[發(fā)明專利]地?zé)崮芟到y(tǒng)和操作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200880101693.6
• 申請(qǐng)日: 2008-07-03
• 公開（公告）號(hào): CN101821503A
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 詹姆斯·J·斯圖爾特;德米特里·I·扎耶努林;安東尼·C·斯科特;格雷厄姆·牛頓
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 綠地能源有限公司
• 主分類號(hào): F03G7/04
• 分類號(hào): F03G7/04;F24D11/02;F24J3/08
• 代理公司: 北京信慧永光知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11290
• 代理人: 梁興龍;武玉琴

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)

一個(gè)多世紀(jì)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(duì)靠近或在地球表面處的火山 活動(dòng)區(qū)，例如美國(guó)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(jī)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10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 熱通量。這種熱通量實(shí)際上是可再生的、取之不盡的，這是因?yàn)榈厍虻? 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(dòng)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(gè)或多個(gè)埋管換熱器(BHE)來吸取低溫地?zé)崮? 對(duì)建筑物進(jìn)行供暖，其中每一個(gè)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(tái)設(shè)備，主要用于服務(wù)小型住戶的住房。

除了對(duì)熱泵和有關(guān)的供暖/制冷能源供給和管理系統(tǒng)進(jìn)行基本改進(jìn) 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(jì)和操作上。BHE是GSHP設(shè)備的重要組件，因?yàn)锽HE 的建造成本和熱效率對(duì)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性能具有重大影響。這段時(shí)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(jì)。

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(hù)成本降至 最低。此外，因?yàn)樗鼈円槿〉叵滤缓笤诋?dāng)?shù)丨h(huán)境中處理水，所以 通常它們要經(jīng)受非常嚴(yán)格的環(huán)境規(guī)劃控制。

由于這個(gè)原因，使閉環(huán)系統(tǒng)成為優(yōu)選的。

典型的水平BHE設(shè)計(jì)采用了由埋在地面下約1米深的長(zhǎng)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(dòng)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(cè)得的合理熱效率。Slinkies通常達(dá)到的范圍 為20-70W/m。

然而，存在一些局限性，最突出的是當(dāng)?shù)貌坏剿璧耐恋孛娣e時(shí)， 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(duì)地面氣候條件 非常敏感，可能會(huì)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(shí)。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(duì)于進(jìn)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(jiǎn)單和相對(duì)較低的成本。這些BHE的熱性能與設(shè)計(jì)良好的Slinky 系統(tǒng)的熱性能相當(dāng)，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(jì)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(duì)較高的熱阻。

各種U形管的設(shè)計(jì)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(jì)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(jiǎn)單性，多年來U形管的設(shè)計(jì)已被廣泛接受作為 GSHP行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果，利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和規(guī)劃者目前可廣泛并廉價(jià) 獲得的很多的專用軟件和硬件進(jìn)行的大量研究和開發(fā)都集中在U形管的 設(shè)計(jì)上。