(57)【要約】本発明は、構造物を冷却および／または加熱するためのシステムおよび方法を提供する。概して、構造物を加熱または冷却するためのシステムは、地面の体積等の蓄熱材料と熱的に連絡している、少なくとも１つのサーモサイフォンを含むことができる。サーモサイフォンは、熱伝達流体で部分的に充填することができ、熱交換器は、構造物と熱的に連絡しているサーモサイフォンに動作可能に接続することができる。システムが充熱中であるか使用中であるかによって、受動モードまたは支援モードのいずれかで、蓄熱材料と構造物との間で熱エネルギーを伝達することができる。
2011503506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物を加熱または冷却するためのシステムであって、
ａ）蓄熱材料と熱的に連絡しているサーモサイフォンであって、該サーモサイフォンは、熱伝達流体で部分的に充填される、サーモサイフォンと、
ｂ）該サーモサイフォンに動作可能に接続され、該蓄熱材料と該構造物との間で熱エネルギーを伝達することができるように、該構造物と熱的に連絡している、熱交換器と、
ｃ）該熱伝達流体と流体的に関連付けられ、該熱伝達流体を該熱交換器に向かって引き出すように構成されている、流体伝達装置と
を備えている、システム。
【請求項２】
前記サーモサイフォンは、蒸発領域と、凝縮領域とをさらに備え、前記熱伝達流体は、液相および気相において存在し、該熱伝達流体が、前記蓄熱材料と、該蒸発領域または該凝縮領域との間で、エネルギーを伝達することができるように、該蓄熱材料と熱的に連絡している、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記熱伝達流体は、水、Ｒ１３４ａ、アンモニア、エタノール、凝縮炭化水素ガス類、ナトリウム、およびこれらの混合物から成る群から選択される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
バイパス構成で前記熱交換器に動作可能に接続される二次貯蔵エリアをさらに備え、前記流体伝達装置は、前記熱伝達流体を前記サーモサイフォンから該二次貯蔵エリアに伝達する、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記二次貯蔵エリアと前記熱交換器との間で流体接続される、第２の流体伝達装置をさらに備えている、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記蓄熱材料を充熱するのに十分に、前記蓄熱材料と前記充熱交換器との間で熱エネルギーを伝達することができるように、前記サーモサイフォンに動作可能に接続され、かつ前記構造物の外側に配向される、充熱交換器をさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記蓄熱材料と、前記熱交換器および前記充熱交換器のそれぞれとの間で動作可能に接続され、該熱交換器および該充熱交換器のいずれかへ、または該熱交換器および該充熱交換器のいずれかから、熱伝達を選択的に方向付けることができる熱伝達障壁システムをさらに備えている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
ヒートシンクは、約１０，０００，０００ｋＪを超える有効熱容量を有する、冷却リザーバである、請求項２に記載のシステム。
【請求項９】
前記熱交換器は、蒸発器である、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記システムは、前記構造物を加熱するように構成され、前記熱交換器は、放熱装置である、請求項２に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ヒートシンクは、約３０，０００，０００ｋＪを超える有効熱容量を有する、加熱リザーバである、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記蓄積材料は、一定量の地面である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
構造物を冷却および加熱するためのシステムであって、
ａ）該構造物と熱的に連絡している冷却システムと、
ｂ）該構造物と熱的に連絡している加熱システムと
を備え、
該冷却システムは、
ｉ）第１の蓄熱材料と熱的に連絡している第１のサーモサイフォンであって、該第１のサーモサイフォンは、第１の熱伝達流体で部分的に充填される、第１のサーモサイフォンと、
ｉｉ）該第１のサーモサイフォンに動作可能に接続され、該第１の蓄熱材料と該構造物との間で熱エネルギーを伝達することができるように、該構造物と熱的に連絡している、第１の熱交換器と、
ｉｉｉ）該第１の熱伝達流体と流体的に関連付けられ、該第１の熱伝達流体を該第１の熱交換器に向かって引き出すように構成されている、第１の流体伝達装置と
を備えており、
該加熱システムは、
ｉ）第２の蓄熱材料と熱的に連絡している第２のサーモサイフォンであって、該第２のサーモサイフォンは、第２の熱伝達流体で部分的に充填される、第２のサーモサイフォンと、
ｉｉ）該第２のサーモサイフォンに動作可能に接続され、該第２の蓄熱材料と該構造物との間で熱エネルギーを伝達することができるように、該構造物と熱的に連絡している、第２の熱交換器と、
ｉｉｉ）該第２の熱伝達流体と流体的に関連付けられ、該第２のサーモサイフォン内で該第２の熱伝達流体を伝達するように構成されている、第２の流体伝達装置と
を備えている、システム。
【請求項１４】
前記第１のサーモサイフォンおよび前記第２のサーモサイフォンは、蒸発領域と凝縮領域とをさらに備え、前記第１の熱伝達流体および前記第２の熱伝達流体は、液相および気相において存在し、該第１の熱伝達流体および該第２の熱伝達流体は、それぞれ、前記第１の蓄熱材料および前記第２の蓄熱材料と、該蒸発領域または該凝縮領域との間で、エネルギーを伝達することができるように、それぞれ、該第１の蓄熱材料および該第２の蓄熱材料と連絡している、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第２の流体伝達装置は、前記第２の熱伝達流体を前記凝縮領域から前記蒸発領域に伝達する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
バイパス構成で前記第１の熱交換器に動作可能に接続される二次貯蔵エリアをさらに備え、前記第１の流体伝達装置は、前記第１の熱伝達流体を前記第１のサーモサイフォンから該二次貯蔵エリアに伝達する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１のサーモサイフォンに動作可能に接続される第１の充熱交換器と、前記第２のサーモサイフォンに動作可能に接続される第２の充熱交換器とをさらに備え、各充熱交換器は、前記第１の蓄熱材料を充熱するのに十分に、該第１の蓄熱材料と該第１の充熱交換器との間で熱エネルギーを伝達することができるように、そして、前記第２の蓄熱材料を充熱するのに十分に、該第２の蓄熱材料と該第２の充熱交換器との間で熱エネルギーを伝達することができるように、前記構造物の外側に配向される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１８】
