用于加热和空气调节应用的大地耦合热交换的制作方法

专利名称：用于加热和空气调节应用的大地耦合热交换的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及大地耦合/ 土壤源/地源热虹吸管(ground-coupled thermosiphon)。更具体地，本发明涉及使用大地耦合热虹吸管加热和冷却构筑物的方法和 系统。因此，本发明涉及地热工程、热力学和材料科学领域。
背景技术：
加热/供热和空气调节系统在全世界范围内都有需求，但通常能耗大且费用昂 贵。对于住宅系统而言，此类系统的成本通常在数千美元的级别，对于商业场所而言甚至更 高。另外，它们一般需要大量能量来获得满意的性能，从而增加了成本和进一步加重了社会 能源的负担。一般而言，加热和冷却成本可高达建筑物的总年度使用成本的75%，并且根据 一些估算占总能耗的高达45%。与此类系统相关的其它成本包括过滤器、定期维护和昂贵 部件如压缩机的更换。已开发了用于减少这些成本的系统和方法。例如，已利用对传热部件的清洁来最 大化能量传递，已利用新型材料来提高效率，并且已将系统设计成使用替代燃料源来试图 减少对燃气和/或电能的依赖性。数十年来，大地耦合式热泵/ 土壤源热泵已被用来使流体经若干中间热交换器和 包埋在地下的大量塑料管道进行循环。这样，较低的地面温度可用来冷却流体并且最终冷 却环境。然而，这些系统需要恒定地泵送流体通过系统并且管与周围土壤之间的传热耦合 并非最佳。另外，竖直钻井系统利用邻近的热管和冷管，这引起了一些热量短路和效率的下 降。目前，通过改进现有系统或通过发现满足实际应用的所有期望要求的新材料来开 发经改进的加热和冷却系统仍然是一项复杂和具有挑战性的任务。

发明内容
已经认识到，开发能量需求最少而又成本有效的加热和空气调节系统将是有利 的。在一个实施例中，用于加热或冷却构筑物的系统可包括与蓄热材料热连通的热虹吸管。 该热虹吸管可部分填充有传热流体，使得液相和蒸汽相均存在。热交换器可在操作上连接 至热虹吸管并且与构筑物热连通，使得热能可在蓄热材料与构筑物之间传递。流体传输设 备可与传热流体流体相关并且构造成将传热流体引向热交换器。在一个实施例中，热虹吸管可进一步包括蒸发区域和冷凝区域，其中传热流体既 以液相存在又以蒸汽相存在。热虹吸管可与蓄热材料热连通，使得传热流体能够在蓄热材 料与蒸发区域和/或冷凝区域之间传递能量。可选地，系统可进一步包括在操作上以旁通构造连接至热交换器的第二储存区 域，其中流体传输设备将传热流体从热虹吸管传输至第二储存区域。在另一可选实施例中， 系统可进一步包括流体连接在第二储存区域与热交换器之间的第二流体传输设备。热虹吸管可暴露于环境空气以增强进或出热虹吸管的传热。在一个实施例中，热汇(heatsink)可为冷却储器(cooling reservoir)，使得当作为冷却系统运行时热交换器 可为蒸发器。替换地或结合地，系统可构造成加热构筑物并且热交换器可为散热器。在一个特定实施例中，用于冷却和加热构筑物的系统可包括与构筑物热连通的冷 却系统。该冷却系统包括与第一蓄热材料热连通的第一热虹吸管，其中第一热虹吸管部分 填充有第一传热流体。冷却系统还可包括在操作上连接至第一热虹吸管的第一热交换器， 该第一热交换器与构筑物热连通，使得热能可在第一蓄热材料与构筑物之间传递。第一流 体传输设备可第一传热流体流体相关，并且构造成将第一传热流体引向第一热交换器。该 系统还可包括与构筑物热连通的加热系统。该加热系统包括与第二蓄热材料热连通的第二 热虹吸管，其中第二热虹吸管部分填充有第二传热流体。该供热系统还可包括第二热交换 器，其在操作上连接至第二热虹吸管并且与构筑物热连通，使得热能可在第二蓄热材料与 构筑物之间传递。第二流体传输设备可与第二传热流体流体相关，并且构造成在第二热虹 吸管内传输第二传热流体。第一和第二热虹吸管可进一步包括蒸发区域和冷凝区域，其中第一和第二传热流 体以液相和蒸汽相存在，并且分别与第一和第二蓄热材料连通，使得第一和第二传热流体 能够分别在第一和第二蓄热材料与蒸发区域或冷凝区域之间传递能量。在构筑物与构筑物外部之间传递能量的方法可包括通过使用传热流体在构筑物 与蓄热材料之间形成热梯度而充装(charge)蓄热材料；以及使用容纳传热流体的热虹吸 管在构筑物与蓄热材料之间传递热能，其中充装和传递步骤中至少一个步骤使用流体传输 设备进行增强。充装蓄热材料可发生在冬季，从而形成冷却储器，从构筑物向冷却储器传递热能 导致对构筑物进行冷却。类似地，充装蓄热材料可发生在夏季，从而形成加热储器，从加热 储器向构筑物传递热能导致对构筑物进行加热。


