(57)【要約】  本発明は、使用時に暖房及び/又は冷房需要を有する第1の熱システムと、作動流体が入っている複数のボアホール熱交換器を備えた閉ループ地熱エネルギーシステムと、第1の熱システムと地熱エネルギーシステムとの間に熱的に接続される中間ヒートポンプと、を備える、熱エネルギーシステムを対象とする。各ボアホール熱交換器は、閉鎖底端部と、該底端部で相互接続された第1及び第2の隣接する細長い導管とを有する、細長い管を備えることができる。特に、第1の熱システムは冷却システムであり、閉ループ地熱エネルギーシステムは、冷却システムの凝縮器の冷房作用を提供する。
2011524967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用時に暖房及び/又は冷房需要を有する第1の熱システムと、
作動流体が入っている複数のボアホール熱交換器を備えた閉ループ地熱エネルギーシステムと、
前記第1の熱システムと前記地熱エネルギーシステムとの間に熱的に接続される中間ヒートポンプと、
を備えることを特徴とする、熱エネルギーシステム。
【請求項２】
各ボアホール熱交換器は、閉鎖底端部と、該底端部にて相互接続された第1及び第2の隣接する細長い導管とを有する、細長い管を備える、請求項1に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項３】
前記第1の熱エネルギーシステムは、建物内の冷却システムを含む、請求項1又は2に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項４】
前記冷却システムからの熱エネルギーを回収するために前記冷却システムの凝縮器に連結され、且つ前記中間ヒートポンプに連結された、少なくとも1つの熱交換システムをさらに備える、請求項3に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項５】
前記閉ループの地熱エネルギーシステムは、ボアホール熱交換器の第1及び第2のグループを備え、各グループは選択的に且つ交互に前記中間ヒートポンプに接続可能である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項６】
前記地熱エネルギーシステムに熱的に接続される第2の熱システムをさらに備え、
前記第1及び第2の熱システムのそれぞれは、前記地熱エネルギーシステムから反対の熱エネルギー需要を有する、請求項5に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項７】
前記第1及び第2の熱システムのそれぞれは、前記地熱エネルギーシステムから冷房及び暖房の熱エネルギー需要を有する、請求項6に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項８】
前記中間ヒートポンプ及び前記第2の熱システムを、一連の交互サイクルで、前記ボアホール熱交換器の第1及び第2のグループに選択的且つ交互に熱的に接続するように構成された制御システムをさらに備える、請求項6又は7に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項９】
前記第1の熱システムに連結され、且つ前記中間ヒートポンプに連結される少なくとも1つの熱交換システムをさらに備え、
前記中間ヒートポンプは、該中間ヒートポンプと前記熱交換システムとの間の第1の熱交換器ループ及び前記中間ヒートポンプと前記地熱エネルギーシステムとの間の第2の熱交換器ループによって、前記第1の熱システムと前記地熱エネルギーシステムとの間に熱的に接続される、請求項1〜8のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１０】
前記地熱エネルギーシステムは、前記複数のボアホール熱交換器が接続される、前記作動流体用のマニホルドと、前記複数のボアホール熱交換器と前記マニホルドとの間に接続される複数の弁とをさらに備え、これにより、前記複数のボアホール熱交換器の第1及び第2の導管が前記弁の作動によって前記マニホルドに選択的に接続され、これによって、ボアホール熱交換器の各グループは、前記作動流体を選定された方向へ流すように動作可能である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１１】
前記弁は、前記ボアホール熱交換器の前記各第1及び第2の導管に対して、前記作動流体が前記ボアホール熱交換器の選定されたグループを経て、それぞれの選定方向に、選択的に通過できるように配置される、請求項10に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１２】
前記複数のボアホール熱交換器は、前記細長い管の中央表面アセンブリから前記地中へ下方及び横方向に延在し、前記複数のボアホール熱交換器を囲む前記地熱エネルギーシステムの地中容積を画定し、前記中央表面アセンブリの土地占有面積は、前記地熱エネルギーシステムの地中容積の土地占有面積の10%未満である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１３】
前記複数のボアホール熱交換器内に前記作動流体を選択的に分配する前記弁を制御して、前記地熱エネルギーシステム用の特定のエネルギープロファイルを達成するために、前記複数のボアホール熱交換器に接続された制御モジュールをさらに備え、該制御モジュールは、少なくとも前記第1の熱システムへの、あるいは、少なくとも前記第1の熱システムからの前記熱エネルギーの供給を制御するように構成された、請求項1〜12のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１４】
前記地熱エネルギーシステム及び前記中間ヒートポンプは、少なくとも前記第1の熱システムを収容している建物の外部にある、請求項1〜13のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１５】
前記中間ヒートポンプを迂回し、前記地熱エネルギーシステムから前記第1の熱システムまで延在する、前記作動流体用の導管ループをさらに備える、請求項5〜8のいずれか一項、又は請求項5〜8のいずれか一項に従属する請求項9〜14のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１６】
前記導管ループは、前記ボアホール熱交換器の第1及び第2のグループから共通温度混合弁までそれぞれ延在する、第1及び第2の吸込管と、前記温度混合弁から前記第1の熱システムを経て前記ボアホール熱交換器へと戻る、放水管とを有する、請求項13に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１７】
前記地熱エネルギーシステムに接続され、選定したボアホール熱交換器内の前記作動流体を選択的に冷却するように構成された、熱交換器冷却ループをさらに備える、請求項1〜16のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１８】
前記熱交換器冷却ループは、選定した時間間隔の間、前記熱交換器冷却ループの動作を許可するタイマによって制御される、請求項17に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１９】
前記熱交換器冷却ループは、当該熱交換器冷却ループからの過剰な熱を前記大気中に放出するように構成される、請求項17又は18に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２０】
使用時に冷房需要を有する少なくとも1つ凝縮器を含む冷却システムと、
前記少なくとも1つの凝縮器用のヒートシンクを構成するように配置された、作動流体が入っている複数のボアホール熱交換器を備えた閉ループ地熱エネルギーシステムと、
前記少なくとも1つの凝縮器と前記地熱エネルギーシステムとの間に熱的に接続される中間ヒートポンプと、
前記中間ヒートポンプを前記ボアホール熱交換器の第1又は第2のグループに、1つのサイクルでは、前記第1のグループが前記ヒートシンクを構成し、次のサイクルでは、前記第2のグループが前記ヒートシンクを構成するように、一連の交互のサイクルで選択的に且つ交互に、熱的に接続するように構成した制御システムと、
を備えることを特徴とする、熱エネルギーシステム。
【請求項２１】
前記ヒートポンプ及び前記制御システムの少なくとも1つに連結された前記少なくとも1つの凝縮器用の自動調温制御装置であって、前記少なくとも1つの凝縮器を選定された凝縮器の冷媒温度に維持するように構成された自動調温制御装置をさらに備える、請求項20に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２２】
使用時に暖房需要を有する、前記建物内の暖房・換気及び空調システムであって、前記地熱エネルギーシステムに熱的に接続される、暖房・換気及び空調システムをさらに備える、請求項20又は21に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２３】
前記冷却システムからの熱エネルギーを回収するために前記冷却システムの前記少なくとも1つの凝縮器に連結され、且つ前記中間ヒートポンプに連結される、少なくとも1つの熱交換器システムをさらに備える、請求項20〜22のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２４】
前記中間ヒートポンプを迂回し、前記地熱エネルギーシステムから前記冷却熱システムまで延在する、前記作動流体用の導管ループをさらに備える、請求項20〜23のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２５】
前記導管ループは、前記ボアホール熱交換器の第1及び第2のグループから共通温度混合弁までそれぞれ延在する、第1及び第2の吸込管と、前記温度混合弁から前記冷却システムの凝縮器を経て前記ボアホール熱交換器へと戻る、放水管とを有する、請求項24に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２６】
