本公開針對(duì)包括地源熱交換器的地?zé)峤粨Q系統(tǒng)以及利用大地作為熱沉和/或熱源的相關(guān)方法

背景技術(shù)：

各種地?zé)峤粨Q系統(tǒng)(有時(shí)被稱為地?zé)嵯到y(tǒng))是眾所周知的，包括閉環(huán)系統(tǒng)和開式立井系統(tǒng)。地?zé)峤粨Q系統(tǒng)可概括為用于內(nèi)部空間的加熱和冷卻系統(tǒng)，其中，當(dāng)加熱內(nèi)部空間時(shí)利用大地作為熱源和/或當(dāng)冷卻內(nèi)部空間時(shí)利用大地作為熱沉。除了其他部件外，公知的地?zé)峤粨Q系統(tǒng)的部件通常包括熱泵、地源熱交換器以及分配系統(tǒng)。很多地?zé)峤粨Q系統(tǒng)利用氣道作為分配系統(tǒng)，且在大地中利用聚乙烯導(dǎo)管作為地源熱交換器。然而，該系統(tǒng)存在各種缺陷和不足。例如，已知系統(tǒng)的許多地源回路都很昂貴、難以安裝、需要有毒的化學(xué)制品且容易出現(xiàn)故障。另外，這些系統(tǒng)檢修困難，并且，如果需要或期望額外的加熱或冷卻能力，還難以擴(kuò)充或擴(kuò)大。一般認(rèn)為這些因素或其他因素是當(dāng)前地?zé)峤粨Q系統(tǒng)和地?zé)豳Y源沒有得到充分利用的主要原因。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文中描述的實(shí)施方式提供了包括地源熱交換器的地?zé)峤粨Q系統(tǒng)及其有關(guān)方法，這些方法利用大地作為熱沉和/或熱源，從而為房屋、建筑物或其他結(jié)構(gòu)提供加熱和/或冷卻功能。地源熱交換器特別堅(jiān)固且易于安裝，并且能夠重新配置，以提供多功能的加熱和/或冷卻系統(tǒng)。在一些情況下，地源熱交換器被設(shè)置成諸如樁的深基構(gòu)件的形式，該深基構(gòu)件可驅(qū)動(dòng)或以其他方式定位在大地中，并且除提供加熱和冷卻功能外還可作為結(jié)構(gòu)支承構(gòu)件。另外，在一些實(shí)施方式中，提供了填充通路，以在熱傳遞介質(zhì)自地源回路的泄露或其他損失時(shí)，用補(bǔ)充的這種流體填充或裝載該系統(tǒng)的地源回路。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，地?zé)峤粨Q系統(tǒng)可概括成包括地源熱交換器和分配系統(tǒng)，其中，地源熱交換器為限定內(nèi)部流體腔的金屬容器形式，分配系統(tǒng)聯(lián)接至地源熱交換器，從而在操作期間使熱傳遞介質(zhì)(優(yōu)選為水)通過地源熱交換器的內(nèi)部流體腔中循環(huán)。分配系統(tǒng)可包括供給線路和返回線路，其中，供給線路將熱傳遞介質(zhì)輸送至地源熱交換器，返回線路從地源熱交換器收回?zé)醾鬟f介質(zhì)。分配系統(tǒng)還可包括填充通路，該填充通路用于根據(jù)熱傳遞介質(zhì)從地源熱交換器的金屬容器的泄露而自動(dòng)以追加的熱傳遞介質(zhì)補(bǔ)充地源熱交換器，其中，在一些情況下，在沒有損壞的條件下，金屬容器也易于泄露或易受泄露影響。

在一些情況下，地?zé)峤粨Q系統(tǒng)可與熱泵一起操作以提供加熱功能和/或冷卻功能，例如，為建筑物或其他結(jié)構(gòu)提供加熱和/或冷卻功能。地?zé)峤粨Q系統(tǒng)可配置成在加熱模式期間從大地吸收熱量和/或在冷卻模式期間將熱量排放到大地中。

供給線路、返回線路以及地源熱交換器可共同限定地源回路，以及填充通路可包括止回閥，從而響應(yīng)于穿過止回閥存在的壓差超過所選閾而從補(bǔ)足水源將補(bǔ)足水引到地源回路中。在水從地源熱交換器中泄露或地源回路中的水轉(zhuǎn)化為氣體的情況下，地源回路的操作壓力可降低到閾值以下。止回閥的上游側(cè)可與補(bǔ)足水源中的補(bǔ)足水無障礙地流體連通。分配系統(tǒng)還可包括放氣閥以釋放來自分配系統(tǒng)的氣體。放氣閥可位于或接近地源回路中的最高點(diǎn)或標(biāo)高處。

熱交換器的金屬容器可以是深基構(gòu)件。例如，金屬容器可以是成樁形式的深基構(gòu)件或其他承載構(gòu)件。深基構(gòu)件可包括位于其下端處的螺旋鉆結(jié)構(gòu)以提高可打性。深基構(gòu)件還可包括位于其上端處的接合結(jié)構(gòu)，該接合結(jié)構(gòu)用于聯(lián)接至旋轉(zhuǎn)打樁機(jī)系統(tǒng)或其他深基安裝系統(tǒng)。

地源熱交換器的金屬容器可包括鋼的管狀殼體和端蓋，以限定大體封閉的流體容器。地源熱交換器的金屬容器可以是深基構(gòu)件或承載構(gòu)件，例如用于地上結(jié)構(gòu)的錨固件、用于結(jié)構(gòu)的基座支承件或土壤保持元件。地源熱交換器的金屬容器可包括管狀結(jié)構(gòu)，該管狀結(jié)構(gòu)具有外表面和內(nèi)表面，其中，外表面與大地交界，內(nèi)表面與在操作期間通過地源熱交換器循環(huán)的水接觸。

在一些情況下，流體分配系統(tǒng)的供給線路包括出口，以將熱傳遞介質(zhì)排放到地源熱交換器的金屬容器的內(nèi)部流體腔中，并且返回線路包括入口，以從地源熱交換器的金屬容器的內(nèi)部流體腔中收回?zé)醾鬟f介質(zhì)。在一些情況下，供給線路的出口和返回線路的入口可以每個(gè)都沿源熱交換器的縱向長(zhǎng)度而位于不同高度處。另外，供給線路的出口和返回線路的入口每個(gè)都可位于地源熱交換器的金屬容器的內(nèi)部流體腔的上部中。在其他情況下，供給線路的出口和返回線路的入口每個(gè)都可位于地源熱交換器的相對(duì)的端部處。供給線路的出口和返回線路的入口可從地源熱交換器的金屬容器下端偏移，以使得金屬容器的內(nèi)部流體腔下半部分僅由熱傳遞介質(zhì)的立柱占據(jù)。

根據(jù)另一實(shí)施方式，地?zé)峤粨Q系統(tǒng)可概括成包括位于大地中的地源熱交換器和分配系統(tǒng)，其中，地源熱交換器包括限定內(nèi)部流體腔的金屬容器，分配系統(tǒng)聯(lián)接至地源熱交換器，從而使水在操作期間通過地源熱交換器循環(huán)。分配系統(tǒng)可包括供給線路、返回線路和循環(huán)泵，以使水經(jīng)由供給線路和返回線路通過地源熱交換器的內(nèi)部流體腔循環(huán)。分配系統(tǒng)還可在放氣閥和填充通路，其中，放氣閥用于釋放來自分配系統(tǒng)的氣體，填充通路被配置成在水從地源熱交換器泄露或地源熱交換器中的水轉(zhuǎn)化為氣體的情況下，自動(dòng)地用水補(bǔ)足地源熱交換器的內(nèi)部流體腔。地?zé)峤粨Q系統(tǒng)可與熱泵一起操作，以提供加熱功能和/或冷卻功能，并且可配置成在加熱模式期間從大地吸收熱量和/或在冷卻模式期間將熱量排放到大地。

根據(jù)另一實(shí)施方式，安裝地?zé)峤粨Q系統(tǒng)的方法可概括成包括：將至少一個(gè)地源熱交換器安裝到大地中，地源熱交換器包括金屬容器，該金屬容器具有與大地交界的外表面以及限定內(nèi)部流體腔的內(nèi)表面；經(jīng)由流體分配系統(tǒng)將至少一個(gè)地源熱交換器聯(lián)接至熱泵，流體分配系統(tǒng)包括供給線路、返回線路和循環(huán)泵，以在操作期間使水通過地源熱交換器的內(nèi)部流體腔循環(huán)，從而在加熱模式期間從大地吸收熱量和/或在冷卻模式期間將熱量排放到大地中；以及，將流體分配系統(tǒng)聯(lián)接至水源，以使得能夠在水損失的情況下自動(dòng)用補(bǔ)足水補(bǔ)足熱交換器。

