专利名称：调节房屋温度的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在下面权利要求1前言中所述的设备。
这种设备主要包括联合采用两种很特殊的已知装置。第一种装置是地热交换器，下面称为GHEX，这种交换器是例如瑞典专利说明NO.408087、450298、458061和513218中所述的那种交换器。这些交换器具有第一管形通道和第二通道，前者包有绝热层，而后者与周围土壤形成紧密热接触。由于两个通道处于很差的相互热接触状态，而且没有绝热层的通道与周围土壤形成很好的热接触，所以这些热交换器是极端有效的，而且可以在能量储存器中得到分层的温度。包括许多地热交换器的能量储存器可以在夏天运行，使热的循环流体通过各个地热交换器的两个通道向下流动，再向上流动，并进一步流到包含室温保持装置的循环管路。该室温保持装置是房屋中上述第二种已知装置，以后称为RTKD。这些装置可以是在瑞典专利说明NO.442132、441535和460731中说明的那种装置，在以后称为RTKD-1，或者常规的对流热交换器，以后称为RTKD-2，后者适合于用循环管路中的循环流体调节通气温度。这些专利说明中的室温保持装置可以与房屋的外墙结构作成一体，以补偿外墙中传输热损耗。这种设备可以在寒冷的外部气温例如在冬天保持室内温暖，即直接补偿传输热损失，向前输送的温度只比室温高几度，而且在这种情况下，返回温度显著低于室温。这种设备以相同的方法在炎热的环境下例如在夏天可以使室内保持凉爽，其向前输送的温度只比室温低几度，而在这种情况下，返回温度显著高于室温。
当热流体从能量储存器流出和用较冷的流体取代时，消耗了常规的地热能量储存器的能量。为了延长储能器的消耗时间和确保有充分的能量留到冬末，如果发生晚期寒冷，则需要临时向返回到储能器的流体供给热量。
在很多情况下，特别是在地温达到20℃的国家中，从上述瑞典专利说明NO.408087中已经知道，可以采用上述方法，可另外安排一种较冷的温度约为10～15℃的地体，以便保持建筑物的凉爽，该建筑物需要长期供给不希望的热量。
因此如果需要既保温又保凉，则需要两个相隔很远的地体，这需要很大的空间，而且操作成本高，初期投入也高。
除其它以外，本发明的目的是在上述说明的这种设备中取得真正的改进，本发明可以以简单的方式确保，本设备可以在最大程度上利用低品位能量，即天然能量来保持建筑物内部温暖和凉爽。
按照本发明，利用一种装置可以达到此目的，该装置具有以下权利要求书说明的特殊部件。由于可以联用上述两种很特别的装置来形成该设备，而且该设备可以设计成这样操作，使得可以局部调节地热交换器中循环流体的流量，而在循环流体的向前输送温度和返回温度之间达到很大的恒定温差，并使得在地热交换器中的循环方向在使房屋保持暖和和保持凉爽时是不同的，所以可以在地中获得能量储存器，该储存器具有向下的分层温度，并形成热端和冷端。
该储能器在原则上具有在顶部的热端和在底部的冷端，反之亦然。然而最好将冷端定位在底部，该冷端具有通向周围冷地的三维热量泄放，在这种情况下，热端位于冷端和地表面之间。在很热的国家可以是相反的情况，在这些国家中，需要保持凉爽的温度，这种凉爽温度很不同于自然地温。因此，用于冷却作用的冷端不应当放在对热量泄放很敏感的底部区域。在一些这样的国家中，夜晚很冷，这就使得在夜晚可以很容易利用低温，而在白天可以收集到热量，与此同时，只需改变流体流动的方向之后，便可以分别实现保暖和保凉作用。
下面参照附图，更详细说明本发明，这些附图示意示出实现本发明的例子，这些附图是
