地熱能系統和操作方法

2023-07-24 05:29:56 2

專利名稱：地熱能系統和操作方法
技術領域：
本發明涉及一種地熱能系統，還涉及一種操作地熱能系統的方法。
背景技術：
—個多世紀以來，地熱能在全球以發電和直接供暖的多種形式已被使用了。通常，這些設備位於高焓源巖相對靠近或在地球表面處的火山活動區，例如美國西部、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，低焓地熱資源在例如低溫渦輪式發電機中的應用和用於供暖、製冷和蓄熱的地源熱泵(GSHP)的使用方面取得了發展。
所涉及的基本原理是利用了在地面下約IO米以下的地層中存在的穩定的熱條件。這種穩定性來自於地球質量和源自地球的熔融地核的地熱通量。這種熱通量實際上是可再生的、取之不盡的，這是因為地球的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(單動式或可逆配置)並利用工作流體作為熱傳遞介質，地層可以供應、吸收或貯存大量熱能。 已知的是，通過安裝一個或多個埋管換熱器(BHE)來吸取低溫地熱能對建築物進行供暖，其中每一個埋管換熱器均被安裝在地下並與熱泵(HP)連接。該系統應用於在地下與建築物的內部空間之間操作的可逆製冷循環。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。在本領域中這樣的系統和方法是已知的，被稱作"地源熱泵(GSHP)"技術。 地熱能系統已投入使用很多年。到2006年為止，全世界有近200萬臺設備，主要用於服務小型住戶的住房。 除了對熱泵和有關的供暖/製冷能源供給和管理系統進行基本改進之外，在最近25年裡，更多的研究投入在服務這些系統所必需的埋管換熱器(BHE)的設計和操作上。BHE是GSHP設備的重要組件，因為BHE的建造成本和熱效率對設備的經濟性能具有重大影響。這段時間已開發出幾種基本類型的BHE，包括在開環或閉環模式下工作的水平和垂直設計。
開環系統通常要從地下蓄水層或湖泊或河流的水源處抽取地下水，然後使水通過熱泵。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。儘管這些系統本身在熱能傳遞方面具有高效率，然而不得不採取大量措施使侵蝕和維護成本降至最低。此外，因為它們要抽取地下水，然後在當地環境中處理水，所以通常它們要經受非常嚴格的環境規劃控制。
由於這個原因，使閉環系統成為優選的。 典型的水平BHE設計採用了由埋在地面下約l米深的長溝渠內的小直徑塑料管(所謂的"Slinkies(螺旋管)")製成的閉環。這裡低成本成為推動力，並且如果所需的土地面積是可獲得的，則可獲得根據溝渠每延米的峰值功率傳輸能力的比率測得的合理熱效率。Slinkies通常達到的範圍為20-70W/m。 然而，存在一些局限性，最突出的是當得不到所需的土地面積時，這是經常發生的情況，特別是開發大容量系統的情況。
另外，由於僅在地面下約1米左右，所以水平BHE對地面氣候條件非常敏感，可能會導致性能下降，特別是在夏天用於建築物製冷系統散熱時。然而，Slinky系統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用。 有利地，垂直BHE對於進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，包括安裝和通常灌漿在深度範圍為10米 100米的埋管內的U形管的
垂直BHE已突顯為最優選擇，主要原因是建造簡單和相對較低的成本。這些BHE的熱性能
與設計良好的Slinky系統的熱性能相當，功率傳輸值的範圍也為20-70W/m。 儘管受益於埋管的較大的熱穩定性，然而這種設計的限制因素是由於在外套管的
外部和內部使用的灌漿、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性
差而引起的相對較高的熱阻。 各種U形管的設計包括雙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。立柱設計的建造成本較低，並且往往獲得比灌漿的U形管更高的效率，但由於埋管穩定性和環境管理的原因，主要受限於不易貫穿的硬巖石地層所存在的區域，例如斯堪地那維亞(Scandinavia)。 由於它們突出的簡單性，多年來U形管的設計已被廣泛接受作為GSHP行業的標準。結果，利用系統設計者和規劃者目前可廣泛並廉價獲得的很多的專用軟體和硬體進行的大量研究和開發都集中在U形管的設計上。 另一種垂直BHE以不同名稱被稱為"同軸"或"同心"配置。在其基本形式中，是一種管中管布置，包括用於排列並支撐埋管壁的外圓柱形套管，在外套管內懸浮安裝有較小直徑的匹配管子，使其開放端部位於埋管底部上方的短距離處。 理想情況下，儘管並非總是如此，然而內管位於外套管的孔的中央，有利於BHE內的熱量和液壓流的最優化。然後，根據設計考慮，通過沿內管向下流動且在內管和外套管之間的環狀區域內向上回流或者相反的水循環形成了閉環。熱傳遞通過傳導到達環狀區域內的水流，效率受益於由外套管提供的水與地層之間的較大的有效接觸面積，使液壓條件最優化。 到目前為止，同軸配置還沒有被GSHP行業廣泛接受。其原因包括較高的投資成本和相對於U形管設計複雜的構思。歷史上，有限數量的同軸設備完全由不了解GSHP市場、不合適的價格結構並缺乏革新的石油、天然氣和水井鑽探的承包商來完成。
因此，以往在GSHP行業對同軸系統進行研究與開發相對較少。然而，這種情況目前正在改變，推動力在於與大容量GSHP設備的要求相匹配的更高的BHE效率。因此，同軸設計的固有優點正逐漸地獲得更多的注意。出於同樣的原因，相當多的研究機構關注到同軸設計有利於大規模的地熱貯存應用。到目前為止， 一般來說，垂直BHE應用於大型設備是以包括幾十或幾百個埋管的大型陣列的形式，其中通常採用常規的水井鑽探設備鑽至50-200米的深度，並利用U形管來完成。 由於需要保持埋管之間的最小間隔，以避免熱幹擾，所以地面面積要求是值得考慮的。由於上述原因，這種設計方法的整體鑽井和操作效率低。 在過去的25年，已有很多BHE的設計。大多數閉路GSHP設備利用垂直BHE的兩種主要的實用設計，第一種是所謂的U形管(通常是柔軟的塑料管的環路)，第二種是同軸(管中管)設計。同軸設計已知的是具有更高熱效率的幾何形狀，但由於安裝過程中需要重型設備而對於大多數安裝者而言不實用。然而，工業規模的項目能夠支持同軸設計。BHE的這兩種類型均填充工作流體，通常是含有防凍劑的水。 目前的標準做法包括在幾百平方米的地面上鑽出幾十或幾百個淺(例如100米)的鑽孔("U型管")，或將幾千米的塑料管安裝在淺(1 2米)的溝渠("Slinkies")內。現行做法所帶來的成本、不便和可用土地面積的減少已成為特別是在英國地熱能應用普及的障礙。 近來，已建成具有較大供暖/製冷要求的BHE設備，需要多個U形管設備，例如達到6000個BHE。 U形管類型的BHE立柱為了限制彼此之間的熱幹擾需要與相鄰的BHE間隔至少4米的距離。同軸幾何形狀的BHE增加的熱效率要求BHE之間的彼此間隔更大。因此，工業規模或商業建築物用的任何類型的BHE設備可能需要用於安裝所需的所有BHE和必要的相互間隔的幾英畝或甚至幾公頃的相鄰土地。 已知的是，所有類型的多個垂直BHE彼此平行地安裝在地下的預定深度。BHE垂直長度的鄰近引入了所謂的"幹預損失"，從而減少每個BHE的有效熱能傳遞，因此降低了整個設備的熱效率。 BHE設備設有地面收集系統，用於從大量建築物收集熱能或向其分配熱能。這樣的地面收集系統除了總垂直管的長度之外會增加高達100%的管子長度，用於地面熱傳遞過程。這種額外的地面管子造成持續的操作損失，如熱能和壓力損失。這反過來需要彌補操作損失的額外電能，以及為了額外的地面收集系統的建設和維護而增加的成本。長期以來，這成為大型GSHP設備的限制因素。

發明內容
本發明提供一種地熱能系統，其包括至少一個埋管換熱器和泵，所述至少一個埋管換熱器含有工作流體，並包括具有封閉底端、在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二細長同軸管道的細長管子，所述第一管道呈管狀並被呈環形的所述第二管道包圍，所述至少一個埋管換熱器具有沿與垂直方向成3 95度角的基本上傾斜方向延伸的主要部分；所述泵用於根據增加或減少的熱量需求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從所述至少一個埋管換熱器選擇性地抽取所述工作流體。 優選地，所述至少一個埋管換熱器具有相對於垂直方向平均傾斜10至小於90度的主要部分。 更優選地，所述至少一個埋管換熱器具有相對於垂直方向平均傾斜30 60度的主要部分。 再更優選地，所述至少一個埋管換熱器具有相對於垂直方向平均傾斜約45度的主要部分。 可選地，至少一些所述埋管換熱器中的每一個都至少具有相對於垂直方向傾斜3 45度(更通常5 20度)的傾斜最高部，並且其中這些傾斜最高部在所述陣列的地下環形區內從相鄰的傾斜最高部發散。 可選地，至少一些所述埋管換熱器中的每一個都具有相對於垂直方向不同的傾斜度，所述傾斜度不同的埋管換熱器在線性最高部的下方具有傾斜度逐漸變化的至少一個部分或相互傾斜的至少兩個部分。這使埋管傾斜度在初始的地下環形區之下沿著埋管換熱器的主要長度變化。 優選地，每個埋管換熱器的大部分長度與其它埋管換熱器相互間隔，從而相互間不受熱影響。 優選地，每個埋管換熱器的大部分長度與其它埋管換熱器相互間隔距離至少4米。 優選地，至少一個所述多個埋管換熱器的垂直深度為至少5米，更優選至少10米。 優選地，至少一個所述多個埋管換熱器的垂直深度為至少100米。 本發明還提供一種地熱能系統，其包括多個埋管換熱器，每個埋管換熱器含有工