構造物と該構造物の外側との間でのエネルギー伝達の方法であって、
ａ）熱伝達流体を使用して、該構造物と該蓄熱材料との間で熱勾配を形成することによって、蓄熱材料を充熱することと、
ｂ）該熱伝達流体を含むサーモサイフォンを使用して、該構造物と該蓄熱材料との間で熱エネルギーを伝達することと
を含み、該伝達するステップおよび該充熱するステップのうちの少なくとも１つは、流体伝達装置を使用して増強される、方法。
【請求項１９】
前記サーモサイフォンは、蒸発領域と凝縮領域とをさらに備え、前記熱伝達流体は、液相および気相において存在し、該熱伝達流体が、前記蓄熱材料と、該蒸発領域または該凝縮領域との間で、エネルギーを伝達することができるように、前記蓄熱材料と熱的に連絡している、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記蓄熱材料を充熱することは、冬期月間に生じ、それによって冷却リザーバを作り出し、熱エネルギーを前記構造物から該冷却リザーバに伝達することが、該構造物を冷却することをもたらす、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記蓄熱材料を充熱することは、夏期月間に生じ、それによって加熱リザーバを作り出し、熱エネルギーを該加熱リザーバから前記構造物に伝達することが、該構造物を加熱することをもたらす、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
構造物を加熱または冷却するためのポンプ支援サーモサイフォン加熱または冷却システムを設計する方法であって、
ａ）少なくとも、大地熱容量と、周囲屋外温度と、サーモサイフォンの配向と、構造物の平方フィート面積とを含む、現地データを取得するステップと、
ｂ）熱伝達性能を決定するために、該現地データを使用して、蓄熱材料と該構造物との間の時間の関数としての熱伝達を計算するステップと、
ｃ）該ポンプ支援サーモサイフォン加熱または冷却システムを構築するため、あるいは該現地データを修正するために、該熱伝達性能を使用するステップと
を含む、方法。
【請求項２３】
前記計算することは、前記周囲屋外温度から時間依存周囲温度モデルを提供することと、サーモサイフォンモデルを決定することと、該時間依存周囲温度モデルおよび該サーモサイフォンモデルを使用して、過渡土壌温度分布を計算することとを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ポンプ支援サーモサイフォンは、加熱システムである、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記ポンプ支援サーモサイフォンは、冷却システムである、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、概して、大地に結合したサーモサイフォンに関する。より具体的には、本発明は、大地結合サーモサイフォンを使用して、構造物を加熱および冷却する方法ならびにシステムに関する。そのようなものとして、本発明は、地熱工学、熱力学、および材料科学の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
加熱および空調システムは、世界中で必要とされるが、多くの場合、エネルギーを大量に消費し、膨大な費用がかかる。そのようなシステムは、住宅用のシステムで、典型的には、約数十万円の費用がかかり、商用空間では、さらに費用がかかる。さらに、それらは、満足のいく性能を得るために、一般に、多量のエネルギーを必要とし、費用を増加し、さらには地域社会のエネルギー資源に負担をかける。一般に、加熱および冷却費用は、建物の年間の光熱費の７５％以上にまで上がる可能性があり、ある推定によれば、総エネルギー使用量の４５％以上を占める。そのようなシステムに関連する他の費用には、フィルタ、定期保守、および高価な部品、例えば、圧縮器の交換を含む。
【０００３】
これらの費用を削減するためシステムおよび方法が開発されてきた。例えば、エネルギーの伝達を最適化するために、熱伝達構成要素の清掃が使用されており、効率を増加するために、新規材料が使用されており、システムは、ガスおよび／または電気への依存を減少させるために、燃料の代替資源を使用するように設計されている。
【０００４】
数十年間にわたり、いくつかの中間熱交換器および大地に埋め込まれる多数のプラスチック配管を通して流体を循環させるために、大地結合ヒートポンプが使用されてきた。この方法では、流体、および最終的には環境を冷却するために、より低い大地温度を使用することができる。しかしながら、これらのシステムは、システムを通る流体を常にポンプで揚水することを必要とし、パイプと周辺土壌との間の非最適な熱伝達結合を有する。さらに、垂直ボアホールシステムは、熱の一部の短絡および効率の減少をもたらす、隣接する高温チューブならびに低温チューブを利用する。
【０００５】
現在のところ、既存のシステムを改善すること、または実際の用途のすべての望ましい要件を満たす新しい材料を発見することのいずれかによる、改善された加熱および冷却システムの開発は、依然として複雑かつ困難な課題である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（発明の概要）
所要エネルギーが最小であり、また、費用効果も高い、暖房および空調システムを開発することが有利であり得ることが認識されている。一実施形態では、構造物を加熱または冷却するためのシステムは、蓄熱材料と熱的に連絡している、サーモサイフォンを含むことができる。サーモサイフォンは、液相および気相の両方が存在するように、熱伝達流体で部分的に充填することができる。熱交換器は、サーモサイフォンに動作可能に接続することができ、かつ、蓄熱材料と構造物との間で熱エネルギーを伝達することができるように、構造物と熱的に連絡させることができる。流体伝達装置は、熱伝達流体と流体的に関連付けることができ、かつ熱伝達流体を熱交換器に向かって引き出すように構成することができる。
【０００７】
一実施形態では、サーモサイフォンはさらに、蒸発領域と、凝縮領域とを備えていることができ、熱伝達流体は、液相および気相の両方で存在する。サーモサイフォンは、熱伝達流体が、蓄熱材料と蒸発領域および／または凝縮領域との間で、エネルギーを伝達することができるように、蓄熱材料と熱的に連絡させることができる。
【０００８】
所望に応じて、システムはさらに、バイパス構成で熱交換器に動作可能に接続される、二次貯蔵エリアを備えていることができ、流体伝達装置は、熱伝達流体をサーモサイフォンから二次貯蔵エリアに伝達する。別の任意の実施形態では、システムはさらに、二次貯蔵エリアと熱交換器との間で流体接続される、第２の流体伝達装置を備えていることができる。
【０００９】
サーモサイフォンは、サーモサイフォンへ、またはそれから外への熱伝達を向上するために、周囲空気に曝露させることができる。一実施形態では、ヒートシンクは、冷却システムとして動作する時に、熱交換器が蒸発器となることができるように、冷却リザーバであってもよい。代替として、または組み合わせて、システムは、構造物を加熱するように構成することができ、熱交換器は、放熱装置であってもよい。
【００１０】
