CN102099577B - 热能系统和操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热能系统，其包括第一热系统，第一热系统在使用时具有供暖和/或制冷需求；闭环式地热能系统，所述闭环式地热能系统包括多个埋管换热器，每个埋管换热器含有工作流体；以及中间热泵，所述中间热泵热连接在第一热系统与所述地热能系统之间。每个埋管换热器可以包括细长管子，所述管子具有封闭底端以及在所述底端相互连接的相邻的第一和第二细长管道。特别地，第一热系统是冷藏系统，并且所述闭环式地热能系统提供所述冷藏系统的冷凝器的制冷。

Description

热能系统和操作方法
技术领域
本发明涉及一种热能系统，还涉及一种操作热能系统的方法。本发明特别应用在与冷藏系统(更具体而言，例如用在超市中的大规模冷藏系统)连接或组合的系统中。
背景技术
许多建筑物具有通过建筑物内的系统供暖和/或制冷的需求。例如，供暖、通风和空调(HVAC)系统有时需要增加热量的供应，或者有时候需要制冷，或者两者都需要，即同时供暖和制冷。一些建筑物(例如超市)采用大规模工业冷藏系统，其具有需要恒定冷源的冷凝器，以放出热量。许多这种系统都需要恒定的测温控制以保证有效的运行。无效的运行可能会导致巨大的额外运行成本，尤其对于增大的能源成本。例如典型的超市使用高达其能源的50％来运行冷藏系统，该冷藏系统需要一天运行24小时、一年运行365天；典型的35,000平方英尺的超市每年在电力成本上的花费可达到￡250,000英镑。
利用机械冷藏循环的普通制冷机的效率由许多参数和特性来限定。然而，按照卡诺循环(Carnot Cycle)，任何高效冷藏循环的关键参数是由冷凝水温度(CWT)所确定的散能装置的质量，例如从外部设备供应到冷藏冷凝器的制冷剂的温度。
不应当低估CWT对制冷机性能的重要性，例如，接收CWT约为18℃的恒定制冷剂流的冷藏系统的冷凝器所消耗的电能通常是接收CWT约为29℃的恒定制冷剂流的同等系统所消耗的电能的大约一半。
CWT的质量与从冷藏循环供应到散能装置的总放热(THR)的量之间有紧密的联系，也就是说，随着CWT的增加，需要压缩机作更大的功以满足所需的制冷需求，并且驱动压缩机的额外电能被转换为废热，而废热对于从蒸发器吸收的热量是额外的，从而导致更高的出口温度，所以来自外部设备的制冷剂的返回温度更高。所产生热量的螺旋式增长需要更大的压缩机动力，以在冷藏循环中实现平衡状态。换句话说，除了冷藏循环开始前所存在的任何无效之外，CWT所导致的无效可以使散能装置的运行更加无效。
已经研发出的各种技术正被积极地用于空调(缓和制冷)和冷藏业的冷源。这些技术采用下面描述的不同原理。然而，需要重点注意的是，针对放热的最有效冷源是具有一定稳定温度的外部水源，例如蓄水层的水。然而，平均规模的商业制冷或冷藏系统所需要的水远远多于可持续产生而不会对下层的地下水位造成较大问题的水。因此，这种放热方法是理想的，但是，这已被国家环境机构广泛认为是对环境不负责任的。
例如，已知使用开环式地热系统来放出例如来自冷藏系统的热量，其中采用独立抽水埋管为制冷提供蓄水层的水，并且采用独立的冷源(例如散热芦苇床垫)以将废热从废热产生系统(例如冷藏系统)去除。这种开环式系统可以提供很好的冷源，因为蓄水层的水保持在12～15℃的恒定低温。然而，这种系统也存在问题，它需要抽取极大量的蓄水层的水(例如大型超市冷藏系统每年需要500,000m3蓄水层的水)。
有时，抽取的水在使用后被再次注入与相同或不同蓄水层连通的一个或多个分开的埋管中。然而，这经常可以会造成所谓的“表皮效应”，因为高压下注入的水经常减缓岩层的瓦解，结果是小的岩层颗粒会阻碍地层，从而中断正常的蓄水层流。这会对复杂的地下水位系统的平衡造成极大损坏。
除了蓄水层的水以及例如吸收和热电制冷等罕见方法之外，为放热设计的机械设备主要有四组，它们被积极地应用在缓和制冷和冷藏业中：
1.开路式冷却塔，例如主要利用风扇辅助的蒸发制冷的系统。
2.闭环式冷却塔，其包括涉及有限蒸发式制冷或绝热水蒸发的混杂体系，例如主要利用风扇辅助的显热传递到大气中的干式空气冷却器。
3.远程冷凝器，例如利用改进的反向兰金循环(Rankine Cycle)的外部设备，其中饱和蒸汽在盘管内被压缩到高压，然后由风扇辅助的周围空气流完成制冷阶段，周围空气流经过盘管直到被压缩气体凝结为液体，此时饱和液体通过阀快速流入低压蒸发器以开始新循环。
4.闭环式地下换热器，其包括闭环式湖床换热器，例如在制冷剂与高密度、高热质量和稳定的可预测温度介质之间的显热传递过程。
虽然各组具有各自的优点和缺点，但是到目前为止，针对机械冷藏循环的开路式制冷技术比上面列出的其他三组的技术更为可取。该组技术的主要构思基于被称为“蒸发”的放热方法。由于蒸发制冷技术出众的放热特性和成本的竞争力，几十年来该技术属于主导技术。
蒸发放热设备(例如冷却塔)被用于提供回水温度远远低于利用其他已知放热方法所达到的回水温度。因为蒸发制冷基于持久较低的湿球温度而不是干球大气温度，取决于特定的气候，温差通常为5.5～16.7℃，当系统的制冷能源需求最大时，所以当系统的制冷能量需要最大时，这些设备会经历制冷剂与空气之间更大的ΔT。还很重要的是，蒸发制冷过程涉及显热和潜热传递，由于潜热传递所需的233～349m3/h/kW的空气流少于显热传递设备(即，上面第二组中的闭环式冷却塔)所需的相应风扇动力，所以显热传递起主要作用。
结果，由于与闭路式冷却塔所提供的32～35℃或更高温度相比，从晚春到夏季时节能够提供稳定的CWT(通常处于约28～29℃的温度水平)，因此配有开路式冷却塔的制冷机与配有其他设备的同等制冷机相比平均可以节约30～35％的能量。对于工业规模的制冷设备，这种效率上的显著差异可以确保每年节约几十万英镑。
需要重点注意的是，除了第四组之外，前三组中的所有技术都能够显示出在周围空气温度较低时的冬季月份中性能上的某些改进。
利用蒸发制冷方法的设备的最大问题在于珍贵水源的上升价格和对开路中用水的化学处理的高成本。设计制冷设备耗散1000kW的废热的典型蒸发冷却塔要耗费大约14,500m3水/年。在英国，处理冷却塔的水的平均成本目前超过￡3英镑/m3。
这种成本的增加有时会导致所有者试图减少水处理的操作成本，这样水会被不适当地处理，从而可能会导致致命军团菌病的爆发。
在这些情况中，使用蒸发冷却塔的益处逐渐减小，因为成本节约变得不重要。然而，所描述的消耗更多电能的其他放热方法由于能量成本的增加正在变得更加昂贵(除了地下连接的换热器)。
可以采取一些措施以提高这些技术的效率水平，从而提供高效的放热方法以保证最佳质量的冷源。然而，如果在过去的几十年中不存在这种发展，甚至在能量成本低、资本支出回报快速的年代都不存在这种发展的话，那么今天与水和能量成本有关的新形势将为这些技术的广泛发展和实施制造了几乎不能克服的障碍。
发明内容
本发明提供一种热能系统，其包括第一热系统，第一热系统在使用时具有供暖和/或制冷需求；闭环式地热能系统，所述闭环式地热能系统包括含有工作流体的多个埋管换热器；以及中间热泵，所述中间热泵热连接在第一热系统与所述地热能系统之间。