該方法還可包括以串聯(lián)布置、并聯(lián)布置或串聯(lián)布置和并聯(lián)布置的組合將多個(gè)地源熱交換器聯(lián)接至熱泵。該方法還可包括從多個(gè)地源熱交換器獲得性能數(shù)據(jù)，并將一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)充的地源熱交換器安裝到大地中，以及至少部分地基于性能數(shù)據(jù)和熱泵的期望需求，將一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)充的地源熱交換器聯(lián)接至熱泵。該方法還可包括將至少一個(gè)補(bǔ)充的地源熱交換器安裝到大地中，以及響應(yīng)于熱泵的期望需求的變化，將至少一個(gè)補(bǔ)充的地源熱交換器聯(lián)接至熱泵。將至少一個(gè)地源熱交換器安裝到大地中可包括用安裝系統(tǒng)將至少一個(gè)地源熱交換器推動(dòng)到大地中，或?qū)⒅辽僖粋€(gè)地源熱交換器定位到大地中預(yù)鉆的腔中。

根據(jù)另一實(shí)施方式，操作地?zé)峤粨Q系統(tǒng)的方法可概括成包括：使水通過地源回路循環(huán)，以在加熱模式期間從大地吸收熱量和/或在冷卻模式期間將熱量排放到大地中，地源回路包括具有金屬流體容器的至少一個(gè)地源熱交換器，其中，金屬流體容器具有與大地交界的外表面以及在操作期間與水接觸的內(nèi)表面；以及在水從至少一個(gè)地源熱交換器泄露或來自地源回路中的水向氣體轉(zhuǎn)化的情況下，將補(bǔ)足水引入到地源回路中。

操作地?zé)峤粨Q系統(tǒng)的方法還可包括對(duì)至少一個(gè)地源熱交換器以及包圍該至少一個(gè)地源熱交換器的大地進(jìn)行去應(yīng)力。地源回路可聯(lián)接至熱泵以與其中的熱交換器交換熱量，并且對(duì)至少一個(gè)地源熱交換器以及包圍該至少一個(gè)地源熱交換器的大地進(jìn)行去應(yīng)力可包括用循環(huán)泵使水通過至少一個(gè)地源熱交換器循環(huán)。在去應(yīng)力期間，熱泵可以是運(yùn)行狀態(tài)或非運(yùn)行狀態(tài)。用循環(huán)泵使水通過至少一個(gè)地源熱交換器循環(huán)可包括使水在這樣的容積流速下通過至少一個(gè)地源熱交換器循環(huán)，該容積流速小于當(dāng)熱泵運(yùn)行時(shí)水循環(huán)的平均容積流速。對(duì)至少一個(gè)地源熱交換器以及包圍該至少一個(gè)地源熱交換器的大地進(jìn)行去應(yīng)力可包括從地源回路中排出水以及將與平均溫度與所排出的水不同的補(bǔ)充水引入地源回路。在水從至少一個(gè)地源熱交換器泄露或來自地源回路中的水轉(zhuǎn)化為氣體的情況下將補(bǔ)足水引入地源回路可包括：盡管從至少一個(gè)地源熱交換器損失水，但自動(dòng)將地源回路維持在操作能力處。

附圖說明

圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的包括多個(gè)地源熱交換器的地?zé)峤粨Q系統(tǒng)的側(cè)視圖。

圖2是根據(jù)另一實(shí)施方式的包括多個(gè)地源熱交換器的地?zé)峤粨Q系統(tǒng)的側(cè)視圖。

圖3是根據(jù)又一實(shí)施方式的包括多個(gè)地源熱交換器的地?zé)峤粨Q系統(tǒng)的側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式

在以下描述中，闡明了一些具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)各種公開的實(shí)施方式的全面理解。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解的是，可以在沒有一個(gè)或多個(gè)這些具體細(xì)節(jié)的情況下、或者以其他方法、部件、材料等來實(shí)踐實(shí)施方式。在其他情況下，沒有示出或詳細(xì)描述與地?zé)峤粨Q系統(tǒng)和深基構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的公知結(jié)構(gòu)和設(shè)備以及相關(guān)聯(lián)的安裝方法和使用方法，以免不必要地模糊對(duì)實(shí)施方式的描述。

除非上下文另有要求，否則，在說明書和所附權(quán)利要求全文中，詞語“包括(comprise)”及其變體，諸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”會(huì)解釋成開放式的、非排他的含義，即，解釋成“包括但不限于”。

在該說明書全文中，參照“一個(gè)實(shí)施方式”或“一實(shí)施方式”是指在至少一個(gè)實(shí)施方式中包括結(jié)合該實(shí)施方式來描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性。因而，在說明書全文中的不同位置出現(xiàn)的詞組“在一個(gè)實(shí)施方式中”或“在實(shí)施方式中”不一定全部都指同一實(shí)施方式。另外，本文中描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性可以在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中以任何適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行組合。

圖1示出了地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10(通常被稱為地?zé)嵯到y(tǒng))的一個(gè)示例性實(shí)施方式，該地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10適合于通過在冷卻模式期間將大地或陸地用作熱沉或在加熱模式期間將大地或陸地用作熱源來提供冷卻和/或加熱功能。地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10包括多個(gè)地源熱交換器20，多個(gè)地源熱交換器20可以位于大地12中，以在地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10的操作期間與大地12交換熱量。

在一些情況下，可以利用安裝系統(tǒng)將地源熱交換器20打入大地12中，其中，安裝系統(tǒng)可包括用于將長(zhǎng)型物體定位在大地中的各種已知系統(tǒng)中的任意系統(tǒng)，例如，在第6,386,295號(hào)美國(guó)專利、第6,942,430號(hào)美國(guó)專利和/或第7,950,876號(hào)美國(guó)專利中示出并描述的打樁機(jī)，以上美國(guó)專利均通過引用并入本文。在其他情況下，可將地源熱交換器20定位在大地12中預(yù)鉆的腔內(nèi)，且如有需要可回填。地源熱交換器20促進(jìn)大地12與包含在地源熱交換器20中和/或移動(dòng)通過地源熱交換器20的熱傳遞介質(zhì)21(優(yōu)選為水或主要為水)之間的熱交換。熱交換可需要從地源熱交換器20向大地12輸送熱能和/或通過地源熱交換器20從大地12接收熱能。

地源熱交換器20通常可以是長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)，該長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)包括具有頂端24和底端26的流體容器22。地源熱交換器20可以安裝成使得其頂端24延伸或突出到大地12之上，或地源熱交換器20可完全掩埋在大地12中。在一些情況下，地源熱交換器20可定位成頂端24突出到在大地12中形成的溝槽或凹陷14之上。地源熱交換器20的頂端24可以定位在周圍大地12的凍深線處、或接近周圍大地12的凍深線處或周圍大地12的凍深線之下。地源熱交換器20的布置深度可取決于系統(tǒng)10安裝區(qū)域的氣候條件、大地12的土壤特性和/或期望或要求的加熱和/或冷卻功能的量級(jí)。

地源熱交換器20的流體容器22中的每個(gè)均可包括具有相對(duì)的端蓋34、36的外殼或管狀結(jié)構(gòu)30，端蓋34、36共同限定內(nèi)部流體腔32。更具體地，地源熱交換器20的流體容器22中的每個(gè)均可包括外殼或管狀結(jié)構(gòu)30、頂端蓋34和底端蓋36，其中，頂端蓋34位于熱交換器20的頂端24處或接近熱交換器20的頂端24，底端蓋36位于熱交換器20的底端26或接近熱交換器20的底端26。外殼或管狀結(jié)構(gòu)30與相對(duì)的端蓋34、36可共同形成限定內(nèi)部流體腔32的封閉結(jié)構(gòu)。外殼或管狀結(jié)構(gòu)30通?？蔀閳A柱形或可包括其他規(guī)則或不規(guī)則的棱柱形狀，諸如矩形棱柱。外殼或管狀結(jié)構(gòu)30的側(cè)壁42可包括外表面46和內(nèi)表面48，其中，外表面46與大地12交界，內(nèi)表面48限定內(nèi)部流體腔32，并與地源熱交換器20中包含的和/或在操作期間移動(dòng)通過源熱交換器20的熱傳遞介質(zhì)21(例如，水)相接觸。以這種方式，熱傳遞介質(zhì)21可與周圍的陸地或大地12僅間隔側(cè)壁42的厚度。

地源熱交換器20還可包括一個(gè)或多個(gè)特征以增加打入性或以其他方式易于將地源熱交換器20安裝在大地12中。例如，每個(gè)地源熱交換器20均可在其底端26處或靠近其底端26處包括螺旋鉆結(jié)構(gòu)40。如另一示例，每個(gè)地源熱交換器20均可在其頂端24處或靠近其頂端24處包括接口布置或結(jié)構(gòu)44，以用于與諸如打樁機(jī)的安裝系統(tǒng)配合。安裝系統(tǒng)可具有旋轉(zhuǎn)接口，該旋轉(zhuǎn)接口設(shè)計(jì)成以允許將扭矩從旋轉(zhuǎn)接口輸送至地源熱交換器20的方式接合位于地源熱交換器20(或者地源熱交換器20的子段)的頂端24處的接口布置或結(jié)構(gòu)44。因而，安裝系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)接口和/或位于地源熱交換器20的頂端24處的接口布置或結(jié)構(gòu)44可具有防止安裝系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)接口與位于地源熱交換器20的頂端24處的接口布置或結(jié)構(gòu)44之間相對(duì)旋轉(zhuǎn)的特征。這些特征可布置成徑向?qū)ΨQ的圖案，以允許以多個(gè)相對(duì)角度中的任意角度在旋轉(zhuǎn)接口內(nèi)接納頂端24。如圖1所示，接口布置或結(jié)構(gòu)44可具有大致的多邊形狀，例如，但不限于，限定多個(gè)平坦部的六邊形或八邊形。安裝系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)接口可具有多個(gè)相應(yīng)的平坦部或特征，從而以與例如套筒扳手接納螺帽或螺栓的頭部的類似的方式接納接口布置或結(jié)構(gòu)44。

