專利名稱：熱能系統(tǒng)和操作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱能系統(tǒng)，還涉及一種操作熱能系統(tǒng)的方法。本發(fā)明特別應用在 與冷藏系統(tǒng)(更具體而言，例如用在超市中的大規(guī)模冷藏系統(tǒng))連接或組合的系統(tǒng)中。
背景技術：
許多建筑物具有通過建筑物內(nèi)的系統(tǒng)供暖和/或制冷的需求。例如，供暖、通風和 空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)有時需要增加熱量的供應，或者有時候需要制冷，或者兩者都需要，即同 時供暖和制冷。一些建筑物(例如超市)采用大規(guī)模工業(yè)冷藏系統(tǒng)，其具有需要恒定冷源 的冷凝器，以放出熱量。許多這種系統(tǒng)都需要恒定的測溫控制以保證有效的運行。無效的 運行可能會導致巨大的額外運行成本，尤其對于增大的能源成本。例如典型的超市使用高 達其能源的50%來運行冷藏系統(tǒng)，該冷藏系統(tǒng)需要一天運行M小時、一年運行365天；典 型的35，000平方英尺的超市每年在電力成本上的花費可達到￡250，000英鎊。利用機械冷藏循環(huán)的普通制冷機的效率由許多參數(shù)和特性來限定。然而，按照卡 諾循環(huán)(Carnot Cycle)，任何高效冷藏循環(huán)的關鍵參數(shù)是由冷凝水溫度(CWT)所確定的散 能裝置的質量，例如從外部設備供應到冷藏冷凝器的制冷劑的溫度。不應當?shù)凸繡WT對制冷機性能的重要性，例如，接收CWT約為18°C的恒定制冷劑流 的冷藏系統(tǒng)的冷凝器所消耗的電能通常是接收CWT約為^rc的恒定制冷劑流的同等系統(tǒng) 所消耗的電能的大約一半。CffT的質量與從冷藏循環(huán)供應到散能裝置的總放熱(THR)的量之間有緊密的聯(lián) 系，也就是說，隨著CWT的增加，需要壓縮機作更大的功以滿足所需的制冷需求，并且驅動 壓縮機的額外電能被轉換為廢熱，而廢熱對于從蒸發(fā)器吸收的熱量是額外的，從而導致更 高的出口溫度，所以來自外部設備的制冷劑的返回溫度更高。所產(chǎn)生熱量的螺旋式增長需 要更大的壓縮機動力，以在冷藏循環(huán)中實現(xiàn)平衡狀態(tài)。換句話說，除了冷藏循環(huán)開始前所存 在的任何無效之外，CffT所導致的無效可以使散能裝置的運行更加無效。已經(jīng)研發(fā)出的各種技術正被積極地用于空調(diào)(緩和制冷)和冷藏業(yè)的冷源。這些 技術采用下面描述的不同原理。然而，需要重點注意的是，針對放熱的最有效冷源是具有一 定穩(wěn)定溫度的外部水源，例如蓄水層的水。然而，平均規(guī)模的商業(yè)制冷或冷藏系統(tǒng)所需要的 水遠遠多于可持續(xù)產(chǎn)生而不會對下層的地下水位造成較大問題的水。因此，這種放熱方法 是理想的，但是，這已被國家環(huán)境機構廣泛認為是對環(huán)境不負責任的。例如，已知使用開環(huán)式地熱系統(tǒng)來放出例如來自冷藏系統(tǒng)的熱量，其中采用獨立 抽水埋管為制冷提供蓄水層的水，并且采用獨立的冷源(例如散熱蘆葦床墊)以將廢熱從 廢熱產(chǎn)生系統(tǒng)(例如冷藏系統(tǒng))去除。這種開環(huán)式系統(tǒng)可以提供很好的冷源，因為蓄水層 的水保持在12 15°C的恒定低溫。然而，這種系統(tǒng)也存在問題，它需要抽取極大量的蓄水 層的水(例如大型超市冷藏系統(tǒng)每年需要500，OOOm3蓄水層的水)。有時，抽取的水在使用后被再次注入與相同或不同蓄水層連通的一個或多個分開 的埋管中。然而，這經(jīng)?？梢詴斐伤^的“表皮效應”，因為高壓下注入的水經(jīng)常減緩巖層的瓦解，結果是小的巖層顆粒會阻礙地層，從而中斷正常的蓄水層流。這會對復雜的地下水 位系統(tǒng)的平衡造成極大損壞。除了蓄水層的水以及例如吸收和熱電制冷等罕見方法之外，為放熱設計的機械設 備主要有四組，它們被積極地應用在緩和制冷和冷藏業(yè)中1.開路式冷卻塔，例如主要利用風扇輔助的蒸發(fā)制冷的系統(tǒng)。2.閉環(huán)式冷卻塔，其包括涉及有限蒸發(fā)式制冷或絕熱水蒸發(fā)的混雜體系，例如主 要利用風扇輔助的顯熱傳遞到大氣中的干式空氣冷卻器。3.遠程冷凝器，例如利用改進的反向蘭金循環(huán)(Rankine Cycle)的外部設備，其 中飽和蒸汽在盤管內(nèi)被壓縮到高壓，然后由風扇輔助的周圍空氣流完成制冷階段，周圍空 氣流經(jīng)過盤管直到被壓縮氣體凝結為液體，此時飽和液體通過閥快速流入低壓蒸發(fā)器以開 始新循環(huán)。4.閉環(huán)式地下?lián)Q熱器，其包括閉環(huán)式湖床換熱器，例如在制冷劑與高密度、高熱質 量和穩(wěn)定的可預測溫度介質之間的顯熱傳遞過程。雖然各組具有各自的優(yōu)點和缺點，但是到目前為止，針對機械冷藏循環(huán)的開路式 制冷技術比上面列出的其他三組的技術更為可取。該組技術的主要構思基于被稱為“蒸發(fā)” 的放熱方法。由于蒸發(fā)制冷技術出眾的放熱特性和成本的競爭力，幾十年來該技術屬于主 導技術。蒸發(fā)放熱設備(例如冷卻塔)被用于提供回水溫度遠遠低于利用其他已知放熱方 法所達到的回水溫度。因為蒸發(fā)制冷基于持久較低的濕球溫度而不是干球大氣溫度，取決 于特定的氣候，溫差通常為5. 5 16. 7°C，當系統(tǒng)的制冷能源需求最大時，所以當系統(tǒng)的制 冷能量需要最大時，這些設備會經(jīng)歷制冷劑與空氣之間更大的ΔΤ。還很重要的是，蒸發(fā)制 冷過程涉及顯熱和潛熱傳遞，由于潛熱傳遞所需的233 349m3/h/kW的空氣流少于顯熱傳 遞設備(即，上面第二組中的閉環(huán)式冷卻塔)所需的相應風扇動力，所以顯熱傳遞起主要作 用。結果，由于與閉路式冷卻塔所提供的32 35°C或更高溫度相比，從晚春到夏季時 節(jié)能夠提供穩(wěn)定的CWT (通常處于約觀 ^rc的溫度水平)，因此配有開路式冷卻塔的制 冷機與配有其他設備的同等制冷機相比平均可以節(jié)約30 35%的能量。對于工業(yè)規(guī)模的 制冷設備，這種效率上的顯著差異可以確保每年節(jié)約幾十萬英鎊。需要重點注意的是，除了第四組之外，前三組中的所有技術都能夠顯示出在周圍 空氣溫度較低時的冬季月份中性能上的某些改進。利用蒸發(fā)制冷方法的設備的最大問題在于珍貴水源的上升價格和對開路中用水 的化學處理的高成本。設計制冷設備耗散IOOOkW的廢熱的典型蒸發(fā)冷卻塔要耗費大約 14，500m3水/年。在英國，處理冷卻塔的水的平均成本目前超過￡3英鎊/m3。這種成本的增加有時會導致所有者試圖減少水處理的操作成本，這樣水會被不適 當?shù)靥幚?，從而可能會導致致命軍團菌病的爆發(fā)。在這些情況中，使用蒸發(fā)冷卻塔的益處逐漸減小，因為成本節(jié)約變得不重要。然 而，所描述的消耗更多電能的其他放熱方法由于能量成本的增加正在變得更加昂貴(除了 地下連接的換熱器)?？梢圆扇∫恍┐胧┮蕴岣哌@些技術的效率水平，從而提供高效的放熱方法以保證最佳質量的冷源。然而，如果在過去的幾十年中不存在這種發(fā)展，甚至在能量成本低、資本 支出回報快速的年代都不存在這種發(fā)展的話，那么今天與水和能量成本有關的新形勢將為 這些技術的廣泛發(fā)展和實施制造了幾乎不能克服的障礙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種熱能系統(tǒng)，其包括第一熱系統(tǒng)，第一熱系統(tǒng)在使用時具有供暖和/ 或制冷需求；閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)，所述閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)包括含有工作流體的多個埋管換 熱器；以及中間熱泵，所述中間熱泵熱連接在第一熱系統(tǒng)與所述地熱能系統(tǒng)之間。優(yōu)選地，每個埋管換熱器包括細長管子，所述管子具有封閉底端以及在所述底端 相互連接的相鄰的第一和第二細長管道。優(yōu)選地，第一熱系統(tǒng)包括冷藏系統(tǒng)。更優(yōu)選地，所述熱能系統(tǒng)還可以包括與所述冷藏系統(tǒng)的冷凝器連接并與所述中間 熱泵連接的至少一個換熱器系統(tǒng)，用于從所述冷藏系統(tǒng)回收熱能。優(yōu)選地，所述閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)包括第一組和第二組埋管換熱器，各組與所述中 間熱泵選擇性交替地連接。