前記地熱エネルギーシステムに接続され、選定したボアホール熱交換器内の前記作動流体を選択的に冷却するように構成された、熱交換器冷却ループをさらに備える、請求項20〜25のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２７】
前記熱交換器冷却ループは、選定した時間間隔の間、前記熱交換器冷却ループの動作を許可するタイマによって制御される、請求項26に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２８】
前記熱交換器冷却ループは、当該熱交換器冷却ループからの過剰な熱を前記大気中に放出する、請求項26又は27に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項２９】
各ボアホール熱交換器は、閉鎖底端部と、該底端部にて相互接続された第1及び第2の隣接する細長い導管とを有する、細長い管を備える、請求項20〜28のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項３０】
熱エネルギーシステムを動作させる方法であって、前記熱エネルギーシステムは、第1の熱システムを備え、当該方法は、
(a)暖房及び/又は冷房需要を有する第1の熱システムを提供するステップと、
(b)作動流体が入っている複数のボアホール熱交換器を備えた閉ループ地熱エネルギーシステムを提供するステップと、
(c)前記第1の熱システムと前記地熱エネルギーシステムとの間に熱的に接続される中間ヒートポンプを提供するステップと、
(d)前記第1の熱システム用の熱源又はヒートシンクを提供するために、前記中間ヒートポンプを介して前記第1の熱システムと前記地熱エネルギーシステムとの間の熱的接続を制御する制御ステップと、
を含む、熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項３１】
前記第1の熱システムは、冷却システムを備え、
前記地熱エネルギーシステム及び前記中間ヒートポンプは、前記冷却システム用のヒートシンクを提供するように制御される、請求項30に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項３２】
前記冷却システムから熱エネルギーを回収するステップと、
前記回収した熱エネルギーを、前記冷却システムの凝縮器と前記中間ヒートポンプとの間に連結された少なくとも1つの熱交換器システムによって、前記中間ヒートポンプに伝達するステップと、
をさらに含む、請求項31に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項３３】
前記制御ステップは、前記閉ループ地熱エネルギーシステムをボアホール熱交換器の少なくとも第1及び第2のグループに分け、各グループは、前記制御ステップにて、前記中間ヒートポンプに選択的且つ交互に接続される、請求項30〜32のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項３４】
前記地熱エネルギーシステムに熱的に接続される第2の熱システムを提供するステップをさらに含み、
前記第1及び第2の熱システムのそれぞれは、前記地熱エネルギーシステムから反対の熱エネルギー需要を有する、請求項33に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項３５】
前記第1及び第2の熱システムは、前記地熱エネルギーシステムから冷房及び暖房の熱エネルギー需要をそれぞれ有する、請求項34に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項３６】
前記制御ステップにおいて、前記中間ヒートポンプ及び前記第2の熱システムは、一連の交互のサイクルで、前記ボアホール熱交換器の第1及び第2のグループに選択的且つ交互に、熱的に接続される、請求項34又は35に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項３７】
前記複数のボアホール熱交換器は、前記第1及び第2の熱システムに選択的に接続可能であり、これにより、ボアホール熱交換器の各グループは、前記作動流体を選定された方向へ流すように動作することができる、請求項33〜36のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項３８】
前記複数のボアホール熱交換器内への前記作動流体の前記選択的な分配を制御して、前記地熱エネルギーシステム用の特定の熱エネルギープロファイルを達成し、且つ前記第1及び第2の熱システムへの又は前記第1及び第2の熱システムからの前記熱エネルギーの供給を制御するステップをさらに含む、請求項33〜37のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項３９】
前記中間ヒートポンプを迂回し、前記地熱エネルギーシステムから前記第1の熱システムまで延在する前記作動流体用の導管ループを提供するステップと、
前記ボアホール熱交換器の第1及び第2のグループから共通温度混合弁へ、第1及び第2のそれぞれの流入量及び前記温度混合弁から前記第1の熱システムを経て前記ボアホール熱交換器へと戻る、所定温度の流出量とを提供するステップと、
をさらに含む、請求項33〜38のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項４０】
前記地熱エネルギーシステムに接続される熱交換器冷却ループを用いることにより、選定された前記ボアホール熱交換器内の作動流体を選択的に冷却するステップをさらに含む、請求項30〜39のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項４１】
前記選択的に冷却するステップは、選定された時間間隔の間、前記熱交換器冷却ループの動作を許可するタイマによって制御される、請求項40に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項４２】
前記熱交換器冷却ループは、当該熱交換器冷却ループから大気へ過剰な熱を放出する、請求項40又は41に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項４３】
熱エネルギーシステムを動作させる方法であって、前記熱エネルギーシステムは、冷房需要を有する少なくとも1つ凝縮器を含む冷却システムを備え、当該方法は、
(a)前記少なくとも1つの凝縮器用のヒートシンクを構成するように配置された作動流体が入っている複数のボアホール熱交換器を備えた閉ループ地熱エネルギーシステムを提供するステップと、
(b)前記少なくとも1つの凝縮器と前記地熱エネルギーシステムとの間に熱的に接続される中間ヒートポンプを提供するステップと、
(c)前記中間ヒートポンプを、前記ボアホール熱交換器の第1又は第2のグループに、1つのサイクルでは、前記第1のグループが前記ヒートシンクを構成し、次のサイクルでは、前記第2のグループが前記ヒートシンクを構成するように、一連の交互のサイクルで、選択的に且つ交互に、熱的に接続するステップと、
を含む、熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項４４】
前記ヒートポンプ及び前記制御システムの少なくとも1つに連結される前記少なくとも1つの凝縮器用の自動調温制御を提供するステップをさらに含み、
前記自動調温制御は、前記少なくとも1つの凝縮器を選定された凝縮器の冷媒温度に維持する、請求項43に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項４５】
暖房需要を有する、暖房・換気及び空調システムを前記地熱エネルギーシステムの前記ボアホール熱交換器の第1又は第2のグループの選定された1つに、選択的に熱的に接続するステップをさらに含み、
前記接続は、前記各グループが前記冷却システム用のヒートシンクを構成した後のサイクルにおけるものである、請求項43又は44に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項４６】
前記中間ヒートポンプを迂回し、前記地熱エネルギーシステムから前記冷却システムまで延在する前記作動流体用の導管ループを提供するステップと、
前記ボアホール熱交換器の第1及び第2のグループから共通温度混合弁へ、第1及び第2のそれぞれの流入量及び前記温度混合弁から前記第1の熱システムを経て前記ボアホール熱交換器へと戻る、所定温度の流出量とを提供するステップと、
をさらに含む、請求項43〜45のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項４７】
前記地熱エネルギーシステムに接続される熱交換器冷却ループを用いることにより、選定された前記ボアホール熱交換器内の作動流体を選択的に冷却するステップをさらに含む、請求項43〜46のいずれか一項に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項４８】
前記選択的に冷却するステップは、選定された時間間隔の間、前記熱交換器冷却ループの動作を許可するタイマによって制御される、請求項47に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【請求項４９】
前記熱交換器冷却ループは、当該熱交換器冷却ループから前記大気へ過剰な熱を放出する、請求項47又は48に記載の熱エネルギーシステムの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーシステム及び熱エネルギーシステムの動作方法に関する。本発明は、冷却システム、特に、例えばスーパーマーケットにおいて用いられるような大規模な冷却システムに連結され、又は組み込まれるシステムのような、特定の用途を有する。
【背景技術】
【０００２】
多くの建物は、建物内のシステムによって生成される、暖房及び/又は冷房の需要を有する。例えば、暖房・換気及び空調(HVAC)システムは、あるときは熱の正の供給を必要とし、別のあるときは、冷房又は、暖房と冷房との双方の供給を同時に必要とする。例えばスーパーマーケットのようないくつかの建物は、排熱用の一定のシンクを必要とする凝縮器を組み込んだ工業規模の大型冷却システムを取り入れている。これらのシステムの多くは、効率的な運転を確保するために、一定の温度制御を必要とする。非効率的な運転によると、特にエネルギーのコストの増大を伴う、かなりの追加の運転コストを招く。典型的なスーパーマーケットは、例えば、一日24時間で1年365日運転することが必要な冷却システムを作動させるのにそのエネルギーの最高50%を使用し、典型的な35,000平方フィートのスーパーマーケットは年当たり電気代を250,000ポンド費やすことになる。