具体的な一実施形態では、構造物を冷却および加熱するためのシステムは、構造物と熱的に連絡している冷却システムを備えていることができる。冷却システムは、第１の蓄熱材料と熱的に連絡している第１のサーモサイフォンであって、第１の熱伝達流体で部分的に充填される、第１のサーモサイフォンを備えている。また、冷却システムは、第１のサーモサイフォンに動作可能に接続され、かつ、第１の蓄熱材料と構造物との間で熱エネルギーを伝達することができるように、構造物と熱的に連絡している、第１の熱交換器も備えていることができる。第１の流体伝達装置は、第１の熱伝達流体と流体的に関連付けることができ、かつ第１の熱伝達流体を第１の熱交換器に向かって引き出すように構成することができる。また、システムは、構造物と熱的に連絡している加熱システムも含むことができる。加熱システムは、第２の蓄熱材料と熱的に連絡している第２のサーモサイフォンであって、第２の熱伝達流体で部分的に充填される、第２のサーモサイフォンを備えている。また、加熱システムは、第２のサーモサイフォンに動作可能に接続され、かつ、第２の蓄熱材料と構造物との間で熱エネルギーを伝達することができるように、構造物と熱的に連絡している、第２の熱交換器も含むことができる。第２の流体伝達装置は、第２の熱伝達流体と流体的に関連付けることができ、かつ第２のサーモサイフォン内で第２の熱伝達流体を伝達するように構成することができる。
【００１１】
第１および第２のサーモサイフォンはさらに、蒸発領域と、凝縮領域とを備えていることができ、第１および第２の熱伝達流体は、液相および気相で存在し、かつ、第１および第２の熱伝達流体が、それぞれ、第１および第２の蓄熱材料と蒸発領域または凝縮領域との間で、エネルギーを伝達することができるように、それぞれ、第１および第２の蓄熱材料と連絡している。
【００１２】
構造物と構造物の外側との間でのエネルギー伝達の方法は、熱伝達流体を使用して、構造物と蓄熱材料との間で熱勾配を形成することによって、蓄熱材料を充熱するステップと、熱伝達流体を含有するサーモサイフォンを使用して、構造物と蓄熱材料との間で熱エネルギーを伝達するステップとを含むことができ、充熱するステップおよび伝達するステップのうちの少なくとも１つは、流体伝達装置を使用して増強される。
【００１３】
蓄熱材料を充熱するステップは、冬期月間に生じることができ、それによって冷却リザーバを作り出し、熱エネルギーを構造物から冷却リザーバに伝達するステップは、結果として、構造物を冷却する。同様に、蓄熱材料を充熱するステップは、夏期月間に生じることができ、それによって加熱リザーバを作り出し、熱エネルギーを加熱リザーバから構造物に伝達するステップは、結果として、構造物を加熱する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による、大地に結合されるサーモサイフォンの概略図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による、加熱または冷却システムの概略図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による、充熱交換器と、加熱／冷却熱交換器とを含む、加熱または冷却システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
これらの図は、本発明の例示的な実施形態を示すにすぎず、したがって、これらは、その範囲を制限すると見なされない。さらに、特に寸法は、必ずしも縮尺どおりまたは正確な比率ではなく、本発明の明確化および説明のために、修正されている。概して、本明細書の図に記載および図示される、本発明の構成要素は、多種多様な異なる構成で、配設、寸法化、および設計することができることが容易に理解される。
【００１６】
（詳細な説明）
ここで、図面に図示される例示的な実施形態が参照され、それを記載するために、本明細書において、特殊言語が使用される。とは言うものの、それによって本発明の範囲を制限しないことが意図されることが理解される。当該関連技術分野に精通し、本開示を所有する者が考え付き得る、本明細書に説明される本発明の特長の代替およびさらなる修正、ならびに本明細書に説明される本発明の原理の追加用途は、本発明の範囲内であると見なされる。
【００１７】
本明細書および添付の特許請求の範囲において使用される場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「前記（ｔｈｅ）」は、文脈において明確にそうではないと定められない限り、複数の指示対象を含むことに留意されたい。したがって、例えば、「１つの熱伝達流体（ａ  ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｆｌｕｉｄ）」への言及は、そのような材料の１つ以上を含み、「１つのポンプ（ａ  ｐｕｍｐ）」への言及は、そのような装置の１つ以上への言及を含み、「１つの加熱ステップ（ａ  ｈｅａｔｉｎｇ  ｓｔｅｐ）」への言及は、そのようなステップの１つ以上への言及を含む。
【００１８】
（定義）
本発明の説明および主張において、以下に説明される定義に従う次の専門用語が使用される。
【００１９】
本明細書で使用される場合、「サーモサイフォン」は、垂直閉鎖ループ回路内で液体／蒸気混合物を循環させる、自然対流に基づく受動熱交換の方法を指す。一般に、そのような用語は、ポンプまたは他の流体伝達装置が必要ないことを暗示するが、本明細書に記載されるサーモサイフォンは、そのような装置と共に使用される場合も使用されない場合もある。液体がある位置（サーモサイフォンのいずれかの端部）で加熱される時に、液体は、加熱速度に比例する速度で蒸発される。次いで、蒸気は、温度によって誘発される勾配圧力の結果として、パイプが冷却される、いずれかの位置に流れる。次いで、凝縮液体は、重力を介して、より暖かい熱端部に向かって流れる、すなわち、凝縮器は、熱源端部の上方に配向される。したがって、加熱された土壌から構造物へ熱を伝達する時（加熱モードの使用中）、または土壌の冷却時（充熱中の冷却モード）に、受動的な支援されていない動作を生じることができる。「ポンプ支援」または「充熱」モードでは、以下により詳細に記載されるように、熱を反対方向に追いやるために、流体伝達装置を使用することができる。
【００２０】
本明細書で使用される場合、「夏期」は、概して、所与の位置の最高平均気温に関連する期間を指し、多くの場合、約３ヶ月間である。この用語は、世界を通じて、概して、３ヶ月の期間として定義されているが、夏期は、現地で決定される、３ヶ月を超える、または３ヶ月未満の期間を含み得る。例えば、いずれかの所与の月の少なくとも２７℃の平均気温を維持する環境は、「夏期」月と見なされてもよい。
【００２１】
本明細書で使用される場合、「冬期」は、現地環境が、概して、最低平均気温に到達する、暦年の約３ヶ月の期間を指す。この用語は、世界を通じて、概して、３ヶ月の期間として定義されているが、冬期は、現地で決定される、３ヶ月を超える、または３ヶ月未満の期間を含み得る。
【００２２】
本明細書で使用される場合、「実質的な」は、材料または特性が、提供するように意図される効果を提供するのに十分である、材料の数量もしくは量、またはその固有特性を指す。許容可能な偏差の正確な程度は、場合によって、具体的な状況に依存し得る。同様に、「実質的にない」等は、組成物中に、特定される要素または作用物質が欠如していることを指す。特に、「実質的にない」と特定される要素は、組成物に完全に不在であるか、または、組成物への測定可能な効果を有さないように、十分に少量でのみ含まれるかのいずれかである。
