BR102013026684A2 - sistemas geotrocadores incluindo trocadores de calor de fonte terra e métodos relacionados - Google Patents

Abstract

sistemas geotrocadores incluindo trocadores de calor de fonte terra e métodos relacionados. um sistema de geotroca (geoexchange) é provido, incluindo um trocador de calor geotérmico posicionado no selo e um sistema de distribuição acoplado ao trocador de calor geotérmico para a circulação de água através do trocador de calor geotérmico durante uma operação. o sistema de distribuição pode incluir um tubo de suprimento, um tubo de retorno e uma bomba de circulação para a circulação de água através da cavidade de fluido interna do trocador de calor geotérmico através dos tubos de suprimento e de retorno. o sistema de distribuição pode incluir ainda uma válvula de purga para a liberação do gás do sistema de distribuição e um circuito de enchimento que é configurado de modo a reabastecer automaticamente a cavidade de fluido interna do trocador de calor geotérmico com água após o escoamento da água do trocador de calor geotérmico ou uma conversão da água do trocador de calor geotérmico em gás. outros sistemas de geotroca e métodos relacionados são igualmente providos

Description

"SISTEMAS GEOTROCADORES INCLUINDO TROCADORES DE CALOR DE FONTE TERRA E MÉTODOS RELACIONADOS" Fundamentos da Invenção Campo da Técnica A presente invenção refere-se a sistemas de geotroca (geoexchange) incluindo tro-cadores de calor geotérmicos e métodos relacionados que utilizam a terra como um dissipa-dor de calor e/ou fonte de calor.

Descrição da Técnica Relacionada Vários sistemas de geotroca (por vezes referidos como sistemas geotérmicos) são conhecidos, incluindo os sistemas de circuito fechado e os sistemas de poço vertical. Um sistema de geotroca pode ser resumido como um sistema de aquecimento e resfriamento para espaços interiores nos quais a terra é utilizada como uma fonte de calor ao aquecer o espaço interior e/ou um dissipador de calor ao resfriar o espaço interior. Os componentes dos sistemas de geotroca conhecidos tipicamente incluem, entre outras coisas, uma bomba de calor, um trocador de calor geotérmico e um sistema de distribuição. Muitos sistemas de geotroca utilizam um duto de ar para o sistema de distribuição e uma tubulação de polietile-no na terra para o trocador de calor geotérmico. Esses sistemas, no entanto, apresentam uma variedade de falhas e deficiências. Por exemplo, muitos circuitos geotérmicos de sistemas conhecidos são caros, complicados de instalar, requerem produtos químicos tóxicos e são suscetíveis a falhas. Além disso, os sistemas são difíceis para serviço como também difíceis de se expandirem ou aumentarem quando uma capacidade maior de aquecimento ou resfriamento se faz necessária ou desejada. Acredita-se que esses e outros fatores contribuam para a atual subutilização dos sistemas de geotroca e recursos geotérmicos.

Breve sumário da invenção As modalidades descritas no presente documento proveem sistemas de geotroca incluindo trocadores de calor geotérmicos e métodos relacionados que utilizam a terra como um dissipador de calor e/ou fonte de calor de modo a prover uma funcionalidade de aquecimento e/ou resfriamento para residências, prédios ou outras estruturas. Os trocadores de calor geotérmicos são particularmente robustos e facilmente instaláveis e reconfiguráveis de modo a prover sistemas de aquecimento e/ou resfriamento versáteis. Em certas instâncias, os trocadores de calor geotérmicos são providos sob a forma de elementos de fundação profunda, tais como vigas que são direcionáveis ou de outra forma posicionáveis no chão, e que podem servir como elementos de suporte estrutural além de prover funcionalidades de aquecimento e resfriamento. Em adição, em algumas modalidades, um circuito de enchimento é provido no sentido de encher ou carregar automaticamente um circuito geotérmico do sistema com um meio de transferência de calor complementar após o escoamento ou outra perda de tal fluido do circuito geotérmico.

De acordo com uma modalidade, um sistema de geotroca pode ser resumido como incluindo um trocador de calor geotérmico sob a forma de um recipiente metálico que define uma cavidade de fluido interna e um sistema de distribuição acoplado ao trocador de calor geotérmico de modo a circular um meio de transferência de calor (de preferência água) através da cavidade de fluido interna do trocador de calor geotérmico durante uma operação. O sistema de distribuição pode incluir um tubo de suprimento a fim de liberar o meio de transferência de calor para o trocador de calor geotérmico e um tubo de retorno a fim de arrastar o meio de transferência de calor a partir do trocador de calor geotérmico. O sistema de distribuição pode incluir ainda um circuito de enchimento a fim de reabastecer automaticamente o trocador de calor geotérmico com o meio de transferência de calor complementar após o escoamento do meio de transferência de calor a partir do recipiente metálico do mesmo, o qual, em certas instâncias, pode ser propenso ou suscetível a vazamento em uma condição não danificada.

Em certas instâncias, o sistema de geotroca pode ser operável com uma bomba de calor de modo a prover uma funcionalidade de aquecimento e/ou resfriamento, tal como, por exemplo, provier uma funcionalidade de aquecimento e/ou resfriamento para um prédio ou outra estrutura. O sistema de geotroca pode ser configurado de modo a absorver o calor originado do solo durante um modo de aquecimento e/ou rejeitar o calor do solo durante um modo de refrigeração. O tubo de suprimento, o tubo de retorno e o trocador de calor geotérmico podem definir coletivamente um circuito geotérmico, e o circuito de enchimento pode incluir uma válvula de retenção a fim de introduzir uma água extra no circuito geotérmico a partir de uma fonte de água auxiliar em resposta a uma existência de um diferencial de pressão através da válvula de retenção que excede um limite selecionado. A pressão operacional do circuito geotérmico pode diminuir abaixo do limite após um escoamento da água do trocador de calor geotérmico ou uma conversão de água no circuito geotérmico em gás. O lado a montante da válvula de retenção pode ficar em comunicação fluida direta sem interrupção com a água extra a partir da fonte de água auxiliar. O sistema de distribuição pode incluir ainda uma válvula de purga para a liberação do gás do sistema de distribuição. A válvula de purga pode ser posicionada no ou próximo ao ponto mais alto ou elevação no circuito geotérmico. O recipiente metálico do trocador de calor pode ser um elemento de fundação profunda. Por exemplo, o recipiente metálico pode ser um elemento de fundação profunda sob a forma de uma viga ou outro elemento de suporte de carga. O elemento de fundação profunda pode incluir uma estrutura de verruma em uma extremidade inferior do mesmo de modo a aumentar sua capacidade de direcionamento. O elemento de fundação profunda pode incluir ainda uma extremidade de encaixe em uma extremidade superior do mesmo para acoplamento a um sistema direcionador de viga rotativo ou outro sistema de instalação de fundação profunda. O recipiente metálico do trocador de calor geotérmico pode incluir um invólucro de aço tubular e tampas de extremidade de modo a definir um recipiente de fluido substancialmente fechado. O recipiente metálico do trocador de calor geotérmico pode ser um elemento de fundação profunda ou um elemento de suporte de carga, tal como, por exemplo, uma âncora para uma estrutura acima do chão, um suporte de fundação para uma estrutura, ou um elemento de contenção de solo. O recipiente metálico do trocador de calor geotérmico pode compreender uma estrutura tubular dotada de uma superfície externa que faz interface com o chão e uma superfície interna que fica em contato com a água circulada através do trocador de calor geotérmico durante uma operação.

Em certas instâncias, o tubo de suprimento do sistema de distribuição de fluido inclui uma saída a fim de descarregar o meio de transferência de calor para a cavidade de fluido interna do recipiente metálico do trocador de calor geotérmico e o tubo de retorno inclui uma entrada a fim de arrastar o meio de transferência de calor da cavidade de fluido interna do recipiente metálico do trocador de calor geotérmico. Em certas instâncias, a saída do tubo de suprimento e a entrada do tubo de retorno podem, cada uma das mesmas, se situar em uma altura diferente ao longo de um comprimento longitudinal do trocador de calor geotérmico. Em adição, a saída do tubo de suprimento e a entrada do tubo de retorno podem, cada uma das mesmas, se situar dentro de uma porção superior da cavidade de fluido interna do recipiente metálico do trocador de calor geotérmico. Em outras instâncias, a saída do tubo de suprimento e a entrada do tubo de retorno podem, cada uma das mesmas, se situar nas extremidades opostas do trocador de calor geotérmico. A saída do tubo de suprimento e a entrada do tubo de retorno podem ser desviadas de uma extremidade inferior do recipiente metálico do trocador de calor geotérmico de tal modo que uma metade inferior da cavidade de fluido interna do recipiente metálico seja ocupada por apenas uma coluna vertical do meio de transferência de calor.

De acordo com uma outra modalidade, um sistema de geotroca pode ser resumido como incluindo um trocador de calor geotérmico posicionado no solo, o trocador de calor geotérmico compreendendo um recipiente metálico que define uma cavidade de fluido interna, e um sistema de distribuição acoplado ao trocador de calor geotérmico para a circulação de água através do trocador de calor geotérmico durante uma operação. O sistema de distribuição pode incluir um tubo de suprimento, um tubo de retorno, e uma bomba de circulação para a circulação de água através da cavidade de fluido interna do trocador de calor geotérmico através dos tubos de suprimento e de retorno. O sistema de distribuição pode incluir ainda uma válvula de purga para a liberação do gás do sistema de distribuição e um circuito de enchimento que é configurado de modo a reabastecer automaticamente a cavidade de fluido interna do trocador de calor geotérmico com água após o escoamento da água do trocador de calor geotérmico ou uma conversão da água do trocador de calor geotérmico em gás. O sistema de geotroca pode ser operável com uma bomba de calor de modo a prover uma funcionalidade de aquecimento e/ou resfriamento e pode ser configurado de modo a absorver o calor originado do solo durante um modo de aquecimento e/ou rejeitar o calor do solo durante um modo de refrigeração.

De acordo com uma outra modalidade, um método de instalação de um sistema de geotroca pode ser resumido como incluindo a instalação de pelo menos um trocador de calor geotérmico no chão, o trocador de calor geotérmico compreendendo um recipiente metálico dotado de uma superfície externa que faz interface com o chão e uma superfície interna que define uma cavidade de fluido interna; o acoplamento do pelo menos um trocador de calor geotérmico a uma bomba de calor através de um sistema de distribuição de fluido, o sistema de distribuição de fluido incluindo um tubo de suprimento, um tubo de retorno e uma bomba de circulação para a circulação de água através da cavidade de fluido interna do trocador de calor geotérmico durante uma operação para a absorção do calor originado do solo durante um modo de aquecimento e/ou rejeitar o calor do solo durante um modo de refrigeração; e o acoplamento do sistema de distribuição de fluido a uma fonte de água de modo a permitir um reabastecimento automático do trocador de calor com a água extra após uma perda de água. O método pode incluir ainda o acoplamento de uma pluralidade de trocadores de calor geotérmicos à bomba de calor em uma disposição em série, em uma disposição em paralelo ou em uma combinação das mesmas. O método pode incluir ainda a obtenção de dados de desempenho da pluralidade de trocadores de calor geotérmicos e a instalação de um ou mais trocadores de calor geotérmicos complementares no chão e o acoplamento do um ou mais trocadores de calor geotérmicos complementares à bomba de calor com base pelo menos em parte nos ditos dados de desempenho e em uma demanda esperada da bomba de calor. O método pode incluir ainda a instalação de pelo menos um trocador de calor geotérmico complementar no chão e o acoplamento do pelo menos um trocador de calor geotérmico complementar à bomba de calor em resposta a uma mudança na demanda esperada da bomba de calor. A instalação de pelo menos um trocador de calor geotérmico no chão pode incluir o direcionamento do pelo menos um trocador de calor geotérmico no chão com um sistema de instalação, ou o posicionamento do pelo menos um trocador de calor geotérmico em uma cavidade previamente feita no chão.