图1是按照本发明的实施例的与大地耦合的热虹吸管的示意图。图2是按照本发明的实施例的加热或冷却系统的示意图。图3是按照本发明的一个实施例的包括充装热交换器和加热/冷却热交换器的加 热或冷却系统的示意图。这些附图仅示出了本发明的示例性实施例，并且因此并不认为它们限制了本发明 的范围。此外，特别是尺寸不一定成比例或精确地成比例，而是为了清楚和说明本发明而被 修改。应容易理解，本发明的部件如在本文附图中大体描述和示出的那样可以各种不同的 构造进行布置、确定尺寸和设计。
具体实施例方式现将参考附图所示的示例性实施例，并且文中将使用特定语言来描述它们。但应 该理解，并非因此意图对本发明的范围进行限制。文中所述的发明特征的变更和进一步的 修改、以及如文中所述的发明原理的另外的应用——其将是相关领域中了解此公开内容的 技术人员可想到的——应被认为在本发明的范围内。必须注意的是，如本说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括多个指称对象，除非上下文清楚地另有规定。因此，例如，对“传热流体”的提及包 括一种或多种此类材料，对“泵”的提及包括对一个或多个此类设备的提及，以及对“加热步 骤”的提及包括对一个或多个此类步骤的提及。
在描述本发明和对本发明主张权利的过程中，将按照以下阐述的定义使用下列术语。如文中所用，“热虹吸”是指基于自然对流的被动热交换方法，其使液态/蒸汽态 混合物在竖直闭环回路中循环。尽管一般而言，认为此类术语不需要泵或其它流体传输设 备，但本文中所述的热虹吸可使用或可不使用此类设备。当液体在某一部位(热虹吸管的 任一端)被加热时，液体以与加热速度成正比的速度蒸发。蒸汽然后流至任何部位，在这些 部位，管由于温度诱发的压力梯度而被冷却。冷凝液然后通过重力流向较热的热端，即，冷 凝器定向在热源端上方。因此，当从加热的土壤向构筑物(启用加热模式)传热或冷却土 壤(在充装期间的冷却模式)时可发生被动、无辅助的运行。在“泵辅助”或“充装”模式 下，流体传输设备可用来沿反方向传输热，这在下文更详细地描述。如文中所用，“夏季”通常指与某一特定位置的最高平均温度相关的时间段并且通 常为约三个月。尽管此术语在全世界范围内一般被限定为三个月的时段，但根据地点而定， 夏季可包括多于或少于三个月。例如，在任何特定月份保持至少27°C的平均温度的环境可 被认为是“夏季”月份。如文中所用，“冬季”是指历年中大约三个月的时间段，其中在这三个月的时段局 部环境通常达到其最低平均温度。尽管此术语在全世界范围内一般被限定为三个月的时 段，但根据地点而定，冬季可包括多于或少于三个月。如文中所用，“基本上/显著地”是指一定数量或量的材料，或其特定特性，其足以 提供该材料或特性想要提供的效果。允许的精确的偏离程度在一些情况下可取决于特定情 境。类似地，“基本上没有”或类似表述是指组合物中缺乏指定元素或物质。特别地，被指定 为“基本上没有”的元素是指该组合物中完全不存在或仅包括足够少量(该元素)以至于 无法对组合物造成可测量到的效果。如文中所用，术语“约”用来通过假设给定值可在端点的“上面一点”或“下面一点” 而提供数值范围端点的灵活性。该术语的灵活性的程度可由具体变量规定并且将在本领域 技术人员的知识范围内以基于经验和文中相关描述确定。如文中所用，多个物品、结构元件、组合元件和/或材料可为了方便而在共同的清 单中出现。然而，这些清单应当被解释为好像清单的每个构件都被单独指定为分离的和唯 一的构件。因此，仅基于它们在共同群组中的出现而没有相反的指示，此类清单中的单独的 构件都不应被解释为同一清单的任何其它构件的实际等同物。浓度、量和其它数值数据在文中可采用范围格式表达或提出。应该理解的是，此类 范围格式仅为了方便和简洁而使用，并且因此应当被灵活地解释为不但包括如范围的限值 明确地列出的数值，而且包括在范围内包含的所有单独的数值或子范围，视同明确地列出 了每个数值和子范围。例如，“约10至约50”的数值范围应当解释为不仅包括明确列出的约10至约50的 值，而且包括所指范围内的单独的值和子范围。因此，此数值范围包括单独的值如20、30. 5和40以及子范围如10至30、20至40和30至50等。该相同原理适用于仅列出一个数值 的范围。此外，不论该范围的幅度或所述的特性如何，此类解释都应当适用。本发明的实施例本发明提供了需要最少电能的加热和空气调节系统。此类系统一般使用热虹吸 管，其可充装材料形成加热或冷却储器，并且然后使用此类储器来加热或冷却封闭的构筑 物。在一个实施例中，用于加热或冷却构筑物的系统可包括与蓄热材料热连通的热 虹吸管，其中该热虹吸管部分填充有传热流体；热交换器，其在操作上连接至热虹吸管并且 与构筑物热连通，使得热能可在蓄热材料与构筑物之间传递；以及流体传输设备，其与传热 流体流体相关并且构造成将传热流体引向热交换器。蓄热材料一般可包括一定量的土或土壤并且在许多情形中将为原状的土壤 和土。