專利名稱：地熱空調(diào)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一非常低成本的方法，其使用一單一的預(yù)先存在的地下給水管道對可飲用水注入熱能和從中吸取熱能，而不消耗可飲用水或降低可飲用水的質(zhì)量。本發(fā)明使不采用高成本的開挖或安置地下熱交換器設(shè)備，而制成極其有效的地熱熱泵空調(diào)裝置成為可能。當與就地的燃料電池發(fā)電和聯(lián)產(chǎn)余熱結(jié)合時，本地熱發(fā)明變得更有效，僅消耗現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)所需能量的一小部分。
背景技術(shù)：
眾所周知，地熱熱泵(GHP)空調(diào)具有高能效。盡管就能量密度來說，地熱再生能量很弱，但其仍是世界上最豐富、以最可靠的形式存儲的陸地潔凈能源。與許多其他高能密度的能源(諸如化石燃料)相比，在地球表面的微弱的熱能密度難于形成巨大的地域性的熱沉且獲取其的費用昂貴。盡管其能量密度較弱，但地球含有的儲存的能量遠遠多于聯(lián)合起來的所有其他傳統(tǒng)能源。因此，尋求地熱干凈能量仍然保持一高的優(yōu)先權(quán)，且完全是理所當然。不幸的是，由于以下的原因，其目前的使用在全球能量使用標度上難于排上號?，F(xiàn)有技術(shù)的GHP裝置過于昂貴GHP裝置的投資回報率許多年未能節(jié)省成本。現(xiàn)有技術(shù)的GHP系統(tǒng)也未能普遍地適于所有地面條件(諸如，不良的熱傳導(dǎo)、土壤硬度(巖石)、缺乏濕度以及不能給予大的面積來分流地熱的高人口密度區(qū)域(例如高樓))。深度鉆孔和/或長挖溝的花費相當于典型的地熱裝置的總成本的一半，但在許多地方挖掘成本會更多。地熱出版物充滿復(fù)雜的方案，用以鉆孔深入的地熱洞，用于插入閉合的流體環(huán)路、回填改進的導(dǎo)熱的灌漿材料。同樣地，文獻充滿著用于用各種導(dǎo)熱的環(huán)路回填材料裝填長而深的溝渠的技術(shù)。即使已經(jīng)開發(fā)出導(dǎo)向引導(dǎo)的水平的環(huán)路鉆孔技術(shù)來鉆孔非常長的弧形的環(huán)路，其中，管可被拉入并圍繞一水平的鉆孔的環(huán)路。此外，已開發(fā)眾多的技術(shù)來分流湖泊、河流以及海洋的地熱能量。單井(開環(huán)路)和多井(閉環(huán)路)地下水源也已開采，但這種地熱水體的使用仍帶來高的安裝和挖掘成本，或長期使用的缺點(諸如，污垢和/碎片過濾問題，以及一長列類似的缺陷)。
在其它降低地熱成本的努力中，使用精細的復(fù)合的地熱熱交換系統(tǒng)。例如，有噪聲的蒸發(fā)冷卻水塔與冷卻地下水結(jié)合。在大型的商業(yè)應(yīng)用中，成本可以很高，但節(jié)約的能量也高。另一高成本的商業(yè)規(guī)模的地熱裝置的實例-通常超過100-1000噸(＞120,000至1,200,000BTU/hr)-包括在遠地點的主要挖掘以到達城市水總管。主要的城市用水流中斷，然后，用兩根引導(dǎo)至大型熱交換設(shè)備和從其中出來的大型管道進行分流，形成一在城市水系統(tǒng)內(nèi)的大型地下環(huán)路。這種類型的昂貴的裝置需要大型的泥土搬運機器，用于大量的泥土(以及甚至是鋪設(shè)的道路)挖掘，接著要恢復(fù)地面和道路，當然，代價昂貴地許可中斷大型商用總水管。這種現(xiàn)有技術(shù)的熱交換系統(tǒng)據(jù)稱僅在大型多住宅(40或更多相鄰住宅)開發(fā)或大型商業(yè)建筑物中節(jié)省成本。用于該特殊類型的地熱應(yīng)用的挖掘量大，但比用于整個房屋開發(fā)的各個的地下熱交換閉合環(huán)路的幾千英尺的挖掘成本低。這種社區(qū)的地熱裝置具有額外的復(fù)雜性和花費昂貴的考慮因素，例如，對每一連至公共的城市水系統(tǒng)的住宅或辦公室測量和計量計費的熱量使用。對城市總水管的熱交換環(huán)路的大規(guī)模挖掘的多種限制使這種復(fù)雜的地熱方法的不能對單個用戶使用。
雖然如此，有效的無窮無盡儲存的地熱能量的可用性、與其相關(guān)的低污染，以及使用其的低能量成本，繼續(xù)吸引我們采用此種最大的可再生的干凈的能源一特別是如本發(fā)明所公開的、如果安裝成本能大大地減少的話。
毫無疑問，“可再生”的地熱能量極其干凈、難以置信的豐富、基本上免費、節(jié)省能量，以及一天24小時格外地可靠(不像風、潮汐或太陽能)。GHP所要獲得的地球最外面的幾百英尺的溫度主要地由多年儲存的太陽能支配。事實上，一年中貫穿本地球的太陽光能量比人類歷史上使用過的所有能量更多。在這方面，GHP實際上正是儲存的太陽能的一方便的形式，正像風能和雨能是中途截取的太陽能的副產(chǎn)品。以地熱形式儲存的太陽能僅僅是一更加直接的太陽能吸收和熱量存儲機構(gòu)。來自地心深處的高溫熱能通過地殼傳導(dǎo)，并最終從地球表面以每小時每平方英尺15.9 BTU的速度釋放。加熱地球的太陽能超過100瓦/英尺2或大于每小時每平方英尺341 BTU，這樣，引入的太陽能遠遠超過從地心失去的熱量。地殼已達到由每日太陽輻射和季節(jié)性變化產(chǎn)生的一平衡的平均溫度，所以“地熱能量”更佳地稱為“地熱-太陽能”。當?shù)責釤岜梅懦鰞Υ娴奶柲軙r，在冬季的月份中臨時地借用儲存的太陽能儲備，且在夏季的月份中被泵回。地球的最高的地心溫度-“真正的地熱能量”在美國的西部地域一般被吸取用于蒸汽動力發(fā)電機。不像其他干凈可再生的太陽能系統(tǒng)(例如，太陽光電陣列)，當沒有陽光時，它們需要大量且非常昂貴的人造能量儲藏系統(tǒng)，而“地熱儲存的太陽能”免費且基本上全年不受限制。至今為止，主要障礙是它們用于熱交換環(huán)路的高成本挖掘。
現(xiàn)有技術(shù)GHP的全球采納的主要障礙是高安裝成本和伴隨的長期能源節(jié)省回收期。美國政府的能源部(DOE)簽署各種地熱能量系統(tǒng)的采用，并且具有到2005年增加地熱裝置至僅2百萬的目標。DOE也簽署了可再生的太陽能裝置的一類似的低目標，到2010年僅一百萬個屋頂太陽能電池板。然而，這兩個非常謹慎的目標揭示出美國人如何勉強接納該昂貴的現(xiàn)有技術(shù)的清潔節(jié)能技術(shù)。如果地熱裝置的成本能立即大大地減小(如采用本發(fā)明)，且如果地本身能更普遍地傳導(dǎo)至地熱的布署(如本發(fā)明所達到的)，則地熱能量可能比當局目前預(yù)見更快地變?yōu)楦悠毡榈母蓛舻哪茉?。便宜干凈的能量不只是要求的，而是全球緊迫需要的。與可再生的太陽能不同，其在延長的零陽光的時間過程中，要求有大量的儲能設(shè)施，而地熱熱沉可在任何地方任何時間提供備用。
更富有闖勁的DOE和EPA的目標，也許是到2010年達到二千萬至五千萬個地熱裝置(一50至125倍的高目標)，該目標將顯著地記錄在國家的能源標度上，以及溫室效應(yīng)排放減小的記錄上。遺憾的是，國家難于逼迫吸收該安裝的費用。然而，如果地熱裝置更加便宜和更少限制，則更加有闖勁和有價值的、要超過五千萬裝置的目標將是可行的。這樣一目標顯著地影響國家和全球的溫室效應(yīng)的目標。此外，如果地熱能量能夠進一步做到節(jié)省成本，則隨之而來的是其它的國家也急于采納這種技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
如本發(fā)明將展示的，遠為更低的地熱安裝成本、更普遍的裝置、以及更高的地熱效率(較之現(xiàn)有技術(shù)的地熱系統(tǒng))現(xiàn)已成為可能。據(jù)估計，在世界范圍內(nèi)多達5億到10億的住宅將通過應(yīng)用本發(fā)明而易于采用廉價的地熱能，這將給環(huán)境和全球經(jīng)濟帶來許多利益。