图1a是截面图，示出用于补偿热传输损耗的温度保持装置的第一例子(RTKD-1)，在冬季的有关温度分布示于图的左边，而在夏季的温度分布示于图的右边；图1b是和图1a相似的图，示出第二种室温保持装置(RTKD-2)，该装置通常是调节通风温度的典型对流热交换器；图2a和2b分别是地热交换器的横截面图和一部分热交换器的纵向截面图；图3是曲线图，示出在一年各个时期中，地体的温度分布；图4是曲线图，示出在一年中的时间发展过程，在图4a中，示出地热交换器每米的热传输功率，在图4b中，示出循环流体之间的热能传送数值，和在一定的地深度循环流体和地体之间的温差数值，在图4c中，示出在该地深度地体温度和非绝热通道中循环流体温度围绕年平均值的温度变化数值，而图4d示出从能量储存器来的循环流体的温度数值；图5a是曲线图，作为第一级近似分别示出严冬和盛夏最大负载时的循环流体和地的温度分布，而图5b的曲线图，示出图5a中所示温度分布的真实形状；图6是本发明选作为例子的一种简单设备的示意图，在图的右边示出在冬季两种室温保持装置和能量储存器地热交换器中一个交换器中流体的温度分布；图7是示意图，示出在夏天状态下，图6所示的同一装置以及相应变化的温度结构。
这些附图示出在夏天和冬天的全部情况，但是这些情况在原理上在较短时期是类似的例如定期的以其它方式变化的环境温度，例如白天和黑夜的变化，这在某些地理区域变化很大。
图1a示出室温保持装置RTKD-1，该装置具有绝热外墙10、内墙11、内通道12与外通道13，这些通道由绝热的隔墙部分14分开。循环流体CF流过内部通道流到顶部返回，流出外部通道13，如在上述专利特别是在专利NO.460731、442732、441535中说明的那样，在冬季可以只用比室温高几度的向前输送温度达到保暖作用，如上所述该循环流体，由经流热交换器与上述通道中循环空气进行热交换的流体组成，在这种情况下，返回输送温度显著低于室温的温度。同样，在夏季使用比室温低几度的向前输送温度便可以达到保持凉爽的作用，与此同时，返回输送温度显著高于室温和向前输送温度。采用室温保持装置RTKD-1基本上可以达到相反的温度分布，这种分布对于冬天和夏天示于图1a的右边。对于冬天和夏天在内部通道12中流体的温度分布分别表示为12’和12”，而在外部通道13中的流体温度分布分别表示为13’和13”。
图1b示出与图1a相对应的温度分布，但这种温度是形式为对流热交换器的室温保持装置RTKD-2的温度分布，在这种热交换器中，热交换在通道15的循环流体CF和通道16中的外部空气流之间进行，该空气流用于室温调节。在冬天和夏天通道15中流体的温度分布分别用15’和15”表示，而通道16中空气温度分布则分别用16’和16”表示。
对于入口和出口温度，这两种室温保持装置的特性是十分类似。
在图2a和2b中所示的地热交换器GHEX与上述瑞典专利说明NO.513218中示出的交换器是相似的，包括具有外部绝热层21的中心管20。在绝热层21的外面和距离该绝热层一段距离的地方，将套筒22定位在基本上垂直的孔中，该套筒与周围的土壤23形成紧密的热接触。该套筒22具有许多沿套筒圆周紧密配置的通道24。管子20和通道24分别是地热交换器的绝热通道和非绝热通道。
图3示意示出地体的温度分布，该地体在一年的不同季节，传热地接合于地热交换器，其中直线30代表地面，该地面位于地体的上面，通常由绝热板或者房屋(未示出)覆盖。能量储存器的底部用直线31表示。在这两条线之间有三条倾斜线，这些倾斜线基本上是平行的。直线32、33和34分别表示在春夏冬秋四季的温度分布。该温度分布表明，地的温度分布在一年中与自身平行地移动，而且在两个转折位置之间来回移动，直线34和32代表能量储存器完全被加热的状态和完全去热状态。直线34和32代表充分加热的和充分去热的能量储存器的状态。