更優(yōu)選地，所述熱能系統(tǒng)還可以包括第二熱系統(tǒng)，第二熱系統(tǒng)與所述地熱能系統(tǒng) 熱連接，其中第一和第二熱系統(tǒng)對所述地熱能系統(tǒng)分別具有相反的凈熱能需求。再更優(yōu)選地，第一和第二熱系統(tǒng)對所述地熱能系統(tǒng)分別具有凈制冷和供暖的熱能需求。所述熱能系統(tǒng)還可以包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)適用于在連續(xù)的交替循環(huán)中將 所述中間熱泵和第二熱系統(tǒng)選擇性交替地熱連接到第一組或第二組埋管換熱器。所述熱能系統(tǒng)還可以包括與第一熱系統(tǒng)連接并與所述中間熱泵連接的至少一個 換熱器系統(tǒng)，并且其中所述熱泵通過所述中間熱泵與所述換熱器系統(tǒng)之間的第一換熱環(huán)路 和所述熱泵與所述地熱能系統(tǒng)之間的第二換熱環(huán)路而熱連接在第一熱系統(tǒng)與所述地熱能 系統(tǒng)之間。優(yōu)選地，所述地熱能系統(tǒng)還包括工作流體的歧管，所述歧管與所述多個埋管換熱 器連接，并且多個閥連接在所述多個埋管換熱器與所述歧管之間，由此通過操作所述閥使 所述多個埋管換熱器的所述第一和第二管道與所述歧管選擇性地連接，從而可操作各組埋 管換熱器，以沿選定方向使工作流體流過。優(yōu)選地，所述閥被設置成允許工作流體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選擇性流經(jīng)埋管換熱器的選定組。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熱能系統(tǒng)的占地空間，并且其中所述 中樞地面組件的覆蓋區(qū)小于所述地熱能系統(tǒng)的占地空間的覆蓋區(qū)的10%。所述熱能系統(tǒng)還可以包括與所述多個埋管換熱器連接的控制模塊，用于控制所述 閥以在所述多個埋管換熱器內(nèi)選擇性地分配工作流體，從而實現(xiàn)所述地熱能系統(tǒng)特定的熱 能分布，并且所述控制模塊適用于控制熱能供應到第一和第二熱系統(tǒng)或從第一和第二熱系 統(tǒng)供應熱能。與所述多個埋管換熱器連接的控制模塊，所述控制模塊用于控制所述閥從而在所述多個埋管換熱器內(nèi)選擇性地分配工作流體，從而實現(xiàn)所述地熱能系統(tǒng)特定的熱能分布， 并且所述控制模塊適用于控制熱能供應到第一和第二熱系統(tǒng)或從第一和第二熱系統(tǒng)供應 熱能。優(yōu)選地，所述地熱能系統(tǒng)和所述中間熱泵位于含有第一和第二熱系統(tǒng)的建筑物的 外部。所述熱能系統(tǒng)還可以包括工作流體的管道環(huán)路，所述管道環(huán)路從所述地熱能系統(tǒng) 延伸到第一熱系統(tǒng)并繞過所述中間熱泵。優(yōu)選地，所述管道環(huán)路包括第一和第二進口管道，第一和第二進口管道分別從第 一組和第二組埋管換熱器延伸到公共溫度調(diào)節(jié)混合閥，并且出口管道從所述溫度調(diào)節(jié)混合 閥經(jīng)過第一熱系統(tǒng)延伸回到所述埋管換熱器。所述熱能系統(tǒng)還可以包括與所述地熱能系統(tǒng)連接的換熱器制冷環(huán)路，所述換熱器 制冷環(huán)路適用于在選定的埋管換熱器內(nèi)選擇性地制冷工作流體。優(yōu)選地，所述換熱器制冷環(huán)路由定時器控制，所述定時器使所述換熱器制冷環(huán)路 在選定時間中運行。優(yōu)選地，所述換熱器制冷環(huán)路適用于將多余熱量從其中排到大氣。本發(fā)明還提供一種熱能系統(tǒng)，其包括冷藏系統(tǒng)，所述冷藏系統(tǒng)在使用時具有制冷 需求并包括至少一個冷凝器；閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)，所述閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)包括設置為構成 至少一個冷凝器的冷源的含有工作流體的多個埋管換熱器；中間熱泵，所述中間熱泵熱連 接在至少一個冷凝器與所述地熱能系統(tǒng)之間；以及控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)適用于在連續(xù) 的交替循環(huán)中將所述中間熱泵選擇性交替地熱連接到第一組或第二組埋管換熱器，使得在 一個循環(huán)中，第一組構成所述冷源，并且在連續(xù)的循環(huán)中，第二組構成所述冷源。本發(fā)明還提供一種操作熱能系統(tǒng)的方法，所述熱能系統(tǒng)包括第一熱系統(tǒng)，所述方 法包括以下步驟(a)提供第一熱系統(tǒng)，第一熱系統(tǒng)具有供暖和/或制冷需求；(b)提供閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)，所述閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)包括含有工作流體的多個埋 管換熱器；(c)提供中間熱泵，所述中間熱泵熱連接在第一熱系統(tǒng)與所述地熱能系統(tǒng)之間； 以及(d)通過所述中間熱泵控制第一熱系統(tǒng)與所述地熱能系統(tǒng)之間的熱連接，從而為 第一熱系統(tǒng)提供熱源或冷源。第一熱系統(tǒng)可以包括冷藏系統(tǒng)，并且所述地熱能系統(tǒng)和所述中間熱泵被控制而為 所述冷藏系統(tǒng)提供冷源。所述方法還可以包括從所述冷藏系統(tǒng)回收熱能并通過連接在所述冷藏系統(tǒng)的冷 凝器與所述中間熱泵之間的至少一個換熱器系統(tǒng)將回收的熱能傳遞到所述中間熱泵。優(yōu)選地，所述控制步驟將所述閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)至少分成第一組和第二組埋管換 熱器，各組在所述控制步驟中與所述中間熱泵選擇性交替地連接。優(yōu)選地，所述方法還包括提供第二熱系統(tǒng)，第二熱系統(tǒng)與所述地熱能系統(tǒng)熱連接， 其中第一和第二熱系統(tǒng)對所述地熱能系統(tǒng)分別具有相反的凈熱能需求。優(yōu)選地，第一和第二熱系統(tǒng)對所述地熱能系統(tǒng)分別具有凈制冷和供暖的熱能需求。優(yōu)選地，在所述控制步驟中，所述中間熱泵和第二熱系統(tǒng)在連續(xù)的交替循環(huán)中選 擇性交替地連接到第一組和第二組埋管換熱器。優(yōu)選地，所述多個埋管換熱器與第一和第二熱系統(tǒng)選擇性地連接，由此可操作各 組埋管換熱器，以沿選定方向使工作流體流過。所述方法還可以包括在所述多個埋管換熱器內(nèi)控制工作流體的選擇性分配，從而 實現(xiàn)所述地熱能系統(tǒng)特定的熱能分布，并且控制熱能供應到第一和第二熱系統(tǒng)或從第一和 第二熱系統(tǒng)供應熱能。所述方法還可以包括提供工作流體的管道環(huán)路，所述管道環(huán)路從所述地熱能系統(tǒng) 延伸到第一熱系統(tǒng)并繞過所述中間熱泵，以及提供分別從第一組和第二組埋管換熱器流到 公共溫度調(diào)節(jié)混合閥的第一和第二進口流體和從所述溫度調(diào)節(jié)混合閥經(jīng)過第一熱系統(tǒng)流 回到所述埋管換熱器的具有預定溫度的出口流體。所述方法還可以包括利用與所述地熱能系統(tǒng)連接的換熱器制冷環(huán)路在選定的埋 管換熱器內(nèi)選擇性制冷工作流體。優(yōu)選地，所述選擇性制冷由定時器控制，所述定時器使所述換熱器制冷環(huán)路在選 定時間中運行。優(yōu)選地，所述換熱器制冷環(huán)路將多余熱量從其中排到大氣。本發(fā)明還提供一種操作熱能系統(tǒng)的方法，所述熱能系統(tǒng)包括具有制冷需求的冷藏 系統(tǒng)，所述冷藏系統(tǒng)包括至少一個冷凝器，所述方法包括以下步驟(a)提供閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)，所述閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)包括設置為構成至少一個冷 凝器的冷源的含有工作流體的多個埋管換熱器；(b)提供中間熱泵，所述中間熱泵熱連接在至少一個冷凝器與所述地熱能系統(tǒng)之 間；以及(c)在連續(xù)的交替循環(huán)中將所述中間熱泵選擇性交替地熱連接到第一組或第二組 埋管換熱器，使得在一個循環(huán)中，第一組構成所述冷源，并且在連續(xù)的循環(huán)中，第二組構成 所述冷源。