地下连续环路热交换器、 利用其的制造方法以及进行加热、 冷却或存储能量的方法 技术领域 本公开涉及一种热交换器， 以及传递和 / 或储存热能的方法。更具体地， 本发明涉 及一种与具有连续环路的地下热交换器相关的设备和方法， 该地下热交换器用于基于水的 和 / 或直接交换系统， 该系统连接至地面联接热泵或提供地下热力存储。通过地下热交换 器的非水平部的单向流体流动的热交换效率尤其通过系统的热围护区的分离而得以提高。
背景技术 在以下背景的讨论中， 参照了某些结构和 / 或方法。然而， 以下引用不应该被解释 为承认这些结构和 / 或方法构成现有技术。申请人明确保留表明这种结构和 / 或方法不应 作为现有技术的权利。
地下热交换器通过利用深处土地的环境温度与土地交换能量。 通过合适的水体的 接近程度、 地下含水层、 陆地面积、 深处温度和 / 或地况限定了每加热和 / 或冷却的标称吨 的目前的换热器要求和配置。在许多民居和商业设施中， 由于目前的技术限制、 陆地面积、
地质条件或仅由于成本而禁止了使用这种可再生资源的机会和选择。 在地下热交换器的应 用中， 需要通过增加效率而减少安装所需的实际面积， 并使系统能够用于更大百分比的新 的建筑和现有的建筑。
用于加热和冷却的地源能量的全球利用率正在增加。 地下热交换器系统或工艺的 使用对这些系统的功能是不可或缺的。存在利用包含在土地内驻存能量的多种构造和方 法。实例包括 ： (i) 利用从井、 池塘、 河流、 湖泊或海洋交换的水 ； (ii) 以盘绕或弯曲方式铺 设的封闭环路管道的阵列， 或浸入到水体或埋入地表内的其它这样构造的系统 ； (iii) 埋 在地面内的水平坑道中的一系列环路 ； 及 (iv) 在地面钻出的竖直或倾斜的孔， 所述孔包含 封闭环路管路， 该管路将基于水的热流体或压缩器流体循环到钻孔的深度处， 并使之返回 到钻孔的表面。
最近几年的发展提高了基于水和直接交换热泵的效率， 这些都影响土地联接热交 换器的设计要求。 预测软件程序上的进步也通过确保针对所要服务的建筑的需求负荷适当 地计算地面联接热交换器的尺寸和高效热转换所需的面积而增加了效率。 这个软件的实例 为每个钻孔必须与另一钻孔分开的空间量以及所需的钻孔的线性英尺数提供了建议。或 者， 该程序可提供针对地面联接热交换器和开放式系统的其它实例的要求。
用于安装钻孔热交换器的实例包括在地表中钻凿出、 振动出、 钻采出、 钻出、 锤击 出、 或喷射出钻孔， 使之隔开指定距离处， 并用各种集管和收集系统将其连接起来。由于将 各个钻孔分开以防止它们之间的会降低其效率的热连通而需要的距离和间隔， 这些安装模 式中的每种模式都会需要大量的地面面积。这会导致地面面积的未来使用问题， 因为供给 和收集管线将正好位于地面以下足够深， 以减少短期季节性地面温度变化和影响的作用， 即地面下方通常 2 至 8 英尺。另一个选择是从地面或在低于受季节性地面温度变化和影响 的作用的水平高度对角地钻凿， 方位角为大约 30°至 85°， 并在紧靠其它钻孔的地面起始位置开始每个钻孔。这被称为垫钻 (pad drilling)。这保持地面处受破坏的地表降到最 少。然而， 由于所有的钻孔之间的热对流， 需要更多的钻孔。还需注意最终深度处的钻孔不 妨碍地面面积所有权管线所限定的相邻所有权或相邻权。 大多数司法管辖区都有法规来管 理对于邻近相邻所有权进行钻孔所需的钻孔放置阻碍 (setback)。
无论钻孔朝向如何， 在一个或多个热流体输送管线已插入钻孔之后， 进行压力测 试以确保管线完整性， 每个钻孔的其余部分充有从水到专门配置的灌浆的各种材料， 目标 是消除所有的空置空间并密封钻孔。 灌浆的不同配方具有增加热流体、 管道、 灌浆与周围地 表之间的导热性的设计效果。 增加管线内热流体与周围地表的导热性将如本领域技术人员 已知那样提高能量传递。通常用聚乙烯管材作为用于热交换器内的热流体输送管线的管 道， 所述管道在封闭环路内循环基于水的热流体， 该热流体由水和可选的防冻和防锈剂组 成。
另一闭环系统将压缩流体通过通常由铜制成的管直接循环至地下热交换器。 利用 这种模式的系统具有比循环基于水的热流体的聚乙烯管材更高的每线性英尺热交换器的 效率。这些系统被称为 DX 或直接交换系统。铜具有比塑料高的能量传导性能， 因此热能传 递更有效率。在任一种情况下， 热流体通过地下热交换器环路循环且自然升温或冷却的液 体传递到位于地面的另一热交换器， 该另一热交换器通常在建筑物内用于接收加热和 / 或 冷却。这是会发生的几种能量热交换中的一种。
另一常规钻孔选择使用管道或导管的同轴构造， 由此进入钻孔的流体会行进到管 道、 导管或套管的外部上的底部或远端， 有效地进入单独的腔室， 并然后返回到同一管线内 钻孔的起始位置。流动可根据加热或冷却而逆向。另一同轴构造具有在主要管道、 导管或 套管内部或外部以螺线方式行进的输送管线。对于本领域的技术人员来说， 存在许多实例 和构造详细介绍了热流体的运动在钻孔的近端或起始处开始至底部或远端并返回地面。