图4a～4d示出在全年期间与保温装置RTKD和地热交换器GHEX相关的不同热参数的变化过程。沿水平时间轴标出春夏秋冬的时间概念。图4a示出曲线40，该曲线类似于正弦曲线，该曲线代表地热交换器GHEX每米的热传输功率W/m。在夏天加热是最大的，而在冬天去热是最小的。地热交换器的热传输功率由地热交换器通道24中的循环流体和地体之间的驱动温差决定。在地下一定深度的这种温差在图4b中用曲线41表示，并且在与图4a所示曲线40的同一时间点达到最大值。
图4c示出围绕年平均值的温度变化，在该图中，实线42表示非绝热通道24中循环流体温度变化和虚线43示出在地下有效深度的地体温度变化。
在图4d中，虚线44示出一年期间必须的循环流体向前输送温度。用实线45表示在地表面处非绝热通道24中的温度，而用实线46表示在地下和表面两处的绝热通道20的温度。
在夏天，循环流体从绝热通道20向上流，而在冬天从非绝热通道24流出，如图4a～4d示意示出的，这意味着，从能量储存器向上流的循环流体具有沿着由图4d中双线表示的曲线47的温度分布。
从图4a可以明显看出，当在地下有效深度，地具有其年平均温度时，在加热和去热时，可以产生最大的热传送功率。这意味着，当最大功率分别传送到地或者从地传出时，在一年的两个重要特别季节内，地热交换器的操作状态可以采用图5a所示的单一示意图表示。在能量传送到地和从地传出，即在冬天和夏天，地热交换器GHEX的循环方向是不同的，即在夏天和冬天，地热交换器出口即能量输出口分别位于不同的通道。在各个深度达到最大加热和最大去热时，必须在非绝热通道的循环流体和地体之间形成驱动温度差。该温度差的数值取决于热阻和要求的热功率。对于本文讨论的这种地热交换器，该必须的驱动温差很低，只有一度或几度。驱动温差在各个时刻在各个深度基本上是相同的，因此，可以传送同样的地热交换器每米深度功率。因此，在非绝热通道中可以达到循环流体温度的线性变化，但是在绝热通道中的流体具有恒定温度。在图5a中，直线50表示盛夏季节非绝热通道中，从能量储存器顶部流到其底部的循环流体的温度，然后流体向上流到绝热通道，该绝热通道具有由垂直线51表示的恒定温度。而在严冬季节，循环流体在绝热管中向下流，在该绝热管中温度是常数，用垂直线52表示。然后流体从通道的底部流到非绝热通道，在此非绝热通道中，温度沿直线53上升。在盛夏季节以及严冬期间，该地温用虚线54表示。
图5a示出一种近似分布，这种近似例如不考虑在地下的垂直热传导，也不考虑地热传感器的绝热通道当然不具有理想的热隔离。温度的真实曲线和形状如图5b所示，在该图中，图5a所示的直线50～53在图5b中表示为稍有一些弯曲，而且用50’～53’表示。地的温度分布用54’表示，与图5a所示的54相比较，该温度分布具有稍微改变的斜率。
从图5a～5b可以明显看出，为保暖，必须收集的能量在半年后具有温度范围55，而为保凉必须收集的能量在半年后具有温度范围56。这些温度范围彼此在很大程度上重叠，而且两个温度范围均包含用直线57表示的预定室温。
研究这些意外的不平常的事实，奠定了用简单装置收集天然能的基础，并使得有可能设计出很耐久的很经济的调节房屋温度的设备。
通过本文所示装置和操作方法的组合，可以形成一种能量储存器，该能量储存器具有相对较热和较冷的端部。从原理上讲，可以设计出一种系统，这种系统的热端或者在地下或者在地面上，但是在热端位于顶部而冷端位于底部时，从能量储存器泄放的总的泄放热量变得较低，在底部，热泄放的方式是三维的，因而这使得热的泄放对能量储存器和地的天然温度之间的大的温差很敏感。能量储存器的冷端其温度至少在Scandinavian区域非常靠近地的自然温度，因此，热量泄放变得相对较小。
