地源热泵地埋管专利技术综述

李 冬

（国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心，湖北 武汉 430070）

1 地埋管地源热泵系统的基本原理与分类

地埋管地源热泵系统是由传热介质通过竖直或水平土壤换热器与岩土体进行热交换的地源热泵系统，也称地耦合系统。利用岩土体作为热泵的低位热源， 与空气源热泵相比地埋管地源热泵系统机组不需要风机，噪声小，不需要除霜，从而节省热泵的除霜损失，提高地源热泵运行的可靠性。 同与利用地下水、地表水为低位热源的水源热泵相比， 适用范围较广， 它不受地下水、地表水资源的限制，只要有足够的埋管空间即可。因此，地埋管地源热泵系统的应用十分广泛。

对于地埋管地源热泵系统的地埋管换热器应在工程勘察结果的基础上，根据可使用的底面面积、挖掘成本等因素确定埋管方式。地埋管换热器有水平和竖直两种埋管方式。当可利用地表面积较大，浅层岩土体的温度及热物性受气候、雨水、预埋深度影响较小时，宜采用水平地埋管换热器，否则，宜采用竖直地埋管换热器。

2 地源热泵地埋管系统分类特点

地源热泵地埋管的技术分支包括地埋管结构、回填材料、地埋管系统零部件以及性能测试设备。 跟地埋管有关的分类如表1，主要分布在下列几个分类号下：F25B30/06，以低势热源为特征的热泵系统；F24F5/00，不包含在F24F 1/00 或F24F 3/00 组中的空气调节系统或设备；F25B29/00，加热和制冷组合系统，例如交替或同时运转的；G01N25/20 通过测量热的变化， 即量热法，例如通过测量比热测量热导率。

表1 本领域主要申请分类号分布情况

表2 本领域主要申请人分布情况

表2 是本领域的主要申请人的分布情况，由图中可见，本领域的申请主要集中在大学和公司申请中， 其中东南大学和同济大学作为全国院校中建筑专业实力较强的单位有着很多相关领域的申请。而天津、北京以及山东作为全国地源热泵项目较多的区域和省份， 当地的公司也申请了较多相关的专利。 从整体来看，地源热泵地埋管的相关申请还拥有较强的地域性。

2005年后，我国对可再生能源应用与节能减排工作不断加强，《可再生能源法》、《节约能源法》、《可再生能源中长期发展规划》、《民用建筑节能管理条例》 等法律法规相继颁布和修订，外加财政部、建设部两部委《建设部、财政部关于推进可再生能源在建筑中应用的实施意见》逐步实施，各省市陆续出台相关的地方政策，设备厂家不断增多，集成商规模不断扩大，新专利新技术不断涌现， 从业人员不断增多， 有影响力的大型工程不断出现，地源热泵系统应用进入了爆发式的快速发展阶段。 据不完全统计，截至2012年底，我国从事地源热泵相关设备产品制造、工程设计与施工、系统集成与调试管理维护的相关企业已经达到4 000 余家。 从全国范围来看，现有工程数量已经达到23 000 多个，总面积达到24000 万m2。 从表3 中可以看出，本领域的专利申请量逐年增加[1]。

表3 本领域年度申请量增长曲线

3 地源热泵地埋管的主要技术分支

3.1 回填材料

回填材料的选择以及正确的回填施工对于保证地埋管换热器的性能有重要的意义，灌浆回填材料一般为膨润土和细砂（或水泥）的混合浆或其他专用灌浆材料。 但是这种回填材料的导热系数较小，只有0.65-0.9W/m.K，而且这种膨润土回填材料容易干燥收缩、干裂。 因此，近年来，有不少单位和个人就通过改进回填材料的组分提升其导热性能。2006年，山东建筑大学申请了一种地埋管换热器钻孔回填材料（申请号20061004380.9），公开了一种地埋管换热器钻孔回填材料。由水泥：100～60，石英砂：200～250，消泡剂：0．05～0．1，膨润土：1～2，减水剂：0．2～2，膨胀剂：0～10组成，在地埋管施工现场加水搅拌均匀注入钻孔。 通过加入普通水泥提升砂浆的流动性，石英砂提高水泥砂浆的导热性，减水剂降低水泥砂浆固化后的孔隙率， 从而提高回填材料整体的导热系数。2008年，高秀明（申请号200810139512.0）申请了一种地源热泵地埋管钻孔回灌材料。 它的重量百分比组分是： 石墨5－80%，无机颗粒20－95%。 由于石墨的纯度仅有25%，因此，回灌时，可无需添加无机颗粒，直接将未加工的石墨与水混合回灌即可。 它内部含有质量比不低于5%的石墨，使回灌材料的传热系数K 值在10 以上。 2011年，北京圣兆科技开发有限公司申请了一种回填材料（申请号201110192446.5），其配方是粉料与骨料的质量百分比为1∶2。其中粉料中含有金属及其化合物组份占粉料总质量的10%～20%，耐热水泥占粉料总质量的30%－35%，膨润土占粉料总质量的10%－15%，其余为粘土；骨料中有含有金属及其化合物组份占骨料总质量的15%～30%， 其余为石英砂、三氧化二铝其中的一种或二种的混合物； 减水剂占所有干料质量的0．3%。 通过加入热导率较高的金属提高回灌材料的导热性能。

由此可见，对于回灌材料的申请，主要集中在通过改变回灌材料组分，使用一些热导性较好的组分，提升其导热性能，同时也改善之前回灌材料的干燥、干裂、流动性较差等不足之处。

