社，2013，10.