業(yè)已存在一種現(xiàn)存的地下地熱交換的可飲用水的地下結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明，它使用在單一的城市供水管道內(nèi)往來于住宅之間的往復(fù)的可飲用水，能夠傳輸、供應(yīng)和吸收豐富的熱能到建筑物或出建筑物。本發(fā)明獨特地開發(fā)這現(xiàn)存的城市地熱地下結(jié)構(gòu)，而不干擾、阻礙、消耗，或降低有價值的可飲用水。
本發(fā)明提出暫時地從水總管中抽取和儲存一足夠量的可飲用水，在此儲存時間過程中，住宅的熱能與一定量暫時儲存的水進行熱交換。在熱交換時段之后，純凈度沒有減小的可飲用水被強制通過進水口水表返回，這樣，凈地熱水的消耗記錄為凈的零消耗。如此低成本的可飲用水的熱交換系統(tǒng)的關(guān)鍵在于這樣的事實如果不是全部、則大部分目前安裝的水表是或可以是100％逆向流動的。利用這樣的逆向水表，單向流動和記錄正向使用的可飲用水也可反向泵送而記錄相等的但相反負向的使用值。因此，當強制地返回通過住宅的雙向水表裝置時，冷卻或加熱可飲用水不產(chǎn)生凈用水的記錄或計費。然而，“地熱水”的使用，即，可對添加到可飲用水或從可飲用水中移去的熱量單元可進行測量和計費。
本發(fā)明能使現(xiàn)存的地下可飲用水和下水道地下結(jié)構(gòu)充分地為現(xiàn)代社會作地熱利用的服務(wù)，在全球節(jié)能中導(dǎo)致一難能的機會來實現(xiàn)節(jié)省成本的飛躍，因此，在不減少可供可飲用水的情況下，大量地減小溫室效應(yīng)氣體的排放。此外，一旦掌握如何節(jié)省成本地組合現(xiàn)存的可飲用水的地下結(jié)構(gòu)和本發(fā)明，則若干其它主要的熱力的提高也成為可能，而它們在現(xiàn)有技術(shù)的開式的或閉式的環(huán)路地熱系統(tǒng)中是不可能的。例如，在冬季的月份中，來自于大型商用發(fā)電廠的余熱可在熱力上連接到城市水系統(tǒng)中，因此，升高供應(yīng)到各住宅的可飲用水的溫度，并使本發(fā)明的熱泵裝置在冬季月份中更有效。大量的電廠余熱可出售給自來水公司，而不再釋放到大氣或附近的水體中。因此，本發(fā)明允許低等級的(低溫的)電廠余熱低成本地傳輸?shù)缴习偃f個遠方的應(yīng)用中去。冬季是地熱效率極大地下降的季節(jié)，而現(xiàn)在，冬季加熱效率可以與夏季地熱冷卻的效率相同，甚至超過其效率。如此增加的熱泵冬季效率可使用甚至更小和成本更低的各自的熱泵系統(tǒng)，且同時仍提供給商用發(fā)電廠和市用水公司充分高的利潤裕度，以便明智地利用它們組合的熱能和現(xiàn)存的供熱系統(tǒng)。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選的實施例中，一采用本發(fā)明的可飲用水的地熱熱泵系統(tǒng)的住宅中設(shè)置有就地的燃料電池電源，并且該燃料電池電源被包括在該系統(tǒng)內(nèi)，以對地熱系統(tǒng)以及整個住宅供電。在冬季月份中，地熱儲水系統(tǒng)利用發(fā)電的余熱(例如，燃料電池余熱)來大大地減小冬季的能耗。如此，就地的電力、加熱、冷卻和熱水的聯(lián)產(chǎn)，使得該獨特的能源系統(tǒng)的組合，較之現(xiàn)有技術(shù)的加熱和冷卻系統(tǒng)，具有更高的效率，且造成最少的CO2污染，并代表最低操作成本的裝置?？梢哉J為，本發(fā)明的廣泛應(yīng)用可滿足一大部分甚至超過京都國際會議協(xié)定設(shè)定的CO2減小的目標，而不是通過費用昂貴的工廠改造來達到目標。
甚至希望達到如此高的地熱裝置目標的關(guān)鍵，幾乎完全地在于本發(fā)明的三個主要的目的1)安裝速度和簡化-不要求任何的開挖；2)大大地減小安裝成本；以及3)遠高于現(xiàn)有技術(shù)的地熱系統(tǒng)的能效。理想地是，地熱安裝之后的立即的正向現(xiàn)金流動應(yīng)可消除廣泛的安裝地熱裝置的最后阻力。例如，如果各地熱安裝的成本足夠低，以使用于安裝的每月付費小于每月節(jié)能，則一新的地熱系統(tǒng)可實際地形成一立即的凈正向現(xiàn)金流動。立即的正向現(xiàn)金流動的可能性不同于產(chǎn)生負向現(xiàn)金流動的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)。因此，作為本發(fā)明目的的一成本非常低的地熱裝置，能夠去除最后的障礙，以擴展城市和農(nóng)村地熱應(yīng)用。如下面所示，本發(fā)明具有大大地超過包括閉合的環(huán)路和開放的環(huán)路系統(tǒng)、大型的城市地下水環(huán)路系統(tǒng)、以及水塔輔助系統(tǒng)在內(nèi)的現(xiàn)有技術(shù)地熱系統(tǒng)的節(jié)省成本的償還能力，并且甚至超過閉合環(huán)路井和湖泊/池塘熱傳遞系統(tǒng)的償還能力。
我們中的大多數(shù)幾乎都沒有看見、并在一個多世紀中，我國以及工業(yè)化世界的許多其余的國家一直忙于建造強大的城市地下水管的地下結(jié)構(gòu)，它們理想地分流巨大的測地規(guī)模的熱沉。據(jù)估計，光是美國已經(jīng)具有一百萬英里的大直徑的地下管道系統(tǒng)-如本發(fā)明將闡明的，所有這些管道可以良好地進行地熱交換。必須強調(diào)的是，可飲用水是成本較高的日用品，并日見匱乏，應(yīng)確保其不被浪費在地熱能量的應(yīng)用中。本發(fā)明完全不浪費可飲用水。
因此，本發(fā)明的一個重要的目的是提供一種成本十分低的方法，它利用單一現(xiàn)存的地下水管，而不消耗可飲用水或降低其水質(zhì)，就可從可飲用水中獲取熱能或向可飲用水放出熱能。使用現(xiàn)存的可飲用水管道系統(tǒng)的巨大的地下結(jié)構(gòu)來吸取巨大的地熱能，甚至還可節(jié)省成本地從湖泊、河流和海洋中分流更多的地熱能，以及從商用發(fā)電廠的余熱中分流?，F(xiàn)存的地下結(jié)構(gòu)是幾乎免費地熱能的真正財寶。本發(fā)明傳授一種一般方法，用來將該地熱容易地分流并應(yīng)用到，有市用水的服務(wù)或有任何其它的社區(qū)可飲用水的服務(wù)的幾乎任何住宅，而完全地無需挖掘、鉆孔、以及在鄰近各建筑的地域中鋪設(shè)管道。如在下面將會更完全地認識的，本地熱發(fā)明不消耗額外的可飲用水，因為沒有對各地熱能用戶計費的用水的凈增加。相對小量的地熱可飲用水只是從地下水的地下結(jié)構(gòu)中“借用”，然后，從中吸取熱能或?qū)ζ渥⑷霟崮?視冷卻或加熱的需要而定)，然后，以沒有變化的干凈水返回到地下結(jié)構(gòu)中。一旦“借用”的干凈水返回到地下總管的可飲用水的供水系統(tǒng)中，自然它在向下游流向其它的地熱能用戶的路途中再次與地下平均的熱力條件相平衡。
本發(fā)明的另一顯著的目的在于，使用同一現(xiàn)存的地下管道系統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)來將大部分的國家商用電廠的低等級的余熱直接傳輸?shù)骄幼〉暮蜕逃玫臉钦?，由此，顯著地改善地熱熱泵效率，使其遠超過現(xiàn)有技術(shù)的地熱熱泵系統(tǒng)。
最后，本發(fā)明獨特地將地熱空調(diào)與燃料電池技術(shù)進行組合，以產(chǎn)生低成本的就地電力，且同時應(yīng)用燃料電池的余熱到地熱冬季的加熱中，后者在現(xiàn)有技術(shù)的地下地熱環(huán)路中是不可實現(xiàn)的。
