[发明专利]一种人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统

说明书

本发明属于地源热泵技术领域，具体是一种人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统。包括设置在场地两侧的地下水槽I和地下水槽II，地下水槽I和地下水槽II之间设置有带有斜坡的地下人造含水层，地下人造含水层上层设置有原位土壤，原位土壤上侧为反斜坡，反斜坡地下铺设有水利回路管线；所述的场地内设置有若干钻孔，钻孔内侧设置有一层水泥注浆层，水泥注浆层内侧设置有外管，外管内设置内管。

技术领域

本发明属于地源热泵技术领域，具体是一种人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统。

背景技术

目前的地源热泵主要采用浅层地埋管的形式进行供暖及制冷，这种形式存在以下问题：目前地埋管主要选用PVC管，该管导热系数很低，约为0.4 W/(m·K)，而且钻孔回填中易产生大孔隙，进一步降低了钻孔整体导热系数，造成管内循环工质与地层之间综合导热系数低，使得单孔换热量较低，需要大量的钻孔才能满足建筑负荷要求，因此既占用了大量土地面积，又增加了投资，阻碍了地源热泵的推广。

要想解决以上问题，需要增加管内循环工质与地层之间的导热系数。这二者之间主要包括地埋管和回填材料（导热系数约为1.4 W/(m·K)，如果回填工艺不好产生孔隙，导热系数会大大降低）。地层导热系数一般为1.8~4 W/(m·K)，其中黏土地层导热系数较低，火成岩地层导热系数较高。近年来中深层同轴套管供暖比较热门，取得了较好的效果。具体结构及运行见图2，水从内外管之间的环空注入到管底部，再通过内部绝热管抽出。外管采用钢管（导热系数约为45 W/(m·K)），水泥注浆导热系数约为1.6 W/(m·K)，而且该注浆工艺在石油上非常成熟，可避免大孔隙产生。因此，循环工质与地层之间导热系数比传统地埋管大很多，每延米换热量可达100~150 W/m，是传统地埋管的3~4倍。然而，中深层同轴套管系统的缺点是目前只能供暖，而且深井费用太高。

天然地下水的渗流对地埋管换热有增益效果，但是申请人通过研究发现这种增益是有条件的，必须同时使钻孔综合导热系数和地下水流速达到某一值时才有效。若单纯采用同轴套管形式，即使钻孔综合导热系数得到大幅提升，由于天然地下水流速较低（细砂岩约0.01m/d），因此几乎没有增益效果。若单纯提高地下水流速，而采用传统地埋管形式，由于导热系数太低的缘故，因此也几乎没有增益效果。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统。

本发明采取以下技术方案：一种人造含水层结合浅层同轴套管的新型地源热泵系统，包括设置在场地两侧的地下水槽I和地下水槽II，地下水槽I和地下水槽II之间设置有带有斜坡的地下人造含水层，地下人造含水层上层设置有原位土壤，原位土壤上侧为反斜坡，反斜坡地下铺设有水利回路管线；所述的场地内设置有若干钻孔，钻孔内侧设置有一层水泥注浆层，水泥注浆层内侧设置有外管，外管内设置内管。

进一步的，地下水槽I和地下水槽II为墙体状结构；地下水槽I顶面的高程与地下水槽II顶面的高程相同，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面向含水层的一面均匀开有漏孔；地下水槽II分为上下两段，地下水槽II的下段内侧与地下人造含水层连接，并且该段面相含水层的一面均匀开有漏孔，地下水槽II的上段没有漏孔。

进一步的，地下水槽II上段的高度为H1，H1的计算方法如下：（1）通过对整个系统进行数值模拟，得出最优地下水流速v；（2）根据达西定律求解H1=v·L/K，其中L是A1B0之间的水平距离，K是含水层渗透系数。

进一步的，反斜坡表面设置有防渗层。

进一步的，地下人造含水层为充填有坚硬岩石形成的孔隙介质含水层，地下人造含水层的下水流速值1 m/d。

进一步的，所述的垂直地下水流方向相邻钻孔的间距为L1，平行地下水流方向相邻钻孔的间距为L2，L1和L2的数值根据不同厚度人造含水层，模拟当地下水流速为1m/d时得到的钻孔附近温度场影响范围。