由此，本文所述的系统可与各种类型的土壤联用，包括联合国粮食与农业组织 (Food and Agriculture Organization of the United Nations, FA0)开发的世界土壤 分类(World Soil Classification)以及通过国际合作——由国际土壤参比信息中心 (International Soil Reference and Information Centre, ISRIC)协调并由 IUSS 禾口 FAO通过其土地及水利开发司(Land&Water Development division)发起——开发的世 界土壤资源参比基础(World Reference Base for Soil Resources)中所列的那些。此 类土壤包括而不局限于低活性强酸土(Acrisol)、漂白淋溶土(Albeluvisol)、高活性强 酸土 (Alisol)、火山灰土 (Andosol)、人为土(Anthrosol)、砂性土(Arenosol)、钙积土 (Calcisol)、雏形土 (Cambisol)、黑钙土 (Chernozem)、冷冻土 (Cryosol)、硬土 (Durisol)、 铁铝土(Ferralsol)、冲积土(Fluvisol)、潜育土(Gleysol)、石膏土(Gypsisol)、有机土 (Histosol)、栗钙土(Kastanozem)、薄层土(L印tosol)、低活性淋溶土(Lixisol)、高活性 淋溶土(Luvisol)、黏绨土 (Nitisol)、黑土 (Phaeozem)、黏磐土(Planosol)、聚铁网纹土 (Plinthosol)、灰壤(Podzol)、疏松岩性土(Regosol)、盐土 (Solonchak)、碱土 (Solonetz 土)、暗色土(Umbrisol)、变性土(Vertisol)或它们的混合物。虽然本文所述的系统可与 全世界的当地土壤联用，但也可使用其它材料。例如，蓄热材料可为水。通常，蓄热材料可 为确定体积的土壤，虽然可特别制备其它材料(例如，开挖并回填适当的散装材料或液态 水)。在一个实施例中，可使用的材料包括具有至少约lkJ/kg-K的热容量的材料。在一个 实施例中，热容量可为5kJ/kg-K。一般而言，本文所述的热虹吸管可进一步包括蒸发区域和冷凝区域，其中传热流 体以液相和蒸汽相存在，并且与蓄热材料热连通，使得传热流体能够在蓄热材料与蒸发区 域或冷凝区域之间传递能量。由此，传热流体可选自由水、R134a、R-22、R-744、钠(sodium)、 液化丙烷气、C1-C6醇、乙醇、氨、液化的烃类气体(condensed hydrocarbon gases)和它们 的混合物组成的群组。在一个实施例中，传热流体可具有约200kJ/kg至约4000kJ/kg的汽 化焓，并且通常从约500kJ/kg至约2500kJ/kg。在另一实施例中，传热流体可为在约-10°C 至约102°C的温度范围之间具有在0. 2MPa至4MPa(例如，R-134a)的蒸汽压力的流体。热虹吸管可通过常规或非常规的钻井方法安装，例如但不局限于直推(液压机)、 自推式钻头、竖直钻孔钻头等。这些热虹吸管的外径可为具体的安装而设计；然而，直径一 般在从约1英寸至约6英寸的范围内，2至4英寸通常代表高性能与减少的安装成本的良好
8平衡。例如，一个实施例可包括在50至150英尺深度下的4英寸直径的热虹吸管，其可使 用30W的泵有效地实施。除如此描述的流体传输设备外，本文所述的热虹吸管可包含单独的流体传输设 备，其与传热流体流体相关并且构造成在热虹吸管的与蓄热材料的充装相关的蒸发区和冷 凝区之间传输传热流体。在水作为流体的情形中，水蒸汽压力在低于100°C的温度下可低于 大气压力。流体传输设备可为构造成在加热和/或冷却系统内传输流体的任何设备。在一 个实施例中，流体传输设备可为流体泵，例如隔膜泵。然而，可使用任何合适的流体泵。—般而言，热交换器可为允许热传递的任何设备。在一个实施例中，热交换器可为 蒸发器。在另一实施例中，热交换器可为散热器。此类热交换器可耦合至如本领域中公知 的强制通风系统。可被加热和/或冷却的构筑物一般可为建筑物，例如办公建筑、仓库、住 宅等。然而，其它构筑物也可由于耦合至本发明的系统而受益。例如，使用热交换器可耦合 至制冷机以补充或替代常规的压缩机驱动的热冷却循环，例如，使用热交换器可采用与常 规制冷盘管相同的方式与制冷机室热连接。通常，本文所述的热虹吸管可用来在特定时间段充装蓄热材料并然后用来在另一 特定时间段加热或冷却构筑物。例如，热虹吸管可与大地耦合，从而以被动模式在冬季期间 (用冷量)充装一定体积的土形成冷却储器。冷却储器然后可用来在泵辅助模式中经由在 操作上耦合至热虹吸管的热交换器在夏季期间冷却构筑物。类似地，单独的或共用的热虹 吸管可与大地耦合，其通过在夏季期间(用热量)充装一定体积的土形成加热储器而被使 用。该加热储器然后可用来经由在操作上耦合至热虹吸管的热交换器在夏季期间被动加热 构筑物。冷却和加热储器互相之间可完全远离，即，它们之间基本上不存在传热，或可设置 成例如通过将冷却储器定向在加热储器上方而在有限体积中在操作期间最小化另一者的 干扰。