优选地，每个埋管换热器包括细长管子，所述管子具有封闭底端以及在所述底端相互连接的相邻的第一和第二细长管道。
优选地，第一热系统包括冷藏系统。
更优选地，所述热能系统还可以包括与所述冷藏系统的冷凝器连接并与所述中间热泵连接的至少一个换热器系统，用于从所述冷藏系统回收热能。
优选地，所述闭环式地热能系统包括第一组和第二组埋管换热器，各组与所述中间热泵选择性交替地连接。
更优选地，所述热能系统还可以包括第二热系统，第二热系统与所述地热能系统热连接，其中第一和第二热系统对所述地热能系统分别具有相反的净热能需求。
再更优选地，第一和第二热系统对所述地热能系统分别具有净制冷和供暖的热能需求。
所述热能系统还可以包括控制系统，所述控制系统适用于在连续的交替循环中将所述中间热泵和第二热系统选择性交替地热连接到第一组或第二组埋管换热器。
所述热能系统还可以包括与第一热系统连接并与所述中间热泵连接的至少一个换热器系统，并且其中所述热泵通过所述中间热泵与所述换热器系统之间的第一换热环路和所述热泵与所述地热能系统之间的第二换热环路而热连接在第一热系统与所述地热能系统之间。
优选地，所述地热能系统还包括工作流体的歧管，所述歧管与所述多个埋管换热器连接，并且多个阀连接在所述多个埋管换热器与所述歧管之间，由此通过操作所述阀使所述多个埋管换热器的所述第一和第二管道与所述歧管选择性地连接，从而可操作各组埋管换热器，以沿选定方向使工作流体流过。
优选地，所述阀被设置成允许工作流体沿着所述各埋管换热器的各自第一和第二管道的各自选定方向选择性流经埋管换热器的选定组。
优选地，所述多个埋管换热器从所述细长管子的中枢地面组件向下且横向延伸进入地下，从而限定包围所述多个埋管换热器的所述地热能系统的占地空间，并且其中所述中枢地面组件的覆盖区小于所述地热能系统的占地空间的覆盖区的10％。
所述热能系统还可以包括与所述多个埋管换热器连接的控制模块，用于控制所述阀以在所述多个埋管换热器内选择性地分配工作流体，从而实现所述地热能系统特定的热能分布，并且所述控制模块适用于控制热能供应到第一和第二热系统或从第一和第二热系统供应热能。
与所述多个埋管换热器连接的控制模块，所述控制模块用于控制所述阀从而在所述多个埋管换热器内选择性地分配工作流体，从而实现所述地热能系统特定的热能分布，并且所述控制模块适用于控制热能供应到第一和第二热系统或从第一和第二热系统供应热能。
优选地，所述地热能系统和所述中间热泵位于含有第一和第二热系统的建筑物的外部。
所述热能系统还可以包括工作流体的管道环路，所述管道环路从所述地热能系统延伸到第一热系统并绕过所述中间热泵。
优选地，所述管道环路包括第一和第二进口管道，第一和第二进口管道分别从第一组和第二组埋管换热器延伸到公共温度调节混合阀，并且出口管道从所述温度调节混合阀经过第一热系统延伸回到所述埋管换热器。
所述热能系统还可以包括与所述地热能系统连接的换热器制冷环路，所述换热器制冷环路适用于在选定的埋管换热器内选择性地制冷工作流体。
优选地，所述换热器制冷环路由定时器控制，所述定时器使所述换热器制冷环路在选定时间中运行。
优选地，所述换热器制冷环路适用于将多余热量从其中排到大气。
本发明还提供一种热能系统，其包括冷藏系统，所述冷藏系统在使用时具有制冷需求并包括至少一个冷凝器；闭环式地热能系统，所述闭环式地热能系统包括设置为构成至少一个冷凝器的冷源的含有工作流体的多个埋管换热器；中间热泵，所述中间热泵热连接在至少一个冷凝器与所述地热能系统之间；以及控制系统，所述控制系统适用于在连续的交替循环中将所述中间热泵选择性交替地热连接到第一组或第二组埋管换热器，使得在一个循环中，第一组构成所述冷源，并且在连续的循环中，第二组构成所述冷源。
本发明还提供一种操作热能系统的方法，所述热能系统包括第一热系统，所述方法包括以下步骤：
(a)提供第一热系统，第一热系统具有供暖和/或制冷需求；
(b)提供闭环式地热能系统，所述闭环式地热能系统包括含有工作流体的多个埋管换热器；
(c)提供中间热泵，所述中间热泵热连接在第一热系统与所述地热能系统之间；以及
(d)通过所述中间热泵控制第一热系统与所述地热能系统之间的热连接，从而为第一热系统提供热源或冷源。
第一热系统可以包括冷藏系统，并且所述地热能系统和所述中间热泵被控制而为所述冷藏系统提供冷源。
所述方法还可以包括从所述冷藏系统回收热能并通过连接在所述冷藏系统的冷凝器与所述中间热泵之间的至少一个换热器系统将回收的热能传递到所述中间热泵。
优选地，所述控制步骤将所述闭环式地热能系统至少分成第一组和第二组埋管换热器，各组在所述控制步骤中与所述中间热泵选择性交替地连接。
优选地，所述方法还包括提供第二热系统，第二热系统与所述地热能系统热连接，其中第一和第二热系统对所述地热能系统分别具有相反的净热能需求。
优选地，第一和第二热系统对所述地热能系统分别具有净制冷和供暖的热能需求。
优选地，在所述控制步骤中，所述中间热泵和第二热系统在连续的交替循环中选择性交替地连接到第一组和第二组埋管换热器。
优选地，所述多个埋管换热器与第一和第二热系统选择性地连接，由此可操作各组埋管换热器，以沿选定方向使工作流体流过。
所述方法还可以包括在所述多个埋管换热器内控制工作流体的选择性分配，从而实现所述地热能系统特定的热能分布，并且控制热能供应到第一和第二热系统或从第一和第二热系统供应热能。
所述方法还可以包括提供工作流体的管道环路，所述管道环路从所述地热能系统延伸到第一热系统并绕过所述中间热泵，以及提供分别从第一组和第二组埋管换热器流到公共温度调节混合阀的第一和第二进口流体和从所述温度调节混合阀经过第一热系统流回到所述埋管换热器的具有预定温度的出口流体。
所述方法还可以包括利用与所述地热能系统连接的换热器制冷环路在选定的埋管换热器内选择性制冷工作流体。
优选地，所述选择性制冷由定时器控制，所述定时器使所述换热器制冷环路在选定时间中运行。
优选地，所述换热器制冷环路将多余热量从其中排到大气。
本发明还提供一种操作热能系统的方法，所述热能系统包括具有制冷需求的冷藏系统，所述冷藏系统包括至少一个冷凝器，所述方法包括以下步骤：
(a)提供闭环式地热能系统，所述闭环式地热能系统包括设置为构成至少一个冷凝器的冷源的含有工作流体的多个埋管换热器；
(b)提供中间热泵，所述中间热泵热连接在至少一个冷凝器与所述地热能系统之间；以及
(c)在连续的交替循环中将所述中间热泵选择性交替地热连接到第一组或第二组埋管换热器，使得在一个循环中，第一组构成所述冷源，并且在连续的循环中，第二组构成所述冷源。
特别地，本发明的优选实施例涉及将一个以上的埋管换热器从有限的地面空间扩展进入地层中，然后能够大规模获取低焓地热能，并且还能够选择性地将工业量的多余能量释放到地层中作为热能贮存。埋管换热器经由中间热泵与建筑物中的至少一个热系统连接，热系统具有制冷需求或供暖需求，并且当存在多个热系统时，它们可以具有不同和/或相反的热量需求。更特别地，建筑物中的热系统是对地热系统具有制冷或热量需求减少的冷藏系统。