安裝系統(tǒng)可具有電動(dòng)機(jī)或者其他設(shè)備，該電動(dòng)機(jī)或其他設(shè)備通過經(jīng)由接口布置或結(jié)構(gòu)44引入地源熱交換器20的旋轉(zhuǎn)而使得地源熱交換器20能夠旋轉(zhuǎn)插入大地12。旋轉(zhuǎn)可促進(jìn)用地源熱交換器20穿透至大地12中。除旋轉(zhuǎn)之外或與旋轉(zhuǎn)同時(shí)地，安裝組件還可在地源熱交換器20上施加向下的壓力以將地源熱交換器20推動(dòng)至大地12中。響應(yīng)于旋轉(zhuǎn)，螺旋鉆結(jié)構(gòu)40可抵靠周圍土地動(dòng)作，以將地源熱交換器20的底端26更深地引入大地12中，從而促進(jìn)穿透至大地12中。如圖所示，底端蓋36可具有大體尖銳的形狀，該大體尖銳的形狀可為三角形、圓錐形、角錐形等，從在有助于在穿透大地12期間從地源熱交換器20下方轉(zhuǎn)移泥土。

頂端蓋34、底端蓋36、螺旋鉆結(jié)構(gòu)40和/或接口布置或結(jié)構(gòu)44可以是與外殼或管狀結(jié)構(gòu)30的側(cè)壁42分離的獨(dú)立件，并且可通過焊接、釬接、螺紋、化學(xué)作用或粘合劑接合、和/或其他方法固定至側(cè)壁42?？商娲兀瑐?cè)壁42、頂端蓋34、底端蓋36、螺旋鉆結(jié)構(gòu)40和/或接口布置或結(jié)構(gòu)44可彼此形成為單件。在第6,386,295號(hào)美國(guó)專利、第6,942,430號(hào)美國(guó)專利和/或第7,950,876號(hào)美國(guó)專利中示出和描述了可與本文中描述的地源熱交換器20結(jié)合提供的頂端蓋34、底端蓋36、螺旋鉆結(jié)構(gòu)40和/或接口布置或結(jié)構(gòu)44的示例以及用于安裝該地源熱交換器20的示例性安裝系統(tǒng)，以上三個(gè)美國(guó)專利申請(qǐng)同樣通過引用均并入本文。同樣地，地源熱交換器20可包括在深基布置、管道鋪設(shè)、打樁布置等領(lǐng)域中所知的各種安裝特征或結(jié)構(gòu)和/或土壤穿透特征中的任意特征。

在一些實(shí)施方式中，地源熱交換器20中的每個(gè)的外殼或管狀結(jié)構(gòu)30都可以是由諸如鋼或其他金屬材料的、具有相對(duì)較高的熱導(dǎo)率的材料形成的樁。外殼或管狀結(jié)構(gòu)30的側(cè)壁42與大地12之間的熱傳導(dǎo)性可促進(jìn)大地12與地源熱交換器20中的每個(gè)之間的熱交換。外殼或管狀結(jié)構(gòu)的側(cè)壁42同樣優(yōu)選地由諸如鋼或其他金屬材料的、結(jié)構(gòu)上堅(jiān)固的材料形成。這可以使得能夠用可能對(duì)由諸如混凝土的其他材料構(gòu)成的樁或其他深基結(jié)構(gòu)來說不適合的技術(shù)，將源熱交換器20打入大地12。鋼可以更有效地承受沖擊載荷、涉及拉伸應(yīng)力的靜力載荷方式等。當(dāng)選擇用于外殼或管狀結(jié)構(gòu)30的材料時(shí)，拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性、熱導(dǎo)率、熱膨脹以及耐腐蝕性可全部被考慮到。

在一些實(shí)施方式中，可由外殼或管狀結(jié)構(gòu)30與相對(duì)的端蓋34、36共同限定的流體容器22可以是鋼樁或其他的深基結(jié)構(gòu)。鋼或其他類似的材料可以提供相對(duì)較高程度的熱導(dǎo)率和高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以使得地源熱交換器20能夠提供與大地12之間的有效熱交換，以及，如有期望，向基座或其他結(jié)構(gòu)提供結(jié)構(gòu)支承。

地源熱交換器20的散熱和/或吸熱能力大體可與地源熱交換器20的長(zhǎng)度成比例。在一些情況下，流體容器22可由多個(gè)部分或段形成。根據(jù)一些實(shí)施方式，例如，通過將多個(gè)管狀結(jié)構(gòu)30固定在一起來形成地源熱交換器20可以獲得對(duì)大地12更深的穿透。例如，如圖1所示的地源熱交換器每個(gè)都包括具有經(jīng)由例如螺紋聯(lián)接件的聯(lián)接件50聯(lián)接在一起的兩個(gè)獨(dú)立的外殼或管狀結(jié)構(gòu)30。在一些實(shí)施方式中，可以將兩個(gè)或更多個(gè)外殼或管狀結(jié)構(gòu)30聯(lián)接在一起，從而形成長(zhǎng)型的流體容器22，該長(zhǎng)型的流體容器22很適合于穿透大地12至更大深度，同時(shí)將每個(gè)外殼或管狀結(jié)構(gòu)30的長(zhǎng)度保持為適合于運(yùn)輸、貯存、材料處理和安裝工作。

獨(dú)立的外殼或管狀結(jié)構(gòu)30可包括長(zhǎng)度在大約4英尺與大約40英尺之間的外殼段。管段可具有在大約4英寸至大約22英寸的范圍內(nèi)的外徑或更大。管段的側(cè)壁42的厚度可在大約0.25英寸至大約0.75英寸之間或更大。外殼段可包括DOM無縫管，并且可由具有在大約80ksi與110ksi之間的屈服強(qiáng)度的高強(qiáng)度鋼形成。在其他情況下，外殼段可包括具有適當(dāng)強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)特性的其他金屬材料，包括復(fù)合材料，以用作諸如樁的深基構(gòu)件的形式的地源熱交換器20。

較長(zhǎng)的地源熱交換器20可以穿透大地12至相對(duì)更大的深度，并且由于地源熱交換器20與大地12接觸的表面積增大，因而可提供更大的熱交換容量。另外，地源熱交換器20穿透到更大的深度可使得地源熱交換器20能夠到達(dá)諸如移動(dòng)的地下水的地下特征，該地下特征還可提高大地12與地源熱交換器20之間的熱傳遞。

另外，地源熱交換器20可包括兩個(gè)或更多個(gè)外殼或管狀結(jié)構(gòu)30，該兩個(gè)或更多個(gè)外殼或管狀結(jié)構(gòu)30聯(lián)接至一起以形成長(zhǎng)型的流體容器22。分離的外殼或管狀結(jié)構(gòu)30可通過螺紋聯(lián)接件50聯(lián)接在一起。于2013年6月13日提交的第13/917,132號(hào)共同待決的美國(guó)專利申請(qǐng)中描述了可使用的聯(lián)接件的示例性實(shí)施方式，其中，該美國(guó)專利申請(qǐng)通過引用并入本文。當(dāng)然，還可使用深基構(gòu)件和管道安裝件的領(lǐng)域中公知的其他聯(lián)接件50。在一些情況下，聯(lián)接件50可具有管狀形狀，該管狀形狀尺寸確定成使得相鄰的外殼或管狀結(jié)構(gòu)30中上面一個(gè)的下端與相鄰的外殼或管狀結(jié)構(gòu)30中下面一個(gè)的上端協(xié)作，從而限定單個(gè)大體連續(xù)的棱柱流體腔32。

地源熱交換器20可以以模塊的形式插入到大地12中。更具體地，首先可經(jīng)由旋轉(zhuǎn)、撞擊、振動(dòng)或其他安裝技術(shù)將每個(gè)地源熱交換器20的下段或下部54插入大地12。下段或下部54可插入這樣的深度，即，將地源熱交換器20的頂端暴露在大地12或者溝槽或凹陷14的表面上方。然后，可經(jīng)由聯(lián)接件50將每個(gè)地源熱交換器20的相鄰或上段或上部56固定至下段或下部54，從而經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、撞擊、振動(dòng)或其他安裝技術(shù)推動(dòng)到大地中，直到相鄰或上段或上部56的大部分或整體均被掩埋。然后，可將地源熱交換器20設(shè)置在圖1中所示的示例性位置中。

