[發明專利]地下連續環路熱交換器、利用其的制造方法以及進行加熱、冷卻或存儲能量的方法

無效

• 申請號: 201080025023.8
• 申請日: 2010-04-19
• 公開（公告）號: CN102483271A
• 公開（公告）日: 2012-05-30
• 發明（設計）人: 歐文·霍夫曼
• 申請（專利權）人: 安佐伊克能源公司
• 主分類號: F24J3/08
• 分類號: F24J3/08;E21B7/04;F25B30/00;F28D1/04;F28F1/40
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 蔡石蒙;車文

技術領域

本公開涉及一種熱交換器，以及傳遞和/或儲存熱能的方法。更具體地，本發明涉及一種與具有連續環路的地下熱交換器相關的設備和方法，該地下熱交換器用于基于水的和/或直接交換系統，該系統連接至地面聯接熱泵或提供地下熱力存儲。通過地下熱交換器的非水平部的單向流體流動的熱交換效率尤其通過系統的熱圍護區的分離而得以提高。

背景技術

在以下背景的討論中，參照了某些結構和/或方法。然而，以下引用不應該被解釋為承認這些結構和/或方法構成現有技術。申請人明確保留表明這種結構和/或方法不應作為現有技術的權利。

地下熱交換器通過利用深處土地的環境溫度與土地交換能量。通過合適的水體的接近程度、地下含水層、陸地面積、深處溫度和/或地況限定了每加熱和/或冷卻的標稱噸的目前的換熱器要求和配置。在許多民居和商業設施中，由于目前的技術限制、陸地面積、地質條件或僅由于成本而禁止了使用這種可再生資源的機會和選擇。在地下熱交換器的應用中，需要通過增加效率而減少安裝所需的實際面積，并使系統能夠用于更大百分比的新的建筑和現有的建筑。

用于加熱和冷卻的地源能量的全球利用率正在增加。地下熱交換器系統或工藝的使用對這些系統的功能是不可或缺的。存在利用包含在土地內駐存能量的多種構造和方法。實例包括：(i)利用從井、池塘、河流、湖泊或海洋交換的水；(ii)以盤繞或彎曲方式鋪設的封閉環路管道的陣列，或浸入到水體或埋入地表內的其它這樣構造的系統；(iii)埋在地面內的水平坑道中的一系列環路；及(iv)在地面鉆出的豎直或傾斜的孔，所述孔包含封閉環路管路，該管路將基于水的熱流體或壓縮器流體循環到鉆孔的深度處，并使之返回到鉆孔的表面。

最近幾年的發展提高了基于水和直接交換熱泵的效率，這些都影響土地聯接熱交換器的設計要求。預測軟件程序上的進步也通過確保針對所要服務的建筑的需求負荷適當地計算地面聯接熱交換器的尺寸和高效熱轉換所需的面積而增加了效率。這個軟件的實例為每個鉆孔必須與另一鉆孔分開的空間量以及所需的鉆孔的線性英尺數提供了建議。或者，該程序可提供針對地面聯接熱交換器和開放式系統的其它實例的要求。

用于安裝鉆孔熱交換器的實例包括在地表中鉆鑿出、振動出、鉆采出、鉆出、錘擊出、或噴射出鉆孔，使之隔開指定距離處，并用各種集管和收集系統將其連接起來。由于將各個鉆孔分開以防止它們之間的會降低其效率的熱連通而需要的距離和間隔，這些安裝模式中的每種模式都會需要大量的地面面積。這會導致地面面積的未來使用問題，因為供給和收集管線將正好位于地面以下足夠深，以減少短期季節性地面溫度變化和影響的作用，即地面下方通常2至8英尺。另一個選擇是從地面或在低于受季節性地面溫度變化和影響的作用的水平高度對角地鉆鑿，方位角為大約30°至85°，并在緊靠其它鉆孔的地面起始位置開始每個鉆孔。這被稱為墊鉆(pad?drilling)。這保持地面處受破壞的地表降到最少。然而，由于所有的鉆孔之間的熱對流，需要更多的鉆孔。還需注意最終深度處的鉆孔不妨礙地面面積所有權管線所限定的相鄰所有權或相鄰權。大多數司法管轄區都有法規來管理對于鄰近相鄰所有權進行鉆孔所需的鉆孔放置阻礙(setback)。

無論鉆孔朝向如何，在一個或多個熱流體輸送管線已插入鉆孔之后，進行壓力測試以確保管線完整性，每個鉆孔的其余部分充有從水到專門配置的灌漿的各種材料，目標是消除所有的空置空間并密封鉆孔。灌漿的不同配方具有增加熱流體、管道、灌漿與周圍地表之間的導熱性的設計效果。增加管線內熱流體與周圍地表的導熱性將如本領域技術人員已知那樣提高能量傳遞。通常用聚乙烯管材作為用于熱交換器內的熱流體輸送管線的管道，所述管道在封閉環路內循環基于水的熱流體，該熱流體由水和可選的防凍和防銹劑組成。

另一閉環系統將壓縮流體通過通常由銅制成的管直接循環至地下熱交換器。利用這種模式的系統具有比循環基于水的熱流體的聚乙烯管材更高的每線性英尺熱交換器的效率。這些系統被稱為DX或直接交換系統。銅具有比塑料高的能量傳導性能，因此熱能傳遞更有效率。在任一種情況下，熱流體通過地下熱交換器環路循環且自然升溫或冷卻的液體傳遞到位于地面的另一熱交換器，該另一熱交換器通常在建筑物內用于接收加熱和/或冷卻。這是會發生的幾種能量熱交換中的一種。