本发明的优选实施例可以提供与现有和新建造的建筑服务系统精确匹配的低焓、地热能贮存和恢复设备，向工业或社区规模的宽泛范围建筑物提供采暖、制冷、通风和热水服务，具有非常高的效率、低碳排放和紧凑型地面覆盖区。此外，该设备根据相关建筑物随时间变化的供暖和制冷需求可以主要地和选择性地作为热能源、冷源或储热源操作。
该设备还可以在相邻建筑物和设施之间进行热能的有效交换以节约可用能源。此外，该设备还可以包括诸如地下蓄水层、邻近的水库或抽水系统等额外的热能源或冷源，并容易与其他可再生能源和其他供暖或制冷负载结合起来，从而进一步减少总的碳排放量。
本发明的优选实施例利用了与已知地下连接的换热系统相比的多个特别之处，这些不同之处来自于被积极用于放热的其他已知技术、用于直接放热的地下换热器的已知典型应用，并且主要来自于小型至中型的水-水(海水)热泵。
本发明的优选实施例涉及特定类型的同轴地下换热器的使用，即埋管换热器(BHE)，其具有高容量和质流特性、扩大的接触空间、向下流与向上流之间的低热短路、BHE的低热阻和防止热干扰的延伸地下空间。
组合有这种BHE的系统允许岩层上更高的热应力和更高的热回收率，最重要的是，这种类型的BHE为循环工作流体所需的动力相对较低。在排出压力为5m～6.5m且流阻为50kPa～65kPa时，额定功率为1,000kW的这种类型的地下连接系统将需要大约5kW的循环动力以提供高达50kg/sec的质流。这可与相同能力的开路式冷却塔25kW范围内的循环和通风所需的动力需求相比，而成为电能消耗领域中最具有竞争力的技术。
在没有与运行成本有关的其他花费下，这种系统的低动力需求可以允许在本发明的优选实施例中采用额外的中间热泵作为BHE系统与工业制冷机之间的热级变压器。
本发明优选实施例中的中间热泵可以在32～33℃的通常小增量范围下运行(即，热泵更热侧的温度范围，更冷侧与冷凝器直接连接或经由换热系统间接连接)，从而实现在冷藏系统的冷凝器中例如大约18℃的稳定的CWT。这种小增量相应地可以允许实现高的效率，在现有技术中被定义为性能系数(COP)，通常COP为5.1～5.0，与开路式冷却塔提供的基于CWT的相似制冷机的性能相比，能量节约高达50％。
在这种使用中间热泵的系统中，本发明优选实施例的地热系统可以包括顺次交替运行的BHE的两个集库，其具有开/关操作规程，例如12小时关闭，然后12小时打开。也可以采用其他时间。在打开时，由于热能从冷藏系统排放到集库，所以集库的工作流体温度升高，而在关闭时，由于热能从集库进入更低温度(通常地下温度是18℃)的相邻岩层，所以集库的工作流体温度降低。对于通常的岩层条件，在关闭时，各集库的温度可以通过降低到23℃的水平(提供6.3的COP以实现18℃的CWT)而恢复，而在前面和后面的打开时，在12小时的集库任务结束时，各集库的温度可以升高到23℃的水平(提供5.2的COP以实现18℃的CWT)。这种配置中的平均COP可以在COP 5.6的水平，并假定为总放热(THR)的典型比率。
然而，由于冷凝器显著降低的CWT和中间热泵运行的高效规程，所以来自冷藏系统的THR量可能会显著减少，从而允许在地下连接系统的总能力和放热有关的整体运行成本方面进一步节约。
BHE的交替集库(例如两个集库)的设置也可以允许在通常12小时的静止阶段中使用“静止”集库，其含有需要在被用于至少部分地满足同一建筑物的供暖需求的下一个运行阶段(通常也为12小时)之前被冷却的高温工作流体，因为这种BHE的静止集库包括有利温度下的热能以实现供暖或提供饮用热水的目的。假设存在热量需求并且能够用另一个热泵来满足建筑物的这种供暖需求，那么为了供暖目的，可以重复由高COP所代表的小增量，同时在静止模式中对集库的回收提供辅助。
在冬季月份，常常可以看到与冷藏或制冷的缩减需求相比过度的供暖需求。在所有这些情况中，BHE的静止集库可以对建筑物的HVAC系统给出比在其先前制冷任务中所排出的更多的能量。这可由BHE的工作流体表示，该工作流体的温度比冷藏系统在新的制冷轮换开始时所需的温度还要低。利用温度低于特定系统所需温度的工作流体不一定有好处，因为这可能会造成冷藏设备能力的损失。在这种情况下，系统内安装有温度调节混合阀，其可通过从先前所服务的冷藏系统的集库的自动能量供给而提供规定的CWT。这可以通过以下实现：设置从BHE到冷藏系统的管线，它绕过中间变压器热泵并包括温度调节混合阀以混合两种工作流体，一种流体在相对较低温度下从操作集库流出，另一种流体在相对较高温度下从静止集库流出。温度调节混合阀控制两个流量，从而混合流体，以达到所希望的被引向冷藏系统的外流温度。对热泵的这种绕过可以允许热泵在运行期中的至少一部分中未运行，其中来自BHE的工作流体的温度仅由温度调节混合阀所控制。这样可以显著节约运行成本，因为如果热泵未运行，那么就不需要电能来驱动其相关的泵和压缩机。
附图说明
下面参照附图仅以举例方式对本发明的实施例进行说明，在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的热能系统的示意图，其包括与闭环式地热能系统连接的超市冷藏系统；
图2是根据本发明第二实施例的热能系统的示意图，其包括与闭环式地热能系统连接的超市冷藏系统；
图3是根据本发明第三实施例的热能系统的示意图，其包括与闭环式地热能系统连接的超市冷藏系统；
图4是根据本发明第四实施例的热能系统的示意图，其包括与闭环式地热能系统连接的超市冷藏系统；以及
图5是图1～图4的实施例的热能回收系统的控制系统的示意图。
在附图中，对于各实施例中的共有特征使用相似的附图标记指示相似的部分。
具体实施方式
虽然本发明的优选实施例涉及到与冷藏系统接口的热能系统，但是本发明的其他实施例涉及到具有由建筑物内的系统产生供暖和/或制冷需求的其他建筑物系统(例如供暖、通风和空调(HVAC)系统)，这可能需要增加供暖和/或制冷的供应，或者减少热量的供应。这种系统中的很多系统(如冷藏系统)需要非常小心、恒定的测温控制以保证有效运行。
参照图1，示意性示出了根据本发明实施例的与闭环式地热能系统6相连接的超市4的冷藏系统2。整个系统具有在超市4内的店内侧8和在超市4外的水环路侧10。
超市4具有多个店内冷藏柜12。冷藏柜12设置在店内冷藏环路14中，冷藏环路14在冷藏柜12与冷凝器16之间使制冷剂循环。设置通过已知方式与冷凝器连接的一个以上的压缩机(未示出)。可以设置与共同的冷凝器16连接的多于一个的冷藏环路14，或者每个冷藏环路14具有其自己的冷凝器16。一个以上的冷藏环路14可以仅具有一个冷藏柜12。在冷藏环路14中，可以串联连接或并联连接冷藏柜12。根据本发明，依据特定超市的大小、布局和冷藏需求，可以使用不同的冷藏结构，并且它们对于冷藏系统领域的技术人员来说是显而易见的。
无论超市4的冷藏系统2选择何种冷藏柜/冷藏环路配置，在冷凝器16中来自冷藏柜12的气态制冷剂凝结为液体，从而在冷凝器16的第一侧18产生热能。冷凝器16的第二侧20与第一级换热器环路24中的换热器22(例如壳管式换热器)连接。来自第一侧18的热能加热通过第二侧20输送的第一级换热器环路24中的流体。被加热的流体被输送通过换热器22的第一侧26，并将热能传递到与换热器22的第二侧30连接的第二级换热器环路28中。