在热带国家，将热端放在底部可能是有意义的，因为重要的是关心冷却温度，该温度可能远不同于地的自然温度，这样便意味着，保凉的冷端不应当放置在对热泄放很敏感的底部区域。
能量储存器的上端不管是热端还是冷端，通常是用能量储存器顶部的绝热层或者房屋进行绝热。
设计所用装置和必须达到的操作条件，以便满足热力部分对总能需要量的需求，从而可以只用天然能来调节室内温度，对这种设计的要求可以归纳如下设备首先包含联用必需的装置，如联用室温保持装置和地热交换器。该设备采用这样一种操作方法进行操作，使得在夏季和冬季循环方向是不同的，并且这样调节循环流量，使得流入和流出地热交换器的温度差S总是保持常数值，即对于给定设备，该常数值至少为数值Smin的50％，最好为100％，该常数值等于F+U+L，其中F＝在寒冷外界温度下向保温功率最大的室温保持装置输送的必需的向前输送温度和在炎热环境温度下想保凉功率最大的室温保持装置输送的必需向前输送温度两个温度之间的温度差；U＝在寒冷外界温度下，从地中输出最大热功率时，在地表面上地和非绝热通道中循环流体之间的必需的驱动温差；L＝在炎热环境温度下，从地中输出最大制冷功率时，在地表面上地和非绝热通道中循环流体之间的必需的驱动温差。
上述的量Smin是一个固定量，该量在设计设备和定设备大小时确定，其中F由所用的RTKD装置的特性决定。两个量U和L由GHEX装置和地的特性决定。
控制泵65流量的控制信号由实际连续测量的温差S与要求的恒定值Smin之差构成。在S值太大时流量增加，使得S降低，反之亦然，如已知技术说明的。这意味着，独立于设备负载状态的温差S可以调节到接近于要求的值Smin。
这种操作方法形成能量储存器的热端和冷端(比较图5b)，这样便奠定了下面独特特性的基础能量储存器的热端具有充分高的温度，以便在冬天即在寒冷外界气温下，利用室温保持装置RTKD保持室内温暖，但是，该温度又相当低，以便可以采用很低品位的热能来加热该能量储存装置。在夏季要保持凉爽时，该室温保持装置RTKD将输送温度高于室温的冷却能量，这样便造成这些装置起热能收集器的作用。在一些情况下，如果这种能量不够，则需要利用简单的装置收集补充的能量。即使没有擦亮的简单的太阳能收集器起这些条件下也是有效的，可以高效地收集能量。也可以从低品位的便宜的废热中收集保暖所需的能量。
另外，能量储存器的冷端具有充分低的温度，以便利用室温保持装置RTKD保持凉爽，然而还必须高到可以在冬季利用室温保持装置RTKD容易收集冷能，如果需要，还可以配用特别的低品位能量收集器，在很需要保持凉爽的地方便是这种情况。在具有内陆气候或者年平均温度高的地方，可以分别在冬天或者晚上收集冷能，这种收集的方法是将低品位能量的收集器表面暴露在清澈寒冷的夜空中。
在所有上述推论中，可以假定，从地下能量储存器可以得到所有调节温度必需的热能，该能量储存器可以装载天然能量，即在正常操作下，不需要任何由临时产能装置产生的能量状态为高品位的能量。因为不同的原因，在某些状况下，可以考虑有意节制，以避免能量完全自给的这种限制。人们可能满足于只部分利用系统的潜力。
为了适合各个地方的不寻常的温度，在图6和图7中示出一个例子，这些图示意示出本发明的简单设备，图6示出设备在冬天的操作，而图7示出设备在夏天的操作，不同部件的温度结构示于图的右边，并且与相应的装置对齐。该例子不是优选的，其目的是示出利用具有热端和冷端的地热储存器的原理可能性。该例子示出了所用的容量，使得不需要利用低品位能量收集装置来额外收集冬天的冷却能。这种装置仅在夏天需要，例如简单的太阳能收集器，以便利用室温保持装置收集温度为25℃的热量。在两个示出的操作条件下，没有采用任何分路，因为这些操作条件分别示出保暖和保凉的容量最大负载。在局部负载时，具有阀门74的分路是使适当的向前输送温度输送到室温保持装置所必需的。为解释基本原理，这种容量例子还适合于热泄放可以忽略不计的这种设备的尺寸。