在其他實(shí)施方式中，可以設(shè)置可移除的聯(lián)接件，在下段或下部54已插入到大地12中之后且在附接相鄰或上段或上部56之前，可從每個(gè)地源熱交換器20的下段或下部54去除該可移除的聯(lián)接件。然后，可使用具有較低輪廓的不同聯(lián)接件(未示出)將相鄰的段54、56附接在一起。該聯(lián)接件無需接受扭矩或以其他方式適于與例如樁安裝系統(tǒng)配合，因而無需具有圖1的示例性實(shí)施方式中所示的接口布置或結(jié)構(gòu)44。因此，這種聯(lián)接件可具有較小的尺寸，因此具有對(duì)穿透大地12更小的阻力，從而增加了地源熱交換器20的可打入性?？赏ㄟ^使用包括例如焊接、螺紋、粘合劑結(jié)合、化學(xué)作用結(jié)合、和/或其他方法的各種方法，將這種低輪廓的聯(lián)接件附接至每個(gè)段或部分54、56的外殼或管狀結(jié)構(gòu)30。

盡管每個(gè)地源熱交換器20的段54、56均可被推動(dòng)到大地12中，不過還應(yīng)理解的是，在其他實(shí)施方式中，可使用其他安裝方法。例如，在一些情況下，可在大地中形成預(yù)鉆的腔來接納相應(yīng)的地源熱交換器20，且如有期望或有需要可進(jìn)行回填。

可將本文中描述的地源熱交換器20用于期望將熱量排放到大地12中和/或從大地12接收熱量的任意應(yīng)用中。這種應(yīng)用包括但不限于建筑物和其他結(jié)構(gòu)的加熱和冷卻。另外，諸如一些制造過程的某些動(dòng)作可產(chǎn)生需要被棄置的廢熱。本文中描述的地源熱交換器20可用于為這些動(dòng)作提供熱沉。

繼續(xù)參照?qǐng)D1，地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10還可包括連接至地源熱交換器20的熱泵60或其他裝置。這種熱泵可用于加熱和/或冷卻諸如房屋、辦公樓或工業(yè)建筑的建筑物或結(jié)構(gòu)。熱泵60可根據(jù)是否需要冷或加熱，通過利用制冷循環(huán)來向熱傳遞介質(zhì)21排放熱量或從熱傳遞介質(zhì)21汲取熱量來實(shí)現(xiàn)該功能。

如圖所示和上文所述，每個(gè)地源熱交換器20都包括流體容器22，流體容器22包括具有相對(duì)的端蓋34、36的外殼或管狀結(jié)構(gòu)30，其中相對(duì)的端蓋34、36共同限定了內(nèi)部流體腔32。腔32可具有頂端33和底端35，其中，頂端33接近地源熱交換器20的頂端24，底端35接近地源熱交換器20的底端26。熱傳遞介質(zhì)21可位于腔32內(nèi)，并且在操作期間可完全或大體填充腔32。熱傳遞介質(zhì)21優(yōu)選由水或主要由水構(gòu)成，但在一些情況下可包括沉淀物、其他無害的異物顆粒和/或環(huán)境友好型添加劑。應(yīng)避免使用含有乙二醇或其他潛在的、對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)的制冷劑，以便消除這些物質(zhì)泄露或滲漏到周圍大地12或地下水中的風(fēng)險(xiǎn)。

盡管外殼或管狀結(jié)構(gòu)30和相對(duì)的端蓋34、36可共同限定大體封閉的流體容器22，不過如由58標(biāo)示的、熱傳遞介質(zhì)21泄漏的區(qū)域所示，容器22會(huì)易于泄漏或易受泄漏的影響。熱傳遞介質(zhì)21的泄露可能會(huì)在例如地源熱交換器20的結(jié)構(gòu)中設(shè)置的各種連接件處發(fā)生，例如，在流體容器22的相鄰的段54、56之間的連接件處或相對(duì)的端蓋34、36與外殼或管狀結(jié)構(gòu)30之間的連接件處。有利地，流體容器22可以不考慮建立完全液密的容器，因?yàn)楸疚闹忻枋龅南到y(tǒng)和方法會(huì)對(duì)熱傳遞介質(zhì)21的泄露或其他損失負(fù)責(zé)。這可以降低建造以及安裝的復(fù)雜性和成本。例如，降低了安裝期間外殼或管狀結(jié)構(gòu)30的段54、56可對(duì)準(zhǔn)和組合的精確度，從而使得能夠以更便利的方式進(jìn)行安裝。

外殼或管狀結(jié)構(gòu)30的內(nèi)表面48可限定內(nèi)部流體腔32的大部分邊界，并且可具有有助于防止內(nèi)表面48被腐蝕的防腐涂層或其他處理。如有需要，底端蓋36和/或頂端蓋34的內(nèi)表面同樣可以被涂敷或以其他方式進(jìn)行處理。

另外，根據(jù)優(yōu)選實(shí)施方式，熱傳遞介質(zhì)21為水或者主要為水。水容易獲取并且當(dāng)以有限的量排放時(shí)對(duì)大地12和周圍環(huán)境無害。因此，無需在每個(gè)地源熱交換器20的內(nèi)部流體腔32與周圍環(huán)境之間保持嚴(yán)格的密封。如果一些水從地源熱交換器20泄露到大地12中，可以自動(dòng)補(bǔ)充水。頂端蓋34可與外殼或管狀結(jié)構(gòu)30的末端限定密封部。然而，這種密封件可能有缺陷且易受泄露影響。有利地，頂端蓋34可以是可移除的、可再閉合的和/或可替換的，從而允許相對(duì)容易地對(duì)地源熱交換器20進(jìn)行檢修。

在每個(gè)地源熱交換器20的內(nèi)腔32中循環(huán)的熱傳遞介質(zhì)21提供了介質(zhì)，通過該介質(zhì)在熱泵60與地源熱交換器20之間交換熱量，并最終與大地12交換熱量。如果通過地源熱交換器20的內(nèi)腔32循環(huán)的熱傳遞介質(zhì)21(例如，水)的溫度比大地12的溫度高，則熱量可從熱傳遞介質(zhì)21傳入外殼或管狀結(jié)構(gòu)30。如果大體限定了內(nèi)部流體腔32的外殼或管狀結(jié)構(gòu)30由諸如鋼的、具有相對(duì)高的熱導(dǎo)率的材料構(gòu)成，則熱量可沿外殼或管狀結(jié)構(gòu)30的縱向長(zhǎng)度快速且便利地分配，并且可傳入到包圍地源熱交換器20的大地12中。相反，如果通過熱傳遞介質(zhì)21的內(nèi)腔32中循環(huán)的熱傳遞介質(zhì)21的溫度比大地12的溫度低，則該過程反向進(jìn)行，即熱量從包圍地源熱交換器20的大地12傳入外殼或管狀結(jié)構(gòu)30，并沿外殼或管狀結(jié)構(gòu)30的縱向長(zhǎng)度快速且便利地分配，且最終傳入熱傳遞介質(zhì)21。

不論熱傳遞介質(zhì)21是接收熱量還是排出熱量，也不管內(nèi)部流體腔32內(nèi)不同位置處流體之間可能有的溫度差，地源熱交換器20的外殼或管狀結(jié)構(gòu)30的相對(duì)高的熱導(dǎo)率均能夠使熱量沿外殼或管狀結(jié)構(gòu)30的整個(gè)縱向長(zhǎng)度快速且有效地分配。例如，如果接近地源熱交換器20的頂端的熱傳遞介質(zhì)21比接近地源熱交換器20的底端26的熱傳遞介質(zhì)21熱得多，則來自接近頂端24的較熱的流體的熱量可傳入側(cè)壁42的相鄰部分，且從該相鄰部分更快速和有效地被引導(dǎo)至地源熱交換器20的底端26，然后熱量可用其他方式經(jīng)過熱傳遞流體21本身遷移。因此，即使內(nèi)部流體腔內(nèi)的一些熱傳遞介質(zhì)21相對(duì)于大地12不具有支持有效熱傳遞的理想溫度差，側(cè)壁42的全長(zhǎng)對(duì)于與周圍大地12的熱傳遞來說也可以有效。因此，在一些情況下，可能不一定循環(huán)地源熱交換器20內(nèi)包含的所有熱傳遞介質(zhì)21，且在一些情況下，地源熱交換器20中的一些熱傳遞介質(zhì)21可能在整個(gè)操作中處于停滯或相對(duì)停滯，而對(duì)加熱和冷卻性能造成的影響很小(如果有的話)。