在具有竖直部件的常规钻孔热交换器中， 热流体行进到或接近钻孔底部， 并然后 返回同一钻孔的表面。 导管或管道可以通过设计成保持管线分开的各种夹持件或间隔件或 同轴腔室而分开， 以减少从进入钻孔的流体与离开钻孔的流体的热能传递。 在某些实例中， 可使运载热流体的一个或多个管线绝缘。但是， 无论如何努力使进入地下热交换器的流体 与流出地下热交换器的流体隔离， 由于进入钻孔底部的管线与使热流体返回地面的管线的 接近， 还是存在能量的热传递。
在工业上仍然需要这样的方法和设备， 以使热流体移动通过各种构造中的钻孔热 交换器， 其消除了远端管线与近段管线紧密靠近， 这提高土地与热流体之间的能量传递。 结 果是需要更少的钻孔来提供相同量的能量传递。这一工艺还将降低安装成本， 并且将减少 钻孔 “场地” 所需的陆地大小， 同时能够选择利用地面联接系统服务更多业主、 设施和机构。 发明内容
设备和方法与具有连续环路的地下热交换器相关， 该地下热交换器用于基于水的 和 / 或直接交换系统， 该系统连接至地源热泵和 / 或热交换器系统或提供地下热力存储。 这 些方法和设备提高地下钻孔应用中的热转换效率。
单个或多个地下热交换器在地表中被钻凿出、 振动出、 钻采出、 锤击出、 或喷射出， 提供热流体从地表内入口的连续单向循环并行进到出口位置， 并提供用于与地面联接加热、 冷却和热存储过程一起使用的能量源。用于在地下热交换器内循环和传递热流体的方 法和设备增加热转换效率。 每个地下热交换器管道可包括用以形成或增强穿过其中的热流 体的流动的部件， 例如通过辅助增强热流体与周围地层的热对流。
利用上述方法和设备的地下热交换器在抽取、 注入或存储土地内驻留热能时更有 效， 因此降低地面以上或以下所需的实际陆地的量， 由此降低成本。 这通过在改变钻孔的角 度以连接地面处所期望的入口位置和出口位置之前将地下钻孔热交换器定位成在预定距 离上几乎竖直的方位角来实现。这一连续环路布置提供使热交换流体沿单一方向， 即单向 循环穿过钻孔的能力并增加其每线性英尺的热效率。
地下连续环路热交换器的示例性实施例包括 ： 钻孔， 该钻孔包括位于第一端处的 入口和位于第二端处的出口 ； 用于流体的管道， 该管道定位在钻孔的至少一部分内并操作 连接至供给管线和返回管线， 用于连接至地源热泵或热交换器系统 ； 其中入口和出口分开 预定距离， 且钻孔的位于入口处的第一热围护区和钻孔的位于出口处的第二热围护区基本 上独立， 其中相对于钻孔的流体流动方向是单向的， 且其中钻孔的大部分 (major) 长度是 非水平的。
构建地下连续环路热交换器的示例性方法， 该地下连续环路热交换器包括至少一 个连续钻孔， 该方法包括 ： 通过在地层内钻孔形成钻孔 ； 将用于流体的管道定位在钻孔的 至少一部分内 ； 以及将钻孔操作地连接至供给管线和返回管线， 用于连接至地源热泵 ； 其 中钻孔的第一开口和钻孔的第二开口分开预定距离， 且钻孔的位于第一开口处的第一热围 护区和钻孔的位于第二开口处的第二热围护区基本上独立， 其中相对于钻孔的流体流动方 向是单向的， 且其中钻孔的大部分长度是非水平的。 调节建筑内温度的示例性方法， 包括 ： 使流体从入口穿过地下连续环路热交换器 的钻孔内的管道而流到出口 ； 使流体从出口穿过地源热泵流动 ； 使流体从地源热泵或从热 交换器系统返回到入口 ； 以及运行地源热泵， 调节建筑内的温度。
在地下连续环路热交换器中存储热能的示例性方法， 该方法包括 ： 使流体从入口 穿过地下连续环路热交换器的钻孔内的管道而流到出口 ； 使流体从出口穿过地源热泵或热 交换器系统流动 ； 使流体从地源热泵返回到入口 ； 以及运行地源热泵或热交换器系统， 与 地下连续环路热交换器周围的地层交换热能。
可以理解， 以上一般描述和以下详细描述都是示例性和说明性的， 并且旨在对要 求保护的本发明提供进一步解释。
附图说明
可结合附图阅读以下详细描述， 在附图中相同的附图标记表示相同的构件， 附图中： 图 1 示出具有在穿过地表的连续环路内钻出的钻孔的地下连续环路热交换器的 示例实施例。
图 2 是钻孔的示例实施例的替代构造。
图 3 示出具有非竖直和非水平钻孔方向的地下连续热交换器的示例实施例。
图 4 示出定位在建筑下方的钻孔的示例实施例。
图 5 是示出流体输送管线的实例和同轴插入件的实例的钻孔的示例实施例的剖
视图。 图 6 是示出流体输送管线的实例和扭绞带插入件的实例的钻孔的示例实施例的 剖视图。
图 7 是示出流体输送管线的实例和线材插入件的实例的钻孔的示例实施例的剖 视图。
图 8A 是示出管道内的流体流内的突起轮廓的钻孔的剖视图。
图 8B 是具有突起轮廓的实例的流体传输管线的剖视图。
图 9 示出同轴插入件的示例实施例的剖视图。
图 10 是扭绞带插入件的示例实施例的剖视图。
图 11 是具有螺旋叶片插入件的钻孔的示例实施例的剖切顶视图。
图 12 是具有线材插入件的钻孔的示例实施例的剖切顶视图。
图 13 是具有螺线形带翅片插入件的钻孔的示例实施例的剖切顶视图。
图 14 是具有轮廓管材的钻孔的示例实施例的剖切顶视图。
图 15 是具有两个管道、 每个管道具有同轴插入件的钻孔的示例实施例的剖切顶 视图。
图 16 是具有三个管道、 每个管道具有扭绞带插入件的钻孔的示例实施例的剖切图。 图 17 是具有连接到集管的两个管道和来自地源热泵的供给管线的钻孔的示例实 施例的剖切图。