作流體，並包括具有封閉底端、具有沿基本上垂直方向延伸的主要部分的至少一個第一埋
管換熱器、具有沿基本上水平方向延伸的主要部分的至少一個第二埋管換熱器和具有沿基
本上傾斜的方向延伸的主要部分的至少一個第三埋管換熱器的細長管子，所述至少一個第
一埋管換熱器、至少一個第二埋管換熱器和至少一個第三埋管換熱器中每一個或它們各自
的組可單獨與所述工作流體的泵選擇性連接，所述泵用於從所述各埋管換熱器或組選擇性
地抽取所述工作流體。 優選地，每個細長管子具有在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二細長管道，所述第一管道呈管狀並被呈環形的所述第二管道包圍；還包括與所述多個埋管換熱器連接的所述工作流體的歧管。 優選地，所述多個埋管換熱器中每一個與所述多個埋管換熱器的其它任何一個選擇性地連接。 優選地，所述歧管被設置成允許所述工作流體沿所述各自埋管換熱器的各自選定的方向選擇性流經選定的一個以上的所述埋管換熱器。 優選地，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的佔地空間，並且其中所述
中樞地面組件的覆蓋區小於所述地熱能系統的佔地空間的覆蓋區的10%。 優選地，所述中樞地面組件的覆蓋區小於所述地熱能系統的佔地空間的覆蓋區的5%。 優選地，所述中樞地面組件包括與所述埋管換熱器的上端連接的剛性襯套。 本發明還提供一種操作包括多個埋管換熱器的地熱能系統的方法，每個埋管換熱
器含有工作流體，並包括具有封閉底端的細長管子，所述方法包括以下步驟 選擇性地使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作
為冷源。 優選地，所述至少一個第一埋管換熱器具有沿基本上垂直方向延伸的主要部分，
並且所述至少一個第二埋管換熱器具有沿基本上水平方向延伸的主要部分。 優選地，所述至少一個第一埋管換熱器和所述至少一個第二埋管換熱器中每一個
具有沿基本上傾斜方向延伸的主要部分。 優選地，每個細長管子具有在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二伸長管道，所述第一管道呈管狀並被呈環形的所述第二管道包圍，並且所述埋管換熱器與所述工作流體的歧管連接。 優選地，所述多個埋管換熱器中每一個通過與所述歧管連接的閥與所述多個埋管換熱器的其它任何一個選擇性地連接。 優選地，所述歧管被設置成允許所述工作流體沿所述各自埋管換熱器的各自選定的方向選擇性流經選定的一個以上的所述埋管換熱器。 本發明還提供一種操作地熱能系統的方法，所述地熱能系統包括多個埋管換熱器，每個埋管換熱器含有工作流體，並包括具有封閉底端；與所述多個埋管換熱器連接的工作流體的歧管；和在所述多個埋管換熱器和所述歧管之間連接的多個閥，所述方法包括以下步驟 利用熱虹吸流從至少一個第一埋管換熱器到至少一個第二埋管換熱器選擇性地分配工作流體，從而在所述多個埋管換熱器內重新分配熱能。 本發明還提供一種操作包括至少一個埋管換熱器的地熱能系統的方法，所述至少一個埋管換熱器含有工作流體，並包括具有封閉底端、在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二細長同軸管道的細長管子，所述第一管道呈管狀並被呈環形的所述第二管道包圍，所述至少一個埋管換熱器具有沿與垂直方向成3 95度角的基本上傾斜方向延伸的主要部分；所述方法包括以下步驟 根據增加或減少的熱量需求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從所述至少一個埋管換熱器選擇性地抽取所述工作流體。 特別地，本發明的優選實施例涉及一種方法和設備，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，然後能夠大規模獲取低焓地熱能，並且還能夠選擇性地將工業上的多餘能源釋放到地層中作為熱能貯存。 本發明的優選實施例可以提供與現有和新建造的建築服務系統精確匹配的低焓、地熱能貯存和恢復設備，向工業或社區規模的寬泛範圍建築物提供採暖、製冷、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。此外，該設備根據相關建築物隨時間變化的供暖和製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。
通過在系統內設置多個閉環埋管換熱器，可選擇性地(a)使流體在任何埋管換熱器內沿選定方向流動；和/或(b)究竟選擇多個埋管換熱器中哪一個將要操作或沿選定流體流向操作；和/或(c)在多個閉環的埋管換熱器內，在給定的埋管換熱器內和/或在多個埋管換熱器內設置不同傾斜度，提供了可選擇性地構成具有可控熱性能的熱能源、冷源或儲熱源的多用途的節能系統。 該設備還可以在相鄰建築物和設施之間進行熱能的有效交換以節約可用能源。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等額外的熱能源或冷源，並容易與其它可再生能源和其它供暖或製冷負載結合起來，從而進一步減少總的碳排放量。
很多現有技術文獻已披露了地熱能系統的各個方面，但是所公開的系統和操作它們的方法存在很多技術限制。 例如，GB 1496075 (Erda Energy)包括圖1 圖4，披露了將熱流體引入水庫的地熱井。這些井可以通過閥單獨被打開。然而，沒有換熱器。沒有包括埋管換熱器的閉環系統。圖5和圖6公開了埋管換熱器。然而，該系統的應用非常有限，因為僅能沿一個方向驅動流體。另外，換熱器具有相同的傾斜度，並且地面組件具有相對較大的覆蓋區。該文獻沒有公開根據增加或減少的熱量需求選擇換熱器。所披露的設備是熱源，然而沒有公開選擇性地使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作為冷源。該文獻沒有公開在多個埋管換熱器內重新分配熱能。 JP 9-60985 (Susawa)披露了一種使用換熱器釋放熱量的系統，例如用於使雪融化，而不是重新獲得地熱的熱量，用於對建築物供暖或用於排出建築物的熱量。用於重新獲得地熱能的地下安裝的換熱器是垂直的。它們向水平的輻射狀管子釋放能量。儘管換熱器通過閥連接，然而沒有公開管道通過閥與歧管可選擇性地連接以便通過轉換流體通過各換熱器的流向可選擇性地單獨驅動每個埋管換熱器在供暖或製冷模式，達到所需程度。另外，換熱器具有相同的傾斜度，並且地面組件具有相對較大的覆蓋區。 GB 2045909 (Schmidt)披露了沿單一流向驅動同軸埋管換熱器的熱泵設備。多個同軸換熱器具有不同的恆定傾斜度，呈半球星形陣列。管子是一樣直而短的。沒有公開根據增加或減少的熱量需求沿不同方向選擇性抽取，以便選擇性地連接朝向不同方向的換熱器。所披露的設備是熱源，而沒有公開選擇性地使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作為冷源。 WO 82/02935 (Jovy) 、 DE 3048870 (Neumann) 、 DE 3114262 (Welte)禾口 JP57-58024(Misawa)類似地披露了作為熱源的地熱熱泵設備，其中沿單一流向驅動呈輻射狀或星形陣列的一樣直而短的埋管換熱器。 FR 2456919 (Svenska Flaktfabriken)披露了一種帶有輻射狀傾斜管子陣列的地熱系統。另外，換熱器具有相同的傾斜度，並且地面組件具有相對較大的覆蓋區。儘管該吸熱設備可操作從地下重新獲得熱量或向地下傳輸熱量，但因為工作流體存在單一迴路，而沒有公開一個換熱器可用作熱源而另一個可同時用作冷源(由此從一個向另一個傳輸熱)。因此，沒有公開選擇性使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作為冷源。 