第二级换热器环路28作为店内侧8与水环路侧10之间的桥梁。第二级换热器环路28还包括与压缩机组合的热泵32。在第二级换热器环路28中，流体(通常是水)围绕环路28循环。通常，水从热泵32以大约14℃的温度进入换热器22，水从换热器22(其中水已在第二侧28被加热)以大约18℃的温度进入热泵32。在水环路侧10，热泵32与地热能系统6连接。现有技术中已知的是，热泵32包括热变压器系统，从而根据需要造成输入侧与输出侧之间的测温差异，这可构成供暖或制冷，并且在各个侧的能量输入和输出基本相等。
地热能系统6包括与公共歧管单元44连接的埋管换热器42的阵列40。阵列40位于地下，通常在地面G之下是三维的，公共歧管单元44通常位于地面之上。
阵列40是同轴埋管换热器42(BHE)的紧凑型阵列(或多个子阵列的组合)。埋管换热器42安装在从靠近所服务的建筑物的包括一个或多个衬套的刚性结构(未示出，优选为混凝土)定向钻出的钻孔中。埋管换热器42可以垂直地、倾斜地或水平地安装在地层中，并且各埋管换热器42沿其长度可以具有不同的倾斜度，和/或可以沿其长度分成相同或不同长度的连续分段，每个分段具有不同于相邻分段的方向。每组46，48中的埋管换热器42可以朝向基本相同方向的扇状配置排列，或者可以基本上沿径向远离歧管44且彼此等距地延伸的星形配置排列，或者以沿其长度基本对齐的大体直线配置排列，各埋管换热器42除了与歧管44开始的锐角连接部分之外还具有向下延伸并横向远离歧管44的一个大体倾斜的部分。各部分的长度和倾斜度可以随埋管换热器变化。
此外，根据设计要求，可以从地面下的一些点将一个埋管换热器分成两个或更多的分支(多退完备化)。不同部分的长度和倾斜度可随埋管换热器变化。阵列40被构造并确定尺寸，以在埋管换热器之间彼此间隔，使它们中的每一个基本上不会受到热影响。通常，埋管换热器42的下部的底端彼此间隔至少100米。
优选实施例的埋管换热器阵列的设置需要考虑基床位面的空间方向、孔隙度和渗透率，尤其是大断裂，它们是那个安装区域的地层特征。通过利用地下水积聚和地下流动沿着最有利方向以物理方式截断地层的方式来钻孔，这样可以增加埋管换热器的热效率。
虽然通常埋管换热器的垂直深度范围为地面以下10～750米，然而可以有更深的深度。在埋管换热器阵列中，通常至少一个埋管换热器延伸到垂直深度为至少100米，可达到750米。
公共歧管单元44被暂时或永久地设置为将埋管换热器42的阵列40分成第一组46和第二组48。在每一组46，48中，各个埋管换热器42可由中枢公共歧管单元44内的阀机构进行共用切换，从而使流体沿同轴埋管换热器42的各个选定的流向流动。
在图1所示的实施例中，每一组46，48包括六个同轴埋管换热器42，但是总数和每一组内的数量可以变化，并且两组46和48可以具有不同数量的埋管换热器42。通常，每一组46，48具有数量、类型和配置基本相同的同轴埋管换热器42，使得每一组46，48的供暖和制冷能力基本相同。
在另一个改进中，组的数量不同，例如是三组、四组或更多的组。
各组在地下是不可物理区分的，各组只能通过它们地上的彼此连接(例如在歧管内)而区分。
歧管44的覆盖区的面积极其小，通常比含有埋管换热器42的占地空间的覆盖区的面积小10％，更优选小5％，最优选小1％。
在这种阵列与歧管的组合下，埋管换热器42的第一组46和第二组48可以根据增加或减少热量的需求而操作阀选择性地与歧管44连接，这将在下文进行描述。
热泵32通过第三级换热器环路50与歧管44连接，其也包括同轴埋管换热器42。流体绕环路50循环以从店内侧8的冷藏系统2吸取热能，并将吸取的热能贮存在埋管换热器42的阵列40中。通常，流体从热泵32以大约35℃的温度进入歧管44，水从歧管44以大约30℃的温度进入热泵32。
超市4内的供暖、通风和空调(HVAC)系统60根据建筑物的恒温控制热量需求向建筑物提供温控的空气。HVAC系统60内的换热器66通过HVAC环路64与歧管44连接。
根据本发明的实施例，根据热量需求，通过对其中的阀进行选择性操作，歧管44适用于选择性地将热能提供到HVAC系统60并经由热泵32从冷藏系统2吸取热能。
HVAC系统60在很长时间内通常具有净供暖需求，只要供暖功能有时会有增加热量需求，而在其他一些时候空调功能会有减少热量需求(即制冷)，并且各种需求以及现行净增加或减少需求的支配会随时间变化，例如根据年份中的时间和/或天气/环境条件，这些需求与冷藏系统2的需求无关。
在改进的实施例中，HVAC系统60(除了由冷藏系统2构成的第一热系统外还包括第二热系统)通过第二中间热泵(未示出)与歧管44连接，选择性地，还额外地通过第二中间热泵与HVAC系统60之间的另一个换热器环路进行连接。
由HVAC系统60构成的第二热系统和冷藏系统2构成的第一热系统可处于相同或不同的建筑物中。
选择性操作与时间有关，埋管换热器42的第一组46和第二组48选择性交替地经由歧管44与HVAC系统60和冷藏系统2连接。
在第一阶段的操作中，埋管换热器42的第一组46经由歧管44和热泵32与冷藏系统2连接，埋管换热器42中的流体流向使得热能从埋管换热器42传递到周围占地空间70。这允许根据减少热量的需求将由冷藏环路14和换热器环路24，28和50重新获得的热能贮存在周围占地空间70中。
在后续第二阶段的操作中，埋管换热器42的第一组46经由歧管44与HVAC系统60连接，埋管换热器42中的流体流向相反，从而将热能从周围占地空间70传回埋管换热器42中。这允许将在第一阶段中先前贮存在周围占地空间70中的热能回收，并且根据增加热量的需求将回收的热能通过HVAC环路64供应到HVAC系统60。
在第一阶段和第二阶段的操作中，埋管换热器42的第二组48以与各个阶段中的第一组46相反的方式操作(即，以与后续和在先阶段中的第一组46相同的方式操作)。各埋管换热器42的两组46，48的这两个阶段在热量回收阶段和热量传递阶段之间交替循环。这样有效和高效地从冷藏系统2回收废热并将其提供到HVAC系统60。
各阶段的典型循环时间为12小时。然而，也可采用其他循环时间，并且在相反阶段中，循环时间不必须是恒定的或相等的。
本文公开的闭环式系统在地热能系统6与冷藏制冷机的换热器系统(冷藏环路14中的冷凝器16的形式)之间设置了中间热泵32。热泵32是组合有歧管44和选定的埋管换热器42的热稳定的换热器环路50的一部分，使得热泵32的流入流体与流出流体之间的温差是基本稳定的。这样提供的优点是：冷藏环路14中的冷凝器16的温度是稳定的，从而确保了冷藏系统2可靠有效的运行。
当埋管热能输出超过冷藏系统2的冷凝器16的输出而达到对于冷凝器16设定的CWT时，热泵32通过冷藏系统2内的温度调节装置被切换为运行。热泵32可以优化冷藏循环的运行以及地热循环的运行。每个循环具有设定的优化运行温度，尤其是地热循环具有设定的地下温度。根据需求，对热泵32的打开而提供的冷藏系统2的冷凝器16在优化CWT下的优化运行通常可以提供20％的能量节约。通常，热泵32通过冷凝器侧的温度调节阀周期性地切换成运行，使得热泵32运行占冷藏运行周期的大约90％，在冷藏运行周期余下的大约90％中，冷藏系统2的冷凝器16在优化CWT下运行而无需热泵控制。