图 18A 和 18B 示出显示沿管道长度的多个腔室或空置空间的地下连续环路热交换 器的示例实施例。
图 19A-C 示出地下连续环路热交换器的示例实施例， 示出沿钻孔长度的多个腔室 或空置空间。
图 20 示意性地示出在中间构造阶段包括至少一个连续钻孔的地下连续环路热交 换器的构造。
图 21 示出形成钻孔的另一实例， 示出连结之前的钻孔的第一部分和钻孔的第二 部分。
图 22 示出地下连续环路热交换器的示例实施例， 示出用以辅助将管道放置在钻 孔内的多个装置。
图 23A 和 23B 示意性地示出包括一个连续钻孔的地下连续环路热交换器的构造的 另一实例以及将热灌浆放入钻孔内的系统的实例。
图 24 示意性地示出包括设备的地下连续环路热交换器的构造的另一实例以及将 热灌浆放入钻孔内的工艺。
图 25 示出其中已定位有地下连续环路热交换器的一块土地 300， 表示出有利的热 区域和针对特定区域的连续环路热交换器。
图 26 示意性地示出包括一个连续钻孔的地下连续环路热交换器的构造的另一实 例以及将使用盘管或盘绕管状钻凿作为钻凿方法的实例。
具体实施方式图 1 示出具有在穿过地表的连续环路内所钻凿出的钻孔的地下连续环路热交换 器的示例实施例。地下连续环路热交换器 10 包括钻孔 12， 钻孔 12 包括位于第一端 16 处 的入口 14 和位于第二端 22 处的出口 20， 在第一端 16 处， 钻孔 12 在第一位置处开口， 例如 在用于埋入系统的地层 18 内或用于地面系统的地层 18 的表面即地表上开口， 在第二端 22 处， 钻孔 12 在地层 18 的第二位置开口， 例如在用于埋入系统的地层 18 内或用于地面系统 的地层 18 的表面即地表上开口。钻孔 12 的大部分位于易于受季节性温度影响的地表水平 高度 24 下方足够深， 即通常在地面 26 下方二至八英尺之间。用于流体的管道 28( 以剖视 图示出 ) 位于钻孔 12 的至少一部分内。在示例性实施例中， 管道可以是由合成材料、 金属 或金属合金制成的管子或导管， 其可在内表面或外表面的全部或一部分上具有由类似的材 料、 不同的材料或材料组合构成的涂层。
图 1 示出埋入系统， 该埋入系统具有地层 18 内钻孔 12 的第一端 16 并在例如以对 称方式或相同的弧度转弯之前从地面 26 行进至深度 (D)， 并在第二端 22 朝向地面 26 返回， 以终止于地层 18。地下热交换器的工作深度 (Dw) 测得为钻孔所延伸到的易于受到季节性 温度影响的地表水平高度 24 下方的深度。
在所示的示例性实施例中， 第一端 16 是入口， 且第二端 22 是出口， 但入口和出口 可根据需要交换， 以促进用于流体的管道 28 与通到地源热泵或热交换器系统 38 的供给管 线 34 和返回管线 36 的操作连接。在一个实例中， 地源热泵 38 本身可操作地连接至建筑 40 以调节建筑 40 的温度或其它环境参数。在图 1 中， 地源热泵 38 位于建筑 40 的地基内。 入口 14 和出口 20 分开预定距离 (Ds)。预定距离选择成使得钻孔 12 的在入口 14 处的热围护区 42 和钻孔 12 的在出口 20 处热围护区 44 基本上独立。图 1 中以虚线示出热 围护区。在图 1 中， 预定距离 (Ds) 大， 且显然在相应端部处没有热围护区的重叠。
图 2 示出地下连续热交换器 10 的第二实施例的放大图， 其中入口 14 和出口 20 分 开小得多的预定距离 (Ds)。 在图 2 实施例中， 入口 14 和出口 20 的相应热围护区 42、 44 不重 叠， 如相应热围护区 42、 44 之间的分开距离 (DE) 明显示出的那样。适当预定距离 (Ds) 的实 例至少约为二十五英尺， 或者至少约十英尺， 或者至少约三英尺， 或者在约三英尺至约十英 尺之间， 或者在约三英尺至五英尺之间。在图 2 中所示实例中， 可以看出， 在预定距离 (Ds) 处， 热围护区 42、 44 的分开距离 (DE) 大于零， 优选的是至少大于约一英尺， 或者至少大于约 三英尺。
钻孔具有将它们分开的限定的线性距离的原因是补偿钻孔之间的热对流和热传 导， 并确保存在足以使钻孔周围地表温度自然再生的面积。 当正将能量移走或注入钻孔时， 周围地层将随时间升温或冷却。 例如， 当比土地的中值温度冷的流体循环通过钻孔时， 周围 地层通过加热热围护区内的区域而置换了从地表移走的能量。 当地源热泵以加热模式运行 时会发生这种情况。如果钻孔在深度处太过靠近在一起或太短， 则钻孔与土地之间或土地 与钻孔之间的能量传递会以比土地可适应的速率高的速率进行， 并会导致接近热流体温度 的地表温度均衡。在太紧靠在一起间隔开的钻孔的情况下， 在钻孔之间而非热源与散热设 备之间发生热连通。 这会致使钻孔在该区域内降低的热效率， 这最终致使设备重压、 效率低 下或突变失效。 为了补偿紧密间隔开的钻孔， 一种选择是钻出更多钻孔或增加线性深度， 这 会增加成本。
预定距离 (Ds) 可根据应用变化， 并选择成适于其中定位有钻孔的地层的特性、 地