商用的電力公司通常具有大約僅25％的凈效益，這是因為電廠本身在發(fā)電和電網(wǎng)分配上只有30％的效率，電網(wǎng)帶有許多變壓器，通常只具有約90％的效率。如此巨大的能量浪費和CO2的釋放，在就地的發(fā)電中幾乎完全地得以消除。就地的發(fā)電，即使只有40％有效，也消除了電力分配的低效，因此，效率可以是商用發(fā)電系統(tǒng)效率的兩倍，此外，來自于就地發(fā)電的余熱可用于同一地方的冬季的加熱和/或產(chǎn)生部分的熱水。例如，燃料電池技術(shù)現(xiàn)已能夠?qū)⒒剂蠠o聲地直接轉(zhuǎn)化為電力，并且無運動部件，其效率超過40％，于是，燃料電池與本地熱的發(fā)明的組合造成一代表本發(fā)明的一優(yōu)選的實施例的理想的和獨特的組合。
地球的非常熱的地心通過最外面的地殼僅以每小時每平方英尺15.9BTUs的平均速率(4.66瓦/英尺2)慢慢地冷卻。然而，地球表面在每半天中由太陽能加熱，以遠大于100瓦/英尺2的較高的能量密度被加熱。因此在地球表面上的絕大部分地熱能實際上是自然儲存的太陽能。最薄的外地熱的地殼(該部分在熱交換相對容易達到的范圍內(nèi))通常溫度平均在50至70°F(主要取決于緯度)。淺層的土地溫度趨于平衡接近于各緯度處的空氣年平均溫度(冬季/夏季)。然而，在地球鉆探中，近在幾英尺間距內(nèi)可發(fā)生非常局部的突然的土地熱導(dǎo)率的變化(以及熱交換的能力的變化)。有些干的泥土和巖石構(gòu)成具有差的熱傳導(dǎo)，而其它地方幾乎是極佳的熱傳導(dǎo)，使得傳統(tǒng)的地熱系統(tǒng)的效率不可預(yù)見。更為理想的地下地熱熱交換結(jié)構(gòu)在一諸如城市水系統(tǒng)的實體上較大的系統(tǒng)，其中，流動水趨于將各個局部的土地熱傳導(dǎo)特性平均化。如本發(fā)明所提出的，分流一大的地下可飲用水的地下結(jié)構(gòu)，可以理想地滿足溫度平均的目的。
盡管儲藏在地球中的地熱是一巨大的能源，但也可認為是熱能儲藏的巨大的熱沉。根據(jù)本地熱發(fā)明空調(diào)涉及到在冬季從地球中單純地“借用”地熱的熱量來加熱大樓，并在夏季月份中將其大部分返回到地球。與地球交換的熱能在冬季的月份中“泵送”幾個華氏度來加熱住宅，而在夏季的月份中，熱量“反向泵送”往下幾個華氏度，致使夏季的熱量流回到地球。有效地調(diào)度這里所述的地熱熱交換的關(guān)鍵在于“幾度”這幾個詞。例如，如果在冬季平均土地溫度是60°F，則地熱必須向上泵送幾度，以保持舒適的75°F的室內(nèi)溫度(只有15°F的差)。在這樣溫和的冬季條件下，根據(jù)本地熱發(fā)明的泵送只是承擔來達到該目標。通過比較，現(xiàn)有技術(shù)的空氣熱交換泵在泵送室外冬季熱量從外面空氣的10°F到室內(nèi)75°F的溫度中提供遠為低的效率(65°F的差)。在夏季的月份中可產(chǎn)生一類似的相應(yīng)情況。如果一熱泵必須將熱量排出到到室外，從75°F的住宅到一熱的夏季環(huán)境(例如，100°F)，則由空氣對空氣的熱泵對于25°F的溫差做的功遠大于地熱熱泵移動75°F的熱到一較冷的60°F土地溫度所作的功。根據(jù)熱泵的電效率，局部的室外溫度條件，以及局部的地熱溫度，地熱輔助的熱泵的能效遠大于普通空氣熱交換的熱泵，而且比化石燃料系統(tǒng)的效率大上許多倍。極高的年效率和24小時的可靠性的理念，對于所有地熱空調(diào)來說是中心的注意點。
然而，上述的簡化的地熱實例沒有反映出實際的情況。事實上，地熱溫度終年不是恒定在60°F。土地的溫度可變化低至40°F和高至80°F，視深度、季節(jié)、地理緯度，以及土地的熱傳導(dǎo)率而定。顯然，在冬季月份中土地溫度非常低的(例如，40°F)的裝置中，地熱熱泵系統(tǒng)不能如冬季土地溫度高出較多的(當獲取土地熱時，越高越好)裝置那樣有效。同樣地，地熱裝置不能如夏季土地溫度接近80°F的地方那樣有效。當將熱能注入到土地中時，最高的地熱效率發(fā)生在土地溫度最冷時。
對于人口最為集中的地方，在夏季月份中，土地溫度平均約在55°F至80°F，而現(xiàn)有的地熱裝置在這些地方在夏季月份中非常有效。但現(xiàn)有技術(shù)的地熱系統(tǒng)由于若干原因而經(jīng)濟上不吸引人，且在冬季月份中能效也不高。當從冷的冬季土地獲取地熱時，周圍的土地變得甚至更冷。如果冬季土地溫度已經(jīng)很冷(例如，40°F至55°F)，并抽取加熱住宅的額外的熱能，則土地溫度下降，致使地熱效率進一步下降。例如，如果冬季土地溫度通常為45°F，且地熱熱泵抽取額外的土地熱，其降低平均土地溫度到例如35°F，則地熱系統(tǒng)對于冬季的45°F至55°F溫差將低效地工作。因此，當BTU需求最高時，冬季地熱效率最低。盡管有較佳的絕熱性能，冬季中居住的BTU熱能需要可大至夏季冷卻能的需要的10-12倍。盡管現(xiàn)有技術(shù)的地熱熱泵裝置可以是節(jié)能的，但它們在寒冷的氣候下效率很低-恰巧此時熱能需要是最高的。對于這種地熱冬季效率的兩難的問題有一振奮人的實用的解決方法-使用冬季電的余熱來提高地熱效率。
如上所述，電廠呈現(xiàn)的發(fā)電效率范圍低至30％高至57％，導(dǎo)致電廠耗散大量的浪費電廠成本的余熱。余熱是低等級的熱量，但其必須終年地耗散，阻止明智地利用余熱的主要障礙是對消費者缺乏節(jié)省成本的供熱系統(tǒng)。的確有許多發(fā)電廠向附近的采熱消費者出售非常小量的余熱，例如，蒸汽熱能用于當?shù)亟ㄖ锏目臻g加熱。但在發(fā)電中占據(jù)量大的最低等級的電的余熱，至今尚未有任何實用的價值。根據(jù)本發(fā)明，電力的余熱通過現(xiàn)存的地下可飲用水系統(tǒng)節(jié)省成本地在冬季月份中提供給地熱泵送。帶有地下熱交換環(huán)路的現(xiàn)有技術(shù)的地熱系統(tǒng)不能有效地利用通過城市水系統(tǒng)提供的商業(yè)的余熱，因為大部分的余熱能量將在地下的環(huán)路中喪失。本發(fā)明沒有地下的環(huán)路，也就沒有地下環(huán)路的損失。
因此，本方法的另一主要目的是一分配和使用大部分電廠冬季余熱的實用的和經(jīng)濟有效的方法，所述余熱呈可大大地提高冬季地熱熱泵效率的形式，同時，允許發(fā)電廠通過出售余熱有機會變得有更加多的收益。如此的明智利用該豐富能源的凈效益在于，對地熱的最終用戶大大地減小能量的成本，并進一步減小溫室效應(yīng)氣體的排放。本發(fā)明提出的電廠余熱供應(yīng)系統(tǒng)是現(xiàn)存的可飲用水的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。
如果使用燃料電池來就地發(fā)電，則同樣地會發(fā)生電的余熱。本發(fā)明提出使用就地的燃料電池的余熱來用于終年的家庭熱水供應(yīng)。然而，如果電力需求碰巧很低，則熱水生產(chǎn)在住宅內(nèi)將變得低效。因此，燃料電池余熱產(chǎn)生的熱水并不可靠。燃料電池余熱從未應(yīng)用于現(xiàn)有技術(shù)的地下環(huán)路的地熱空間加熱系統(tǒng)中，因為許多電的余熱會損失在地下環(huán)路的熱交換系統(tǒng)中。在應(yīng)用燃料電池余熱于本地熱發(fā)明中，有好幾個意想不到益處。例如，燃料電池余熱可完全地應(yīng)用于空間加熱，因為空間加熱比熱水供應(yīng)具有更大的和連續(xù)的需求。第二，本發(fā)明沒有地下環(huán)路熱損失。不明顯的組合燃料電池聯(lián)產(chǎn)和地熱熱泵是最理想和有效的緊密結(jié)合，并且是本發(fā)明的較佳的優(yōu)選實施例。