【０００３】
機械的な冷却サイクルを利用している普遍の冷却装置の効率は、多くのパラメータ及びフィーチャによって規定される。しかしながら、カルノーサイクルによると、任意の高効率冷却サイクルの主要パラメータは、例えば外部装置から冷媒凝縮器に供給される冷却剤の温度のような、凝縮器水温度(CWT)によって決定されるエネルギーシンクのクォーリティである。
【０００４】
冷却器の性能に対するCWTの重要性は、過小評価すべきでなく、例えば、約18℃のCWTで一定の冷却剤流を受け取る冷却システムの凝縮器は、典型的には、29℃のCWTで一定の冷却剤流を受け取る等価な冷却システムの約半分の電気エネルギーを消費することになる。
【０００５】
CWTのクォーリティは、冷却サイクルにてエネルギーシンクに供給される総排熱(THR)量と密接に関連付けられ、すなわち、CWTが増大するにつれ、要求される冷却需要を満たすのに圧縮器により一層多くの仕事をさせる必要があり、圧縮器を駆動するための追加の電気エネルギーは、蒸発器からの吸収熱に加わる廃熱に変換され、その結果、出口での温度がより高温になり、従って外部装置からの冷却剤の温度がより高温の戻り温度となる。生成される熱のこのようならせん成長(spiral growth)は、冷却サイクルの平衡状態を達成するのに、さらに大きな圧縮器出力を必要とする。換言すれば、CWTからもたらされる非効率性によって、冷却サイクルの開始前に存在している非効率性に加えて、エネルギーシンクの動作効率をより一層非効率にする。
【０００６】
様々な技術が、空調(快適な冷房)及び低温産業における排熱用に開発され、盛んに用いられている。これらの技術は、以下に述べるような異なる原理を用いている。しかしながら、排熱のために最も効率的なシンクは、例えば帯水層水のような特定の安定した温度の外部水源である点に留意することが重要である。しかしながら、平均的な大きさの商業用の冷房又は冷却システムは、実質上、地下水面に重大な問題を引き起こすことなく取り出すことができるよりもかなり多くの水を必要とする。従って、この排熱方法は望ましいものの、環境的に無責任なやり方であり、このことは国の環境機関によって広く認識されている。
【０００７】
例えば冷房用の帯水層水を提供するのに、独立した抽出ボアホールを用い、且つ冷却システムのような廃熱生成システムからの廃熱を除去するのに、散逸葦床(reed bed)のような独立したヒートシンクを用いる、例えば冷却システムからの排熱用に、開ループ地熱システムを用いることは既知である。このような開ループは、12°Cから15°Cまでの範囲の一定の低温で帯水層水が来るような、良好なヒートシンクを提供することができる。しかしながら、このようなシステムも、極めて大容積の帯水層水(例えば大きなスーパーマーケットの冷却システム用に毎年約500,000m3)の抽出を必要とするという問題を被る。
【０００８】
抽出した水を、使用後に、同一の又は異なる帯水層に通じている1つ以上の別個のボアホール内に再注入することがよくある。しかしながら、これにより、しばしば高圧下で注入される水によって岩が徐々に崩壊し、小さい岩の砕片が障害物となって、通常の帯水層水の流れを止めるといったような、いわゆる「表皮効果(skin effect)」を生じることがよくある。これは、複雑な地下水面系の平衡を著しく損ねることになる。
【０００９】
帯水層水及び吸い込み兼熱電冷却のようなかなり珍しい方法はさておき、放熱用に設計され、快適な冷房及び低温産業で最も盛んに活用されている機械的な装置には4つのグループがある：
1.例えば主にファンに助力される蒸発冷却を用いるシステムのような、開路冷却塔。
2.限定蒸発冷却、又は、断熱水蒸発を伴うハイブリッドを含む閉ループ冷却塔、例えば、主にファンに助力される大気への実用的な熱伝達を用いる乾式空気冷却器。
3.遠隔凝縮器、例えば、圧縮ガスが液体に凝縮するまでコイルに流れ、このときに、新たなサイクルを開始するために、飽和液体が弁を経て低圧蒸発器に勢いよく流れる、ファンにより助力される周囲空気流によって達成される次の冷却相による高圧に、飽和水蒸気がコイル内で圧縮される、修正逆ランキンサイクルを用いる外部装置。
4.例えば、冷却液と高密度で高い熱的質量及び安定した予測可能な温度の媒体との間の実用的な熱伝達プロセスのような閉ループ湖底熱交換器を含む地中閉ループ熱交換器。
【００１０】
各グループには特有の有利な点及び不利な点があるが、機械的な冷却サイクル用の開路冷却技術は上で一覧を示したその他の3つのグループより非常に有利な技術である。このグループの背後にある主な構想は、「蒸発」と称される排熱の方法に基づいている。数十年にわたって、蒸発冷却は、その顕著な排熱特性及びコスト競争力により、支配的な技術であった。
【００１１】
冷却塔のような蒸発排熱装置を用いて、他の技術的に既知の排熱法を用いて達成されるよりもかなり低い戻り水の温度を提供することができる。蒸発冷却は、乾球大気温度より常に低い湿球温度に基づくので、典型的には、5.5℃から16.7℃まで変わる特定の気候に依存する温度差により、これらの装置は、システムの冷却エネルギー需要が最も大きいときに、冷却液と空気との温度差ΔTが大きくなる。見逃せないことに、蒸発冷却プロセスは、実用的及び潜在的の双方の熱伝達を含むが、潜在的な熱伝達は、実用的な熱伝達装置、すなわち、上記で一覧を示した第2のグループの閉ループ冷却塔によって必要とされる対応するファンの電力より、1kW当り233〜349m3/h少ない空気流を必要とするため、前者の実用的熱伝達装置が主要な役割を果たすことになる。
【００１２】
その結果、開路冷却塔と対をなす冷却器は、晩春から夏季の間は、32℃〜35℃又はそれより高い温度レベルと比較して、約28℃〜29℃の典型的な温度レベルで閉鎖冷却塔から安定したCWTを供給可能であることにより、他の装置と対をなす冷却器と比較して、平均的に30%〜35%のエネルギーを節約することができる。産業サイズの冷却設備用に、このような重大な効率の差異は、年間数十万ポンドもの節約を保証する。
【００１３】
第4のグループを除いて、最初の3つのグループは全て、周囲の空気温度が低い場合に、冬の月間の間性能の特定の向上を示すことができる点に留意することが重要である。
【００１４】
蒸発冷却の方法を用いる装置の最大の弱みは、貴重な水の価値及び開路に用いられる水の化学的処理の高いコストがますます増加することである。冷却プラントから1000kWの廃熱を放出するように設計される典型的な蒸発冷却塔は、年間約14,500m3の水を消費する。英国において、冷却塔のための処理水の平均コストは、現状で1m3当り3ポンドを上回る。
【００１５】
このような増大するコストのために、しばしば、オーナーに水処理の運用コストを低減させることを試みているが、結果として、水は適切に処理されず、致死性のレジオネラ症の発生を招いている。
【００１６】
これらの状況において、コスト削減が限界となっているため、蒸発冷却塔を用いる利点は低下している。しかしながら、地中で連結される熱交換器は除いて、かなりより多くの電気エネルギーを消費する排熱に関する他の記載した方法は、エネルギーコストの上昇のためにますます高価になってきている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
高性能のヒートシンクを保証するための、高効率の排熱方法に関して、これらの技術の効率レベルを向上させるのに、いくつかの手段を適用することができる。しかしながら、過去の数十年間、このような開発は、エネルギーの低コスト及び設備投資の迅速な見返りを求めている時代でさえなされていないのであれば、今日の水及びエネルギーコストに関連した新たな事情は、これらの技術の広範囲にわたる開発及び実施に対してほぼ避けて通れない障害を生み出している。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、使用時に暖房及び/又は冷房需要を有する第1の熱システムと、作動流体が入っている複数のボアホール熱交換器を備えた閉ループ地熱エネルギーシステムと、前記第1の熱システムと前記地熱エネルギーシステムとの間に熱的に接続される中間ヒートポンプと、を備えることを特徴とする、熱エネルギーシステム。を提供する。
【００１９】
好ましくは、各ボアホール熱交換器は、閉鎖底端部と、該底端部にて相互接続された第1及び第2の隣接する細長い導管とを有する、細長い管を備える。
【００２０】
好ましくは、第1の熱システムは、冷却システムを含む。
【００２１】
より好ましくは、前記熱エネルギーシステムは、前記冷却システムからの熱エネルギーを回収するために前記冷却システムの凝縮器に連結され、且つ前記中間ヒートポンプに連結された、少なくとも1つの熱交換システムをさらに備える。
【００２２】
好ましくは、前記閉ループの地熱エネルギーシステムは、ボアホール熱交換器の第1及び第2のグループを備え、各グループは選択的に且つ交互に前記中間ヒートポンプに接続可能である。
【００２３】
より好ましくは、前記熱エネルギーシステムは、前記地熱エネルギーシステムに熱的に接続される第2の熱システムをさらに備え、前記第1及び第2の熱システムのそれぞれは、前記地熱エネルギーシステムから反対の熱エネルギー需要を有する。
【００２４】
さらにより好ましくは、前記第1及び第2の熱システムのそれぞれは、前記地熱エネルギーシステムから冷房及び暖房の熱エネルギー需要を有する。
【００２５】
前記熱エネルギーシステムは、前記中間ヒートポンプ及び前記第2の熱システムを、一連の交互サイクルで、前記ボアホール熱交換器の第1及び第2のグループに選択的且つ交互に熱的に接続するように構成された制御システムをさらに備える。
【００２６】
前記熱エネルギーシステムは、前記第1の熱システムに連結され、且つ前記中間ヒートポンプに連結される少なくとも1つの熱交換システムをさらに備え、前記中間ヒートポンプは、該中間ヒートポンプと前記熱交換システムとの間の第1の熱交換器ループ及び前記中間ヒートポンプと前記地熱エネルギーシステムとの間の第2の熱交換器ループによって、前記第1の熱システムと前記地熱エネルギーシステムとの間に熱的に接続される。