点的尺寸， 且 / 或基于建筑 40 的负荷要求其中， 通过地下连续环路热交换器所服务的地源 热泵或热交换器系统来调节建筑的温度。例如， 在不适用距离限制的情况下， 在预定距离 (Ds) 相当大， 例如在数十或数百英尺数量级或至少约十五英尺的情况下， 可选择诸如图 1 中 示例实施例所示的钻孔 12 的构造。但是， 在另一实例中， 在适用距离限制的情况下， 在预定 距离 (Ds) 相当小， 例如在 1 英尺或不大于 10 英尺的情况下， 可选择诸如图 2 中示例实施例 所示的钻孔 12 的构造。在图 2 中所示的第二实例中， 钻孔在入口和出口处大致竖直， 这通 过用如本文进一步描述的定向钻孔装置形成钻孔来实现。
在其它实例中， 对于小的、 例如小于十英尺、 或者小于五 5 英尺的预定距离 (Ds) 的 钻孔且对于小的、 例如小于十英尺、 或者小于五英尺、 还或者小于二英尺的分开距离 (DE) 的 相应热围护区， 不需要钻孔在入口和出口处大致竖直。例如且如图 3 中以透视剖视图示出 的， 地下连续热交换器 10 的示例实施例可具有非竖直且非水平钻孔 12 朝向， 其具有入口 14 和出口 20， 且具有小的、 例如小于十英尺、 或者小于五英尺的预定距离 (Ds) 且具有也为小 的、 例如小于十英尺、 或者小于五英尺、 还或者小于二英尺的相应热围护区 42、 44 的分开距 离 (DE)。在所示实施例中， 至少部分地通过钻孔 12 的倾斜朝向和其类似于泪珠的环路构造 实现了距离 Ds、 DE 的小的值， 但也可利用其它朝向和环路构造。
图 4 示出定位在建筑 40 下方的钻孔 12 的示例实施例。在该示例实施例中， 入口 14 和出口 20 定位在建筑 40 的不同侧上， 诸如相对侧或相邻侧上。相反， 图 1 中地下连续环 路热交换器 10 内的钻孔 12 的示例性实施例定位在建筑 40 的同一侧。图 4 中所示的其余 特征类似于图 1 中地下连续环路热交换器 10 中的钻孔 12 的示例性实施例所示和所描述的 特征。
地下连续环路热交换器 10 的示例实施例中， 相对于钻孔 12 的流体流动方向是单 向的。 即， 通过管道 28 的流体流动 (F) 仅沿一个方向， 从钻孔 12 的第一端 16 进入并朝向第 二端 22 行进。此外， 流体流动 (F) 处于连续环路内， 即： 在相对于钻孔 12 从第一端 16 沿一 个方向朝向第二端 22 行进之后， 流体然后通过端口返回第一端 16( 通过例如地源热泵 38)， 在第一端 16， 流体又从第一端 16 进入。
在示例实施例中， 地下连续环路热交换器 10 具有大部分长度是非水平的钻孔 12， 或者大于 75％的长度是非水平的、 还或者大于 85％的长度是非水平的。例如， 参见图 1 和 3。在图 1 和 3 中， 钻孔 12 具有包含非水平的大部分长度的朝向。实际上， 在这些实例中， 除了最深点 50 处的朝向， 钻孔 12 在从第一端 16 至第二端 22 的整个长度都是非水平的。
在示例实施例中， 地下连续环路热交换器 10 具有钻孔 12， 其中钻孔 12 的入口 14 和钻孔 12 的出口 20 都具有中心线 52， 中心线 52 在相对于竖向 ±15 度内， 或者在相对于竖 向 ±5 度内。在其它替代实施例中， 钻孔 12 的中心线 52 的朝向持续在相对于竖向在 ±15 度内， 或者在相对于竖向 ±5 度内， 直到钻孔 12 比霜冻线 24 深为止。图 1 和 2 中示出这种 布置的实例。此外且关于图 2， 钻孔 12 的中心线 52 直到最深点 50 的至少 50％的深度都相 对于竖向在 ±5 度内。
为了促进与地层 18 之间的热交换， 热交换介质 60 可定位于钻孔 12 的内壁 64 与 管道 28 的外表面 66 之间的环形空间 62( 优选的是整个环形空间 ) 内。热交换介质 60 至 少直至易受季节性温度影响的地表水平高度 24 下方都位于环形空间 62 内， 优选的是位于 在整个环形空间内， 并有助于与周围地层 18 的热交换。热交换介质 60 的实例是基于膨润土的热灌浆， 诸如可从美国南达科塔州 (South Dakota) 的爱尔科顿 (Elkton) 的地质专业公司 (GeoPro， Inc.) 购得的 “Thermal Grout Select” 和 “Thermal Grout Lite” 。在美国专利第 6,251,179 号中公开了热交换介质 60 的另一实例， 该专利的全部内容以引用的方式援引于此。后者由于优异的导热率和减缩特 性而得到关注。使用水泥和膨润土的常规的钻孔灌浆混合物尽管形成良好的初始密封， 但 经过一段时间结合作用会变差， 使得导致形成空气间隙， 这显著降低交换器的效率。 在替代 示例实施例中， 热交换介质 60 可包括合成材料以增强保湿性。保湿增强材料的实例是凝胶 添加剂、 诸如在石油和天然气钻探流体和工业应用中发现的。热交换介质 60 的一个方面是 聚合物， 该聚合物与水接触形成胶质材料。 这种聚合物的实例包括但不限于导热固体， 诸如 由二氧化硅或碎石、 珠状或粉状玻璃或金属或金属合金组成的砂子。水溶性聚丙烯酰胺聚 合物、 生物聚合物、 瓜尔豆或生物胶——其在某些组合下是可再水化的， 而且在脱水时候不 开裂。
