具有混合元件的地热探头技术领域
本发明涉及一种地热探头，在某些情况中也被称为土地探头，其用于传
热流体与地热探头周围的地面之间的热交换，其中地热探头被设置为工作状
态。在此，本发明涉及一种大型同轴地热探头，其中流出管设置在流入管内。
背景技术
地热探头可以构造为同轴的或者U型的。U型地热探头包括流入管，该
流入管向下通往地面里，并且在下游端在连接区与流出管流体连接。因此，
传热流体，也被称为传热液体，从流入管向下流动，在连接区汇入流出管，
并且又沿着流出管向上流动。在同轴地热探头中，流入管为探头外管，而流
出管为设置在探头外管内的探头内管。在探头内管之外、探头外管之内存在
环形空间，也被称为传热空间，其形成了传热区。在这种情况中，探头外管
相对于探头内管被设置为同轴的。同轴地热探头的连接区由探头内管的开口
形成，以使得在这种情况中，位于探头外管或环形空间中的传热流体能够流
进探头内管。
在穿过地热探头的时候，传热流体与地面之间发生热传递。热传递实质
上是通过对流发生的。热量在哪里发出或吸收取决于地热探头是用于制冷过
程还是加热过程。有鉴于此，一般的地热探头被设置为深达地下100米，在
个别情况中，甚至实现了更大的深度。
传热流体在入口处被引导至地热探头中。
当传热流体在入口处被引导至地热探头时，传热流体通常由增压推动以
两次穿过地热探头的整个长度，一次是沿流入方向向下流过流入管，另一次
是沿着与流入方向相反的方向向上流过流出管。单位时间流经地热探头的传
热流体的量被称为体积流速。在地热探头的下游端，传热流体再次向上穿过
探头内部/外管，并且能够通过排水管移除。探头内管也可以被连接至入口，
而探头外管被连接至排水管。
流入与流出地热探头的传热流体之间的温度差在下文中被称为温度梯
度。热流或热输出，简言之热量，是从作为热源的地面提取的。
在地热探头小于100米长或100米深的情况中，导入的传热流体和排出
的传热流体之间的温度梯度一般的量值为几度。常见地，导入值介于-2℃至
1℃之间，排出值介于2℃至5℃之间。温度梯度相对较低，并且从地热探头
离开的传热流体的温度尚未符合所需的热量要求，例如加热住宅房间所需的
热量。然而，在热泵的辅助下，热输出可以变得有利用价值，其中热泵的效
率表示了传热流体提供的热输出是如何有效地被转化为加热所需的热量。在
热泵中，所提供的热输出在低温水平被利用，从而在蒸发器中蒸发位于第二
流体循环中的热介质。在这一情况中，蒸发器是这样的组件，在其中从地热
探头提取的热量被供给处于低温水平的热泵。有鉴于此，从地热探头排出的
传热液体流过热交换器，将其热量传递给第二流体循环。在此之后，热介质
被提供给泵，该泵压缩当前为气态的热介质，由此使其处于更高的压力水平。
在这一过程中，气态的热介质升温，并且这些热量可以被用于加热住宅房间。
当将其热量传递给住宅房间后，热介质冷却下来并且凝结。不用说，压力再
次扩展到较低的压力水平。这时，再次将其提供至热泵的蒸发器中，从而提
供热泵循环。然而，也存在其他类型的热泵，其并不是如上所述那样运行。
这对于本领域技术人员来说是众所周知的。当热介质本身在地热探头中循环
时，可以省略地热探头中的传热流体。本发明并不限于具有两个单独的循环
的地热热循环。
通常，在地热探头热循环中使用多个地热探头，因为地热探头的可用的
温度差通常不足以蒸发第二流体循环中的热介质。虽然地热探头非常适合吸
收来自地面的热量，以合并在热泵的过程中，但是仍然需要增加温度梯度，
这可以通过传热流体的排出值来实现，这可以通过普通的地热探头来实现。
一般地，可以说传热流体的排出值越高效率就会越高，因为这时热泵仅需处
理排出值之间的较低的温度差，即，传热流体的温度和所需的热量。
例如，在德国，地下15米深处的温度常年约为10℃，并且每加深30米