【００２７】
好ましくは、前記地熱エネルギーシステムは、前記複数のボアホール熱交換器が接続される、前記作動流体用のマニホルドと、前記複数のボアホール熱交換器と前記マニホルドとの間に接続される複数の弁とをさらに備え、これにより、前記複数のボアホール熱交換器の第1及び第2の導管が前記弁の作動によって前記マニホルドに選択的に接続され、これによって、ボアホール熱交換器の各グループは、前記作動流体を選定された方向へ流すように動作可能である。
【００２８】
好ましくは、前記弁は、前記ボアホール熱交換器の前記各第1及び第2の導管に対して、前記作動流体が前記ボアホール熱交換器の選定されたグループを経て、それぞれの選定方向に、選択的に通過できるように配置される。
【００２９】
好ましくは、前記複数のボアホール熱交換器は、前記細長い管の中央表面アセンブリから前記地中へ下方及び横方向に延在し、前記複数のボアホール熱交換器を囲む前記地熱エネルギーシステムの地中容積を画定し、前記中央表面アセンブリの土地占有面積は、前記地熱エネルギーシステムの地中容積の土地占有面積の10%未満である。
【００３０】
前記熱エネルギーシステムは、前記複数のボアホール熱交換器内に前記作動流体を選択的に分配する前記弁を制御して、前記地熱エネルギーシステム用の特定のエネルギープロファイルを達成するために、前記複数のボアホール熱交換器に接続された制御モジュールをさらに備え、該制御モジュールは、少なくとも前記第1の熱システムへの、あるいは、少なくとも前記第1の熱システムからの前記熱エネルギーの供給を制御するように構成される。
【００３１】
好ましくは、前記地熱エネルギーシステム及び前記中間ヒートポンプは、少なくとも前記第1の熱システムを収容している建物の外部にある。
【００３２】
前記熱エネルギーシステムは、前記中間ヒートポンプを迂回し、前記地熱エネルギーシステムから前記第1の熱システムまで延在する、前記作動流体用の導管ループをさらに備える。
【００３３】
好ましくは、前記導管ループは、前記ボアホール熱交換器の第1及び第2のグループから共通温度混合弁までそれぞれ延在する、第1及び第2の吸込管と、前記温度混合弁から前記第1の熱システムを経て前記ボアホール熱交換器へと戻る、放水管とを有する。
【００３４】
前記熱エネルギーシステムは、前記地熱エネルギーシステムに接続され、選定したボアホール熱交換器内の前記作動流体を選択的に冷却するように構成された、熱交換器冷却ループをさらに備える。
【００３５】
好ましくは、前記熱交換器冷却ループは、選定した時間間隔の間、前記熱交換器冷却ループの動作を許可するタイマによって制御される。
【００３６】
好ましくは、前記熱交換器冷却ループは、当該熱交換器冷却ループからの過剰な熱を前記大気中に放出するように構成される。
【００３７】
本発明は、さらに、使用時に冷房需要を有する少なくとも1つ凝縮器を含む冷却システムと、前記少なくとも1つの凝縮器用のヒートシンクを構成するように配置された、作動流体が入っている複数のボアホール熱交換器を備えた閉ループ地熱エネルギーシステムと、前記少なくとも1つの凝縮器と前記地熱エネルギーシステムとの間に熱的に接続される中間ヒートポンプと、前記中間ヒートポンプを前記ボアホール熱交換器の第1又は第2のグループに、1つのサイクルでは、前記第1のグループが前記ヒートシンクを構成し、次のサイクルでは、前記第2のグループが前記ヒートシンクを構成するように、一連の交互のサイクルで選択的に且つ交互に、熱的に接続するように構成した制御システムと、を備える、熱エネルギーシステムを提供する。
【００３８】
本発明は、さらに、熱エネルギーシステムを動作させる方法であって、前記熱エネルギーシステムは、第1の熱システムを備え、当該方法は、(a)暖房及び/又は冷房需要を有する第1の熱システムを提供するステップと、(b)作動流体が入っている複数のボアホール熱交換器を備えた閉ループ地熱エネルギーシステムを提供するステップと、(c)前記第1の熱システムと前記地熱エネルギーシステムとの間に熱的に接続される中間ヒートポンプを提供するステップと、(d)前記第1の熱システム用の熱源又はヒートシンクを提供するために、前記中間ヒートポンプを介して前記第1の熱システムと前記地熱エネルギーシステムとの間の熱的接続を制御する制御ステップと、を含む、熱エネルギーシステムの動作方法を提供する。
【００３９】
前記第1の熱システムは、冷却システムを備え、前記地熱エネルギーシステム及び前記中間ヒートポンプは、前記冷却システム用のヒートシンクを提供するように制御される。
【００４０】
この方法は、前記冷却システムから熱エネルギーを回収するステップと、前記回収した熱エネルギーを、前記冷却システムの凝縮器と前記中間ヒートポンプとの間に連結された少なくとも1つの熱交換器システムによって、前記中間ヒートポンプに伝達するステップと、をさらに含む。
【００４１】
好ましくは、前記制御ステップは、前記閉ループ地熱エネルギーシステムをボアホール熱交換器の少なくとも第1及び第2のグループに分け、各グループは、前記制御ステップにて、前記中間ヒートポンプに選択的且つ交互に接続される。
【００４２】
好ましくは、この方法は、前記地熱エネルギーシステムに熱的に接続される第2の熱システムを提供するステップをさらに含み、前記第1及び第2の熱システムのそれぞれは、前記地熱エネルギーシステムから反対の熱エネルギー需要を有する。
【００４３】
好ましくは、前記第1及び第2の熱システムは、前記地熱エネルギーシステムから冷房及び暖房の熱エネルギー需要をそれぞれ有する。
【００４４】
好ましくは、前記制御ステップにおいて、前記中間ヒートポンプ及び前記第2の熱システムは、一連の交互のサイクルで、前記ボアホール熱交換器の第1及び第2のグループに選択的且つ交互に、熱的に接続される。
【００４５】
好ましくは、前記複数のボアホール熱交換器は、前記第1及び第2の熱システムに選択的に接続可能であり、これにより、ボアホール熱交換器の各グループは、前記作動流体を選定された方向へ流すように動作することができる。
【００４６】
この方法は、前記複数のボアホール熱交換器内への前記作動流体の前記選択的な分配を制御して、前記地熱エネルギーシステム用の特定の熱エネルギープロファイルを達成し、且つ前記第1及び第2の熱システムへの又は前記第1及び第2の熱システムからの前記熱エネルギーの供給を制御するステップをさらに含む。
【００４７】
この方法は、前記中間ヒートポンプを迂回し、前記地熱エネルギーシステムから前記第1の熱システムまで延在する前記作動流体用の導管ループを提供するステップと、前記ボアホール熱交換器の第1及び第2のグループから共通温度混合弁へ、第1及び第2のそれぞれの流入量及び前記温度混合弁から前記第1の熱システムを経て前記ボアホール熱交換器へと戻る、所定温度の流出量とを提供するステップと、をさらに含む。
【００４８】
この方法は、前記地熱エネルギーシステムに接続される熱交換器冷却ループを用いることにより、選定された前記ボアホール熱交換器内の作動流体を選択的に冷却するステップをさらに含む。
【００４９】
好ましくは、前記選択的に冷却するステップは、選定された時間間隔の間、前記熱交換器冷却ループの動作を許可するタイマによって制御される。
【００５０】
好ましくは、前記熱交換器冷却ループは、当該熱交換器冷却ループから大気へ過剰な熱を放出する。
【００５１】
本発明は、さらに、熱エネルギーシステムを動作させる方法であって、前記熱エネルギーシステムは、冷房需要を有する少なくとも1つ凝縮器を含む冷却システムを備え、当該方法は、(a)前記少なくとも1つの凝縮器用のヒートシンクを構成するように配置された作動流体が入っている複数のボアホール熱交換器を備えた閉ループ地熱エネルギーシステムを提供するステップと、(b)前記少なくとも1つの凝縮器と前記地熱エネルギーシステムとの間に熱的に接続される中間ヒートポンプを提供するステップと、(c)前記中間ヒートポンプを、前記ボアホール熱交換器の第1又は第2のグループに、1つのサイクルでは、前記第1のグループが前記ヒートシンクを構成し、次のサイクルでは、前記第2のグループが前記ヒートシンクを構成するように、一連の交互のサイクルで、選択的に且つ交互に、熱的に接続するステップと、を含む、熱エネルギーシステムの動作方法を提供する。
【００５２】
特に、本発明の好ましい実施形態は、限られた表面空間から1個以上のボアホール熱交換器を地層内に延在させる方法および装置に関し、低エンタルピー地熱エネルギーを大規模に採取し、また熱エネルギー蓄積手段として地層を利用して工業的規模の過剰エネルギーを選択的に注入することができる。ボアホール熱交換器は、中間ヒートポンプを経て、建物内の少なくとも1つの熱システムに接続することができ、各熱システムは冷房需要又は暖房需要を有し、複数の熱システムが提供される場合には、これらは、異なる及び/又は反対の熱需要を有することができる。特に、建物内の熱システムは、地熱システムから冷房すなわち負の熱需要を有する冷却システムである。
【００５３】
本発明の好ましい実施形態は、低エンタルピーの地熱エネルギー蓄積および回収施設を提供することができ、この施設は既存の及び新たに建設した建物設備システムに正確に適合させることができ、この建物設備システムは、工業規模又はコミュニティに基づく規模の広範囲にわたる建物に対する空間暖房、冷房、換気及び温水サービスを、極めて高い効率で、低炭素排出およびコンパクトな表面占有面積で行うことができる。加えて、経時的に暖房及び冷房を提供する関連の建物の要求に応じて、この設備を熱エネルギー源、シンク又は蓄積手段として、主に、又は選択的に動作させることができる。
【００５４】
この設備は、利用可能なエネルギーを保存するように、隣接する建物及び設備間の効率的な熱エネルギー交換を提供することもできる。また、この設備は、追加の熱エネルギー源、又は例えば地表面下帯水層のようなシンク、隣接する貯水器、又は水ポンプ送給システムを備えることができ、他の再生可能なエネルギー源及び他の暖房又は冷房負荷と容易に組み合わせ、さらに全体的な炭素排出を低減することができる。
【００５５】
本発明の好ましい実施形態は、排熱用に能動的に用いる他の既知の技術、及び、直接的な排熱用の地中熱交換器の既知の典型的な用途と、主に小さいか中くらいのサイズの水−水(ブライン)ヒートポンプと、既知の地中連結熱交換システムと比較して、多くの特定の差異を用いる。