De acordo com uma outra modalidade, um método de operação de um sistema de geotroca pode ser resumido como incluindo a circulação de água através de um circuito geotérmico a fim de absorver o calor originado do solo durante um modo de aquecimento e/ou rejeitar o calor do solo durante um modo de refrigeração, o circuito geotérmico incluindo pelo menos um trocador de calor geotérmico compreendendo um recipiente de fluido metáli- co dotado de uma superfície externa que faz interface com o chão e uma superfície interna que fica em contato com a dita água durante uma operação; e a introdução de uma água extra no circuito geotérmico após um escoamento de água a partir do pelo menos um trocador de calor geotérmico ou uma conversão da água do circuito geotérmico em gás. O método de operação de um sistema de geotroca pode incluir ainda o distensio-namento do pelo menos um trocador de calor geotérmico e o chão que envolve o pelo menos um trocador de calor geotérmico. O circuito geotérmico pode ser acoplado a uma bomba de calor a fim de trocar calor com um trocador de calor da mesma, e o distensionamento do pelo menos um trocador de calor geotérmico e o chão que envolve o pelo menos um trocador de calor geotérmico pode incluir a circulação de água através do pelo menos um trocador de calor geotérmico com uma bomba de circulação. Durante um distensionamento, a bomba de calor pode ser ativa ou inativa. A circulação de água através do pelo menos um trocador de calor geotérmico com uma bomba de circulação pode incluir a circulação de água através do pelo menos um trocador de calor geotérmico em uma taxa de fluxo volumé-trica menor que uma taxa de fluxo volumétrica média na qual a água é circulada quando a bomba de calor se encontra ativa. O distensionamento do pelo menos um trocador de calor geotérmico e o chão que envolve o pelo menos um trocador de calor geotérmico pode incluir a descarga da água do circuito geotérmico e a introdução de uma água extra no circuito geotérmico com uma temperatura média diferente que a da água descarregada. A introdução de uma água extra no circuito geotérmico após um escoamento de água a partir do pelo menos um trocador de calor geotérmico ou uma conversão da água do circuito geotérmico em gás pode incluir a manutenção automática do circuito geotérmico em uma capacidade operacional apesar de tal perda de água por parte do pelo menos um trocador de calor geotérmico.

Breve descrição das diversas vistas dos desenhos A Figura 1 é uma vista em elevação lateral de um sistema de geotroca incluindo uma pluralidade de trocadores de calor geotérmicos, de acordo com uma modalidade. A Figura 2 é uma vista em elevação lateral de um sistema de geotroca incluindo uma pluralidade de trocadores de calor geotérmicos, de acordo com uma outra modalidade. A Figura 3 é uma vista em elevação lateral de um sistema de geotroca incluindo uma pluralidade de trocadores de calor geotérmicos, de acordo com ainda uma outra modalidade.

Descrição detalhada da invenção Na descrição a seguir, certos detalhes específicos são apresentados a fim de prover um entendimento completo das diversas modalidades apresentadas. No entanto, uma pessoa com conhecimento simples da técnica em questão poderá reconhecer que modalidades podem ser praticadas sem um ou mais desses detalhes específicos, ou com outros métodos, componentes, materiais, etc. Em outras instâncias, estruturas bem conhecidas e dispositivos associados aos sistemas de geotroca e elementos de fundação profunda e métodos de instalação e métodos de uso relacionados não foram mostrados ou descritos em detalhe a fim de evitar descrições pouco claras ou desnecessárias das modalidades.

Por outro lado, a menos que o contexto assim o exija, em todo o relatório descritivo e reivindicações que se seguem, a palavra “compreender” e suas variações, tal como, “compreende” e “compreendendo” deve ser entendida em um sentido amplo e inclusivo, ou seja, como “incluindo, porém não limitado a”. A referência em todo o presente relatório descritivo a “uma modalidade” ou “modalidade” significa que um aspecto, estrutura ou característica particular descrito com relação à modalidade está incluído em pelo menos uma modalidade. Deste modo, as aparências das expressões “em uma modalidade” ou “na modalidade” em vários lugares em todo o presente relatório descritivo não necessariamente se referem indistintamente à mesma modalidade. Além disso, os aspectos, estruturas, ou características particulares descritos no presente documento podem ser combinados de qualquer maneira adequada em uma ou mais modalidades. A Figura 1 mostra uma modalidade exemplar de um sistema de geotroca 10 (por vezes referido como um sistema geotérmico) adequado no sentido de prover uma funcionalidade de aquecimento e/ou resfriamento por meio do uso do chão ou da terra como um dis-sipador de calor durante um modo de refrigeração ou como uma fonte de calor durante um modo de aquecimento. O sistema de geotroca 10 inclui uma pluralidade de trocadores de calor geotérmicos 20 que podem ser posicionados no chão 12 a fim de trocar calor com o mesmo durante uma operação do sistema de geotroca 10.

Em certas instâncias, os trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser direcionados dentro do chão 12 usando um sistema de instalação, o qual pode incluir qualquer um dentre uma variedade de sistemas conhecidos para o posicionamento de um objeto alongado no chão, tal como, por exemplo, os direcionadores de viga mostrados e descritos na Patente dos Estados Unidos N. 6 386 295, na Patente dos Estados Unidos N. 6 942 430 e/ou na Patente dos Estados Unidos N. 7 950 876, todas as quais incorporadas ao presente documento a título de referência. Em outras instâncias, os trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser posicionados no solo 12 dentro de cavidades previamente feitas e recarregados, caso necessário. Os trocadores de calor geotérmicos 20 facilitam a troca de calor entre o chão 12 e um meio de transferência de calor 21 (de preferência água ou essencialmente água) contido e/ou que se desloca através dos trocadores de calor geotérmicos 20. A troca de calor pode acarretar a liberação da energia térmica dos trocadores de calor geotérmicos 20 para o chão 12 e/ou o recebimento de uma energia térmica por parte dos trocadores de calor geotérmicos 20 que é originada do chão 12.

Os trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser estruturas de modo geral alongadas que compreendem um recipiente de fluido 22 com uma extremidade superior 24 e uma extremidade inferior 26. Os trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser instalados de tal modo que as extremidades superiores 24 dos mesmos se estendam ou se projetem acima do chão 12, ou os trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser totalmente enterrados no chão 12. Em certas instâncias, os trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser posicionados com as extremidades superiores 24 projetando-se acima de um fosso ou depressão 14 formada no chão 12. As extremidades superiores 24 dos trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser posicionadas na, próxima ou abaixo da linha de congelamento do chão circundante 12. A profundidade da colocação dos trocadores de calor geotérmicos 20 pode depender das condições climáticas da área na qual o sistema 10 é instalado, das características do solo do chão 12 e/ou da magnitude de uma funcionalidade de aquecimento e/ou resfriamento que se deseja ou se faça necessária.

Cada um dos recipientes de fluido 22 dos trocadores de calor geotérmicos 20 pode compreender um invólucro ou estrutura tubular 30 com tampas de extremidade opostas 34, 36 que definem coletivamente uma cavidade de fluido interna 32. Mais particularmente, cada um dos recipientes de fluido 22 dos trocadores de calor geotérmicos 20 pode incluir um invólucro ou estrutura tubular 30, uma tampa de extremidade superior 34 na ou próxima à extremidade superior 24 do trocador de calor 20 e uma tampa de extremidade inferior 36 na ou próxima à extremidade inferior 26 do trocador de calor 20. Em termos coletivos, o invólucro ou estrutura tubular 30 e as tampas de extremidade opostas 34, 36 podem formar uma estrutura fechada que define a cavidade de fluido interna 32. O invólucro ou estrutura tubular 30 pode ser de modo geral cilíndrico ou pode compreender outras formas prismáticas regulares ou irregulares, tais como, por exemplo, um prisma retangular. Uma parede lateral 42 do invólucro ou estrutura tubular 30 pode incluir uma superfície externa 46 que faz interface com o chão 12 e uma superfície interna 48 que define a cavidade de fluido interna 32 e que fica em contato com o meio de transferência de calor 21 (por exemplo, água) contido e/ou que se desloca através do trocador de calor geotérmico 20 durante uma operação. Desta maneira, o meio de transferência de calor 21 pode ser separado da terra ou solo circundante 12 apenas pela espessura da parede lateral 42.

Os trocadores de calor geotérmicos 20 podem incluir ainda um ou mais recursos a fim de aumentar a capacidade de direcionamento ou de outra forma facilitar a instalação dos trocadores de calor geotérmicos 20 no chão 12. Por exemplo, cada trocador de calor geotérmico 20 pode incluir uma estrutura de.verruma 40 na ou próxima à extremidade inferior 26 do mesmo. Como um outro exemplo, cada trocador de calor geotérmico 20 pode incluir uma disposição ou estrutura de interface 44 na ou próxima à extremidade superior 24 do mesmo de modo a fazer interface com um sistema de instalação, tal como, por exemplo, um direcio- nador de viga. O sistema de instalação pode ter uma interface rotativa projetada de modo a se encaixar na disposição ou estrutura de interface 44 na extremidade superior 24 dos trocadores de calor geotérmicos 20 (ou subseções dos mesmos) de uma maneira a permitir que um torque seja transmitido a partir da interface rotativa para os trocadores de calor geotérmicos 20. Deste modo, a interface rotativa do sistema de instalação e/ou a disposição ou estrutura de interface 44 na extremidade superior 24 do trocador de calor geotérmico 20 pode ter recursos que impedem uma rotação relativa entre os mesmos. Esses recursos podem ser dispostos em um padrão radialmente simétrico de modo a permitir que a extremidade superior 24 se aloje dentro da interface rotativa em qualquer dentre múltiplos ângulos relativos. Tal como mostrado na Figura 1, a disposição ou estrutura de interface 44 pode ter um formato de modo geral poligonal, tal como, porém não limitado a, um formato hexagonal ou octogonal que define uma pluralidade de planos. A interface rotativa do sistema de instalação pode ter uma pluralidade de correspondentes planos ou recursos para receber a disposição ou estrutura de interface 44 de uma maneira similar à de uma chave de soquete que recebe a cabeça de uma porca ou parafuso, por exemplo. O sistema de instalação pode ter um motor ou outro dispositivo que permita a inserção rotativa dos trocadores de calor geotérmicos 20 no chão 12 por meio de uma rotação de indução dos trocadores de calor geotérmicos 20 através da disposição ou estrutura de interface 44. A rotação pode facilitar a penetração no chão 12 dos trocadores de calor geotérmicos 20. O conjunto de instalação pode exercer ainda uma pressão descendente sobre os trocadores de calor geotérmicos 20 simultaneamente com ou separada da rotação no sentido de impelir os trocadores de calor geotérmicos 20 dentro do chão 12. A estrutura de verruma 40 pode, em resposta à rotação, atuar contra a terra circundante de modo a arrastar a extremidade inferior 26 dos trocadores de calor geotérmicos 20 mais fundo para dentro do chão 12 e, desta maneira, facilitar a penetração no chão 12. A tampa de extremidade inferior 36 pode ter um formato de modo geral agudo tal como mostrado, podendo ser triangular, cônico, piramidal, ou coisa do gênero, a fim de ajudar a deslocar a terra debaixo dos trocadores de calor geotérmicos 20 durante a penetração no chão 12. A tampa de extremidade superior 34, a tampa de extremidade inferior 36, a estrutura de verruma 40, e/ou a disposição ou estrutura de interface 44 podem ser peças separadas da parede lateral 42 do invólucro ou estrutura tubular 30, e podem ser fixadas à parede lateral 42 por meio de soldagem, solda forte, rosqueamento, ligação química ou por adesivo, e/ou outros métodos. De maneira alternativa, a parede lateral 42, a tampa de extremidade superior 34, a tampa de extremidade inferior 36, a estrutura de verruma 40 e/ou a disposição ou estrutura de interface 44 podem ser moldadas como uma única peça entre si. Exemplos de tampas de extremidade superior 34, tampas de extremidade inferior 36, estruturas de verruma 40, e/ou disposições ou estruturas de interface 44 que podem ser providos com relação aos trocadores de calor geotérmicos 20 descritos no presente documento, bem como exemplos de sistemas de instalação para a instalação desses trocadores de calor geotérmicos 20 são mostrados e descritos na Patente dos Estados Unidos N. 6 386 295, na Patente dos Estados Unidos N. 6 942 430 e/ou na Patente dos Estados Unidos N. 7 950 876, todas as quais são também incorporadas ao presente documento a título de referência. Os trocadores de calor geotérmicos 20 podem, da mesma forma, incluir quaisquer dentre uma variedade de recursos ou estruturas de instalação e/ou recursos de penetração no solo conhecidos no campo da colocação de fundação profunda, assentamento de tubos, colocação de vigas, ou coisa do gênero.