可供用于本發(fā)明的另一余熱源是排放的下水道污水。每家庭每天排放的平均可再利用的廢水量約為200加侖，其平均溫度在80°F?，F(xiàn)有技術(shù)的加熱系統(tǒng)不能回收該能量，主要因為可再利用的廢水的溫度不夠高；然而，用于本發(fā)明的熱泵可回收該能量，以作為額外的和顯著的節(jié)能。
除了明顯的空間加熱、冷卻、以及熱水的能效，本發(fā)明還具有許多意想不到優(yōu)點。為了表述全范圍的地熱優(yōu)點，首先將討論本發(fā)明的基本前提，而許多意想不到的優(yōu)點將一個接一個地予以闡述。
附圖簡述本發(fā)明的上述的和其它的目的、特征和優(yōu)點從下面參照附圖的對其優(yōu)選實施例的詳細描述中，將會更清楚地得到理解，在諸附圖中

圖1-5是現(xiàn)有技術(shù)的地熱系統(tǒng)的示意圖；圖6是根據(jù)本地熱發(fā)明加熱和冷卻系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
圖1-5各示出一具有一被加熱或冷卻的空間的傳統(tǒng)圍墻10，其是一諸如房屋或公寓樓的居住單元，或可以是辦公室或辦公樓，或任何其它的結(jié)構(gòu)，但為了說明的方便，它可以是一傳統(tǒng)的單戶家庭的住宅。在圖1中，房屋10是通過在一位于一池塘或湖14上的傳統(tǒng)的或池塘的環(huán)路12和一位于房屋內(nèi)的地熱單元或熱交換器16之間進行循環(huán)的水來用地熱進行加熱或冷卻的。這樣的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)在安裝上非常不經(jīng)濟，且如果池塘至少8英尺深，則它可以有效地對房屋提供熱傳遞或從其帶走熱量。如圖所示，一盤管12放置在水中，且通常覆蓋約二分之一英畝，一普通家庭要求約900英尺的管子。
在沒有可利用的池塘或湖的地方，如圖2所示，如果泥土條件允許傳統(tǒng)的開挖，以及如果空間允許的話，環(huán)路12則可放置在地下的溝渠18中。溝渠通常約5英尺深，將多個管子放置在不同的深度處。通常要求有幾百英尺的溝渠。
現(xiàn)有技術(shù)的地熱裝置的另一種形式示于圖3中，它被稱之為開式環(huán)路裝置。在此情形中，從地下的含水土層通過一井20泵送水，通過一合適的熱交換器16，然后，通過一出水管22排出到一池塘14、一排水溝、一返回井或諸如此類的地方。地熱單元、或熱交換器16就如圖1和2中所述的閉式環(huán)路系統(tǒng)做法那樣處理來自從水中的熱能。
還有另一現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)示于圖4中，其中，插入到對應(yīng)井27、28和29中的垂直環(huán)路24、25和26連接到地熱單元16中。各垂直環(huán)路可包括一對通過U形彎頭組件在井的底部連接在一起的管子，并所述的一對管子在其頂端處連接到流出和返回管線30和31。井的深度通常可以在150和250英尺之間，并用薄泥漿溶液回填，以確保與泥土的良好的熱接觸。
還有另一現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)示于圖5，其中，來自于諸如分水廠34的市用供水系統(tǒng)的水通過給水總管35和住宅進水管道35供應(yīng)到家用水系統(tǒng)37，并連接到熱交換器供應(yīng)38上。用于熱交換器供應(yīng)的水通過出水管線39返回到專用的返回總管40。該系統(tǒng)要求一完全的返回總管的構(gòu)造，以及維護費用。
盡管這樣的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)可具有許多優(yōu)點，但安裝昂貴，通常要求繁重的開挖工作和隨之而來的財物損壞和恢復(fù)的費用。而另一方面，本發(fā)明具有地熱系統(tǒng)的益處，而不需開挖，或不遭受開挖的缺點。相反，如圖6所示，本地熱發(fā)明輔助的熱泵系統(tǒng)50產(chǎn)生一特別有效的熱泵，而不需現(xiàn)有技術(shù)的挖掘、鉆孔或開挖各地熱裝置周圍泥土所耗費的高額成本?，F(xiàn)有的巨大的地下的市用水的下部結(jié)構(gòu)52早已具有足夠用作地下地熱熱交換系統(tǒng)的規(guī)模，而不浪費可飲用水或承擔可飲用水的高額的費用。
根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)有的城市水網(wǎng)系統(tǒng)的市用供水系統(tǒng)52，通過現(xiàn)有的飲用水供應(yīng)管線54連接到住宅56，并通過一在住宅內(nèi)或住宅附近的可倒轉(zhuǎn)的水表58，以及通過水管線59，定期地充灌一位于諸如傳統(tǒng)的壓縮機型的熱泵之類的熱泵62附近的適當大小可飲用水的水箱60。在冬天，需要用水箱60內(nèi)的可飲用水來將熱量讓給熱泵62，或者，在夏天，這些水用作熱泵的熱沉。然后，通過一泵64，強制使該所借用的、稍稍加熱或冷卻的小量的水箱60內(nèi)的可飲用水回到水管線59，并通過住宅的可倒轉(zhuǎn)的水表裝置58，以致沒有記錄下來或需要支付的凈用水。因此，本發(fā)明能夠利用單一的現(xiàn)有的供水管54來充灌當?shù)氐牡責崴?0。然后，就是使用這一供應(yīng)管將可飲用水返回到其源頭，于是，不再需要一閉合的環(huán)路；不再需要泥土的開挖；不再需要埋下地熱材料；不再要求特殊建造的許可；并且不會發(fā)生與天氣相關(guān)的安裝的延誤。通過使用一完全可倒轉(zhuǎn)的流量計裝置，暫時借用的“地熱可飲用水”可返回到商用供水系統(tǒng)52內(nèi)，不形成凈的水耗用。
現(xiàn)存的地下可飲用水的地下結(jié)構(gòu)之大可足夠用地熱來為國家的主要的人口集中中心服務(wù)，利用目前已知的最有效的加熱和冷卻技術(shù)，且不耗用國家的供水系統(tǒng)，就可產(chǎn)生國家節(jié)能和減小溫室效應(yīng)排放的重大飛躍。
在其最簡單的形式中，本發(fā)明從地下可飲用水的總供水管線抽取適量體積(例如，100加侖)的可飲用的市用水，送入到位于地熱裝置住宅的加壓的儲存箱60內(nèi)。住宅水表在此例子中可記錄為100加侖的使用。借用水將以當?shù)氐钠骄叵聹囟鹊竭_水箱60。為簡化起見，可假定可飲用水在65°F(18℃)。因為水的熱容，100加侖具有近似為1.7×106每攝氏度焦耳的熱容。為了變化100加侖水的溫度(升高或降低)10℃，則要求通過熱泵對其添加(或減去)17×106焦耳的能量。該熱能量相當于連續(xù)一小時添加或減去～4.72KW的電熱(220伏的電源約20安培)。再者，17×106焦耳相當于～16,100BTU(英制熱單位)，這能量足夠冷卻一典型住所達半小時至一小時。
在這一點上，如果然后將100加侖未變化的可飲用水(升溫10℃或降溫10℃)通過其雙向的水表58泵回到城市供水系統(tǒng)中，則水表將會從住宅用水量中減去100加侖。住戶將不會對一小時“借用”的100加侖水支付任何的費用。在24小時的過程中，可借用2400加侖，從中吸取(或注入其中)的地熱，以及2400加侖的水在幾乎恒定的供水壓力下水質(zhì)無變化地水不斷地返回。如果2400加侖地熱的可飲用水不返回的話，則通常每天花費約$12(或$380/月，或$4320/年)，這對地熱用戶來說是極不經(jīng)濟的費用。采用本發(fā)明，實際上分文不花。當然，水表也將記錄住戶的正常的家庭用水，于是，如果保持住戶的正常用水，則一部分流入到普通家庭內(nèi)的水將不會返回到供水系統(tǒng)中。每戶家庭中的每人每天大約使用150加侖水(每個家庭典型地每天為450-600加侖)。這些水量將不會返回，并由供水公司開出賬單索款。