【００２３】
本明細書で使用される場合、「約」という用語は、所与の値が、端点を「わずかに超える」または端点を「わずかに下回る」ことを仮定することによって、数値範囲の端点に柔軟性を提供するために使用される。この用語の柔軟度は、特定の変数によって決定され、経験および本明細書の関連記述に基づいて決定することは、当業者の知識内である。
【００２４】
本明細書で使用される場合、複数のアイテム、構造的要素、組成成分、および／または材料は、便宜上、共通のリスト内に提示され得る。しかしながら、これらのリストは、リストの各要素が、別個かつ唯一の要素として個々に特定されるかのように解釈されるべきである。したがって、そのようなリストのいずれの個々の要素も、そうではないと示されていない限り、それらの共通グループでの提示にのみ基づき、同一のリストのいずれかの他の要素と事実上同等であると解釈されるべきではない。
【００２５】
濃度、量、および他の数値データは、本明細書において、範囲形式で表現または提示され得る。そのような範囲形式は、便宜および簡潔化のためにのみ使用され、したがって、範囲の限界として明確に列挙される数値を含むだけでなく、各数値および部分的な範囲が明確に列挙されているかのように、該範囲内に包含されるすべての個々の数値または部分的な範囲も含むように、柔軟に解釈されるべきであることが理解される。
【００２６】
例として、「約１０〜約５０」の数値範囲は、「約１０〜約５０」の明確に列挙される値を含むだけでなく、示される範囲内の個々の値および部分的な範囲も含むように解釈されるべきである。したがって、２０、３０．５、および４０等の個々の値、ならびに１０〜３０、２０〜４０、および３０〜５０等の部分的な範囲が、この数値範囲に含まれる。この同一の原理は、１つの値のみを列挙する範囲に適用される。さらに、そのような解釈は、記載される範囲の幅または特性に関わらず、適用されるべきである。
【００２７】
（発明の実施形態）
本発明は、最小量の電気を必要とする、暖房および空調システムを提供する。そのようなシステムは、一般に、加熱または冷却リザーバを形成する材料を充熱し、次いで、閉鎖される構造物を加熱または冷却するために、そのようなリザーバを使用することができる、サーモサイフォンを使用する。
【００２８】
一実施形態では、構造物を加熱または冷却するためのシステムは、蓄熱材料と熱的に連絡しているサーモサイフォンを備えていることができ、サーモサイフォンは、熱伝達流体で部分的に充填され、熱交換器は、サーモサイフォンに動作可能に接続され、かつ、蓄熱材料と構造物との間で熱エネルギーを伝達することができるように、構造物と熱的に連絡し、流体伝達装置は、熱伝達流体に流体的に関連付けられ、かつ熱伝達流体を熱交換器に向かって引き出すように構成されている。
【００２９】
蓄熱材料は、一般に、ある量の地面または土壌を備えていることができ、多くの場合、天然の乱されていない土壌および地面である。そのようなものとして、本明細書に記載されるシステムは、国連食糧農業機関（ＦＡＯ）によって開発された、世界土壌分類（Ｗｏｒｌｄ  Ｓｏｉｌ  Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、ならびに国際土壌照会情報センター（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｉｌ  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｃｅｎｔｒｅ）（ＩＳＲＩＣ）によって調整され、その土地および水開発部門（Ｌａｎｄ  ＆  Ｗａｔｅｒ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｄｉｖｉｓｉｏｎ）を介して、ＩＵＳＳおよびＦＡＯによって支援される、国際共同研究によって開発された、世界土壌資源照会基準（Ｗｏｒｌｄ  Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  Ｂａｓｅ  ｆｏｒ  Ｓｏｉｌ  Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ）にリストされるものを含む、種々の種類の土壌で使用することができる。そのような土壌には、制限なく、アクリソル、アルベルビソル、アリソル、アンドソル、アントロソル、アレノソル、カルシソル、カンビソル、チェルノーゼム、クリオソル、デュリソル、フェラルソル、フルビソル、グライソル、ジプシソル、ヒストソル、カスタノーゼム、レプトソル、リキシソル、ルビソル、ニチソル、ファエオゼム、プラノソル、プリンソソル、ポドゾル、レゴソル、ソロンチャック、ソロネッツ、アンブリソル、バーティソル、およびこれらの混合物が含まれる。本明細書に記載されるシステムは、世界中に見られる局所土壌で使用することができるが、他の材料も使用することができる。例えば、蓄熱材料は、水であってもよい。他の材料を特別に調製する（例えば、掘削し、適切なバルク材料または液体水で埋め戻す）ことができるが、典型的には、蓄積材料は、地面の画定体積であってもよい。一実施形態では、使用することができる材料には、少なくとも約１ｋＪ／ｋｇ−Ｋの熱容量を有するものを含む。一実施形態では、熱容量は、５ｋＪ／ｋｇ−Ｋであってもよい。
【００３０】
一般に、本明細書に記載されるサーモサイフォンはさらに、蒸発領域と、凝縮領域とを備えていることができ、熱伝達流体は、液相および気相で存在し、かつ、熱伝達流体が、蓄熱材料と蒸発領域または凝縮領域との間で、エネルギーを伝達することができるように、蓄熱材料と熱的に連絡している。そのようなものとして、熱伝達流体は、水、Ｒ１３４ａ、Ｒ−２２、Ｒ−７４４、ナトリウム、液化プロパンガス、Ｃ１〜Ｃ６アルコール類、エタノール、アンモニア、凝縮炭化水素ガス類、およびこれらの混合物から成る群から選択することができる。一実施形態では、熱伝達流体は、約２００ｋＪ／ｋｇ〜約４０００ｋＪ／ｋｇ、多くの場合、約５００ｋＪ／ｋｇ〜約２５００ｋＪ／ｋｇの蒸発エンタルピーを有することができる。別の実施形態では、熱伝達流体は、約−１０℃〜約１０２℃の温度範囲内で、０．２ＭＰａ〜４ＭＰａの蒸気圧を有する流体（例えばＲ−１３４ａ）であってもよい。
【００３１】
サーモサイフォンは、直接押圧（液圧プレス）、自己推進型掘削ヘッド、垂直掘削ボアヘッド等であるが、これらに限定されない、従来の、または非従来の穿孔手法によって、設置することができる。これらのサーモサイフォンの外径は、特定の設置のために設計することができるが、しかしながら、直径は、一般に、約１インチ〜約６インチの範囲に及ぶことができ、２〜４インチは、多くの場合、高性能および設置費用の削減の良好なバランスを示す。例えば、一実施形態は、５０〜１５０フィートの深さで、直径が４インチのサーモサイフォンを含むことができ、これは、３０Ｗポンプを使用して、効果的に機能することができる。
【００３２】