Em certas modalidades, o invólucro ou estrutura tubular 30 de cada um dos trocadores de calor geotérmicos 20 pode ser uma viga feita de um material com uma condutivi-dade térmica relativamente elevada, tal como, por exemplo, de aço ou outros materiais metálicos. A condução térmica entre a parede lateral 42 do invólucro ou estrutura tubular 30 e o chão 12 pode facilitar a troca de calor entre o chão 12 e cada um dos trocadores de calor geotérmicos 20. A parede lateral 42 do invólucro ou estrutura tubular é também de preferência feita de um material estruturalmente robusto, tal como, por exemplo, aço ou outros materiais metálicos. Isto pode permitir aos trocadores de calor geotérmicos 20 serem direcionados no chão 12 com técnicas que podem ser inadequadas para vigas ou outras estruturas de fundação profunda feitas de outros materiais, tais como, concreto. O aço pode mais efetivamente tolerar padrões de carga de impacto, ou de carga estática que envolvem esforço de tração, ou coisa do gênero. A tensão de ruptura, a resistência à compressão, a elasticidade, a condutividade térmica, a expansão térmica, e a resistência à corrosão podem todas ser levadas em consideração ao se selecionar um material para o invólucro ou estrutura tubular 30.

Em algumas modalidades, o recipiente de fluido 22, que pode ser coletivamente definido pelo invólucro ou estrutura tubular 30 e pelas tampas de extremidade opostas 34, 36, pode ser uma viga de aço ou outra estrutura de fundação profunda. O aço ou outros materiais similares pode prover um grau relativamente alto de condutividade térmica e alta resistência estrutural de modo a permitir que os trocadores de calor geotérmicos 20 provenham uma efetiva troca de calor com o chão 12, bem como provenham um suporte estrutural para uma fundação ou outra estrutura, caso desejado. A capacidade de rejeição e/ou absorção de calor dos trocadores de calor geotérmicos 20 pode ser de modo geral proporcional ao comprimento dos trocadores de calor geotérmicos 20. Em certas instâncias, o recipiente de fluido 22 pode ser formado de múltiplas peças ou seções. De acordo com certas modalidades, por exemplo, uma penetração mais funda no chão 12 pode ser obtida por meio da fixação de múltiplas estruturas tubulares 30 em conjunto de modo a formar os trocadores de calor geotérmicos 20. Por exemplo, os tro- cadores de calor geotérmicos mostrados na Figura 1 incluem, cada um dos mesmos, um recipiente de fluido 22 com dois invólucros ou estruturas tubulares separados 30 acoplados entre si através de um acoplamento 50, tal como, por exemplo, um acoplamento roscado. Em algumas modalidades, dois ou mais invólucros ou estruturas tubulares 30 podem ser acoplados entre si de modo a formar os recipientes de fluido alongados 22, os quais são bem apropriados para penetração no chão 12 em grandes profundidades, ao mesmo tempo mantendo um comprimento de cada invólucro ou estrutura tubular 30 adequado para o transporte, armazenamento, manuseio de material e atividades de instalação.

Os invólucros ou estruturas tubulares separados 30 podem compreender as seções de invólucro que ficam entre cerca de 1,21 metros (quatro pés) e cerca de 12,16 metros (quarenta pés) de comprimento. As seções de tubo podem ter um diâmetro externo na faixa de cerca de 10,16 cm (4 polegadas) a cerca de 55,88 cm (22 polegadas) ou mais. Uma espessura da parede lateral 42 das seções de tubo pode ser entre cerca de 0,64 cm (0,25 polegadas) e cerca de 1,90 cm (0,75 polegadas) ou mais. As seções de invólucro podem compreender um tubo sem emenda DOM e podem ser feitas de aço de alta resistência com uma resistência de escoamento dentre cerca de 80 ksi e 110 ksi. Em outras instâncias, as seções de invólucro podem compreender outros materiais metálicos, incluindo materiais compósi-tos, de uma resistência adequada e propriedades de condutividade térmica para uso como um trocador de calor geotérmico 20 sob a forma de um elemento de fundação profunda, tal como uma viga.

Trocadores de calor geotérmicos mais longos 20 podem penetrar no chão 12 em profundidades relativamente maiores e prover uma maior capacidade de troca de calor, devido à maior área de superfície dos trocadores de calor geotérmicos 20 em contato com o chão 12. Além disso, as profundidades maiores de penetração dos trocadores de calor geo-térmicos 20 podem permitir aos trocadores de calor geotérmicos 20 alcançar recursos subterrâneos que podem aumentar ainda mais a transferência de calor entre o chão 12 e os trocadores de calor geotérmicos 20, tais como, por exemplo, uma água subterrânea corrente.

Mais uma vez, os trocadores de calor geotérmicos 20 podem incluir dois ou mais invólucros ou estruturas tubulares 30 acoplados entre si de modo a formar os recipientes de fluido alongados 22. Os invólucros ou estruturas tubulares separados 30 podem ser acoplados entre si por meio de um acoplamento roscado 50. Exemplos de modalidades de acoplamentos que podem ser usadas são descritos no Pedido de Patente dos Estados Unidos co-pendente N. 13/917 132, depositado em 13 de junto de 2013, o qual é incorporado ao presente documento a título de referência. Evidentemente, outros acoplamentos 50 conhecidos no campo dos elementos de fundação profunda e de instalação de tubos poderão também ser usados. Em certas instâncias, o acoplamento 50 pode ter um formato tubular dimensionado de tal modo que uma extremidade inferior de um invólucro superior dentre os invólucros ou estruturas tubulares adjacentes 30 coopere com a extremidade superior de um invólucro inferior dentre os invólucros ou estruturas tubulares adjacentes 30 de modo a definir uma única cavidade de fluido prismática de modo geral contínua 32.

Os trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser inseridos no chão 12 de uma maneira modular. Mais particularmente, uma seção ou porção inferior 54 de cada trocador de calor geotérmico 20 pode ser inserida no chão 12 primeiramente por meio de rotação, impacto, vibração ou outras técnicas de instalação. A seção ou porção inferior 54 pode ser inserida até uma profundidade que deixa a extremidade superior da mesma exposta acima da superfície do chão 12 ou fosso ou depressão 14. Uma seção ou porção adjacente ou superior 56 de cada trocador de calor geotérmico 20 pode, em seguida, ser fixada à seção ou porção inferior 54 através do acoplamento 50 de modo a ser direcionada no chão por meio de rotação, impacto, vibração ou outras técnicas de instalação até que a maior parte ou toda a seção ou porção adjacente ou superior 56 fique enterrada. Os trocadores de calor geotérmicos 20 podem em seguida ser providos nas posições exemplares mostradas na Figura 1.

Em outras modalidades, um acoplamento removível pode ser provido, o qual pode ser removido da seção ou porção inferior 54 de cada trocador de calor geotérmico 20 depois de a seção ou porção inferior 54 ser inserida no chão 12, e antes da fixação da seção ou porção adjacente ou superior 56. Um acoplamento diferente com um perfil mais baixo (não mostrado) pode em seguida ser usado no sentido de fixar as seções adjacentes 54, 56 entre si. Tal um acoplamento não precisa receber torque ou de outra forma ser adaptado para fazer interface com um sistema de instalação de viga, por exemplo, e, sendo assim, não precisa ter a disposição ou estrutura de interface 44 mostrada na modalidade exemplar da Figura 1. Por conseguinte, tal um acoplamento pode ter um diâmetro menor, e, deste modo, apresentar uma menor resistência à penetração no chão 12, desta maneira aumentando a capacidade de direcionamento do trocador de calor geotérmico 20. Tal um acoplamento de perfil baixo pode ser fixado ao invólucro ou estrutura tubular 30 de cada seção ou porção 54, 56 através do uso de qualquer um dentre uma ampla variedade de métodos incluindo, por exemplo, soldagem, enroscamento, ligação por adesivo, ligação química, e/ou outros métodos.

Embora as seções 54, 56 de cada trocador de calor geotérmico 20 possam ser direcionadas dentro do chão 12, deve-se também apreciar que em outras modalidades, outros métodos de instalação podem ser usados. Por exemplo, em certas instâncias, cavidades previamente furadas podem ser feitas no chão no sentido de receber os respectivos trocadores de calor geotérmicos 20 e recarregados, caso desejado ou necessário.

Os trocadores de calor geotérmicos 20 descritos no presente documento podem ser usados em qualquer aplicação na qual seja desejável rejeitar o calor do solo 12 e/ou receber o calor originado do solo 12. Tais aplicações incluem, porém não se limitam ao aquecimento e resfriamento de prédios e outras estruturas. Além disso, certas atividades, tais como, por exemplo, certos processos de fabricação, podem gerar um calor residual que precisa ser rejeitado. Os trocadores de calor geotérmicos 20 descritos no presente documento podem ser usados de modo a prover um dissipador de calor para tais atividades.

Ainda com referência à Figura 1, o sistema de geotroca 10 pode incluir ainda uma bomba de calor 60 ou outro aparelho que é conectado aos trocadores de calor geotérmicos 20. Tal uma bomba de calor pode ser usada para aquecer e/ou resfriar um prédio ou uma estrutura, tal como, por exemplo, uma residência, um escritório, ou uma instalação industrial. A bomba de calor 60 pode realizar esse efeito por meio do uso de um ciclo de refrigeração a fim de rejeitar o calor para o meio de transferência de calor 21 ou arrastar o calor do meio de transferência de calor 21, dependendo se um resfriamento ou aquecimento é desejado.