该温度增加约1℃。特别是在长度小于70米的地热探头的情况中，所能达到
的排出值往往是不够的，因为热交换并未充分有效地发生。此外，有利的是，
传热流体能够尽可能长时间的保持所达到的温度而没有损失，特别是多个地
热探头串联连接。特别是，大型地热探头适用于此。在大计量体积的仪器中，
需要更多的热量，以获得更高的温度。然而，一旦其达到某一温度，基于相
同的原因，就能够有利地提供更长久的温度稳定性。
大型地热探头的特征在于，由流入管内表面界定的流入管的内径以及由
流出管外表面界定的流出管的外径这样选择，以使得环形空间的计量体积＞
10升，并且未受到进一步扰动的传热流体在环形空间中大致呈层流。流体是
否为层流取决于流道的几何结构、传热流体的粘度以及流速。由此可以获得
雷诺兹数，所谓的雷诺兹数是关于流体中的湍流发生的点的尺寸。一般来说，
流速越高，越快超出临界的雷诺兹数。低流速确保(近似)层流。此外，通
过低流速，传热流体有更多的时间来吸收流入管内表面上的热量。然而，层
流可能被看作缺点，因为在(近似)层流中形成了不均匀的层温。不均匀的
层温竖直分布，并且因此平行于流入管内表面，其中温度更高的层位于流入
管内表面附近，作为内层的绝缘体。
发明内容
本发明的目的在于，增进地热探头中传热流体和热源之间的热交换，以
及增进地热探头热循环的效率。此外，本发明使得在法律限制容许钻孔深度
的地区有效利用地热探头成为可能。
该目的通过具有权利要求1所述特征的地热探头来实现。本发明的其他
优点和特征可以由从属权利要求获得。此外，还要求保护地热探头的热循环
和用于运行地热探头的热循环的方法。必须指出的是，权利要求中单独提到
的特征可以通过任何技术上可行的方式相结合，并示出了本发明的其他结构。
本发明的其他特征和详细说明将结合附图进一步描述。
根据本发明的地热探头被地面围绕，其处于运行状态，并且用于地面和
位于地热探头中的传热流体之间的热交换。地热探头包括流入管和流出管，
传热流体通过流入管被引导至地热探头，从而进入地面，传热流体通过流出
管又被排出。通常，传热流体通过入口被引导进入流入管，并且由入口向土
地内部的方向被称为流入方向(流动方向)。根据本发明，流出管被设置在流
入管内，以使得流入管内表面与流出管外表面之间形成环形空间，传热流体
流进该环形空间。根据本发明的地热探头中的热交换发生在流入管中。本发
明涉及大型地热探头，其中由流入管内表面界定的直径具有这样的尺寸，其
通常使得层流出现。由流出管外表面界定的流出管的外径这样选择，以使得
一般地环形空间具有大于8升的计量体积。优选地，由流入管内表面界定的
直径大于120mm，并且环形空间的计量体积大于12升。
可以知道的是，特别地，近似层流与传热流体的混合反复更替会引起有
效的热交换。在根据本发明的地热探头中，传热流体以层流的状态流进流入
管。地热探头进一步包括至少两个混合元件，其在环形空间内沿着流出管的
纵轴线彼此间隔设置。在这种情况中，混合元件之间的距离被选择为使得经
过混合元件的传热流体再次平静，并在其遇到下一个混合元件之前再次形成
层流。通常，混合元件之间的距离为1至2.5m，优选为1.5m至2m之间，其
中必须注意的是，这些值应视为量级，并且为了确定理想的距离，需要考虑
流速、流入管的内径、流出管的外径和传热流体的粘度。在此，可以注意到，
实际中没有流体是纯粹的层流，即没有湍流，这便是为什么在下文中使用近
似层流或大致层流。对于本发明的实质内容，混合元件之间的流体完全地再
次稳定并不是必须的，其稳定并且又变得近似层流就足够了。
混合元件包括至少两个局部环状盘，每个局部环状盘具有外边缘、内边
缘和两个自由端，界定了局部环状表面。局部环状盘可以通过任何方式连接
至流出管，例如，焊接或者粘结。因此，混合元件的组件可以由与流出管相