特別地，本發(fā)明的優(yōu)選實施例涉及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)模獲取低焓地熱能，并且還能夠選擇性地將工業(yè)量的多余能 量釋放到地層中作為熱能貯存。埋管換熱器經(jīng)由中間熱泵與建筑物中的至少一個熱系統(tǒng)連 接，熱系統(tǒng)具有制冷需求或供暖需求，并且當存在多個熱系統(tǒng)時，它們可以具有不同和/或 相反的熱量需求。更特別地，建筑物中的熱系統(tǒng)是對地熱系統(tǒng)具有制冷或熱量需求減少的 冷藏系統(tǒng)。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系統(tǒng)精確匹配的低焓、 地熱能貯存和恢復設備，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、通風和熱水 服務，具有非常高的效率、低碳排放和緊湊型地面覆蓋區(qū)。此外，該設備根據(jù)相關建筑物隨 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。該設備還可以在相鄰建筑物和設施之間進行熱能的有效交換以節(jié)約可用能源。此 外，該設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 容易與其他可再生能源和其他供暖或制冷負載結合起來，從而進一步減少總的碳排放量。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例利用了與已知地下連接的換熱系統(tǒng)相比的多個特別之處，這 些不同之處來自于被積極用于放熱的其他已知技術、用于直接放熱的地下?lián)Q熱器的已知典 型應用，并且主要來自于小型至中型的水-水(海水)熱泵。本發(fā)明的優(yōu)選實施例涉及特定類型的同軸地下?lián)Q熱器的使用，即埋管換熱器 (BHE)，其具有高容量和質流特性、擴大的接觸空間、向下流與向上流之間的低熱短路、BHE 的低熱阻和防止熱干擾的延伸地下空間。組合有這種BHE的系統(tǒng)允許巖層上更高的熱應力和更高的熱回收率，最重要的 是，這種類型的BHE為循環(huán)工作流體所需的動力相對較低。在排出壓力為5m 6. 5m且流 阻為50kPa 65kPa時，額定功率為1，OOOkff的這種類型的地下連接系統(tǒng)將需要大約5kW 的循環(huán)動力以提供高達50kg/sec的質流。這可與相同能力的開路式冷卻塔25kW范圍內(nèi)的 循環(huán)和通風所需的動力需求相比，而成為電能消耗領域中最具有競爭力的技術。在沒有與運行成本有關的其他花費下，這種系統(tǒng)的低動力需求可以允許在本發(fā)明 的優(yōu)選實施例中采用額外的中間熱泵作為BHE系統(tǒng)與工業(yè)制冷機之間的熱級變壓器。本發(fā)明優(yōu)選實施例中的中間熱泵可以在32 33°C的通常小增量范圍下運行(即， 熱泵更熱側的溫度范圍，更冷側與冷凝器直接連接或經(jīng)由換熱系統(tǒng)間接連接)，從而實現(xiàn)在 冷藏系統(tǒng)的冷凝器中例如大約18°C的穩(wěn)定的CWT。這種小增量相應地可以允許實現(xiàn)高的效 率，在現(xiàn)有技術中被定義為性能系數(shù)(COP)，通常COP為5. 1 5.0，與開路式冷卻塔提供的 基于CWT的相似制冷機的性能相比，能量節(jié)約高達50%。在這種使用中間熱泵的系統(tǒng)中，本發(fā)明優(yōu)選實施例的地熱系統(tǒng)可以包括順次交替 運行的BHE的兩個集庫，其具有開/關操作規(guī)程，例如12小時關閉，然后12小時打開。也 可以采用其他時間。在打開時，由于熱能從冷藏系統(tǒng)排放到集庫，所以集庫的工作流體溫度 升高，而在關閉時，由于熱能從集庫進入更低溫度(通常地下溫度是18°C )的相鄰巖層，所 以集庫的工作流體溫度降低。對于通常的巖層條件，在關閉時，各集庫的溫度可以通過降低 到23°C的水平(提供6. 3的COP以實現(xiàn)18°C的CWT)而恢復，而在前面和后面的打開時，在 12小時的集庫任務結束時，各集庫的溫度可以升高到23°C的水平(提供5. 2的COP以實現(xiàn) 18°C的CWT)。這種配置中的平均COP可以在COP 5. 6的水平，并假定為總放熱(THR)的典 型比率。然而，由于冷凝器顯著降低的CWT和中間熱泵運行的高效規(guī)程，所以來自冷藏系 統(tǒng)的THR量可能會顯著減少，從而允許在地下連接系統(tǒng)的總能力和放熱有關的整體運行成 本方面進一步節(jié)約。BHE的交替集庫(例如兩個集庫)的設置也可以允許在通常12小時的靜止階段中 使用“靜止”集庫，其含有需要在被用于至少部分地滿足同一建筑物的供暖需求的下一個運 行階段(通常也為12小時)之前被冷卻的高溫工作流體，因為這種BHE的靜止集庫包括有 利溫度下的熱能以實現(xiàn)供暖或提供飲用熱水的目的。假設存在熱量需求并且能夠用另一個 熱泵來滿足建筑物的這種供暖需求，那么為了供暖目的，可以重復由高COP所代表的小增 量，同時在靜止模式中對集庫的回收提供輔助。在冬季月份，常?？梢钥吹脚c冷藏或制冷的縮減需求相比過度的供暖需求。在所 有這些情況中，BHE的靜止集庫可以對建筑物的HVAC系統(tǒng)給出比在其先前制冷任務中所排 出的更多的能量。這可由BHE的工作流體表示，該工作流體的溫度比冷藏系統(tǒng)在新的制冷輪換開始時所需的溫度還要低。利用溫度低于特定系統(tǒng)所需溫度的工作流體不一定有好 處，因為這可能會造成冷藏設備能力的損失。在這種情況下，系統(tǒng)內(nèi)安裝有溫度調(diào)節(jié)混合 閥，其可通過從先前所服務的冷藏系統(tǒng)的集庫的自動能量供給而提供規(guī)定的CWT。這可以通 過以下實現(xiàn)設置從BHE到冷藏系統(tǒng)的管線，它繞過中間變壓器熱泵并包括溫度調(diào)節(jié)混合 閥以混合兩種工作流體，一種流體在相對較低溫度下從操作集庫流出，另一種流體在相對 較高溫度下從靜止集庫流出。溫度調(diào)節(jié)混合閥控制兩個流量，從而混合流體，以達到所希望 的被引向冷藏系統(tǒng)的外流溫度。對熱泵的這種繞過可以允許熱泵在運行期中的至少一部分 中未運行，其中來自BHE的工作流體的溫度僅由溫度調(diào)節(jié)混合閥所控制。這樣可以顯著節(jié) 約運行成本，因為如果熱泵未運行，那么就不需要電能來驅動其相關的泵和壓縮機。


下面參照附圖僅以舉例方式對本發(fā)明的實施例進行說明，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的熱能系統(tǒng)的示意圖，其包括與閉環(huán)式地熱能系統(tǒng) 連接的超市冷藏系統(tǒng)；圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的熱能系統(tǒng)的示意圖，其包括與閉環(huán)式地熱能系統(tǒng) 連接的超市冷藏系統(tǒng)；圖3是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的熱能系統(tǒng)的示意圖，其包括與閉環(huán)式地熱能系統(tǒng) 連接的超市冷藏系統(tǒng)；圖4是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的熱能系統(tǒng)的示意圖，其包括與閉環(huán)式地熱能系統(tǒng) 連接的超市冷藏系統(tǒng)；以及圖5是圖1 圖4的實施例的熱能回收系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的示意圖。在附圖中，對于各實施例中的共有特征使用相似的附圖標記指示相似的部分。