Tal como mostrado e previamente descrito, cada trocador de calor geotérmico 20 compreende um recipiente de fluido 22 dotado de um invólucro ou estrutura tubular 30 com tampas de extremidade opostas 34, 36 que definem coletivamente uma cavidade de fluido interna 32. A cavidade 32 pode ter uma extremidade superior 33 próxima à extremidade superior 24 do trocador de calor geotérmico 20 e uma extremidade inferior 35 próxima à extremidade inferior 26 do trocador de calor geotérmico 20. O meio de transferência de calor 21 pode ser posicionado dentro da cavidade 32, e pode encher total ou substancialmente a cavidade 32 durante uma operação. O meio de transferência de calor 21 de preferência consiste de água ou essencialmente água, mas em certas instâncias pode incluir sedimento, outras partículas estranhas inócuas e/ou aditivos ambientalmente amigáveis. O uso de refrigerantes contendo glicol etilênico ou outra matéria potencialmente danosa ao ambiente deve ser evitado de modo a não arriscar o vazamento ou infiltração de tal matéria para o chão circundante 12 ou para a água subterrânea.

Embora o invólucro ou estrutura tubular 30 e as tampas de extremidade opostas 34, 36 possam definir coletivamente um recipiente de fluido de modo geral fechado 22, o recipiente 22 pode, no entanto, se tornar propenso ou suscetível a vazamento, tal como representado pelas áreas do meio de transferência de calor canalizado 21 rotuladas com a referência numérica 58. O vazamento do meio de transferência de calor 21 pode ocorrer, por exemplo, em várias juntas que podem ser providas na estrutura dos trocadores de calor geotérmicos 20, tais como, por exemplo, a junta entre as seções adjacentes 54, 56 do recipiente de fluido 22 ou as juntas entre as tampas de extremidade opostas 34, 36 e o invólucro ou estrutura tubular 30. Com vantagem, os recipientes de fluido 22 podem ser construídos sem se preocupar com o estabelecimento de um recipiente totalmente hermético a fluidos, uma vez que os sistemas e os métodos descritos no presente documento podem responder pelo vaza- mento ou outra perda do meio de transferência de calor 21. Isto pode reduzir a complexidade e o custo de fabricação, bem como a instalação. Por exemplo, a precisão com a qual as seções 54, 56 do invólucro ou estrutura tubular 30 podem ser alinhadas e combinadas durante a instalação é reduzida, deste modo permitindo a instalação de uma forma mais conveniente. A superfície interna 48 do invólucro ou estrutura tubular 30 pode definir a maior parte do limite da cavidade de fluido interna 32, e pode ter uma cobertura resistente à corrosão ou outro tratamento que ajuda a prevenir a corrosão da superfície interna 48. Se desejado, as superfícies internas da tampa de extremidade inferior 36 e/ou da tampa de extremidade superior 34 podem ser similarmente revestidas ou de outra forma tratadas.

Mais uma vez, de acordo com modalidades preferidas, o meio de transferência de calor 21 é água ou essencialmente água. A água é facilmente obtida e não causa dano ao chão 12 ou ao ambiente circundante quando descarregada em quantidades limitadas. Por conseguinte, uma vedação estrita não precisa ser mantida entre a cavidade de fluido interna 32 de cada trocador de calor geotérmico 20 e o ambiente circundante. No caso de um pouco de água vazar dentro do chão 12 dos trocadores de calor geotérmicos 20, a mesma pode ser automaticamente reabastecida. A tampa de extremidade superior 34 pode definir uma vedação com a extremidade do invólucro ou estrutura tubular 30. No entanto, tal uma vedação pode ser imperfeita e suscetível a vazamento. A tampa de extremidade superior 34 pode, com vantagem, ser removível, refechável, e/ou substituível no sentido de permitir um serviço relativamente fácil dos trocadores de calor geotérmicos 20. O meio de transferência de calor 21 circulado através da cavidade interna 32 de cada trocador de calor geotérmico 20 provê o meio através do qual um calor é trocado entre a bomba de calor 60 e os trocadores de calor geotérmicos 20 e, em última instância, para o chão 12. Quando o meio de transferência de calor 21 (por exemplo, água) circulado através da cavidade interna 32 do trocador de calor geotérmico 20 se encontra em uma temperatura mais elevada que a do chão 12, o calor pode passar do meio de transferência de calor 21 para dentro do invólucro ou estrutura tubular 30. Quando o invólucro ou estrutura tubular 30, que substancialmente define a cavidade de fluido interna 32, é feito de um material com uma condutividade térmica relativamente alta, tal como, por exemplo, de aço, o calor pode ser distribuído rápida e convenientemente ao longo do comprimento longitudinal do invólucro ou estrutura tubular 30, e pode passar para o chão 12 que envolve os trocadores de calor geotérmicos 20. Em contrapartida, quando o meio de transferência de calor 21 circulado através da cavidade interna 32 do trocador de calor geotérmico 20 se encontra em uma temperatura mais baixa do que a do chão 12, o processo pode ocorrer ao inverso, com o calor passando do chão 12 que envolve os trocadores de calor geotérmicos 20 para dentro do invólucro ou estrutura tubular 30 e se distribuindo rápida e convenientemente ao longo do comprimento longitudinal do invólucro ou estrutura tubular 30, e, em última instância, para o meio de transferência de calor 21.

Independentemente se o meio de transferência de calor 21 está recebendo calor ou rejeitando calor, a condutividade térmica relativamente alta do invólucro ou estrutura tubular 30 dos trocadores de calor geotérmicos 20 permite que o calor seja distribuído rápida e eficientemente ao longo de todo o comprimento longitudinal do invólucro ou estrutura tubular 30 independentemente de possíveis diferenciais de temperatura entre os fluidos em vários locais dentro da cavidade de fluido interna 32. Por exemplo, quando o meio de transferência de calor 21 é muito mais quente próximo à extremidade superior 24 do que próximo à extremidade inferior 26 do trocador de calor geotérmico 20, o calor do fluido mais quente próximo à extremidade superior 24 pode passar para a porção adjacente da parede lateral 42, e dali, ser conduzido para a extremidade inferior 26 dos trocadores de calor geotérmicos 20 mais rápida e eficientemente do que o calor poderá de outra forma migrar através do fluido de transferência de calor 21 por si só. Por conseguinte, o comprimento total da parede lateral 42 pode ser ativo para a transferência de calor com o chão circundante 12 mesmo que um pouco do meio de transferência de calor 21 dentro da cavidade de fluido interna não tenha um diferencial de temperatura ideal com relação ao chão 12 que suporta uma eficiente transferência de calor. Por conseguinte, poderá não ser necessário, em certas instâncias, circular todo o meio de transferência de calor 21 contido nos trocadores de calor geotérmicos 20, e em certas instâncias, alguns meios de transferência de calor 21 nos trocadores de calor geotérmicos 20 poderão permanecer estagnados ou relativamente estagnados em toda uma operação com pouco, se algum, efeito apreciável sobre o desempenho de aquecimento e resfriamento. O sistema de geotroca 10 pode incluir ainda um sistema de distribuição de fluido 64 acoplado aos trocadores de calor geotérmicos 20 para a circulação do meio de transferência de calor 21 através das cavidades de fluido internas 32 durante uma operação. Para este fim, o sistema de distribuição de fluido 64 pode incluir um tubo de suprimento 70 a fim de liberar o meio de transferência de calor 21 para os trocadores de calor geotérmicos 20, tal como representado pela seta com a referência numérica 72. O tubo de suprimento 70 pode incluir um ou mais condutos de suprimento de fluido 70a, 70b, 70c, tal como, por exemplo, vários tubos e mangueiras, e tubulações de encaixe associadas 74 e/ou outros componentes de transmissão de fluido para o roteamento do meio de transferência de calor 21 para os trocadores de calor geotérmicos 20 a partir da bomba de calor 60. O sistema de distribuição de fluido 64 pode incluir ainda um tubo de retorno 80 a fim de arrastar o meio de transferência de calor 21 a partir dos trocadores de calor geotérmicos 20, tal como representado pela seta com a referência numérica 82. O tubo de retorno 80 pode incluir um ou mais condutos de retorno de fluido 80a, 80b, 80c, tal como, por exemplo, vários tubos e mangueiras, e tu- bulações de encaixe associadas 84 e/ou outros componentes de transmissão de fluido para o roteamento do meio de transferência de calor 21 para fora dos trocadores de calor geotérmicos 20 para a bomba de calor 60. O meio de transferência de calor 21 pode ser circulado para dentro e para fora da cavidade de fluido interna 32 de cada trocador de calor geotérmico 20 através do uso de uma respectiva porção do tubo de suprimento 70, tal como, um respectivo conduto de tubo de suprimento 70a, 70b, 70c, e uma respectiva porção do tubo de retorno 80, tal como, um respectivo conduto de tubo de retorno 80a, 80b, 80c, ambos os quais podendo passar através da tampa de extremidade superior 34. Cada conduto de tubo de suprimento 70a, 70b, 70c pode liberar o meio de transferência de calor 21 para as cavidades de fluido internas 32 dos trocadores de calor 20 através de uma respectiva abertura de tubo de suprimento 76a, 76b, 76c. De maneira similar, cada conduto de tubo de retorno 80a, 80b, 80c pode arrastar o meio de transferência de calor 21 a partir das cavidades de fluido internas 32 dos trocadores de calor geotérmicos 20 através de uma respectiva abertura de tubo de retorno 86a, 86b, 86c. Para cada um dos trocadores de calor 20, a abertura de tubo de retorno 86a, 86b, 86c pode ser posicionada próxima à extremidade superior 33 da cavidade de fluido interna 32, e a abertura de tubo de suprimento 76a, 76b, 76c pode ser posicionada mais baixa que a abertura de tubo de retorno 86a, 86b, 86c, tal como mostrado na Figura 1, por exemplo. Além disso, para cada um dos trocadores de calor 20, o conduto de tubo de retorno 80a, 80b, 80c e as correspondentes aberturas de tubo de retorno 86a, 86b, 86c podem ser dimensionados muito menores que uma seção transversal da cavidade de fluido interna 32 de tal modo que o meio de transferência de calor 21 seja arrastado através de uma passagem que é relativamente estreita (por exemplo, pelo menos várias magnitudes mais estreita) em comparação com o invólucro ou estrutura tubular 30. De maneira similar, para cada um dos trocadores de calor 20, o conduto de tubo de suprimento 70a, 70b, 70c e as correspondentes aberturas de tubo de suprimento 76a, 76b, 76c podem ser dimensionados muito menores que uma seção transversal da cavidade de fluido interna 32 de tal modo que o meio de transferência de calor 21 seja introduzido através de uma passagem que é relativamente mais estreita (por exemplo, pelo menos várias magnitudes mais estreita) em comparação com o invólucro ou estrutura tubular 30. O acoplamento dos respectivos condutos de tubo de suprimento 70a, 70b, 70c e dos condutos de tubo de retorno 80a, 80b, 80c através das tampas de extremidade superiores 34 pode facilitar a instalação dos trocadores de calor geotérmicos 20, uma vez que o chão 12 que envolve os trocadores de calor geotérmicos 20 não precisará ser trabalhado no sentido de assentar os condutos de troca de calor, de entrada, ou de saída que poderão ser, de outra forma, acoplados a um lado dos trocadores de calor 20. Ou seja, em outras modalidades, alguns ou todos os respectivos condutos de tubo de suprimento 70a, 70b, 70c e os condutos de tubo de retorno 80a, 80b, 80c podem ser acoplados ao lado dos trocadores de calor 20 em vez de passar através das tampas de extremidade superiores 34.

