專利名稱：地?zé)崮芟到y(tǒng)和操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地?zé)崮芟到y(tǒng)，還涉及一種操作地?zé)崮芟到y(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
—個多世紀以來，地?zé)崮茉谌蛞园l(fā)電和直接供暖的多種形式已被使用了。通常，這些設(shè)備位于高焓源巖相對靠近或在地球表面處的火山活動區(qū)，例如美國西部、冰島或菲律賓。很少為人所知但越來越重要的是，近幾十年來，低焓地?zé)豳Y源在例如低溫渦輪式發(fā)電機中的應(yīng)用和用于供暖、制冷和蓄熱的地源熱泵(GSHP)的使用方面取得了發(fā)展。
所涉及的基本原理是利用了在地面下約IO米以下的地層中存在的穩(wěn)定的熱條件。這種穩(wěn)定性來自于地球質(zhì)量和源自地球的熔融地核的地?zé)嵬?。這種熱通量實際上是可再生的、取之不盡的，這是因為地球的熔融地核因核衰變而維持著。在受控條件下，通過插入地下且與地面上的熱泵連接的管式換熱器(單動式或可逆配置)并利用工作流體作為熱傳遞介質(zhì)，地層可以供應(yīng)、吸收或貯存大量熱能。 已知的是，通過安裝一個或多個埋管換熱器(BHE)來吸取低溫地?zé)崮軐ㄖ镞M行供暖，其中每一個埋管換熱器均被安裝在地下并與熱泵(HP)連接。該系統(tǒng)應(yīng)用于在地下與建筑物的內(nèi)部空間之間操作的可逆制冷循環(huán)。在閉路或開路中使用工作流體的各種專門布置已為人們所知。在本領(lǐng)域中這樣的系統(tǒng)和方法是已知的，被稱作"地源熱泵(GSHP)"技術(shù)。 地?zé)崮芟到y(tǒng)已投入使用很多年。到2006年為止，全世界有近200萬臺設(shè)備，主要用于服務(wù)小型住戶的住房。 除了對熱泵和有關(guān)的供暖/制冷能源供給和管理系統(tǒng)進行基本改進之外，在最近25年里，更多的研究投入在服務(wù)這些系統(tǒng)所必需的埋管換熱器(BHE)的設(shè)計和操作上。BHE是GSHP設(shè)備的重要組件，因為BHE的建造成本和熱效率對設(shè)備的經(jīng)濟性能具有重大影響。這段時間已開發(fā)出幾種基本類型的BHE，包括在開環(huán)或閉環(huán)模式下工作的水平和垂直設(shè)計。
開環(huán)系統(tǒng)通常要從地下蓄水層或湖泊或河流的水源處抽取地下水，然后使水通過熱泵。接下來，水在地面上被處理或者通過與抽水埋管相距一段距離的專用副埋管再被注入到蓄水層。盡管這些系統(tǒng)本身在熱能傳遞方面具有高效率，然而不得不采取大量措施使侵蝕和維護成本降至最低。此外，因為它們要抽取地下水，然后在當?shù)丨h(huán)境中處理水，所以通常它們要經(jīng)受非常嚴格的環(huán)境規(guī)劃控制。
由于這個原因，使閉環(huán)系統(tǒng)成為優(yōu)選的。 典型的水平BHE設(shè)計采用了由埋在地面下約l米深的長溝渠內(nèi)的小直徑塑料管(所謂的"Slinkies(螺旋管)")制成的閉環(huán)。這里低成本成為推動力，并且如果所需的土地面積是可獲得的，則可獲得根據(jù)溝渠每延米的峰值功率傳輸能力的比率測得的合理熱效率。Slinkies通常達到的范圍為20-70W/m。 然而，存在一些局限性，最突出的是當?shù)貌坏剿璧耐恋孛娣e時，這是經(jīng)常發(fā)生的情況，特別是開發(fā)大容量系統(tǒng)的情況。
另外，由于僅在地面下約1米左右，所以水平BHE對地面氣候條件非常敏感，可能會導(dǎo)致性能下降，特別是在夏天用于建筑物制冷系統(tǒng)散熱時。然而，Slinky系統(tǒng)的確具有在熱源是諸如湖泊或河流等水體情況下的特別應(yīng)用。 有利地，垂直BHE對于進行建造和最終安裝均需要非常小的地面面積。在北美和
歐洲的大部分地區(qū)，包括安裝和通常灌漿在深度范圍為10米 100米的埋管內(nèi)的U形管的
垂直BHE已突顯為最優(yōu)選擇，主要原因是建造簡單和相對較低的成本。這些BHE的熱性能
與設(shè)計良好的Slinky系統(tǒng)的熱性能相當，功率傳輸值的范圍也為20-70W/m。 盡管受益于埋管的較大的熱穩(wěn)定性，然而這種設(shè)計的限制因素是由于在外套管的
外部和內(nèi)部使用的灌漿、U形管的小表面積以及埋管壁和U形管之間的間隔使得熱傳導(dǎo)性
差而引起的相對較高的熱阻。 各種U形管的設(shè)計包括雙U形管和"立柱"布置，其中U形管懸在埋管中，這樣允許填充地下水而不是灌漿。立柱設(shè)計的建造成本較低，并且往往獲得比灌漿的U形管更高的效率，但由于埋管穩(wěn)定性和環(huán)境管理的原因，主要受限于不易貫穿的硬巖石地層所存在的區(qū)域，例如斯堪的納維亞(Scandinavia)。 由于它們突出的簡單性，多年來U形管的設(shè)計已被廣泛接受作為GSHP行業(yè)的標準。結(jié)果，利用系統(tǒng)設(shè)計者和規(guī)劃者目前可廣泛并廉價獲得的很多的專用軟件和硬件進行的大量研究和開發(fā)都集中在U形管的設(shè)計上。 另一種垂直BHE以不同名稱被稱為"同軸"或"同心"配置。在其基本形式中，是一種管中管布置，包括用于排列并支撐埋管壁的外圓柱形套管，在外套管內(nèi)懸浮安裝有較小直徑的匹配管子，使其開放端部位于埋管底部上方的短距離處。 理想情況下，盡管并非總是如此，然而內(nèi)管位于外套管的孔的中央，有利于BHE內(nèi)的熱量和液壓流的最優(yōu)化。然后，根據(jù)設(shè)計考慮，通過沿內(nèi)管向下流動且在內(nèi)管和外套管之間的環(huán)狀區(qū)域內(nèi)向上回流或者相反的水循環(huán)形成了閉環(huán)。熱傳遞通過傳導(dǎo)到達環(huán)狀區(qū)域內(nèi)的水流，效率受益于由外套管提供的水與地層之間的較大的有效接觸面積，使液壓條件最優(yōu)化。 到目前為止，同軸配置還沒有被GSHP行業(yè)廣泛接受。其原因包括較高的投資成本和相對于U形管設(shè)計復(fù)雜的構(gòu)思。歷史上，有限數(shù)量的同軸設(shè)備完全由不了解GSHP市場、不合適的價格結(jié)構(gòu)并缺乏革新的石油、天然氣和水井鉆探的承包商來完成。
因此，以往在GSHP行業(yè)對同軸系統(tǒng)進行研究與開發(fā)相對較少。然而，這種情況目前正在改變，推動力在于與大容量GSHP設(shè)備的要求相匹配的更高的BHE效率。因此，同軸設(shè)計的固有優(yōu)點正逐漸地獲得更多的注意。出于同樣的原因，相當多的研究機構(gòu)關(guān)注到同軸設(shè)計有利于大規(guī)模的地?zé)豳A存應(yīng)用。到目前為止， 一般來說，垂直BHE應(yīng)用于大型設(shè)備是以包括幾十或幾百個埋管的大型陣列的形式，其中通常采用常規(guī)的水井鉆探設(shè)備鉆至50-200米的深度，并利用U形管來完成。 由于需要保持埋管之間的最小間隔，以避免熱干擾，所以地面面積要求是值得考慮的。由于上述原因，這種設(shè)計方法的整體鉆井和操作效率低。 在過去的25年，已有很多BHE的設(shè)計。大多數(shù)閉路GSHP設(shè)備利用垂直BHE的兩種主要的實用設(shè)計，第一種是所謂的U形管(通常是柔軟的塑料管的環(huán)路)，第二種是同軸(管中管)設(shè)計。同軸設(shè)計已知的是具有更高熱效率的幾何形狀，但由于安裝過程中需要重型設(shè)備而對于大多數(shù)安裝者而言不實用。然而，工業(yè)規(guī)模的項目能夠支持同軸設(shè)計。BHE的這兩種類型均填充工作流體，通常是含有防凍劑的水。 目前的標準做法包括在幾百平方米的地面上鉆出幾十或幾百個淺(例如100米)的鉆孔("U型管")，或?qū)浊椎乃芰瞎馨惭b在淺(1 2米)的溝渠("Slinkies")內(nèi)?，F(xiàn)行做法所帶來的成本、不便和可用土地面積的減少已成為特別是在英國地?zé)崮軕?yīng)用普及的障礙。 近來，已建成具有較大供暖/制冷要求的BHE設(shè)備，需要多個U形管設(shè)備，例如達到6000個BHE。 U形管類型的BHE立柱為了限制彼此之間的熱干擾需要與相鄰的BHE間隔至少4米的距離。同軸幾何形狀的BHE增加的熱效率要求BHE之間的彼此間隔更大。因此，工業(yè)規(guī)?；蛏虡I(yè)建筑物用的任何類型的BHE設(shè)備可能需要用于安裝所需的所有BHE和必要的相互間隔的幾英畝或甚至幾公頃的相鄰?fù)恋亍?已知的是，所有類型的多個垂直BHE彼此平行地安裝在地下的預(yù)定深度。BHE垂直長度的鄰近引入了所謂的"干預(yù)損失"，從而減少每個BHE的有效熱能傳遞，因此降低了整個設(shè)備的熱效率。 BHE設(shè)備設(shè)有地面收集系統(tǒng)，用于從大量建筑物收集熱能或向其分配熱能。這樣的地面收集系統(tǒng)除了總垂直管的長度之外會增加高達100%的管子長度，用于地面熱傳遞過程。這種額外的地面管子造成持續(xù)的操作損失，如熱能和壓力損失。這反過來需要彌補操作損失的額外電能，以及為了額外的地面收集系統(tǒng)的建設(shè)和維護而增加的成本。長期以來，這成為大型GSHP設(shè)備的限制因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種地?zé)崮芟到y(tǒng)，其包括至少一個埋管換熱器和泵，所述至少一個埋管換熱器含有工作流體，并包括具有封閉底端、在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二細長同軸管道的細長管子，所述第一管道呈管狀并被呈環(huán)形的所述第二管道包圍，所述至少一個埋管換熱器具有沿與垂直方向成3 95度角的基本上傾斜方向延伸的主要部分；所述泵用于根據(jù)增加或減少的熱量需求沿著所述各埋管換熱器的各自第一和第二管道的各自選定方向從所述至少一個埋管換熱器選擇性地抽取所述工作流體。 優(yōu)選地，所述至少一個埋管換熱器具有相對于垂直方向平均傾斜10至小于90度的主要部分。 更優(yōu)選地，所述至少一個埋管換熱器具有相對于垂直方向平均傾斜30 60度的主要部分。 再更優(yōu)選地，所述至少一個埋管換熱器具有相對于垂直方向平均傾斜約45度的主要部分。 可選地，至少一些所述埋管換熱器中的每一個都至少具有相對于垂直方向傾斜3 45度(更通常5 20度)的傾斜最高部，并且其中這些傾斜最高部在所述陣列的地下環(huán)形區(qū)內(nèi)從相鄰的傾斜最高部發(fā)散。 可選地，至少一些所述埋管換熱器中的每一個都具有相對于垂直方向不同的傾斜度，所述傾斜度不同的埋管換熱器在線性最高部的下方具有傾斜度逐漸變化的至少一個部分或相互傾斜的至少兩個部分。這使埋管傾斜度在初始的地下環(huán)形區(qū)之下沿著埋管換熱器的主要長度變化。 優(yōu)選地，每個埋管換熱器的大部分長度與其它埋管換熱器相互間隔，從而相互間不受熱影響。 優(yōu)選地，每個埋管換熱器的大部分長度與其它埋管換熱器相互間隔距離至少4米。 優(yōu)選地，至少一個所述多個埋管換熱器的垂直深度為至少5米，更優(yōu)選至少10米。 優(yōu)選地，至少一個所述多個埋管換熱器的垂直深度為至少100米。 本發(fā)明還提供一種地?zé)崮芟到y(tǒng)，其包括多個埋管換熱器，每個埋管換熱器含有工