图6示出若干并联地热交换器GHEX中的一种交换器，该交换器具有上述绝热通道20和非绝热通道24。通道24由用管子60连接于用于临时辅助供能的装置SUES，该装置由管子61连接于收集管62，通道20由管子63连接于收集低品位能量的装置LEEC(低辐射能量收集器)，该收集器通过管子64连接于循环泵65，该循环泵的吸入侧连接于第二收集管66。
上述室温保持装置RTKD-1用向前输送管70和返回管71连接于收集管62和66，而上述第二室温保持装置RTKD-2也用连接于循环流体通道15的向前输送管72和从该通道15引出的返回管道73连接于收集管63、66。在对流交换器中外部空气流过通道16，进行温度调节。连接于管子61的可调支路74连接于循环泵65的出口，在装置LEEC的入口是连接于管道63的第二可调支路75。连接于地热交换器GHEX管道60、63的是反接阀门76，该阀门配置成可以反接管子60和63的端部。
为了控制和调节上述装置，还装有信息处理器77，该处理器由信号线78和79检测流过管子60和63的进入流体和流入流体的温度。该信息处理器77可以用信号线80、81和82控制临时辅助供能装置SUES的连接和断开，控制循环泵65的流量以及控制流过分流阀74(未示出)必需的流量。另外，还装有其常规控制装置，如调节不同屋子中室温的调温器和控制分流阀75等的调温器等等(未示出)。
在此例中，按照下面计算基本温度差F＝6KU＝2KL＝2K Smin＝10K不同装置的温度如下冬季 内部℃ 外部℃a)RTKD(保暖温度+通风温度) 24 14
b)GHEX(热量出口温度+冷却能的 14 24温度)c)LEEC(可能收集冷却能)夏季a)RTKD(保凉温度+通风空气温度)18 25b)GHEX(热负载温度+从地中出来 28 18的冷却能温度)c)LEEC(收集热量) 25 28涉及冬天操作的图6示出通风空气的温度曲线90和在装置RTKD-2装置中循环流体的温度曲线91。另外，示出了内部通道12的温度曲线92和装置RTKD-1中外部通道13的温度曲线93。示出了地热交换器GHEX中至少非绝热通道24的温度曲线94和地的温度曲线95。
涉及夏天操作的图7公开了与图6相应的曲线，这些曲线用同样的编号表示，但是每一编号加上’。在本图中，在地热交换器GHEX向前输送管和返回管上的反接阀门76已采用一种装置激发，以便使连接于绝热通道的管子63连接于收集管62，该装置用于检测从房间(未示出)出来的返回温度。
联合上述所有装置和利用上述概述的操作方法，可以在一整年中只采用一个地点局部收集的天然能，便可以取得一整年中调节房屋内部温度以及通风空气所需要的热能。必须加上高品位的能量和运转能量，即控制设备和循环泵的能量，但这些能量只是较小的部分。
本发明的设备具有很多优点。特别指出以下的优点上述装置由于操作温度极低，所以设计简单，而且能够得到比先前已知系统中常规装置好得多的操作性能。这对于例如太阳能收集器是成立的，该收集器可以不擦亮而获得最高效率。
相同投资实际上可以得到没有操作费用的保温和保凉双重功能。这是大家充分欢迎的，特别对于处于内陆气候的房屋，在这种房屋中，对于保温和保凉均需要很大的能量，而且在一些这样的地区，在整个白天和黑夜均房屋温度调节，在白天收集热能而在夜晚收集冷能可能是一个问题。
特别重要的是，在收集冷却能和将其储存在能量储存器的冷端的同时可以得到冬天的保暖温度，而且在收集热能并将其储存在能量储存器的热端的同时可以得到在夏天的保持凉爽的温度。