EP 1048820 (Flowtex)披露了一種地熱系統，具有與單一垂直管子和單一地面站連接的隨機相互連接的管子系統，或者具有在兩個地面站之間延伸的單一管子。地面組件具有相對較大的覆蓋區。沒有公開多個換熱器的多種方向。 W02007/097701 (SEEC)披露了一種供暖/製冷設備，其具有控制閥以便在多個埋管換熱器內引導工作流體內循環和外循環的控制設備，但不是根據建築物的熱量狀況。控制設備以補充模式(冷源)或獲取模式(熱源)在多個埋管換熱器內分配工作流體，然而沒有公開一個換熱器可以用作熱源，而另一個換熱器同時可用作冷源(由此從一個向另一個傳輸熱量)。因此，沒有公開選擇性使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作為冷源。 GB 2434200 (Roxbury)披露了一種地熱能系統的換熱器，但是該換熱器不帶有用於根據建築物的熱量狀況在多個埋管換熱器內分配工作流體的控制模塊。由於換熱器不帶有用於在多個埋管換熱器內分配工作流體的控制模塊，因此不能選擇性地使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作為冷源。 FR 2817024(Solterm)披露了一種地熱系統，其具有傾斜度不變呈一定角度的扇形陣列的多個同軸換熱器。相鄰換熱器可具有不同的傾斜度。管子是一樣直而短的。沒有公開埋管深度、一個埋管中的傾斜度不同或單獨可控以便控制熱量恢復的不同埋管的傾斜度不同。另外，沒有公開根據增加或減少熱量需求沿不同方向選擇性抽取流體。僅顯示了一個流向。儘管說明了熱泵可選擇性地操作在供暖模式或相反地操作在空調模式下，然而沒有公開通過換熱器正向和逆向抽取流體。 EP 1808570 (Soilmec)披露了一種具有傾斜度不變、剛剛超出地平線、從初始的垂直線遠離初始的輻射狀部分的同軸埋管換熱器的地熱系統。沒有公開埋管深度、一個埋管中的傾斜度不同或單獨可控以便控制熱量恢復的不同埋管的傾斜度不同。另外，沒有公開根據增加或減少熱量需求沿不同方向選擇性抽取流體的方法。圖1 圖2的封閉系統僅顯示了一個流向。然而，圖3和圖4說明了流向可以相反，然而這僅僅是在開放系統中，從而使流體從外環形管道流入巖層中。 W0 03/069240 (Bobbasmi 11)披露了一種包括單一地熱源的組合的供暖和製冷單元，其可選擇性地用作冷源或熱源。然而，沒有公開設置多個埋管換熱器以及一個這樣的埋管換熱器可用作熱源而另一個這樣的埋管換熱器同時可用作冷源(由此從一個向另一個傳輸熱量)。因此，沒有公開選擇性地使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作為冷源。 US 4134462 (Clay)披露了一種用作熱源的地熱能回收系統。該文獻沒有公開在多個埋管換熱器內重新分配熱能。


下面僅通過例子並參照附圖對本發明的實施例進行說明，在附圖中
圖1是根據本發明第一實施例的地熱能系統的埋管換熱器陣列的示意性立體 圖2是根據本發明第二實施例的地熱能系統的埋管換熱器的示意性立體 圖3是根據本發明第三實施例的地熱能系統的埋管換熱器陣列的示意性立體 圖4是根據本發明第四實施例的地熱能系統的埋管換熱器陣列的示意性立體 圖5是根據本發明第五實施例的地熱能系統的埋管換熱器陣列的示意性立體 圖6是根據本發明第六實施例的地熱能系統的埋管換熱器陣列的示意性平面 圖7是根據本發明第七實施例的地熱能系統的埋管換熱器陣列的示意性平面 圖8是示出根據本發明第八實施例的地熱能系統在地面組件的覆蓋區與佔地空間的覆蓋區之間的關係的示意性平面圖； 圖9是示出根據本發明第九實施例的地熱能系統的埋管換熱器真實垂直深度與沿著埋管測得的深度之間的示意性正視圖； 圖10是示出根據本發明第十實施例的地熱能系統的埋管換熱器的各個井段的示意性正視圖； 圖11是示出根據本發明第十一實施例的地熱能系統的埋管換熱器的其它各個井段的的示意性正視圖； 圖12(a) 、 (b)和(c)是分別示出根據本發明其它實施例的地熱能系統的多個埋管換熱器的一組襯套的示意性平面圖； 圖13(a) 、 (b) 、 (c) 、 (d) 、 (e)和(f)是分別示出根據本發明其它實施例的地熱能系統的多個埋管換熱器的陣列配置的示意性平面圖； 圖14(a)和(b)是示出根據本發明其它實施例的地熱能系統的中樞歧管單元的示意圖； 圖15詳細地示意性示出在本發明的各實施例中使用的埋管換熱器的實施例的結
11構；以及 圖16示意性示出根據本發明另一實施例的地熱能系統。
具體實施例方式
本發明優選實施例的系統的核心是埋管換熱器(BHE)(最優選是同軸埋管換熱器)的緊湊型陣列或多個陣列，埋管換熱器安裝在從靠近所服務的建築物的包括一個或多個小的襯套的剛性結構(優選為混凝土)定向鑽出的埋管中。根據主要目的是提供供暖和/或製冷，可以將埋管換熱器垂直地、傾斜地或水平地安裝在地層中。 通過淺的水平埋管換熱器來提供最佳製冷，通過深的垂直埋管換熱器來輸送最佳供暖，通過以與垂直方向成一定角度(最通常為45度)傾斜的埋管換熱器來供應最佳的供暖和製冷組合。此外，根據設計要求，可以將一個埋管換熱器從地面下的一些點分成兩個或更多的分支(多腿完備化)。 在優選實施例的埋管換熱器陣列的設計方面還需要考慮的是基床位面的空間方向、孔隙度和滲透率，尤其是大斷裂，它們是那個區域的地層特徵。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鑽孔，該方法提供了增加埋管換熱器的熱效率的機會。 雖然通常埋管換熱器的垂直深度範圍為地面以下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IOO米，可達到750米。 參照圖1，圖中示意性示出根據本發明第一實施例的地熱能系統的埋管換熱器陣列。陣列2是二維的，包括七個埋管換熱器4、6、8、10、12、14、16，每個埋管換熱器在其上端與中樞公共歧管單元18連接。優選地，正如在現有技術中是已知的並在此討論的，每個埋管換熱器4、6、8、10、12、14、16具有同軸構造。埋管換熱器4、6、8、10、12、14、16中每一個具有從歧管單元18向下延伸的基本上垂直的第一頂部A ;向下且橫向遠離歧管單元18延伸的基本上略微傾斜的、通常偏離垂直方向30 60度角(更優選成45度角)的第二中部B;和進一步向下且橫向遠離歧管單元18延伸的、通常以偏離垂直方向大於60度的角度的大坡度傾斜的第三下部C。對於任何一個給定的埋管換熱器以及在埋管換熱器之間，各部分的長度和傾斜度可以不同。陣列2被構造並確定尺寸，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，下部C的底端20、22、24、26、28、30、32彼此間隔至少20米，並且整個陣列2的橫向寬度為至少120米。利用油氣鑽探技術中已知的與鑽孔方位有關的定向鑽井的技術術語，將頂部A稱作造斜井段，將中部B稱作穩斜井段，將下部C稱作降斜井段。 參照圖2，圖中示意性示出根據本發明第二實施例的地熱能系統的埋管換熱器陣列。陣列34是三維的，包括五個同軸36、38、40、42、44，每個埋管換熱器在其上端與襯套46形式的剛性結構(優選混凝土)連接，該剛性結構與中樞公共歧管單元(圖未示)連接。中央埋管換熱器40在其整個長度(通常為至少150米)上從襯套46向下基本上垂直地延伸。其餘四個埋管換熱器36、38、42、44以方形配置基本對稱地排列著，並且每個埋管換熱器具有從襯套46向下延伸的基本上垂直的第一頂部A;向下且橫向遠離襯套46延伸的基本上略微傾斜的第二中部B;和進一步向下且橫向遠離襯套46延伸的大坡度傾斜的第三下部C。埋管換熱器的各部分的長度和傾斜度可以不同。陣列34被構造並確定尺寸，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36、38、42、44的下部C的底端46、48、50、52沿方形配置的側邊彼此間隔至少100米，且沿方形配置的對角線至少200米。 參照圖3，圖中示意性示出根據本發明第三實施例的地熱能系統的埋管換熱器陣列。陣列54是三維的，包括四個同軸埋管換熱器56、58、60、62，每個埋管換熱器在其上端與襯套64形式的剛性結構(優選混凝土)連接，該剛性結構與中樞公共歧管單元(圖未示)連接。朝向基本相同方向的四個埋管換熱器56、58、60、62以扇狀配置排列著，並且每個埋管換熱器具有從襯套64向下延伸的基本上垂直的第一頂部A ;向下且橫向遠離襯套64延伸的基本上傾斜的第二中部B ;和進一步橫向遠離襯套64延伸的基本上水平的第三下部C。埋管換熱器的各部分的長度和傾斜度可以不同。陣列64被構造並確定尺寸，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56、58、60、62的下部C的底端66、68、70、72彼此間隔至少20米，埋管換熱器56、58、60、62的深度為至少150米，且埋管換熱器56、58、60、62遠離襯套64的橫向延伸量為至少100米。