同的材料制成，优选地，由热塑性塑料制成，这样确保了局部环状盘与流出
管容易连接。在有利的结构中，混合元件能够可变地设置在环形空间中，从
而能够与地热探头的个别具体任务中的混合元件的距离相匹配。例如，如果
地热探头的传热流体不同，混合元件之间的理想距离也会不同。例如，混合
元件可以包括套筒，局部环状盘通过套筒设置在流出管外表面上。例如，此
时，在流出管外表面上沿着流出管的纵轴线形成的具有内螺纹的孔用于锁定
套筒。此时，可以利用平头螺丝来固定混合元件。一旦确定混合元件之间的
距离，这些部件也可以焊接在流出管上。
根据本发明，局部环状盘的外边缘与流入管内表面相间隔设置，这样形
成了环形间隙，一部分传热流体可以从其中流过。一般地，该环形间隙为
1-12mm，优选为4-8mm。
局部环状盘的每一个自由端与相邻的局部环状盘的其中一个自由端彼此
间隔设置。此外，相邻的局部环状盘被设置为与流出管的纵轴线的正交平面
具有不同的倾斜度。大致间隔意味着在相邻的两个局部环状盘的其中一个自
由端之间形成了开口，具有沿着流出管的纵轴线的竖直分量的流道引导经过
该开口。取决于局部环状盘的结构和布置，具有不同量级的竖直分量的流道
的分量直接沿着流出管外表面引导。例如，局部环状表面被配置为半环状表
面，以使得局部环状盘的自由端在每种情况中彼此间都具有180°的角。然而，
圆形片段部分的其他变体也是可以想到的。如果局部环状盘的自由端所包含
的角小于180°，那么直接沿着流出管外表面引导的具有竖直分量的流道的分
量增加。
倾斜的直立局部环状盘形成了另一个流道，其具有在局部环状表面上围
绕流出管的旋转分量。在俯视图中，顺着向混合元件的流动方向，传热流体
围绕流出管顺时针方向流动或逆时针方向流动，取决于局部环状盘的布置。
优选地，不同混合元件的局部环状盘被设置为使得相邻的混合元件的旋转分
量的方向不同。
上述流道彼此相交并引起混合，也被称为传热流体的涡流。这样的混合
优选地由涡状件通过旋转运动作用于传热流体上。总之，在这一区域的流体
也可以被描述为湍流或涡流，其中这一名称仅用于表明在该区域里传热流体
的不同热量层的强烈混合。
通过有利的结构，特别地，在流入管内表面的区域以及流出管外表面的
区域中引起混合，即，恰好在层流的层之间具有最大温差的区域。在优选的
大型地热探头的情况中，在纯粹的层流中存在这样的风险，即内层几乎不吸
收任何热量。出于这样的原因，这样的层构造随着传热流体的混合被消除。
流体之间的边界层被打破。通过这样的打破和其导致的混合，地面与传
热流体之间发生了完全有效的热交换。通过混合元件的特别布置，地热探头
的必要长度可以被减小，该必要长度是使得地热探头达到足够高的温度梯度
或排出值所需的长度。因此，该地热探头也可以用在钻孔深度在地质学上或
法律上受到限制的区域。通过传热流体在快速层流和混合之间更替，有效的
热交换被实现了。特别地，因为其与地面之间有效的热交换，根据本发明的
地热探头还适用于制冷。
本发明的另一个方面在于，在地热探头的热循环中，即使当热泵在消耗
循环后不需要热量时，循环泵在相对短的时间间隔内将传热流体传送或移动
至具有至少一个地热探头的连接热循环中。与传统装置相比，根据本发明的
循环泵在其中独立运行，而传统装置中，循环泵只在消耗或热泵有热量需求
的时候传递。因此，可以知道的是，地热探头中传热流体的循环以及混合即
使在消耗热循环的稳定状态下仍然会发生。因而，这使得传热流体的热量增
加，从而显著提升了热泵的效率。因此，即使不需要，在其到达热泵之前，
传热流体也已经在地热探头中被预加热。特别地，热泵产生可用的所需热量
所需的时间也因此减少了。
根据本发明的一种用于运行这样的地热探头的热循环的方法，其特征在
于，在一个地热探头中(或者取决于配置，在多个地热探头中)，传热流体在
较短的时间间隔内循环经过循环泵，使得传热流体的混合一直产生。