地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10還可包括流體分配系統(tǒng)64，流體分配系統(tǒng)64聯(lián)接至地源熱交換器20，從而在操作期間使熱傳遞介質(zhì)21通過內(nèi)部流體腔32循環(huán)。為了這個(gè)目的，流體分配系統(tǒng)64可包括供給線路70，從而如由箭頭標(biāo)記72所示，將熱傳遞介質(zhì)21輸送至地源熱交換器20。供給線路70可包括諸如各種管路和軟管的一個(gè)或多個(gè)流體供給導(dǎo)管70a、70b、70c，和相關(guān)聯(lián)的配件、歧管74和/或用于將熱傳遞介質(zhì)21按路線從熱泵60運(yùn)送至地源熱交換器20的其他流體傳輸部件。流體分配系統(tǒng)64還可包括返回線路80，以如由箭頭標(biāo)記82所示，從地源熱交換器20收回?zé)醾鬟f介質(zhì)21。返回線路80可包括諸如各種管路和軟管的一個(gè)或多個(gè)流體返回導(dǎo)管80a、80b、80c，以及相關(guān)聯(lián)的配件、歧管84和/或用于按路線遠(yuǎn)離地源熱交換器20朝向熱泵60運(yùn)送熱傳遞介質(zhì)21的其他流體傳輸部件。

可通過使用諸如相應(yīng)的供給線路導(dǎo)管70a、70b、70c的、供給線路70的相應(yīng)部分以及諸如相應(yīng)的返回線路導(dǎo)管80a、80b、80c的、返回線路80的相應(yīng)部分，使熱傳遞介質(zhì)21循環(huán)進(jìn)入和循環(huán)流出每個(gè)地源熱交換器20的內(nèi)部流體腔32，其中供給線路70的相應(yīng)部分和返回線路80的相應(yīng)部分均可穿過頂端蓋34。每個(gè)供給線路導(dǎo)管70a、70b、70c均可經(jīng)由相應(yīng)的供給線路開口76a、76b、76c將熱傳遞介質(zhì)21輸送至熱交換器20的內(nèi)部流體腔32。同樣地，每個(gè)返回線路導(dǎo)管80a、80b、80c均可經(jīng)由相應(yīng)的返回線路開口86a、86b、86c從地源熱交換器20的內(nèi)部流體腔32抽吸熱傳遞介質(zhì)21。對(duì)于熱交換器20中的每個(gè)來說，例如，如圖1所示，返回線路開口86a、86b、86c可接近內(nèi)部流體腔32的頂端33定位，且供給線路開口76a、76b、76c可定位成比返回線路開口86a、86b、86c低。另外，對(duì)于熱交換器20中的每個(gè)來說，返回線路導(dǎo)管80a、80b、80c和相應(yīng)的返回線路開口86a、86b、86c尺寸可以確定為遠(yuǎn)小于內(nèi)部流體腔32的橫截面，以使得通過當(dāng)與外殼或管狀結(jié)構(gòu)30相比時(shí)相對(duì)較細(xì)(例如，至少細(xì)幾個(gè)等級(jí))的通路收回?zé)醾鬟f介質(zhì)21。同樣地，對(duì)于熱交換器20中的每個(gè)來說，供給線路導(dǎo)管70a、70b、70c和相應(yīng)的供給線路開口76a、76b、76c尺寸可以確定為遠(yuǎn)小于內(nèi)部流體腔32的橫截面，以使得通過當(dāng)與外殼或管狀結(jié)構(gòu)30相比時(shí)相對(duì)較細(xì)(例如，至少細(xì)幾個(gè)等級(jí))的通路引入熱傳遞介質(zhì)21。

因?yàn)闊o需干擾包圍地源熱交換器20的大地12以鋪設(shè)可以以其他方式聯(lián)接至熱交換器20的側(cè)部的熱交換導(dǎo)管、進(jìn)口導(dǎo)管或出口導(dǎo)管，所以通過頂端蓋34聯(lián)接相應(yīng)供給線路導(dǎo)管70a、70b、70c和返回線路導(dǎo)管80a、80b、80c可促進(jìn)或便于安裝地源熱交換器20。即便是這樣，在其他實(shí)施方式中，相應(yīng)供給線路導(dǎo)管70a、70b、70c和返回線路導(dǎo)管80a、80b、80c中的一些或全部還可聯(lián)接至熱交換器20的側(cè)部，而不是穿過頂端蓋34。

根據(jù)一些示例，每個(gè)地源熱交換器20的供給線路開口76a、76b、76c和返回線路開口86a、86b、86c每個(gè)均可位于該地源熱交換器20的內(nèi)部流體腔32的上部?jī)?nèi)。在這方面，每個(gè)地源熱交換器20的供給線路開口76a、76b、76c和返回線路開口86a、86b、86c均可從地源熱20交換器的下端26偏移，以使得內(nèi)部流體腔32的下半部分僅由傳熱介質(zhì)的立柱占據(jù)。在其他情況下，每個(gè)地源熱交換器20的供給線路開口76a、76b、76c和返回線路開口86a、86b、86c均可以位于該地源熱交換器20的相對(duì)端24、26處。

然而，由于熱交換器20包括由諸如鋼的、具有相對(duì)高的熱導(dǎo)率的材料形成的流體容器22，因而每個(gè)熱交換器20內(nèi)的供給線路開口76a、76b、76c都不必為了提供有效的熱傳遞功能而位于內(nèi)部流體腔32的底端35內(nèi)。如圖1所示，替代地，每個(gè)供給線路開口76a、76b、76c均可位于熱交換器20的上部或一半位置內(nèi)。以這樣的方式定位供給線路開口76a、76b、76c可降低地源熱交換器20的成本和/或有助于地源熱交換器20的檢修。即便如此，每個(gè)供給線路開口76a、76b、76c還均可位于內(nèi)部流體腔32內(nèi)沿?zé)峤粨Q器20的高度的任意位置處，不過優(yōu)選地，位于與每個(gè)熱交換器20的相應(yīng)返回線路開口86a、86b、86c不同的高度處。例如，在一些實(shí)施方式中，每個(gè)供給線路開口76a、76b、76c均可定位成比每個(gè)熱交換器20的相應(yīng)返回線路開口86a、86b、86c低。在替代實(shí)施方式中(未示出)，定位可以相反，其中，每個(gè)供給線路開口76a、76b、76c定位成比每個(gè)熱交換器20的相應(yīng)返回線路開口86a、86b、86c高。在這種情況下，每個(gè)供給線路開口76a、76b、76c可定位成位于每個(gè)相應(yīng)的熱交換器20的頂端33處或接近每個(gè)相應(yīng)的熱交換器20的頂端33，并且每個(gè)返回線路開口86a、86b、86c均可位于相應(yīng)的供給線路開口76a、76b、76c下方。在一些情況下，每個(gè)返回線路開口86a、86b、86c均定位成靠近或接近頂端蓋34，從而減小可用于循環(huán)熱傳遞介質(zhì)21的一個(gè)或多個(gè)循環(huán)泵上的壓力頭。

根據(jù)一些實(shí)施方式，供給線路70、返回線路80和地源熱交換器20共同限定了地源回路，熱傳遞介質(zhì)21可通過地源回路循環(huán)以提供加熱和/或冷卻功能。盡管在本文中描述了泄露及其他流體損失的可能性，但還是可將該地源回路為閉環(huán)系統(tǒng)。流體分配系統(tǒng)64還可包括填充通路90，填充通路90聯(lián)接至地源回路，從而在熱傳遞介質(zhì)21自地源熱交換器20泄露或有其他損失的情況下用補(bǔ)足的熱傳遞介質(zhì)21補(bǔ)充地源回路。優(yōu)選地，該補(bǔ)充過程可自動(dòng)進(jìn)行而無需取得接近、修改和/或人工操作地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10。

作為示例，供給線路70可連接至諸如城市用水主線路或蓄水箱或儲(chǔ)水器的補(bǔ)足的熱交換介質(zhì)源92。止回閥94可將補(bǔ)足的熱交換介質(zhì)源90連接至供給線路70。當(dāng)補(bǔ)足的熱交換介質(zhì)源90與供給線路70之間的壓力差達(dá)到或超過給定閾值時(shí)，可抬起或打開止回閥94以允許補(bǔ)足的熱交換介質(zhì)(例如，水)填充或再填充地源回路。還可使用回流預(yù)防設(shè)備(未示出)來防止熱交換介質(zhì)21朝向補(bǔ)足的熱交換介質(zhì)源92回流。補(bǔ)足的熱交換介質(zhì)源92可進(jìn)行加壓，以在群源回路經(jīng)受足以抬起或打開止回閥94的壓降時(shí)促使熱傳遞介質(zhì)21(例如，水)流入地源回路。因此，止回閥94的上游側(cè)可與來自補(bǔ)足的熱交換介質(zhì)源90的補(bǔ)足的熱傳遞介質(zhì)無障礙地直接流體連通。另外或可替代地，這種補(bǔ)足的熱交換介質(zhì)源92可連接至地源回路的返回線路80或其他部分。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，補(bǔ)足的熱交換介質(zhì)源92接近循環(huán)泵位置聯(lián)接至地源回路，其中，循環(huán)泵用于使熱傳遞介質(zhì)21通過一個(gè)或多個(gè)地源熱交換器20循環(huán)。