地下连续环路热交换器 10 的示例实施例循环和传递流体， 使得流体的流动会产 生流体与周围地层之间最高效的热转换。以足以对应于约 2,500 的雷诺数的体积和速率通 过管道的流体流动一般是对于使用地下热交换器的高效热转换而言的目标流动速率， 如本 领域技术人员已知的那样。研究和测试表明， 相应的雷诺数在 2,300 和 4,000 之间的、 如常 规地源热交换器中使用的过渡流速由于管道内包含的流动增强部件或通过加入补充流动 增强部件而可以经历增强的热转换。 为了确保流速和流量增强部件的最优使用， 对地表至地下钻孔的深度进行分析。 如果采用的话， 则流动增强部件使承载一个或多个钻孔的地层的热容量最大， 并基于当前 条件进行选择。注意的是不超过地层的热转换的极限， 而是使地源与散热设备之间的势能 (potential) 最大， 如本领域技术人员已知的那样。
地下连续环路热交换器 10 的示例实施例循环和传递流体， 使得增加地层与流体 之间的热转换效率。 例如， 地下热交换器可包括形成、 增强或增加穿过其中的流体流动的湍 流。图 5 至 7 示意图示出置于管道内的流体流动流内的这种流动增强部件， 这种流动增强 部件可包括例如管道内表面上的一个或多个肋、 定位在管道内的插入件和位于管道的一个 或多个表面上的突出轮廓。这些流动增强部件可单独或组合使用， 以增强地下连续环路热 交换器 10 的热转换效率。
图 5-7 是示出流体输送管线的实例和插入件的实例的钻孔的示例实施例的剖视 图。在所示实例中， 管道 28 定位在钻孔 12 内， 管道 28 和钻孔 12 间存在热交换介质 60。在 该管道内， 定位有插入件 80。插入件 80 可采用当在管道 28 内行进的流体移动通过插入件 80 时产生湍流的各种形式中的任何形式。在图 5 中， 示出插入件 80 呈同轴插入件的形式。 同轴插入件具有螺旋形形状、 弹簧形形状。类似地， 螺旋形形状可用作同轴插入件。在另一 实例中， 螺旋叶片可用作同轴插入件。在图 6 中， 示出插入件 80 呈扭绞带的形式。在图 7 中， 示出插入件 80 呈线材的形式。在每个实例中， 插入件 8 包括一系列结构和一系列开口， 当在管道 28 内行进的流体移动通过插入件 80 时， 上述结构和开口的组合产生湍流。制成 插入件 80 的材料可包括当管道 28 内行进的流体移动经过插入件 80 时可产生湍流且不会 经受不可接受水平的腐蚀或其它失效模式的任何适当材料。
图 8A 是示出管道内流体流内突起轮廓的钻孔的示例性实施例剖视图。在所示实
施例中， 管道 28 定位在钻孔 12 内， 管道 28 和钻孔 12 间存在热交换介质 60。管道 28 的内 壁表面包括突出轮廓 82， 诸如位于管道 28 内流体流内的一个或多个突起或肋。 这些突起轮 廓 82 可采用当在管道 28 内行进的流体移动经过时产生湍流的各种形式中的任何形式。例 如， 突起轮廓可处在单个横截面上或可交叉于几个横截面， 例如为螺纹状。伴随地， 且在突 起轮廓 82 通过例如模制而一体形成在管道 28 内的情况下， 管道 28 的外壁的表面具有相应 的凹陷轮廓 84。作为附加优点， 突出轮廓 82 单独地或与凹陷轮廓 84( 存在时 ) 相组合地 增加管道 28 与流体和热交换介质 60 接触的表面面积， 由此增加地层与流体之间的热传递。 类似地， 可包括位于管道 28 的内壁表面和管道 28 的外壁表面上的突出轮廓， 这些轮廓类似 地增加管道 28 的与流体和热交换介质 60 接触的表面面积， 由此增加地层与流体之间的热 传递。
图 8B 是具有突起轮廓 82 的实例的流体输送管线的剖视图。在该图中， 内表面具 有突出轮廓 82。例如， 内表面可包括具有螺纹状或来复线特征的突出轮廓 82。
图 9 和 10 示出同轴插入件的两个实例。在图 9 中， 示出具有螺线形形状的同轴插 入件的示例实施例。同轴插入件的本体 90 沿其长度沿轴向呈螺线形形状。在图 10 中， 示 出具有成扭绞带形式的同轴插入件的示例实施例。在侧视图中， 当穿过由带的扭绞形成的 拐点 (inflection point) 时， 扭绞带的表面 92 是可见的。 图 11 至 14 示出钻孔的各示例性实施例的剖切顶视图， 示出管道内不同的插入件 和突出轮廓。在图 11 中， 示出螺旋叶片插入件 86 ； 在图 12 中， 示出线材插入件 87 ； 在图 13 中， 示出螺旋的带翅片插入件 88 ； 且在图 14 中， 示出突出轮廓 82。
可利用钻孔和管道的各种布置和组合来改进热效率并符合建筑的负荷要求。例 如， 用于流体的多个管道可定位在地下连续环路热交换器内。每个管道可定位在地下钻孔 的至少一部分内， 并可与供给管线和返回管线操作地连接起来， 用于连接至地源热泵。 操作 连接可以例如是集管系统。