附图说明
本发明的其他特性和优点可以通过下文对示例性实施方式的描述来获
得，这不应理解为对本发明的限制，这将在下文中结合附图进行更详细的解
释。在附图中示意性地示出了：
图1：流出管上的混合元件的立体图；
图2：流入管的截面图，在该区域中布置有混合元件；
图3：流入管的截面图，在该区域中布置有三个混合元件。
具体实施方式
在不同附图中，具有相同功能的等同部件一般标记为相同的参考编号，
因此这些部件通常仅被描述一次。
图1示意性地示出了一段流出管18，其上布置有混合元件20。在所示的
示例性实施方式中，相同的五个局部环状盘22，每个都具有局部环状表面21，
每个局部环状表面都由外边缘25、内边缘23和两个自由端26所界定。
局部环状盘22被布置为与流出管18的纵轴线x-x的正交平面具有不同的
倾斜度，其中每个局部环状盘的其中一个自由端26与相邻的局部环状盘22
的其中一个自由端26隔开设置。因此，相邻的局部环状盘22的这两个自由
端26形成了开口24，该开口沿着流出管18的纵轴线x-x的竖直方向延伸。
相邻的局部环状盘22的自由端26被布置为大致彼此隔开，并且仅在其外边
缘25处彼此接触。通过局部环状盘22的倾斜布置，混合元件20的外形类似
于螺旋结构，在沿着纵轴线x-x的方向观察的俯视图中，该螺旋沿顺时针方向
围绕在流出管18上。
图2示出了根据本发明的地热探头10的流入管12在某区域中的简化的
截面示意图，在该区域中混合元件20被布置在流入管内表面16与流出管外
表面19之间的环形空间15中。图2所示的混合元件20对应着图1已经示意
性示出的混合元件20。在截面图中，可以注意到的是，在局部环状盘22的外
边缘25与流入管内表面16之间形成了环形间隙28。
在环形空间15的区域中，混合元件20布置在该区域中，传热流体大致
沿着三个不同的流道流动。在这之前，传热流体以(近似)层流的状态在环
形空间15中朝向混合元件20流动。传热流体以层流状态流动的方向由大空
心箭头表示。该箭头的方向相当于传热流体的流入方向。
当流入方向的层流的传热流体碰到第一局部环状盘22的局部环状表面21
时，传热流体沿着其他局部环状表面21围绕流出管18顺时针方向旋转运动。
这一第一流道由围绕流出管18的带箭头的虚螺旋线表示。
通过图1中已经示出的在两个局部盘22之间的开口24，得到具有竖直分
量的第二流道，其中部分直接沿着流出管外表面19引导。在所有附图中，这
一第二流道都由开口24中的小空心箭头表示。为了清楚起见，在其中一个开
口24a中省略了小空心箭头，取而代之的是示出了小湍流29，这表明了在这
一点处传热流体的混合。
局部环状盘22与流入管内表面16之间的环形间隙28构成了第三流道。
第三流道由细长箭头表示。同样地，在该区域中，传热流体的混合由小湍流
29部分示出。
在流入管12的下游端的连接区域中(未在此示出)，传热流体流进流出
管18。流出管18中的流动方向由黑色箭头表示。其与流入方向相反。
同样地，图3示出了流入管12的截面图。在所示的区域中，三个混合元
件20I、20II、20III被布置在环形空间15中。环形空间15中所示的混合元件
20I-III对应着图2已经示意性示出的混合元件20。其示出了，各个混合元件
20I、20II、20III之间的距离这样选择，以使得由大空心箭头表示的大致层流
传热流体总是碰到各个混合元件20I、20II、20III的第一局部环状盘22的局
部环状表面21。此外，可以注意到的是，第一混合元件20I使得传热流体围
绕流出管18进行逆时针旋转运动，而混合元件20II使得其进行顺时针旋转运
动，以及混合元件20III再次使得传热流体围绕流出管18进行逆时针旋转运
动。由于多个混合元件20I-III，传热流体的层流和混合发生反复更替。