【００５６】
本発明の好ましい実施形態は、熱的干渉を防止するために、高い体積及び質量流量特性、拡張した接点空間、行き来する流の間での低い熱ショート、BHEの低い熱抵抗、及び拡張した地表面下の間隔を有する、同軸地中熱交換器(ボアホール熱交換器(BHE))の特定の型の使用に関する。
【００５７】
このようなBHEを組み込むシステムにより、造岩への高い熱応力及び高い熱回収率が可能となり、最も重要なことに、このようなタイプのBHEは作動流体を循環させるための比較的低い力を必要とする。5mから6.5mまでの上部圧力、及び50kPaから65kPaまでの範囲の流動抵抗では、1,000kWの規格容量のこのタイプの地中連結システムは、最高50kg/秒の質量流量を提供するのに約5kWの循環電源を必要とする。これは、電気エネルギー使用量に関して最高の競争的技術として、25kWの範囲の循環及びファン用の、等価な容量の開路冷却塔の必要電力と比較することができる。
【００５８】
作動コストに関連した他の支出がない場合は、このようなシステムの低い電力の要求により、本発明の好ましい実施形態のBHEのシステムと産業用冷却器との間の熱勾配変換器として作用する追加の中間ヒートポンプを用いることができる。
【００５９】
本発明の好ましい実施形態の中間のヒートポンプは、典型的に32℃−33℃の短いリフト範囲(すなわち、ヒートポンプの高温側の温度範囲であり、低温側は熱交換システムを経て、直接的に又は間接的に凝縮器に接続される)で動作し、例えば冷却システムの凝縮器で約18℃の安定したCWTを達成することができる。このような短いリフトにより、この分野で性能係数(COP)として定義される、典型的にはCOP5.1から5.0までの、高い効率を達成することができ、次に、開路冷却塔により提供されるCWTに基づく同様の冷却器の性能と比較して最高50%のエネルギーを節約できる。
【００６０】
中間のヒートポンプを用いるこのようなシステムでは、本発明の好ましい実施形態の地熱システムは、順番に交互に動作するBHEの2つのバンクを有し、例えば12時間のオン期間に次いで、12時間のオフ期間を有する、オン/オフ動作型を有する。他の時間間隔を用いることができる。オン期間において、バンクの作動流体の温度は、冷却システムからバンクへの熱エネルギーの遮断の結果として増大し、一方で、オフ期間で、バンクの作動流体の温度は、バンクから低い温度(典型的な地熱は18℃)である隣接した岩に熱エネルギーが通過する結果として減少する。典型的な岩の環境では、オフ期間において、それぞれのバンクの温度は、23℃のレベル(18℃のCWTを達成するのに6.3のCOPを提供する)まで低減し、一方で、前の又は次のオン期間において、オン期間の12時間のバンクデューティの終わりまでに、それぞれのバンクの温度は30℃のレベル(18℃のCWTを達成するのに5.2のCOPを提供する)まで増大する。このような構成の平均COPは、総排熱(THR)が典型的な率であると仮定して、COP 5.6のレベルにある。
【００６１】
しかしながら、凝縮器に提供するCWTのかなりの低下と、中間ヒートポンプの動作の大会効率の体制との結果として、冷却システムからのTHRの量は、かなり低減し、これにより、地中連結システムの総容量と排熱に関連する作動コスト全体との双方をさらに節約することができる。
【００６２】
BHEの例えば2つの交互のバンクを設けることにより、このようなBHEの休止バンクは暖房又は温かい飲料水の目的のための好適な温度の熱エネルギーからなるため、典型的には12時間の休止局面の間、典型的には12時間の間の次の動作局面に先立って冷却する必要のある高温の作動流体を有する「休止」バンクを用いて、同一の建物の暖房要求を少なくとも部分的に満たすことができる。熱需要があり、他のヒートポンプがこのような建物の熱要求を満たすのに利用できると仮定して、暖房目的用の高いCOPによって示される短い高まりを繰り返し、同時に、休止モードの間、バンクの回復の助力を提供することができる。
【００６３】
冬の月間には、冷房の需要が低減し、あるいは、冷却システムの冷却と比較して非常に負担のかかる暖房需要があることは珍しくはない。これらの全てのケースにおいて、BHEの休止バンクは、前の冷却デューティの間に放出するエネルギーより大きいエネルギーを建物のHVACシステム用にアウトソースする。これは、新規な冷却シフトの初期に冷却システムによって必要とされるより低い温度のBHE の作動流体に相当する。特定のシステムによって必要とされるより低い温度の作動流体を用いることにより、冷却プラントの容量の損失を与えることがあり、必ずしも有利でない。この場合には、温度混合弁を、前に冷却システムに供したBHE からエネルギーを自動的にアウトソースすることによって所定のCWTを提供することができるシステムに組み込むことができる  これは、中間変換ヒートポンプを迂回し、且つ動作バンクからの比較的低い温度の1つの流れと、休止バンクからの比較的高い温度の1つの流れとの、2つの作動流体の流れを混合するための温度混合弁を組み込む、BHE から冷却システムまでのラインによって達成される。温度混合弁は、2つの流れの割合を制御し、従って、流れを混合して、冷却システムに向けられる所望の流出温度を達成する。このようにヒートポンプを迂回することにより、温度混合弁によって制御されるだけのBHE からの作動流体の温度で、ヒートポンプを少なくとも動作期間の割合だけ非動作とすることができる。ヒートポンプが動作しない場合は、その関連するポンプ及び圧縮器を駆動させるのに必要な電気エネルギーがないため、これにより、動作コストの重要な節約をすることができる。
【００６４】
本発明の実施形態を、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第1の実施形態に従う、閉ループ地熱エネルギーシステムに連結された、スーパーマーケットの冷却システムを含む、熱エネルギーシステムの概略図である。
【図２】本発明の第2の実施形態に従う、閉ループ地熱エネルギーシステムに連結された、スーパーマーケットの冷却システムを含む、熱エネルギーシステムの概略図である。
【図３】本発明の第3の実施形態に従う、閉ループ地熱エネルギーシステムに連結された、スーパーマーケットの冷却システムを含む、熱エネルギーシステムの概略図である。
【図４】本発明の第4の実施形態に従う、閉ループ地熱エネルギーシステムに連結された、スーパーマーケットの冷却システムを含む、熱エネルギーシステムの概略図である。
【図５】図1〜図4の実施形態の熱エネルギー回収システムの用の制御システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
図面中、様々な実施形態に共通のフィーチャに対して、同様な部分に、同様の参照番号を付してある。
【００６７】
本発明の好ましい実施形態は、冷却システムとのインタフェース用の熱エネルギーシステムに関するが、本発明の他の実施形態は、建物内の例えば、暖房・換気及び空調(HVAC)システムのような、熱の正の供給、及び/又は、冷却すなわち熱の負の供給を必要とするシステムにより生成される、暖房及び/又は冷房の需要を有する他の建物システムに関する。冷却システムのような、これらのシステムの多くは、効率的な運転を確保するために、極めて慎重且つ一定の温度制御を必要とする。
【００６８】
図1を参照するに、ここには本発明の一実施形態に従う、閉ループ地熱エネルギーシステム6に結合させた、スーパーマーケット4の冷却システム2を概略的に示している。システム全体は、スーパーマーケット4内の店内側8と、スーパーマーケット4の外部の水ループ側10とを有する。
【００６９】
スーパーマーケット4は、店内の複数の冷却キャビネット12を有する。冷却キャビネット12は、キャビネット12と凝縮器16との間で冷媒を循環させる、店内の冷媒ループ14に配置されている。1つ以上の圧縮器(図示せず)が凝縮器に関連して、既知の方法で設けられる。共通の凝縮器16に結合される複数のループ14を設けるか、あるいは、各ループがそれ固有の凝縮器16を有するようにすることができる。1つ以上のループ14は、単一の冷却キャビネット12のみを有することができる。ループ14内では、冷却キャビネット12を、直列に接続しても、並列に接続してもよい。特定のスーパーマーケットの大きさ及びレイアウト並びに冷却需要に応じて、本発明に従って、様々な冷却構成を用いることができ、これは、冷却システムの分野の当業者にとって明らかである。
【００７０】
スーパーマーケット4用の冷却システム2用にキャビネット/ループの構成をどのように選択しようとも、凝縮器16内では、冷却キャビネット12からの気体冷媒を液体に凝縮させて、凝縮器16の第1の側18に熱エネルギーを発生させる。凝縮器16の第2の側20は、第1段の熱交換器ループ24において、例えばチューブインシェル熱交換器などの熱交換器22に結合される。第1の側18からの熱エネルギーは、第2の側20を経て運ばれる第1段の熱交換器ループ24の流体を加熱する。加熱された流体は、熱交換器22の第1の側26を経て運ばれて、熱エネルギーを、熱交換器22の第2の側30に接続される第2段の熱交換器ループ28に引き渡す。
【００７１】
第2段の熱交換器ループ28は、店内側8と水ループ側10とを架橋する。第2段の熱交換器ループ28は、圧縮器を内蔵しているヒートポンプ32も有する。第2段の熱交換器ループ28では、流体、典型的には水を、ループ28内に循環させる。通常、水は約14℃の温度でヒートポンプ32から熱交換器22に入り、この水は、熱交換器22の第2の側30で加熱されて熱交換器22から、約18℃の温度でヒートポンプ32へと通過する。水ループ側10において、ヒートポンプ32は、地熱エネルギーシステム6に結合される。ヒートポンプ32は、技術的に周知のように、必要に応じて、入力側と出力側にそれぞれほぼ等しいエネルギーの入力と出力で暖房又は冷房を設定し得る、入力側と出力側との温度差を生じさせるための熱変換システムを備えている。
【００７２】
地熱エネルギーシステム6は、共通のマニホルドユニット44に接続されるボアホール熱交換器42のアレイ40を備える。このアレイ40は地下にあり、通常は、地表面Gの下に3次元に配置され、共通のマニホルドユニット44は、典型的には、地上に位置する。
【００７３】