作流體，并包括具有封閉底端、具有沿基本上垂直方向延伸的主要部分的至少一個第一埋
管換熱器、具有沿基本上水平方向延伸的主要部分的至少一個第二埋管換熱器和具有沿基
本上傾斜的方向延伸的主要部分的至少一個第三埋管換熱器的細長管子，所述至少一個第
一埋管換熱器、至少一個第二埋管換熱器和至少一個第三埋管換熱器中每一個或它們各自
的組可單獨與所述工作流體的泵選擇性連接，所述泵用于從所述各埋管換熱器或組選擇性
地抽取所述工作流體。 優(yōu)選地，每個細長管子具有在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二細長管道，所述第一管道呈管狀并被呈環(huán)形的所述第二管道包圍；還包括與所述多個埋管換熱器連接的所述工作流體的歧管。 優(yōu)選地，所述多個埋管換熱器中每一個與所述多個埋管換熱器的其它任何一個選擇性地連接。 優(yōu)選地，所述歧管被設(shè)置成允許所述工作流體沿所述各自埋管換熱器的各自選定的方向選擇性流經(jīng)選定的一個以上的所述埋管換熱器。 優(yōu)選地，所述多個埋管換熱器從所述細長管子的中樞地面組件向下且橫向延伸進
入地下，從而限定包圍所述多個埋管換熱器的所述地?zé)崮芟到y(tǒng)的占地空間，并且其中所述
中樞地面組件的覆蓋區(qū)小于所述地?zé)崮芟到y(tǒng)的占地空間的覆蓋區(qū)的10%。 優(yōu)選地，所述中樞地面組件的覆蓋區(qū)小于所述地?zé)崮芟到y(tǒng)的占地空間的覆蓋區(qū)的5%。 優(yōu)選地，所述中樞地面組件包括與所述埋管換熱器的上端連接的剛性襯套。 本發(fā)明還提供一種操作包括多個埋管換熱器的地?zé)崮芟到y(tǒng)的方法，每個埋管換熱
器含有工作流體，并包括具有封閉底端的細長管子，所述方法包括以下步驟 選擇性地使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作
為冷源。 優(yōu)選地，所述至少一個第一埋管換熱器具有沿基本上垂直方向延伸的主要部分，
并且所述至少一個第二埋管換熱器具有沿基本上水平方向延伸的主要部分。 優(yōu)選地，所述至少一個第一埋管換熱器和所述至少一個第二埋管換熱器中每一個
具有沿基本上傾斜方向延伸的主要部分。 優(yōu)選地，每個細長管子具有在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二伸長管道，所述第一管道呈管狀并被呈環(huán)形的所述第二管道包圍，并且所述埋管換熱器與所述工作流體的歧管連接。 優(yōu)選地，所述多個埋管換熱器中每一個通過與所述歧管連接的閥與所述多個埋管換熱器的其它任何一個選擇性地連接。 優(yōu)選地，所述歧管被設(shè)置成允許所述工作流體沿所述各自埋管換熱器的各自選定的方向選擇性流經(jīng)選定的一個以上的所述埋管換熱器。 本發(fā)明還提供一種操作地?zé)崮芟到y(tǒng)的方法，所述地?zé)崮芟到y(tǒng)包括多個埋管換熱器，每個埋管換熱器含有工作流體，并包括具有封閉底端；與所述多個埋管換熱器連接的工作流體的歧管；和在所述多個埋管換熱器和所述歧管之間連接的多個閥，所述方法包括以下步驟 利用熱虹吸流從至少一個第一埋管換熱器到至少一個第二埋管換熱器選擇性地分配工作流體，從而在所述多個埋管換熱器內(nèi)重新分配熱能。 本發(fā)明還提供一種操作包括至少一個埋管換熱器的地?zé)崮芟到y(tǒng)的方法，所述至少一個埋管換熱器含有工作流體，并包括具有封閉底端、在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二細長同軸管道的細長管子，所述第一管道呈管狀并被呈環(huán)形的所述第二管道包圍，所述至少一個埋管換熱器具有沿與垂直方向成3 95度角的基本上傾斜方向延伸的主要部分；所述方法包括以下步驟 根據(jù)增加或減少的熱量需求沿著所述各埋管換熱器的各自第一和第二管道的各自選定方向從所述至少一個埋管換熱器選擇性地抽取所述工作流體。 特別地，本發(fā)明的優(yōu)選實施例涉及一種方法和設(shè)備，將一個以上的埋管換熱器從有限的地面空間擴展進入地層中，然后能夠大規(guī)模獲取低焓地?zé)崮?，并且還能夠選擇性地將工業(yè)上的多余能源釋放到地層中作為熱能貯存。 本發(fā)明的優(yōu)選實施例可以提供與現(xiàn)有和新建造的建筑服務(wù)系統(tǒng)精確匹配的低焓、地?zé)崮苜A存和恢復(fù)設(shè)備，向工業(yè)或社區(qū)規(guī)模的寬泛范圍建筑物提供采暖、制冷、通風(fēng)和熱水服務(wù)，具有非常高的效率、低碳排放和緊湊型地面覆蓋區(qū)。此外，該設(shè)備根據(jù)相關(guān)建筑物隨時間變化的供暖和制冷需求可以主要地和選擇性地作為熱能源、冷源或儲熱源操作。
通過在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置多個閉環(huán)埋管換熱器，可選擇性地(a)使流體在任何埋管換熱器內(nèi)沿選定方向流動；和/或(b)究竟選擇多個埋管換熱器中哪一個將要操作或沿選定流體流向操作；和/或(c)在多個閉環(huán)的埋管換熱器內(nèi)，在給定的埋管換熱器內(nèi)和/或在多個埋管換熱器內(nèi)設(shè)置不同傾斜度，提供了可選擇性地構(gòu)成具有可控?zé)嵝阅艿臒崮茉?、冷源或儲熱源的多用途的?jié)能系統(tǒng)。 該設(shè)備還可以在相鄰建筑物和設(shè)施之間進行熱能的有效交換以節(jié)約可用能源。此外，該設(shè)備還可以包括諸如地下蓄水層、鄰近的水庫或抽水系統(tǒng)等額外的熱能源或冷源，并容易與其它可再生能源和其它供暖或制冷負載結(jié)合起來，從而進一步減少總的碳排放量。
很多現(xiàn)有技術(shù)文獻已披露了地?zé)崮芟到y(tǒng)的各個方面，但是所公開的系統(tǒng)和操作它們的方法存在很多技術(shù)限制。 例如，GB 1496075 (Erda Energy)包括圖1 圖4，披露了將熱流體引入水庫的地?zé)峋?。這些井可以通過閥單獨被打開。然而，沒有換熱器。沒有包括埋管換熱器的閉環(huán)系統(tǒng)。圖5和圖6公開了埋管換熱器。然而，該系統(tǒng)的應(yīng)用非常有限，因為僅能沿一個方向驅(qū)動流體。另外，換熱器具有相同的傾斜度，并且地面組件具有相對較大的覆蓋區(qū)。該文獻沒有公開根據(jù)增加或減少的熱量需求選擇換熱器。所披露的設(shè)備是熱源，然而沒有公開選擇性地使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作為冷源。該文獻沒有公開在多個埋管換熱器內(nèi)重新分配熱能。 JP 9-60985 (Susawa)披露了一種使用換熱器釋放熱量的系統(tǒng)，例如用于使雪融化，而不是重新獲得地?zé)岬臒崃?，用于對建筑物供暖或用于排出建筑物的熱量。用于重新獲得地?zé)崮艿牡叵掳惭b的換熱器是垂直的。它們向水平的輻射狀管子釋放能量。盡管換熱器通過閥連接，然而沒有公開管道通過閥與歧管可選擇性地連接以便通過轉(zhuǎn)換流體通過各換熱器的流向可選擇性地單獨驅(qū)動每個埋管換熱器在供暖或制冷模式，達到所需程度。另外，換熱器具有相同的傾斜度，并且地面組件具有相對較大的覆蓋區(qū)。 GB 2045909 (Schmidt)披露了沿單一流向驅(qū)動同軸埋管換熱器的熱泵設(shè)備。多個同軸換熱器具有不同的恒定傾斜度，呈半球星形陣列。管子是一樣直而短的。沒有公開根據(jù)增加或減少的熱量需求沿不同方向選擇性抽取，以便選擇性地連接朝向不同方向的換熱器。所披露的設(shè)備是熱源，而沒有公開選擇性地使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作為冷源。 WO 82/02935 (Jovy) 、 DE 3048870 (Neumann) 、 DE 3114262 (Welte)禾口 JP57-58024(Misawa)類似地披露了作為熱源的地?zé)釤岜迷O(shè)備，其中沿單一流向驅(qū)動呈輻射狀或星形陣列的一樣直而短的埋管換熱器。 FR 2456919 (Svenska Flaktfabriken)披露了一種帶有輻射狀傾斜管子陣列的地?zé)嵯到y(tǒng)。另外，換熱器具有相同的傾斜度，并且地面組件具有相對較大的覆蓋區(qū)。盡管該吸熱設(shè)備可操作從地下重新獲得熱量或向地下傳輸熱量，但因為工作流體存在單一回路，而沒有公開一個換熱器可用作熱源而另一個可同時用作冷源(由此從一個向另一個傳輸熱)。因此，沒有公開選擇性使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作為冷源。 EP 1048820 (Flowtex)披露了一種地?zé)嵯到y(tǒng)，具有與單一垂直管子和單一地面站連接的隨機相互連接的管子系統(tǒng)，或者具有在兩個地面站之間延伸的單一管子。地面組件具有相對較大的覆蓋區(qū)。沒有公開多個換熱器的多種方向。 W02007/097701 (SEEC)披露了一種供暖/制冷設(shè)備，其具有控制閥以便在多個埋管換熱器內(nèi)引導(dǎo)工作流體內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)的控制設(shè)備，但不是根據(jù)建筑物的熱量狀況。控制設(shè)備以補充模式(冷源)或獲取模式(熱源)在多個埋管換熱器內(nèi)分配工作流體，然而沒有公開一個換熱器可以用作熱源，而另一個換熱器同時可用作冷源(由此從一個向另一個傳輸熱量)。因此，沒有公開選擇性使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作為冷源。 GB 2434200 (Roxbury)披露了一種地?zé)崮芟到y(tǒng)的換熱器，但是該換熱器不帶有用于根據(jù)建筑物的熱量狀況在多個埋管換熱器內(nèi)分配工作流體的控制模塊。