埋管换热器组的交替使用首先回收和贮存相关占地空间中的热量，然后在再次回收和贮存热量之前传递该贮存的热量，从而提供了热稳定的系统，其中相关的占地空间能够可靠地贮存热量，有助于提供包括热泵32的热稳定的换热器环路50。
参照图2，示意性示出了根据本发明第二实施例的与闭环式地热能系统106相连接的超市104的冷藏系统102。第二实施例是第一实施例的改进，其中，歧管144不与HVAC统连接。在埋管换热器142的各组146，148分别被允许冷却的静止阶段中，多余的热量简单地进入相邻地下G，且不因为地上的供暖需求而被吸取。
在另一个改进(其可独立实施)中，中间热泵132通过包括冷凝器116和中间热泵132的一个换热器环路124与冷藏环路14的冷凝器116热连接。这样避免了使用第一实施例中的额外换热器环路以及冷凝器116与中间热泵132之间的换热器。
参照图3，示意性示出了根据本发明第三实施例的与闭环式地热能系统206相连接的超市204的冷藏系统202。
在该实施例中，对于第二实施例，中间热泵232通过包括冷凝器216和中间热泵232的一个换热器环路224与冷藏环路214的冷凝器216热连接。然而，在可选的改进中，可以额外采用第一实施例中所使用的另一个换热器环路。
在冬季月份，常常可以看到HVAC系统260的过度供暖需求，这与冷藏系统202的冷藏或制冷缩减需求形成对比。在该情况下，BHE 242的静止组(或集库)246可以对建筑物的HVAC系统260给出比在其先前制冷任务中排到组(或集库)246中更多的能量。这可由组264的BHE 242的工作流体表示，该工作流体的温度比冷藏系统202在新的制冷轮换开始时所需的温度还要低。换句话说，与后续工作(制冷)阶段所希望的温度相比，其中多余热量被供给到HVAC系统260的静止阶段会过度冷却工作流体的温度。
利用温度低于特定系统所需温度的工作流体不一定有好处，因为这可能会造成冷藏设备能力的损失。重要的是，冷藏系统在冷凝器的特定设定温度(即规定的CWT)下运行，以使运行有效可靠。然而，工作流体的过度冷却可以用于实现有利效果，在整个热能系统内节约能量。
温度调节混合阀280安装在系统内，其可通过从先前所服务的冷藏系统的BHE 242的组(或集库)的自动能量供给而提供规定的CWT。这可通过以下实现：设置从BHE 242到冷藏系统202的管线290，它绕过中间变压器热泵232并包括温度调节混合阀280以混合两种工作流体，一种流体在相对较低温度下从操作集库246沿第一管道294流动，另一种流体在相对较高温度下从静止集库248沿第二管道296流动。公共第三管道298从温度调节混合阀280引向冷凝器216，返回管道299返回到歧管244。
温度调节混合阀280控制沿着第一管道294和第二管道296的两个流量，从而混合流体，以达到所希望的被导向冷藏系统202的外流温度。对热泵232的这种绕过可以允许热泵232在运行期的至少一部分中未运行，其中来自BHE 242的工作流体的温度仅由温度调节混合阀280控制。这样可以显著节约运行成本，例如能量节约高达20％，因为如果热泵232未运行，那么就不需要电能来驱动其相关的泵和压缩机。
参照图4，示意性示出了根据本发明第四实施例的与闭环式地热能系统306相连接的超市304的冷藏系统302，其是第三实施例的改进。
在该实施例中，对于先前的实施例，采用了BHE 342的静止组(或集库)346的过度冷却，使得在静止阶段中工作流体的温度与后续工作(制冷)阶段所希望的温度相比被过度冷却。当工作流体含水并包含二醇类(例如乙二醇)时，因为工作流体被过度冷却，这会导致冰浆的形成。
即使在夏季月份，通过在另一换热器环路392中设置与歧管344连接的额外换热器390也可以实现过度冷却。换热器390的泵396与电源394连接。在夜晚时间，当可以使用夜晚便宜的电力时，泵396被驱动以驱使工作流体循环进入BHE 342的静止组或集库。这样从BHE 342的静止集库吸取排放到大气中的热量并冷却BHE 342的静止集库。对于先前的实施例，来自BHE 342的静止组或集库的过度冷却的工作流体随后可被用于构成进入温度调节混合阀380的低温流体。
在本发明的实施例中，监测和调节各环路中的流量和温度以最大化整体性能，从而满足冷藏系统的不同能量需求，并且当存在HVAC系统时，不受限制。这可借助图5所示的地面控制模块80(SCM)来实现，其包括公共歧管单元44。在安装了多于一个阵列40的情况下，根据整体设计要求可以存在多于一个的地面控制模块80。
地面控制模块80包括作为中枢歧管单元44的一部分或与其连接并由微处理器90控制的阀82、压力表84、温度传感器86和流量传感器88，微处理器90被编程，以维持埋管换热器2的阵列40的最佳能量平衡并将所需温度的工作流体输送至热泵32和HVAC系统60。一个以上的泵92设置用于通过埋管换热器42的阵列40抽取工作流体。此外，可通过位于地面控制模块80输出处的仪表94来计量传递到HVAC系统60的热能。软件安装在微处理器90内，其绘制阵列40针对不同的建筑物能量需求的响应，并且与建筑物管理系统96相兼容。根据需求状况的变化或为了进行升级，可以修改并重新安装该软件。
歧管44通过通常埋于地下1至2米并确保在传递过程中热量和液压能量损失最小的预绝缘的热塑性塑料管网与埋管换热器2的阵列40连接。
歧管固有的地面控制模块(SCM)包括可编程计算机模块、传感器和控制阀，以监测和控制每个埋管换热器以及整个完整系统的所有工作流体的流量、流向、温度和压力，包括监测和控制从地面控制模块流向所服务的建筑物的主工作流体的进口和出口。
可选地，沿着埋管换热器的长度上的各间隔处与埋管换热器连接的温度传感器可用于补充对埋管换热器热响应曲线的监测和控制。
通常使用具有斜钻能力的定制的、自动移动钻探设备进行钻孔。这是利用油气业已有的设备和技术进行的，如随钻探测仪(MWD)、可操纵的液压马达和/或可操纵的旋转导向钻井系统、井下液压马达、定向空气锤、陀螺惯性制导系统以及相关控制软件，从面积为几平方米的混凝土衬套开始钻出埋管阵列，其中井口在地面处间隔3米或更小，但经过定向钻孔可以获得在最终深度处高达几百米的宽间隔。取决于应用，使用包括水基流体、泡沫或空气的非毒性“钻井流体”有助于钻井方法的实施。
每个埋管换热器可以包括同轴“管中管”布置，并与被包容埋管横穿的地层机械和液压隔离。外套管根据应用可以由钢、铝、聚氯乙烯(PVC)、玻璃增强塑料(GRP)或碳增强塑料(CRP)构成。根据被横穿的地层的性质，外套管可局部、整体或根本不与包容埋管粘合。根据应用，接合剂的配方设计可以包括常规的水泥基灌浆或可选的膨胀密封剂。
在外套管内安装有由PVC、GRP或CRP复合材料或可选择地由装入隔热套管内的钢或铝制成的厚壁或预隔热管。根据类型和应用，该管可以交付并安装成连续的盘管或长度不连续、然后机械连接在一起。该管被有角度的定心“导流板”定位在外套管的孔的中央，“导流板”在外套管和内管之间提供具有必要的横截面面积的空隙，并且通过合成的“涡流”作用来增加从外套管到工作流体的热传递。