3.2 地埋管结构的改进

对于地埋管结构的改进，包括对地埋管施工技术的改进、地埋管零部件的结构改造以及地埋管本身形状及选用材料的改进。

3.2.1 地埋管零部件结构改造

2004年，苏登超、原政军、方肇洪申请了一种U 型管状地热弯头（03216681.8），解决了竖直埋管换热器的一大难题，它是竖直U 型换热器的关键部件，联结着换热管，使流经换热器的介质在弯头处作180 度转向。 2007年，重庆大学申请了一种竖直埋设的U 型弯头（200720124034.7），该弯头包括位于其底部的弧形弯管段和连接在该弧形弯管段两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， 其下半部是与该套管段同轴的、其内径与待接直管相等、且与所述弧形弯管段的端口内径相等且吻合联接的直管段。 该弧形弯管段内的各处内径均不小于其端口内径， 该弧形弯管段的外侧有把该段全部包裹起来、同时构成该弧形弯管段外壁体的填充实体，该填充实体呈其尖端朝下的椭圆锥形。 它解决了U 形管渗漏问题。2010年，天津市奥瑞特环保节能工程有限公司申请了一种防堵U 型埋管换热器（201010568727.1），它包括：热熔三通1，热熔弯头2，热熔管3、4、5、6、7。其特征是：所述热熔三通分别与3、4、5、6 连接，弯头分别与3、7 管连接，形成一个竖直U 型管换热器，从而使其结构简单，易于加工制造。

图1 03216681.8 附图

图2 200720124034.7 附图

图3 201010568727.1 附图

图4 200920222575 附图

图5 20112038980.4 附图

3.2.2 地埋管系统结构及铺设方法

对于地埋管系统结构及铺设方法的改进， 主要是提高管内流体的流动，提高换热性能。 2010年，长沙北极熊节能环保技术有限公司申请了一种水平埋管地源热泵换热装置（200920222575），包括同程回流管、回流集管、环路、U 形管和供给集管。 U 形管5 和环路4 组成支管，水平方向的支管相串联。如果水平方向的支管较多， 则按照相邻两个或三个分组相互串联，串联后的支管在纵向上并联，并联支管一端连接供给集管3，一端连接回流集管2， 最后采用同程回流管1 连接外面的总管。该实用新型采用地埋管串并联相结合的方式， 可以充分利用两者的优点，保证管路系统水流量的平衡，取得更好的换热效果。2012年， 重庆交通大学申请了一种地源热泵竖直双s 型埋地换热器（20112038980.4），包括水平方向S 型换热器、垂直方向S 型换热器。 水平方向S 型换热器与垂直方向S 型换热器呈相互垂直的空间布置状态。 双S 型埋地换热器放在事先打好的热交换井内，最后再埋上回填材料，便可与周围的土壤进行换热。

3.3 地埋管换热性能测试设备

热响应测试器是一种对待安装或已安装的埋地换热器的传热性能进行测试勘察的设备， 用以获得土壤传热性能的基础性数据，为埋地换热器的设计提供科学依据。 快速反应埋地换热器传热性能的热响应测试仪器能准确测试出埋地换热器的传热系数、扩散系数、钻井热阻、初始温度、运行温度、循环水流量、循环水流速。 同时，也能够根据建筑冷负荷、热负荷、建筑周围的空气面积，提供埋地换热器的设计方案。 但这种结构也存在不足：只有加热功能，加热器的功率是分段逐渐增加，不能线性调节，电加热器安装在水箱内存在安全隐患， 监测数据点有限等。 2008年， 上海莘阳建筑节能科技开发有限公司申请了一种快速反应埋地换热器传热性能的热响应测试仪器（200810038449.1），包括上机位，上机位与控制器元件相接；控制器元件通过接口分别与压差传感器、温度传感器以及流量传感器相接；压差传感器、温度传感器以及流量传感器连接在系统的管路上； 循环水泵的一端与变功率蓄热桶或者变功率蓄冰桶相接， 循环水泵的另一端与待检测的埋地换热器相连接。 通过这样设计达到实际地源热泵系统的夏季或者冬季运行效果。

图6 200810038449.1 附图

图7 201010542651.5 附图

热响应测试仪不能同时模拟换热量和热导率测试两种模式，此外，因为配置了水箱，极大地增加了系统的体积，运输不便，系统的运行也还没有完全实现自动化。 针对上述问题，2010年， 南京大学李晓昭等人申请了一种地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪和测试方法（201010542651.5）。 该测试仪包括管路循环系统、测试系统和监控系统，其中管路循环系统由流量传感器、循环水泵、电加热器、膨胀罐、排气阀、三通阀、补水阀所构成，通过接头连接U 型地埋管构成回路；测试系统由流量传感器、温度传感器、压力传感器、功率传感器所构成，并分别与监控系统相连。 该测试仪机构紧凑，便于携带，可同时实现地层热物性测试和换热量测试两种测试模式。

4 总结

我国在地埋管地源热泵系统的研究与应用方面起步较晚，但是2 000年以后，随着各项政策法规的出台，我国对于该项目的研究进入了突飞猛进的阶段。在地源热泵系统中，地埋管换热器的研究一直是地源热泵技术的难点。 国内在如何有效降低地源热泵系统初投资、 保证系统的可靠运行等方面的研究一直没有大的突破。 其主要原因是已开展的研究绝大多数局限于对所建立的具体系统进行研究并与传统的空气源热泵性能进行技术经济比较，从而得出地源热泵节能的一般性结论。 由于缺乏对地埋管换热器在岩土中复杂的传热、 传质综合传递过程的深入研究，使得这些申请往往只适用于某一具体的系统。 相信在未来的数年内，随着理论研究与实验研究的飞速发展，该领域的专利在发明的高度与应用的深度上均会得到进一步的提升与飞跃。

[1]可再生能源蓄能技术在低能耗建筑的应用课题组.中国地源热泵发展研究报告 （2013）[R]. 中国建筑工业出版社，2013，10.