具體實施例方式雖然本發(fā)明的優(yōu)選實施例涉及到與冷藏系統(tǒng)接口的熱能系統(tǒng)，但是本發(fā)明的其他 實施例涉及到具有由建筑物內(nèi)的系統(tǒng)產(chǎn)生供暖和/或制冷需求的其他建筑物系統(tǒng)(例如供 暖、通風和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng))，這可能需要增加供暖和/或制冷的供應，或者減少熱量的供 應。這種系統(tǒng)中的很多系統(tǒng)(如冷藏系統(tǒng))需要非常小心、恒定的測溫控制以保證有效運 行。參照圖1，示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的與閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)6相連接的超 市4的冷藏系統(tǒng)2。整個系統(tǒng)具有在超市4內(nèi)的店內(nèi)側8和在超市4外的水環(huán)路側10。超市4具有多個店內(nèi)冷藏柜12。冷藏柜12設置在店內(nèi)冷藏環(huán)路14中，冷藏環(huán)路 14在冷藏柜12與冷凝器16之間使制冷劑循環(huán)。設置通過已知方式與冷凝器連接的一個以 上的壓縮機(未示出)?？梢栽O置與共同的冷凝器16連接的多于一個的冷藏環(huán)路14，或者 每個冷藏環(huán)路14具有其自己的冷凝器16。一個以上的冷藏環(huán)路14可以僅具有一個冷藏柜 12。在冷藏環(huán)路14中，可以串聯(lián)連接或并聯(lián)連接冷藏柜12。根據(jù)本發(fā)明，依據(jù)特定超市的 大小、布局和冷藏需求，可以使用不同的冷藏結構，并且它們對于冷藏系統(tǒng)領域的技術人員 來說是顯而易見的。無論超市4的冷藏系統(tǒng)2選擇何種冷藏柜/冷藏環(huán)路配置，在冷凝器16中來自冷藏柜12的氣態(tài)制冷劑凝結為液體，從而在冷凝器16的第一側18產(chǎn)生熱能。冷凝器16的 第二側20與第一級換熱器環(huán)路M中的換熱器22 (例如殼管式換熱器)連接。來自第一側 18的熱能加熱通過第二側20輸送的第一級換熱器環(huán)路M中的流體。被加熱的流體被輸送 通過換熱器22的第一側沈，并將熱能傳遞到與換熱器22的第二側30連接的第二級換熱器 環(huán)路28中。第二級換熱器環(huán)路28作為店內(nèi)側8與水環(huán)路側10之間的橋梁。第二級換熱器環(huán) 路觀還包括與壓縮機組合的熱泵32。在第二級換熱器環(huán)路觀中，流體(通常是水)圍繞 環(huán)路觀循環(huán)。通常，水從熱泵32以大約14°C的溫度進入換熱器22，水從換熱器22(其中 水已在第二側觀被加熱)以大約18°C的溫度進入熱泵32。在水環(huán)路側10，熱泵32與地熱 能系統(tǒng)6連接?，F(xiàn)有技術中已知的是，熱泵32包括熱變壓器系統(tǒng)，從而根據(jù)需要造成輸入 側與輸出側之間的測溫差異，這可構成供暖或制冷，并且在各個側的能量輸入和輸出基本 相等。地熱能系統(tǒng)6包括與公共歧管單元44連接的埋管換熱器42的陣列40。陣列40 位于地下，通常在地面G之下是三維的，公共歧管單元44通常位于地面之上。陣列40是同軸埋管換熱器42 (BHE)的緊湊型陣列(或多個子陣列的組合)。埋 管換熱器42安裝在從靠近所服務的建筑物的包括一個或多個襯套的剛性結構(未示出，優(yōu) 選為混凝土)定向鉆出的鉆孔中。埋管換熱器42可以垂直地、傾斜地或水平地安裝在地層 中，并且各埋管換熱器42沿其長度可以具有不同的傾斜度，和/或可以沿其長度分成相同 或不同長度的連續(xù)分段，每個分段具有不同于相鄰分段的方向。每組46，48中的埋管換熱 器42可以朝向基本相同方向的扇狀配置排列，或者可以基本上沿徑向遠離歧管44且彼此 等距地延伸的星形配置排列，或者以沿其長度基本對齊的大體直線配置排列，各埋管換熱 器42除了與歧管44開始的銳角連接部分之外還具有向下延伸并橫向遠離歧管44的一個 大體傾斜的部分。各部分的長度和傾斜度可以隨埋管換熱器變化。此外，根據(jù)設計要求，可以從地面下的一些點將一個埋管換熱器分成兩個或更多 的分支(多退完備化)。不同部分的長度和傾斜度可隨埋管換熱器變化。陣列40被構造 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42的下部的底端彼此間隔至少100米。優(yōu)選實施例的埋管換熱器陣列的設置需要考慮基床位面的空間方向、孔隙度和滲 透率，尤其是大斷裂，它們是那個安裝區(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，這樣可以增加埋管換熱器的熱效率。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100米，可達 到750米。公共歧管單元44被暫時或永久地設置為將埋管換熱器42的陣列40分成第一組 46和第二組48。在每一組46，48中，各個埋管換熱器42可由中樞公共歧管單元44內(nèi)的閥 機構進行共用切換，從而使流體沿同軸埋管換熱器42的各個選定的流向流動。在圖1所示的實施例中，每一組46，48包括六個同軸埋管換熱器42，但是總數(shù)和每 一組內(nèi)的數(shù)量可以變化，并且兩組46和48可以具有不同數(shù)量的埋管換熱器42。通常，每一 組46，48具有數(shù)量、類型和配置基本相同的同軸埋管換熱器42，使得每一組46，48的供暖和制冷能力基本相同。在另一個改進中，組的數(shù)量不同，例如是三組、四組或更多的組。各組在地下是不可物理區(qū)分的，各組只能通過它們地上的彼此連接(例如在歧管 內(nèi))而區(qū)分。歧管44的覆蓋區(qū)的面積極其小，通常比含有埋管換熱器42的占地空間的覆蓋區(qū) 的面積小10 %，更優(yōu)選小5 %，最優(yōu)選小1 %。在這種陣列與歧管的組合下，埋管換熱器42的第一組46和第二組48可以根據(jù)增 加或減少熱量的需求而操作閥選擇性地與歧管44連接，這將在下文進行描述。熱泵32通過第三級換熱器環(huán)路50與歧管44連接，其也包括同軸埋管換熱器42。 流體繞環(huán)路50循環(huán)以從店內(nèi)側8的冷藏系統(tǒng)2吸取熱能，并將吸取的熱能貯存在埋管換熱 器42的陣列40中。通常，流體從熱泵32以大約35°C的溫度進入歧管44，水從歧管44以 大約30°C的溫度進入熱泵32。超市4內(nèi)的供暖、通風和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)60根據(jù)建筑物的恒溫控制熱量需求向 建筑物提供溫控的空氣。HVAC系統(tǒng)60內(nèi)的換熱器66通過HVAC環(huán)路64與歧管44連接。根據(jù)本發(fā)明的實施例，根據(jù)熱量需求，通過對其中的閥進行選擇性操作，歧管44 適用于選擇性地將熱能提供到HVAC系統(tǒng)60并經(jīng)由熱泵32從冷藏系統(tǒng)2吸取熱能。HVAC系統(tǒng)60在很長時間內(nèi)通常具有凈供暖需求，只要供暖功能有時會有增加熱 量需求，而在其他一些時候空調(diào)功能會有減少熱量需求(即制冷)，并且各種需求以及現(xiàn)行 凈增加或減少需求的支配會隨時間變化，例如根據(jù)年份中的時間和/或天氣/環(huán)境條件，這 些需求與冷藏系統(tǒng)2的需求無關。在改進的實施例中，HVAC系統(tǒng)60 (除了由冷藏系統(tǒng)2構成的第一熱系統(tǒng)外還包括 第二熱系統(tǒng))通過第二中間熱泵(未示出)與歧管44連接，選擇性地，還額外地通過第二 中間熱泵與HVAC系統(tǒng)60之間的另一個換熱器環(huán)路進行連接。由HVAC系統(tǒng)60構成的第二熱系統(tǒng)和冷藏系統(tǒng)2構成的第一熱系統(tǒng)可處于相同或 不同的建筑物中。選擇性操作與時間有關，埋管換熱器42的第一組46和第二組48選擇性交替地經(jīng) 由歧管44與HVAC系統(tǒng)60和冷藏系統(tǒng)2連接。在第一階段的操作中，埋管換熱器42的第一組46經(jīng)由歧管44和熱泵32與冷藏 系統(tǒng)2連接，埋管換熱器42中的流體流向使得熱能從埋管換熱器42傳遞到周圍占地空間 70。這允許根據(jù)減少熱量的需求將由冷藏環(huán)路14和換熱器環(huán)路M，28和50重新獲得的熱 能貯存在周圍占地空間70中。在后續(xù)第二階段的操作中，埋管換熱器42的第一組46經(jīng)由歧管44與HVAC系統(tǒng) 60連接，埋管換熱器42中的流體流向相反，從而將熱能從周圍占地空間70傳回埋管換熱 器42中。這允許將在第一階段中先前貯存在周圍占地空間70中的熱能回收，并且根據(jù)增 加熱量的需求將回收的熱能通過HVAC環(huán)路64供應到HVAC系統(tǒng)60。在第一階段和第二階段的操作中，埋管換熱器42的第二組48以與各個階段中的 第一組46相反的方式操作(S卩，以與后續(xù)和在先階段中的第一組46相同的方式操作)。各 埋管換熱器42的兩組46，48的這兩個階段在熱量回收階段和熱量傳遞階段之間交替循環(huán)。 這樣有效和高效地從冷藏系統(tǒng)2回收廢熱并將其提供到HVAC系統(tǒng)60。