流体伝達装置、したがって記載されるものに加えて、本明細書に記載されるサーモサイフォンは、熱伝達流体と流体的に関連付けられ、かつ、蓄熱材料の充熱に関連する、サーモサイフォンの蒸発域と凝縮域との間で、熱伝達流体を伝達するように構成されている、別個の流体伝達装置を含むことができる。流体が水である場合、１００℃未満の温度で、水蒸気圧を大気中より低くすることができる。流体伝達装置は、加熱および／または冷却システム内で流体を伝達するように構成されている、いずれかの装置であってもよい。一実施形態では、流体伝達装置は、膜ポンプ等の流体ポンプであってもよい。しかしながら、いずれかの適した流体ポンプを使用することができる。
【００３３】
一般に、熱交換器は、熱の伝達を可能にする、いずれかの装置であってもよい。一実施形態では、熱交換器は、蒸発器であってもよい。別の実施形態では、熱交換器は、放熱装置であってもよい。そのような熱交換器は、当該技術分野において既知であるように、強制空気システムに結合することができる。加熱および／または冷却することができる構造物は、概して、オフィスビル、倉庫、住宅等の建物であってもよい。しかしながら、また、他の構造物も、本発明のシステムに結合することによって利益を得ることができる。例えば、使用熱交換器は、従来の圧縮器駆動型熱冷却サイクルを補完または置換するために、冷蔵庫に結合することができ、例えば、使用熱交換器は、従来の冷凍コイルと同一の方法で、冷蔵庫コンパートメントに熱的に接続することができる。
【００３４】
典型的には、本明細書に記載されるサーモサイフォンは、特定の期間中に、蓄熱材料を充熱するために使用することができ、次いで、別の特定の期間中に、構造物を加熱または冷却するために使用することができる。例えば、サーモサイフォンは、大地に結合することができ、それによって、冬期中に、受動モードで地面の体積を充熱し、冷却リザーバを形成する。次いで、冷却リザーバは、サーモサイフォンに動作可能に結合される熱交換器を介して、夏期中に、ポンプ支援モードで構造物を冷却するために使用することができる。同様に、別個または共通のサーモサイフォンは、夏期中に地面の体積を充熱することによって使用され、加熱リザーバを形成する、大地に結合することができる。次いで、加熱リザーバは、サーモサイフォンに動作可能に結合される熱交換器を介して、夏期中に、構造物を受動的に加熱するために使用することができる。冷却および加熱リザーバは、互いから完全に遠隔であってもよい、すなわち、それらの間での熱伝達を実質的に有さなくてよく、または、例えば、冷却リザーバを加熱リザーバの上方に配向することによって、制限体積内で、動作中にもう一方の障害を最小化するように配設されてもよい。例えば、リザーバは、リザーバ間の熱伝達を低減するために、少なくとも２メートルの距離だけ離すことができる。特定の温度および条件により、受動モードは、所望の熱伝達速度を提供するために、ポンプ支援を必要とする場合がある。例えば、土壌温度が約２４〜２５℃未満に下がる場合、熱リザーバから熱交換器への流体流量を増加させるために、小型ポンプが使用され得る。
【００３５】
一実施形態では、システムはさらに、バイパス構成で熱交換器に動作可能に接続される、二次貯蔵エリアを備えていることができ、流体伝達装置は、熱伝達流体をサーモサイフォンから二次貯蔵エリアに伝達する。二次貯蔵エリアは、蒸気トラップとしての機能を果たすことができる。この場合、システムはさらに、二次貯蔵エリアと熱交換器との間で流体接続される、第２の流体伝達装置を備えていることができる。第２の流体伝達装置は、流体を二次貯蔵装置から熱交換器に伝達することができる。
【００３６】
一般に、サーモサイフォンは、周囲空気に曝露されてもよい。そのような曝露は、局所環境条件を使用して熱的材料を充熱する、効率的かつ効果的手段として使用することができる。そのようなものとして、サーモサイフォンはさらに、より効果的かつ効率的なエネルギー伝達を可能にする、拡大面積セクションを備えていることができる。そのような拡大域は、審美的に魅力的な形状に形作ることができる。例えば、拡大面積セクションは、柵、壁、柱、デッキング、屋根、パネル、これらの組み合わせ等であってもよい。さらに、充熱交換器は、所望に応じて、光電池／熱（ＰＶＴ）パネル、太陽熱吸収装置、熱交換パネル、または他の適した集熱装置を含むことができる。光電池／熱（ＰＶＴ）パネルは、所望に応じて、気体／液体接触面積を増加することができる、多孔質の高面積材料を含んでもよい。
【００３７】
前述されるように、蓄熱材料は、加熱リザーバまたは冷却リザーバとなる能力を有する、ヒートシンクであってもよい。一実施形態では、蓄熱材料またはヒートシンクは、約１０，０００，０００ｋＪ〜約１００，０００，０００ｋＪの総熱貯蔵に十分な有効熱容量を有する、冷却リザーバであってもよい。別の実施形態では、蓄熱材料またはヒートシンクは、約３０，０００，０００ｋＪ〜約３００，０００，０００ｋＪの総熱貯蔵に十分な有効熱容量を有する、加熱リザーバであってもよい。本明細書に記載されるシステムは、従来のエネルギー量、例えば、構造物を加熱および／または冷却するために必要とされる電気量を大幅に低減することができる。一実施形態では、システムは、１日当たり、約０．１０ｋＷ時未満の電気を使用することができる。別の実施形態では、システムは、１日当たり、約０．０５０ｋＷ時未満の電気を使用することができる。さらに別の実施形態では、システムは、１日当たり、約０．０２５ｋＷ時未満の電気を使用することができる。特定の設計毎に、所要エネルギーは異なる可能性はあるが、システムは、各設計の送風、圧縮、およびポンプ力需要により、一般に、１日当たり、０．１ｋＷ時〜１０ｋＷ時の電気を使用し得る。
【００３８】
本明細書に記載されるシステムは、別個であってもよい、すなわち、独立した加熱または冷却システムであってもよいが、そのようなシステムは、構造物を加熱および冷却するために、組み合わせることができる。そのようなものとして、一実施形態では、構造物を冷却および加熱するためのシステムは、ａ）構造物と熱的に連絡している冷却システムであって、該冷却システムは、１）第１の蓄熱材料と熱的に連絡している第１のサーモサイフォンであって、第１の熱伝達流体で部分的に充填される、第１のサーモサイフォンと、２）第１のサーモサイフォンに動作可能に接続され、かつ、第１の蓄熱材料と構造物との間で熱エネルギーを伝達することができるように、構造物と熱的に連絡している、第１の熱交換器と、３）第１の熱伝達流体と流体的に関連付けられ、かつ第１の熱伝達流体を第１の熱交換器に向かって引き出すように構成されている、第１の流体伝達装置と、を備えている、冷却システムと、ｂ）構造物と熱的に連絡している加熱システムであって、該加熱システムは、１）第２の蓄熱材料と熱的に連絡している第２のサーモサイフォンであって、第２の熱伝達流体で部分的に充填される、第２のサーモサイフォンと、２）第２のサーモサイフォンに動作可能に接続され、かつ、第２の蓄熱材料と構造物との間で熱エネルギーを伝達することができるように、構造物と熱的に連絡している、第２の熱交換器と、３）第２の熱伝達流体と流体的に関連付けられ、かつ第２のサーモサイフォン内で第２の熱伝達流体を伝達するように構成されている、第２の流体伝達装置と、を備えている、加熱システムと、を備えていることができる。
【００３９】
一実施形態では、第１および第２のサーモサイフォンはさらに、蒸発領域と、凝縮領域とを備えていることができ、第１および第２の熱伝達流体は、液相および気相で存在し、かつ、第１および第２の熱伝達流体が、それぞれ、第１および第２の蓄熱材料と蒸発領域または凝縮領域との間で、エネルギーを伝達することができるように、それぞれ、第１および第２の蓄熱材料と連絡している。