De acordo com alguns exemplos, as aberturas de tubo de suprimento 76a, 76b, 76c e as aberturas de tubo de retorno 86a, 86b, 86c de cada trocador de calor geotérmico 20 podem, cada uma das mesmas, se situar dentro de uma porção superior da cavidade de fluido interna 32 do mesmo. A este respeito, as aberturas de tubo de suprimento 76a, 76b, 76c e as aberturas de tubo de retorno 86a, 86b, 86c de cada trocador de calor geotérmico 20 podem ser desviadas de uma extremidade inferior 26 do trocador de calor geotérmico 20 de tal modo que uma metade inferior da cavidade de fluido interna 32 seja ocupada por apenas uma coluna vertical do meio de transferência de calor. Em outras instâncias, as aberturas de tubo de suprimento 76a, 76b, 76c e as aberturas de tubo de retorno 86a, 86b, 86c de cada trocador de calor geotérmico 20 podem ser situadas nas extremidades opostas 24, 26 do mesmo.

No entanto, uma vez que os trocadores de calor 20 compreendem os recipientes de fluido 22 feitos de um material com uma condutividade térmica relativamente alta, tal como, por exemplo, aço, as aberturas de tubo de suprimento 76a, 76b, 76c dentro de cada trocador de calor 20 não precisam se localizar dentro da extremidade inferior 35 da cavidade de fluido interna 32 a fim de prover uma efetiva funcionalidade de transferência de calor. Cada abertura de tubo de suprimento 76a, 76b, 76c pode, em contrapartida, ser posicionada dentro de uma porção superior ou na metade do trocador de calor 20, tal como mostrado na Figura 1. O posicionamento das aberturas de tubo de suprimento 76a, 76b, 76c, desta maneira, pode reduzir o custo dos trocadores de calor geotérmicos 20 e/ou facilitar o serviço dos trocadores de calor geotérmicos 20. Ou seja, cada abertura de tubo de suprimento 76a, 76b, 76c pode ser posicionada dentro da cavidade de fluido interna 32 em qualquer lugar ao longo de uma altura do trocador de calor 20, porém, de preferência, em uma altura diferente que a das correspondentes aberturas de tubo de retorno 86a, 86b, 86c de cada trocador de calor 20. Por exemplo, em algumas modalidades, cada abertura de tubo de suprimento 76a, 76b, 76c pode ser posicionada mais baixo que as correspondentes aberturas de tubo de retorno 86a, 86b, 86c de cada trocador de calor 20. Em modalidades alternativas (não mostradas), o posicionamento pode ser invertido, com cada abertura dé tubo de suprimento 76a, 76b, 76c sendo posicionada mais alto que as correspondentes aberturas de tubo de retorno 86a, 86b, 86c de cada trocador de calor 20. Nesse caso, cada uma das aberturas de tubo de suprimento 76a, 76b, 76c pode ser posicionada na ou próxima à extremidade superior 33 da cavidade de fluido 32 de cada respectivo trocador de calor 20 e cada uma das aberturas de tubo de retorno 86a, 86b, 86c pode ser posicionada abaixo das correspondentes aberturas de tubo de suprimento 76a, 76b, 76c. Em certas instâncias, cada uma das aberturas de tubo de retorno 86a, 86b, 86c se situa próxima à tampa superior 34 a fim de reduzir a cabeça de pressão sobre uma bomba ou bombas de circulação que possam ser usadas para a circulação do meio de transferência de calor 21.

De acordo com algumas modalidades, o tubo de suprimento 70, o tubo de retorno 80 e os trocadores de calor geotérmicos 20 definem coletivamente um circuito geotérmico através do qual o meio de transferência de calor 21 pode ser circulado de modo a prover uma funcionalidade de aquecimento e/ou resfriamento. O circuito geotérmico pode ser considerado um sistema de circuito fechado apesar da possibilidade de vazamento ou de outras perdas de fluido descritas no presente documento. O sistema de distribuição de fluido 64 pode compreender ainda um circuito de enchimento 90 acoplado ao circuito geotérmico no sentido de reabastecer o circuito geotérmico com o meio de transferência de calor complementar 21 após o escoamento ou outra perda do dito meio de transferência de calor 21 a partir dos trocadores de calor geotérmicos 20. Esse reabastecimento, de preferência, ocorre de maneira automática sem a necessidade de acessar, modificar e/ou manualmente manipular o sistema de geotroca 10.

Como um exemplo, o tubo de suprimento 70 pode ser conectado à fonte de meio de troca de calor complementar 92, tal como, por exemplo, a uma tubulação de água municipal ou a um tanque ou reservatório de armazenamento de água. Uma válvula de retenção 94 pode conectar a fonte de meio de troca de calor complementar 90 ao tubo de suprimento 70. Quando o diferencial de pressão entre a fonte de meio de troca de calor complementar 90 e o tubo de suprimento 70 atinge ou excede um determinado limite, a válvula de retenção 94 pode se desencaixar ou abrir de modo a permitir que o meio de troca de calor complementar (por exemplo, água) encha ou recarregue o circuito geotérmico. Um dispositivo de prevenção de refluxo (não mostrado) pode também ser usado no sentido de impedir que o meio de troca de calor 21 venha a refluir para a fonte de meio de troca de calor complementar 92. A fonte de meio de troca de calor complementar 92 pode ser pressurizada no sentido de impelir o meio de transferência de calor 21 (por exemplo, água) para um fluxo para o interior do circuito geotérmico quando o circuito geotérmico experimenta uma queda de pressão suficiente para desencaixar ou abrir a válvula de retenção 94. Por conseguinte, o lado a montante da válvula de retenção 94 pode ficar em comunicação fluida direta sem interrupção com o meio de transferência de calor complementar a partir da fonte de meio de troca de calor complementar 90. Tal fonte de meio de troca de calor complementar 92 adicionalmente ou ainda alternativamente poderá ser conectada ao tubo de retorno 80 ou à outra porção do circuito geotérmico. Em uma ou mais modalidades, a fonte de meio de troca de calor complementar 92 é acoplada ao circuito geotérmico próximo à localização de uma bomba de circulação que é usada para a circulação do meio de transferência de calor 21 através do um ou mais trocadores de calor geotérmicos 20. O sistema de distribuição de fluido 64 pode incluir ainda uma válvula de purga 96 conectada ao circuito geotérmico, tal como, por exemplo, ao longo de uma porção do tubo de suprimento 70 ou do tubo de retorno 80, tal como mostrado na Figura 1. A válvula de purga 96 pode ser projetada para a liberação do gás do circuito geotérmico que pode ser gerado através da conversão de uma porção do meio de transferência de calor 21 em um estado gasoso. A válvula de purga 96 pode incluir uma válvula de retenção que libera gás com base em uma pressão relativa, ou pode ter um tubo de ventilação ou outro aparelho que expele o gás do circuito geotérmico. A válvula de purga 96 pode ser posicionada no ou próximo ao ponto mais alto ou à elevação mais alta no circuito geotérmico. A bomba de calor 60 (ou aparelho similar) pode receber o meio de transferência de calor 21 através do tubo de retorno 80 e pode receber calor do ou rejeitar calor para o meio de transferência de calor 21 utilizando um trocador de calor da mesma. A bomba de calor 60 pode, portanto, direcionar o meio de transferência de calor 21 de volta para as cavidades de fluido internas 32 dos trocadores de calor geotérmicos através do tubo de suprimento 70. A bomba de calor 60 pode incluir uma ou mais bombas de circulação (não mostradas) que impelem o meio de transferência de calor 21 para circulação através do circuito geotérmico. Em outras instâncias, uma ou mais bombas de circulação podem ser providas externas à bomba de calor 60. A bomba ou bombas de circulação podem, de maneira alternativa, ser posicionadas dentro dos trocadores de calor geotérmicos 20; no entanto, pode ser vantajoso posicionar a bomba ou bombas de circulação fora dos trocadores de calor geotérmicos 20 no sentido de manter as estruturas alojadas dentro das cavidades de fluido internas 32 da mesma de maneira tão simples quanto possível. Isto poderá facilitar a instalação dos trocadores de calor geotérmicos 20 e/ou facilitar o serviço do sistema de geotroca 10, uma vez que a(s) bom-ba(s) não precisa(m) ser servidas através do acesso comparativamente restrito disponível por meio das extremidades superiores 24 dos trocadores de calor geotérmicos 20. Com efei-., to, em uma ou mais modalidades, as cavidades de fluido internas 32 dos trocadores de calor geotérmicos 20 podem estar livres de qualquer obstrução entre as respectivas aberturas de tubo de suprimento 76a, 76b, 76c e as respectivas aberturas de tubo de retorno 86a, 86b, 86c, desta forma facilitando a instalação dos trocadores de calor geotérmicos 20 e/ou o serviço do sistema de geotroca 10, e permitindo um fluxo relativamente livre do meio de transferência de calor 21 (por exemplo, água) entre as respectivas aberturas de tubo de supri- mento 76a, 76b, 76c e as respectivas aberturas de tubo de retorno 86a, 86b, 86c.

Os trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser adequados para uma fácil expansão de um sistema, permitindo que unidades adicionais sejam instaladas a fim de aumentar a capacidade de transferência de calor do sistema 10 no qual as mesmas estão instaladas. Esses trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser conectados entre si em paralelo, tal como mostrado na Figura 1, em série, ou em uma combinação dessas conexões, tal podem ser acoplados em série por meio de condutos intermediários 71, com esses agrupados em série sendo acoplados em paralelo à bomba de calor 60, tal como mostrado na Figura 2. Desta maneira, os condutos intermediários 71 podem simultaneamente atuar como um tubo de retorno para um trocador de calor geotérmico 20 ou como um tubo de suprimento para um outro trocador de calor geotérmico 20. O meio de transferência de calor 21 pode, em última instância, fluir através de todos os trocadores de calor geotérmicos 20, transferindo calor para o chão circundante 12 em torno de cada um dos trocadores de calor geotérmicos 20.

Embora o sistema de geotroca 10' da Figura 2 seja mostrado com quatro trocadores de calor geotérmicos 20, qualquer número de trocadores de calor geotérmicos 20 pode ser conectado em série, em paralelo, ou em combinações dessas conexões, desde que a bomba ou as bombas de circulação (não mostradas) sejam suficientemente dimensionadas no sentido de induzir o meio de transferência de calor (por exemplo, água) a se deslocar através do circuito geotérmico como um todo definido pelo tubo de suprimento 70, pelo tubo de retorno 80 e pelos trocadores de calor geotérmicos 20.