アレイ40は、同軸のボアホール熱交換器42(BHE)のコンパクトなアレイ(又は多数のサブアレイの組合せ)である。ボアホール熱交換器42は、熱エネルギーシステムのサービスに供される建物の近傍で、好ましくはコンクリート製の1つ以上のパッドを備える堅固な構造(図示せず)から一方向に掘削したボアホール内に設置される。ボアホール熱交換器42は、地表面下の層に垂直方向、傾斜方向、又は水平方向に設置することができ、各ボアホール熱交換器42は、その長さに沿って傾きを変えたり、及び/又は、その長さに沿って、同一又は異なる長さの、連続セグメントに分けたりして、各セグメントの配向性を隣接するセグメントとは異ならせることができる。各グループ46、48におけるボアホール熱交換器42は、ほぼ共通の方向に配向される扇形の構成に配置するか、マニホルド44からほぼ半径方向に等間隔に離間して延在する、星形の構成に配置するか、あるいは、ほぼ交換器の長さに沿って整列し、各々がマニホルド44との最初の鋭く傾斜した接続は別としてマニホルド44から下方及び横方向に伸びる単一のほぼ傾斜した部分を有する、線形な構成に配置する。様々な部分の長さ及び傾斜は、ボアホール熱交換器によって変えることができる。
【００７４】
加えて、個々のボアホール熱交換器は、設計要求に応じて、地表面下のある箇所から2つ以上の分岐管(多脚型)に分けることができる。様々な部分の長さ及び傾斜は、ボアホール熱交換器によって変えることができる。各ボアホール熱交換器をほぼ熱的に独立させるようなボアホール熱交換器間の相互間隔が得られるようにアレイ40を構成及び寸法決めすることができる。典型的には、ボアホール熱交換器42の下方部分の底端部は、最低100メートル相互に離間させる。
【００７５】
好ましい実施形態のボアホール熱交換器アレイは、埋設面の空間的配向、空隙率、浸透性、特に設置するエリアの地層の特徴をなす大きい亀裂を考慮して位置させる。これにより、地下水溜まり及び地下水脈を利用する最適な向きで、地層を物理的に中断させるように収容ボアホールを掘削することによって、ボアホール熱交換器の熱効率を高めることができる。
【００７６】
ボアホール熱交換器の典型的な垂直方向深さの範囲は、地表面下10〜750メートルであるが、これ以上の深さも可能である。ボアホール熱交換器のアレイにおいて、ボアホール熱交換器のうち少なくとも1つは、典型的には、少なくとも100メートル、又は750メートルまでの垂直深さにまで伸びる。
【００７７】
共通マニホルドユニット44は、一時的に又は永久的に、ボアホール熱交換器42のアレイ40を第1のグループ46及び第2のグループ48に分けるように構成される。各グループ46、48において、ボアホール熱交換器42のそれぞれを、同軸ボアホール熱交換器42のそれぞれの選定された流れの向きにおいて流体を流すことができるように、中央共通マニホルドユニット44内で、弁機構によって共通して切り替ることができる。
【００７８】
図1の実施形態において、各グループ46、48は、6つの同軸ボアホール熱交換器42を含むが、総数及び各グループ内での数は変えることができ、2つのグループ46、48は、異なる数のボアホール熱交換器42を有することができる。典型的には、各グループ46、48が、ほぼ同一の、数、タイプ及び配置の同軸ボアホール熱交換器42を有して、各グループ46、48の暖房及び冷房性能がほぼ同じとなるようにする。
【００７９】
さらなる修正例においては、例えば3、4又はそれより多くのグループといった、異なる数のグループを設けることができる。
【００８０】
このグループは、地面の中では物理的に区別が取れず、例えばマニホルド内といった地上での互いの接続によって区別することができる。
【００８１】
マニホルド44の土地占有面積は、ボアホール熱交換器42を収容する地中容積の土地占有面積よりかなり小さく、典型的には10%未満、より好ましくは、5%未満、最も好ましくは1%未満である。
【００８２】
かようなアレイとマニホルドとの組合せで、ボアホール熱交換器42の第1及び第2のグループ46、48を、以下に述べるように、正又は負の熱需要に応じて弁を動作させることによって、マニホルド44に、選択的に接続することができる。
【００８３】
ヒートポンプ32を、同様に同軸ボアホール熱交換器42を含む、第3段の熱交換器ループ50によってマニホルド44に接続することができる。流体は、ループ50の周りを循環して、店内側8の冷却システム2から熱エネルギーを抽出し、且つ抽出した熱エネルギーをボアホール熱交換器42のアレイ40に蓄える。典型的には、流体は、約35℃の温度でヒートポンプ32からマニホルド44に入り、この水は約30℃の温度でマニホルド44からヒートポンプ32まで通過する。
【００８４】
スーパーマーケット4内の暖房・換気及び空調(HVAC)システム60は、建物の温度制御した熱需要に従って、建物に調整された温度の空気を提供する。HVACシステム60内の熱交換器66は、HVACループ64によってマニホルド44に接続される。
【００８５】
本発明の実施形態によれば、マニホルド44は、マニホルド内の弁の選択的な作動によって、熱需要による必要に応じて、HVACシステム60に、選択的に熱エネルギーを供給し、且つ冷却システム2からヒートポンプ32を経て熱エネルギーを抽出するように構成される。
【００８６】
あるときは熱機能が正の熱需要を有し、一方で、別のあるときは空調機能が負の(すなわち冷房の)熱需要を有することを考えると、HVACシステム60は、典型的には、長期間にわたり、正味の熱需要を有し、そのときの正味の正又は負の需要及び支配は、例えば、年の時期及び/又は天候/環境条件に応じて、冷却システム2の要求とは独立に、ときによって変わる。
【００８７】
修正例において、HVACシステム60(冷却システム2によって構成される第1の熱システムに加えて、第2の熱システムを備える)を、第2の中間のヒートポンプ(図示せず)とHVACシステム60との間にさらなる熱交換ループを随意追加することにより、第2の中間のヒートポンプによって、マニホルド44に結合させることができる。
【００８８】
HVACシステム60によって構成される第2の熱システム及び、冷却システム2によって構成される第1の熱システムは、同一又は異なる建物にある。
【００８９】
選択的な動作は、時間に依存し、ボアホール熱交換器42の第1及び第2のグループ46、48を、マニホルド44を介して、選択的且つ交互に、HVACシステム60及び冷却システム2に接続することができる。
【００９０】
動作の第1の相において、ボアホール熱交換器42の第1のグループ46は、ヒートポンプ32を経て冷却システム2にマニホルド44を経て接続され、ボアホール熱交換器42内の流体の流れの向きは、例えば、周囲の地中容積70内のボアホール熱交換器42からの熱エネルギーを伝達するような向きである。このことにより、負の熱需要に応じて、冷却ループ14及び熱交換器ループ24、28、50によって抽出される熱エネルギーを、周囲の地中容積70に蓄えることができる。
【００９１】
次に、第2の動作の相において、ボアホール熱交換器42の第1のグループ46を、マニホルド44を経てHVACシステム60に接続し、ボアホール熱交換器42の流体の流れの向きは、熱エネルギーを周囲の地中容積70からボアホール熱交換器42の中へと戻すように、逆向きとなる。これにより、以前、第1の相において、周囲の地中容積70に蓄えられた熱エネルギーを回収し、回収した熱エネルギーを正の熱需要に応じて、HVACループ64によってHVACシステム60に供給することができる。
【００９２】
動作の第1及び第2の相において、ボアホール熱交換器42の第2のグループ48は、それぞれの相にて、第1のグループ46とは反対の方法で (すなわち、第1のグループ46の前の及び次の相と同様に) 動作することができる。ボアホール熱交換器42それぞれの2つのグループ46、48のこれら2つの相は、熱回収相と熱伝達相との間を交互に循環する。これにより、効果的且つ効率的に冷却システム2から廃熱を回収して、この熱をHVACシステム60に提供することができる。
【００９３】
各相の典型的なサイクルタイムは、12時間である。しかしながら、他のサイクルタイムを用いることができ、サイクルタイムは、一定である必要はなく、反対の相で等しい必要もない。
【００９４】
本明細書において開示される閉ループシステムでは、地熱システム6と、冷却ループ14において凝縮器16の形態をした冷却装置用の熱交換システムとの間に中間ヒートポンプ32を設ける。ヒートポンプ32は、マニホルド44及び選定されたボアホール熱交換器42を組み込んでいる熱的に安定した熱交換器ループ50の一部であり、その結果、ヒートポンプ32の入出の流体の流れの間の温度差はほぼ安定している。これにより、冷却ループ14における凝縮器16の温度は安定し、冷却システム2の信頼性の高い、効果的な動作をすることができるという利点がある。
【００９５】
ボアホールの熱エネルギーの出力が、冷却システム2の凝縮器16の出力を上回り、凝縮器16の設定したCWTを達成する場合は、ヒートポンプ32は、冷却システム2内で自動調温制御によって動作に切替えられる。ヒートポンプ32は、冷却サイクルの動作及び地熱サイクルの動作を最適化することができる。各サイクルは、設定された最適化した動作温度を有し、地熱サイクルは、特に、設定した地中温度を有する。この必要に応じたヒートポンプ32のターンオンにより、最適化されたCWTでの冷却システム2の凝縮器16の最適化した動作ができ、典型的には20%のエネルギーの節約することができる。典型的には、ヒートポンプ32は、凝縮器側の温度調整弁によって、周期的に動作に切替えられ、ヒートポンプ32が冷却動作時の約90%の間動作し、冷却動作時の残りの90%の間、冷却システム2の凝縮器16は、ヒートポンプの制御なしに最適化されたCWTで作動する。
【００９６】
最初に、関連する地中容積の熱を回収し且つ蓄え、次いで、蓄えた熱を、再び熱を回収し且つ蓄える前に伝達するといった、ボアホール熱交換器のグループの交互の使用により、熱的に安定したシステムを提供することができ、この関連する地中容積は、容易に熱を蓄え、ヒートポンプ32を含む熱的に安定な熱交換器ループ50に提供するのを手助けする。
【００９７】