各階段的典型循環(huán)時間為12小時。然而，也可采用其他循環(huán)時間，并且在相反階 段中，循環(huán)時間不必須是恒定的或相等的。本文公開的閉環(huán)式系統(tǒng)在地熱能系統(tǒng)6與冷藏制冷機的換熱器系統(tǒng)(冷藏環(huán)路14 中的冷凝器16的形式)之間設置了中間熱泵32。熱泵32是組合有歧管44和選定的埋管 換熱器42的熱穩(wěn)定的換熱器環(huán)路50的一部分，使得熱泵32的流入流體與流出流體之間的 溫差是基本穩(wěn)定的。這樣提供的優(yōu)點是冷藏環(huán)路14中的冷凝器16的溫度是穩(wěn)定的，從而 確保了冷藏系統(tǒng)2可靠有效的運行。當埋管熱能輸出超過冷藏系統(tǒng)2的冷凝器16的輸出而達到對于冷凝器16設定的 CffT時，熱泵32通過冷藏系統(tǒng)2內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)裝置被切換為運行。熱泵32可以優(yōu)化冷藏 循環(huán)的運行以及地熱循環(huán)的運行。每個循環(huán)具有設定的優(yōu)化運行溫度，尤其是地熱循環(huán)具 有設定的地下溫度。根據(jù)需求，對熱泵32的打開而提供的冷藏系統(tǒng)2的冷凝器16在優(yōu)化 CffT下的優(yōu)化運行通常可以提供20%的能量節(jié)約。通常，熱泵32通過冷凝器側的溫度調(diào)節(jié) 閥周期性地切換成運行，使得熱泵32運行占冷藏運行周期的大約90%，在冷藏運行周期余 下的大約90%中，冷藏系統(tǒng)2的冷凝器16在優(yōu)化CWT下運行而無需熱泵控制。埋管換熱器組的交替使用首先回收和貯存相關占地空間中的熱量，然后在再次回 收和貯存熱量之前傳遞該貯存的熱量，從而提供了熱穩(wěn)定的系統(tǒng)，其中相關的占地空間能 夠可靠地貯存熱量，有助于提供包括熱泵32的熱穩(wěn)定的換熱器環(huán)路50。參照圖2，示意性示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的與閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)106相連 接的超市104的冷藏系統(tǒng)102。第二實施例是第一實施例的改進，其中，歧管144不與HVAC 統(tǒng)連接。在埋管換熱器142的各組146，148分別被允許冷卻的靜止階段中，多余的熱量簡 單地進入相鄰地下G，且不因為地上的供暖需求而被吸取。在另一個改進(其可獨立實施)中，中間熱泵132通過包括冷凝器116和中間熱 泵132的一個換熱器環(huán)路IM與冷藏環(huán)路14的冷凝器116熱連接。這樣避免了使用第一 實施例中的額外換熱器環(huán)路以及冷凝器116與中間熱泵132之間的換熱器。參照圖3，示意性示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的與閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)206相連 接的超市204的冷藏系統(tǒng)202。在該實施例中，對于第二實施例，中間熱泵232通過包括冷凝器216和中間熱泵 232的一個換熱器環(huán)路2M與冷藏環(huán)路214的冷凝器216熱連接。然而，在可選的改進中， 可以額外采用第一實施例中所使用的另一個換熱器環(huán)路。在冬季月份，常常可以看到HVAC系統(tǒng)沈0的過度供暖需求，這與冷藏系統(tǒng)202的 冷藏或制冷縮減需求形成對比。在該情況下，BHE 242的靜止組(或集庫)246可以對建筑 物的HVAC系統(tǒng)260給出比在其先前制冷任務中排到組(或集庫)246中更多的能量。這可 由組沈4的BHE 242的工作流體表示，該工作流體的溫度比冷藏系統(tǒng)202在新的制冷輪換 開始時所需的溫度還要低。換句話說，與后續(xù)工作(制冷)階段所希望的溫度相比，其中多 余熱量被供給到HVAC系統(tǒng)沈0的靜止階段會過度冷卻工作流體的溫度。利用溫度低于特定系統(tǒng)所需溫度的工作流體不一定有好處，因為這可能會造成冷 藏設備能力的損失。重要的是，冷藏系統(tǒng)在冷凝器的特定設定溫度(即規(guī)定的CWT)下運行， 以使運行有效可靠。然而，工作流體的過度冷卻可以用于實現(xiàn)有利效果，在整個熱能系統(tǒng)內(nèi) 節(jié)約能量。
溫度調(diào)節(jié)混合閥280安裝在系統(tǒng)內(nèi)，其可通過從先前所服務的冷藏系統(tǒng)的BHE M2的組(或集庫)的自動能量供給而提供規(guī)定的CWT。這可通過以下實現(xiàn)設置從BHE 242到冷藏系統(tǒng)202的管線四0，它繞過中間變壓器熱泵232并包括溫度調(diào)節(jié)混合閥觀0以 混合兩種工作流體，一種流體在相對較低溫度下從操作集庫246沿第一管道294流動，另一 種流體在相對較高溫度下從靜止集庫248沿第二管道296流動。公共第三管道298從溫度 調(diào)節(jié)混合閥觀0引向冷凝器216，返回管道299返回到歧管M4。溫度調(diào)節(jié)混合閥280控制沿著第一管道294和第二管道四6的兩個流量，從而混 合流體，以達到所希望的被導向冷藏系統(tǒng)202的外流溫度。對熱泵232的這種繞過可以允 許熱泵232在運行期的至少一部分中未運行，其中來自BHE 242的工作流體的溫度僅由溫 度調(diào)節(jié)混合閥280控制。這樣可以顯著節(jié)約運行成本，例如能量節(jié)約高達20%，因為如果熱 泵232未運行，那么就不需要電能來驅動其相關的泵和壓縮機。參照圖4，示意性示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的與閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)306相連 接的超市304的冷藏系統(tǒng)302，其是第三實施例的改進。在該實施例中，對于先前的實施例，采用了 BHE 342的靜止組(或集庫)346的過 度冷卻，使得在靜止階段中工作流體的溫度與后續(xù)工作(制冷)階段所希望的溫度相比被 過度冷卻。當工作流體含水并包含二醇類(例如乙二醇)時，因為工作流體被過度冷卻，這 會導致冰漿的形成。即使在夏季月份，通過在另一換熱器環(huán)路392中設置與歧管344連接的額外換熱 器390也可以實現(xiàn)過度冷卻。換熱器390的泵396與電源394連接。在夜晚時間，當可以 使用夜晚便宜的電力時，泵396被驅動以驅使工作流體循環(huán)進入BHE 342的靜止組或集庫。 這樣從BHE 342的靜止集庫吸取排放到大氣中的熱量并冷卻BHE 342的靜止集庫。對于先 前的實施例，來自BHE 342的靜止組或集庫的過度冷卻的工作流體隨后可被用于構成進入 溫度調(diào)節(jié)混合閥380的低溫流體。在本發(fā)明的實施例中，監(jiān)測和調(diào)節(jié)各環(huán)路中的流量和溫度以最大化整體性能，從 而滿足冷藏系統(tǒng)的不同能量需求，并且當存在HVAC系統(tǒng)時，不受限制。這可借助圖5所示 的地面控制模塊80 (SCM)來實現(xiàn)，其包括公共歧管單元44。在安裝了多于一個陣列40的情 況下，根據(jù)整體設計要求可以存在多于一個的地面控制模塊80。地面控制模塊80包括作為中樞歧管單元44的一部分或與其連接并由微處理器90 控制的閥82、壓力表84、溫度傳感器86和流量傳感器88，微處理器90被編程，以維持埋管 換熱器2的陣列40的最佳能量平衡并將所需溫度的工作流體輸送至熱泵32和HVAC系統(tǒng) 60。一個以上的泵92設置用于通過埋管換熱器42的陣列40抽取工作流體。此外，可通過 位于地面控制模塊80輸出處的儀表94來計量傳遞到HVAC系統(tǒng)60的熱能。軟件安裝在微 處理器90內(nèi)，其繪制陣列40針對不同的建筑物能量需求的響應，并且與建筑物管理系統(tǒng)96 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。歧管44通過通常埋于地下1至2米并確保在傳遞過程中熱量和液壓能量損失最 小的預絕緣的熱塑性塑料管網(wǎng)與埋管換熱器2的陣列40連接。歧管固有的地面控制模塊(SCM)包括可編程計算機模塊、傳感器和控制閥，以監(jiān) 測和控制每個埋管換熱器以及整個完整系統(tǒng)的所有工作流體的流量、流向、溫度和壓力，包 括監(jiān)測和控制從地面控制模塊流向所服務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曲線的監(jiān)測和控制。通常使用具有斜鉆能力的定制的、自動移動鉆探設備進行鉆孔。這是利用油氣業(yè) 已有的設備和技術進行的，如隨鉆探測儀(MWD)、可操縱的液壓馬達和/或可操縱的旋轉導 向鉆井系統(tǒng)、井下液壓馬達、定向空氣錘、陀螺慣性制導系統(tǒng)以及相關控制軟件，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。