Com referência às Figuras 1 e 2, com vantagem, um ou mais trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser adicionados aos sistemas de geotroca 10, 10’, e apropriadamente bombeados no sentido de expandir a capacidade de tais sistemas 10, 10'. Por exemplo, quando um sistema 10, 10' é construído e a bomba de calor 60 é operada de modo a servir um propósito específico de aquecimento e/ou resfriamento, a necessidade ou demanda da bomba de calor 60 poderá eventualmente ultrapassar a capacidade inicial dos sistemas 10, 10'. Por exemplo, uma mudança nas condições climáticas ou nos hábitos de uso, uma expansão do espaço aquecido e/ou refrigerado, ou simplesmente um subdimensionamento inicial do sistema 10, 10' poderá levar à necessidade de uma capacidade de aquecimento e/ou resfriamento adicional depois de o sistema 10, 10' ser instalado. Um ou mais trocadores de calor geotérmicos adicionais 20 podem ser convenientemente adicionados, por exemplo, ao se posicionar, inserir ou direcionar um ou mais trocadores de calor geotérmicos adicionais 20 no chão dentro das proximidades dos trocadores de calor geotérmicos 20 previamente instalados. O tubo de suprimento 70 e o tubo de retorno 80 dos trocadores de calor geotérmicos 20 podem, nesse caso, ser conectados ao um ou mais trocadores de calor geotérmicos adicionais 20 em série e/ou em uma disposição em paralelo. A bomba de calor 60 pode, nesse caso, operar com a capacidade de troca térmica adicionada provida pelo um ou mais trocadores de calor geotérmicos adicionais 20.

Embora a conexão dos trocadores de calor geotérmicos 20 em série possa ser relativamente simples, uma disposição paralela ou outra disposição poderá prover maiores efi-ciências de transferência de calor, em certas situações. Em adição a uma disposição em paralelo, múltiplos trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser usados em conjunto em uma ampla variedade de formas. Por exemplo, um conjunto de trocadores de calor geotérmicos independentes 20 pode ser independentemente conectado a uma bomba de calor 60 ou aparelho similar de tal modo que cada um dos trocadores de calor geotérmicos 20 provenha a sua própria troca térmica com a bomba de calor 60. A bomba de calor 60 pode ter múltiplos trocadores de calor internos (não mostrados) para este fim.

Mais uma vez com referência à Figura 2, o sistema 10' pode ter uma tubulação de suprimento 74 conectada à bomba de calor 60 por meio da seção do tubo de suprimento 70. Os condutos de tubo de suprimento 70a e 70b podem passar da tubulação de suprimento 74 para os respectivos trocadores de calor geotérmicos 20 ou grupos dos mesmos. Deste modo, o meio de transferência de calor 21 a partir da bomba de calor 60 pode passar diretamente para cada um dos grupos paralelos de trocadores de calor geotérmicos 20. Isto pode ajudar a garantir que o meio de transferência de calor 21 recebido em cada um dos agrupamentos paralelos de trocadores de calor geotérmicos 20 fique em um diferencial de temperatura suficiente com relação ao chão circundante 12 de modo a permitir uma eficiente transferência de calor através desse agrupamento de trocadores de calor geotérmicos 20.

Quando desejado, o sistema 10' pode ter ainda válvulas de tubo de suprimento (não mostradas) conectadas a cada um dos condutos de tubo de suprimento 70a, 70b que se dirigem para os trocadores de calor geotérmicos 20. As válvulas de tubo de suprimento podem ser usadas para controlar o fluxo do meio de transferência de calor 21 através de cada um dos condutos de tubo de suprimento 70a, 70b, e, deste modo, a proporção do meio de transferência de calor 21 que flui para cada um dos agrupamentos de trocadores de calor geotérmicos 20. Isto pode ser feito de modo a equilibrar apropriadamente a transferência de calor que ocorre em cada um dos grupos paralelos de trocadores de calor geotérmicos 20. Por exemplo, quando um grupo dos trocadores de calor geotérmicos 20 é descoberto de modo a prover uma taxa menor de transferência de calor que os demais, talvez devido às formações subterrâneas circundantes ou a outros fatores, a válvula de tubo de suprimento associada poderá ser ajustada de modo a reduzir o fluxo do meio de transferência de calor 21 para aquele grupo de trocadores de calor geotérmicos 20. Isto pode permitir que os outros trocadores de calor geotérmicos 20 recebam uma parte maior do fluxo do meio de transferência de calor 21 a partir da bomba de calor 60, deste modo tornando mais efetivo o uso dos trocadores de calor 20 que operam com maiores capacidades de transferência de calor.

As válvulas de tubo de suprimento podem também ser usadas para fechar totalmente o fluxo do meio de transferência de calor 21 para um ou mais dentre os trocadores de calor geotérmicos 20, deste modo desconectando efetivamente esses trocadores de calor geotérmicos 20 do sistema 10'. Isto pode ser feito de modo a permitir o serviço daquele trocador de calor geotérmico 20 ou grupo de trocadores de calor geotérmicos paralelos 20, ou desconectar permanentemente qualquer trocador de calor geotérmico 20 ou grupo que não mais se faz necessário ou que se tornou irreparavelmente danificado.

De maneira similar, o sistema 10' pode ter uma tubulação de retorno 84 conectada à bomba de calor 60 por meio de uma seção do tubo de retorno 80. Os condutos de tubo de retorno 80a, 80b a partir de cada um dos grupos paralelos de trocadores de calor geotérmicos 20 podem transportar o meio de transferência de calor 21 dos trocadores de calor geotérmicos 20 para a tubulação de retorno 84, na qual os meios de transferência de calor 21 de todos os trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser combinados entre si e transportados para a bomba de calor 60 através da porção restante do tubo de retorno 80.

As válvulas de tubo de retorno (não mostradas) podem ser providas sobre cada um dos condutos de tubo de retorno 80a, 80b. As válvulas de tubo de retorno podem ser usadas em adição a ou no lugar das válvulas de tubo de suprimento acima apresentadas, e podem ainda permitir o ajuste do fluxo do meio de transferência de calor 21 através de cada um dos grupos paralelos de trocadores de calor geotérmicos 20. As válvulas de tubo de retorno podem também ser usadas em conjunto com as válvulas de tubo de suprimento no sentido de efetivamente desconectar um trocador de calor geotérmico 20 do sistema 10' tal como acima descrito.

Tal como previamente mencionado, os trocadores de calor geotérmicos 20 descritos no presente documento podem ser usados de modo a prover um suporte estrutural em adição à troca térmica com o chão 12. Deste modo, os trocadores de calor geotérmicos 20 podem servir como elementos de suporte de carga de vários sistemas. De acordo com várias modalidades, esses trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser usados no sentido de suportar uma fundação 99 de uma estrutura acima do chão 98, tal como mostrado na Figura 2, ancorar uma estrutura acima do chão, e/ou servir como um componente de um conjunto de contenção de solo, tal como mostrado na Figura 3.

Com referência à Figura 2, o sistema de geotroca exemplar 10' inclui quatro troca-dores de calor geotérmicos 20 usados de modo a suportar uma porção de uma fundação 99 de uma estrutura acima do chão 98, e de modo a prover aquecimento e/ou resfriamento para um espaço no interior da estrutura 98, tal como, através de um sistema de ar forçado ou sistema de aquecimento radiante acoplado à bomba de calor 60. A estrutura acima do chão 98 pode ser qualquer uma dentre uma ampla variedade de prédios incluindo, porém não limitado a uma residência, um escritório, uma instalação industrial, um armazém, um edifício comercial, etc. A estrutura 98 pode ter uma fundação 99, que pode ser feita de concreto, metal, ou qualquer outro material. A fundação 99 ilustrada na Figura 2 é simplesmente ilustrativa. A fundação 99 suportada pelos trocadores de calor geotérmicos 20, de acordo com modalidades da presente invenção, pode assumir uma variedade de formas configurações. A fundação 99 pode estar acima do chão, ou pode, em outras modalidades, estar sob o chão. Por conseguinte, a extremidade superior 24 de cada um dos trocadores de calor geotérmicos 20 pode ficar exposta acima da superfície do chão 12 ou dentro de um fosso ou depressão 14, ou pode ser enterrada de modo que a totalidade de cada um dos trocadores de calor geotérmicos 20 fique abaixo da superfície do chão 12. Nos aparelhos de fundação profunda ou coisa do gênero, cada um dos trocadores de calor geotérmicos 20 pode ser enterrado muitos pés abaixo da superfície do chão 12.

Em outras modalidades alternativas, as extremidades superiores 24 dos trocadores dé calor geotérmicos 20 podem ficar mais expostas do que o mostrado na Figura 2. Por exemplo, quando a estrutura 98 deve ser suspensa mais acima da superfície do chão 12, poderá ser desejável fazer com que os trocadores de calor geotérmicos 20 se estendam até uma altura maior acima do chão 12. Tal disposição pode diminuir a capacidade de os trocadores de calor geotérmicos 20 transferirem calor para ou a partir do chão 12 devido à menor área de superfície do chão 12 em contato com os trocadores de calor geotérmicos 20, embora possa ainda ser desejável atender a uma necessidade estrutural. A estrutura 98 pode ser aquecida e/ou resfriada através do uso de uma bomba de calor 60 ou aparelho similar que é conectado aos trocadores de calor geotérmicos 20 através do uso do tubo de suprimento 70 e do tubo de retorno 80. Mais uma vez, os trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser conectados à bomba de calor 60 em série, em paralelo, tal como mostrado na Figura 1, ou em uma combinação de conexões em série e em paralelo, tal como mostrado na Figura 2. Deste modo, a bomba de calor 60 pode receber aquecer calor do ou rejeitar calor para o chão 12 através dos trocadores de calor geotérmicos 20, os quais servem também como braços de suporte de carga estruturais sobre os quais a fundação 99 da estrutura 98 é colocada. A bomba de calor 60 ou aparelho similar pode prover aquecimento e/ou resfriamento para a estrutura 98 através do uso de uma variedade de sistemas. Um fluido, tal como ar, água, um refrigerante, ou coisa do gênero, pode ser circulado através de pelo menos uma porção da estrutura 98 a fim de aquecer ou resfriar o interior da estrutura 98. Como um exemplo, os sistemas de geotroca 10, 10' acima descritos e os trocadores de calor geotérmicos associados 20 podem ser usados com outros tipos conhecidos de sistemas de aquecimento ou resfriamento, incluindo os sistemas de ar forçado, de aquecimento e resfriamento hidrônicos e radiantes.

Em algumas modalidades, um ou mais trocadores de calor geotérmicos 20 podem servir como âncoras para uma estrutura, tal como, por exemplo, uma ponte ou viaduto. A estrutura pode abranger um fosso ou outro recurso natural. A estrutura pode ter uma extensão horizontal abrangendo um fosso. A extensão horizontal pode ter uma estrada, uma ferrovia, um passeio, ou coisa do gênero. A estrutura pode ter ainda outros componentes que provêem suporte para a extensão horizontal. Tais componentes podem incluir suportes verticais, que podem ser posicionados sobre ambas as extremidades da extensão horizontal, e um conjunto de suporte que suporta o comprimento da extensão horizontal através dos suportes verticais. A estrutura pode ser uma ponte do tipo elevadiça, ou qualquer uma dentre uma ampla variedade de estruturas que podem se beneficiar de uma ancoragem no chão 12. A estrutura pode se assentar diretamente sobre os trocadores de calor geotérmicos 20 de uma maneira similar à da estrutura 98 mostrada na Figura 2. De maneira alternativa, a estrutura poderá não se assentar sobre os trocadores de calor geotérmicos 20, mas sim ser suportada pelos trocadores de calor geotérmicos 20 através dos tubos de ancoragem que se estendem a partir das extremidades superiores 24 dos trocadores de calor geotérmicos 20 até os topos dos suportes verticais ou outros elementos ou recursos de suporte. Os tubos de ancoragem podem, deste modo, servir como conectores que prendem os suportes verticais , em uma orientação desejada, equilibrando o momento de flexão interno que pode ser exer- cido sobre os suportes verticais.