图 15 至 17 中示出某些上述布置和组合的实例。图 15 是具有两个管道 28、 28′、 每个管道具有插入件 80 的钻孔 12 的示例实施例的剖切图。图 15 实施例中， 插入件 80 是 同轴插入件。图 16 是具有三个管道 28、 28′、 28″、 每个管道具有插入件 80 的钻孔 12 的示 例实施例的剖切图。在图 16 实施例中， 插入件 80 是扭绞带插入件。图 17 是具有连接到集 管 100 的两个管道 28、 28′和来自地源热泵 38 的供给管线 34 的钻孔 12 的示例实施例的剖 切图。作为上述多个管道的替代方式， 钻孔 12 可包含一个管道 28， 而在其中插入多个流体 输送管线， 每个输送管线可包含如本文所述湍流部件， 例如插入件和突出轮廓。
在替代实施例中， 地下连续环路热交换器具有沿其长度包括一个或多个腔室或空 置空间的管道。在正常操作期间， 在地下连续环路热交换器内行进的流体流入这些腔室或 空置空间内。 然后， 流体在这些位置驻留比如果流体仅流过恒定直径的管道时更长的时间。 该更长驻留时间允许流体与周围地层之间增加的热交换， 由此增加热效率。
图 18A 示出显示沿管道 28 长度的多个腔室或空置空间 102 的地下连续环路热交 换器 10 的实例。如图 18B 中的放大图所示， 例如， 在管道 28 的制造过程期间， 将腔室或空 置空间 102 包含在管道 28 本身内， 或可在另一实例中包含在管道 28 的施加在管道 28 内的 压力的作用下膨胀的区域内。
图 19A 示出显示沿钻孔 12 长度的多个管道的地下连续环路热交换器 10 的实例。
如图 19B 剖切图中一种情况所示， 钻孔 12 具有流体流过其中的三个管道 28。 这些管道由灌 浆 60 围绕， 确保与周围地层的有效热连接。该管道终止于钻孔的两端并在集管系统 100 内 连结起来， 如图 19C 中的剖视图所示。具有在集管 100 处缩小的多个管道 28 的钻孔 12 作 为单个管线 34 延续至建筑 40 内并延续至地源热泵 38。
在另一替代示例实施例中， 地下连续环路热交换器的管道在多个钻孔内串联布置 或在多个钻孔内并联布置。 对于管道利用串联或并联布置的选择可基于尤其是地层的地质 和热特征、 地点尺寸和建筑位置以及负荷要求。
可通过使用任何适当装置构建与地下连续环路热交换器相关的结构和设备。例 如， 在包括至少一个连续钻孔的示例实施例中， 钻孔的第一部分通过从第一开口钻入地层 形成。 钻孔的第二部分通过从第二开口钻入地层形成， 从而将第二部分连结至第一部分， 以 形成连续钻孔。然后， 将用于流体的管道定位在钻孔的至少一部分内并操作地连接至供给 管线和返回管线， 用于连接至地源热泵。如前所述且如本文所示， 例如在图 1 至 4 中， 第一 开口与第二开口分开预定距离， 且钻孔在第一开口处的第一热围护区和钻孔在第二开口处 的第二热围护区基本上独立。此外， 钻孔的大部分长度是非水平的。
图 20 示意性地示出在中间构造阶段的包括至少一个连续钻孔的地下连续环路热 交换器的构造。在所示图 200 中， 示出连结之前的钻孔的第一部分 202 和钻孔的第二部分 204。 形成钻孔的适当设备包括钻机、 适当的钻凿流体、 钻凿马达、 钻头、 流体或气锤， 所有这 些可使用地下附加机械装置， 以辅助从远端至近端的运动， 还可使用方向引导设备， 钻凿流 体混合、 注入和回收系统、 钻凿流体和固体控制系统、 方向钻凿记录和报告系统。用以完成 钻孔以准备进行热流体输送的适当设备可包括用于在移走钻凿介质时附接所要插入、 推入 和 / 或拉动通过钻孔的管道的机构， 用以确保热灌浆穿过整个钻孔放置的热灌浆混合、 注 入和放置设备， 热流体， 用以压力测试管道完整性的设备， 以及验证钻孔的热阻的热测试设 备。
为了形成钻孔， 应当一直注意确保钻头的适当方向朝向。在一示例性实施例中， 可以使用由各公司制造或提供维护的机械、 电子、 脉冲、 声纳、 电磁、 磁或非磁的方向引导工 具。其它有效引导工具包括信标 (beacon) 和信号发射器， 用以引导穿过钻孔的钻凿， 这些 可在上述操作平台中的任一个上运行。例如， 引导装置可用于辅助钻出第二部分 204， 以连 结第一部分 202。引导装置的实例包括位于第一部分 202 内的一个或多个信标 220 和位于 第二部分 204 内的传感器 222。传感器 222 与传感器监视器 224 操作接触， 该传感器监视器 224 可位于钻机的操作者位置。来自传感器监视器 224 的输出可用于引导第二部分 204 的 钻凿， 以连结第一部分 202。例如， 该输出可发送到监视系统 226 以允许使用者实时引导钻 凿。在该实例中， 引导装置可使用无线电频率、 电、 磁场或声学信号。在图 20 中， 方向引导 工具包含在盘管钻凿或转向组件单元 230 内， 且具有沿所期望的方向辅助引导钻孔装置的 一个或多个钻柱定向装置。
图 21 示出形成钻孔的另一实例， 示出连结之前的钻孔的第一部分 202 和钻孔的第 二部分 204。 在该所示实例中， 本领域技术人员称为套管 212 的一段长度的管子或导管被用 于装衬在钻孔的内部并通过开口 208 放置在完成的第一钻孔部分 202 内。在该示例实施例 中， 套管将向下延伸到地表刚刚超过疏松覆盖层或材料 18A 的深度的距离， 且刚刚进入下 一水平高度的地层 18B。该图示还提供了放入在起始位置 210 处延伸穿过疏松地层 18A 并进入下一地层 18B 的第二钻孔 204 内的套管 216 的第二部分的实例。该套管可由各种铁类 或非铁类金属或合金制成、 或替代地由合成材料制成， 其表面可完全或部分进行涂敷、 漆涂 或以其它方式处理。
