[发明专利]地下连续环路热交换器、利用其的制造方法以及进行加热、冷却或存储能量的方法

说明书

技术领域

本公开涉及一种热交换器，以及传递和/或储存热能的方法。更具体地，本发明涉及一种与具有连续环路的地下热交换器相关的设备和方法，该地下热交换器用于基于水的和/或直接交换系统，该系统连接至地面联接热泵或提供地下热力存储。通过地下热交换器的非水平部的单向流体流动的热交换效率尤其通过系统的热围护区的分离而得以提高。

背景技术

在以下背景的讨论中，参照了某些结构和/或方法。然而，以下引用不应该被解释为承认这些结构和/或方法构成现有技术。申请人明确保留表明这种结构和/或方法不应作为现有技术的权利。

地下热交换器通过利用深处土地的环境温度与土地交换能量。通过合适的水体的接近程度、地下含水层、陆地面积、深处温度和/或地况限定了每加热和/或冷却的标称吨的目前的换热器要求和配置。在许多民居和商业设施中，由于目前的技术限制、陆地面积、地质条件或仅由于成本而禁止了使用这种可再生资源的机会和选择。在地下热交换器的应用中，需要通过增加效率而减少安装所需的实际面积，并使系统能够用于更大百分比的新的建筑和现有的建筑。

用于加热和冷却的地源能量的全球利用率正在增加。地下热交换器系统或工艺的使用对这些系统的功能是不可或缺的。存在利用包含在土地内驻存能量的多种构造和方法。实例包括：(i)利用从井、池塘、河流、湖泊或海洋交换的水；(ii)以盘绕或弯曲方式铺设的封闭环路管道的阵列，或浸入到水体或埋入地表内的其它这样构造的系统；(iii)埋在地面内的水平坑道中的一系列环路；及(iv)在地面钻出的竖直或倾斜的孔，所述孔包含封闭环路管路，该管路将基于水的热流体或压缩器流体循环到钻孔的深度处，并使之返回到钻孔的表面。

最近几年的发展提高了基于水和直接交换热泵的效率，这些都影响土地联接热交换器的设计要求。预测软件程序上的进步也通过确保针对所要服务的建筑的需求负荷适当地计算地面联接热交换器的尺寸和高效热转换所需的面积而增加了效率。这个软件的实例为每个钻孔必须与另一钻孔分开的空间量以及所需的钻孔的线性英尺数提供了建议。或者，该程序可提供针对地面联接热交换器和开放式系统的其它实例的要求。

用于安装钻孔热交换器的实例包括在地表中钻凿出、振动出、钻采出、钻出、锤击出、或喷射出钻孔，使之隔开指定距离处，并用各种集管和收集系统将其连接起来。由于将各个钻孔分开以防止它们之间的会降低其效率的热连通而需要的距离和间隔，这些安装模式中的每种模式都会需要大量的地面面积。这会导致地面面积的未来使用问题，因为供给和收集管线将正好位于地面以下足够深，以减少短期季节性地面温度变化和影响的作用，即地面下方通常2至8英尺。另一个选择是从地面或在低于受季节性地面温度变化和影响的作用的水平高度对角地钻凿，方位角为大约30°至85°，并在紧靠其它钻孔的地面起始位置开始每个钻孔。这被称为垫钻(pad drilling)。这保持地面处受破坏的地表降到最少。然而，由于所有的钻孔之间的热对流，需要更多的钻孔。还需注意最终深度处的钻孔不妨碍地面面积所有权管线所限定的相邻所有权或相邻权。大多数司法管辖区都有法规来管理对于邻近相邻所有权进行钻孔所需的钻孔放置阻碍(setback)。

无论钻孔朝向如何，在一个或多个热流体输送管线已插入钻孔之后，进行压力测试以确保管线完整性，每个钻孔的其余部分充有从水到专门配置的灌浆的各种材料，目标是消除所有的空置空间并密封钻孔。灌浆的不同配方具有增加热流体、管道、灌浆与周围地表之间的导热性的设计效果。增加管线内热流体与周围地表的导热性将如本领域技术人员已知那样提高能量传递。通常用聚乙烯管材作为用于热交换器内的热流体输送管线的管道，所述管道在封闭环路内循环基于水的热流体，该热流体由水和可选的防冻和防锈剂组成。

另一闭环系统将压缩流体通过通常由铜制成的管直接循环至地下热交换器。利用这种模式的系统具有比循环基于水的热流体的聚乙烯管材更高的每线性英尺热交换器的效率。这些系统被称为DX或直接交换系统。铜具有比塑料高的能量传导性能，因此热能传递更有效率。在任一种情况下，热流体通过地下热交换器环路循环且自然升温或冷却的液体传递到位于地面的另一热交换器，该另一热交换器通常在建筑物内用于接收加热和/或冷却。这是会发生的几种能量热交换中的一种。