本发明当然不限于本文示出和说明的实施例，而可以在权利要求书确定的本发明的范围内以各种方式改变。这是一个例如循环流体的问题，该流体在大部分情况下是液体，但是在装在外墙室温保持装置中，作为一种防护措施，该流体是空气，此时可以采用有效的空气对流热交换器以已知的方式在液体和空气之间进行热交换。
权利要求
1.一种调节房屋温度的设备，该设备包括在地下的能量储存器，该储存器由并联的若干地热交换器(GHEX)构成，各个交换器具有管子形状的第一通道(20)和第二通道(24)，前者由绝热层包裹，而后者与周围的泥土形成良好的热接触，该地热交换器连接于循环流体的循环管路，该管路包括循环泵(65)和地热交换器的两个通道(20，24)，一个通道用于向下输送循环流体，而另一通道用于向上输送循环流体，该管路还包括在房屋中的室温保持装置(RTKD)，该保持装置被设计成使得向前输送温度只需分别比在保持温暖或者保持凉爽时室温高几度或者低几度，而使返回温度显著低于或者高于室温，该设备的特征在于，该能量储存器包括沿深度方向的地热交换器(GHEX)，该能量储存器在冷端和热端之间具有连续变化的温度，利用阀门装置76控制地热交换器的流动方向，使得在起保温作用时，循环流体从热端流到室温保持装置(RTKD)，而在起保持凉爽作用时，该循环流体从冷端流到室温保持装置(RTKD)，而且控制循环泵65的循环流量，使得在所有操作条件下，在地热交换器入口和出口之间的温度差S具有恒定值，该恒定值对于一定的设备至少等于固定值Smin的50％，最好为该值的100％，该固定值是Smin＝F+U+L，比较图5a和图5b，其中，F为分别在寒冷外界气温下向保温功率时最大的室温保持装置输送的必需的向前温度和在炎热环境温度下向保凉功率最大的室温保持装置输送的必需的向前输送温度两个温度之间的温差；U为寒冷外界温度下从地中输出最大热功率时，地表面上地和非绝热通道(24)中循环流体之间的必须的驱动温度差；L为炎热环境温度下从地中输出最大热功率时，地表面上地和非绝热通道(24)中循环流体之间的必须的驱动温度差。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，辅助添加低品位能量的装置(LEEC)连接于循环管路，以便改变输送到能量储存器的循环流体的温度。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，辅助供能的装置(SUES)连接在从能量储存器到室温保持装置(RTKD)的输送管路上。
4.如权利要求1～3中任一项所述的设备，其特征在于，循环泵(65)配置在室温保持装置(RTKD)的输出管路上，而可调的分流管线(74)配置在位于循环泵(65)下游的点和室温保持装置(RTKD)上游的点(61)之间。
全文摘要
本发明设计一种调节房屋温度的设备，该设备包括在地下的能量储存器，该储存器由若干并联的地热交换器(GHEX)构成，各个交换器具有绝热通道(20)和与周围土壤进行良好热接触的非绝热通道(24)。该热交换器装在循环流体的循环管路中，该循环管路包括循环泵(65)和室温保持装置(RTKD)。按照本发明的能量储存器与其地热交换器(GHEX)一起沿深度方向从冷端到热端具有连续变化的温度。可以利用反接阀门(76)控制地热交换器中的流动方向，使得在起保暖功能时，接受从热端来的循环流体，而在用作保冷功能时，从冷端接受循环流体。可以控制循环泵，使得这种循环流体可以在地热交换器(GHEX)的入口和出口(60，63)之间产生温差，该温差总是常数，其值可以利用地和实际装置的特性进行计算。
文档编号F24J3/08GK1646864SQ03807623
公开日2005年7月27日 申请日期2003年1月31日 优先权日2002年1月31日
发明者O·普拉特尔 申请人:劳特公司