市用水在返回之后的唯一的差別在于其溫度。小的溫差將隨返回水與商用水流的混合并在大直徑的地下公用事業(yè)管道系統(tǒng)朝向下一住宅的向下游遷移而消失。因為大直徑的商用水管的地下管道，所以，添加的(或減去的)熱能將快速地與土地溫度重新平衡，對地熱用戶或自來水公司絲毫不增加凈費用。這樣的地下公用事業(yè)管道系統(tǒng)通常采用4至60英寸直徑的管子，其具有大的有效表面面積，并埋在地下許多英尺(通常為6英尺)之下。在被下游的下一個地熱用戶再次借用之前，在兩個住宅之間具有足夠的線性長度以使借用的水恢復(fù)到其正常的地熱溫度。
甚至可能(但不要求)將借用的可飲用水返回成比第一次接收時處于更好的狀態(tài)。可催促或要求各地熱用戶在可飲用水容器回路內(nèi)，例如，在泵64和水表58之間的返回管線66中，包括一諸如低功率(4瓦)的殺菌燈之類的水處理裝置70，以照射市用水并減少水中的潛在的有害微生物的數(shù)量。所有下游水的用戶，尤其是離水源最遠的用戶也將比現(xiàn)有技術(shù)的水系統(tǒng)正常提供的水質(zhì)量高的水，而在現(xiàn)有技術(shù)的水系統(tǒng)中，通常離水源最遠距離處提供的水質(zhì)量最低。
在圖6所示的系統(tǒng)中，從水表58出來的可飲用水從水管線59借助于通過一壓力調(diào)節(jié)器76連接的住戶水管線74供應(yīng)到住宅56的用水系統(tǒng)72，以防止由泵64出口造成的損壞。此外，可在管線74內(nèi)包括一單向止回閥78，以防止住戶系統(tǒng)內(nèi)的水通過泵的操作而虹吸回到供水系統(tǒng)52中。
較佳地，一斷流閥80設(shè)置在水管線59中超過來自泵64的水返回到水表58的返回點82之處。當線路打開泵64時，閥80通過一合適的控制器線路84進行關(guān)閉，以防止再循環(huán)泵送的水返回到儲存箱60內(nèi)?？刂破骺刹倏v一時間器，以便定時地改變水箱60內(nèi)的水，或可響應(yīng)于水箱內(nèi)的一水溫傳感器86。在操作中，當閥80由控制器84打開時，來自供水系統(tǒng)52的水流入儲存箱60內(nèi)。該存儲箱較佳地包括一空氣囊，以保持與市用水相同的壓力。在水溫已經(jīng)升高或降低由控制器84設(shè)定的量值之后，閥80關(guān)閉，而泵64被致動以將水從水箱60返回到供水系統(tǒng)52。泵以略高于供水系統(tǒng)52內(nèi)的壓力將來自水箱60的水提供給管線59，以清空水箱。調(diào)節(jié)器76防止對住戶水系統(tǒng)造成損壞。此后，閥80打開，泵64關(guān)閉，來自供水系統(tǒng)52的水充灌到儲存箱60。止回閥78防止來自住戶系統(tǒng)72的水流回到水箱60內(nèi)。
來自儲存箱60的水通過傳統(tǒng)的熱泵單元62，循環(huán)通過一閉合的環(huán)路88，熱泵以傳統(tǒng)的方式進行操作，以吸取或提供熱量到水箱60內(nèi)的水，例如，當需要調(diào)節(jié)住戶房屋56內(nèi)的空氣溫度時。
城市自來水公司警惕地監(jiān)視其水質(zhì)。有些公司每年做了成千上萬個昂貴的水質(zhì)試驗。上百萬人的健康是得失攸關(guān)的事。不僅在水過濾廠始終存在著不適當處理的水和可能受污染的源頭水的威脅，自來水公司也完全知道始終存在的恐怖分子故意污染的可能性。這些因素導(dǎo)致謹慎的可飲用水供應(yīng)商在沿其整個管道系統(tǒng)絡(luò)的各個點上積極地監(jiān)視供應(yīng)的水。當前大體上有這樣的可能某人只要在沿水系統(tǒng)的任何點上，簡單地通過從任何住戶家反向地將水流入總供水管線來可惡意地注入化學品。離引入點下游的任何人則處于嚴重的危險中。目前，自來水公司采用相對不很有效的試驗系統(tǒng)來對付這些風險，因此，很容易受到攻擊。
不只是建議性地，而是高度要求每個自來水供應(yīng)商實施比目前所做的試驗還要多好幾倍的水質(zhì)試驗。在一小時內(nèi)，成千上萬的人可能在沒有任何人知道的情況下受到危險或甚至致命的引入的化合物的威脅。達到每小時57次的許多倍的采樣率對于每個水供應(yīng)商是十分要求的特征，尤其是，如果這樣的試驗是可能的、實用的和經(jīng)濟的話。
本發(fā)明通過在各地熱裝置50內(nèi)裝入一內(nèi)置的低成本的水質(zhì)監(jiān)視器100，以提供獨特的滿足這種更高的國家水安全挑戰(zhàn)的可能性。這種單元的費用可由每個地熱設(shè)備購買者所承擔，而不是水供應(yīng)者承擔(如果要求的話)。各個地熱用戶可成為沿整個地下管道系統(tǒng)的連續(xù)的水試驗者。如果如分別連接到監(jiān)視器100的在進水管線59和出水管線66內(nèi)的傳感器102和104那樣，只是在各地熱住宅處監(jiān)視水的導(dǎo)電率，則該測量可用作指示水已經(jīng)污染的指示器，例如，被高濃度的有害化學品污染。該裝置可連接到控制器84上，如果進入水的電導(dǎo)率大大地不同于返回到水總管的水，則自動地關(guān)閉泵64和閥80，并不允許污染水返回到水系統(tǒng)內(nèi)。對于其它的實例，個別的水質(zhì)試驗可采用更精密的裝置進行，這些裝置可測試某范圍的水污染物，而不只是測試電導(dǎo)率的變化。此外，電導(dǎo)率對于測試總的污染不是唯一的簡單方法。通過使水通過電容器兩板之間，可以監(jiān)視進水和出水的介電常數(shù)并進行比較。還有另一種監(jiān)視的方法包括一簡單的傳導(dǎo)試驗，其中，比較進水水質(zhì)對出水水質(zhì)對于可見光，紅外光，或甚至無線電波的傳導(dǎo)。
如果幾乎任何高濃度的有害物質(zhì)被有意地或不留心地引入到水系統(tǒng)內(nèi)，則該快速水監(jiān)視系統(tǒng)可立即探測出該污染并關(guān)閉受污染的局部的供水系統(tǒng)，不讓其再次進入市用水系統(tǒng)和住戶水系統(tǒng)。各地熱裝置甚至可構(gòu)造成提供一報警器106，以便將水質(zhì)結(jié)果立即通知自來水公司。最終，有成百萬地熱用戶在線，作為本發(fā)明的往復(fù)式供水系統(tǒng)的副產(chǎn)品，極大地提高國家的安全性。
在本發(fā)明的最簡單的實例中，還有若干個額外的優(yōu)點。夏季的月份中，假定進入的可飲用水(在65°F或18℃)加熱升溫約10℃。平均來說，在住宅水箱內(nèi)的可飲用水將在冷卻住宅的過程中上升5℃。不將所有溫度上升的水返回到市用供水系統(tǒng)中，該溫水(但仍涼的)可從儲存水箱60循環(huán)到水系統(tǒng)72和用作飲用或烹飪，以及用作熱水加熱器的預(yù)熱水。不應(yīng)用較高的烹飪能量來將正常土地溫度的冷水加熱到烹飪溫度，有些烹飪加熱能量可由從住宅GHP輸出水中移取的熱量來供應(yīng)。減小的烹飪熱能代表對每戶許多加侖烹飪水的約5℃的小的額外的節(jié)約。如果預(yù)熱的地熱水(由空間冷卻)導(dǎo)向住宅的熱水供應(yīng)系統(tǒng)，則產(chǎn)生更多的能量節(jié)約。