【００４０】
一実施形態では、構造物と構造物の外側との間でのエネルギー伝達の方法は、熱伝達流体を使用して、構造物と蓄熱材料との間で熱勾配を形成することによって、蓄熱材料を充熱するステップと、熱伝達流体を含有するサーモサイフォンを使用して、構造物と蓄熱材料との間で熱エネルギーを伝達するステップとを含むことができ、充熱するステップおよび伝達するステップのうちの少なくとも１つは、流体伝達装置を使用して増強される。
【００４１】
第１および第２の熱伝達流体は、同一であっても異なってもよい。サーモサイフォンは、同一の、または異なる流体容量を有することができる。さらに、本明細書に記載されるサーモサイフォンは、種々の寸法のものであってよく、種々のエネルギー伝達閾値を達成するために、調整することができる。
【００４２】
本システムは、制限なく、住宅用および商業用を含む、種々の種類の構造物で使用することができる。そのような構造物の例には、制限なく、家、アパート、オフィスビル、ビジネスコンプレックス、倉庫等が挙げられる。
【００４３】
本システムは、開放型または閉鎖型サーモサイフォンを使用することができる。開放型サーモサイフォンは、熱伝達流体が、サーモサイフォンの外部の流体源と直接接触するように、サーモサイフォンの一方の端部に穴を開けることができる。
【００４４】
次に、図１を参照し、サーモサイフォン１２は、土壌内に埋め込まれること等によって、土壌１４に結合される。土壌１４は、本明細書に記載されるように、適した蓄熱材料を提供することができる。サーモサイフォン１２は、前述されるように、夏期または冬期中に、ヒートシンク１６を形成することができる。サーモサイフォンはさらに、液相の熱伝達流体１８および気相の熱伝達流体２０を備えていることができる。原則として、サーモサイフォンの深さは、大地上方の温度の変動または他の熱的源からリザーバを隔離し、一方、また、費用および見込まれる熱伝達損失を増加する、不必要な深さを回避するのに十分であるようにすることができる。深さは、大地の特定の組成物、地下水の速度、透水性、および他の因子によって変化させることができるが、しかしながら、多くの場合、約４０フィート〜約３００フィートの深さが好適である可能性がある。
【００４５】
一側面では、熱伝達流体液相１８は、流体伝達装置２４を介して、拡大面積２２に伝達することができる。熱伝達流体液相は、エネルギーを吸収することができ、それによって熱伝達流体は蒸発し、熱伝達流体気相２０を形成する。次いで、そのような熱伝達流体気相２０は、サーモサイフォン１２の壁上で凝縮し、液相になり、捕獲した熱を、流体、および最終的には、液体と周囲土壌との間の温度勾配によって、サーモサイフォンの外側の周囲土壌に伝達することができる。この方法で熱が伝達される際、ヒートシンク１６は、加熱リザーバとして形成される。したがって、高熱容量および比較的低い熱伝導率を有する土壌は、サーモサイフォンの群の下端部を囲む体積内に、関連構造物を加熱するため、または冬期を通じて居住するために十分な量の熱を保つことができる。これは、十分な容量を提供するために、サーモサイフォンの群を使用することができるような、加熱された土壌の境界の面積に対する、加熱された土壌の体積の問題である。さらに、本発明のシステムは、熱伝達流体の相変化によって、熱伝達が顕著に生じる条件下で動作する。
【００４６】
代替として、別の側面では、液相の熱伝達流体１８は、土壌１４から潜熱を吸収することができ、それによって熱伝達流体は蒸発し、熱伝達流体気相１８を形成する。次いで、熱伝達流体気相１８は、凝縮によって、拡大面積２２にエネルギーを伝達し、続いて、サーモサイフォン１２の底部に流れ戻り、ヒートシンク１６を冷却リザーバとして形成することができる。明白であるように、本側面では、流体伝達装置は、冷却リザーバから離れる熱伝達をさらに増強するために使用されてもよいが、必要ではない。例えば、流体を拡大面積に移送するために要求される時にのみ稼動される、太陽電池式ポンプを使用することができる。さらに、熱伝達流体が凍結するのを回避するために、任意の凍結制御機構を実装することができる。そのような機構には、予想される最低気温を大きく下回る凝固点を有する熱伝達流体の使用を挙げることができる。
【００４７】
本発明の別の任意の側面では、次に、図２を参照すると、サーモサイフォン１２は、土壌１４に結合される。土壌１４は、前述されるように、蓄熱材料であってもよい。サーモサイフォン１２は、前述されるように、夏期または冬期のいずれか中に、ヒートシンク１６を形成することができる。サーモサイフォンはさらに、前述同様に、液相の熱伝達流体１８と、気相の熱伝達流体２０とを備えていることができる。二次貯蔵エリア２６は、バイパス構成で熱交換器２８に動作可能に接続することができ、流体伝達装置２４は、液相の熱伝達流体１８をサーモサイフォン１２から二次貯蔵エリア２６に伝達する。二次貯蔵エリアは、蒸気トラップおよび保持容器としての機能を果たすことができる。そのようなものとして、システムはさらに、二次貯蔵エリアと熱交換器との間で流体接続される、第２の流体伝達装置３０を備えていることができる。第２の流体伝達装置は、液相の熱伝達流体１８を二次貯蔵エリア２６から熱交換器に伝達することができる。熱交換器は、構造物内の環境を冷却するために、構造物３２から冷たい熱伝達流体１８へのエネルギー伝達を可能にすることができる。例えば、空気は、空気を冷却するために、冷たい熱伝達流体および／または関連パイプもしくは熱伝達ユニットの部材を通過させることができる。冷却された空気は、システムの構成により、強制対流または自然対流によって搬送することができる。一側面では、また、実質的にすべての液体プロセスも熱交換器内での冷却に影響を及ぼす可能性があるが、エネルギー伝達は、結果として伝達流体の蒸発をもたらし、熱伝達流体気相２０を形成することができる。次いで、熱伝達流体気相２０は、サーモサイフォン１２の壁に沿って凝縮し、次いで、循環過程の一部として、ヒートシンク１６からのエネルギーを伝達するために使用可能である、液相の熱伝達流体１８を再形成することができる。サーモサイフォンと熱交換器との間の導管は、特にサーモサイフォンと構造物との間の経路に沿う熱損失を低減するために、断熱することができる。
【００４８】
冷却システムおよび加熱システムのそれぞれでは、第１の熱交換器は、蓄熱材料を充熱するように機能することができ、一方、構造物に熱を伝達するために、第２の熱交換器を提供することができる。例えば、図１に示されるシステムは、蓄熱材料内に熱を貯蔵するために、効果的に使用することができる。しかしながら、熱が構造物に伝達される冬期月間の時に、熱交換器は、冬期中に加熱できるようにするために、外部位置から構造物内に移動されるか、または、システムに二次熱交換器を動作可能に接続することができるかのいずれかでなければならない。図３は、充熱および加熱するため、または冷却するための両方に使用することができる、システムの一実施形態を図示する。本実施形態では、熱伝達障壁システム３４は、蓄熱材料１６と使用熱交換器３８および充熱交換器３６のそれぞれとの間で、動作可能に接続することができる。熱伝達障壁システムは、熱交換器および充熱交換器のいずれかへ、またはいずれかからの熱伝達を選択的に方向付けることができる。適した障壁システムの非制限的な例には、ソレノイド、弁、スイッチ等を挙げることができる。この方法では、充熱中、構造物内の熱交換器は、充熱交換器と蓄熱材料との間の熱伝達から、少なくとも部分的に、そうでなければ実質的に、隔離することができる。同様に、使用中、充熱交換器は、動作中の使用熱交換器と蓄熱材料との間の熱伝達から実質的に隔離することができる。したがって、構造物の加熱および冷却の両方のために、効果的な季節的地下熱エネルギー貯蔵を達成することができる。