如圖1所示，流體分配系統(tǒng)64還可包括放氣閥96，放氣閥96諸如沿供給線路70或返回線路80的一部分連接至地源回路。放氣閥96可設(shè)計(jì)成釋放來自地源回路的氣體，其中該氣體可以是通過熱傳遞介質(zhì)21的一部分轉(zhuǎn)換成氣態(tài)而產(chǎn)生的。放氣閥96可包括基于相對(duì)壓力釋放氣體的止回閥，或者可具有通風(fēng)管或從地源回路排出氣體的其他裝置。放氣閥96可位于或接近地源回路中的最高點(diǎn)或標(biāo)高處。

熱泵60(或類似的裝置)可通過返回線路80接收熱傳遞介質(zhì)21，以及可利用熱泵60的熱交換器從熱傳遞介質(zhì)21接收熱量或向熱傳遞介質(zhì)21排放熱量。然后，熱泵60可經(jīng)由供給線路70將熱傳遞介質(zhì)21引導(dǎo)回地源熱交換器的內(nèi)部流體腔32。熱泵60可包括促使熱傳遞介質(zhì)21通過地源回路循環(huán)的一個(gè)或多個(gè)循環(huán)泵(未示出)。在其他的情況下，可以在熱泵60之外設(shè)置一個(gè)或多個(gè)循環(huán)泵。

可替代地，一個(gè)或多個(gè)循環(huán)泵可定位在地源熱交換器20內(nèi)；然而，有利的是，可將一個(gè)或多個(gè)循環(huán)泵定位在地源熱交換器20外，以保持容納于地源熱交換器20的內(nèi)部流體腔32內(nèi)的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單。這樣可便于安裝地源熱交換器20和/或便于檢修地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10，因?yàn)椴槐亟?jīng)過通過地源熱交換器20的頂端24可用的、相當(dāng)受限制的訪問對(duì)一個(gè)或多個(gè)泵進(jìn)行檢修。實(shí)際上，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，地源熱交換器20的內(nèi)部流體腔32可免于相應(yīng)的供給線路開口76a、76b、76c與相應(yīng)的返回線路開口86a、86b、86c之間的任何障礙，從而有助于安裝地源熱交換器20和/或檢修地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10，并且相對(duì)地允許熱傳遞介質(zhì)21(例如，水)在相應(yīng)的供給線路開口76a、76b、76c與相應(yīng)的返回線路開口86a、86b、86c之間無障礙地流動(dòng)。

地源熱交換器20可適合于容易地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)，從而允許安裝額外的單元以增加安裝了這些額外單元的系統(tǒng)的熱傳遞能力。這種地源熱交換器20可如圖1所示的并聯(lián)、串聯(lián)或如圖2所示以并聯(lián)、串聯(lián)的組合連接在一起。有利地，地?zé)峤粨Q系統(tǒng)的一些實(shí)施方式可包括并聯(lián)連接的地源熱交換器20的組，且可配置成使得任意一組與其他組隔離，并可在減小的加熱或冷卻需求的階段期間繞過或停止使用以用于檢修。

圖2示出了地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10'的示例性實(shí)施方式，其中，地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10'包括經(jīng)由流體分配系統(tǒng)64連接至熱泵60的多個(gè)地源熱交換器20。如圖所示，地源熱交換器20可插入到大地12中或以其他方式定位于大地12中。地源熱交換器20可如圖所示布置成一行、成三角形或成任意其他適當(dāng)?shù)牟贾?。如果地源熱交換器20用于支承建筑物或結(jié)構(gòu)98的基礎(chǔ)部99，則具體的結(jié)構(gòu)支承要求可限定地源熱交換器20的布置。在任何情況下，各地源熱交換器20可有益地充分間隔開，以使得地源熱交換器20中的每一個(gè)均以最高或相對(duì)高的效率工作。因而，可使用最小間距水平來確定地源熱交換器20中的每個(gè)與每個(gè)相鄰地源熱交換器20可以距離多近。在其他情況下，一些地源熱交換器20可緊密堆疊或布置成相對(duì)密集的群組。

地源熱交換器20可通過流體分配系統(tǒng)64全部連接至同一熱泵60或其他加熱和冷卻裝置。流體分配系統(tǒng)64可包括供給線路70，從而，如由箭頭標(biāo)記72所示，將熱傳遞介質(zhì)21輸送至地源熱交換器20。供給線路70可包括諸如各種管路和軟管的一個(gè)或多個(gè)流體供給導(dǎo)管70a、70b、70c，和相關(guān)聯(lián)的配件、歧管74和/或用于將熱傳遞介質(zhì)21按線路從熱泵60運(yùn)送至地源熱交換器20的其他流體傳輸部件。流體分配系統(tǒng)64還可包括返回線路80，從而，如由箭頭標(biāo)號(hào)82所示，從地源熱交換器20收回?zé)醾鬟f介質(zhì)21。返回線路80可包括諸如各種管路和軟管的一個(gè)或多個(gè)流體導(dǎo)管80a、80b，以及相關(guān)聯(lián)的配件、歧管84和/或用于按線路將熱傳遞介質(zhì)21朝向熱泵60遠(yuǎn)離地源熱交換器20運(yùn)送的其他流體傳輸部件。如圖2所示，地源熱交換器20中的一些可通過中間導(dǎo)管71串聯(lián)聯(lián)接，然后這些串聯(lián)的組并聯(lián)聯(lián)接至熱泵60。以這樣的方式，中間導(dǎo)管71可同時(shí)用作用于一個(gè)地源熱交換器20的返回線路以及用于另一個(gè)地源熱交換器20的供給線路。最終，熱傳遞介質(zhì)21可流過所有的地源熱交換器20，從而與圍繞每個(gè)地源熱交換器20的周圍大地12傳遞熱量。

盡管圖2示出的地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10'具有4個(gè)地源熱交換器20，不過，假如一個(gè)或多個(gè)循環(huán)泵(未示出)充足地確定尺寸以引起傳熱介質(zhì)(例如，水)在由供給線路70、返回線路80和地源熱交換器20限定的整個(gè)地源回路中移動(dòng)，則可串聯(lián)連接、并聯(lián)連接或以連接、并聯(lián)的組合連接任意數(shù)量的地源熱交換器20。

參照?qǐng)D1和圖2，有利地，可向地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10、10'添加一個(gè)或多個(gè)地源熱交換器20，并且適當(dāng)?shù)毓芙拥卦礋峤粨Q器20以擴(kuò)展系統(tǒng)10、10'的容量。例如，如果構(gòu)造系統(tǒng)10、10'并操作熱泵60，以實(shí)現(xiàn)具體的加熱和/或冷卻目的，則最終對(duì)熱泵60的需要或要求會(huì)超出系統(tǒng)10、10'的初始容量。例如，改變天氣條件或使用習(xí)慣、擴(kuò)展所加熱的和/或所冷卻的空間，或僅僅是系統(tǒng)10、10'的初始尺寸過小可導(dǎo)致需要在安裝系統(tǒng)10、10'之后增大加熱和/或冷卻能力?？赏ㄟ^例如在先前安裝的地源熱交換器20附近將一個(gè)或多個(gè)附加的地源熱交換器20定位、插入或推動(dòng)到大地中而便利地增加一個(gè)或多個(gè)附加的地源熱交換器20。然后，可以以串聯(lián)和/或并聯(lián)布置將來自地源熱交換器20的返回線路80和供給線路70連接至一個(gè)或多個(gè)附加的地源熱交換器20。然后，可以以通過一個(gè)或多個(gè)附加的地源熱交換器20增加的熱交換能力來操作熱泵60。

盡管串聯(lián)連接地源熱交換器20會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是，在一些情況下，并聯(lián)布置或其他布置可提供更高的熱傳遞效率。除并聯(lián)布置外，可以以各種方式共一起使用多個(gè)地源熱交換器20。例如，一組獨(dú)立地源熱交換器20可獨(dú)立連接至熱泵60或類似的裝置，以使得地源熱交換器20中的每個(gè)均提供本身與熱泵60的熱交換。為了這個(gè)目的，熱泵60可具有多個(gè)內(nèi)部熱交換器(未示出)。

再次參照?qǐng)D2，系統(tǒng)10'可具有供給歧管74，其中，供給歧管74通過供給線路70的段連接至熱泵60。供應(yīng)線路導(dǎo)管70a和70b可從供給歧管74通過至相應(yīng)的地源熱交換器20或地源熱交換器20的群組。因而，來自熱泵60的熱傳遞介質(zhì)21可直接穿過至地源熱交換器20的并聯(lián)組中的每個(gè)。這樣可有助于保證通過地源熱交換器20的并聯(lián)組中的每個(gè)接收的熱傳遞介質(zhì)21相對(duì)于周圍大地12的溫差足以使得能夠通過地源熱交換器20的群組進(jìn)行有效的熱傳遞。