眾所周知，最大的熱水能量節(jié)約來自于將熱從住宅(空氣冷卻)泵出以將所有的夏季熱量引導(dǎo)到熱水加熱器系統(tǒng)內(nèi)的熱泵的能力。這主要是得益于夏季地熱空氣冷卻的免費的熱水的副產(chǎn)品。同樣地，諸如沖洗車、洗衣、草地澆水等的可飲用水的其它用途可取自于預(yù)熱的可飲用水，例如，借助于連接在水箱60和返回泵64之間的水管線108，并通過一閥110導(dǎo)向到住宅水系統(tǒng)72(或如72’所指示的系統(tǒng)的選擇部件)。水箱60內(nèi)水的這樣的用途利用在使用中恒定流入(每天450-600加侖)的地熱水箱60的新鮮的可飲用水來冷卻水池，由此，使空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)更有效。每個家庭在每個夏季中消耗的實際“冷”飲用水的非常小的量(一天少于3加侖)以致水表很難加以記錄。如果要求的話，該非常小量的可飲用的“冷”飲用水可用一小方冰塊致冷，或如許多普通實踐那樣進行制冷。在夏季中的“室溫”飲用水本發(fā)明該方面僅有的、微小的不很需要的副效應(yīng)。
利用充分冷的地熱可飲用水供應(yīng)，甚至可不需要或根本不使用熱泵來用于夏季降溫。如果使用一熱阻非常低的特大型的空氣熱交換器(在120處用虛線表示)，則可利用50-70°F的地熱冷水直接地冷卻住宅空氣，而無需熱泵制冷的進一步幫助。唯一需要的電能是用于風扇122來吹動空氣通過特大型熱交換器的散熱片，并循環(huán)冷空氣到整個住宅內(nèi)。冷的可飲用水仍用來將住宅熱(通過其自己內(nèi)部熱交換)吸收到一通過特大型住宅熱交換器系統(tǒng)和可飲用水容器的循環(huán)水閉合環(huán)路中?？娠嬘盟詫⒍ㄆ诘胤祷氐降叵滤牡叵陆Y(jié)構(gòu)中。在此實例中，熱泵只用于加熱住宅。
冬季可飲用水的地熱應(yīng)用略與上述實例不同。不是在返回到水供應(yīng)商之前加壓升溫約10℃的可飲用水的儲存箱，而是將可飲用水降溫約10℃。其余的過程相同，但冷卻的可飲用水將不用于室內(nèi)熱水、烹飪、洗衣服等，因為將較熱的可飲用水直接用于熱水供應(yīng)中將會減小所需的能量。當季節(jié)的溫度跌落低于約60°F時，大部分冷卻的水將分流回到水供應(yīng)商。然而，將來自于儲存箱60的可飲用水用于室外和非室內(nèi)的用途，將有助于熱泵從合成的較大體積的不再循環(huán)的土地溫度水中吸取熱量。在嚴寒的冬季(例如，氣溫達-10℃)，與試圖從室外冷的冬天的空氣中吸取熱量相比，當然，相對暖和的40-55°F的地熱可飲用水可確保高的熱泵效率。
因為不要求精細的建筑設(shè)計，不要求開挖的許可，不需要開挖設(shè)備，不要求土地溫度測試孔，不可能有天氣引起的延誤，不要求地表面恢復(fù)，以及極少有可能財產(chǎn)損毀的訴訟(與大型開挖設(shè)備相關(guān)的一共同的問題)，所以，較之現(xiàn)有技術(shù)的地熱系統(tǒng)，本發(fā)明的GHP系統(tǒng)顯然可以遠為迅速地進行安裝。本發(fā)明還不干擾將來在專用的地下地熱土地上的建造(一種潛在的土地貶值)，而這是現(xiàn)有技術(shù)的地下GHP裝置目前的一個負面效應(yīng)。
使用大規(guī)模的地下供水系統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)的住宅可沒有限制地立即采納本發(fā)明。根據(jù)地物環(huán)境保護署(EPA)的出版物，地熱交換系統(tǒng)是已知的最節(jié)能和最環(huán)保的“空調(diào)”系統(tǒng)。(出處“空調(diào)下一個新領(lǐng)域，”EPA430-R-93-004，1993年4月)。在該地物EPA的研究中，其證實現(xiàn)有技術(shù)的非地熱加熱和冷卻技術(shù)消耗的能量是地熱輔助熱泵技術(shù)消耗的能量的四倍之多。而且，已確定在美國目前安裝的僅400,000個(約為潛在應(yīng)用的0.2％)地熱熱泵系統(tǒng)，現(xiàn)已每年減少CO2溫室氣體排放量超過一百萬公噸(每個地熱裝置2.5噸)。該EPA研究沒有包括燃料電池聯(lián)產(chǎn)的能量節(jié)約，也沒有包括任何其它使用本發(fā)明可能帶來的加熱/冷卻的能量的節(jié)約。采用本發(fā)帶來的CO2的減少可容易地達到每戶每年超過5噸CO2。該每年一百萬公噸不是唯一的防污染的效果。CO2在GHP對于更清潔的空氣、更清潔的水和更富氧的大氣的總的防污染效果中只是一小部分。
甚至為了希望將地熱“空調(diào)”應(yīng)用的數(shù)量擴大到一千萬或甚至一億個住宅，尤其是說服人們?nèi)ジ难b現(xiàn)有的住宅，則地熱裝置的費用必須非常顯著地減少。要鼓勵人們放棄他們目前完全可工作的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)，并要求人們不要等上更多的20年至40年、當現(xiàn)有的系統(tǒng)不能再用時才來更換它們，目前仍是一艱巨的銷售。多年來轉(zhuǎn)換到現(xiàn)有技術(shù)的GHP系統(tǒng)的根本的阻礙在于，因高的總體安裝成本造成的負向現(xiàn)金流動。本發(fā)明消除這些阻礙，通過提供足夠高的正向現(xiàn)金流來立即接納地熱的能源節(jié)約，這樣，較低的每月能耗足以比補償按月地熱安裝的付費多。與未來的那些年中使用現(xiàn)有技術(shù)不同，采用本發(fā)明可立即地得到地熱償還。
如圖6所示，來自發(fā)電廠124的余熱可通過一合適的熱交換環(huán)路126連接到市用供水系統(tǒng)52中，以便通過水供應(yīng)系統(tǒng)進行分配。這種有價值的電廠冬季余熱可使地熱水用戶顯著地節(jié)約冬季能量，因為不是供應(yīng)40-55°F溫度范圍的冬季可飲用水，而是可供應(yīng)65-85°F的可飲用水，在高BTU需求的冬季月份中形成顯著更為有效的熱泵。更高的熱泵效率意味著更低的熱能的成本。
對于公用事業(yè)公司，至少有四個因素激勵其安裝大量的地熱系統(tǒng)(1)電力公司可在電力過負荷的局部地區(qū)選擇安裝地熱系統(tǒng)，由此，減小和平衡其電力負荷；(2)在顧客基礎(chǔ)上安裝越多的地熱系統(tǒng)，他們越可能向當?shù)氐淖詠硭境鍪鄞罅康臉O其盈利的冬季余熱；(3)最后，在地熱裝置上對電力公司的最終利益在于，可能推遲、或消除額外地建造成本非常高的電廠的需要，以及；(4)商業(yè)的自來水公司出于以下原因被激勵進行合作1)更有價值的地熱水的利潤刺激2)采用本發(fā)明的防細菌的紫外線照射，可獲得更高的水質(zhì)；以及3)防恐怖分子的水試驗系統(tǒng)。
由于非常低成本的市用水和電廠冬季余熱的有利的密切結(jié)合，地熱裝置可變得相當更有效的熱泵機器。這樣較高的效率允許地熱熱泵本身小型化，而做成低功率的熱泵。
如圖6所示的燃料電池130，就地的燃料電池的聯(lián)產(chǎn)是本地熱發(fā)明的一個更加有效的優(yōu)選的實施例。盡管在地下和長距離地分配暖和的可飲用水方面存在固有的效率不高，但使用市用水總管來分配商業(yè)的電廠余熱卻是非常實用和經(jīng)濟的。然而，后者商業(yè)電廠的余熱的低效可完全被就地的燃料電池的電力聯(lián)產(chǎn)消除，其中，燃料電池和地球太陽能的熱泵壓縮機的能效(百分數(shù))得到提高。如圖所示，燃料電池在電線132上產(chǎn)生電力，而電池的余熱借助于環(huán)路134供應(yīng)到熱泵62，以產(chǎn)生新的和非常理想的凈效應(yīng)。
就地的燃料電池余熱的一理想的應(yīng)用是圖示的與本地熱發(fā)明聯(lián)產(chǎn)。幾乎所有的燃料電池的冬季余熱可借助于環(huán)路134連接到地熱可飲用水的水箱，并被該水箱有效地吸收。首先，地熱加熱的需要遠大于熱水的需要?？臻g的加熱是連續(xù)地需要的，而熱水則不然。本發(fā)明不采用低效的地下的流水閉合環(huán)路。所有燃料電池余熱可被地熱熱泵利用(在冬季月份中)。事實上，具有容納可飲用水的容器而無地下的流動閉合環(huán)路的本發(fā)明甚至可使用帶有燃料電池余熱的井水，以便進行聯(lián)產(chǎn)。因此，當與燃料電池聯(lián)產(chǎn)結(jié)合時，本發(fā)明甚至可應(yīng)用在既沒有市用水也沒有市電的廣大農(nóng)村地區(qū)。