每個埋管換熱器可以包括同軸“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)構成。根據(jù)被橫穿的地層的性質，外套管可局部、整體或根本不與包容埋管粘合。 根據(jù)應用，接合劑的配方設計可以包括常規(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隔熱管。根據(jù)類型和應用，該管可以交付并安裝成連續(xù)的盤管或長度 不連續(xù)、然后機械連接在一起。該管被有角度的定心“導流板”定位在外套管的孔的中央， “導流板”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，尤其是對于那些具有很多能夠產(chǎn) 生大量余熱的店內(nèi)冷藏系統(tǒng)的超市而言。從而得出的結論是，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用)，向地下放熱至少與吸熱一樣重要。 全球變暖，尤其是關于溫室氣體(例如因人類活動而產(chǎn)生的二氧化碳)的排放量越來越多 地受到國際關注?；蛘哂糜诓膳?或制冷、或者用于發(fā)電的地熱能提供了可再生的低碳 能量，作為化石燃料能量系統(tǒng)的另一選擇。在一些實施例中，安裝有同軸埋管換熱器的埋管被定向鉆孔，從而在保持總體深 度最小的同時保持埋管換熱器的足夠長度。這可以根據(jù)實施通過對埋管的垂直度、傾斜度 和水平度的適當軌跡的選取而實現(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 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0米)的溝渠(“Slinkies”)內(nèi)的目前標準 鉆井作法形成對比。當前作法產(chǎn)生的成本、不便以及可用土地面積的減少阻礙了地熱能應 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量狀況與 既能提供供暖又能提供制冷能量的埋管換熱器陣列匹配。這些研究證明制冷能量需求比供 暖能量需求占優(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對每個埋管 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 個陣列的能量平衡最優(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的建筑物供應供暖和制冷能量。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范圍。結果 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量需求狀況的適應 性。此外，值得注意的是，在一定條件下，通過將其與其他可再生能量技術如熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP) 結合起來，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備的碳覆蓋區(qū)。通過設計，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。能量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備?？梢酝ㄟ^應用已在陸地上和 海上使用多年的先進的技術上和商業(yè)上成熟的油田鉆井和完井技術來安裝埋管換熱器。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 建筑服務設計匹配的高效同軸、閉環(huán)式換熱器設計實現(xiàn)的。本發(fā)明優(yōu)選實施例的地熱能系統(tǒng)是主要向大規(guī)模建筑結構或在供暖和/或制冷 方面需求高的任何建筑物提供供暖和/或制冷能量的集成的、定制的、節(jié)能和低碳排放量 的系統(tǒng)。地熱能系統(tǒng)提供的能量主要來自于可持續(xù)、可再生并使所服務的建筑物的碳覆蓋 區(qū)顯著減少的總量豐富、低溫的地熱源。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熱埋管 換熱器陣列，以及將建筑服務業(yè)最先進的地源熱泵技術與最實用的設計方法和材料結合能 夠傳輸或儲存大量熱能的能量傳輸網(wǎng)。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熱埋管組成、專 門設計成在設想的熱負荷下效率最大并與建筑服務設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，管理將地熱 能傳遞到建筑物服務設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與建筑物服務設備的低壓、隔熱的能量分 配網(wǎng)。本發(fā)明的優(yōu)選實施例可以提供特定設計并建造的建筑物服務設備，采用了用于所服務區(qū)域的供暖和/或制冷以及建筑物內(nèi)的熱水供應的先進的熱泵技術?？梢愿鶕?jù)開發(fā)規(guī)模和能量需求狀況在給定的場所處安裝一個以上的單獨陣列。在地熱能系統(tǒng)設備的設計方面重點考慮的是建筑物服務設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)明的地熱能系統(tǒng)設備通常 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，埋管換熱器被設計成接收熱能或將熱能貯 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計與建筑服務設計和其能量狀況結合起 來，以避免過去當已設計好地源熱泵設備時因設備不匹配而常常導致效率低。目的是支持 為確保用于建筑物服務設備的技術盡可能地與埋管換熱器陣列的性能相匹配以及使建筑 服務設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。因此，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，設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5%且小于每一組 同軸埋管換熱器的總長度。通過設置三維陣列，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他 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?同軸埋管換熱器進行管理?？梢允构ぷ髁黧w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，以減小鉆孔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。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 大量熱能的設備，優(yōu)選為同軸埋管換熱器陣列在襯套中延伸并超出地面點，用于服務工業(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單一模式下的單一單元 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定區(qū)域下的地層的三維體積，可以大量設置熱能吸收設備 或熱能量或貯存設備，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施，或位于建 筑物或設施的任何部分的下方，埋管換熱器陣列向任一側或深度延伸并超出該地面位置。 根據(jù)季節(jié)、氣候和建筑物的能量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、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上操作選定數(shù)量的埋管換熱器，這允 許關閉陣列的其余部分，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鍵是結合先進的油氣鉆井和完井技術使之 適應較淺環(huán)境的典型地熱開采的設想。