図2を参照するに、本発明の第2の実施形態に従う、閉ループ地熱エネルギーシステム106と連結したスーパーマーケット104の冷却システム102を概略的に示している。この実施形態は、マニホルド144がHVACシステムに接続されていないという点で、第1実施形態の修正例である。ボアホール熱交換器142の各グループ146、148がそれぞれ冷却することが可能な、休止相の間に、余熱は、単に、隣接した地中Gに伝導し、地上の暖房需要用に取り出されない。
【００９８】
さらなる修正例(独立して実装することができる)においては、中間ヒートポンプ132は、凝縮器116と中間ヒートポンプ132との双方を含む、単一の熱交換器ループ124により、冷却ループ14の凝縮器116に熱的に接続される。これにより、第1の実施形態のような、追加の熱交換器ループ及び、凝縮器116と中間ヒートポンプ132との間のさらなる熱交換器の必要性を回避することができる。
【００９９】
図3を参照するに、本発明の第3の実施形態に従う、閉ループ地熱エネルギーシステム206に連結したスーパーマーケット204の冷却システム202を概略的に示している。
【０１００】
第2の実施形態のように、本実施形態において、中間ヒートポンプ232は、凝縮器216及び中間ヒートポンプ232の双方を含む単一の熱交換器ループ224によって、冷却ループ214の凝縮器216に熱的に接続される。しかしながら、他の修正例では、第1実施形態のように、さらなる熱交換器ループを追加して用いることができる。
【０１０１】
冬の月間には、冷房の需要が低減し、あるいは、冷却システム202の冷房と比較してHVACシステム260の非常に負担のかかる暖房需要があることは珍しくはない。このような場合、BHE 242の休止中のグループ(又はバンク)246は、前の冷却デューティの間にグループ(又はバンク)246に放出するエネルギーより大きいエネルギーを建物のHVACシステム260用にアウトソースする。これは、新規な冷却シフトの初期に冷却システム202によって必要とされるより低い温度の、グループ246のBHE 242の作動流体に相当する。換言すれば、過剰な熱がHVACシステム260に提供される休止相の間は、次の作動(冷却)相のための所望の温度と比較して、作動流体の温度を過冷却する。
【０１０２】
特定のシステムによって必要とされるより低い温度の作動流体を用いることにより、冷却プラントの容量の損失を与えることがあり、必ずしも有利でない。冷却システムが効率的で信頼性が高い動作のために凝縮器の特定の設定温度(すなわち所定のCWT)で動作することが重要である。しかしながら、作動流体の過冷却は、熱エネルギーシステム全体内でエネルギーを節約するといった有利な効果に用いることができる。
【０１０３】
温度混合弁280は、前に冷却システムに供したBHE 242のグループ(又はバンク)からエネルギーを自動的にアウトソースすることによって所定のCWTを提供することができるシステムに組み込むことができる。これは、中間変換ヒートポンプ232を迂回し、且つ動作バンク246から第1の導管294に沿った比較的低い温度の1つの流れと、休止バンク248から第2の導管296に沿った比較的高い温度の1つの流れとの、2つの作動流体の流れを混合するための温度混合弁280を組み込む、BHE 242から冷却システム202までのライン290によって達成される。共通の第3の導管298は、温度混合弁280から凝縮器216まで通じ、戻し導管299は、マニホルド244までフィードバックする。
【０１０４】
温度混合弁280は、第1の導管294及び第2の導管296に沿った2つの流れの割合を制御し、従って、流れを混合して、冷却システム202に向けられる所望の流出温度を達成する。このようにヒートポンプ232を迂回することにより、温度混合弁280によって制御されるだけのBHE 242からの作動流体の温度で、ヒートポンプ232を動作期間の少なくとも一部を非動作とすることができる。ヒートポンプ232が動作しない場合は、その関連するポンプ及び圧縮器を駆動させるのに必要な電気エネルギーがないため、これにより、例えば、20%までのエネルギーの節約といった、動作コストの重要な節約をすることができる。
【０１０５】
図4を参照するに、第3の実施形態の修正例である、本発明の第4の実施形態に従う、閉ループ地熱エネルギーシステム306に連結されたスーパーマーケット304の冷却システム302を概略的に示してある。
【０１０６】
本実施形態において、前述の実施形態のように、BHE 342の休止中のグループ(又はバンク)346の過剰な冷却を用いて、休止相において、作動流体の温度は、次の作動(冷却)相の所望の温度と比較して過冷却する。作動流体が水性で、例えばエチレングリコールのような、グリコールを含む場合は、これにより、過冷却された作動流体として氷スラリの形成が生じ得る。
【０１０７】
さらなる熱交換器ループ392において、マニホルド344に連結させる追加の熱交換器390を設けることにより、過冷却を夏の月間においてさえも達成することができる。熱交換器390のポンプ396は、電力源394に接続されている。夜間に電力がより安価な夜税を商業的に利用する場合に、ポンプ396は作動流体の循環をBHE 342の休止中のグループ又はバンクに圧入する駆動源である。これにより、大気に排出される熱を、BHE 342の休止中のバンクから取り出して、BHE 342の休止中のバンクを冷却する。前述の実施形態のように、BHE 342の休止中のグループ又はバンクからの過冷却された作動流体は、次に、温度混合弁380に低温供給を構成するのに用いることができる。
【０１０８】
本発明の実施形態において、様々なループにおける流量及び温度を、モニタし、管理して、全体のパフォーマンスを最大にして、これにより、制約なしでHVACシステムを提供する場合に、冷却システムの様々なエネルギー要求を満たすことができる。図5に示すように、これは、共通のマニホルドユニット44を組み込む、表面制御モジュール(SCM)80によってなされる。複数のアレイ40が設置される場合には、全体の設計要求に応じて、複数の表面制御モジュール80を組み込むことができる。
【０１０９】
表面制御モジュール80は、ボアホール熱交換器2のアレイ40の最適エネルギーのバランスを維持し、且つヒートポンプ32及びHVACシステム60に必要な温度で作動流体を供給するようにプログラムされたマイクロプロセッサ90によって制御される、弁82、圧力計84、温度センサ86及び流量センサ88を、中央マニホルドユニット44の一部として、あるいは、これに接続して組み込む。1つ以上のポンプ92は、ボアホール熱交換器42のアレイ40を介して作動流体をポンピングするように設ける。加えて、HVACシステム60に分配される熱エネルギーは、表面制御モジュール80の出力で、メータ94により測定することができる。ソフトウェアは、様々な建物のエネルギー需要に対するアレイ40の反応をマップし、建物管理システム96と互換性を有する、マイクロプロセッサ90に組み込まれる。このソフトウェアは、需要プロファイルが変わるか、又はアップグレードを実施する場合に、修正及び再インストールすることができる。
【０１１０】
マニホルド44は、典型的には、地下1−2メートルにて、予め組み込んだ熱可塑性パイプのネットワークによって、ボアホール熱交換器2のアレイ40に接続し、このことは、伝達過程の間、熱及び液圧エネルギーの損失を最小にすることを確実にする。
【０１１１】
マニホルドに内在させる表面制御モジュール(SCM)は、完全なシステム全体が表面制御モジュールからサービスを提供されるビルまでの入口及び出口での主な作動流体の流れのモニタリング及び制御するだけでなく、各々のボアホール熱交換器用の全ての作動流体の流量、流れの向き、温度及び圧力をモニタし、且つ制御する、プログラム可能なコンピューターモジュール、センサ及び調節弁を含む。
【０１１２】
ボアホール熱交換器の長さに沿って、様々な間隔をおいてボアホール熱交換器に取り付けた温度センサを、ボアホール熱交換器の温度応答曲線のモニタ及び制御を補完するのに随意用いることができる。
【０１１３】
ボアホールは、典型的には、一方向に掘削する能力を備えた、カスタマイズし、自動化した可動掘削リグを用いて掘削することができる。この掘削リグは、例えば、掘削中測定(MWD)、操舵可能な液圧モータ及び/又は操舵可能なロータリ掘削システム、液圧式ダウンホールモータ、方位性エアハンマ、ジャイロ式及び慣性式ガイドシステム並びに関連する制御ソフトウェアのような、オイル及びガス生産業で確立されている装備及び技術と関連付けて動作させることができ、ボアホールのアレイをコンクリートパッドから開始して、坑口が3メートル以下の間隔をおいて表面に位置する数平方メートルの面積にわたって掘削し、最終的な深さで数百メートルまでの広範な離隔を達成するように、一方向に掘削することもできる。用途に応じて、水ベースの流体、気泡又は空気を含む無毒性の「掘削液」を用いて掘削プロセスを促進することもできる。
【０１１４】
各ボアホール熱交換器は、収容ボアホールが横断する地層から機械的及び液圧的に隔離させた、同軸の「チューブ・イン・チューブ」構成からなる。外側ケーシングは、用途に応じて、鋼、アルミニウム、ポリ塩化ビニル(PVC)、ガラス強化プラスチック(GRP)、又は炭素繊維強化プラスチック(CRP)により構成することができる。横断する地層の性質に応じて、外側ケーシングを部分的に、又は完全に収容ボアホール内にセメント固定してもよいし、あるいは全くセメント固定しなくてもよい。セメント製剤は、用途に応じて従来のセメントベースのグラウト材か、又は代替的に膨張性シール剤化合物を含むことができる。
【０１１５】
外側ケーシング内には、PVC、GRP、又はCRP複合材料か、又は代替的に絶縁スリーブ内に封入した鋼若しくはアルミニウムから形成した、肉厚の又は予め絶縁した配管を設置することができる。種類及び用途に応じて、この配管を連続コイルとして供給するか、又は別個の長さで供給し、これらを機械的に相互に接合して設置することができる。この配管を、外側ケーシングと内側配管との間に必要な横断面積クリアランスを提供し、結果として生じる「渦流」生成によって外側ケーシングから作動流体への向上した熱移動をもたらす、角度付けセンタリング「デフレクタ」によって外側ケーシングの孔内にセンタリングすることができる。
【０１１６】
外側ケーシング底部に永久的に設置した機械的プラグによってボアホール熱交換器内に作業流体経路を閉じ込め、これにより、外側ケーシングと内側配管との間の円環空間を下方に流し、また内側配管を上方に流す(逆方向循環)、又はその反対(順方向循環)に流れる閉路の流れを形成する。この閉路方法は、作動流体が作動中のいずれの時点でも地層又は関連する液体溜まり層、典型的には帯水層に接触しないようにでき、これにより、システムを環境に優しいものとする。