參照圖4，圖中示意性示出根據本發明第四實施例的地熱能系統的埋管換熱器陣列。陣列74是三維的，包括六個同軸埋管換熱器76、78、80、82、84、86，每個埋管換熱器在其上端與襯套88形式的剛性結構(優選混凝土)連接，該剛性結構與中樞公共歧管單元(圖未示)連接。基本上沿徑向遠離襯套88且彼此等距地延伸的六個埋管換熱器76、78、80、82、84、86以星形配置排列著。每個埋管換熱器76、78、80、82、84、86具有從襯套88向下延伸的基本上垂直的第一頂部A，和向下且橫向遠離襯套88延伸的基本上傾斜的第二下部B。埋管換熱器76、78、80、82、84、86基本呈L形，並且下部B基本上呈水平以滿足製冷需求。埋管換熱器的各部分的長度和傾斜度可以不同。陣列74被構造並確定尺寸，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76、78、80、82、84、86的下部B的底端90、92、94、96、98、 100彼此間隔，這樣埋管換熱器76、78、80、82、84、86的深度為至少50米，且陣列74的總的橫向延伸量為至少200米。
參照圖5，圖中示意性示出根據本發明第五實施例的地熱能系統的埋管換熱器陣列。陣列102是三維的，包括四個同軸埋管換熱器104、106、108、110，每個埋管換熱器在其上端與襯套112形式的剛性結構(優選混凝土)連接，該剛性結構與中樞公共歧管單元(圖未示)連接。沿其長度基本上對齊的四個埋管換熱器104、106、108、110以基本上直線配置排列著。每個埋管換熱器除了與襯套112連接的初始大角度彎曲的連接部114之外，還具有向下且橫向遠離襯套112延伸的一個基本傾斜部。埋管換熱器的長度和傾斜度可以不同。陣列102被構造並確定尺寸，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。 參照圖6，圖中示意性示出根據本發明第六實施例的地熱能系統的埋管換熱器陣列。陣列116是三維的，包括六個同軸埋管換熱器118 、 120 、 122 、 124、 126 、 128 (還可以設置另一個垂直埋管換熱器，圖未示)，每個埋管換熱器在其上端與襯套138 (優選混凝土 )連接，襯套138與中樞公共歧管單元(圖未示)連接。基本上沿徑向遠離襯套138延伸的六個埋管換熱器118、 120、 122、 124、 126、 128以星形配置排列著。每個埋管換熱器118、 120、122、124、126、128可以具有例如上文的圖4實施例的垂直和傾斜配置。在該實施例中，六個埋管換熱器118、120、122、124、126、128沿橫向、特別是沿徑向的延伸量不同。徑向延伸量被劃分成半徑逐漸增大的多個環形區。例如，環形區1的半徑小於30米，環形區2的半徑為至少30米，環形區3的半徑為至少55米，環形區4的半徑為至少65米，環形區5的半徑為至少85米。六個埋管換熱器118、 120、 122、 124、 126、 128延伸至不同的環形區內，優選地，每個埋管換熱器118、 120、 122、 124、 126、 128分別延伸至不同的環形區內。這樣，陣列116被構造並確定尺寸，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。 參照圖7，圖中示意性示出根據本發明第七實施例的地熱能系統的埋管換熱器陣列。陣列132是三維的，包括四個同軸埋管換熱器134、136、138、140，每個埋管換熱器在其上端與襯套142(優選混凝土)連接，襯套142與中樞公共歧管單元(圖未示)連接。四個埋管換熱器134、136、138、140以使其沿橫向被包圍在地產邊界線144內的配置排列著，其中地產邊界線144包含了地熱能系統將要服務的建築物146。因此，地熱能系統的佔地空間的覆蓋區在地產邊界線以內。襯套142位於靠近建築物146的位置，這樣的目的是便於維護等。襯套142的覆蓋區比地熱能系統的佔地空間的覆蓋區小很多，通常小於10% (更優選小於5%，再更優選小於1%)的地熱能系統的佔地空間的覆蓋區。另外，陣列132被構造並確定尺寸，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。
在上述任一實施例中的埋管換熱器陣列中，以及在本發明中使用的任何其它陣列中，可以使用"斜向"鑽探設備開始鑽孔，藉助該設備以偏離垂直方向5。 20°的傾斜度進行初始鑽孔。在鑽孔開始之後，鑽孔角度可以保持不變，可以連續增加，或者可以減小，逐漸深入部分的角度根據建築面積的大小和埋管換熱器的數量而定。利用該技術提供了可以在較淺深度處增加相鄰埋管之間的地下間距的技術效果。反過來，這樣提供了在埋管的預定長度上增加有效可用的孔的技術優勢。 在這些實施例中，至少一些埋管換熱器中每一個都至少具有與垂直方向成3 45度(常常5 20度)傾斜度的傾斜最高部，並且這些傾斜最高部在所述陣列的地下環形區內從相鄰的傾斜最高部發散。 在一些實施例中，至少一些埋管換熱器中每一個都具有相對於垂直方向不同的傾斜度，傾斜度不同的埋管換熱器在線性最高部的下方具有傾斜度逐漸變化的至少一個部分或相互傾斜的至少兩個部分。這使埋管傾斜度在初始的地下環形區之下沿著埋管換熱器的主要長度變化。 參照圖8，圖中示意性示出根據本發明第八實施例的地熱能系統的平面圖。地熱能系統由點A、B、C和D限定的區域A1表示的襯套的覆蓋區小於由點S、T、U、V、W、X、Y和Z限定的區域A2表示的佔地空間的覆蓋區，優選小得多，通常小於10%，更優選小於5%，最優選小於1%。換句話說，A2/A1之比大於1。點A-D表示外套管的軸的最上部坐標。點S-Z表示外套管的軸的底孔的坐標。 參照圖9，圖中示出根據本發明第九實施例的地熱能系統的埋管換熱器的真實垂直深度(TVD)與沿著埋管測得的深度(MD)之間的示意性正視圖。由於換熱器具有水平方向延伸的水平組件，因此換熱器具有橫向延伸量。因此，從地面測得的深度與真實垂直深度之比大於1。每個埋管換熱器的垂直深度可以為5米 750米，更優選10米 750米，但通常至少一個埋管換熱器的垂直深度為至少100米。如圖9所示，埋管換熱器具有相對於垂
14直方向的平均角度的傾斜度，埋管換熱器的主要部分偏離垂直方向3 95度，更優選偏離垂直方向5 95度，再更優選偏離垂直方向10 90度，還更優選偏離垂直方向30 60度，最通常偏離垂直方向約45度。然而，埋管換熱器的任何部分可以偏離垂直方向3 95度，換句話說，可以是從剛剛偏離垂直方向至剛剛超過水平方向的範圍。這樣的埋管換熱器配置可用於本發明的其它實施例中。 圖10和圖ll示出可用於本發明其它實施例中的其它埋管換熱器配置。這樣的埋管換熱器配置可以利用油井和氣井鑽探業中公知的鑽探技術形成。另外，埋管換熱器的任何部分可以偏離垂直方向3 95度，換句話說，可以是從剛剛偏離垂直方向至剛剛超過水平方向的範圍。 首先，參照圖IO，顯示為(a)的第一種類型152包括從地面GL向下延伸的上垂直部154，即造斜井段，和較低的穩定傾斜部156，即穩斜井段，偏離垂直方向的傾斜角優選為30 60度，最典型地偏離垂直方向約45度。顯示為(b)的第二種類型158包括上垂直部160，即造斜井段，和中間的穩定傾斜部162，即穩斜井段，偏離垂直方向的傾斜角優選為30 60度，最典型地偏離垂直方向約45度，和下垂直部164，即降斜井段。顯示為(c)的第三種類型166包括上穩定傾斜部168，即穩斜井段，偏離垂直方向的傾斜角優選為30 60度，最典型地偏離垂直方向約45度，和下水平部170。顯示為(d)的第四種類型172包括上垂直部174，即造斜井段，和下水平部176。 其次，參照圖ll，顯示為(e)的第五種類型178包括從地面GL向下延伸的單一的穩定傾斜部180，偏離垂直方向的傾斜角優選為30 60度，最典型地偏離垂直方向約45度。顯示為(f)的第六種類型182包括單一的垂直部184。 例如，地熱能系統可以包括多個埋管換熱器和與所述多個埋管換熱器連接的工作流體用的歧管(圖未示)，其中至少一個第一埋管換熱器是主要部分沿基本上垂直方向延伸的第二種類型158和/或第六種類型182，至少一個第二埋管換熱器是主要部分沿基本上水平方向延伸的第三種類型166和/或第四種類型172，至少一個第三埋管換熱器是主要部分沿基本上傾斜的方向延伸的第一種類型152和/或第五種類型178。對於這樣的陣列而言，通過根據建築物的增加或減少的熱需求來控制閥，使至少一個第一、第二和第三埋管換熱器可選擇性地與歧管連接。 參照圖12和圖13，示出了與多個埋管換熱器連接的各種襯套配置。圖12的襯套配置是弧形(a)、梯形(b)和方形(c)。圖13的襯套配置是方形(a)、十字形(b)、直線形(c)、弧形(d)、矩形(e)和圓形(f)。 參照圖14，示出了中樞歧管單元186，其可以組合到根據本發明的地熱能系統的埋管換熱器陣列的各實施例中。中樞歧管單元186包括在使用時與建築物的供暖/製冷系統(圖未示)連接的工作流體的進口 188和出口 190。進口 188與在第一進口管線194上的一組第一進口閥192a-i和在平行於第一進口管線194的第二進口管線198上的一組第二進口閥196a-h連接。第一進口閥192a-i和第二進口閥196a_h中每一個的出口側與各埋管換熱器(在該實施例中有與中樞歧管單元186連接的九個埋管換熱器)的各供應管線197a-i連接。出口 190與出口管線200上的一組出口閥198a-i連接。出口閥198a_i中每一個的進口側與各埋管換熱器的各回流管線202a_i連接。供應管線197a_i和回流管線202a-i選擇性地供應工作流體至各埋管換熱器和從各埋管換熱器回流工作流體。然而，可