該技術和精確選擇與相對良好地質環(huán)境相匹配的材 料的相關技術的結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 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他實施例的特征相結合，并且也在本發(fā)明要求保護的 范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種熱能系統(tǒng)，其包括第一熱系統(tǒng)，第一熱系統(tǒng)在使用時具有供暖和/或制冷需求； 閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)，所述閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)包括含有工作流體的多個埋管換熱器；以及中 間熱泵，所述中間熱泵熱連接在第一熱系統(tǒng)與所述地熱能系統(tǒng)之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的熱能系統(tǒng)，其中每個埋管換熱器包括細長管子，所述管子具 有封閉底端以及在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二細長管道。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的熱能系統(tǒng)，其中第一熱系統(tǒng)包括建筑物內(nèi)的冷藏系統(tǒng)。
4.根據(jù)權利要求3所述的熱能系統(tǒng)，還包括與所述冷藏系統(tǒng)的冷凝器連接并與所述中 間熱泵連接的至少一個換熱器系統(tǒng)，用于從所述冷藏系統(tǒng)回收熱能。
5.根據(jù)權利要求1 4中任一項所述的熱能系統(tǒng)，其中所述閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)包括第 一組和第二組埋管換熱器，各組與所述中間熱泵選擇性交替地連接。
6.根據(jù)權利要求5所述的熱能系統(tǒng)，還包括第二熱系統(tǒng)，第二熱系統(tǒng)與所述地熱能系 統(tǒng)熱連接，其中第一和第二熱系統(tǒng)對所述地熱能系統(tǒng)分別具有相反的凈熱能需求。
7.根據(jù)權利要求6所述的熱能系統(tǒng)，其中第一和第二熱系統(tǒng)對所述地熱能系統(tǒng)分別具 有凈制冷和供暖的熱能需求。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的熱能系統(tǒng)，還包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)適用于在連續(xù) 的交替循環(huán)中將所述中間熱泵和第二熱系統(tǒng)選擇性交替地熱連接到第一組或第二組埋管 換熱器。
9.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的熱能系統(tǒng)，還包括與第一熱系統(tǒng)連接并與所述中 間熱泵連接的至少一個換熱器系統(tǒng)，并且其中所述熱泵通過所述中間熱泵與所述換熱器系 統(tǒng)之間的第一換熱環(huán)路和所述熱泵與所述地熱能系統(tǒng)之間的第二換熱環(huán)路而熱連接在第 一熱系統(tǒng)與所述地熱能系統(tǒng)之間。
10.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的熱能系統(tǒng)，其中所述地熱能系統(tǒng)還包括工作流 體的歧管，所述歧管與所述多個埋管換熱器連接，并且多個閥連接在所述多個埋管換熱器 與所述歧管之間，由此通過操作所述閥使所述多個埋管換熱器的所述第一和第二管道與所 述歧管選擇性地連接，從而可操作各組埋管換熱器，以沿選定方向使工作流體流過。
11.根據(jù)權利要求10所述的熱能系統(tǒng)，其中所述閥被設置成允許工作流體沿著所述各 埋管換熱器的各自第一和第二管道的各自選定方向選擇性流經(jīng)埋管換熱器的選定組。
12.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的熱能系統(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 述地熱能系統(tǒng)的占地空間，并且其中所述中樞地面組件的覆蓋區(qū)小于所述地熱能系統(tǒng)的占 地空間的覆蓋區(qū)的10%。
13.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的熱能系統(tǒng)，還包括與所述多個埋管換熱器連接 的控制模塊，用于控制所述閥以在所述多個埋管換熱器內(nèi)選擇性地分配工作流體，從而實 現(xiàn)所述地熱能系統(tǒng)特定的熱能分布，并且所述控制模塊適用于控制熱能供應到至少第一熱 系統(tǒng)或從至少第一熱系統(tǒng)供應熱能。
14.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的熱能系統(tǒng)，其中所述地熱能系統(tǒng)和所述中間熱 泵位于含有至少第一熱系統(tǒng)的建筑物的外部。
15.根據(jù)權利要求5 8中任一項或當引用權利要求5 8中任一項時的權利要求9 14中任一項所述的熱能系統(tǒng)，還包括工作流體的管道環(huán)路，所述管道環(huán)路從所述地熱能系統(tǒng)延伸到第一熱系統(tǒng)并繞過所述中間熱泵。
16.根據(jù)權利要求13所述的熱能系統(tǒng)，其中所述管道環(huán)路包括第一和第二進口管道， 第一和第二進口管道分別從第一組和第二組埋管換熱器延伸到公共溫度調(diào)節(jié)混合閥，并且 出口管道從所述溫度調(diào)節(jié)混合閥經(jīng)過第一熱系統(tǒng)延伸回到所述埋管換熱器。
17.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的熱能系統(tǒng)，還包括與所述地熱能系統(tǒng)連接的換 熱器制冷環(huán)路，所述換熱器制冷環(huán)路適用于在選定的埋管換熱器內(nèi)選擇性地制冷工作流 體。
18.根據(jù)權利要求17所述的熱能系統(tǒng)，其中所述換熱器制冷環(huán)路由定時器控制，所述 定時器使所述換熱器制冷環(huán)路在選定時間中運行。
19.根據(jù)權利要求17或18所述的熱能系統(tǒng)，其中所述換熱器制冷環(huán)路適用于將多余熱 量從其中排到大氣。
20.一種熱能系統(tǒng)，其包括冷藏系統(tǒng)，所述冷藏系統(tǒng)在使用時具有制冷需求并包括至少 一個冷凝器；閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)，所述閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)包括設置為構成至少一個冷凝器 的冷源的含有工作流體的多個埋管換熱器；中間熱泵，所述中間熱泵熱連接在至少一個冷 凝器與所述地熱能系統(tǒng)之間；以及控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)適用于在連續(xù)的交替循環(huán)中將 所述中間熱泵選擇性交替地熱連接到第一組或第二組埋管換熱器，使得在一個循環(huán)中，第 一組構成所述冷源，并且在連續(xù)的循環(huán)中，第二組構成所述冷源。
21.根據(jù)權利要求20所述的熱能系統(tǒng)，還包括用于至少一個冷凝器的溫度調(diào)節(jié)控制 器，所述溫度調(diào)節(jié)控制器與所述熱泵和所述控制系統(tǒng)中的至少一個連接，所述溫度調(diào)節(jié)控 制器適用于將至少一個冷凝器保持在選定的冷凝器制冷劑溫度。
22.根據(jù)權利要求20或21所述的熱能系統(tǒng)，還包括建筑物內(nèi)的供暖、通風和空調(diào)系統(tǒng)， 其在使用時具有供暖需求，所述供暖、通風和空調(diào)系統(tǒng)與所述地熱能系統(tǒng)熱連接。
23.根據(jù)權利要求20 22中任一項所述的熱能系統(tǒng)，還包括與所述冷藏系統(tǒng)的至少一 個冷凝器連接并與所述中間熱泵連接的至少一個換熱器系統(tǒng)，用于從所述冷藏系統(tǒng)回收熱 能。
24.根據(jù)權利要求20 23中任一項所述的熱能系統(tǒng)，還包括工作流體的管道環(huán)路，所 述管道環(huán)路從所述地熱能系統(tǒng)延伸到所述冷藏系統(tǒng)并繞過所述中間熱泵。