由于換熱器不帶有用于在多個埋管換熱器內(nèi)分配工作流體的控制模塊，因此不能選擇性地使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作為冷源。 FR 2817024(Solterm)披露了一種地?zé)嵯到y(tǒng)，其具有傾斜度不變呈一定角度的扇形陣列的多個同軸換熱器。相鄰換熱器可具有不同的傾斜度。管子是一樣直而短的。沒有公開埋管深度、一個埋管中的傾斜度不同或單獨可控以便控制熱量恢復(fù)的不同埋管的傾斜度不同。另外，沒有公開根據(jù)增加或減少熱量需求沿不同方向選擇性抽取流體。僅顯示了一個流向。盡管說明了熱泵可選擇性地操作在供暖模式或相反地操作在空調(diào)模式下，然而沒有公開通過換熱器正向和逆向抽取流體。 EP 1808570 (Soilmec)披露了一種具有傾斜度不變、剛剛超出地平線、從初始的垂直線遠離初始的輻射狀部分的同軸埋管換熱器的地?zé)嵯到y(tǒng)。沒有公開埋管深度、一個埋管中的傾斜度不同或單獨可控以便控制熱量恢復(fù)的不同埋管的傾斜度不同。另外，沒有公開根據(jù)增加或減少熱量需求沿不同方向選擇性抽取流體的方法。圖1 圖2的封閉系統(tǒng)僅顯示了一個流向。然而，圖3和圖4說明了流向可以相反，然而這僅僅是在開放系統(tǒng)中，從而使流體從外環(huán)形管道流入巖層中。 W0 03/069240 (Bobbasmi 11)披露了一種包括單一地?zé)嵩吹慕M合的供暖和制冷單元，其可選擇性地用作冷源或熱源。然而，沒有公開設(shè)置多個埋管換熱器以及一個這樣的埋管換熱器可用作熱源而另一個這樣的埋管換熱器同時可用作冷源(由此從一個向另一個傳輸熱量)。因此，沒有公開選擇性地使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作為冷源。 US 4134462 (Clay)披露了一種用作熱源的地?zé)崮芑厥障到y(tǒng)。該文獻沒有公開在多個埋管換熱器內(nèi)重新分配熱能。


下面僅通過例子并參照附圖對本發(fā)明的實施例進行說明，在附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器陣列的示意性立體 圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器的示意性立體 圖3是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器陣列的示意性立體 圖4是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器陣列的示意性立體 圖5是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器陣列的示意性立體 圖6是根據(jù)本發(fā)明第六實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器陣列的示意性平面 圖7是根據(jù)本發(fā)明第七實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器陣列的示意性平面 圖8是示出根據(jù)本發(fā)明第八實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)在地面組件的覆蓋區(qū)與占地空間的覆蓋區(qū)之間的關(guān)系的示意性平面圖； 圖9是示出根據(jù)本發(fā)明第九實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器真實垂直深度與沿著埋管測得的深度之間的示意性正視圖； 圖10是示出根據(jù)本發(fā)明第十實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器的各個井段的示意性正視圖； 圖11是示出根據(jù)本發(fā)明第十一實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器的其它各個井段的的示意性正視圖； 圖12(a) 、 (b)和(c)是分別示出根據(jù)本發(fā)明其它實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的多個埋管換熱器的一組襯套的示意性平面圖； 圖13(a) 、 (b) 、 (c) 、 (d) 、 (e)和(f)是分別示出根據(jù)本發(fā)明其它實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的多個埋管換熱器的陣列配置的示意性平面圖； 圖14(a)和(b)是示出根據(jù)本發(fā)明其它實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的中樞歧管單元的示意圖； 圖15詳細地示意性示出在本發(fā)明的各實施例中使用的埋管換熱器的實施例的結(jié)
11構(gòu)；以及 圖16示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)。
具體實施例方式
本發(fā)明優(yōu)選實施例的系統(tǒng)的核心是埋管換熱器(BHE)(最優(yōu)選是同軸埋管換熱器)的緊湊型陣列或多個陣列，埋管換熱器安裝在從靠近所服務(wù)的建筑物的包括一個或多個小的襯套的剛性結(jié)構(gòu)(優(yōu)選為混凝土)定向鉆出的埋管中。根據(jù)主要目的是提供供暖和/或制冷，可以將埋管換熱器垂直地、傾斜地或水平地安裝在地層中。 通過淺的水平埋管換熱器來提供最佳制冷，通過深的垂直埋管換熱器來輸送最佳供暖，通過以與垂直方向成一定角度(最通常為45度)傾斜的埋管換熱器來供應(yīng)最佳的供暖和制冷組合。此外，根據(jù)設(shè)計要求，可以將一個埋管換熱器從地面下的一些點分成兩個或更多的分支(多腿完備化)。 在優(yōu)選實施例的埋管換熱器陣列的設(shè)計方面還需要考慮的是基床位面的空間方向、孔隙度和滲透率，尤其是大斷裂，它們是那個區(qū)域的地層特征。通過利用地下水積聚和地下流動沿著最有利方向以物理方式截斷地層的方式來鉆孔，該方法提供了增加埋管換熱器的熱效率的機會。 雖然通常埋管換熱器的垂直深度范圍為地面以下10 750米，然而可以有更深的深度。在埋管換熱器陣列中，通常至少一個埋管換熱器延伸到垂直深度為至少IOO米，可達到750米。 參照圖1，圖中示意性示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器陣列。陣列2是二維的，包括七個埋管換熱器4、6、8、10、12、14、16，每個埋管換熱器在其上端與中樞公共歧管單元18連接。優(yōu)選地，正如在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的并在此討論的，每個埋管換熱器4、6、8、10、12、14、16具有同軸構(gòu)造。埋管換熱器4、6、8、10、12、14、16中每一個具有從歧管單元18向下延伸的基本上垂直的第一頂部A ;向下且橫向遠離歧管單元18延伸的基本上略微傾斜的、通常偏離垂直方向30 60度角(更優(yōu)選成45度角)的第二中部B;和進一步向下且橫向遠離歧管單元18延伸的、通常以偏離垂直方向大于60度的角度的大坡度傾斜的第三下部C。對于任何一個給定的埋管換熱器以及在埋管換熱器之間，各部分的長度和傾斜度可以不同。陣列2被構(gòu)造并確定尺寸，以在埋管換熱器之間彼此間隔，使它們中的每一個基本上不會受到熱影響。通常，下部C的底端20、22、24、26、28、30、32彼此間隔至少20米，并且整個陣列2的橫向?qū)挾葹橹辽?20米。利用油氣鉆探技術(shù)中已知的與鉆孔方位有關(guān)的定向鉆井的技術(shù)術(shù)語，將頂部A稱作造斜井段，將中部B稱作穩(wěn)斜井段，將下部C稱作降斜井段。 參照圖2，圖中示意性示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器陣列。陣列34是三維的，包括五個同軸36、38、40、42、44，每個埋管換熱器在其上端與襯套46形式的剛性結(jié)構(gòu)(優(yōu)選混凝土)連接，該剛性結(jié)構(gòu)與中樞公共歧管單元(圖未示)連接。中央埋管換熱器40在其整個長度(通常為至少150米)上從襯套46向下基本上垂直地延伸。其余四個埋管換熱器36、38、42、44以方形配置基本對稱地排列著，并且每個埋管換熱器具有從襯套46向下延伸的基本上垂直的第一頂部A;向下且橫向遠離襯套46延伸的基本上略微傾斜的第二中部B;和進一步向下且橫向遠離襯套46延伸的大坡度傾斜的第三下部C。埋管換熱器的各部分的長度和傾斜度可以不同。陣列34被構(gòu)造并確定尺寸，以在埋管換熱器之間彼此間隔，使它們中的每一個基本上不會受到熱影響。通常，埋管換熱器36、38、42、44的下部C的底端46、48、50、52沿方形配置的側(cè)邊彼此間隔至少100米，且沿方形配置的對角線至少200米。 參照圖3，圖中示意性示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器陣列。陣列54是三維的，包括四個同軸埋管換熱器56、58、60、62，每個埋管換熱器在其上端與襯套64形式的剛性結(jié)構(gòu)(優(yōu)選混凝土)連接，該剛性結(jié)構(gòu)與中樞公共歧管單元(圖未示)連接。朝向基本相同方向的四個埋管換熱器56、58、60、62以扇狀配置排列著，并且每個埋管換熱器具有從襯套64向下延伸的基本上垂直的第一頂部A ;向下且橫向遠離襯套64延伸的基本上傾斜的第二中部B ;和進一步橫向遠離襯套64延伸的基本上水平的第三下部C。埋管換熱器的各部分的長度和傾斜度可以不同。陣列64被構(gòu)造并確定尺寸，以在埋管換熱器之間彼此間隔，使它們中的每一個基本上不會受到熱影響。通常，埋管換熱器56、58、60、62的下部C的底端66、68、70、72彼此間隔至少20米，埋管換熱器56、58、60、62的深度為至少150米，且埋管換熱器56、58、60、62遠離襯套64的橫向延伸量為至少100米。