【００４９】
要約すれば、本システムの動作の４つの基本モードは、２つの加熱モードおよび２つの冷却モードを含むことができる。加熱モードは、熱交換器で熱が集熱され、土壌に伝達される、第１のポンプ支援充熱モードを含む。第２の使用加熱モードは、構造物に分散するために、熱を土壌から熱交換器に伝達するステップを含む。この使用加熱モードは、一般に、実質的に、または完全に受動的であってもよいが、所要熱量によって、所望に応じて、ポンプ支援によって増強することができる。逆に、冷却モードは、熱が土壌から離れて伝達され、サーモサイフォンの底部領域での液体の蒸発、および熱交換器での蒸気の凝縮によって、冷却シンクを作り出す、第１の受動充熱モードを含むことができる。凝縮および冷却された液体は、次いで、重力送りによって、サーモサイフォンの底部領域に移動し、したがって周囲土壌を冷却する。この場合も同様に、この受動充熱モードは、屋外冬期温度等の条件または他の因子が、熱伝達速度の増加を要求する時に、熱伝達を増強するために、ポンプ支援を使用することができるが、多くの場合、完全に受動的であってもよい。冷却モードはさらに、ポンプを使用して、冷却された流体が蒸発熱交換器に引き出される、ポンプ支援冷却使用モードを含むことができる。したがって、熱は、構造物（および熱交換器）からサーモサイフォンの冷えた下壁に伝達される。次いで、液体凝縮物は、サーモサイフォンに入る蒸気の質量流量によって決定される速度で、ポンプによって熱交換器に戻される。この質量流量を監視するために、サーモサイフォンの底部の液体ポンプの上方に、液体レベルセンサを定置することができる。これらの４つのモードのそれぞれでは、サーモサイフォンを囲む土壌中の加熱された水の自然対流は、特に透水性土壌において、利益である可能性がある。例えば、大地を加熱する時に、サーモサイフォンを囲む対流によって駆動される水は、加熱された水が上方に移動し、近くのより冷たい水に引き込まれるように循環することができる。この対流効果は、流量が、加熱された水をサーモサイフォンから大幅に離れて駆動しない限り、有益である。同様に、加熱リザーバを充熱する時に、サーモサイフォン壁温度は、サーモサイフォンを囲む土壌中の水を即座に沸騰させ始めるのに十分である１００℃を超える温度にまで高くすることができる。壁に沿って蒸発した水は、例えば、他の文脈においてヒートパイプ効果として既知の、土壌を通る周囲水の毛管作用によって、補充することができる。これは、壁と土壌との間の壁付近の熱伝達制限を低減することを助長することができる。透水性土壌中の地下水位より下の断熱材は、十分な動水勾配が存在する場合、地下水の流れにより、熱伝達の向上を経験し得る。
【００５０】
サーモサイフォンの間隔、直径、パターン、および補助熱交換器の最適化は、定量分析から大いに利益を得ることができる。本発明はさらに、本明細書の記載と一致する、構造物を加熱または冷却するためのポンプ支援サーモサイフォン加熱または冷却システムを設計する方法を含む。特に、本発明のシステムは、いったん設置されると、運営費用が大幅に減少するにも関わらず、相当な先行費用を伴う可能性がある。したがって、システムが、所望の冷却および／または加熱を提供するのに十分な容量を有するように設計されることが重要である。結果として、コンピュータシミュレーションは、特定のプロジェクトの最終設計パラメータを決定するのに非常に効果的である可能性がある。一般に、設計は、大地熱容量、周囲屋外温度、サーモサイフォンの配向および位置、ならびに構造物の平方フィート面積等を含むが、これらに限定されない、現地データを取得するステップを含む。熱伝達性能を決定するために、現地データを使用して、蓄熱材料と構造物との間の時間の関数として、熱伝達を計算することができる。この情報に基づき、ポンプ支援サーモサイフォン加熱または冷却システムを構築することができ、または、この情報は、システムを最適化するために、モデルへの現地データの入力を修正するために使用することができる。他の手法が好適である可能性があるが、実施例３は、本発明と一致する、一手法を説明する。時間依存周囲温度モデルは、周囲屋外温度から得ることができる。また、過渡土壌温度分布は、時間依存周囲温度モデルおよびサーモサイフォンモデルを使用し、例えば、サーモサイフォンモデルと併せてＡＮＳＹＳまたはＴＯＵＧＨコードを使用して、計算することができる。
【実施例】
【００５１】
以下の実施例は、本発明の種々の実施形態を説明する。したがって、これらの実施例は、本発明の制限として解釈されるべきではなく、現在の実験データに基づき、どのように本発明を実装するかを適切に教示するためだけのものである。そのようなものとして、代表的な、多数のシステムが本明細書に開示される。
【００５２】
（実施例１）ユタ州の典型的な住宅の熱負荷計算
ユタ州の有効太陽エネルギーは、約１６７０ｋＷ時／ｍ２／年である。７０％の太陽集熱器効率でのそのような太陽エネルギーは、約１１６９ｋＷ時／ｍ２／年または４．２ＧＪ／ｍ２／年である。太陽定数１．３７０ｋＷ／ｍ２、年平均４．６ｋＷ時／ｍ２／日、月平均（１２月の最小）１．７ｋＷ時／ｍ２／日、および月平均（６月の最大）７．４ｋＷ時／ｍ２／日を使用して、太陽エネルギーを計算した。
【００５３】
以下の表は、ユタ州ソルトレークシティのデータに基づく、加熱および冷却負荷計算を示す。
【００５４】
【表１】
2011503506.tif 000003
【００５５】
【表２】
2011503506.tif 000004
表１および表２から、住宅構造物の年間加熱エネルギーは、ＱＨｅａｔｉｎｇ＝２９ＧＪと概算することができ、住宅構造物の年間冷却エネルギーは、ＱＣｏｏｌｉｎｇ＝８２ＧＪと概算することができる。
【００５６】
（実施例２）一家族用住宅の熱エネルギー貯蔵寸法（簡易計算）
地下熱エネルギー貯蔵のエネルギー回収効率は、典型的な家族用住宅（１５０ｍ２×２階＋地下）の年間エネルギー負荷を保持する土壌円柱の寸法を使用して計算することができる。実施例１（ＱＣｏｏｌｉｎｇ＝８２×１０９Ｊ、ＱＨｅａｔｉｎｇ＝２９×１０９Ｊ）からのエネルギー計算をこの計算において使用し、土壌円柱の以下の特性、ηＥ＝０．６０、ＡΔＴ＝１５℃、Ｈ＝１０ｍ、ｐｃｐ≒２×１０６Ｊ／ｍ３℃（湿潤土壌）を仮定する。以下の方程式
【００５７】
【数１】
2011503506.tif 000005
を使用し、結果、ＲＣｏｏｌｉｎｇは、約９．３ｍであり、ＲＨｅａｔｉｎｇは、約７．２ｍであると推定する。本計算は、本明細書に記載される構造物の実現可能性を示す。もちろん、最終寸法は、具体的な土壌、環境、および必要とされる加熱／冷却需要に依存し得る。
【００５８】
（実施例３）