Em adição à provisão de um suporte estrutural, os trocadores de calor geotérmicos 20 podem facilitar a dissipação de energia térmica da estrutura para o chão 12, ou podem ser conectados a uma bomba de calor 60 ou aparelho similar que pode servir uma função útil, tal como, estruturas de aquecimento e/ou resfriamento sobre ou adjacentes à estrutura suportada. Com vantagem, pontes, estradas, calçadas e outras estruturas nas proximidades da estrutura suportada poderão ser aquecidas para degelo ou outros fins.

Em adição a pontes e passeios, os sistemas e os métodos descritos no presente documento podem ser usados de modo a prover um suporte estrutural e/ou transferência térmica para uma ampla variedade de estruturas. Tais estruturas incluem, porém não se limitam a prédios residenciais, prédios de escritórios, prédios industriais, edifícios comerciais, antenas, chaminés, postes de rua, torres, ou coisa do gênero. A seguir, com referência à Figura 3, um sistema de geotroca 10" é mostrado incluindo um trocador de calor geotérmico 20 que serve como um elemento de contenção de solo. Tal como mostrado na Figura 3, o trocador de calor geotérmico 20 pode ser inserido no chão 12 próximo a um volume de solo que precisa ser contido. Outros trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser providos de uma maneira espaçada entre si, e podem servir como pontos de extremidade e/ou âncoras de barreiras sob a forma de uma parede 100 ou outro dispositivo de contenção que aumentar a distância entre tais trocadores de calor geotérmicos 20. A parede 100 pode ter uma superfície voltada para o solo que se sobrepõe ao solo a fim de ajudar a manter o solo em uma posição desejada. Se desejado, o sistema de geotroca 10 pode definir um segmento de uma parede de contenção ou outro sistema maior de contenção de solo com muitos trocadores de calor geotérmicos 20. Tais trocadores de calor geotérmicos 20 podem ou não ser dispostos em uma linha reta e podem ou não ser orientados em uma disposição vertical. Os trocadores de calor geotérmicos 20 podem pro- ver um suporte estrutural que mantém a parede de contenção no lugar, deste modo mantendo o solo no lugar. Além disso, os trocadores de calor geotérmicos 20 podem prover uma troca térmica que pode ser usada para fins de aquecimento e/ou resfriamento de uma maneira similar aos demais sistemas de geotroca 10, 10' descritos no presente documento.

Embora as figuras ilustrem o uso de trocadores de calor geotérmicos 20 com uma estrutura ou forma de modo geral comum, as pessoas com conhecimento simples da técnica em questão poderão imediatamente reconhecer que os trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser providos em uma variedade de formas e configurações e que os trocadores de calor geotérmicos 20 de diferentes formas e configurações podem ser combinados e usados em conjunto no mesmo sistema de geotroca. Além disso, os sistemas de geotroca 10, 10', 10" descritos e mostrados no presente documento são representativos, e as pessoas com conhecimento simples da técnica em questão poderão reconhecer que os trocadores de calor geotérmicos 20 e os sistemas de geotroca 10, 10', 10" podem ser usados de modo a prover um suporte estrutural em uma ampla variedade de situações não especificamente mostradas no presente documento.

De acordo com os vários sistemas de geotroca 10, 10', 10" e trocadores de calor geotérmicos 20 descritos no presente documento, um método de instalação de um sistema de geotroca 10, 10', 10" relacionado pode ser provido, o qual inclui a instalação de pelo menos um trocador de calor geotérmico 20 no chão 12 incluindo um recipiente metálico 22 dotado de uma superfície externa 46 que faz interface com o chão 12 e uma superfície interna 48 que define uma cavidade de fluido interna 32. Em certas instâncias, a instalação do pelo menos um trocador de calor geotérmico 20 no chão 12 pode incluir o direcionamento de um ou mais trocadores de calor geotérmicos 20 no chão com, por exemplo, um direcionador de viga ou outro dispositivo ou técnica de instalação de elemento de fundação profunda. Por exemplo, em algumas modalidades, um ou mais trocadores de calor geotérmicos 20 podem ser posicionados no chão em respectivas cavidades previamente perfuradas. O método pode incluir ainda o acoplamento do pelo menos um trocador de calor geotérmico 20 a uma bomba de calor 60 através de um sistema de distribuição de fluido 64. O sistema de distribuição de fluido 64 pode incluir um tubo de suprimento 70, um tubo de retorno 80 e uma bomba de circulação para a circulação de água através da cavidade de fluido interna 32 do trocador de calor geotérmico 20 durante uma operação para a absorção do calor originado do solo durante um modo de aquecimento e/ou rejeitar o calor do solo durante um modo de refrigeração. O método pode incluir ainda o acoplamento do sistema de distribuição de fluido 64 a uma fonte de água 92 de modo a permitir um reabastecimento automático do trocador de calor geotérmico 20 com uma água extra após uma perda de água. A perda de água pode incluir o vazamento do um ou mais trocadores de calor geotér-micos 20 ou uma conversão da água que circula através do um ou mais trocadores de calor geotérmicos em gás. A água pode ser automaticamente reabastecida, por exemplo, por meio de um circuito de enchimento 90 que é acoplado ao tubo de suprimento 70 ou ao tubo de retorno 80 e configurado de modo a descarregar um fluido para os mesmos após uma queda de pressão no circuito geotérmico suficiente para abrir ou desencaixar uma válvula de retenção 94 provida no circuito de enchimento 90. A água pode ser automaticamente reabastecida até que o circuito geotérmico seja carregado para uma pressão operacional desejada. A pressão operacional desejada pode ser uma pressão relativamente baixa na faixa de cerca de 0,35 kgf/cm2 (5 psi) a cerca de 2,45 kgf/cm2 (35 psi), ou de cerca de 1,05 kgf/cm2 (15 psi) a cerca de 1,75 kgf/cm2 (25 psi). O método de instalação pode incluir ainda a obtenção de dados de desempenho de um ou mais trocadores de calor geotérmicos 20 e a instalação de um ou mais trocadores de calor geotérmicos complementares 20 no chão e o acoplamento do um ou mais trocadores de calor geotérmicos complementares 20 à bomba de calor 60 com base pelo menos em parte nos ditos dados de desempenho e em uma demanda esperada da bomba de calor 60. Em outras palavras, os dados de desempenho podem ser obtidos no sentido de avaliar o desempenho corrente de uma instalação de sistema de geotroca existente com relação à demanda esperada da bomba de calor 60 e determinar se um ou mais trocadores de calor geotérmicos adicionais 20 podem ser necessários no sentido de atender à dita demanda. O método pode incluir ainda a seleção de um tamanho e/ou comprimento do dito um ou mais trocadores de calor complementares 20 com base em uma deficiência observada ou calculada do sistema de geotroca em questão.

De acordo com os vários sistemas de geotroca 10, 10', 10" e trocadores de calor geotérmicos 20 descritos no presente documento, um método de operação de um sistema de geotroca 10, 10', 10" relacionado pode ser provido, o qual inclui a circulação de água 21 através de um circuito geotérmico a fim de absorver o calor originado do solo 12 durante um modo de aquecimento e/ou rejeitar o calor do solo 12 durante um modo de refrigeração, o circuito geotérmico incluindo pelo menos um trocador de calor geotérmico 20 compreendendo um recipiente de fluido metálico 22 dotado de uma superfície externa 46 que faz interface com o chão 12 e uma superfície interna 48 que fica em contato com a dita água 21 durante uma operação. O método inclui ainda a introdução automática de uma água extra no circuito geotérmico após um escoamento de água a partir do pelo menos um trocador de calor geotérmico 20 ou uma conversão da água do circuito geotérmico em gás. Desta maneira, o circuito geotérmico pode ser mantido em uma capacidade operacional apesar de tal perda de água por parte do pelo menos um trocador de calor geotérmico. O sistema de geotroca 10, 10', 10" pode ser operado de uma forma periódica ou cíclica e os ciclos podem flutuar em duração em resposta às diferentes demandas e variações no clima além de outros fatores. Durante uma operação, o trocador de calor geotérmico 20 e o chão circundante 12 podem se tornar tensionados devido à transferência de calor entre os mesmos. Por exemplo, durante um modo de refrigeração, a temperatura do trocador de calor geotérmico 20 e do chão circundante 12 pode subir além de níveis desejados devido à rejeição do calor do solo 12. Em contrapartida, durante um modo de aquecimento, a temperatura do trocador de calor geotérmico 20 e do chão circundante 12 pode cair abaixo de níveis desejados devido à retirada do calor originado do solo 12.

Por conseguinte, em certas instâncias, o método de operação do sistema de geotroca 10, 10', 10" pode incluir o distensionamento do trocador de calor geotérmico 20 e do chão 12 que envolve o trocador de calor geotérmico 20. O distensionamento pode fazer com que a temperatura do trocador de calor geotérmico 20 e do chão 12 que envolve o trocador de calor geotérmico 20 se desloque para ou se aproxime de uma temperatura média da terra ou solo nas proximidades do sistema de geotroca 10, 10', 10". O distensionamento do trocador de calor geotérmico 20 e do chão 12 que envolve o pelo menos um trocador de calor geotérmico 20 pode incluir, por exemplo, a circulação de água 21 através do trocador de calor geotérmico 20 com uma bomba de circulação. A água 21 pode ser circulada através do trocador de calor geotérmico 20 em uma taxa de fluxo volumétrica menor que uma taxa de fluxo volumétrica média na qual a água 21 é circulada quando a bomba de calor 60 se encontra ativa. Em outras instâncias, a taxa de fluxo volumétrica pode ser aproximadamente igual à taxa de fluxo volumétrica média na qual a água 21 é circulada quando a bomba de calor 60 se encontra ativa.

Em outras instâncias, o distensionamento do trocador de calor geotérmico 20 e do chão 12 que envolve o trocador de calor geotérmico 20 pode incluir a descarga da água 21 do circuito geotérmico e a introdução de uma água extra no circuito geotérmico com uma temperatura média diferente da água descarregada 21. Por exemplo, quando o circuito geotérmico é tensionado como resultado de operações de resfriamento, a água 21 pode ser descarregada do circuito geotérmico e uma água extra com uma temperatura mais baixa que a da água descarregada 21 pode ser introduzida e circulada de modo a distensionar o trocador de calor geotérmico 20 e o chão circundante 12. A água descarregada pode ser usada para qualquer fim desejado, por exemplo, como água de irrigação. Em contrapartida, quando o circuito geotérmico é tensionado como resultado de operações de aquecimento, a água 21 pode ser descarregada do circuito geotérmico e uma água extra com uma temperatura mais alta que a da água descarregada 21 pode ser introduzida e circulada de modo a distensionar o trocador de calor geotérmico 20 e o chão circundante 12.