參照圖4，圖中示意性示出根據(jù)本發(fā)明第四實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器陣列。陣列74是三維的，包括六個同軸埋管換熱器76、78、80、82、84、86，每個埋管換熱器在其上端與襯套88形式的剛性結(jié)構(gòu)(優(yōu)選混凝土)連接，該剛性結(jié)構(gòu)與中樞公共歧管單元(圖未示)連接?；旧涎貜较蜻h離襯套88且彼此等距地延伸的六個埋管換熱器76、78、80、82、84、86以星形配置排列著。每個埋管換熱器76、78、80、82、84、86具有從襯套88向下延伸的基本上垂直的第一頂部A，和向下且橫向遠離襯套88延伸的基本上傾斜的第二下部B。埋管換熱器76、78、80、82、84、86基本呈L形，并且下部B基本上呈水平以滿足制冷需求。埋管換熱器的各部分的長度和傾斜度可以不同。陣列74被構(gòu)造并確定尺寸，以在埋管換熱器之間彼此間隔，使它們中的每一個基本上不會受到熱影響。通常，埋管換熱器76、78、80、82、84、86的下部B的底端90、92、94、96、98、 100彼此間隔，這樣埋管換熱器76、78、80、82、84、86的深度為至少50米，且陣列74的總的橫向延伸量為至少200米。
參照圖5，圖中示意性示出根據(jù)本發(fā)明第五實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器陣列。陣列102是三維的，包括四個同軸埋管換熱器104、106、108、110，每個埋管換熱器在其上端與襯套112形式的剛性結(jié)構(gòu)(優(yōu)選混凝土)連接，該剛性結(jié)構(gòu)與中樞公共歧管單元(圖未示)連接。沿其長度基本上對齊的四個埋管換熱器104、106、108、110以基本上直線配置排列著。每個埋管換熱器除了與襯套112連接的初始大角度彎曲的連接部114之外，還具有向下且橫向遠離襯套112延伸的一個基本傾斜部。埋管換熱器的長度和傾斜度可以不同。陣列102被構(gòu)造并確定尺寸，以在埋管換熱器之間彼此間隔，使它們中的每一個基本上不會受到熱影響。 參照圖6，圖中示意性示出根據(jù)本發(fā)明第六實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器陣列。陣列116是三維的，包括六個同軸埋管換熱器118 、 120 、 122 、 124、 126 、 128 (還可以設(shè)置另一個垂直埋管換熱器，圖未示)，每個埋管換熱器在其上端與襯套138 (優(yōu)選混凝土 )連接，襯套138與中樞公共歧管單元(圖未示)連接。基本上沿徑向遠離襯套138延伸的六個埋管換熱器118、 120、 122、 124、 126、 128以星形配置排列著。每個埋管換熱器118、 120、122、124、126、128可以具有例如上文的圖4實施例的垂直和傾斜配置。在該實施例中，六個埋管換熱器118、120、122、124、126、128沿橫向、特別是沿徑向的延伸量不同。徑向延伸量被劃分成半徑逐漸增大的多個環(huán)形區(qū)。例如，環(huán)形區(qū)1的半徑小于30米，環(huán)形區(qū)2的半徑為至少30米，環(huán)形區(qū)3的半徑為至少55米，環(huán)形區(qū)4的半徑為至少65米，環(huán)形區(qū)5的半徑為至少85米。六個埋管換熱器118、 120、 122、 124、 126、 128延伸至不同的環(huán)形區(qū)內(nèi)，優(yōu)選地，每個埋管換熱器118、 120、 122、 124、 126、 128分別延伸至不同的環(huán)形區(qū)內(nèi)。這樣，陣列116被構(gòu)造并確定尺寸，以在埋管換熱器之間彼此間隔，使它們中的每一個基本上不會受到熱影響。 參照圖7，圖中示意性示出根據(jù)本發(fā)明第七實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器陣列。陣列132是三維的，包括四個同軸埋管換熱器134、136、138、140，每個埋管換熱器在其上端與襯套142(優(yōu)選混凝土)連接，襯套142與中樞公共歧管單元(圖未示)連接。四個埋管換熱器134、136、138、140以使其沿橫向被包圍在地產(chǎn)邊界線144內(nèi)的配置排列著，其中地產(chǎn)邊界線144包含了地?zé)崮芟到y(tǒng)將要服務(wù)的建筑物146。因此，地?zé)崮芟到y(tǒng)的占地空間的覆蓋區(qū)在地產(chǎn)邊界線以內(nèi)。襯套142位于靠近建筑物146的位置，這樣的目的是便于維護等。襯套142的覆蓋區(qū)比地?zé)崮芟到y(tǒng)的占地空間的覆蓋區(qū)小很多，通常小于10% (更優(yōu)選小于5%，再更優(yōu)選小于1%)的地?zé)崮芟到y(tǒng)的占地空間的覆蓋區(qū)。另外，陣列132被構(gòu)造并確定尺寸，以在埋管換熱器之間彼此間隔，使它們中的每一個基本上不會受到熱影響。
在上述任一實施例中的埋管換熱器陣列中，以及在本發(fā)明中使用的任何其它陣列中，可以使用"斜向"鉆探設(shè)備開始鉆孔，借助該設(shè)備以偏離垂直方向5。 20°的傾斜度進行初始鉆孔。在鉆孔開始之后，鉆孔角度可以保持不變，可以連續(xù)增加，或者可以減小，逐漸深入部分的角度根據(jù)建筑面積的大小和埋管換熱器的數(shù)量而定。利用該技術(shù)提供了可以在較淺深度處增加相鄰埋管之間的地下間距的技術(shù)效果。反過來，這樣提供了在埋管的預(yù)定長度上增加有效可用的孔的技術(shù)優(yōu)勢。 在這些實施例中，至少一些埋管換熱器中每一個都至少具有與垂直方向成3 45度(常常5 20度)傾斜度的傾斜最高部，并且這些傾斜最高部在所述陣列的地下環(huán)形區(qū)內(nèi)從相鄰的傾斜最高部發(fā)散。 在一些實施例中，至少一些埋管換熱器中每一個都具有相對于垂直方向不同的傾斜度，傾斜度不同的埋管換熱器在線性最高部的下方具有傾斜度逐漸變化的至少一個部分或相互傾斜的至少兩個部分。這使埋管傾斜度在初始的地下環(huán)形區(qū)之下沿著埋管換熱器的主要長度變化。 參照圖8，圖中示意性示出根據(jù)本發(fā)明第八實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的平面圖。地?zé)崮芟到y(tǒng)由點A、B、C和D限定的區(qū)域A1表示的襯套的覆蓋區(qū)小于由點S、T、U、V、W、X、Y和Z限定的區(qū)域A2表示的占地空間的覆蓋區(qū)，優(yōu)選小得多，通常小于10%，更優(yōu)選小于5%，最優(yōu)選小于1%。換句話說，A2/A1之比大于1。點A-D表示外套管的軸的最上部坐標。點S-Z表示外套管的軸的底孔的坐標。 參照圖9，圖中示出根據(jù)本發(fā)明第九實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器的真實垂直深度(TVD)與沿著埋管測得的深度(MD)之間的示意性正視圖。由于換熱器具有水平方向延伸的水平組件，因此換熱器具有橫向延伸量。因此，從地面測得的深度與真實垂直深度之比大于1。每個埋管換熱器的垂直深度可以為5米 750米，更優(yōu)選10米 750米，但通常至少一個埋管換熱器的垂直深度為至少100米。如圖9所示，埋管換熱器具有相對于垂
14直方向的平均角度的傾斜度，埋管換熱器的主要部分偏離垂直方向3 95度，更優(yōu)選偏離垂直方向5 95度，再更優(yōu)選偏離垂直方向10 90度，還更優(yōu)選偏離垂直方向30 60度，最通常偏離垂直方向約45度。然而，埋管換熱器的任何部分可以偏離垂直方向3 95度，換句話說，可以是從剛剛偏離垂直方向至剛剛超過水平方向的范圍。這樣的埋管換熱器配置可用于本發(fā)明的其它實施例中。 圖10和圖ll示出可用于本發(fā)明其它實施例中的其它埋管換熱器配置。這樣的埋管換熱器配置可以利用油井和氣井鉆探業(yè)中公知的鉆探技術(shù)形成。另外，埋管換熱器的任何部分可以偏離垂直方向3 95度，換句話說，可以是從剛剛偏離垂直方向至剛剛超過水平方向的范圍。 首先，參照圖IO，顯示為(a)的第一種類型152包括從地面GL向下延伸的上垂直部154，即造斜井段，和較低的穩(wěn)定傾斜部156，即穩(wěn)斜井段，偏離垂直方向的傾斜角優(yōu)選為30 60度，最典型地偏離垂直方向約45度。顯示為(b)的第二種類型158包括上垂直部160，即造斜井段，和中間的穩(wěn)定傾斜部162，即穩(wěn)斜井段，偏離垂直方向的傾斜角優(yōu)選為30 60度，最典型地偏離垂直方向約45度，和下垂直部164，即降斜井段。顯示為(c)的第三種類型166包括上穩(wěn)定傾斜部168，即穩(wěn)斜井段，偏離垂直方向的傾斜角優(yōu)選為30 60度，最典型地偏離垂直方向約45度，和下水平部170。顯示為(d)的第四種類型172包括上垂直部174，即造斜井段，和下水平部176。 其次，參照圖ll，顯示為(e)的第五種類型178包括從地面GL向下延伸的單一的穩(wěn)定傾斜部180，偏離垂直方向的傾斜角優(yōu)選為30 60度，最典型地偏離垂直方向約45度。顯示為(f)的第六種類型182包括單一的垂直部184。 例如，地?zé)崮芟到y(tǒng)可以包括多個埋管換熱器和與所述多個埋管換熱器連接的工作流體用的歧管(圖未示)，其中至少一個第一埋管換熱器是主要部分沿基本上垂直方向延伸的第二種類型158和/或第六種類型182，至少一個第二埋管換熱器是主要部分沿基本上水平方向延伸的第三種類型166和/或第四種類型172，至少一個第三埋管換熱器是主要部分沿基本上傾斜的方向延伸的第一種類型152和/或第五種類型178。對于這樣的陣列而言，通過根據(jù)建筑物的增加或減少的熱需求來控制閥，使至少一個第一、第二和第三埋管換熱器可選擇性地與歧管連接。 參照圖12和圖13，示出了與多個埋管換熱器連接的各種襯套配置。圖12的襯套配置是弧形(a)、梯形(b)和方形(c)。圖13的襯套配置是方形(a)、十字形(b)、直線形(c)、弧形(d)、矩形(e)和圓形(f)。 參照圖14，示出了中樞歧管單元186，其可以組合到根據(jù)本發(fā)明的地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器陣列的各實施例中。中樞歧管單元186包括在使用時與建筑物的供暖/制冷系統(tǒng)(圖未示)連接的工作流體的進口 188和出口 190。進口 188與在第一進口管線194上的一組第一進口閥192a-i和在平行于第一進口管線194的第二進口管線198上的一組第二進口閥196a-h連接。第一進口閥192a-i和第二進口閥196a_h中每一個的出口側(cè)與各埋管換熱器(在該實施例中有與中樞歧管單元186連接的九個埋管換熱器)的各供應(yīng)管線197a-i連接。出口 190與出口管線200上的一組出口閥198a-i連接。出口閥198a_i中每一個的進口側(cè)與各埋管換熱器的各回流管線202a_i連接。供應(yīng)管線197a_i和回流管線202a-i選擇性地供應(yīng)工作流體至各埋管換熱器和從各埋管換熱器回流工作流體。然而，可