例如，储器可隔开至少2米的距离以减少储器之间的传热。取决于具体温度和条件， 被动模式可能需要泵辅助以提供期望的传热速度/传热率。例如，如果土壤温度下降到约 24-250C以下，则可使用小泵来增加从热储器至热交换器的流体流速。在一个实施例中，系统可进一步包括在操作上以旁通构造连接至热交换器的第二 储存区，其中流体传输设备将传热流体从热虹吸管传输至第二储存区。第二储存区可起到 蒸汽阱(vapor trap)的作用。在此情形中，系统可进一步包括流体连接在第二储存区与热 交换器之间的第二流体传输设备。第二流体传输设备可将流体从第二储存设备传输至热交 换器。一般而言，热虹吸管可暴露于环境空气。这种暴露可用作利用当地环境条件充装 热材料的有效和高效的手段。由此，热虹吸管可进一步包括能实现更有效和高效的能量传 递的扩展表面区段。此类扩展区可设计为审美愉悦的形状。例如，扩展表面区段可为栅栏、 壁面、柱、盖板(decking)、顶蓬、板或这些的组合等。进一步地，充装热交换器可任选地包括 光伏/热(PVT)板、太阳能集热器、热交换板或其它合适的集热设备。光伏/热(PVT)板可 任选地包括多孔的高表面积材料，其允许增加的气/液接触表面积。如前文所述，蓄热材料可为能够作为加热储器或冷却储器的热汇。在一个实施 例中，蓄热材料或热汇可为具有足够用于从约10，000，OOOkJ至约100，000，OOOkJ的总蓄 热量的有效热容量的冷却储器。在另一实施例中，蓄热材料或热汇可为具有足够用于从约 30，000，OOOkJ至约300，000，OOOkJ的总蓄热量的有效热容量的加热储器。本文所述的系统可显著减少加热和/或冷却构筑物所需的常规能量如电能的量。在一个实施例中，系统每 天可使用小于约0. 10千瓦时的电能。在另一实施例中，系统每天可使用小于约0.050千瓦 时的电能。在又一实施例中，系统每天可使用小于约0.025千瓦时的电能。虽然能量需求 可因具体设计而异，但系统可一般每天使用从0. 1千瓦时至10千瓦时的电能，取决于每种 设计的风机、压缩和泵送功率要求。虽然本文所述的系统可以是分散式的，S卩，独立的加热或冷却系统，但可将此类系 统结合以加热和冷却构筑物。由此，在一个实施例中，用于冷却和加热构筑物的系统可包 括a)与构筑物热连通的冷却系统，其中该冷却系统包括1)与第一蓄热材料热连通的第 一热虹吸管，其中该第一热虹吸管部分填充有第一传热流体；2)第一热交换器，其在操作 上连接至第一热虹吸管并且与构筑物热连通，使得热能可在第一蓄热材料与构筑物之间传 递；以及3)第一流体传输设备，其与第一传热流体流体相关并且构造成将第一传热流体引 向第一热交换器；以及b)与构筑物热连通的加热系统，其中该加热系统包括1)与第二蓄热 材料热连通的第二热虹吸管，其中该第二热虹吸管部分填充有第二传热流体；2)第二热交 换器，其在操作上连接至第二热虹吸管并且与构筑物热连通，使得热能可在第二蓄热材料 与构筑物之间传递；以及3)第二流体传输设备，其与第二传热流体流体相关并且构造成在 第二热虹吸管内传输第二传热流体。在一个实施例中，第一和第二热虹吸管可进一步包括蒸发区域和冷凝区域，其中 第一和第二传热流体以液相和蒸汽相存在，并且分别与第一和第二蓄热材料连通，使得第 一和第二传热流体能够分别在第一和第二蓄热材料与蒸发区域或冷凝区域之间传递能量。在一个实施例中，在构筑物与构筑物外部之间传递能量的方法可包括通过使用 传热流体在构筑物与蓄热材料之间形成热梯度而充装蓄热材料；以及使用容纳传热流体的 热虹吸管在构筑物与蓄热材料之间传递热能，其中充装和传递步骤中至少一个使用流体传 输设备进行增强。第一和第二传热流体可以相同或不同。热虹吸管可具有相同或不同的流体容量。 另外，本文所述的热虹吸管可具有各种尺寸并且可设计成用于实现各种能量传递域限。这些系统可用于各种类型的构筑物中，包括而不局限于住宅和商用构筑物。此类 构筑物的实例包括而不局限于住房、公寓、办公建筑、商业中心、仓库等。这些系统可使用开放式或封闭式热虹吸管。开放式热虹吸管可在热虹吸管的一端 被穿孔，使得传热流体直接接触在热虹吸管外部的流体源。现在转到图1，热虹吸管12例如通过包埋在土壤内而耦合至土壤14。土壤14如 文中所述可提供合适的蓄热材料。热虹吸管12如前文所述可在夏季或冬季期间形成热汇 16。热虹吸管可进一步包括呈液相18和蒸汽相20的传热流体。一般情况下，热虹吸管的深 度可足够将储器与上方的地面温度波动或其它热源隔离，同时还避免增加成本和潜在的传 热损失的不必要的深度。深度可因大地的具体组成、地下水流速、渗透率和其它因素而异； 然而，从约40英尺至约300英尺的深度通常是适合的。在一方面，可通过流体传输设备24将传热流体液相18传输至扩展表面区22。传 热流体液相可吸收能量，从而蒸发传热流体形成传热流体蒸汽相20。