15選擇性地使每個埋管換熱器以反向流動配置操作，其中各供應和回流管線的功能相反。
每個閥192、196、198包括致動器(圖未示)並可獨立地致動。因此，通過歧管單元186的閥可選擇性地控制陣列的每個埋管換熱器，以向前或相反流動配置驅動各埋管換熱器。此外，每個埋管換熱器可以與任何其它埋管換熱器或多個埋管換熱器連接，從而將埋管換熱器相互連接成所需的相互連接配置。任何埋管換熱器可選擇性地被關閉，由此使工作流體繞過被選定的埋管換熱器。 圖15詳細地示出在本發明的各實施例中使用的優選埋管換熱器的結構。埋管換熱器300被構造成安裝在鑽至所需深度和軌跡的埋管306中的外套管302和內管304的同軸布置。在外套管302被放下至埋管306中後，將熱優化的接合劑308泵入外套管302和埋管壁312之間的環狀區域310，以確保結構完整性並使埋管換熱器300與地質構造液壓隔離，特別是與任何可能橫越埋管的地下水域隔離。外套管302的底端314密封有底塞316，並用接合劑粘接以完成隔離。 通過沿內管304以一定間隔定位的定心翅片318使內管304位於外套管302的中央，並且內管304在底塞314的上方留有短間距的"開口端"，從而建立用於用作熱能傳遞介質的工作流體(基於水的)循環的有效、閉環通路。這些翅片318還用作誘發在外套管302和內管304之間的埋管換熱器環狀區域320內的流動特性的機械式"湍流器"，從而適當地增強將地熱能傳遞至地層或從地層傳遞地熱能，同時使壓力損失減到最小。通常，儘管基於精確應用在地面控制模塊的控制下使工作流體向下泵入環狀區域320(箭頭A)並使其向上回流至內管304(箭頭B)到達地面，然而在一些情況下循環方向可以相反以提供最佳性能。
例如，溫度傳感器322可以在沿著埋管換熱器300長度上的各間隔處與埋管換熱器300連接。 值得注意的是，埋管換熱器的效率直接與在埋管換熱器中任意點處地質層溫度和環狀區域320中的工作流體之間的溫差有關。因此，為了有效地捕集熱量，進入埋管換熱器的工作流體應為儘可能低的溫度，並將埋管換熱器安裝在儘可能實現的深度(例如450米)，以便利用地熱梯度。反過來，在製冷模式中為了有效地散熱，工作流體應為可達到的最高溫度，並將埋管換熱器水平安裝在較淺的深度(例如50-100米)。 埋管換熱器設計的特徵在於，使用從最初為在油氣生產業中應用而開發出的商用計算機模型獲得的準確選定的材料、尺寸和操作參數。這些模型能夠在考慮了所有地質的、
物質的、液壓的和熱的參數的情況下模擬同軸、閉環循環系統(特別是埋管換熱器)的熱
響應。模型輸出包括任何特定的能源需求的流量、壓力損失和熱響應曲線(例如溫度-時
間)，從而使埋管換熱器的設計和操作能精確地匹配每個特定建築物的要求。 目前，指定的外套管302的材料是具有高導熱性和機械強度的碳鋼。內管304被
指定為厚壁的熱塑性塑料，其具有隔熱的低傳導率並使將地熱能傳遞至地面的工作流體的
熱"短路"現象降至最低，由此增加了埋管換熱器300的整體熱效率。 利用先進的計算機模型對眾多BHE配置的大量模擬已經證實，埋管換熱器300的熱功率傳遞能力遠遠高於到目前為止常規U形管埋管換熱器所能達到的傳遞能力。例如，根據建築服務性設計的需求狀況可得到範圍為80 180W/m的平均線性功率輸出。正如在此所述的，將其與通常輸出為20-70W/m的典型的U形管或"Slinky"設備進行比較。
雖然為了使陣列中的單個埋管換熱器的效率高，重要的是不僅監測和調節到達和
16來自建築服務連接處的流量和溫度，而且在某些情況下為了使整體性能最佳還要監測和調節各埋管換熱器之間的流量和溫度，由此不受約束地滿足建築物多樣化的能源需求。這通過地面控制模塊(SCM)來實現，該地面控制模塊包括安裝於襯套上或位於地面處靠近陣列的井口中的中樞公共歧管單元。在安裝了多於一個陣列的情況下，根據整體設計要求可以存在多於一個的SCM。 參照圖16，在地面控制模塊400內安裝有作為中樞歧管單元401的一部分或與中樞歧管單元401連接並由微處理器410控制的閥402、壓力表404、溫度傳感器406和流量傳感器408，微處理器410上寫有程序，使與襯套413連接的埋管換熱器的陣列412維持最佳能源平衡並將所需溫度的工作流體輸送至建築物服務設備418。泵419設置用於通過埋管換熱器的陣列412抽取工作流體，泵419通常位於建築物服務設備418中。此外，傳輸到建築物服務設備的熱能在地面控制模塊400的輸出處由儀表420測出。軟體安裝在微處理器410內，其繪製陣列412針對不同的建築物能源需求的響應，並且與建築物管理系統422相兼容。根據需求狀況的變化或為了進行升級，可以修改並重新安裝該軟體。
在設備的操作期間，在地面控制模塊400的輸出處可獲得任何給定時刻所需溫度的工作流體。然後將該工作流體輸送至機房424，主熱泵單元426安裝在該機房內，機房通常位於建築物的地下室。同時，到達機房424的輸出端並已被用過的工作流體將回流至地面控制模塊400，再注入到陣列412內。該任務通過通常被埋在地面下l-2米並確保在傳遞過程中熱量和液壓能源損失最小的預隔熱的熱塑性塑料管網執行。 建築物服務設備418在設計方面理論上考慮了很多因素，目的在於將現有能源有效的構建技術和可再生能源組合，以符合或者如果需要以成本有效方式超過地方和國家當局規定的日益嚴格的二氧化碳減排目標。同時，維持建築物內全年舒適環境和提供所需的熱水供應的目標當然是主要的設計目的。 對於任何給定的單一埋管換熱器安裝設備而言，假設諸如埋管換熱器熱阻、地層巖性和地層熱特性等所有其它相關變量是常數，那麼其熱響應曲線(輸出溫度-時間)是工作流體流量、工作流體輸入溫度和工作流體操作周期(在給定時間段的"on"時間段-"off"時間段的持續時間和頻率)的函數。因此，通過改變形成埋管換熱器的熱響應曲線的一個以上的參數(即，工作流體流量和流向、輸入溫度和操作周期)可以修正熱響應曲線。此外，多個埋管換熱器的熱響應曲線可通過在所述多個埋管換熱器內選擇性分配工作流體來組合併修正。 每個埋管換熱器或多個埋管換熱器的熱響應曲線可以在工作流體流量(0-10升/秒)、流向(向前或逆向)和輸入溫度(-10 +4(TC)的設想的操作範圍內繪製出來。這是最初通過計算機輔助分析和預測、後來通過操作期間獲得的實驗數據進行修正完成的。
歧管的地面控制模塊(SCM)包括可編程計算機模塊、傳感器和控制閥，用於監測和控制每個埋管換熱器以及整個完整系統的工作流體流量、流向、溫度和壓力，包括用於監測和控制從地面控制模塊流向所服務的建築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於補充對埋管換熱器熱響應曲線的監測和控制。 任何給定的建築物隨時間變化的熱能需求狀況是包括物理位置、尺寸、建築方法和材料、入住率和模式、內部設施和外部氣候條件的多變量的函數。根據安裝在建築物內的採暖和製冷以及熱水系統的設計，由從簡單的溫度調節設備的控制到多個閥和傳感器的計 算機輔助控制的複雜程度不同的建築服務管理(BSM)系統對內部氣候控制進行管理。
任何給定的建築物在選定間隔處隨時間變化的熱能需求狀況可根據計劃的操作 條件繪製出。這是最初通過計算機輔助分析和預測、後來通過操作期間獲得的實驗數據進 行修正完成的。 建築服務管理系統在任何時間點處變化的熱能需求是通過將所繪製的建築物的 熱能需求狀況與所繪製的埋管換熱器熱能響應曲線組合以隨時間變化儘可能精密地匹配 來總體上實現的。通過地面控制模塊內的計算機模塊(即微處理器)實現這種功能。此外， 計算機模塊還可以監測建築物的任何無規律的實時變動的熱能需求，並調節BHE熱能響應 以最佳地滿足這些無規律的變動。 當考慮將本發明的地熱能系統應用到新建築物上時，如上所述，重要的是選擇建 築服務技術，以使地熱能系統的基本操作能力以及建築物服務設備的性能達到最佳。例如， 一些直接供暖或製冷設計不適於與地熱能系統連接，因為它們操作時在進口和出口的連接 處之間的溫差小。地熱能系統中的任何埋管換熱器的效率是在沿著埋管換熱器的任何點處 的地溫與工作流體的溫度之間的差的函數。然而，熱泵基設備通過在建築物建築區和埋管 換熱器之間建立連接，能夠使埋管換熱器在最佳溫度範圍操作，由此使其在供暖和製冷模 式中的效率最大。 目前市場上可獲得許多HVAC建築服務設計，不僅用於提供主要的直接供暖和制 冷，而且能夠在同一建築物的不同部分之間進行熱分布管理，由此大大提高了效率並減小 了地熱能系統的埋管換熱器的需求波動的幅度和持續時間。這樣既具有降低規範的好處， 又因此具有降低地熱能系統安裝成本的好處以及低運作成本的額外好處。此外，如果與現 有節能建築方法進行結合，那麼可以進一步顯著降低碳排放量。 建築服務設計是利用最新計算機輔助設計工具進行的，包括考慮到對外部環境的 結構響應以及內部產生的能源需求狀況使整個方法能夠滿足供暖和製冷需求的軟體。