15選擇性地使每個埋管換熱器以反向流動配置操作，其中各供應(yīng)和回流管線的功能相反。
每個閥192、196、198包括致動器(圖未示)并可獨立地致動。因此，通過歧管單元186的閥可選擇性地控制陣列的每個埋管換熱器，以向前或相反流動配置驅(qū)動各埋管換熱器。此外，每個埋管換熱器可以與任何其它埋管換熱器或多個埋管換熱器連接，從而將埋管換熱器相互連接成所需的相互連接配置。任何埋管換熱器可選擇性地被關(guān)閉，由此使工作流體繞過被選定的埋管換熱器。 圖15詳細地示出在本發(fā)明的各實施例中使用的優(yōu)選埋管換熱器的結(jié)構(gòu)。埋管換熱器300被構(gòu)造成安裝在鉆至所需深度和軌跡的埋管306中的外套管302和內(nèi)管304的同軸布置。在外套管302被放下至埋管306中后，將熱優(yōu)化的接合劑308泵入外套管302和埋管壁312之間的環(huán)狀區(qū)域310，以確保結(jié)構(gòu)完整性并使埋管換熱器300與地質(zhì)構(gòu)造液壓隔離，特別是與任何可能橫越埋管的地下水域隔離。外套管302的底端314密封有底塞316，并用接合劑粘接以完成隔離。 通過沿內(nèi)管304以一定間隔定位的定心翅片318使內(nèi)管304位于外套管302的中央，并且內(nèi)管304在底塞314的上方留有短間距的"開口端"，從而建立用于用作熱能傳遞介質(zhì)的工作流體(基于水的)循環(huán)的有效、閉環(huán)通路。這些翅片318還用作誘發(fā)在外套管302和內(nèi)管304之間的埋管換熱器環(huán)狀區(qū)域320內(nèi)的流動特性的機械式"湍流器"，從而適當?shù)卦鰪妼⒌責(zé)崮軅鬟f至地層或從地層傳遞地?zé)崮?，同時使壓力損失減到最小。通常，盡管基于精確應(yīng)用在地面控制模塊的控制下使工作流體向下泵入環(huán)狀區(qū)域320(箭頭A)并使其向上回流至內(nèi)管304(箭頭B)到達地面，然而在一些情況下循環(huán)方向可以相反以提供最佳性能。
例如，溫度傳感器322可以在沿著埋管換熱器300長度上的各間隔處與埋管換熱器300連接。 值得注意的是，埋管換熱器的效率直接與在埋管換熱器中任意點處地質(zhì)層溫度和環(huán)狀區(qū)域320中的工作流體之間的溫差有關(guān)。因此，為了有效地捕集熱量，進入埋管換熱器的工作流體應(yīng)為盡可能低的溫度，并將埋管換熱器安裝在盡可能實現(xiàn)的深度(例如450米)，以便利用地?zé)崽荻取７催^來，在制冷模式中為了有效地散熱，工作流體應(yīng)為可達到的最高溫度，并將埋管換熱器水平安裝在較淺的深度(例如50-100米)。 埋管換熱器設(shè)計的特征在于，使用從最初為在油氣生產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用而開發(fā)出的商用計算機模型獲得的準確選定的材料、尺寸和操作參數(shù)。這些模型能夠在考慮了所有地質(zhì)的、
物質(zhì)的、液壓的和熱的參數(shù)的情況下模擬同軸、閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)(特別是埋管換熱器)的熱
響應(yīng)。模型輸出包括任何特定的能源需求的流量、壓力損失和熱響應(yīng)曲線(例如溫度-時
間)，從而使埋管換熱器的設(shè)計和操作能精確地匹配每個特定建筑物的要求。 目前，指定的外套管302的材料是具有高導(dǎo)熱性和機械強度的碳鋼。內(nèi)管304被
指定為厚壁的熱塑性塑料，其具有隔熱的低傳導(dǎo)率并使將地?zé)崮軅鬟f至地面的工作流體的
熱"短路"現(xiàn)象降至最低，由此增加了埋管換熱器300的整體熱效率。 利用先進的計算機模型對眾多BHE配置的大量模擬已經(jīng)證實，埋管換熱器300的熱功率傳遞能力遠遠高于到目前為止常規(guī)U形管埋管換熱器所能達到的傳遞能力。例如，根據(jù)建筑服務(wù)性設(shè)計的需求狀況可得到范圍為80 180W/m的平均線性功率輸出。正如在此所述的，將其與通常輸出為20-70W/m的典型的U形管或"Slinky"設(shè)備進行比較。
雖然為了使陣列中的單個埋管換熱器的效率高，重要的是不僅監(jiān)測和調(diào)節(jié)到達和
16來自建筑服務(wù)連接處的流量和溫度，而且在某些情況下為了使整體性能最佳還要監(jiān)測和調(diào)節(jié)各埋管換熱器之間的流量和溫度，由此不受約束地滿足建筑物多樣化的能源需求。這通過地面控制模塊(SCM)來實現(xiàn)，該地面控制模塊包括安裝于襯套上或位于地面處靠近陣列的井口中的中樞公共歧管單元。在安裝了多于一個陣列的情況下，根據(jù)整體設(shè)計要求可以存在多于一個的SCM。 參照圖16，在地面控制模塊400內(nèi)安裝有作為中樞歧管單元401的一部分或與中樞歧管單元401連接并由微處理器410控制的閥402、壓力表404、溫度傳感器406和流量傳感器408，微處理器410上寫有程序，使與襯套413連接的埋管換熱器的陣列412維持最佳能源平衡并將所需溫度的工作流體輸送至建筑物服務(wù)設(shè)備418。泵419設(shè)置用于通過埋管換熱器的陣列412抽取工作流體，泵419通常位于建筑物服務(wù)設(shè)備418中。此外，傳輸?shù)浇ㄖ锓?wù)設(shè)備的熱能在地面控制模塊400的輸出處由儀表420測出。軟件安裝在微處理器410內(nèi)，其繪制陣列412針對不同的建筑物能源需求的響應(yīng)，并且與建筑物管理系統(tǒng)422相兼容。根據(jù)需求狀況的變化或為了進行升級，可以修改并重新安裝該軟件。
在設(shè)備的操作期間，在地面控制模塊400的輸出處可獲得任何給定時刻所需溫度的工作流體。然后將該工作流體輸送至機房424，主熱泵單元426安裝在該機房內(nèi)，機房通常位于建筑物的地下室。同時，到達機房424的輸出端并已被用過的工作流體將回流至地面控制模塊400，再注入到陣列412內(nèi)。該任務(wù)通過通常被埋在地面下l-2米并確保在傳遞過程中熱量和液壓能源損失最小的預(yù)隔熱的熱塑性塑料管網(wǎng)執(zhí)行。 建筑物服務(wù)設(shè)備418在設(shè)計方面理論上考慮了很多因素，目的在于將現(xiàn)有能源有效的構(gòu)建技術(shù)和可再生能源組合，以符合或者如果需要以成本有效方式超過地方和國家當局規(guī)定的日益嚴格的二氧化碳減排目標。同時，維持建筑物內(nèi)全年舒適環(huán)境和提供所需的熱水供應(yīng)的目標當然是主要的設(shè)計目的。 對于任何給定的單一埋管換熱器安裝設(shè)備而言，假設(shè)諸如埋管換熱器熱阻、地層巖性和地層熱特性等所有其它相關(guān)變量是常數(shù)，那么其熱響應(yīng)曲線(輸出溫度-時間)是工作流體流量、工作流體輸入溫度和工作流體操作周期(在給定時間段的"on"時間段-"off"時間段的持續(xù)時間和頻率)的函數(shù)。因此，通過改變形成埋管換熱器的熱響應(yīng)曲線的一個以上的參數(shù)(即，工作流體流量和流向、輸入溫度和操作周期)可以修正熱響應(yīng)曲線。此外，多個埋管換熱器的熱響應(yīng)曲線可通過在所述多個埋管換熱器內(nèi)選擇性分配工作流體來組合并修正。 每個埋管換熱器或多個埋管換熱器的熱響應(yīng)曲線可以在工作流體流量(0-10升/秒)、流向(向前或逆向)和輸入溫度(-10 +4(TC)的設(shè)想的操作范圍內(nèi)繪制出來。這是最初通過計算機輔助分析和預(yù)測、后來通過操作期間獲得的實驗數(shù)據(jù)進行修正完成的。
歧管的地面控制模塊(SCM)包括可編程計算機模塊、傳感器和控制閥，用于監(jiān)測和控制每個埋管換熱器以及整個完整系統(tǒng)的工作流體流量、流向、溫度和壓力，包括用于監(jiān)測和控制從地面控制模塊流向所服務(wù)的建筑物的主工作流體的進口和出口 。
可選地，沿著埋管換熱器的長度上的各間隔處與埋管換熱器連接的溫度傳感器可用于補充對埋管換熱器熱響應(yīng)曲線的監(jiān)測和控制。 任何給定的建筑物隨時間變化的熱能需求狀況是包括物理位置、尺寸、建筑方法和材料、入住率和模式、內(nèi)部設(shè)施和外部氣候條件的多變量的函數(shù)。根據(jù)安裝在建筑物內(nèi)的采暖和制冷以及熱水系統(tǒng)的設(shè)計，由從簡單的溫度調(diào)節(jié)設(shè)備的控制到多個閥和傳感器的計 算機輔助控制的復(fù)雜程度不同的建筑服務(wù)管理(BSM)系統(tǒng)對內(nèi)部氣候控制進行管理。
任何給定的建筑物在選定間隔處隨時間變化的熱能需求狀況可根據(jù)計劃的操作 條件繪制出。這是最初通過計算機輔助分析和預(yù)測、后來通過操作期間獲得的實驗數(shù)據(jù)進 行修正完成的。 建筑服務(wù)管理系統(tǒng)在任何時間點處變化的熱能需求是通過將所繪制的建筑物的 熱能需求狀況與所繪制的埋管換熱器熱能響應(yīng)曲線組合以隨時間變化盡可能精密地匹配 來總體上實現(xiàn)的。通過地面控制模塊內(nèi)的計算機模塊(即微處理器)實現(xiàn)這種功能。此外， 計算機模塊還可以監(jiān)測建筑物的任何無規(guī)律的實時變動的熱能需求，并調(diào)節(jié)BHE熱能響應(yīng) 以最佳地滿足這些無規(guī)律的變動。 當考慮將本發(fā)明的地?zé)崮芟到y(tǒng)應(yīng)用到新建筑物上時，如上所述，重要的是選擇建 筑服務(wù)技術(shù)，以使地?zé)崮芟到y(tǒng)的基本操作能力以及建筑物服務(wù)設(shè)備的性能達到最佳。例如， 一些直接供暖或制冷設(shè)計不適于與地?zé)崮芟到y(tǒng)連接，因為它們操作時在進口和出口的連接 處之間的溫差小。地?zé)崮芟到y(tǒng)中的任何埋管換熱器的效率是在沿著埋管換熱器的任何點處 的地溫與工作流體的溫度之間的差的函數(shù)。然而，熱泵基設(shè)備通過在建筑物建筑區(qū)和埋管 換熱器之間建立連接，能夠使埋管換熱器在最佳溫度范圍操作，由此使其在供暖和制冷模 式中的效率最大。 目前市場上可獲得許多HVAC建筑服務(wù)設(shè)計，不僅用于提供主要的直接供暖和制 冷，而且能夠在同一建筑物的不同部分之間進行熱分布管理，由此大大提高了效率并減小 了地?zé)崮芟到y(tǒng)的埋管換熱器的需求波動的幅度和持續(xù)時間。這樣既具有降低規(guī)范的好處， 又因此具有降低地?zé)崮芟到y(tǒng)安裝成本的好處以及低運作成本的額外好處。此外，如果與現(xiàn) 有節(jié)能建筑方法進行結(jié)合，那么可以進一步顯著降低碳排放量。 建筑服務(wù)設(shè)計是利用最新計算機輔助設(shè)計工具進行的，包括考慮到對外部環(huán)境的 結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及內(nèi)部產(chǎn)生的能源需求狀況使整個方法能夠滿足供暖和制冷需求的軟件。