此类传热流体蒸汽相 20然后可在热虹吸管12的壁上冷凝并且向下流入液相中将捕集的热量传递到流体中，并 且最终由于液体与周围土壤之间的温度梯度而传递到热虹吸管外侧的周围土壤。当热量以这种方式传递时，热汇16作为加热储器形成。因此，具有高热容量和较低导热率的土壤可 在包围一组热虹吸管的下端的体积内保持足够量的热量，以在整个冬季加热相关的构筑物 或住所。这是被加热土壤的体积与被加热土壤的界限面积之比的问题，使得一组热虹吸管 可用来提供足够的容量。此外，本发明的系统在主要通过传热流体的相变发生热传递的状 态下操作。可选择地，在另一方面，液相18中的传热流体可从土壤14吸收潜热，从而蒸发传 热流体形成传热流体蒸汽相18。传热流体蒸汽相18然后可通过在扩展表面区22冷凝并且 随后回流至形成作为冷却储器的热汇16的热虹吸管12的底部而传递能量。应注意，在此 方面中不需要流体传输设备，尽管其可用来进一步增强远离冷却储器的传热。例如，可使用 太阳能驱动的泵，其可仅在需要时被起动以将流体传输到扩展表面区。此外，可执行任选的 凝结控制机构以避免传热流体凝结。这种机构可包括使用凝点远低于预期最低气温的传热 流体。现在转到图2，在本发明的另一任选方面，热虹吸管12耦合至土壤14。土壤14如 前文所述可以是蓄热材料。热虹吸管12如前文所述可在夏季或冬季期间形成热汇16。热虹 吸管可进一步包括以与前面相似的方式呈液相18和蒸汽相20的传热流体。第二储存区26 可在操作上以旁通构造连接至热交换器28，其中流体传输设备24将呈液相18的传热流体 从热虹吸管12传输至第二储存区26。第二储存区可起到蒸汽阱和容器(holding vessel) 的作用。由此，系统可进一步包括流体连接在第二储存区与热交换器之间的第二流体传输 设备30。第二流体传输设备可将呈液相18的热交换流体从第二储存区26传输至热交换 器。热交换器可实现从构筑物32至冷传热流体18的能量传递以冷却构筑物内的环境。例 如，空气可经过冷传热流体和/或传热单元的相关管道或构件以冷却空气。被冷却的空气 可通过强制对流或自然对流传输，取决于系统的构造。一方面，能量传递可致使传热流体蒸 发形成传热流体蒸汽相20，虽然基本上所有液体处理/过程都可影响热交换器中的冷却。 传热流体蒸汽相20然后可沿着热虹吸管12的壁冷凝，重新形成呈液相18的传热流体，其 然后可用来从热汇16传递能量，作为循环过程的一部分。热虹吸管与热交换器之间的管路 可以隔热以减少热损失，特别是沿着热虹吸管与构筑物之间的通路。在冷却系统和加热系统各者中，第一热交换器可用来充装蓄热材料，而第二热交 换器可设置成与构筑物传热。例如，图1所示的系统可有效地用来将热量储存在蓄热材料 中。然而，在冬季月份期间，当热量被传递至构筑物时，必须将热交换器从外部位置移动到 构筑物内或者可将第二热交换器在操作上连接至系统以允许在冬季期间加热。图3示出 了既可用来充装又可用来加热或冷却的系统的一个实施例。在此实施例中，传热屏障系 统(barrier system) 34可以可操作地连接在蓄热材料16与使用热交换器38和充装热交 换器36中的每一个之间。传热屏障系统可选择性地向热交换器和充装热交换器中的任 一者引导传热或从所述任一者引导传热。合适的屏障系统的非限制性实例可包括螺旋管 (solenoid)、阀、开关等。这样，在充装期间，构筑物内的热交换器可至少部分(如果不是显 著地)与充装热交换器和蓄热材料之间的传热隔离。同样，在使用期间，充装热交换器可显 著地与起作用的使用热交换器和蓄热材料之间的传热隔离。因此，可实现有效的季节性的 地下热能储存以既加热又冷却构筑物。总之，此系统的四个基本运行模式可包括两个加热模式和两个冷却模式。加热模式包括第一泵辅助充装模式，其中热量在热交换器被收集并被传递至土壤。第二使用加热 模式包括将热量从土壤传递至热交换器以分配到构筑物中。该使用加热模式一般可以是基 本上或完全被动的，但可任选地根据加热要求而通过泵辅助增强。相反，冷却模式可包括第 一被动充装模式，其中通过热虹吸管底部区域中液体的蒸发和蒸汽在热交换器的冷凝而使 热量被传递离开土壤以而形成冷汇(cooling sink)。冷凝和冷却的液体然后通过重力输 送移至热虹吸管底部区域，从而冷却周围的土壤。再次，该被动充装模式通常可为完全被动 的，虽然当例如冬季外部温度或其它因素条件要求增加传热速度/传热率时可使用泵辅助 来增强传热。该冷却模式可进一步包括泵辅助冷却使用模式，其中使用泵将冷却的流体向 上引至蒸发器热交换器。热量因此从构筑物(和热交换器)传递至热虹吸管的冷的下壁。 然后以进入热虹吸管的蒸汽的质量流量确定的速度将液体凝结物向上泵送回到热交换器。 可在热虹吸管底部的液体泵上方放置液位传感器以监控该质量流速。在这四种模式各者 中，被加热的水在热虹吸管周围的土壤中自然对流是有益的，特别是在有浸透性的土壤中。 例如，当加热地面时，热虹吸管周围对流驱动的水可当被加热的水向上移动并抽吸附近较 冷的水时循环。