如上述實施例所示，每個剛性混凝土襯套包括與埋管換熱器連接的多個"井口"， 每個襯套通常有5 10個"井口"，且通常間隔3米或更小距離。襯套用作與地面控制模 塊"SCM"連接的每個埋管換熱器的地面終端接頭，地面控制模塊監測並通過在計算機控制 下從埋管換熱器和/或在埋管換熱器之間抽取流體來調節水基工作流體的溫度、壓力和流 量，以使陣列的熱能輸入/輸出最優化，從而可在任何時間點達到建築物的能源需求狀況。 用於檢測任何時刻的埋管換熱器的性能和完整性的設置在沿著每個埋管換熱器長度的間 隔處的積分溫度和流量傳感器有助於該方法的實施。 SCM還與對所服務的建築物內的採暖、通風和空調(HVAC)的氣候控制和熱水供暖 設施進行控制的建築服務管理(BSM)系統電連接。在SCM的控制下，流經陣列中的埋管換 熱器和在各埋管換熱器之間流動的工作流體可以時間和溫度依賴性方式操作(循環)，而 不是以持續的或簡單的開/關方式操作。由於埋管換熱器的精確設計，這使建築物能源需 求與埋管換熱器陣列的獲得熱能容量在時間上精確匹配，並排除了熱耗損或地層飽和以及 由此使系統效率必然降低的可能性。 另一操作變量是將SCM切換到備用模式，這樣一個以上的埋管換熱器操作在熱虹 吸驅動模式下，以使地層溫度最優化，而無需外部的抽吸動力。
地面控制模塊和建築服務管理系統的集成電子系統，即(SCM+BSM)，提供了使系統
的日常操作在本地監管下自動進行或通過有線或無線電通訊進行遠程系統操作和監管的
選擇。井口襯套和地面控制模塊可建造成地面安裝模塊或在地面下的地下室內。 使用具有斜鑽能力的定製的、自動移動鑽探設備進行鑽孔。這是利用油氣業已有
的設備和技術進行的，如隨鑽探測儀(麗D)、可操縱的液壓馬達和/或可操縱的旋轉導向鑽
井系統、井下液壓馬達、定向空氣錘、陀螺慣性制導系統以及相關控制軟體，從面積為幾平
方米的混凝土襯套開始鑽出埋管陣列，其中井口在地面處間隔3米或更小，但經過定向鑽
孔可以獲得在最終深度處高達幾百米的寬間隔。取決於應用，使用包括水基流體、泡沫或空
氣的非毒性"鑽井流體"有助於鑽井方法的實施。 每個埋管換熱器包括同軸"管中管"布置，並與被包容埋管橫穿的地層機械和液壓
隔離。外套管根據應用可以由鋼、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
據應用，接合劑的配方設計可以包括常規的水泥基灌漿或可選的膨脹密封劑。 在外套管內安裝有由PVC、GRP或CRP複合材料或可選擇地由裝入隔熱套管內的鋼
或鋁製成的厚壁或預隔熱管。根據類型和應用，該管可以交付並安裝成連續的螺旋管或長
度不連續、然後機械連接在一起。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"在外套管和內管之間提供具有必要的橫截面面積的空隙，並且通過合成的"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，從而形成 沿外套管和內管之間的環狀區域向下且沿內管向上(反向循環)或反之亦然(向前循環) 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，從而使系統變得環保。 本發明人基於計算機模型對深度熱虹吸作用作了進一步研究，得出在英國環境中 商業規模的建築物製冷動力需求遠遠大於供暖動力需求。從而得出的結論是，在滿足建築 物供暖和製冷需求方面(特別是商業規模的建築物的供暖和製冷應用)，向地下散熱至少 與吸熱一樣重要。全球變暖，尤其是關於溫室氣體(例如因人類活動而產生的二氧化碳) 的排放量越來越多地受到國際關注。或者用於採暖和/或製冷、或者用於發電的地熱能源 提供了可再生的低碳能源，作為化石燃料能源系統的另一選擇。 在本發明的一個方面中，為了使製冷模式中的冷卻效率最大化，一些埋管換熱器 (BHE)的深度比在僅供暖的模式中使用的更淺。在製冷模式中需要在系統周圍抽取工作流 體，因為熱虹吸作用的實際作用方向與所需的流動方向相反。需要較淺的深度是因為在地 球上(除了某些異常區域，例如火山活動區)地層溫度隨深度呈近線性增加。為了使製冷 模式中的散熱效率最大化，沿著埋管換熱器任何點處的熱工作流體和地層之間的溫差應最 大化，因此要求深度淺。還發現埋管換熱器中工作流體的循環方向會影響熱效率，特別是在 製冷模式中，沿BHE的環狀區域向下且沿同心內管向上的"反向"循環會產生積極效益。
因此，在一些實施例中，對在其內安裝同軸埋管換熱器的鑽孔進行定向鑽孔，從而 在保持總深度最小化的同時使埋管換熱器有足夠的長度。這可以通過根據應用選擇從垂 直、經傾斜、至水平的適合的鑽孔軌跡來實現。 在本發明的優選實施例中，埋管換熱器的定向鑽孔的概念是利用油氣鑽井作業通
19過從地面處的小的混凝土"襯套"鑽出不同軌跡的埋管"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。鑽孔可通過常規、輕型可移動的鑽探設備進
行。這直接與鑽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
的塑料管道系統安裝在覆蓋幾百平方米的淺(2米)的溝渠("Slinkies")內的目前標準
鑽井做法進行比較。當前做法產生的成本、不便以及可用土地面積的減少阻礙了地熱能應
用的發展，特別是在英國。相比之下，襯套鑽井方法具有很多優點，包括10-20平方米的小
的地面覆蓋區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。 對普通的辦公建築物(在英國)作了一項研究，使建築物供暖和製冷能源狀況與
既能提供供暖又能提供製冷能源的埋管換熱器陣列匹配。這些研究證明製冷能源需求比供
暖能源需求佔優勢。 在本發明的優選實施例中，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築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的陣列組裝在一起。這不僅使整
個陣列的能源平衡最優，而且可以在不耗盡或使地下熱環境不飽和的情況下維持建築物的
各種負荷。此外，地面控制單元能夠同時向所服務的建築物供應供暖和製冷能源。 計算機模型論證了不同流量和操作溫度範圍的不同埋管換熱器的響應範圍。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於建築物能源需求狀況的適應
性。此外，值得注意的是，在一定條件下，通過將其與其它可再生能源技術如熱電聯產(CHP)
結合起來，可以提高埋管換熱器陣列的低碳排放性能並增加陣列的多功能性，以更有效地
滿足峰值功率需求並進一步減少設備的碳覆蓋區。 通過設計，使埋管換熱器陣列熱功率輸出曲線與供暖、製冷和熱水供應的建築物 的熱功率需求曲線相匹配。 根據本發明的優選方面，單個建築物的熱能管理可以擴展到多個建築物和設施的 熱能管理，並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的中 樞組件。 能源效率是減少全球二氧化碳排放量的貢獻因素。本發明基於現有的和已被證實 的地源熱泵實踐可以提供大規模、高效率的供暖和製冷設備。可以通過應用已在陸地上和 海上使用多年的先進的技術上和商業上成熟的油田鑽井和完井技術來安裝埋管換熱器。主 要優點是有成本效益地從靠近相關建築物的小的場所或襯套建造了埋管陣列，這是利用與 建築服務設計匹配的高效同軸、閉環式換熱器設計實現的。 本發明優選實施例的地熱能系統是主要向大規模建築結構或在供暖和/或製冷 方面需求高的任何建築物提供供暖和/或製冷能源的集成的、定製的、節能和低碳排放量 的系統。地熱能系統提供的能源主要來自於可持續、可再生並使所服務的建築物的碳覆蓋 區顯著減少的總量豐富、低溫的地熱源。 在本發明的優選實施例中，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，以及將建築服務業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源傳輸網。