如上述實施例所示，每個剛性混凝土襯套包括與埋管換熱器連接的多個"井口"， 每個襯套通常有5 10個"井口"，且通常間隔3米或更小距離。襯套用作與地面控制模 塊"SCM"連接的每個埋管換熱器的地面終端接頭，地面控制模塊監(jiān)測并通過在計算機控制 下從埋管換熱器和/或在埋管換熱器之間抽取流體來調(diào)節(jié)水基工作流體的溫度、壓力和流 量，以使陣列的熱能輸入/輸出最優(yōu)化，從而可在任何時間點達到建筑物的能源需求狀況。 用于檢測任何時刻的埋管換熱器的性能和完整性的設(shè)置在沿著每個埋管換熱器長度的間 隔處的積分溫度和流量傳感器有助于該方法的實施。 SCM還與對所服務(wù)的建筑物內(nèi)的采暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)的氣候控制和熱水供暖 設(shè)施進行控制的建筑服務(wù)管理(BSM)系統(tǒng)電連接。在SCM的控制下，流經(jīng)陣列中的埋管換 熱器和在各埋管換熱器之間流動的工作流體可以時間和溫度依賴性方式操作(循環(huán))，而 不是以持續(xù)的或簡單的開/關(guān)方式操作。由于埋管換熱器的精確設(shè)計，這使建筑物能源需 求與埋管換熱器陣列的獲得熱能容量在時間上精確匹配，并排除了熱耗損或地層飽和以及 由此使系統(tǒng)效率必然降低的可能性。 另一操作變量是將SCM切換到備用模式，這樣一個以上的埋管換熱器操作在熱虹 吸驅(qū)動模式下，以使地層溫度最優(yōu)化，而無需外部的抽吸動力。
地面控制模塊和建筑服務(wù)管理系統(tǒng)的集成電子系統(tǒng)，即(SCM+BSM)，提供了使系統(tǒng)
的日常操作在本地監(jiān)管下自動進行或通過有線或無線電通訊進行遠程系統(tǒng)操作和監(jiān)管的
選擇。井口襯套和地面控制模塊可建造成地面安裝模塊或在地面下的地下室內(nèi)。 使用具有斜鉆能力的定制的、自動移動鉆探設(shè)備進行鉆孔。這是利用油氣業(yè)已有
的設(shè)備和技術(shù)進行的，如隨鉆探測儀(麗D)、可操縱的液壓馬達和/或可操縱的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆
井系統(tǒng)、井下液壓馬達、定向空氣錘、陀螺慣性制導(dǎo)系統(tǒng)以及相關(guān)控制軟件，從面積為幾平
方米的混凝土襯套開始鉆出埋管陣列，其中井口在地面處間隔3米或更小，但經(jīng)過定向鉆
孔可以獲得在最終深度處高達幾百米的寬間隔。取決于應(yīng)用，使用包括水基流體、泡沫或空
氣的非毒性"鉆井流體"有助于鉆井方法的實施。 每個埋管換熱器包括同軸"管中管"布置，并與被包容埋管橫穿的地層機械和液壓
隔離。外套管根據(jù)應(yīng)用可以由鋼、鋁、聚氯乙烯(PVC)、玻璃增強塑料(GRP)或碳增強塑料
(CRP)構(gòu)成。根據(jù)被橫穿的地層的性質(zhì)，外套管可局部、整體或根本不與包容埋管粘合。根
據(jù)應(yīng)用，接合劑的配方設(shè)計可以包括常規(guī)的水泥基灌漿或可選的膨脹密封劑。 在外套管內(nèi)安裝有由PVC、GRP或CRP復(fù)合材料或可選擇地由裝入隔熱套管內(nèi)的鋼
或鋁制成的厚壁或預(yù)隔熱管。根據(jù)類型和應(yīng)用，該管可以交付并安裝成連續(xù)的螺旋管或長
度不連續(xù)、然后機械連接在一起。該管被有角度的定心"導(dǎo)流板"定位在外套管的孔的中央，
"導(dǎo)流板"在外套管和內(nèi)管之間提供具有必要的橫截面面積的空隙，并且通過合成的"渦流"
作用來增加從外套管到工作流體的熱傳遞。 工作流體路徑被永久安裝在外套管底部的機械塞限定在埋管換熱器內(nèi)，從而形成 沿外套管和內(nèi)管之間的環(huán)狀區(qū)域向下且沿內(nèi)管向上(反向循環(huán))或反之亦然(向前循環(huán)) 的閉路流程。該閉路方法確保工作流體在操作的任何時候都不會與地層或有關(guān)的液體積聚 層(通常是蓄水層)接觸，從而使系統(tǒng)變得環(huán)保。 本發(fā)明人基于計算機模型對深度熱虹吸作用作了進一步研究，得出在英國環(huán)境中 商業(yè)規(guī)模的建筑物制冷動力需求遠遠大于供暖動力需求。從而得出的結(jié)論是，在滿足建筑 物供暖和制冷需求方面(特別是商業(yè)規(guī)模的建筑物的供暖和制冷應(yīng)用)，向地下散熱至少 與吸熱一樣重要。全球變暖，尤其是關(guān)于溫室氣體(例如因人類活動而產(chǎn)生的二氧化碳) 的排放量越來越多地受到國際關(guān)注?；蛘哂糜诓膳?或制冷、或者用于發(fā)電的地?zé)崮茉?提供了可再生的低碳能源，作為化石燃料能源系統(tǒng)的另一選擇。 在本發(fā)明的一個方面中，為了使制冷模式中的冷卻效率最大化，一些埋管換熱器 (BHE)的深度比在僅供暖的模式中使用的更淺。在制冷模式中需要在系統(tǒng)周圍抽取工作流 體，因為熱虹吸作用的實際作用方向與所需的流動方向相反。需要較淺的深度是因為在地 球上(除了某些異常區(qū)域，例如火山活動區(qū))地層溫度隨深度呈近線性增加。為了使制冷 模式中的散熱效率最大化，沿著埋管換熱器任何點處的熱工作流體和地層之間的溫差應(yīng)最 大化，因此要求深度淺。還發(fā)現(xiàn)埋管換熱器中工作流體的循環(huán)方向會影響熱效率，特別是在 制冷模式中，沿BHE的環(huán)狀區(qū)域向下且沿同心內(nèi)管向上的"反向"循環(huán)會產(chǎn)生積極效益。
因此，在一些實施例中，對在其內(nèi)安裝同軸埋管換熱器的鉆孔進行定向鉆孔，從而 在保持總深度最小化的同時使埋管換熱器有足夠的長度。這可以通過根據(jù)應(yīng)用選擇從垂 直、經(jīng)傾斜、至水平的適合的鉆孔軌跡來實現(xiàn)。 在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，埋管換熱器的定向鉆孔的概念是利用油氣鉆井作業(yè)通
19過從地面處的小的混凝土"襯套"鉆出不同軌跡的埋管"陣列"，其中埋管的地面終端("井
口")間隔密集，通常僅有3米或更小的距離。鉆孔可通過常規(guī)、輕型可移動的鉆探設(shè)備進
行。這直接與鉆出幾十或幾百米的淺(例如100米)的埋管("U形管")或者將幾千米長
的塑料管道系統(tǒng)安裝在覆蓋幾百平方米的淺(2米)的溝渠("Slinkies")內(nèi)的目前標準
鉆井做法進行比較。當前做法產(chǎn)生的成本、不便以及可用土地面積的減少阻礙了地?zé)崮軕?yīng)
用的發(fā)展，特別是在英國。相比之下，襯套鉆井方法具有很多優(yōu)點，包括10-20平方米的小
的地面覆蓋區(qū)以及安裝長度長的埋管的能力，而無需侵犯相鄰場地的地面。 對普通的辦公建筑物(在英國)作了一項研究，使建筑物供暖和制冷能源狀況與
既能提供供暖又能提供制冷能源的埋管換熱器陣列匹配。這些研究證明制冷能源需求比供
暖能源需求占優(yōu)勢。 在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，每個埋管換熱器的地面連接通過包括能夠?qū)γ總€埋管
換熱器、埋管換熱器之間以及在埋管換熱器陣列和所服務(wù)的建筑物之間的流動條件進行計
算機控制的必要的閥和傳感器的地面控制模塊與小覆蓋區(qū)的陣列組裝在一起。這不僅使整
個陣列的能源平衡最優(yōu)，而且可以在不耗盡或使地下熱環(huán)境不飽和的情況下維持建筑物的
各種負荷。此外，地面控制單元能夠同時向所服務(wù)的建筑物供應(yīng)供暖和制冷能源。 計算機模型論證了不同流量和操作溫度范圍的不同埋管換熱器的響應(yīng)范圍。結(jié)果
證實了深度、軌跡、埋管換熱器的直徑、流量、流向、地下溫度、外套管和管材料和操作模式
的預(yù)期影響如所期望的那樣。此外，重要的是揭示了通過改變開-關(guān)交替循環(huán)周期，可以
獲得較高的效率和峰值功率輸出，這樣提高了埋管換熱器對于建筑物能源需求狀況的適應(yīng)
性。此外，值得注意的是，在一定條件下，通過將其與其它可再生能源技術(shù)如熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)
結(jié)合起來，可以提高埋管換熱器陣列的低碳排放性能并增加陣列的多功能性，以更有效地
滿足峰值功率需求并進一步減少設(shè)備的碳覆蓋區(qū)。 通過設(shè)計，使埋管換熱器陣列熱功率輸出曲線與供暖、制冷和熱水供應(yīng)的建筑物 的熱功率需求曲線相匹配。 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，單個建筑物的熱能管理可以擴展到多個建筑物和設(shè)施的 熱能管理，并擴展到各種熱源和貯存資源的組合。地面控制模塊是這樣的多組件系統(tǒng)的中 樞組件。 能源效率是減少全球二氧化碳排放量的貢獻因素。本發(fā)明基于現(xiàn)有的和已被證實 的地源熱泵實踐可以提供大規(guī)模、高效率的供暖和制冷設(shè)備?？梢酝ㄟ^應(yīng)用已在陸地上和 海上使用多年的先進的技術(shù)上和商業(yè)上成熟的油田鉆井和完井技術(shù)來安裝埋管換熱器。主 要優(yōu)點是有成本效益地從靠近相關(guān)建筑物的小的場所或襯套建造了埋管陣列，這是利用與 建筑服務(wù)設(shè)計匹配的高效同軸、閉環(huán)式換熱器設(shè)計實現(xiàn)的。 本發(fā)明優(yōu)選實施例的地?zé)崮芟到y(tǒng)是主要向大規(guī)模建筑結(jié)構(gòu)或在供暖和/或制冷 方面需求高的任何建筑物提供供暖和/或制冷能源的集成的、定制的、節(jié)能和低碳排放量 的系統(tǒng)。地?zé)崮芟到y(tǒng)提供的能源主要來自于可持續(xù)、可再生并使所服務(wù)的建筑物的碳覆蓋 區(qū)顯著減少的總量豐富、低溫的地?zé)嵩础?在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，還提供了與地面控制模塊連接的高效實用的地?zé)崧窆?換熱器陣列，以及將建筑服務(wù)業(yè)最先進的地源熱泵技術(shù)與最實用的設(shè)計方法和材料結(jié)合能 夠傳輸或儲存大量熱能的能源傳輸網(wǎng)。