工作流体路径被永久安装在外套管底部的机械塞限定在埋管换热器内，从而形成沿外套管和内管之间的环状区域向下且沿内管向上(反向循环)或反之亦然(向前循环)的闭路流程。该闭路方法确保工作流体在操作的任何时候都不会与地层或有关的液体积聚层(通常是蓄水层)接触，从而使系统变得环保。
本发明人基于计算机模型对深度热虹吸作用作了进一步研究，得出在英国环境中商业规模的建筑物制冷动力需求远远大于供暖动力需求，尤其是对于那些具有很多能够产生大量余热的店内冷藏系统的超市而言。从而得出的结论是，在满足建筑物供暖和制冷需求方面(特别是商业规模的建筑物的供暖和制冷应用)，向地下放热至少与吸热一样重要。全球变暖，尤其是关于温室气体(例如因人类活动而产生的二氧化碳)的排放量越来越多地受到国际关注。或者用于采暖和/或制冷、或者用于发电的地热能提供了可再生的低碳能量，作为化石燃料能量系统的另一选择。
在一些实施例中，安装有同轴埋管换热器的埋管被定向钻孔，从而在保持总体深度最小的同时保持埋管换热器的足够长度。这可以根据实施通过对埋管的垂直度、倾斜度和水平度的适当轨迹的选取而实现。
在本发明的优选实施例中，埋管换热器的定向钻孔的概念是利用油气钻井作业通过从地面处的小的混凝土“衬套”钻出不同轨迹的埋管“阵列”，其中埋管的地面终端(“井口”)间隔密集，通常仅有3米或更小的距离。钻孔可通过常规、轻型可移动的钻探设备进行。这直接与钻出几十或几百米的浅(例如100米)的埋管(“U形管”)或者将几千米长的塑料管道系统安装在覆盖几百平方米的浅(2米)的沟渠(“Slinkies”)内的目前标准钻井作法形成对比。当前作法产生的成本、不便以及可用土地面积的减少阻碍了地热能应用的发展，特别是在英国。相比之下，衬套钻井方法具有很多优点，包括10-20平方米的小的地面覆盖区以及安装长度长的埋管的能力，而无需侵犯相邻场地的地面。
对普通的办公建筑物(在英国)作了一项研究，使建筑物供暖和制冷能量状况与既能提供供暖又能提供制冷能量的埋管换热器阵列匹配。这些研究证明制冷能量需求比供暖能量需求占优势。
在本发明的优选实施例中，每个埋管换热器的地面连接通过包括能够对每个埋管换热器、埋管换热器之间以及在埋管换热器阵列和所服务的建筑物之间的流动条件进行计算机控制的必要的阀和传感器的地面控制模块与小覆盖区的阵列组装在一起。这不仅使整个阵列的能量平衡最优，而且可以在不耗尽或使地下热环境不饱和的情况下维持建筑物的各种负荷。此外，地面控制单元能够同时向所服务的建筑物供应供暖和制冷能量。
计算机模型论证了不同流量和操作温度范围的不同埋管换热器的响应范围。结果证实了深度、轨迹、埋管换热器的直径、流量、流向、地下温度、外套管和管材料和操作模式的预期影响如所期望的那样。此外，重要的是揭示了通过改变开-关交替循环周期，可以获得较高的效率和峰值功率输出，这样提高了埋管换热器对于建筑物能量需求状况的适应性。此外，值得注意的是，在一定条件下，通过将其与其他可再生能量技术如热电联产(CHP)结合起来，可以提高埋管换热器阵列的低碳排放性能并增加阵列的多功能性，以更有效地满足峰值功率需求并进一步减少设备的碳覆盖区。
通过设计，使埋管换热器阵列热功率输出曲线与供暖、制冷和热水供应的建筑物的热功率需求曲线相匹配。
根据本发明的优选方面，单个建筑物的热能管理可以扩展到多个建筑物和设施的热能管理，并扩展到各种热源和贮存资源的组合。地面控制模块是这样的多组件系统的中枢组件。
能量效率是减少全球二氧化碳排放量的贡献因素。本发明基于现有的和已被证实的地源热泵实践可以提供大规模、高效率的供暖和制冷设备。可以通过应用已在陆地上和海上使用多年的先进的技术上和商业上成熟的油田钻井和完井技术来安装埋管换热器。主要优点是有成本效益地从靠近相关建筑物的小的场所或衬套建造了埋管阵列，这是利用与建筑服务设计匹配的高效同轴、闭环式换热器设计实现的。
本发明优选实施例的地热能系统是主要向大规模建筑结构或在供暖和/或制冷方面需求高的任何建筑物提供供暖和/或制冷能量的集成的、定制的、节能和低碳排放量的系统。地热能系统提供的能量主要来自于可持续、可再生并使所服务的建筑物的碳覆盖区显著减少的总量丰富、低温的地热源。
在本发明的优选实施例中，还提供了与地面控制模块连接的高效实用的地热埋管换热器阵列，以及将建筑服务业最先进的地源热泵技术与最实用的设计方法和材料结合能够传输或储存大量热能的能量传输网。
本发明的优选实施例可以提供由多个、定向钻孔并专门配备的地热埋管组成、专门设计成在设想的热负荷下效率最大并与建筑服务设计精确匹配的埋管换热器的紧凑型阵列。本发明的优选实施例可以提供微处理器地面控制模块“SCM”接口单元，管理将地热能传递到建筑物服务设备或从其传递以及在阵列中的各埋管换热器之间传递。
本发明的优选实施例可以提供连接SCM与建筑物服务设备的低压、隔热的能量分配网。
本发明的优选实施例可以提供特定设计并建造的建筑物服务设备，采用了用于所服务区域的供暖和/或制冷以及建筑物内的热水供应的先进的热泵技术。
可以根据开发规模和能量需求状况在给定的场所处安装一个以上的单独阵列。
在地热能系统设备的设计方面重点考虑的是建筑物服务设备在供暖和制冷之间的需求平衡，这对于在地产开发的允许区域下是呈垂直、倾斜或水平建造埋管换热器有直接影响。如果供暖是主要的考虑事项，那么会建议垂直埋管换热器。相反，如果制冷是主要的考虑事项，那么水平埋管换热器会提供最佳性能。实际上，本发明的地热能系统设备通常会包括从一个以上的衬套钻出的多个垂直、倾斜和水平的埋管换热器，以类似于树的根系的模式从衬套建造埋管换热器，在这种情况下，埋管换热器被设计成接收热能或将热能贮存在被穿透的地层中。
此外，重要的是，将埋管换热器阵列的设计与建筑服务设计和其能量状况结合起来，以避免过去当已设计好地源热泵设备时因设备不匹配而常常导致效率低。目的是支持为确保用于建筑物服务设备的技术尽可能地与埋管换热器阵列的性能相匹配以及使建筑服务设计在供暖和制冷方面提供最有效的性能而采用的各种技术。
因此，根据本发明的优选实施例，设有紧凑型的地面衬套，以使同轴埋管换热器延伸并超出衬套的地面边界。通常用于油气田开发实践的定向钻孔技术被用作安装同轴埋管换热器并将每个同轴埋管换热器安装到所需深度、角度和方位的实际解决方案。已安装的同轴埋管换热器一般除了同轴埋管换热器最上面的20-30米之外可以免受热干扰因素的影响，其中同轴埋管换热器最上面的20-30米通常小于每个BHE总长度的5％且小于每一组同轴埋管换热器的总长度。通过设置三维阵列，可以从地面处的一个点、衬套获得多种大容量的热传递方法。这可以与已知的垂直埋管换热器的一维热传递方法形成对比。通过设置衬套，在地面处无需大规模收集系统，这样每个地表衬套获得超高密度的热能输出/输入。针对新建造的建筑物，衬套可位于靠近建筑物的地方或直接在建筑物的杂物室或任何其他部分的下方。由于埋管换热器和建筑物之间的距离而存在有限的或基本上无操作损失。通过设置多个深度的埋管换热器，可以从单个衬套和地面控制模块提供供暖、热水服务中任一项或所有项和/或同时制冷，或者可以选择一个操作模式。可以共同或单独地对阵列的同轴埋管换热器进行管理。可以使工作流体在阵列的埋管换热器之间再循环，以便再吸收或释放过多热能，从而为每种类型的供暖或制冷操作提供理想的温度梯度。