只要流速没有驱动被加热的水基本上/显著离开热虹吸管，该对流作用就 是有益的。类似地，当充装加热储器时，热虹吸管壁温可升高至超过100°C，足以使紧挨热虹 吸管周围的土壤中的水开始沸腾。沿该壁的蒸发的水可通过土壤中周围水的毛细作用进行 补充，例如在其它文献中作为热管效应已知。这可有助于减少壁与土壤之间的近壁传热局 限。如果存在足够的液力梯度，则在浸透性的土壤中在地下水位以下的隔热可由于地下水 的流动而经历增强的传热。热虹吸管间距、直径、样式和辅助的热交换器的优化可大幅受益于定量分析。本发 明进一步包括设计泵辅助热虹吸管加热或冷却系统以加热或冷却与本文所述一致的构筑 物的方法。特别地，本发明的系统会涉及不菲的前期费用，尽管在安装后会显著降低运行成 本。因此，重要的是系统应设计成具有足以提供期望的冷却和/或加热的容量。由此，计 算机模拟可有效地确定针对具体项目的最终设计参数。一般而言，设计可包括获取场地数 据，例如但不局限于地热容量、室外环境温度、热虹吸管朝向和位置以及构筑物面积。可使 用场地数据在蓄热材料与构筑物之间作为时间的函数计算热传递以确定传热性能。基于 该信息，可建造或可使用泵辅助的热虹吸管加热或冷却系统来修改输入到模型中的场地数 据以优化系统。虽然其它方案也适合，但示例3示出了一个与本发明一致的方案。可从室 外环境温度获得依赖于时间的环境温度模型。也可使用依赖于时间的环境温度模型和热虹 吸管模型计算瞬时土壤温度分布，该热虹吸管模型使用例如结合热虹吸管模型的ANSYS或 TOUGH代码。示例以下示例示出了本发明的各种实施例。因此，这些示例不应当认为是对本发明的 限制，而只是适当地教导如何基于当前实验数据来实施本发明。由此，本文公开了有代表性 的数个系统。示例1-犹他州(Utah)典型居住用房的热负荷计算在犹他州可获得太阳能为约1670千瓦时/m2/年。在70%的太阳能收集效率下， 这种太阳能将为约1169千瓦时/m2/年或4. 2GJ(吉焦)/m2/年。使用太阳常数1. 370kff/ m2、4. 6千瓦时/m2/天的年平均值、1. 7千瓦时/m2/天的月平均值(在十二月最小)和7. 4
12千瓦时/m2/天的月平均值(在六月最大)计算太阳能。下表表示基于犹他州盐湖城(Salt Lake City)数据的加热和冷却负荷。表 1
从表1和表2，用于住宅建筑的年加热能量约为:Q加热=29GJ，用于住宅建筑的年 冷却能量约为9 令却=82GJ。示例2 一个家庭用房(One Family House)的热能储存规模(简化计算)可用承担典型的一个家庭居住用房(150m2X2层+地下室)的年能量负荷的土壤 柱(soil cylinder)的尺寸来计算用于地下热能储存的能量回收效率。该计算使用来自示 例1的能量计算结果(Q冷却=82X IO9JjQe= 29X IO9J),并且假设土壤柱的以下特性nE =0.60，AT= 15°C，H= 10m，P cP 2X 106J/m3°C (湿土)。使用以下等式 结果估计Rm卩为约9. 3m而Rtoa为约7. 2m。本计算表明了本文所述构筑物的可行 性。当然，最终规模将取决于所需的具体土壤、环境以及加热/冷却需求。示例 3作为示例，使用下述二维模型评估一组7个用于冻结土壤的热虹吸管的性能 以及使用冻结土壤作为空气调节热汇的应用。使用从市场上可获得的软件包COMSOL Multiphysics 3. 3创建冻结和解冻浸透水的土壤的初步模型。为了分析而选择的几何模型 为六个热虹吸管放置在对称六边形的转角而第七热虹吸管放置在该六边形中心的阵列。利 用系统的对称性，选择半径为5米的四分之一圆作为关心域。在该域中对三个热虹吸管建 模一个居中定位，而其它两个与它们其中之一互相隔开60度布置在对称轴线上。热虹吸 管之间的间距为1.5米。在这种基本编译(basic rendition)中仅对导热进行建模。对外部温度使用环境温度模型。这通过从盐湖城国际机场的气象站取得的2006 小时天气数据确定的7参数经验公式建模。该模型为如下两个正弦曲线的迭加，其中A至 G为要调节的7个参数T外=A+B sin(Ct+D)+E sin(Ft+G) 独立变量t为时间(小时)。参数C和F为这些正弦曲线的周期并且分别被设为 2 π /24以代表日温度波动和2 π /8760以代表年度季节性温度波动。其它参数通过最小方 差法使用Microsoft Excel中的求解器加载项进行优化。这些参数是A = 285. 3，B = 4. 60， D = 1. 62，E = 13. 44，G = 3. 19。圆的外缘设为无热通量，或隔热边界。其它两个边界为对称平面，也表示为隔热边 界。热虹吸管与土壤的相互作用被建模成修正的对流热通量边界。热通量定义为传热系数 乘以热虹吸管的内壁温度与环境温度之差。 在每个热虹吸管的边缘指定5mm厚的高导热性铝层以对壁面建模。指定热虹吸管 半径(ro)为5cm。当靠近热管的土壤温度大于外部环境空气温度时，将这些边界上的传热 系数设为IX IO8W/(m2-K)，而当情况相反时设为零。虽然不要求，但实际上在那么大的传热 系数的情况下，对冬季期间的热通量建模成似乎热管内侧温度与外部空气温度相同。在对冬季进行模拟并获得结果之后，在边界面和全部时间步范围内对热通量求积 分以获得每单位热管长度从系统传递的热量。已发现其为2.65X 105kJ/m热虹吸管。任意 地确定空气调节负荷为从土壤传递的热量的85%，其为2. 25X 105kJ/m。通过针对一年中 所有大于295K的T对环境温度函数与室内温度之差求积分并且将其连同热管的周长除以 总负荷2. 25X 105kJ/m来计算传热系数