在钻孔的示例实施例的横截面中， 套管防止钻孔在管道 206 能够放置和固定之前 提早封闭。 该套管还可具有辅助回收钻凿流体和辅助由钻孔钻凿产生的碎屑移动至地面的 其它目的。
在大多数情况下， 在测试管道的完整性之后可从钻孔将套管取出， 并在钻孔内的 空余空间内填充灌浆。
或者， 可在一个连续环路中不停止地钻出钻孔， 如图 22-24 所示。
图 22 示出具有在穿过地表的连续环路内钻出的钻孔的地下连续环路热交换器的 示例实施例。在该实例中， 管道 206 附接至连接器或联接器 229， 连接器或联接器 229 本身 操作地附接至筒形扩孔器 232 或类似装置， 筒形扩孔器 232 或类似装置连接至钻柱 236。
在该实例中， 筒形扩孔器具有锥形引导边缘并过渡到扩孔器的本体， 该本体具有 大致等于钻孔的直径或规格的直径。 扩孔器具有将任何残留碎屑和多余材料压实至钻孔的 壁以辅助管道的顺利放置的目的。
还示出使用无源或有源机械装置引导或推进管道的装置 230， 用以定位或辅助将 管道放置在钻孔内。管道引导或注入单元 230 可与或不与管道 228 的主体一起操作控制。 例如， 管道的主体可能距离引导或注入单元几英尺、 或者几百英尺。在另一示例实施例中， 引导或注入单元可锚固至地表， 以提供稳定性并操作地增加施加至管道的力。施加的力可 由直接控制该单元的操作者来改变和控制， 或者替代地由同时控制钻机 242 上的钻柱 236 的移走的操作者控制。在该实例中， 钻机由盘管单元 242 的模型表示。管道引导或注入装 置 230 可经由缆索 231 而与钻机连接。该连接用于提供对引导和注入单元的操作控制， 从 而确保将管道引导或推入钻孔的速率与钻柱在另一端处移走的速率相同。 钻机与注入单元 的连接的进一步实例是无线电发射机， 无线电发射机由钻机或替代地引导单元或替代地由 独立于这两个单元的操作者进行操作控制。
引导或注入单元将能够同时管理一个或多个管道。或者， 引导单元可对同一钻孔 内的一个管道而不对其它管道施加操作控制。在所有实例中， 引导或注入单元将在管道穿 过钻孔被抽回时有助于减小或消除管道上的拖曳或摩擦， 并有助于确保管道不受在压力下 可能影响管道完整性的损害。
图 23A 示意性地示出包括一个连续钻孔在内的地下连续环路热交换器的构造的 另一实例。在该实例中， 钻机 244 由安装在卡车上的转动单元的模型表示， 并通过从第一端 252 向第二端 254 连续钻凿而形成地下连续环路。在图 23A 的实例中， 钻孔 260 在第一端 252 和第二端 254 都具有大致竖直部分 262。
在该实例中， 管道 206 已放置在钻孔 260 的整个长度内， 管道在起始位置 252 和另 一端 254 从钻孔延伸。钻孔经受压力测试以验证管道在压力下的完整性。在完成压力测试 后， 在混合单元 248 的所示实例中， 混合钻孔灌浆 270。灌浆混合单元经由软管或管道 250 操作地连接至钻机 244 和用于钻机 256 的泥浆泵。 在该图示中， 泥浆泵 256 位于钻机 244 上 并与钻机 244 操作接触。在另一实例中， 泥浆泵可以是灌浆混合单元 248 的操作部件。然 后， 在起始位置 252 处将灌浆泵入钻孔 260 内， 且泵入将持续， 直至灌浆从钻孔的端部 254冒出为止， 从而有效地填充钻孔内的所有空置空间。图 23B 示出钻孔 254 的端部， 其中管道 206 伸出且钻孔被用灌浆 270 充满至地面。 在该实例中， 可在灌浆放入钻孔内之前将套管从 远端 254 取出。
图 23A 还提供取出套管且在地表中向下挖出一沟槽至不直接受季节性温度波动 影响的深度之后的图示。钻孔终止在沟槽内， 且集管将附接至管道 206， 用于按要求引导热 流体。在成功完成灌浆放置后， 将起始位置 252 处的套管从地表移走， 并形成类似沟槽， 从 而完成钻孔。
在图 21、 22、 23A-B 中， 示出在几个构造中套管的使用。这不限制或排除在形成钻 孔时使用套管的其它实例， 而是仅提供说明性实例。使用套管的决定将由希望有钻孔放置 的地表内确定的变量来限定。 因此， 套管的类型、 构造和使用是主观的且根据所呈现地表条 件而变化， 如本领域的技术人员会理解的那样。
图 24 示出具有在穿过土地的连续环路内钻出的钻孔的地下连续环路热交换器和 将热灌浆放入钻孔的示例实施例。在图 24 的实例中， 钻孔 260 具有相对于地表的地面大致 连续的曲率， 并示出从端部 254 向起始位置 252 将管道 206 放入钻孔内。 还如图 24 所示， 将 导管管线 280 以同样的方式与管道 206 一起插入钻孔内， 并拉至钻孔 252 的起始位置。还 示出， 钻机和管道引导和放置系统从钻孔的紧邻近端移走， 留下了附接的导管管线收回和 存储系统 280、 灌浆混合单元 248 和灌浆泵入系统 256， 灌浆泵入系统 256 经由灌浆传输管 道 250 而与导管管线承载器 280 操作接触。在该实例中， 灌浆泵 256 将从混合器 248 接收 灌浆 270 并经由传输管道 250、 导管管线 280 的长度向钻孔 252 的起始端来泵入灌浆。随着 钻孔充有灌浆， 将导管管线 280 通过钻孔缓慢拉回， 从而用灌浆填充所有空置空间， 直到导 管管线在端部 254 从钻孔 254 露出为止。