定向钻孔提供一种选择，从而选择选定的轨迹和深度将每个同轴埋管换热器定位在具有提供有效获取或散出热能的最佳热传导的性能的岩层内。定向钻孔可以利用岩石断裂方向，以减小钻孔成本或提高热能传递。使用封闭的埋管换热器可以使蓄水层的流动效应最大化，而不会对自然资源造成影响。此外，可以以安全距离绕过或真正地通过相邻建筑物的埋管换热器阵列，而不会引起热干扰。
延伸的同轴埋管换热器阵列可以呈几何排列，允许在一个或多个埋管换热器之间的一个以上的闭路内有效利用内部热虹吸流，以便沿着位于一个衬套上的一个或几个或所有的埋管换热器的长度重新分配热能。这样通过降低泵的需求可以节省与循环的能量损失有关的运营成本，并且可以降低对热泵工厂的热能需求。
将热虹吸循环流用于埋管换热器是已知的，热虹吸循环流是因工作流体密度受到热能温度梯度的影响发生改变而被驱动的浮力流。然而，由于多种原因，其中包括大规模地面收集系统的限制，在位于轨迹约束下的不同深度和温度梯度的分离且已连接的地下换热器之间存在使用复杂的相互作用流的障碍。然而，本发明优选实施例的系统能够作为一个系统或在单独的垂直、定向或水平(例如L形)的埋管换热器内有效利用这些流。
本发明的优选实施例提供一种从单个紧凑型衬套或多个紧凑型衬套吸取或释放大量热能的设备，优选为同轴埋管换热器阵列在衬套中延伸并超出地面点，用于服务工业规模和生产力的热泵工厂。本发明提供一种作为一个单元或作为在单一模式下的单一单元通过主要控制单元用于管理埋管换热器阵列或整个阵列的任何一部分或一个单独埋管换热器的设备，其中主要控制单元包括在紧凑型歧管单元内的一组阀和测量计。用户接口可以与阵列的主要控制单元连接，或拆下而与操作相邻建筑物的阵列的主要控制单元连接。通过利用在被地面边界限定的预定区域下的地层的三维体积，可以大量设置热能吸收设备或热能量或贮存设备，并具有与任何给出的建筑物的客户要求相匹配的能力。阵列可以包括多个定向钻出的埋管换热器，每一个都具有规定的深度、角度和方位。该系统可以具有一个或以成组的不同形式(例如圆形、矩形、弧形、方形和直线)或这些形式的任意组合的相邻组的多个衬套。阵列可以是多个或单个定向、水平和垂直同轴埋管换热器在单一或多个阵列内的组合。衬套构成紧凑型收集系统，允许每单位地面空间的高密度热能的传输，由此减小了工作流体的压力和热损失。衬套的地面位置是靠近或远离建筑物或设施，或位于建筑物或设施的任何部分的下方，埋管换热器阵列向任一侧或深度延伸并超出该地面位置。根据季节、气候和建筑物的能量状况使多个埋管换热器用于不同模式下。该系统能够在不同深度供应、吸收或贮存热能或在多个深度和/或外部热梯度之间迫使再循环。另外，该系统可以借助热虹吸流在阵列的各部分之间对热能进行再分配，以提高热泵工厂的吸收效率。定向钻孔能够通过跟进给定模式的岩层充分利用由优质岩石层组成的选定层位，通过跟进给定模式的蓄水层充分利用蓄水层流，使闭路埋管换热器的水平部分沉下去以最佳速度获得或释放热能，并且还可以通过跟进或横穿给定模式的断裂充分利用岩石断裂方向以获得热传导的最佳速度。对于给定的占地空间，可以根据独特的地层环境来布置埋管换热器阵列，以获得最佳热效率。通过在当前热梯度的基础上操作选定数量的埋管换热器，这允许关闭阵列的其余部分，而不再强制循环，选择在选定的备用埋管换热器之间对热能进行被动再分配。
埋管换热器阵列的成本效益安装的关键是结合先进的油气钻井和完井技术使之适应较浅环境的典型地热开采的设想。该技术和精确选择与相对良好地质环境相匹配的材料的相关技术的结合允许以完全独立的方式从紧凑型地面位置沿任何所需的轨迹建造多个埋管并到达规定深度。当考虑到在城市环境或地面面积有限的地方投入项目时，这是关键优势。
在此说明的本发明的实施例仅是示例性的，而不是限制权利要求的范围。针对一个实施例所公开的特征可以与任何其他实施例的特征相结合，并且也在本发明要求保护的范围内。

Claims (41)

1.一种热能系统，其包括第一热系统，第一热系统在使用时具有制冷需求；闭环式地热能系统，所述闭环式地热能系统包括含有工作流体的多个埋管换热器，所述多个埋管换热器包括第一组和第二组埋管换热器；以及中间热泵，所述中间热泵热连接在第一热系统与所述地热能系统之间；所述闭环式地热能系统包括第一组和第二组埋管换热器，各组与所述中间热泵选择性交替地连接；第一热系统包括建筑物内的冷藏系统；与所述冷藏系统的冷凝器连接并与所述中间热泵连接的至少一个换热器系统，用于从所述冷藏系统回收热能；以及第二热系统，第二热系统与所述地热能系统热连接，其中第一和第二热系统对所述地热能系统分别具有相反的净热能需求。
2.根据权利要求1所述的热能系统，其中每个埋管换热器包括细长管子，所述管子具有封闭底端以及在所述底端相互连接的相邻的第一和第二细长管道。
3.根据权利要求1所述的热能系统，其中第一和第二热系统对所述地热能系统分别具有净制冷和供暖的热能需求。
4.根据权利要求1所述的热能系统，还包括控制系统，所述控制系统适用于在连续的交替循环中将所述中间热泵和第二热系统选择性交替地热连接到第一组或第二组埋管换热器。
5.根据权利要求1所述的热能系统，其中所述中间热泵通过所述中间热泵与所述换热器系统之间的第一换热环路和所述中间热泵与所述地热能系统之间的第二换热环路而热连接在第一热系统与所述地热能系统之间。
6.根据权利要求2所述的热能系统，其中所述地热能系统还包括工作流体的歧管，所述歧管与所述多个埋管换热器连接，并且多个阀连接在所述多个埋管换热器与所述歧管之间，由此通过操作所述阀使所述多个埋管换热器的所述第一和第二细长管道与所述歧管选择性地连接，从而可操作各组埋管换热器，以沿选定方向使工作流体流过。
7.根据权利要求6所述的热能系统，其中所述阀被设置成允许工作流体沿着所述各埋管换热器的各自第一和第二细长管道的各自选定方向选择性流经埋管换热器的选定组。
8.根据权利要求2所述的热能系统，其中所述多个埋管换热器从所述细长管子的中枢地面组件向下且横向延伸进入地下，从而限定包围所述多个埋管换热器的所述地热能系统的占地空间，并且其中所述中枢地面组件的覆盖区小于所述地热能系统的占地空间的覆盖区的10％。
9.根据权利要求6所述的热能系统，还包括与所述多个埋管换热器连接的控制模块，用于控制所述阀以在所述多个埋管换热器内选择性地分配工作流体，从而实现所述地热能系统特定的热能分布，并且所述控制模块适用于控制热能供应到至少第一热系统或从至少第一热系统供应热能。
10.根据权利要求1所述的热能系统，其中所述地热能系统和所述中间热泵位于含有至少第一热系统的建筑物的外部。
11.根据权利要求1所述的热能系统，还包括工作流体的管道环路，所述管道环路从所述地热能系统延伸到第一热系统并绕过所述中间热泵。
12.根据权利要求11所述的热能系统，其中所述管道环路包括第一和第二进口管道，第一和第二进口管道分别从第一组和第二组埋管换热器延伸到公共温度调节混合阀，并且出口管道从所述温度调节混合阀经过第一热系统延伸回到所述埋管换热器。