K
因此，进入土壤的夏季热通量建模为 其中28.45W/(m2K)的总传热系数和温差基于冷却至295K(71° F)的居住空间温 度，并且其中为通过环境温度模型建模的外部温度。使用该总传热系数，可获得用于特 定冷却应用的热虹吸管的总数量和总长度的估计值。针对子域中的温度求解的公式为 在该情形中，子域中无热源，所以Q = 0。各向同性导热率k被建模为温度的函数k = 0.0015. T + 0.7489 - — tan"1 (1000. (Τ — 272.5))
π反正切使得从水至冰的相变期间出现的过渡变得平滑。对子域建模成土壤具有35%孔隙率。因此，土壤密度可被认为是水的密度1000kg/m3和土壤的密度2650kg/m3的体 积加权平均值 同样，热容量Cp可被建模为密度和热容量的乘积的加权平均值除以总密度 其中土壤的热容量Cp,_= 1003. 2J/(kg K)，水的热容量为包括相变和冰的溶解热 在内的温度的函数(中心为273. 15K覆盖 0.2度) 该域的初始温度设为15°C (53. 3° F)。模拟在10月15日开始和结束。全年运行 该模型。绝对最低值(17° F)出现在1月，紧挨着热管的壁。在夏季期间紧挨着热管出现 的最高温度不超过初始状态。可以看出，热管之间的土壤在冬季冻结并且在整个夏季到进 入九月份都保持冻结。将这些结果外推至典型家庭，估计可通过使用相同间距的28个热虹 吸管满足冷却需要。此示例的结果还允许将去向或来自热虹吸管的传热与钻井中环路管道的常规技 术进行对比。将该模拟中获得的结果与Spitler用其软件包GLHEPro对接地环路热交换器 (ground loop heat exchanger)设计获得的结果进行对比。Spitler在该设计工具中使用 的例子具有95. 600MW-hr的总冷却负荷。GLHEPro表明对于该负荷而言将需要3796. 7米的 钻井。这对应于每米钻井25千瓦时的负荷。相比之下，从该模拟获得的结果表明每米热虹 吸管62. 4千瓦时的负荷，其传热增加250%。换句话说，要达到相同的传热，惯常作法的接 地环路热交换器需要2. 5倍于热虹吸管技术的钻井深度量。应该理解，上述布置仅为了说明本申请以阐释本发明的原理。可设计许多变型和 替换布置而不脱离本发明的精神和范围。虽然已在附图中示出并且已在上文中结合目前被 认为是本发明最实用和优选的实施例具体而详细地全面描述了本发明，但本领域普通技术 人员应该清楚，可在不脱离本发明如本文所述的原理和理念的情况下作出许多变型。
权利要求
一种用于加热或冷却构筑物的系统，包括a)与蓄热材料热连通的热虹吸管，所述热虹吸管部分地填充有传热流体；b)热交换器，该热交换器在操作上连接至所述热虹吸管并且与所述构筑物热连通，使得热能能在所述蓄热材料与所述构筑物之间传递；以及c)流体传输设备，该流体传输设备与所述传热流体流体相关并且构造成将所述传热流体引向所述热交换器。
2.根据权利要求1的系统，其中，所述热虹吸管还包括蒸发区域和冷凝区域，所述传热 流体以液相和蒸汽相存在并且与所述蓄热材料热连通，使得所述传热流体能够在所述蓄热 材料与所述蒸发区域或所述冷凝区域之间传递能量。
3.根据权利要求2的系统，其中，所述传热流体选自由水、R134a、氨、乙醇、液化的烃类 气体、钠及其混合物组成的群组。
4.根据权利要求2的系统，还包括在操作上以旁通构造连接至所述热交换器的第二储 存区，所述流体传输设备将所述传热流体从所述热虹吸管传递至所述第二储存区。
5.根据权利要求4的系统，还包括流体连接在所述第二储存区与所述热交换器之间的 第二流体传输设备。
6.根据权利要求1的系统，还包括充装热交换器，该充装热交换器在操作上连接至所 述热虹吸管并且在所述构筑物外部定向，使得热能能在所述蓄热材料与所述充装热交换器 之间传递，该充装热交换器足以充装所述蓄热材料。
7.根据权利要求6的系统，还包括传热屏障系统，该传热屏障系统在操作上连接在所 述蓄热材料与所述热交换器和所述充装热交换器中每一者之间，且该传热屏障系统能选择 性地向所述热交换器和所述充装热交换器中任一者引导传热或从所述任一者引导传热。
