[发明专利]地热能系统和操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种地热能系统，还涉及一种操作地热能系统的方法。

背景技术

一个多世纪以来，地热能在全球以发电和直接供暖的多种形式已被 使用了。通常，这些设备位于高焓源岩相对靠近或在地球表面处的火山 活动区，例如美国西部、冰岛或菲律宾。很少为人所知但越来越重要的 是，近几十年来，低焓地热资源在例如低温涡轮式发电机中的应用和用 于供暖、制冷和蓄热的地源热泵(GSHP)的使用方面取得了发展。

所涉及的基本原理是利用了在地面下约10米以下的地层中存在的 稳定的热条件。这种稳定性来自于地球质量和源自地球的熔融地核的地 热通量。这种热通量实际上是可再生的、取之不尽的，这是因为地球的 熔融地核因核衰变而维持着。在受控条件下，通过插入地下且与地面上 的热泵连接的管式换热器(单动式或可逆配置)并利用工作流体作为热传 递介质，地层可以供应、吸收或贮存大量热能。

已知的是，通过安装一个或多个埋管换热器(BHE)来吸取低温地热能 对建筑物进行供暖，其中每一个埋管换热器均被安装在地下并与热泵(HP) 连接。该系统应用于在地下与建筑物的内部空间之间操作的可逆制冷循 环。在闭路或开路中使用工作流体的各种专门布置已为人们所知。在本 领域中这样的系统和方法是已知的，被称作“地源热泵(GSHP)”技术。

地热能系统已投入使用很多年。到2006年为止，全世界有近200万 台设备，主要用于服务小型住户的住房。

除了对热泵和有关的供暖/制冷能源供给和管理系统进行基本改进 之外，在最近25年里，更多的研究投入在服务这些系统所必需的埋管换 热器(BHE)的设计和操作上。BHE是GSHP设备的重要组件，因为BHE 的建造成本和热效率对设备的经济性能具有重大影响。这段时间已开发 出几种基本类型的BHE，包括在开环或闭环模式下工作的水平和垂直设 计。

开环系统通常要从地下蓄水层或湖泊或河流的水源处抽取地下水， 然后使水通过热泵。接下来，水在地面上被处理或者通过与抽水埋管相 距一段距离的专用副埋管再被注入到蓄水层。尽管这些系统本身在热能 传递方面具有高效率，然而不得不采取大量措施使侵蚀和维护成本降至 最低。此外，因为它们要抽取地下水，然后在当地环境中处理水，所以 通常它们要经受非常严格的环境规划控制。

由于这个原因，使闭环系统成为优选的。

典型的水平BHE设计采用了由埋在地面下约1米深的长沟渠内的小 直径塑料管(所谓的“Slinkies(螺旋管)”)制成的闭环。这里低成本成为推 动力，并且如果所需的土地面积是可获得的，则可获得根据沟渠每延米 的峰值功率传输能力的比率测得的合理热效率。Slinkies通常达到的范围 为20-70W/m。

然而，存在一些局限性，最突出的是当得不到所需的土地面积时， 这是经常发生的情况，特别是开发大容量系统的情况。

另外，由于仅在地面下约1米左右，所以水平BHE对地面气候条件 非常敏感，可能会导致性能下降，特别是在夏天用于建筑物制冷系统散 热时。然而，Slinky系统的确具有在热源是诸如湖泊或河流等水体情况 下的特别应用。

有利地，垂直BHE对于进行建造和最终安装均需要非常小的地面面 积。在北美和欧洲的大部分地区，包括安装和通常灌浆在深度范围为10 米～100米的埋管内的U形管的垂直BHE已突显为最优选择，主要原因 是建造简单和相对较低的成本。这些BHE的热性能与设计良好的Slinky 系统的热性能相当，功率传输值的范围也为20-70W/m。

尽管受益于埋管的较大的热稳定性，然而这种设计的限制因素是由 于在外套管的外部和内部使用的灌浆、U形管的小表面积以及埋管壁和 U形管之间的间隔使得热传导性差而引起的相对较高的热阻。

各种U形管的设计包括双U形管和“立柱”布置，其中U形管悬在埋 管中，这样允许填充地下水而不是灌浆。立柱设计的建造成本较低，并 且往往获得比灌浆的U形管更高的效率，但由于埋管稳定性和环境管理 的原因，主要受限于不易贯穿的硬岩石地层所存在的区域，例如斯堪的 纳维亚(Scandinavia)。

由于它们突出的简单性，多年来U形管的设计已被广泛接受作为 GSHP行业的标准。结果，利用系统设计者和规划者目前可广泛并廉价 获得的很多的专用软件和硬件进行的大量研究和开发都集中在U形管的 设计上。