如有要求，系統(tǒng)10'還可具有供給線路閥(未示出)，該供給線路閥連接至通向地源熱交換器20的供給線路導(dǎo)管70a、70b中的每個(gè)。供給線路閥可用于控制通過每個(gè)供給線路導(dǎo)管70a、70b的熱傳遞介質(zhì)21的流，并因而控制流入地源熱交換器20群組中的每個(gè)的熱傳遞介質(zhì)21的比例。這可用來適當(dāng)平衡在并聯(lián)的地源熱交換器20群組中的每個(gè)中的熱傳遞。例如，如果發(fā)現(xiàn)或許由于周圍的地下巖層或其他因素而使地源熱交換器20的一個(gè)組的熱傳遞速率低比其他組的熱傳遞速率低，則可調(diào)節(jié)相關(guān)聯(lián)的供給線路閥來減小至該組地源熱交換器20的熱傳遞介質(zhì)21的流。這可以使其他地源熱交換器20能夠從熱泵60接收到熱傳遞介質(zhì)21的流的更大份額，從而更有效地使用以更大的熱傳遞能力工作的熱交換器20。

供給線路閥還可用來完全關(guān)斷至地源熱交換器20中的一個(gè)或多個(gè)的熱傳遞介質(zhì)21流，從而有效地將該地源熱交換器20從系統(tǒng)10'斷開。這可以用來使地源熱交換器20或并聯(lián)的地源熱交換器20組能夠進(jìn)行檢修，或用于永久性斷開不再需要或已變成不可恢復(fù)性失效的任意地源熱交換器20或地源熱交換器20組。

同樣地，系統(tǒng)10'可具有返回歧管84，返回歧管84通過返回線路80的段連接至熱泵60。來自地源熱交換器20的并聯(lián)組中的每個(gè)的返回線路導(dǎo)管80a、80b可將來自地源熱交換器20的熱傳遞介質(zhì)21傳遞至返回歧管84，在返回歧管84處，來自所有地源熱交換器20的熱傳遞介質(zhì)21可結(jié)合在一起，并通過返回線路80的其余部分傳遞至熱泵60。

可在返回線路導(dǎo)管80a、80b中的每個(gè)上設(shè)置返回線路閥(非示出)。返回線路閥可用來代替上文討論的供給線路閥或者除上文討論的供給線路閥外還使用返回線路閥，且返回線路閥還可允許調(diào)節(jié)通過地源熱交換器20的并聯(lián)組中的每個(gè)的熱傳遞介質(zhì)21的流。返回線路閥還可與供給線路閥一起使用，從而如上所述有效地從系統(tǒng)10'斷開地源熱交換器20。

如前文提及的，除與大地12進(jìn)行熱交換外，本文中描述的地源熱交換器20還可用來提供結(jié)構(gòu)支承。因而，地源熱交換器20可用作各種系統(tǒng)的承載構(gòu)件。根據(jù)各種實(shí)施方式，該地源熱交換器20可用于支承如圖2所示的地上結(jié)構(gòu)98的基礎(chǔ)部99、錨接地上結(jié)構(gòu)和/或用作如圖3所示的土壤保持組件中的部件。

參照?qǐng)D2，示例性地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10'包括4個(gè)地源熱交換器20，這4個(gè)地源熱交換器20用于支承地上結(jié)構(gòu)98的基礎(chǔ)部99中的一部分，且例如經(jīng)由聯(lián)接至熱泵60的壓力空氣系統(tǒng)或輻射供暖系統(tǒng)向結(jié)構(gòu)98內(nèi)的空間提供加熱和/或冷卻。地上結(jié)構(gòu)98可以是包括但不限于房屋、辦公樓、工業(yè)建筑、存儲(chǔ)設(shè)備、商業(yè)建筑等各種建筑物中的任意一種。結(jié)構(gòu)98可具有基礎(chǔ)部99，其中基礎(chǔ)部99可由混凝土、金屬或任意其他材料形成。圖2中所示的基礎(chǔ)部99僅僅是說明性的。由根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的地源熱交換器20支承的基礎(chǔ)部99可采用各種形式或配置。

基礎(chǔ)部99可位于地上，或者在其他實(shí)施方式中可位于地下。因此，地源熱交換器20中的每個(gè)的頂端24均可暴露在大地12的表面之上或位于溝槽或凹陷部14內(nèi)，或者可以被掩埋，以使得地源熱交換器20中的每個(gè)的整體完全位于大地12的表面之下。在深基應(yīng)用或類似的應(yīng)用中，地源熱交換器20中的每個(gè)均掩埋在大地12的表面數(shù)英尺之下。

在其他可替代的實(shí)施方式中，地源熱交換器20的頂端24可以比如圖2所示的暴露得更多。例如，如果結(jié)構(gòu)98將在高于大地12的表面之上懸掛，則期望使地源熱交換器20延長(zhǎng)至大地12之上的更大高度。由于大地12與地源熱交換器20接觸的表面面積較低，因而這種布置可降低地源熱交換器20向大地12傳遞熱量或從大地12向地源熱交換器20傳遞熱量的能力，但是仍可期望滿足結(jié)構(gòu)需要。

可通過使用熱泵60或類似的裝置加熱和/或冷卻結(jié)構(gòu)98，其中，熱泵60或類似的裝置通過使用供給線路70和返回線路80連接至地源熱交換器20。同樣，地源熱交換器20可串聯(lián)連接、如圖1所示的并聯(lián)連接、或如圖2所示的以串聯(lián)和并聯(lián)連接的組合連接至熱泵60。因而，熱泵60可經(jīng)由地源熱交換器20從大地12接收熱量或?qū)崃颗欧诺酱蟮?2中，其中地源熱交換器20也用作結(jié)構(gòu)承載支承件，其中，結(jié)構(gòu)98的基礎(chǔ)部99置于該結(jié)構(gòu)承載支承件上。

熱泵60或類似的裝置可通過使用各種系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)98提供加熱和/或冷卻。諸如空氣、水、冷凍劑等的流體可通過結(jié)構(gòu)98的至少一部分循環(huán)，從而加熱或冷卻結(jié)構(gòu)98的內(nèi)部。作為示例，上文描述的地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10、10'和相關(guān)聯(lián)的地源熱交換器20可與其他已知類型的加熱系統(tǒng)或冷卻系統(tǒng)一起使用，這些加熱系統(tǒng)或冷卻系統(tǒng)包括加壓氣流加熱與冷卻系統(tǒng)、液體循環(huán)加熱與冷卻系統(tǒng)和輻射加熱與冷卻系統(tǒng)。

在一些實(shí)施方式中，一個(gè)或多個(gè)地源熱交換器20可用作用于諸如橋梁或立交橋的結(jié)構(gòu)的錨固件。該結(jié)構(gòu)可跨越鴻溝或其他自然特征。該結(jié)構(gòu)可具有跨越鴻溝的水平展開部分。該水平展開部分可具有公路、軌道、人行道等。該結(jié)構(gòu)還可具有為水平展開部分提供支承的其他部件。這種部件可包括豎直支承件和支承組件，其中，豎直支承件可位于水平展開部分的任意一端，支承組件通過豎直支承件支承水平展開部分的長(zhǎng)度。該結(jié)構(gòu)可以是懸浮型橋梁或可受益于大地12中的錨固的各種結(jié)構(gòu)中的任意結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)可以以與圖2所示的結(jié)構(gòu)98的方式類似的方式直接放置在地源熱交換器20上。可替代地，該結(jié)構(gòu)不會(huì)放置在地源熱交換器20上，而是可替代以經(jīng)由錨索通過地源熱交換器20來支承，其中，錨索從地源熱交換器20的頂端24延伸至豎直支承件或其他支承構(gòu)件或特征的頂部。因而，錨索可用作在期望的方位上保持豎直支承件的連接器，從而平衡可能施加在豎直支承件上的向內(nèi)的彎曲力矩。

除了提供結(jié)構(gòu)支承之外，地源熱交換器20還可促進(jìn)將熱能從結(jié)構(gòu)消散至大地12，或可連接至熱泵60或者可提供有效功能的類似裝置，諸如位于支承結(jié)構(gòu)上或鄰接支承結(jié)構(gòu)的加熱結(jié)構(gòu)和/或冷卻結(jié)構(gòu)。有利地，為了除冰或?yàn)榱似渌康?，可加熱位于支承結(jié)構(gòu)附近的橋梁、公路、人行道及其它結(jié)構(gòu)。

除橋梁和立交橋之外，本文描述的系統(tǒng)和方法還可用于提供用于各種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)支承和/或熱傳遞。這種結(jié)構(gòu)包括，但不限于，住宅建筑、辦公建筑、工業(yè)建筑、商用建筑、天線、煙囪、電線路桿、塔等。