13.根据权利要求1所述的热能系统，还包括与所述地热能系统连接的换热器制冷环路，所述换热器制冷环路适用于在选定的埋管换热器内选择性地制冷工作流体。
14.根据权利要求13所述的热能系统，其中所述换热器制冷环路由定时器控制，所述定时器使所述换热器制冷环路在选定时间中运行。
15.根据权利要求13所述的热能系统，其中所述换热器制冷环路适用于将多余热量从其中排到大气。
16.一种热能系统，其包括冷藏系统，所述冷藏系统在使用时具有制冷需求并包括至少一个冷凝器；闭环式地热能系统，所述闭环式地热能系统包括设置为构成至少一个冷凝器的冷源的含有工作流体的多个埋管换热器，所述多个埋管换热器包括第一组和第二组埋管换热器；中间热泵，所述中间热泵热连接在至少一个冷凝器与所述地热能系统之间；以及控制系统，所述控制系统适用于在连续的交替循环中将所述中间热泵选择性交替地热连接到第一组或第二组埋管换热器，使得在一个循环中，第一组构成所述冷源，并且在连续的循环中，第二组构成所述冷源。
17.根据权利要求16所述的热能系统，还包括用于至少一个冷凝器的温度调节控制器，所述温度调节控制器与所述中间热泵和所述控制系统中的至少一个连接，所述温度调节控制器适用于将至少一个冷凝器保持在选定的冷凝器制冷剂温度。
18.根据权利要求16所述的热能系统，还包括建筑物内的供暖、通风和空调系统，其在使用时具有供暖需求，所述供暖、通风和空调系统与所述地热能系统热连接。
19.根据权利要求16所述的热能系统，还包括与所述冷藏系统的至少一个冷凝器连接并与所述中间热泵连接的至少一个换热器系统，用于从所述冷藏系统回收热能。
20.根据权利要求16所述的热能系统，还包括工作流体的管道环路，所述管道环路从所述地热能系统延伸到所述冷藏系统并绕过所述中间热泵。
21.根据权利要求20所述的热能系统，其中所述管道环路包括第一和第二进口管道，第一和第二进口管道分别从第一组和第二组埋管换热器延伸到公共温度调节混合阀，并且出口管道从所述温度调节混合阀经过所述冷藏系统的冷凝器延伸回到所述埋管换热器。
22.根据权利要求16所述的热能系统，还包括与所述地热能系统连接的换热器制冷环路，所述换热器制冷环路适用于选择性地在埋管换热器的选定组内制冷工作流体。
23.根据权利要求22所述的热能系统，其中所述换热器制冷环路由定时器控制，所述定时器使所述换热器制冷环路在选定时间中运行。
24.根据权利要求22所述的热能系统，其中所述换热器制冷环路适用于将多余热量从其中排到大气。
25.根据权利要求16所述的热能系统，其中每个埋管换热器包括细长管子，所述管子具有封闭底端以及在所述底端相互连接的相邻的第一和第二细长管道。
26.一种操作热能系统的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供第一热系统，第一热系统包括具有制冷需求的冷藏系统；
(b)提供闭环式地热能系统，所述闭环式地热能系统包括含有工作流体的多个埋管换热器，所述多个埋管换热器包括第一组和第二组埋管换热器；
(c)提供中间热泵，所述中间热泵热连接在第一热系统与所述地热能系统之间；
(d)通过所述中间热泵控制第一热系统与所述地热能系统之间的热连接，从而为第一热系统提供冷源，其中所述控制步骤将所述闭环式地热能系统至少分成第一组和第二组埋管换热器，各组在所述控制步骤中与所述中间热泵选择性交替地连接；
(e)从所述冷藏系统回收热能并通过连接在所述冷藏系统的冷凝器与所述中间热泵之间的至少一个换热器系统将回收的热能传递到所述中间热泵；以及
(f)提供第二热系统，第二热系统与所述地热能系统热连接，其中第一和第二热系统对所述地热能系统分别具有相反的净热能需求。
27.根据权利要求26所述的方法，其中第一和第二热系统对所述地热能系统分别具有净制冷和供暖的热能需求。
28.根据权利要求26所述的方法，其中在所述控制步骤中，所述中间热泵和第二热系统在连续的交替循环中选择性交替地连接到第一组和第二组埋管换热器。
29.根据权利要求26所述的方法，其中所述多个埋管换热器与第一和第二热系统选择性地连接，由此可操作各组埋管换热器，以沿选定方向使工作流体流过。
30.根据权利要求26所述的方法，还包括在所述多个埋管换热器内控制工作流体的选择性分配，从而实现所述地热能系统特定的热能分布，并且控制热能供应到第一和第二热系统或从第一和第二热系统供应热能。
31.根据权利要求26所述的方法，还包括提供工作流体的管道环路，所述管道环路从所述地热能系统延伸到第一热系统并绕过所述中间热泵，以及提供分别从第一组和第二组埋管换热器流到公共温度调节混合阀的第一和第二进口流体和从所述温度调节混合阀经过第一热系统流回到所述埋管换热器的具有预定温度的出口流体。
32.根据权利要求26所述的方法，还包括利用与所述地热能系统连接的换热器制冷环路在选定的埋管换热器内选择性制冷工作流体。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述选择性制冷由定时器控制，所述定时器使所述换热器制冷环路在选定时间中运行。
34.根据权利要求32所述的方法，其中所述换热器制冷环路将多余热量从其中排到大气。
35.一种操作热能系统的方法，所述热能系统包括具有制冷需求的冷藏系统，所述冷藏系统包括至少一个冷凝器，所述方法包括以下步骤：
(a)提供闭环式地热能系统，所述闭环式地热能系统包括设置为构成至少一个冷凝器的冷源的含有工作流体的多个埋管换热器，所述多个埋管换热器包括第一组和第二组埋管换热器；
(b)提供中间热泵，所述中间热泵热连接在至少一个冷凝器与所述地热能系统之间；以及
(c)在连续的交替循环中将所述中间热泵选择性交替地热连接到第一组或第二组埋管换热器，使得在一个循环中，第一组构成所述冷源，并且在连续的循环中，第二组构成所述冷源。
36.根据权利要求35所述的方法，还包括提供用于至少一个冷凝器的温度调节控制器，所述温度调节控制器与所述中间热泵和控制系统中的至少一个连接，所述温度调节控制器将至少一个冷凝器保持在选定的冷凝器制冷剂温度。
37.根据权利要求35所述的方法，还包括将具有净供暖需求的供暖、通风和空调系统选择性地热连接到所述地热能系统的第一组和第二组埋管换热器中的选定组，并且在各组已经构成所述冷藏系统的冷源之后上述连接处于循环中。
38.根据权利要求35所述的方法，还包括提供工作流体的管道环路，所述管道环路从所述地热能系统延伸到所述冷藏系统并绕过所述中间热泵，以及提供分别从第一组和第二组埋管换热器流到公共温度调节混合阀的第一和第二进口流体和从所述温度调节混合阀经过第一热系统流回到所述埋管换热器的具有预定温度的出口流体。
39.根据权利要求35所述的方法，还包括利用与所述地热能系统连接的换热器制冷环路在选定的埋管换热器内选择性制冷工作流体。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述选择性制冷由定时器控制，所述定时器使所述换热器制冷环路在选定时间中运行。
41.根据权利要求39所述的方法，其中所述换热器制冷环路将多余热量从其中排到大气。
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