使燃料電池的余熱和地熱余熱聯(lián)產(chǎn)緊密結(jié)合成功的關(guān)鍵在于，本發(fā)明對其容納水的容器的依賴。如同市用的可飲用水那樣，可將井水抽取到容器內(nèi)，在此情形中，當(或如果)容器達到預(yù)定的溫度時，排出加熱的容器水(通常進入到旁邊的第二井，以補充地下水位)。如上所述，本地熱發(fā)明的優(yōu)選的實施例包括使用可飲用水和帶有燃料電池聯(lián)產(chǎn)的閉合的儲存箱。
在夏季的月份中，當所有的燃料電池的余熱不能被地熱泵送系統(tǒng)吸收時，且如果熱水的供應(yīng)完全滿足，則燃料電池的余熱可排放到大氣中，而仍提供低成本的電力來操作地熱夏季冷卻系統(tǒng)。組合聯(lián)產(chǎn)的地熱的本發(fā)明的總效率不相等。當它們單獨地與本發(fā)明組合，以使燃料電池的余熱補充地熱冬季加熱和全年的熱水時，這種組合可降低公用事業(yè)的賬單，同時大大地減小CO2的排放。
通過從其它可供余熱源回收額外的輔助熱，例如，從下水道管線、發(fā)電廠、污水處理廠、或諸如制造廠等的工業(yè)源頭中回收，不用開挖的本發(fā)明還開創(chuàng)獲得相當高的總效率的其它的可能性。例如，在冬季的月份中，通過輔助的熱回收環(huán)路可有效地回收可再利用的廢水(下水道排放水)的熱量?？稍倮玫膹U水包括104°F的淋浴和盆浴的廢水；120°F的洗碗機的廢水；120°F的洗衣機的廢水；200°F的烹飪水；72°F的廁所水；加上來自于廚房和浴室熱沉的熱的廢水。每個家庭平均溫度在80°F的平均的可再利用的廢水排放量約為每天200加侖，或每月6000加侖。在冬季月份中，流入的可飲用水的溫度可低達40°F。溫差(80°F-40°F)代表從每個樓房住所中損失大量的冬季熱?？稍倮玫膹U水的熱損失遠大于從一熱效高和設(shè)計良好的房屋的窗和絕熱部分加在一起的熱損失?，F(xiàn)有技術(shù)的加熱系統(tǒng)不能回收可再利用的廢水的熱能，這主要是因為可再利用的廢水的溫度不夠高。用于本發(fā)明的無開挖系統(tǒng)中的熱泵必須要有高的可再利用的廢水能量回收。以非?？斓陌惭b成本的償還，回收可再利用的廢水能的成本可與絕熱一房屋的成本相比擬或低于該成本。花費幾百美元在住宅的廢水管線上安裝一可再利用的廢水熱交換盤管140和水泵142，代表添加到本發(fā)明的無開挖系統(tǒng)上的零件的精髓所在。如果現(xiàn)有樓房中的下水道管線144是裸露而容易接近的話，則熱交換水盤管可包裹在4英寸直徑的典型的金屬下水道管子周圍。可利用一小型的低功率水泵來將可再利用的廢水熱從可再利用的廢水管道循環(huán)返回到熱泵62?；蛘?，可去除一段PVC下水道管子，而更換上一預(yù)制的金屬下水道管子的可再利用的廢水熱交換段。在任何情形下，可再利用的廢水熱連接到可再利用的廢水管和熱泵之間的水循環(huán)環(huán)路146。整個可再利用的廢水能回收系統(tǒng)可以是實體上小巧、不唐突的、靜音和極其高效的系統(tǒng)。采用了可再利用的廢水能的回收，可大大地減少冬季熱水和加熱費的賬單?？稍倮玫膹U水能的回收特別適用于本發(fā)明，因為水儲存箱不耦連可再利用的廢水能到循環(huán)的地下水環(huán)路中。也可使用其它的輔助的熱源來回收以其它方式被浪費的熱量。
盡管本地熱發(fā)明不要求開挖，并且因此是非常經(jīng)濟的地熱裝置，但其較之于現(xiàn)有技術(shù)的地熱裝置，還提供同樣眾所周知的效率方面的優(yōu)點。根據(jù)當?shù)氐牡叵滤疁囟?緯度)和當?shù)氐氖须姷膬r格，地熱的熱泵系統(tǒng)較之非地熱系統(tǒng)的操作通常便宜至少2至4倍(成本的1/2至1/4)。當?shù)氐氖须妰r通常是評估操作地熱系統(tǒng)成本的最重要的因素，因為地熱熱泵是由電力驅(qū)動的，同樣地，輔以空氣的電機驅(qū)動的通風系統(tǒng)也是電力驅(qū)動的。
當鋪設(shè)各農(nóng)村住宅的管道成本超過由社區(qū)可飲用水制造商設(shè)定的商業(yè)償還周期時，服務(wù)到農(nóng)村社區(qū)的市用水會急劇地下降。由于上述的對于自來水公司的相當高的利潤刺激，有可能使更多的農(nóng)村住宅獲得市用水和節(jié)省成本的地熱水的服務(wù)。在另一極端上，高樓林立的城市每人的地下水的長度沒有農(nóng)村每個住宅的供水系統(tǒng)長度之長。夏時地熱從高聳的結(jié)構(gòu)到地下可飲用水系統(tǒng)的熱傳輸可在某些情形下使城市的水系統(tǒng)過負荷(將可飲用水溫度提高到80°F以上)，導(dǎo)致夏天地熱效率的下降。然而，在大城市中，較大的地下管道直徑具有較大的暴露于地下的表面面積，其對較短的管道長度進行補償。管道長度對管道表面面積、對地下條件和管道深度的復(fù)雜的地熱方面的考慮都是設(shè)計將來的密集的GHP裝置所要考慮的因素。如果可飲用水的地下溫度的確開始顯示溫度上升的征兆、并顯著地降低地熱效率，則通過使用用于其它現(xiàn)存的地下結(jié)構(gòu)，可做許多事情來大大地擴大城市現(xiàn)存地熱能容量，以獲得更大量的夏季地熱能。
為了大力擴大國家現(xiàn)存的地熱能容量，(如果在遙遠的將來，熱飽和開始出現(xiàn)在高度人口密集的地區(qū))，則在熱力上橋接兩個現(xiàn)存的大規(guī)模的地下系統(tǒng)一下水道水和可飲用水是相當簡單地和節(jié)省成本的。需要強調(diào)一下術(shù)語“熱力上橋接”?？娠嬘盟墓艿老到y(tǒng)絕不應(yīng)靠近下水道管道鋪設(shè)。然而，用一能夠在兩個系統(tǒng)之間攜帶熱量的加壓的熱交換閉合的環(huán)路，可相當簡單地在熱力上連接兩個系統(tǒng)，事實上，沒有可能同時在熱環(huán)路的兩端形成污染的泄漏，尤其是，如果閉合的環(huán)路中保持一正壓的情況下。一在可飲用水和下水道系統(tǒng)之間的相對簡單和便宜的熱環(huán)路，可容易地從一個系統(tǒng)到另一系統(tǒng)進行熱能交換。利用節(jié)省成本地熱力上連接的水和下水道系統(tǒng)，甚至可在人口密集的城市中將總的地熱容量翻倍成四倍。
在較遠的將來，對于人口密集的地區(qū)仍需擴大容量。例如，在輸送地下的可飲用水到水用戶之前，可將很冷(40°F)的海洋/湖泊水泵送上來并與可飲用水進行熱交換。因此，在夏季月份中，代替將80°F的市用水供應(yīng)到地熱用戶中，可供應(yīng)50°F(或更冷)的可飲用水?？珊艽蟪潭鹊靥岣叩責崮艿墓?jié)約。在將來，利用可飲用水作為熱能的載體，可容易地輔助本發(fā)明用地熱來冷卻整個大城市。
最后，在人口極其密集的地區(qū)，那里，地下的可飲用水流(使用的)的壓頭不高，可能不足以攜帶足夠的水往下游來冷卻下一個地熱用戶，對城市水系統(tǒng)添加一循環(huán)的可飲用水閉合的環(huán)路的成本效率是成本極其經(jīng)濟的解決方法。換句話說，如果人口最密集的城市不斷地接近熱飽和，而且所有其它的容易的選擇業(yè)已枯竭，則可以從一可飲用水管道系統(tǒng)獲取可飲用水，并連接到該同一管道的開頭(上游)，且將水泵放置在返回環(huán)路中，這樣，可飲用水不滯留在地下。