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本發(fā)明的優(yōu)選實施例可以提供由多個、定向鉆孔并專門配備的地?zé)崧窆芙M成、專
門設(shè)計成在設(shè)想的熱負荷下效率最大并與建筑服務(wù)設(shè)計精確匹配的埋管換熱器的緊湊型
陣列。本發(fā)明的優(yōu)選實施例可以提供微處理器地面控制模塊"SCM"接口單元，管理將地?zé)?br> 能傳遞到建筑物服務(wù)設(shè)備或從其傳遞以及在陣列中的各埋管換熱器之間傳遞。 本發(fā)明的優(yōu)選實施例可以提供連接SCM與建筑物服務(wù)設(shè)備的低壓、隔熱的能源分配網(wǎng)。 本發(fā)明的優(yōu)選實施例可以提供特定設(shè)計并建造的建筑物服務(wù)設(shè)備，采用了用于所
服務(wù)區(qū)域的供暖和/或制冷以及建筑物內(nèi)的熱水供應(yīng)的先進的熱泵技術(shù)。 可以根據(jù)開發(fā)規(guī)模和能源需求狀況在給定的場所處安裝一個以上的單獨陣列。 在地?zé)崮芟到y(tǒng)設(shè)備的設(shè)計方面重點考慮的是建筑物服務(wù)設(shè)備在供暖和制冷之間
的需求平衡，這對于在地產(chǎn)開發(fā)的允許區(qū)域下是呈垂直、傾斜或水平建造埋管換熱器有直
接影響。如果供暖是主要的考慮事項，那么會建議垂直埋管換熱器。相反，如果制冷是主要
的考慮事項，那么水平埋管換熱器會提供最佳性能。實際上，本發(fā)明的地?zé)崮芟到y(tǒng)設(shè)備通常
會包括從一個以上的襯套鉆出的多個垂直、傾斜和水平的埋管換熱器，以類似于樹的根系
的模式從襯套建造埋管換熱器，在這種情況下，埋管換熱器被設(shè)計成接收熱能或?qū)崮苜A
存在被穿透的地層中。 此外，重要的是，將埋管換熱器陣列的設(shè)計與建筑服務(wù)設(shè)計和其能源狀況結(jié)合起 來，以避免過去當已設(shè)計好地源熱泵設(shè)備時因設(shè)備不匹配而常常導(dǎo)致效率低。目的是支持 為確保用于建筑物服務(wù)設(shè)備的技術(shù)盡可能地與埋管換熱器陣列的性能相匹配以及使建筑 服務(wù)設(shè)計在供暖和制冷方面提供最有效的性能而采用的各種技術(shù)。 因此，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，設(shè)有緊湊型的地面襯套，以使同軸埋管換熱器延
伸并超出襯套的地面邊界。通常用于油氣田開發(fā)實踐的定向鉆孔技術(shù)被用作安裝同軸埋管
換熱器并將每個同軸埋管換熱器安裝到所需深度、角度和方位的實際解決方案。已安裝的
同軸埋管換熱器一般除了同軸埋管換熱器最上面的20-30米之外可以免受熱干擾因素的
影響，其中同軸埋管換熱器最上面的20-30米通常小于每個BHE總長度的5X且小于每一組
同軸埋管換熱器的總長度。通過設(shè)置三維陣列，可以從地面處的一個點、襯套獲得多種大容
量的熱傳遞方法。這可以與已知的垂直埋管換熱器的一維熱傳遞方法形成對比。通過設(shè)置
襯套，在地面處無需大規(guī)模收集系統(tǒng)，這樣每個地表襯套獲得超高密度的熱能輸出/輸入。
針對新建造的建筑物，襯套可位于靠近建筑物的地方或直接在建筑物的雜物室或任何其它
部分的下方。由于埋管換熱器和建筑物之間的距離而存在有限的或基本上無操作損失。通
過設(shè)置多個深度的埋管換熱器，可以從單個襯套和地面控制模塊提供供暖、熱水服務(wù)中任
一項或所有項和/或同時制冷，或者可以選擇一個操作模式?？梢怨餐騿为毜貙﹃嚵械?br> 同軸埋管換熱器進行管理。可以使工作流體在陣列的埋管換熱器之間再循環(huán)，以便再吸收
或釋放過多熱能，從而為每種類型的供暖或制冷操作提供理想的溫度梯度。 定向鉆孔提供一種選擇，從而選擇選定的軌跡和深度將每個同軸埋管換熱器定位
在具有提供有效獲取或散出熱能的最佳熱傳導(dǎo)的性能的巖層內(nèi)。定向鉆孔可以利用巖石斷
裂方向，以減小鉆井成本或提高熱能傳遞。使用封閉的埋管換熱器可以使蓄水層的流動效
應(yīng)最大化，而不會對自然資源造成影響。此外，可以以安全距離繞過或真正地通過相鄰建筑
物的埋管換熱器陣列，而不會引起熱干擾。
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延伸的同軸埋管換熱器陣列可以呈幾何排列，允許在一個或多個埋管換熱器之間 的一個以上的閉路內(nèi)有效利用內(nèi)部熱虹吸流，以便沿著位于一個襯套上的一個或幾個或所 有的埋管換熱器的長度重新分配熱能。這樣通過降低泵的需求可以節(jié)省與循環(huán)的能量損失 有關(guān)的運營成本，并且可以降低對熱泵工廠的熱能需求。 將熱虹吸循環(huán)流用于埋管換熱器是已知的，熱虹吸循環(huán)流是因工作流體密度受到 熱能溫度梯度的影響發(fā)生改變而被驅(qū)動的浮力流。然而，由于多種原因，其中包括大規(guī)模地 面收集系統(tǒng)的限制，在位于軌跡約束下的不同深度和溫度梯度的分離且已連接的地下?lián)Q熱 器之間存在使用復(fù)雜的相互作用流的障礙。然而，本發(fā)明優(yōu)選實施例的系統(tǒng)能夠作為一個 系統(tǒng)或在單獨的垂直、定向或水平(例如L形)的埋管換熱器內(nèi)有效利用這些流。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供一種從單個緊湊型襯套或多個緊湊型襯套吸取或釋放 大量熱能的設(shè)備，優(yōu)選為同軸的埋管換熱器陣列在襯套中延伸并超出地面點，用于服務(wù)工 業(yè)規(guī)模和生產(chǎn)力的熱泵工廠。本發(fā)明提供一種作為一個單元或作為在不同模式下的不同 單元通過主要控制單元用于管理埋管換熱器陣列或整個陣列的任何一部分或一個單獨埋 管換熱器的設(shè)備，其中主要控制單元包括在緊湊型歧管單元內(nèi)的一組閥和測量計。用戶接 口可以與陣列的主要控制單元連接，或拆下而與操作相鄰建筑物的陣列的主要控制單元連 接。通過利用在被地面邊界限定的預(yù)定區(qū)域下的地層的三維體積，可以大量設(shè)置熱能吸收 設(shè)備或熱能源或貯存設(shè)備，并具有與任何給出的建筑物的客戶要求相匹配的能力。陣列可 以包括多個定向鉆出的埋管換熱器，每一個都具有規(guī)定的深度、角度和方位。該系統(tǒng)可以具 有一個或以成組的不同形式(例如圓形、矩形、弧形、方形和直線)或這些形式的任意組合 的相鄰組的多個襯套。陣列可以是多個或單個定向、水平和垂直同軸埋管換熱器在單一或 多個陣列內(nèi)的組合。襯套構(gòu)成緊湊型收集系統(tǒng)，允許每單位地面空間的高密度熱能的傳輸， 由此減小了工作流體的壓力和熱損失。襯套的地面位置是靠近或遠離建筑物或設(shè)施，或位 于建筑物或設(shè)施的任何部分的下方，埋管換熱器陣列向任一側(cè)或深度延伸并超出該地面位 置。根據(jù)季節(jié)、氣候和建筑物的能源狀況使多個埋管換熱器用于不同模式下。該系統(tǒng)能夠 在不同深度供應(yīng)、吸收或貯存熱能或在多個深度和/或外部熱梯度之間迫使再循環(huán)。另外， 該系統(tǒng)可以借助熱虹吸流在陣列的各部分之間對熱能進行再分配，以提高熱泵工廠的吸收 效率。定向鉆孔能夠通過跟進給定模式的巖層充分利用由優(yōu)質(zhì)巖石層組成的選定層位，通 過跟進給定模式的蓄水層充分利用蓄水層流，使閉路埋管換熱器的水平部分沉下去以最佳 速度獲得或釋放熱能，并且還可以通過跟進或橫穿給定模式的斷裂充分利用巖石斷裂方向 以獲得熱傳導(dǎo)的最佳速度。對于給定的占地空間，可以根據(jù)獨特的地層環(huán)境來布置埋管換 熱器陣列，以獲得最佳熱效率。通過在當前熱梯度的基礎(chǔ)上操作選定數(shù)量的埋管換熱器，這 允許關(guān)閉陣列的其余部分，而不再強制循環(huán)，選擇在選定的備用埋管換熱器之間對熱能進 行被動再分配。 埋管換熱器陣列的成本效益安裝的關(guān)鍵是結(jié)合先進的油氣鉆井和完井技術(shù)使之 適應(yīng)較淺環(huán)境的典型地?zé)衢_采的設(shè)想。該技術(shù)和精確選擇與相對良好地質(zhì)環(huán)境相匹配的材 料的相關(guān)技術(shù)的結(jié)合允許以完全獨立的方式從緊湊型地面位置沿任何所需的軌跡建造多 個埋管并到達規(guī)定深度。當考慮到在城市環(huán)境或地面面積有限的地方投入項目時，這是關(guān) 鍵優(yōu)勢。 在此說明的本發(fā)明的實施例僅是示例性的，而不是限制權(quán)利要求的范圍。針對一個實施例所公開的特征可以與任何其它實施例的特征相結(jié)合，并且也在本發(fā)明要求保護的 范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種地?zé)崮芟到y(tǒng)，其包括至少一個埋管換熱器和泵，所述至少一個埋管換熱器含有工作流體，并包括具有封閉底端、在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二細長同軸管道的細長管子，所述第一管道呈管狀并被呈環(huán)形的所述第二管道包圍，所述至少一個埋管換熱器具有沿與垂直方向成3～95度角的基本上傾斜方向延伸的主要部分；所述泵用于根據(jù)增加或減少的熱量需求沿著所述各埋管換熱器的各自第一和第二管道的各自選定方向從所述至少一個埋管換熱器選擇性地抽取所述工作流體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對于垂直 方向平均傾斜10至小于90度的主要部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對于垂直 方向平均傾斜30 60度的主要部分。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對于垂直 方向平均傾斜約45度的主要部分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中至少一些所述埋管換熱器中 的每一個都至少具有相對于垂直方向傾斜3 45度的傾斜最高部，并且其中這些傾斜最高 部在所述陣列的地下環(huán)形區(qū)內(nèi)從相鄰的傾斜最高部發(fā)散。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中至少一些所述埋管換熱器中 的每一個都具有相對于垂直方向不同的傾斜度，所述傾斜度不同的埋管換熱器在線性最高 部的下方具有傾斜度逐漸變化的至少一個部分或相互傾斜的至少兩個部分。