以下參照?qǐng)D3，圖3示出了包括用作土壤保持元件的地源熱交換器20的地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10"。如圖3中所示，地源熱交換器20可以接近需要被保持的土壤量而插入大地12中。可以以間隔的方式設(shè)置附加的地源熱交換器20，并且附加的地源熱交換器20可用作壁100形式的障礙物或跨越這種地源熱交換器20之間的距離的其他保持設(shè)備的端點(diǎn)和/或錨固件。壁100可具有面對(duì)土壤的表面，該面對(duì)土壤的表面與土壤鄰接，以助于將土壤保持在期望的位置。如有要求，地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10可用多個(gè)地源熱交換器20限定保持壁的段或其他更大的土壤保持系統(tǒng)。這種地源熱交換器20可以或可以不布置成直線，并且可以或可以不定位成豎直定向。地源熱交換器20可提供將保持壁保持在合適位置的結(jié)構(gòu)支承，從而將土壤保持在適當(dāng)位置。另外，地源熱交換器20還可提供可以以與本文中所述的其他地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10、10'類似的方式用于加熱和/或冷卻目的的熱交換。

盡管附圖示出了具有大體通用的結(jié)構(gòu)或形式的地源熱交換器20的應(yīng)用，不過相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)立刻認(rèn)識(shí)到的是，地源熱交換器20可設(shè)置成各種形式和配置，并且不同形式和配置的地源熱交換器20可以組合并在同一地?zé)峤粨Q系統(tǒng)中一起使用。另外，本文中所描述和所示出的地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10、10'、10"是代表性的，并且相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到的是，地源熱交換器20和地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10、10'、10"可用于在在本文中沒有具體說明的各種情況中提供結(jié)構(gòu)支承。

根據(jù)本文中描述的各種地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10、10'、10"和地源熱交換器20，可提供安裝地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10、10'、10"的相關(guān)方法，該方法包括將至少一個(gè)地源熱交換器20安裝到大地12中，該地源熱交換器20包括金屬容器22,金屬容器22具有與大地12交界的外表面46以及限定內(nèi)部流體腔32的內(nèi)表面48。在一些情況下，將至少一個(gè)地源熱交換器20安裝到大地12中可包括用例如打樁機(jī)或其他深基構(gòu)件安裝設(shè)備或技術(shù)將一個(gè)或多個(gè)地源熱交換器20推動(dòng)到大地中。例如，在一些實(shí)施方式中，可將一個(gè)或多個(gè)地源熱交換器20定位在大地中的相應(yīng)的預(yù)先鉆孔的腔體中。

該方法還可包括經(jīng)由流體分配系統(tǒng)64將至少一個(gè)地源熱交換器20聯(lián)接至熱泵60。流體分配系統(tǒng)64可包括供給線路70、返回線路80和循環(huán)泵，以在操作期間使水通過地源熱交換器20的內(nèi)部流體腔32循環(huán)，從而在加熱模式期間從大地吸收熱量和/或在冷卻模式期間將熱量排放到大地中。該方法還可包括將流體分配系統(tǒng)64聯(lián)接至水源92，以使得能夠根據(jù)水損失自動(dòng)以補(bǔ)足水補(bǔ)足地源熱交換器20。水損失可包括從一個(gè)或多個(gè)地源熱交換器20中泄露或通過一個(gè)或多個(gè)地源熱交換器循環(huán)的水轉(zhuǎn)化成氣體。水可例如通過填充通路90自動(dòng)添加，填充通路90聯(lián)接至供給線路70或返回線路80，并配置成基于地源回路中的壓降將流體排放至地源回路中，其中該壓降足以打開或抬起設(shè)置在填充通路90中的止回閥94。水可以自動(dòng)添加直到將地源回路填充到期望的操作壓力為止。期望的操作壓力可以是在大約5psi至大約35psi或大約15psi至大約25psi的范圍的、相對(duì)低的壓力。

該安裝方法還可包括從一個(gè)或多個(gè)地源熱交換器20獲取性能數(shù)據(jù)，以及將一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)充的地源熱交換器20安裝到大地中，以及至少部分地基于性能數(shù)據(jù)和熱泵60的預(yù)期需求將該一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)充的地源熱交換器20聯(lián)接至熱泵60。換言之，可以獲得性能數(shù)據(jù)來評(píng)估現(xiàn)有地?zé)峤粨Q系統(tǒng)安裝相對(duì)于熱泵60的預(yù)期需求的實(shí)際性能，并確定是否需要一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)充的地源熱交換器20來滿足該需求。該方法還可包括基于現(xiàn)有地?zé)峤粨Q系統(tǒng)的所觀察或所計(jì)算的缺陷來選擇所述一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)充的熱交換器20的尺寸和/或長(zhǎng)度。

根據(jù)本文描述的各種地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10、10'、10"和地源熱交換器20，可提供操作地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10、10'、10"的相關(guān)方法，該方法包括使水21通過地源回路循環(huán)，從而在加熱模式期間從大地12吸收熱量和/或在冷卻模式期間將熱量排放到大地12中，地源回路包括至少一個(gè)地源熱交換器20，地源熱交換器20包括金屬流體容器22，金屬流體容器22具有與大地12交界的外表面46以及在操作期間與水21接觸的內(nèi)表面48。該方法還包括根據(jù)來自至少一個(gè)地源熱交換器20中的水泄露或地源回路中的水向氣體的轉(zhuǎn)化，自動(dòng)將補(bǔ)足水引入到地源回路中。以該方式，雖然存在來自至少一個(gè)地源熱交換器的這種水損失，但地源回路仍可以維持操作能力。

地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10、10'、10"可以以周期或循環(huán)方式操作，并且響應(yīng)于需求變化和氣候或其他因素方面的變化，在持續(xù)時(shí)間周期可波動(dòng)。在操作期間，由于地源熱交換器20和周圍大地12之間的熱量傳遞，地源熱交換器20和周圍大地12可經(jīng)受應(yīng)力。例如，在冷卻模式期間，由于向大地12中排放熱量，地源熱交換器20和周圍大地12的溫度可升高到期望的水平之上。相反，在加熱模式期間，由于從大地12收回?zé)崃浚卦礋峤粨Q器20和周圍大地12的溫度可跌落到期望的水平之下。

因此，在一些情況下，操作地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10、10'、10"的方法可包括對(duì)地源熱交換器20和包圍地源熱交換器20的大地12進(jìn)行去應(yīng)力。去應(yīng)力可包括使地源熱交換器20和包圍地源熱交換器20的大地12的溫度朝向或接近地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10、10附近的土地或大地的平均溫度變化。對(duì)地源熱交換器20和包圍至少一個(gè)地源熱交換器20的大地12進(jìn)行去應(yīng)力可包括例如用循環(huán)泵使水21通過地源熱交換器20循環(huán)。可以以這樣的容積流速使水21通過地源熱交換器20循環(huán)，該容積流速小于當(dāng)熱泵60運(yùn)行時(shí)水循環(huán)的平均容積流速。在其他情況下，該容積流速可以與當(dāng)熱泵60運(yùn)行時(shí)水21循環(huán)的平均容積流速大致相同。

在其他的情況下，對(duì)地源熱交換器20和包圍地源熱交換器20的大地12進(jìn)行去應(yīng)力可包括從地源回路排放水21，并將具有與排放的水21不同的平均溫度的補(bǔ)足水引入地源回路內(nèi)。例如，當(dāng)?shù)卦椿芈酚捎诶鋮s操作而經(jīng)受應(yīng)力時(shí)，可將水21從地源回路排出，并且可引入溫度比所排出的水21低的補(bǔ)足水，并使該補(bǔ)足水循環(huán)，從而對(duì)地源熱交換器20和周圍的大地12進(jìn)行去應(yīng)力。排出的水可用于任意期望的目的，例如作為灌溉用水。相反，當(dāng)?shù)卦椿芈酚捎诩訜岵僮鞫?jīng)受應(yīng)力時(shí)，可以從地源回路中排出水21，并可引入和循環(huán)比排放的水21溫度更高的補(bǔ)足水，從而對(duì)地源熱交換器20和周圍大地12進(jìn)行去應(yīng)力。

通過回顧本文中公開的特征、結(jié)構(gòu)和功能，安裝和/或操作地?zé)峤粨Q系統(tǒng)10、10'、10"及其子系統(tǒng)的其他方面將顯而易見或被理解。

另外，上文所述的實(shí)施方式的各種方面可以組合，以提供更進(jìn)一步的實(shí)施方式。另外，本說明書中參考的和/或在申請(qǐng)數(shù)據(jù)表中所列的所有美國(guó)專利、美國(guó)專利申請(qǐng)出版物、美國(guó)專利申請(qǐng)、外國(guó)專利、外國(guó)專利申請(qǐng)以及非專利出版物均通過引用整體并入本文。如有必要，可以修改實(shí)施方式的各方面，以利用各種專利、申請(qǐng)和出版物的構(gòu)思來提供再進(jìn)一步的實(shí)施方式。

可以根據(jù)以上詳細(xì)說明對(duì)各實(shí)施方式進(jìn)行這些修改或其他修改。通常，在所附權(quán)利要求中，不應(yīng)將所使用的術(shù)語解釋為將權(quán)利要求限制到說明書和權(quán)利要求中公開的具體實(shí)施方式，而是應(yīng)解釋為包括所有可能實(shí)施方式連同屬于這些權(quán)利要求有權(quán)要求的等同設(shè)計(jì)的整個(gè)范圍。