一例として、７つのサーモサイフォンの組の土壌を凍結する性能、および空調ヒートシンクとしての凍土の使用を、以下に記載される二次元モデルを使用して算定した。水飽和土壌の凍結および解凍の予備的モデルを、市販のソフトウェアパッケージ、ＣＯＭＳＯＬ  Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ３．３を使用して作成した。分析に選択された形状は、６つのサーモサイフォンが対称６角形の角に定置され、７番目のサーモサイフォンが６角形の中心に定置されたアレイであった。システムの対象性を利用し、半径が５メートルの四半円が関心領域として選択された。１つを中心に配置し、他の２つを対称軸上に、それらのうちの１つから６０度離して定置した、この領域内で、３つのサーモサイフォンがモデル化された。サーモサイフォン間の間隔は、１．５メートルであった。この基本表現内に伝導のみをモデル化した。
【００５９】
外部温度に周囲温度モデルを使用した。これは、ソルトレークシティ国際空港の気象台から得られた２００６年の毎時気象データから決定したパラメータを７つの経験式によってモデル化した。このモデルは、Ａ〜Ｇが、調整される７つのパラメータである、次の通りの２つの正弦曲線の重ね合わせである。
Ｔｏｕｔ＝Ａ＋Ｂｓｉｎ（Ｃｔ＋Ｄ）＋Ｅｓｉｎ（Ｆｔ＋Ｇ）
独立変数ｔは、時間（時間数（ｈｏｕｒｓ））である。パラメータＣおよびＦは、これらの正弦曲線の一周期であり、それぞれ、１日の温度変動を表すために２π／２４に設定され、１年の季節的温度変動を表すために２π／８７６０に設定した。他のパラメータは、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  Ｅｘｃｅｌのソルバーアドインを使用して、最小２乗差分法によって最適化した。これらのパラメータは、Ａ＝２８５．３、Ｂ＝４．６０、Ｄ＝１．６２、Ｅ＝１３．４４、Ｇ＝３．１９であった。
【００６０】
円の外縁を熱流束または断熱境界がないものとして設定した。他の２つの境界は、対称面であり、また、断熱境界として表される。サーモサイフォンの土壌との相互作用を、修正対流熱流束境界としてモデル化した。熱流束を、熱伝達係数をサーモサイフォンの内壁内の温度と周囲温度との間の差で乗算したものとして特定した。
【００６１】
【数２】
2011503506.tif 000006
各サーモサイフォンの縁部で、厚さが５ｍｍのアルミニウムの高伝導性層を特定して、壁をモデル化した。サーモサイフォン半径（ｒ０）を５ｃｍと特定した。これらの境界上の熱伝達係数は、ヒートパイプの隣の土壌の温度が屋外周囲気温より大きいときに、１×１０８Ｗ／（ｍ２−Ｋ）と設定し、逆が真であるときに、ゼロに設定した。要求されないが、本質的に、その大きな熱伝達係数により、冬季中の熱流束は、ヒートパイプの内側の温度が外部気温と同一であるかのようにモデル化した。
【００６２】
冬季をシミュレーションし、結果が得られた後、ヒートパイプの長さ当たりのシステムから伝達された総熱量を得るために、熱流束を、境界表面およびすべての時間ステップにわたって積分した。これは、サーモサイフォンの２．６５×１０５ｋＪ／ｍであることが分かった。空調負荷は、２．２５×１０５ｋＪ／ｍである、土壌から伝達される熱量の８５％であると独断的に決定した。熱伝達係数は、周囲温度関数と１年間にわたり２９５Ｋを超えるすべてのＴの屋内温度との差を積分し、これで、ヒートパイプの円周と共に２．２５×１０５ｋＪ／ｍの総負荷を除算することによって計算した。
【００６３】
【数３】
2011503506.tif 000007
したがって、夏季の土壌への熱流束は、
【００６４】
【数４】
2011503506.tif 000008
としてモデル化され、総括熱伝達係数が２８．４５Ｗ／（ｍ２Ｋ）であり、生活空間温度に基づく温度差が２９５Ｋ（７１°Ｆ）に冷却される式中、Ｔｏｕｔは、周囲温度モデルによってモデル化される屋外温度である。総括熱伝達係数を使用して、特定の冷却用途のサーモサイフォンの総数および長さの推定値を得ることができる。
【００６５】
小領域内の温度に対して解かれる方程式は、
【００６６】
【数５】
2011503506.tif 000009
である。
【００６７】
この状況では、小領域内に熱源はないので、Ｑ＝０である。等方性熱伝導率ｋを、温度の関数としてモデル化する。
【００６８】
【数６】
2011503506.tif 000010
逆正接は、水から氷への相変化中に生じる遷移を滑らかにする。小領域を、多孔率が３５％の土壌としてモデル化した。したがって、土壌密度は、１０００ｋｇ／ｍ３の水の密度および２６５０ｋｇ／ｍ３の土壌の密度の体積加重平均と見なすことができる。
【００６９】
【数７】
2011503506.tif 000011
また、熱容量Ｃｐは、密度および熱容量の積の加重平均を総密度で除算したものとしてモデル化することができる。
【００７０】
【数８】
2011503506.tif 000012
式中、土壌の熱容量Ｃｐ，ｓｏｌｉｄ＝１００３．２Ｊ／（ｋｇＫ）であり、水の熱容量は、相変化および氷の融解熱（２７３．１５Ｋを中心に約０．２度広がる）を含む、温度の関数である。
【００７１】
【数９】
2011503506.tif 000013
領域の初期温度は、１５℃（５３．３°Ｆ）で設定した。シミュレーションは、１０月１５日に開始および終了する。モデルは、丸１年実施された。
【００７２】
絶対最低温度（１７°Ｆ）は、１月に、ヒートパイプの壁の隣で生じる。夏季中にヒートパイプの隣で生じる最高温度は、初期条件を超えない。理解されるように、冬期中にヒートパイプ間の土壌は凍結し、夏期の間中、および９月に入るまで、凍結したままである。これらの結果を典型的な家族住宅に当てはめると、冷却ニーズは、同一の間隔を使用して、２８のサーモサイフォンを用いて満たすことができると推定される。
【００７３】
また、本実施例の結果は、サーモサイフォンへ、またはそれからの熱伝達を、ボアホール内のループ状チュービングの従来の技術と比較することを可能にする。このシミュレーションで得られる結果は、Ｓｐｉｔｌｅｒによって、彼のソフトウェアパッケージＧＬＨＥＰｒｏでの大地ループ熱交換器の設計で得られる結果と比較された。この設計ツールでＳｐｉｔｌｅｒが使用する実施例は、９５．６００ＭＷ時の総冷却負荷を有する。ＧＬＨＥＰｒｏは、この負荷で、３７９６．７メートルのボアホールが必要とされ得ることを示す。これは、ボアホールのメートル当たり、２５ｋＷ時の負荷に対応する。それに対して、このシミュレーションから得られる結果は、サーモサイフォンのメートル当たり、６２．４ｋＷ時の負荷を示し、これは、熱伝達の２５０％の増加である。換言すれば、一般的な実施に典型的な大地ループ熱交換器は、同一の熱伝達のために、サーモサイフォン技術の掘削深さの２．５倍の量を必要とする。
【００７４】
上記に参照される配設は、本発明の原理の適用の一例にすぎないことが理解される。本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、数々の修正および代替配設を考案することができる。本発明は、図面に示され、現在、本発明の最も実用的かつ好ましい実施形態と見なされるものに関連して、精密かつ詳細に完全に上述されてきたが、本明細書に説明される本発明の原理および概念から逸脱することなく、数々の修正を行うことができることが、当業者に明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
2011503506.tif 000017
2011503506.tif 000018