7. —種操作包括至少一個埋管換熱器的地?zé)崮芟到y(tǒng)的方法，所述至少一個埋管換熱器 含有工作流體，并包括具有封閉底端、在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二細長同軸 管道的細長管子，所述第一管道呈管狀并被呈環(huán)形的所述第二管道包圍，所述至少一個埋 管換熱器具有沿與垂直方向成3 95度角的基本上傾斜方向延伸的主要部分；所述方法包 括以下步驟根據(jù)增加或減少的熱量需求沿著所述各埋管換熱器的各自第一和第二管道的各自選 定方向從所述至少一個埋管換熱器選擇性地抽取所述工作流體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對于垂直方向平 均傾斜10至小于90度的主要部分。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對于垂直方向平 均傾斜30 60度的主要部分。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對于垂直方向 平均傾斜約45度的主要部分。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7 10中任一項所述的方法，其中至少一些所述埋管換熱器中的每 一個都至少具有相對于垂直方向傾斜3 45度的傾斜最高部，并且其中這些傾斜最高部在 所述陣列的地下環(huán)形區(qū)內(nèi)從相鄰的傾斜最高部發(fā)散。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7 11中任一項所述的方法，其中至少一些所述埋管換熱器中的每 一個都具有相對于垂直方向不同的傾斜度，所述傾斜度不同的埋管換熱器在線性最高部的 下方具有傾斜度逐漸變化的至少一個部分或相互傾斜的至少兩個部分。
13. —種操作包括多個埋管換熱器的地?zé)崮芟到y(tǒng)的方法，每個埋管換熱器含有工作流 體，并包括具有封閉底端的細長管子，所述方法包括以下步驟選擇性地使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作為冷源。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述至少一個第一埋管換熱器具有沿基本上垂 直方向延伸的主要部分，并且所述至少一個第二埋管換熱器具有沿基本上水平方向延伸的 主要部分。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述至少一個第一埋管換熱器和所述至少一個 第二埋管換熱器中每一個具有沿基本上傾斜方向延伸的主要部分。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13 15中任一項所述的方法，其中所述第一和第二埋管換熱器中至 少一個相對于垂直方向平均傾斜3 95度。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述第一和第二埋管換熱器中至少一個具有相 對于垂直方向平均傾斜30 60度的主要部分。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對于垂直方向 平均傾斜約45度的主要部分。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13 18中任一項所述的方法，其中至少一些所述埋管換熱器中每一 個都至少具有相對于垂直方向傾斜3 45度的傾斜最高部，并且其中這些傾斜最高部在所 述陣列的地下環(huán)形區(qū)內(nèi)從相鄰的傾斜最高部發(fā)散。
20. 根據(jù)權(quán)利要求13 19中任一項所述的方法，其中至少一些所述埋管換熱器中的每 一個都具有相對于垂直方向不同的傾斜度，所述傾斜度不同的埋管換熱器在線性最高部的 下方具有傾斜度逐漸變化的至少一個部分或相互傾斜的至少兩個部分。
21. 根據(jù)權(quán)利要求13 20中任一項所述的方法，其中每個細長管子具有在所述底端相 互連接的相鄰的第一和第二細長管道，所述第一管道呈管狀并被呈環(huán)形的所述第二管道包 圍，并且所述埋管換熱器與所述工作流體的歧管連接。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述多個埋管換熱器中每一個通過與所述歧管 連接的閥與所述多個埋管換熱器的其它任何一個選擇性地連接。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的方法，其中所述歧管被設(shè)置成允許所述工作流體沿著 所述各埋管換熱器的各自選定方向選擇性流經(jīng)選定的一個以上的所述埋管換熱器。
24. 根據(jù)權(quán)利要求13 23中任一項所述的方法，其中所述多個埋管換熱器從所述細長 管子的中樞地面組件向下且橫向延伸進入地下，從而限定包圍所述多個埋管換熱器的所述 地?zé)崮芟到y(tǒng)的占地空間，并且其中所述中樞地面組件的覆蓋區(qū)小于所述地?zé)崮芟到y(tǒng)的占地 空間的覆蓋區(qū)的10%。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述中樞地面組件的覆蓋區(qū)小于所述地?zé)崮芟?統(tǒng)的占地空間的覆蓋區(qū)的5 % 。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24或25所述的方法，其中所述中樞地面組件包括與所述埋管換熱器 的上端連接的剛性結(jié)構(gòu)。
27. —種地?zé)崮芟到y(tǒng)，其包括多個埋管換熱器，每個埋管換熱器含有工作流體，并包括 具有封閉底端、具有沿基本上垂直方向延伸的主要部分的至少一個第一埋管換熱器、具有 沿基本上水平方向延伸的主要部分的至少一個第二埋管換熱器和具有沿基本上傾斜的方 向延伸的主要部分的至少一個第三埋管換熱器的細長管子，所述至少一個第一埋管換熱 器、至少一個第二埋管換熱器和至少一個第三埋管換熱器中每一個或它們各自的組可單獨與所述工作流體的泵選擇性連接，所述泵用于從所述各埋管換熱器或組選擇性地抽取所述 工作流體。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中每個細長管子具有在所述底端相互連接 的相鄰的第一和第二細長管道，所述第一管道呈管狀并被呈環(huán)形的所述第二管道包圍；還 包括與所述多個埋管換熱器連接的所述工作流體的歧管。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中所述多個埋管換熱器中每一個與所述多 個埋管換熱器的其它任何一個可選擇性地連接。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中所述歧管被設(shè)置成允許所述工作流體沿 所述各自埋管換熱器的各自選定的方向選擇性流經(jīng)選定的一個以上的所述埋管換熱器。
31. 根據(jù)權(quán)利要求27 30中任一項所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中所述多個埋管換熱器從所 述細長管子的中樞地面組件向下且橫向延伸進入地下，從而限定包圍所述多個埋管換熱器 的所述地?zé)崮芟到y(tǒng)的占地空間，并且其中所述中樞地面組件的覆蓋區(qū)小于所述地?zé)崮芟到y(tǒng) 的占地空間的覆蓋區(qū)的10%。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中所述中樞地面組件的覆蓋區(qū)小于所述地 熱能系統(tǒng)的占地空間的覆蓋區(qū)的5%。
33. 根據(jù)權(quán)利要求31或32所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中所述中樞地面組件包括與所述埋管 換熱器的上端連接的剛性襯套。
34. 根據(jù)權(quán)利要求27 33中任一項所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中所述埋管換熱器中至少一 個相對于垂直方向平均傾斜3 95度。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中所述埋管換熱器中至少一個具有相對于 垂直方向平均傾斜30 60度的主要部分。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對于垂 直方向平均傾斜約45度的主要部分。
37. 根據(jù)權(quán)利要求27 36中任一項所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中至少一些所述埋管換熱器 中每一個都至少具有相對于垂直方向傾斜3 45度的傾斜最高部，并且其中這些傾斜最高 部在所述陣列的地下環(huán)形區(qū)內(nèi)從相鄰的傾斜最高部發(fā)散。
38. 根據(jù)權(quán)利要求27 37中任一項所述的地?zé)崮芟到y(tǒng)，其中至少一些所述埋管換熱器 中的每一個都具有相對于垂直方向不同的傾斜度，所述傾斜度不同的埋管換熱器在線性最 高部的下方具有傾斜度逐漸變化的至少一個部分或相互傾斜的至少兩個部分。
39. —種操作地?zé)崮芟到y(tǒng)的方法，所述地?zé)崮芟到y(tǒng)包括多個埋管換熱器，每個埋管換熱 器含有工作流體，并包括具有封閉底端的細長管子；與所述多個埋管換熱器連接的所述工 作流體的歧管；和在所述多個埋管換熱器和所述歧管之間連接的多個閥，所述方法包括以 下步驟利用熱虹吸流從至少一個第一埋管換熱器到至少一個第二埋管換熱器選擇性地分配 工作流體，從而在所述多個埋管換熱器內(nèi)重新分配熱能。
全文摘要
本發(fā)明提供一種地?zé)崮芟到y(tǒng)，其包括至少一個埋管換熱器，該至少一個埋管換熱器含有工作流體，并包括具有封閉底端、在該底端相互連接的相鄰的第一和第二細長同軸管道的細長管子，該第一管道呈管狀并被呈環(huán)形的該第二管道包圍，該至少一個埋管換熱器具有沿與垂直方向成3～95度角的基本上傾斜方向延伸的主要部分。
文檔編號F24D11/02GK101796296SQ200880101616
公開日2010年8月4日 申請日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
發(fā)明者安東尼·C·斯科特, 德米特里·I·扎耶努林, 格雷厄姆·牛頓, 詹姆斯·J·斯圖爾特 申請人:綠地能源有限公司