图 25 示出其中已经定位地下连续环路热交换器的一块土地 300。可以看出， 地下 连续环路热交换器横穿几个地层 18A-18E 并有利地定位成用于其所要求的热交换功能。本 领域的技术人员已经确定一个地层会呈现比其它相邻地层高的导热率。此外， 一旦所期望 的地层已被确定， 则将钻孔的相当大部分放置在该地层内是有利的， 在本例下如地层区域 18C 所示。在图 25 中还示出， 钻孔的间隔距离 (DS) 和热围护区的间隔距离 (DE) 在地表的 地面和深度处基本上独立。
图 26 示出定位在套管 212 上方的盘管钻机 242， 且已在一连续环路中完成了钻孔 12 的钻凿。在该实例中， 在钻凿马达 230 和方向引导器 222 的辅助下将盘管 236 操作地向 后引导到钻机 242 后面的地面。此外， 辅助形成主要为弯曲的钻孔的是盘管 236 从卷绕在 盘管承载器和存储卷轴 248 上留下的曲率或自然记忆曲率。
盘管在从盘管承载器 248 取出和穿过颈部 258 和盘管注入头部 264 时经受压缩 力， 目的是在插入地表中之前使盘管伸直。业已发现， 通过操纵或调整由颈部和注入头部 施加在盘管上的力， 留在盘管内的留下的记忆曲率的量和 / 或弯曲的方向在盘管已离开注 入头部之后会增加或减小， 如已经发现的那样， 在一些情况下， 它有利于增加盘管上的弯曲 量， 从而实际上放大曲率。操纵留下的记忆曲率和 / 或增加盘管曲率的有利方面有助于地 下钻孔的弯曲部分的钻凿。
图 26 示出沿穿过地表在环路中返回钻机 242 后方的地面的方向行进的盘管。如 本领域级数人员会理解的， 在其它示例性实例中， 盘管可具有操纵成如图 21 或图 22 所示的用以辅助钻孔钻凿的曲率。
尽管本文描述为钻孔 (boring)， 但形成钻孔的其它适当方式包括钻凿、 振动、 钻 采、 锤击、 或喷射。在大多数情况下， 需要在地面处开始的钻孔的最上面部分内设置临时或 永久套管。此外， 使用常规旋转钻凿系统、 液压旋挖系统、 振动钻凿系统、 倾斜钻孔系统、 盘 绕或盘管系统、 专用钻凿马达或涡轮钻凿马达、 冲压、 喷射镗孔刀具也可用来形成钻孔。如 本领域技术人员已知的， 可选的设备和系统可以包括引导、 电气和 / 或机械装置， 用以推进 钻凿工具和 / 或套管和钻杆或管。
其它构造包括将热交换介质定位在钻孔内壁与管道外表面之间的环形空间内。 如 前文所述， 该热交换介质有助于与周围地层的热交换。
所公开的地下连续环路热交换器可用于 (i) 向建筑供热， (ii) 向建筑供冷， 或 (iii) 储存能量以供将来使用。 此外， 所公开的地下连续环路热交换器可用于提供一种以上 的功能， 例如通过向第一建筑供热并向第二建筑供冷。 在一个这种实例中， 所公开的地下连 续环路热交换器可用于向包含游泳设施的第一建筑供热并向包含溜冰设施的第二建筑供 冷。
通常， 在加热模式下使用地源热泵的实例中， 冷流体从地下连续环路热交换器的 一端泵入， 且在其行进穿过到达地下连续环路热交换器的另一端时变热。在采暖季节的过 程中， 这会在一定程度上冷却钻孔周围的地层。在制冷季节， 流体反向穿过钻孔， 且穿过地 下连续环路热交换器流动的流体开始在一定程度上加热周围地层。 在利用行业标准公式计 算热阻和导热率时， 已经验证在利用本文所公开的地下连续环路热交换器的每种构造中， 钻孔效率都有大幅提高。 根据建筑物的围护结构的要求， 使用一定量的能量， 能量呈在建筑 物的采暖负荷期间循环到地下连续环路热交换器内的冷的热力流体的形式， 或呈在建筑物 的制冷负荷要求期间循环的热的热力流体的形式。 鉴于上述内容， 建筑内调节温度的示例性方法包括使流体从入口向出口流过地下 连续环路热交换器的钻孔内的管道。流体从出口流过地源热泵或热交换器系统， 并从地源 热泵或热交换器系统返回地下连续环路热交换器的入口。地源热泵运行， 以调节建筑内的 温度。 定位在地下钻孔的至少一部分内的用于流体的管道操作地连接至供给管线和返回管 线， 用于连接至地源热泵。此外， 入口和出口分开预定距离， 且钻孔的位于入口处的第一热 围护区和钻孔的位于出口处的第二热围护区基本上独立。
当针对建筑计算加热和空调 “负荷” ( 以标称吨的能量计量 ) 时， 定义需要排入地 下热交换器的相应量的能量和 / 或需要从地下热交换器取得的能量的量。工程师或设计者 规定地下热交换器设计将满足最具成本效益构造的热能转换要求。 然后， 进行进一步计算， 定义所需的地下热交换器的场地的大小。在竖直的钻孔的情况下， 计算通常会基于该区域 内地层的热效率而产生所需要的多个线性英尺的钻孔。
尽管结合本发明的优选实施例进行了描述， 但本领域的技术人员应当理解， 可进 行未具体描述的各种添加、 删除、 更改和替代体而不脱离由所附权利要求书所限定的本发 明的精神和范围。