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本發明的優選實施例可以提供由多個、定向鑽孔並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並與建築服務設計精確匹配的埋管換熱器的緊湊型
陣列。本發明的優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
能傳遞到建築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。 本發明的優選實施例可以提供連接SCM與建築物服務設備的低壓、隔熱的能源分配網。 本發明的優選實施例可以提供特定設計並建造的建築物服務設備，採用了用於所
服務區域的供暖和/或製冷以及建築物內的熱水供應的先進的熱泵技術。 可以根據開發規模和能源需求狀況在給定的場所處安裝一個以上的單獨陣列。 在地熱能系統設備的設計方面重點考慮的是建築物服務設備在供暖和製冷之間
的需求平衡，這對於在地產開發的允許區域下是呈垂直、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，那麼會建議垂直埋管換熱器。相反，如果製冷是主要
的考慮事項，那麼水平埋管換熱器會提供最佳性能。實際上，本發明的地熱能系統設備通常
會包括從一個以上的襯套鑽出的多個垂直、傾斜和水平的埋管換熱器，以類似於樹的根系
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築服務設計和其能源狀況結合起 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 為確保用於建築物服務設備的技術儘可能地與埋管換熱器陣列的性能相匹配以及使建築 服務設計在供暖和製冷方面提供最有效的性能而採用的各種技術。 因此，根據本發明的優選實施例，設有緊湊型的地面襯套，以使同軸埋管換熱器延
伸並超出襯套的地面邊界。通常用於油氣田開發實踐的定向鑽孔技術被用作安裝同軸埋管
換熱器並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米之外可以免受熱幹擾因素的
影響，其中同軸埋管換熱器最上面的20-30米通常小於每個BHE總長度的5X且小於每一組
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，在地面處無需大規模收集系統，這樣每個地表襯套獲得超高密度的熱能輸出/輸入。
針對新建造的建築物，襯套可位於靠近建築物的地方或直接在建築物的雜物室或任何其它
部分的下方。由於埋管換熱器和建築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/或同時製冷，或者可以選擇一個操作模式。可以共同或單獨地對陣列的
同軸埋管換熱器進行管理。可以使工作流體在陣列的埋管換熱器之間再循環，以便再吸收
或釋放過多熱能，從而為每種類型的供暖或製冷操作提供理想的溫度梯度。 定向鑽孔提供一種選擇，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。定向鑽孔可以利用巖石斷
裂方向，以減小鑽井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築
物的埋管換熱器陣列，而不會引起熱幹擾。
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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有效利用內部熱虹吸流，以便沿著位於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省與循環的能量損失 有關的運營成本，並且可以降低對熱泵工廠的熱能需求。 將熱虹吸循環流用於埋管換熱器是已知的，熱虹吸循環流是因工作流體密度受到 熱能溫度梯度的影響發生改變而被驅動的浮力流。然而，由於多種原因，其中包括大規模地 面收集系統的限制，在位於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換熱 器之間存在使用複雜的相互作用流的障礙。然而，本發明優選實施例的系統能夠作為一個 系統或在單獨的垂直、定向或水平(例如L形)的埋管換熱器內有效利用這些流。
本發明的優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，優選為同軸的埋管換熱器陣列在襯套中延伸並超出地面點，用於服務工 業規模和生產力的熱泵工廠。本發明提供一種作為一個單元或作為在不同模式下的不同 單元通過主要控制單元用於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築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 設備或熱能源或貯存設備，並具有與任何給出的建築物的客戶要求相匹配的能力。陣列可 以包括多個定向鑽出的埋管換熱器，每一個都具有規定的深度、角度和方位。該系統可以具 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 多個陣列內的組合。襯套構成緊湊型收集系統，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築物或設施，或位 於建築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並超出該地面位 置。根據季節、氣候和建築物的能源狀況使多個埋管換熱器用於不同模式下。該系統能夠 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。另外， 該系統可以藉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。定向鑽孔能夠通過跟進給定模式的巖層充分利用由優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，並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。對於給定的佔地空間，可以根據獨特的地層環境來布置埋管換 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量的埋管換熱器，這 允許關閉陣列的其餘部分，而不再強制循環，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鑽井和完井技術使之 適應較淺環境的典型地熱開採的設想。該技術和精確選擇與相對良好地質環境相匹配的材 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 個埋管併到達規定深度。當考慮到在城市環境或地面面積有限的地方投入項目時，這是關 鍵優勢。 在此說明的本發明的實施例僅是示例性的，而不是限制權利要求的範圍。針對一個實施例所公開的特徵可以與任何其它實施例的特徵相結合，並且也在本發明要求保護的 範圍內。
權利要求
一種地熱能系統，其包括至少一個埋管換熱器和泵，所述至少一個埋管換熱器含有工作流體，並包括具有封閉底端、在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二細長同軸管道的細長管子，所述第一管道呈管狀並被呈環形的所述第二管道包圍，所述至少一個埋管換熱器具有沿與垂直方向成3～95度角的基本上傾斜方向延伸的主要部分；所述泵用於根據增加或減少的熱量需求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從所述至少一個埋管換熱器選擇性地抽取所述工作流體。
2. 根據權利要求1所述的地熱能系統，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對於垂直 方向平均傾斜10至小於90度的主要部分。
3. 根據權利要求2所述的地熱能系統，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對於垂直 方向平均傾斜30 60度的主要部分。
4. 根據權利要求3所述的地熱能系統，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對於垂直 方向平均傾斜約45度的主要部分。
5. 根據權利要求1 4中任一項所述的地熱能系統，其中至少一些所述埋管換熱器中 的每一個都至少具有相對於垂直方向傾斜3 45度的傾斜最高部，並且其中這些傾斜最高 部在所述陣列的地下環形區內從相鄰的傾斜最高部發散。