如果GHP沒有正確地安裝，則可存在其它的會成問題的靠不住的城市地熱的情形。在有許多GHP用戶的單個高樓中，從一個用戶(諸如一單一的公寓)流出的可飲用水可能返回到該樓房內(nèi)的總管內(nèi)，而沒有到地下以供熱交換之需。在此情形中，有必要自動地從所有的(或大部分)的單個地熱容器(各個公寓)反向地泵送地熱可飲用水，這樣，大量的地熱水離開樓房一直地返回到地下?；蛘撸蓸?gòu)造用于整個高樓的、足夠大尺寸的大的可飲用水容器，以將可飲用水一直地泵回到地下水的地下結(jié)構(gòu)中。在大樓所有的地熱水強制排出容器和大樓并返回到地下之后的時刻，可允許新的地熱水重新灌滿各個地熱水箱，或一個大的水箱，并開始再次的循環(huán)。應(yīng)注意到，大樓內(nèi)的水壓在整個過程中幾乎沒有變化，因為所有的地熱儲存箱保持在恒定的壓力下，直到它們以略微高的逆向壓力反向泵送為止。水反向流回到總管只要求附加略微的逆向壓力。
總而言之，地熱能，或更精確地講是“地球太陽”能，是地球上儲存量最大的最干凈的、免費的、可再生的能量。本地熱的發(fā)明利用一連接到地下水的地下結(jié)構(gòu)的單一存在的可飲用水服務(wù)管道，來獲取該充裕的能量，由此，完全地消除地熱開挖和熱交換環(huán)路的過度的成本。本發(fā)明的可飲用水的儲存箱提供一獨特的可能性，利用它作為就地的燃料電池發(fā)電機的余熱的能量儲存箱。本發(fā)明與就地的電力聯(lián)產(chǎn)的獨特的緊密的結(jié)合是能量上更加高效的，因為沒有如現(xiàn)有技術(shù)地下流動水環(huán)路那樣的冬季熱損失。帶有容納水的容器和燃料電池的本地熱發(fā)明甚至可安裝在具有井水源的農(nóng)村或荒野地區(qū)。此外，在不脫離所述范圍和用途的前提下，各種類型的熱泵可與所示的系統(tǒng)一起使用。市用的可飲用水的熱容量在夏天月份中可通過耗散過度的可飲用水熱能到污水廠的廢水中或進入到附近深的冷水體中得到提高。在冬季的月份中，可飲用水的熱能含量可通過從商用發(fā)電廠、工業(yè)余熱、或再循環(huán)的污水處理廠的水的熱量購買成本低廉的余熱得到提高。因此，通過明智地調(diào)度所有大量的余熱傳遞至可飲用水的可能性，則可實際地調(diào)節(jié)大部分世界地下可飲用水的地下結(jié)構(gòu)的溫度到約70°F(在冬季80°F和夏季60°F)，這樣，可大大地提高熱泵的效率(遠低于的熱泵輸入電能)。本發(fā)明為巨大的節(jié)能鋪平了道路。
盡管本發(fā)明借助于優(yōu)選的實施例作了描述，但本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將會認識到，在不脫離本發(fā)明的真正的精神和范圍的前提下，可作出許多改型和變體。
權(quán)利要求
1.一用來加熱或冷卻空間的地熱系統(tǒng)，其包括一儲存水的容器，其連接成從一可飲用水源中接納可飲用水；一熱泵，其連接到所述容器上，并與儲存在所述容器內(nèi)的水保持熱交換的關(guān)系；以及一水泵，其連接到所述容器上，以便將所述容器內(nèi)的水返回到所述水源。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一連接在與儲存在所述容器內(nèi)的水進行熱交換的關(guān)系中的燃料電池。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一用于監(jiān)視返回到所述水源的水的水質(zhì)監(jiān)視器。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一用于處理返回到所述水源的水的水處理裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一可倒轉(zhuǎn)的水表，其連接在所述水源和所述容器之間，以及所述水泵和所述水源之間。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一輔助的熱量回收環(huán)路，其連接在所述熱泵上，以便從所述空間中的熱源回收熱量。
7.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一用于監(jiān)視返回到所述水源的水的水質(zhì)監(jiān)視器。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一用于處理返回到所述水源的水的水處理裝置。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一單根的進水管，其將所述容器和所述泵互連到所述水源。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一可倒轉(zhuǎn)的水表，其連接在所述單根進水管上。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述水源是市用的供水系統(tǒng)。
12.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述水源是一井。
13.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一輔助的連接到所述熱泵上的熱量回收環(huán)路。
14.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一連接在與儲存在所述容器內(nèi)的水進行熱交換的關(guān)系中的燃料電池。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一用于監(jiān)視返回到所述水源的水的水質(zhì)監(jiān)視器。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一用于處理返回到所述水源的水的水處理裝置。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一通過所述水表連接到所述可飲用水源上的用水系統(tǒng)。
18.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一通過所述儲存容器連接到所述可飲用水源上的用水系統(tǒng)。
19.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一連接的輔助熱源，以將熱量添加到所述容器內(nèi)的所述可飲用水中，所述輔助熱源是由下列余熱源組群中的至少一個產(chǎn)生的余熱，它們包括燃料電池、下水道管線、發(fā)電廠、污水處理廠、或工業(yè)源頭。
20.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括一連接的輔助冷卻源，其從所述容器內(nèi)的所述可飲用水中移去熱量，所述輔助冷卻是從天然水體中衍生得到。
全文摘要
一無開挖的、用于加熱和冷卻應(yīng)用的地熱系統(tǒng)(50)，它包括，一通過供水管線(54)和一可倒轉(zhuǎn)的水表(58)從供水系統(tǒng)中接納水的可飲用水的儲存箱(60)。儲存箱內(nèi)的水通過一熱泵(62)進行循環(huán)，當容器內(nèi)水的溫度通過熱泵而升高或降低時，水通過可倒轉(zhuǎn)的水表返回到供水系統(tǒng)中。
文檔編號F24D3/08GK1537216SQ02815124
公開日2004年10月13日 申請日期2002年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月1日
發(fā)明者羅納德S·埃斯, 羅納德S 埃斯 申請人:羅納德S·埃斯, 羅納德S 埃斯