25.根據(jù)權利要求24所述的熱能系統(tǒng)，其中所述管道環(huán)路包括第一和第二進口管道， 第一和第二進口管道分別從第一組和第二組埋管換熱器延伸到公共溫度調(diào)節(jié)混合閥，并且 出口管道從所述溫度調(diào)節(jié)混合閥經(jīng)過所述冷藏系統(tǒng)的冷凝器延伸回到所述埋管換熱器。
26.根據(jù)權利要求20 25中任一項所述的熱能系統(tǒng)，還包括與所述地熱能系統(tǒng)連接的 換熱器制冷環(huán)路，所述換熱器制冷環(huán)路適用于選擇性地在埋管換熱器的選定組內(nèi)制冷工作 流體。
27.根據(jù)權利要求26所述的熱能系統(tǒng)，其中所述換熱器制冷環(huán)路由定時器控制，所述 定時器使所述換熱器制冷環(huán)路在選定時間中運行。
28.根據(jù)權利要求26或27所述的熱能系統(tǒng)，其中所述換熱器制冷環(huán)路適用于將多余熱 量從其中排到大氣。
29.根據(jù)權利要求20 28中任一項所述的熱能系統(tǒng)，其中每個埋管換熱器包括細長管 子，所述管子具有封閉底端以及在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二細長管道。
30.一種操作熱能系統(tǒng)的方法，所述熱能系統(tǒng)包括第一熱系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟(a)提供第一熱系統(tǒng)，第一熱系統(tǒng)具有供暖和/或制冷需求；(b)提供閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)，所述閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)包括含有工作流體的多個埋管換 熱器；(c)提供中間熱泵，所述中間熱泵熱連接在第一熱系統(tǒng)與所述地熱能系統(tǒng)之間；以及(d)通過所述中間熱泵控制第一熱系統(tǒng)與所述地熱能系統(tǒng)之間的熱連接，從而為第一 熱系統(tǒng)提供熱源或冷源。
31.根據(jù)權利要求30所述的方法，其中第一熱系統(tǒng)包括冷藏系統(tǒng)，并且所述地熱能系 統(tǒng)和所述中間熱泵被控制而為所述冷藏系統(tǒng)提供冷源。
32.根據(jù)權利要求31所述的方法，還包括從所述冷藏系統(tǒng)回收熱能并通過連接在所述 冷藏系統(tǒng)的冷凝器與所述中間熱泵之間的至少一個換熱器系統(tǒng)將回收的熱能傳遞到所述 中間熱泵。
33.根據(jù)權利要求30 32中任一項所述的方法，其中所述控制步驟將所述閉環(huán)式地熱 能系統(tǒng)至少分成第一組和第二組埋管換熱器，各組在所述控制步驟中與所述中間熱泵選擇 性交替地連接。
34.根據(jù)權利要求33所述的方法，還包括提供第二熱系統(tǒng)，第二熱系統(tǒng)與所述地熱能 系統(tǒng)熱連接，其中第一和第二熱系統(tǒng)對所述地熱能系統(tǒng)分別具有相反的凈熱能需求。
35.根據(jù)權利要求34所述的方法，其中第一和第二熱系統(tǒng)對所述地熱能系統(tǒng)分別具有 凈制冷和供暖的熱能需求。
36.根據(jù)權利要求34或35所述的方法，其中在所述控制步驟中，所述中間熱泵和第二 熱系統(tǒng)在連續(xù)的交替循環(huán)中選擇性交替地連接到第一組和第二組埋管換熱器。
37.根據(jù)權利要求33 36中任一項所述的方法，其中所述多個埋管換熱器與第一和第 二熱系統(tǒng)選擇性地連接，由此可操作各組埋管換熱器，以沿選定方向使工作流體流過。
38.根據(jù)權利要求33 37中任一項所述的方法，還包括在所述多個埋管換熱器內(nèi)控制 工作流體的選擇性分配，從而實現(xiàn)所述地熱能系統(tǒng)特定的熱能分布，并且控制熱能供應到 第一和第二熱系統(tǒng)或從第一和第二熱系統(tǒng)供應熱能。
39.根據(jù)權利要求33 38中任一項所述的方法，還包括提供工作流體的管道環(huán)路，所 述管道環(huán)路從所述地熱能系統(tǒng)延伸到第一熱系統(tǒng)并繞過所述中間熱泵，以及提供分別從第 一組和第二組埋管換熱器流到公共溫度調(diào)節(jié)混合閥的第一和第二進口流體和從所述溫度 調(diào)節(jié)混合閥經(jīng)過第一熱系統(tǒng)流回到所述埋管換熱器的具有預定溫度的出口流體。
40.根據(jù)權利要求33 39中任一項所述的方法，還包括利用與所述地熱能系統(tǒng)連接的 換熱器制冷環(huán)路在選定的埋管換熱器內(nèi)選擇性制冷工作流體。
41.根據(jù)權利要求40所述的方法，其中所述選擇性制冷由定時器控制，所述定時器使 所述換熱器制冷環(huán)路在選定時間中運行。
42.根據(jù)權利要求40或41所述的熱能系統(tǒng)，其中所述換熱器制冷環(huán)路將多余熱量從其 中排到大氣。
43.一種操作熱能系統(tǒng)的方法，所述熱能系統(tǒng)包括具有制冷需求的冷藏系統(tǒng)，所述冷藏 系統(tǒng)包括至少一個冷凝器，所述方法包括以下步驟(a)提供閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)，所述閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)包括設置為構成至少一個冷凝器 的冷源的含有工作流體的多個埋管換熱器；(b)提供中間熱泵，所述中間熱泵熱連接在至少一個冷凝器與所述地熱能系統(tǒng)之間；以及(c)在連續(xù)的交替循環(huán)中將所述中間熱泵選擇性交替地熱連接到第一組或第二組埋管 換熱器，使得在一個循環(huán)中，第一組構成所述冷源，并且在連續(xù)的循環(huán)中，第二組構成所述 冷源。
44.根據(jù)權利要求43所述的方法，還包括提供用于至少一個冷凝器的溫度調(diào)節(jié)控制 器，所述溫度調(diào)節(jié)控制器與所述熱泵和控制系統(tǒng)中的至少一個連接，所述溫度調(diào)節(jié)控制器 將至少一個冷凝器保持在選定的冷凝器制冷劑溫度。
45.根據(jù)權利要求43或44所述的方法，還包括將具有凈供暖需求的供暖、通風和空調(diào) 系統(tǒng)選擇性地熱連接到所述地熱能系統(tǒng)的第一組和第二組埋管換熱器中的選定組，并且在 各組已經(jīng)構成所述冷藏系統(tǒng)的冷源之后上述連接處于循環(huán)中。
46.根據(jù)權利要求43 45中任一項所述的方法，還包括提供工作流體的管道環(huán)路，所 述管道環(huán)路從所述地熱能系統(tǒng)延伸到所述冷藏系統(tǒng)并繞過所述中間熱泵，以及提供分別從 第一組和第二組埋管換熱器流到公共溫度調(diào)節(jié)混合閥的第一和第二進口流體和從所述溫 度調(diào)節(jié)混合閥經(jīng)過第一熱系統(tǒng)流回到所述埋管換熱器的具有預定溫度的出口流體。
47.根據(jù)權利要求43 46中任一項所述的方法，還包括利用與所述地熱能系統(tǒng)連接的 換熱器制冷環(huán)路在選定的埋管換熱器內(nèi)選擇性制冷工作流體。
48.根據(jù)權利要求47所述的方法，其中所述選擇性制冷由定時器控制，所述定時器使 所述換熱器制冷環(huán)路在選定時間中運行。
49.根據(jù)權利要求47或48所述的熱能系統(tǒng)，其中所述換熱器制冷環(huán)路將多余熱量從其 中排到大氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱能系統(tǒng)，其包括第一熱系統(tǒng)，第一熱系統(tǒng)在使用時具有供暖和/或制冷需求；閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)，所述閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)包括多個埋管換熱器，每個埋管換熱器含有工作流體；以及中間熱泵，所述中間熱泵熱連接在第一熱系統(tǒng)與所述地熱能系統(tǒng)之間。每個埋管換熱器可以包括細長管子，所述管子具有封閉底端以及在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二細長管道。特別地，第一熱系統(tǒng)是冷藏系統(tǒng)，并且所述閉環(huán)式地熱能系統(tǒng)提供所述冷藏系統(tǒng)的冷凝器的制冷。
文檔編號F25B30/06GK102099577SQ200980125490
公開日2011年6月15日 申請日期2009年6月15日 優(yōu)先權日2008年6月16日
發(fā)明者德米特里·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