6. 根據權利要求1 5中任一項所述的地熱能系統，其中至少一些所述埋管換熱器中 的每一個都具有相對於垂直方向不同的傾斜度，所述傾斜度不同的埋管換熱器在線性最高 部的下方具有傾斜度逐漸變化的至少一個部分或相互傾斜的至少兩個部分。
7. —種操作包括至少一個埋管換熱器的地熱能系統的方法，所述至少一個埋管換熱器 含有工作流體，並包括具有封閉底端、在所述底端相互連接的相鄰的第一和第二細長同軸 管道的細長管子，所述第一管道呈管狀並被呈環形的所述第二管道包圍，所述至少一個埋 管換熱器具有沿與垂直方向成3 95度角的基本上傾斜方向延伸的主要部分；所述方法包 括以下步驟根據增加或減少的熱量需求沿著所述各埋管換熱器的各自第一和第二管道的各自選 定方向從所述至少一個埋管換熱器選擇性地抽取所述工作流體。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對於垂直方向平 均傾斜10至小於90度的主要部分。
9. 根據權利要求8所述的方法，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對於垂直方向平 均傾斜30 60度的主要部分。
10. 根據權利要求9所述的方法，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對於垂直方向 平均傾斜約45度的主要部分。
11. 根據權利要求7 10中任一項所述的方法，其中至少一些所述埋管換熱器中的每 一個都至少具有相對於垂直方向傾斜3 45度的傾斜最高部，並且其中這些傾斜最高部在 所述陣列的地下環形區內從相鄰的傾斜最高部發散。
12. 根據權利要求7 11中任一項所述的方法，其中至少一些所述埋管換熱器中的每 一個都具有相對於垂直方向不同的傾斜度，所述傾斜度不同的埋管換熱器在線性最高部的 下方具有傾斜度逐漸變化的至少一個部分或相互傾斜的至少兩個部分。
13. —種操作包括多個埋管換熱器的地熱能系統的方法，每個埋管換熱器含有工作流 體，並包括具有封閉底端的細長管子，所述方法包括以下步驟選擇性地使用至少一個第一埋管換熱器作為熱源和至少一個第二埋管換熱器作為冷源。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中所述至少一個第一埋管換熱器具有沿基本上垂 直方向延伸的主要部分，並且所述至少一個第二埋管換熱器具有沿基本上水平方向延伸的 主要部分。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中所述至少一個第一埋管換熱器和所述至少一個 第二埋管換熱器中每一個具有沿基本上傾斜方向延伸的主要部分。
16. 根據權利要求13 15中任一項所述的方法，其中所述第一和第二埋管換熱器中至 少一個相對於垂直方向平均傾斜3 95度。
17. 根據權利要求16所述的方法，其中所述第一和第二埋管換熱器中至少一個具有相 對於垂直方向平均傾斜30 60度的主要部分。
18. 根據權利要求17所述的方法，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對於垂直方向 平均傾斜約45度的主要部分。
19. 根據權利要求13 18中任一項所述的方法，其中至少一些所述埋管換熱器中每一 個都至少具有相對於垂直方向傾斜3 45度的傾斜最高部，並且其中這些傾斜最高部在所 述陣列的地下環形區內從相鄰的傾斜最高部發散。
20. 根據權利要求13 19中任一項所述的方法，其中至少一些所述埋管換熱器中的每 一個都具有相對於垂直方向不同的傾斜度，所述傾斜度不同的埋管換熱器在線性最高部的 下方具有傾斜度逐漸變化的至少一個部分或相互傾斜的至少兩個部分。
21. 根據權利要求13 20中任一項所述的方法，其中每個細長管子具有在所述底端相 互連接的相鄰的第一和第二細長管道，所述第一管道呈管狀並被呈環形的所述第二管道包 圍，並且所述埋管換熱器與所述工作流體的歧管連接。
22. 根據權利要求21所述的方法，其中所述多個埋管換熱器中每一個通過與所述歧管 連接的閥與所述多個埋管換熱器的其它任何一個選擇性地連接。
23. 根據權利要求21或22所述的方法，其中所述歧管被設置成允許所述工作流體沿著 所述各埋管換熱器的各自選定方向選擇性流經選定的一個以上的所述埋管換熱器。
24. 根據權利要求13 23中任一項所述的方法，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 地熱能系統的佔地空間，並且其中所述中樞地面組件的覆蓋區小於所述地熱能系統的佔地 空間的覆蓋區的10%。
25. 根據權利要求24所述的方法，其中所述中樞地面組件的覆蓋區小於所述地熱能系 統的佔地空間的覆蓋區的5 % 。
26. 根據權利要求24或25所述的方法，其中所述中樞地面組件包括與所述埋管換熱器 的上端連接的剛性結構。
27. —種地熱能系統，其包括多個埋管換熱器，每個埋管換熱器含有工作流體，並包括 具有封閉底端、具有沿基本上垂直方向延伸的主要部分的至少一個第一埋管換熱器、具有 沿基本上水平方向延伸的主要部分的至少一個第二埋管換熱器和具有沿基本上傾斜的方 向延伸的主要部分的至少一個第三埋管換熱器的細長管子，所述至少一個第一埋管換熱 器、至少一個第二埋管換熱器和至少一個第三埋管換熱器中每一個或它們各自的組可單獨與所述工作流體的泵選擇性連接，所述泵用於從所述各埋管換熱器或組選擇性地抽取所述 工作流體。
28. 根據權利要求27所述的地熱能系統，其中每個細長管子具有在所述底端相互連接 的相鄰的第一和第二細長管道，所述第一管道呈管狀並被呈環形的所述第二管道包圍；還 包括與所述多個埋管換熱器連接的所述工作流體的歧管。
29. 根據權利要求28所述的地熱能系統，其中所述多個埋管換熱器中每一個與所述多 個埋管換熱器的其它任何一個可選擇性地連接。
30. 根據權利要求29所述的地熱能系統，其中所述歧管被設置成允許所述工作流體沿 所述各自埋管換熱器的各自選定的方向選擇性流經選定的一個以上的所述埋管換熱器。
31. 根據權利要求27 30中任一項所述的地熱能系統，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 的所述地熱能系統的佔地空間，並且其中所述中樞地面組件的覆蓋區小於所述地熱能系統 的佔地空間的覆蓋區的10%。
32. 根據權利要求31所述的地熱能系統，其中所述中樞地面組件的覆蓋區小於所述地 熱能系統的佔地空間的覆蓋區的5%。
33. 根據權利要求31或32所述的地熱能系統，其中所述中樞地面組件包括與所述埋管 換熱器的上端連接的剛性襯套。
34. 根據權利要求27 33中任一項所述的地熱能系統，其中所述埋管換熱器中至少一 個相對於垂直方向平均傾斜3 95度。
35. 根據權利要求34所述的地熱能系統，其中所述埋管換熱器中至少一個具有相對於 垂直方向平均傾斜30 60度的主要部分。
36. 根據權利要求35所述的地熱能系統，其中所述至少一個埋管換熱器具有相對於垂 直方向平均傾斜約45度的主要部分。
37. 根據權利要求27 36中任一項所述的地熱能系統，其中至少一些所述埋管換熱器 中每一個都至少具有相對於垂直方向傾斜3 45度的傾斜最高部，並且其中這些傾斜最高 部在所述陣列的地下環形區內從相鄰的傾斜最高部發散。
38. 根據權利要求27 37中任一項所述的地熱能系統，其中至少一些所述埋管換熱器 中的每一個都具有相對於垂直方向不同的傾斜度，所述傾斜度不同的埋管換熱器在線性最 高部的下方具有傾斜度逐漸變化的至少一個部分或相互傾斜的至少兩個部分。
39. —種操作地熱能系統的方法，所述地熱能系統包括多個埋管換熱器，每個埋管換熱 器含有工作流體，並包括具有封閉底端的細長管子；與所述多個埋管換熱器連接的所述工 作流體的歧管；和在所述多個埋管換熱器和所述歧管之間連接的多個閥，所述方法包括以 下步驟利用熱虹吸流從至少一個第一埋管換熱器到至少一個第二埋管換熱器選擇性地分配 工作流體，從而在所述多個埋管換熱器內重新分配熱能。
全文摘要
本發明提供一種地熱能系統，其包括至少一個埋管換熱器，該至少一個埋管換熱器含有工作流體，並包括具有封閉底端、在該底端相互連接的相鄰的第一和第二細長同軸管道的細長管子，該第一管道呈管狀並被呈環形的該第二管道包圍，該至少一個埋管換熱器具有沿與垂直方向成3～95度角的基本上傾斜方向延伸的主要部分。
文檔編號F24D11/02GK101796296SQ200880101616
公開日2010年8月4日 申請日期2008年7月3日 優先權日2007年7月6日
發明者安東尼·C·斯科特, 德米特裡·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