Outros aspectos da instalação e/ou operação dos sistemas de geotroca 10, 10', 10" e dos subsistemas dos mesmos tornar-se-ão aparentes ou serão apreciados após uma revisão das características, estruturas e funcionalidades descritas no presente documento.

Além disso, vários aspectos das modalidades acima descritas podem ser combina- dos de modo a prover outras modalidades. Em adição, todas as patentes dos Estados Unidos, publicações de pedido de patente dos Estados Unidos, pedidos de patente dos Estados Unidos, patentes estrangeiras, pedidos de patente estrangeiros e publicações não patentes referidos no presente relatório descritivo e/ou listados na Planilha de Dados de Pedidos, são incorporados ao presente documento a título de referência em sua totalidade. Aspectos das modalidades podem ser modificados, quando necessário, no sentido de empregar os conceitos das diversas patentes, pedidos e publicações de modo a prover ainda outras modalidades.

Essas e outras alterações podem ser feitas às modalidades à luz da descrição acima detalhada. Em geral, nas reivindicações a seguir, os termos usados não devem ser construídos no sentido de limitar as reivindicações às modalidades específicas apresentadas no relatório descritivo e nas reivindicações, mas sim devem ser construídos no sentido de incluir todas as modalidades possíveis juntamente com o total âmbito de aplicação dos equivalentes aos quais tais reivindicações têm direito.

REIVINDICAÇÕES

Claims (30)

1. Sistema de geotroca (geoexchange), CARACTERIZADO pelo fato de compreender: - um trocador de calor geotérmico incluindo um recipiente metálico que define uma cavidade de fluido interna; e - um sistema de distribuição acoplado ao trocador de calor geotérmico de modo a circular um meio de transferência de calor através da cavidade de fluido interna do trocador de calor geotérmico durante uma operação, o sistema de distribuição incluindo - um tubo de suprimento a fim de liberar o meio de transferência de calor para o trocador de calor geotérmico, - um tubo de retorno a fim de arrastar o meio de transferência de calor a partir do trocador de calor geotérmico, e - um circuito de enchimento a fim de reabastecer automaticamente o trocador de calor geotérmico com um meio de transferência de calor complementar após o escoamento do dito meio de transferência de calor a partir do recipiente metálico do trocador de calor geotérmico.

2. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de geotroca é operável com uma bomba de calor de modo a prover uma funcionalidade de aquecimento e resfriamento e é configurado de modo a absorver o calor originado do solo durante um modo de aquecimento e rejeitar o calor do solo durante um modo de refrigeração.

3. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o meio de transferência de calor consiste de água ou essencialmente de água.

4. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o tubo de suprimento, o tubo de retorno e o trocador de calor geotérmico definem coletivamente um circuito geotérmico, e pelo fato de que o circuito de enchimento inclui uma válvula de retenção a fim de introduzir uma água extra no circuito geotérmico a partir de uma fonte de água auxiliar em resposta a uma existência de um diferencial de pressão através da válvula de retenção que excede um limite.

5. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o meio de transferência de calor é água e a pressão operacional do circuito geotérmico pode diminuir abaixo do limite após um escoamento da água do trocador de calor geotérmico ou uma conversão de água no circuito geotérmico em gás.

6. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o lado a montante da válvula de retenção fica em comunicação fluida direta sem interrupção com a água extra a partir da fonte de água auxiliar.

7. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o meio de transferência de calor é água e o circuito de enchimento é configurado de modo a reabastecer automaticamente o trocador de calor geotérmico com a água extra após um escoamento da água do trocador de calor geotérmico ou uma conversão da água do trocador de calor geotérmico em gás.

8. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de distribuição inclui ainda uma válvula de purga para a liberação do gás do sistema de distribuição.

9. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o recipiente metálico do trocador de calor é um elemento de fundação profunda.

10. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o elemento de fundação profunda é uma viga que inclui pelo menos uma dentre uma estrutura de verruma em uma extremidade inferior do mesmo e uma extremidade de encaixe em uma extremidade superior do mesmo para acoplamento a um sistema direcionador de viga rotativo.

11. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o recipiente metálico do trocador de calor geotérmico inclui um invólucro de aço tubular e tampas de extremidade de modo a definir um recipiente de fluido substancialmente fechado.

12. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o recipiente metálico do trocador de calor geotérmico é um elemento de suporte de carga selecionado dentre o grupo que consiste de: - uma âncora para uma estrutura acima do chão; - um suporte de fundação para uma estrutura; e - um elemento de contenção de solo.

13. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o tubo de suprimento inclui uma saída a fim de descarregar o meio de transferência de calor para a cavidade de fluido interna do recipiente metálico do trocador de calor geotérmico, e o tubo de retorno inclui uma entrada a fim de arrastar o meio de transferência de calor da cavidade de fluido interna do recipiente metálico do trocador de calor geotérmico, e pelo fato de que a saída do tubo de suprimento e a entrada do tubo de retorno são, cada uma das mesmas, posicionadas em uma altura diferente ao longo de um comprimento longitudinal do trocador de calor geotérmico.

14. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato de que a saída do tubo de suprimento e a entrada do tubo de retorno são, cada uma das mesmas, posicionadas dentro de uma porção superior da cavidade de fluido interna do recipiente metálico do trocador de calor geotérmico.

15. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pe- Io fato de que o meio de transferência de calor é água, e a saída do tubo de suprimento e a entrada do tubo de retorno são desviadas de uma extremidade inferior do recipiente metálico do trocador de calor geotérmico de tal modo que uma metade inferior da cavidade de fluido interna do recipiente metálico seja ocupada por apenas uma coluna de água vertical.

16. Sistema de geotroca, CARACTERIZADO pelo fato de compreender: - um trocador de calor geotérmico posicionado no solo, o trocador de calor geotérmico compreendendo um recipiente metálico que define uma cavidade de fluido interna; e - um sistema de distribuição acoplado ao trocador de calor geotérmico para a circulação de água através do trocador de calor geotérmico, o sistema de distribuição incluindo: - um tubo de suprimento, - um tubo de retorno, - uma bomba de circulação para a circulação de água através da cavidade de fluido interna do trocador de calor geotérmico através dos tubos de suprimento e de retorno, - uma válvula de purga para a liberação do gás do sistema de distribuição, e - um circuito de enchimento configurado de modo a reabastecer automaticamente a cavidade de fluido interna do trocador de calor geotérmico com água após o escoamento da água do trocador de calor geotérmico ou uma conversão da água do trocador de calor geotérmico em gás.

17. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de geotroca é operável com uma bomba de calor de modo a prover uma funcionalidade de aquecimento e resfriamento e é configurado de modo a absorver o calor originado do solo durante um modo de aquecimento e rejeitar o calor do solo durante um modo de refrigeração.

18. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que o recipiente metálico do trocador de calor geotérmico compreende uma estrutura tubular dotada de uma superfície externa que faz interface com o chão e uma superfície interna que fica em contato com a água circulada através do trocador de calor geotérmico durante uma operação.

19. Sistema de geotroca, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que o recipiente metálico do trocador de calor geotérmico é pelo menos um dentre um elemento de fundação profunda e um elemento de suporte de carga.

20. Método de instalação de um sistema de geotroca, o método sendo CARACTERIZADO pelo fato de compreender as etapas de: - instalar pelo menos um trocador de calor geotérmico no chão, o trocador de calor geotérmico compreendendo um recipiente metálico dotado de uma superfície externa que faz interface com o chão e uma superfície interna que define uma cavidade de fluido interna; - acoplar o pelo menos um trocador de calor geotérmico a uma bomba de calor através de um sistema de distribuição de fluido, o sistema de distribuição de fluido incluindo um tubo de suprimento, um tubo de retorno e uma bomba de circulação para a circulação de água através da cavidade de fluido interna do trocador de calor geotérmico durante uma operação para a absorção do calor originado do solo durante um modo de aquecimento e/ou para a rejeição do calor do solo durante um modo de refrigeração; e - acoplar o sistema de distribuição de fluido a uma fonte de água de modo a permitir um reabastecimento automático do trocador de calor com uma água extra após uma perda de água.

21. Método, de acordo com a reivindicação 20, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de instalar o pelo menos um trocador de calor geotérmico no chão inclui a instalação de uma pluralidade de trocadores de calor geotérmicos no chão.

22. Método, de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda as etapas de: - acoplar a pluralidade de trocadores de calor geotérmicos à bomba de calor em uma disposição em série, em uma disposição em paralelo ou em uma combinação das mesmas.

23. Método, de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda as etapas de: - obter dados de desempenho da pluralidade de trocadores de calor geotérmicos, e - instalar um ou mais trocadores de calor geotérmicos complementares no chão e acoplar o um ou mais trocadores de calor geotérmicos complementares à bomba de calor com base pelo menos em parte nos ditos dados de desempenho e em uma demanda esperada da bomba de calor.

24. Método, de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda as etapas de: - instalar pelo menos um trocador de calor geotérmico complementar no chão e acoplar o pelo menos um trocador de calor geotérmico complementar à bomba de calor em resposta a uma mudança na demanda esperada da bomba de calor.

25. Método de operação de um sistema de geotroca, o método sendo CARACTERIZADO pelo fato de compreender as etapas de: - circular água através de um circuito geotérmico a fim de absorver o calor originado do solo durante um modo de aquecimento e/ou rejeitar o calor do solo durante um modo de refrigeração, o circuito geotérmico incluindo pelo menos um trocador de calor geotérmico compreendendo um recipiente de fluido metálico dotado de uma superfície externa que faz interface com o chão e uma superfície interna que fica em contato com a dita água durante uma operação; e - introduzir uma água extra no circuito geotérmico após um escoamento de água a partir do pelo menos um trocador de calor geotérmico ou uma conversão da água do circuito geotérmico em gás.

26. Método, de acordo com a reivindicação 25, CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda a etapa de: - distensionar o pelo menos um trocador de calor geotérmico e o chão que envolve o pelo menos um trocador de calor geotérmico.

27. Método, de acordo com a reivindicação 26, CARACTERIZADO pelo fato de que o circuito geotérmico é acoplado a uma bomba de calor a fim de trocar calor com um trocador de calor da mesma, e pelo fato de que o distensionamento do pelo menos um trocador de calor geotérmico e o chão que envolve o pelo menos um trocador de calor geotérmico inclui a circulação de água através do pelo menos um trocador de calor geotérmico.

28. Método, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de circular água através do pelo menos um trocador de calor geotérmico com uma bomba de circulação inclui a circulação de água através do pelo menos um trocador de calor geotérmico em uma taxa de fluxo volumétrica menor que uma taxa de fluxo volumétrica média na qual a água é circulada quando a bomba de calor se encontra ativa.

29. Método, de acordo com a reivindicação 26, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de distensionar o pelo menos um trocador de calor geotérmico e o chão que envolve o pelo menos um trocador de calor geotérmico inclui a descarga da água do circuito geotér-mico e a introdução de uma água extra no circuito geotérmico com uma temperatura média diferente que a da água descarregada.

30. Método, de acordo com a reivindicação 26, CARACTERIZADO pelo fato de que a etapa de introduzir uma água extra no circuito geotérmico após um escoamento de água a partir do pelo menos um trocador de calor geotérmico ou uma conversão da água do circuito geotérmico em gás inclui a manutenção automática do circuito geotérmico em uma capacidade operacional apesar de tal perda de água por parte do pelo menos um trocador de calor geotérmico.