8.根据权利要求2的系统，其中，所述热汇为具有大于约10，000，OOOkJ的有效热容量 的冷却储器。
9.根据权利要求8的系统，其中，所述热交换器为蒸发器。
10.根据权利要求2的系统，其中，所述系统构造成加热所述构筑物，所述热交换器为散热器。
11.根据权利要求10的系统，其中，所述热汇为具有大于约30，000，OOOkJ的有效热容量的加热储器。
12.根据权利要求1的系统，其中，所述蓄热材料为一定体积的土壤。
13.一种用于冷却和加热构筑物的系统，包括a)与所述构筑物热连通的冷却系统，所述冷却系统包括i)与第一蓄热材料热连通的第一热虹吸管，所述第一热虹吸管部分地填充有第一传热 流体； )第一热交换器，该第一热交换器在操作上连接至所述第一热虹吸管并且与所述构 筑物热连通，使得热能能在所述第一蓄热材料与所述构筑物之间传递；以及iii)第一流体传输设备，该第一流体传输设备与所述第一传热流体流体相关并且构造 成将所述第一传热流体引向所述第一热交换器；以及b)与所述构筑物热连通的加热系统，所述加热系统包括i)与第二蓄热材料热连通的第二热虹吸管，所述第二热虹吸管部分地填充有第二传热流体；ii)第二热交换器，该第二热交换器在操作上连接至所述第二热虹吸管并且与所述构 筑物热连通，使得热能能在所述第二蓄热材料与所述构筑物之间传递；以及iii)第二体传输设备，该第二流体传输设备与所述第二传热流体流体相关并且构造成 在所述第二热虹吸管内传输所述第二传热流体。
14.根据权利要求13的系统，其中，所述第一和第二热虹吸管还包括蒸发区域和冷凝 区域，所述第一和第二传热流体以液相和蒸汽相存在，并且分别与所述第一和第二蓄热材 料连通，使得所述第一和第二传热流体能够分别在所述第一和第二蓄热材料与所述蒸发区 域或所述冷凝区域之间传递能量。
15.根据权利要求14的系统，其中，所述第二流体传输设备将所述第二传热流体从所 述冷凝区域传递至所述蒸发区域。
16.根据权利要求13的系统，还包括在操作上以旁通构造连接至所述第一热交换器的 第二储存区，所述第一流体传输设备将所述第一传热流体从所述第一热虹吸管传递至所述 第二储存区。
17.根据权利要求13的系统，还包括在操作上连接至所述第一热虹吸管的第一充装热 交换器和在操作上连接至所述第二热虹吸管的第二充装热交换器，其中，每个所述充装热 交换器在所述构筑物外部定向，使得热能能在所述第一蓄热材料与所述第一充装热交换器 之间传递，所述第一充装热交换器足以充装所述第一蓄热材料，并且使得热能能在所述第 二蓄热材料与所述第二充装热交换器之间传递，所述第二充装热交换器足以充装所述第二 蓄热材料。
18.—种在构筑物与构筑物外部之间传递能量的方法，包括a)通过使用传热流体在所述构筑物与蓄热材料之间形成热梯度而充装所述蓄热材料；以及b)使用容纳所述传热流体的热虹吸管在所述构筑物与所述蓄热材料之间传递热能，其 中所述充装步骤和所述传递步骤中的至少一个使用流体传输设备进行增强。
19.根据权利要求18的方法，其中，所述热虹吸管还包括蒸发区域和冷凝区域，所述传 热流体以液相和蒸汽相存在并且与所述蓄热材料热连通，使得所述传热流体能够在所述蓄 热材料与所述蒸发区域或所述冷凝区域之间传递能量。
20.根据权利要求18的方法，其中，充装所述蓄热材料发生在冬季，从而形成冷却储 器；将热能从所述构筑物传递至所述冷却储器导致对所述构筑物进行冷却。
21.根据权利要求18的方法，其中，充装所述蓄热材料发生在夏季，从而形成加热储 器；将热能从加热储器传递至所述构筑物导致对所述构筑物进行加热。
22.一种用于加热或冷却构筑物的泵辅助热虹吸管加热或冷却系统的设计方法，包括 以下步骤a)获取场地数据，至少包括地热容量、室外环境温度、热虹吸管朝向和构筑物面积；b)使用所述场地数据在蓄热材料与所述构筑物之间作为时间的函数计算热传递以确 定传热性能；c)使用所述传热性能建立泵辅助热虹吸管加热或冷却系统或修改所述场地数据。
23.根据权利要求22的方法，其中，所述计算包括从所述室外环境温度提供依赖于时间的环境温度模型、确定热虹吸管模型、以及使用所述依赖于时间的环境温度模型和所述 热虹吸管模型计算瞬时土壤温度分布。
24.根据权利要求22的方法，其中，所述泵辅助热虹吸管为加热系统。
25.根据权利要求22的方法，其中，所述泵辅助热虹吸管为冷却系统。
全文摘要
本发明提供了用于冷却和/或加热构筑物的系统和方法。一般而言，用于加热或冷却构筑物的系统可包括至少一个与蓄热材料如一定体积的土热壤热连通的热虹吸管。该热虹吸管可部分地填充有传热流体，热交换器在操作上连接至热虹吸管，其与构筑物热连通。取决于系统是在充装或在使用，热能可以以被动模式或有辅助模式在蓄热材料与构筑物之间传递。
文档编号F24J3/08GK101918772SQ200880124005
公开日2010年12月15日 申请日期2008年11月7日 优先权日2007年11月7日
发明者K·S·乌代尔 申请人:犹他州立大学研究基金会