【０１１７】
発明者らは、コンピュータモデルに基づいて深部の熱サイフォン活動をさらに研究した結果、英国の環境においては、商業規模の建物における冷却のための所要電力が、特に、膨大な量の過剰な熱を生じるかなりの店内冷却システムを有するスーパーマーケットにて、加熱のための所要電力よりも著しく大きくなるという認識に達した。このことから導き出た結論は、特に商業規模の建物の空間暖房及び冷房に適用する場合、建物の空間暖房及び冷房必要性を満たすためには、地中への排熱が少なくとも熱の抽出と同程度に重要であることである。地球温暖化に関して、特に、例えば、人間の活動によって生じる二酸化炭素などの温室効果ガスの排出に関して国際的な関心が高まっている。空間の暖房及び/又は冷房、あるいは電力を生成するための地熱エネルギーは、再生可能な低炭素の、化石燃料エネルギーシステムの代替方法を提供する。
【０１１８】
実施形態によっては、同軸ボアホール熱交換器を設置するボアホールは、全般的な深さを最小限としながらボアホール熱交換器の十分な長さを維持するように一方向に掘削する。これは、用途に応じて、垂直方向から傾斜方向を経て水平方向まで、ボアホール用の適切な軌道を選定することにより達成できる。
【０１１９】
本発明の好ましい実施形態では、内部にボアホールの表面端子(坑口)を通常はわずか3メートル以下の距離をおいて配置する、地表の小さいコンクリートパッドから、軌道が変化するボアホールの「アレイ」を掘削することによって、オイル及びガス掘削の慣例を用いてボアホール熱交換器を一方向に掘削するという概念がある。掘削は、従来の軽量可動リグによって行うことができる。これは、数十個又は数百個もの浅い(例えば100m)のボアホール(U字管)を掘削するか、あるいは数キロメートルのプラスチック配管を数百平方メートルにわたって浅い(2m)溝(「スリンキー」)に設置する現在の標準的な慣例とは正反対である。現状の慣例によるコスト、不都合、及び使用可能土地面積の低減は、特に英国においては地熱エネルギー用途の成長に対する障害として作用してきた。反対に、パッド掘削方法は、10〜20平方メートルの小さい表面土地占有面積並びに、隣接する敷地面を妨害することなしに長いボアホール長さを設置する能力を含む、多数の有利な点を有する。
【０１２０】
英国の一般オフィスビルについて研究を行い、これにより、建物の暖房及び冷房エネルギープロファイルを、暖房及び冷房のエネルギーの双方を提供することができるボアホール熱交換器のアレイに適合させた。これらの研究は、冷房エネルギー要求が暖房エネルギー要求を凌ぐことを確認した。
【０１２１】
本発明の好ましい実施形態では、各ボアホール熱交換器間、及びボアホール熱交換器アレイとサービスを受ける建物との間の流れ条件をコンピュータ制御するのを可能とするために必要な弁及びセンサを含む、表面制御モジュールによって、各ボアホール熱交換器の表面接続部を小さい土地占有面積を有するアレイとして集合させる。これにより、アレイ全体のエネルギーバランスを最適化することができるだけでなく、地熱環境を枯渇又は飽和させることなしに建物からの負荷を持続的で可変なものとする。さらに表面コントロールユニットは、サービスを受ける建物に、暖房及び冷房エネルギーを同時に供給することができる。
【０１２２】
コンピュータによるモデル化は、異なる流量及び動作温度範囲にわたる異なるボアホール熱交換器の範囲の応答を示した。この結果は、深さ、軌道、ボアホール熱交換器直径、流量、流れ方向、地面温度、ケーシング及び配管の材料並びに動作モードの影響は予想通りであることを確認した。循環のオン/オフのサイクル周期を変更することによって、より高い効率及びピーク出力を実施することができ、このことが建物のエネルギー需要プロファイルに対するボアホール熱交換器の適合性を高めるという事実も重要である。さらに、所定条件下で、ボアホール熱交換器アレイの低炭素排出性能を向上し、例えば熱電併給ユニット(CHP)のような他の再生可能エネルギー技術と組み合わせて、ピーク電力需要に対してより効果的に対処し、また設備の炭素排出量をさらに低減することにより、アレイの多様性を高めることができることに留意すべきである。
【０１２３】
設計により、空間暖房、冷房及び温水供給に関する建物の熱出力需要曲線にボアホール熱交換器アレイの熱出力曲線を合致させる。
【０１２４】
本発明の好ましい態様によれば、個々の建物の熱エネルギー管理を、多数の建物及び施設の熱エネルギー管理並びに様々な熱源及び蓄積手段の統合にまで拡大することができる。表面制御モジュールは、多数コンポーネントシステムにおける中心的コンポーネントである。
【０１２５】
エネルギー効率は、グローバルな二酸化炭素排出の低減に寄与する。本発明は、既存の実証済みの地下資源ヒートポンプの慣例に基づいて、効率の高い大規模な暖房及び冷房設備を提供することができる。
【０１２６】
技術的にも商業的にも実証済みで、長年にわたり陸上及び沖合で採用してきた高度な油田掘削及び完成技術によってボアホール熱交換器を設置することができる。主な有利な点は、関連する建物に隣接した小さい場所又はパッドから適合した建物設備設計に供する効率の高い同軸的な閉ループ熱交換器設計により、完成するボアホールアレイをコスト効率良く構成することである。
【０１２７】
本発明の好ましい実施形態の地熱エネルギーシステムは、統合及びカスタマイズした、エネルギー効率の良い低炭素排出システムであり、このシステムは、主に大規模な建物構造又は高い暖房及び/又は冷房需要を有する任意の建物に対する空間暖房及び/又は冷房エネルギーを提供する。地熱エネルギーシステムが供給するエネルギーは、世界的に豊富な低温の地熱源から取り出し、これらの地熱源は、維持可能かつ再生可能であり、サービスを受ける建物の炭素排出量の極めて顕著な低減を達成する手段を提供する。
【０１２８】
本発明の好ましい実施形態では、効率が高く、実用的な、最高度の地中資源ヒートポンプ技術と建物設備産業における設計方法及び材料の最良の慣例とを組み合わせて、表面制御モジュール、及び大量の熱エネルギーを伝達又は蓄えることのできるエネルギー配給網とに連結した、地熱式ボアホール熱交換器のアレイを設けている。
【０１２９】
本発明の好ましい実施形態は、一方向に掘削し、特別に設けた多数の地熱ボアホールを備え、想定した熱負荷下に最大限の効率が得られ、建物設備設計に正確に適合するように特別に設計したボアホール熱交換器のコンパクトなアレイを提供することができる。本発明の好ましい実施形態は、建物設備内外への、又はアレイにおける個別のボアホール熱交換器間の、地熱エネルギーの伝達を管理するマイクロプロセッサ表面制御モジュール「SCM」インタフェースユニットを提供することができる。
【０１３０】
本発明の好ましい実施形態は、SCMと建物設備とを関連付ける、低圧の断熱したエネルギー配給網を提供することができる。
【０１３１】
本発明の好ましい実施形態は、目的に応じて設計及び構成した、対象地域に暖房及び/又は冷房を提供し、建物内に温水を供給するための高度なヒートポンプ技術を組み込んでいる、建物設備を提供することができる。
【０１３２】
開発規模及びエネルギー需要プロファイルに応じて所定の敷地に1つ以上の別個のアレイを設置することができる。
【０１３３】
地熱エネルギーシステム設備の設計において考慮すべき重要な点は、暖房と冷房との間の建物設備からの需要バランスであり、このことは、ボアホール熱交換器を許可された土地開発地域で垂直に構成するか、傾斜して構成するか、又は水平に構成するかに直接に影響を及ぼす。主に暖房を考慮する場合、垂直型ボアホール熱交換器を提案するであろう。これとは逆に、主に冷房を考慮する場合、水平型ボアホール熱交換器が最適な性能を提供するであろう。実際には、本発明の地熱エネルギーシステム設備は、典型的には、木の根系に類似したパターンでボアホール熱交換器を構成するものの、この場合、貫通した地層の地熱を採取又は蓄積するように設計した、1個以上のパッドから掘削した、複数の垂直型、傾斜型及び水平型ボアホール熱交換器を備える。
【０１３４】
さらに、ボアホール熱交換器アレイの設計と建物設備設計及びそのエネルギープロファイルとを統合し、地下資源ヒートポンプ設備を提案した場合に、典型的に過去に不適当であった装備に起因する非効率を回避することが重要である。建物設備で採用した技術をボアホール熱交換器の性能にできる限り適合させ、暖房及び冷房を建物設備に供する場合に最も効率のよい性能を提供することにより、採用したそれぞれの技術を活用することが目的である。
【０１３５】
従って、本発明の好ましい実施形態によれば、コンパクトな表面パッドを設け、パッドの表面境界を超えて同軸ボアホール熱交換器を敷設する。典型的には、油田及びガス田開発の慣例に見られる方向付けた掘削技術を実際の解決方法として採用し、同軸ボアホール熱交換器を設置し、深さ、角度及び方位角の必要度に応じて各同軸ボアホール熱交換器を設置する。設置した同軸ボアホール熱交換器は、各BHEの全長の典型的には5%未満であり、また同軸ボアホール熱交換器の各クラスタの全長よりも短い、同軸ボアホール熱交換器の最上部の典型的には20〜30メートルを除いては、熱干渉因子から解放されているといえる。3次元アレイを提供することによって、地表の1点、すなわちパッドから大容積にわたって複数回の熱移動プロセスを実施することができる。これは、技術的に既知の垂直型ボアホール熱交換器の場合における1次元熱移動プロセスと対比することもできる。パッドを設けることにより、地表面に広範囲の集熱系を設ける必要性がなく、表面パッド毎に極めて高密度の熱エネルギー出力/入力を達成することができる。パッドは、建物に隣接して配置するか、又は新しく建設した建物の場合には建物の機械室又は任意な他の部分の直下に配置することができる。ボアホール熱交換器と建物との間の距離に起因する動作損失は限定的にしか生じないか、又はそのような動作損失はほとんど生じない。多様な深さのボアホール熱交換器を提供することによって、単一のパッド及び表面制御モジュールから暖房、温水及び/又は同時的な冷房のいずれか、又は全てを提供するか、又は1つの作動モードを選択することができる。アレイの同軸ボアホール熱交換器は、集合的に管理するか、又は独立して管理することができる。アレイのボアホール熱交換器間で作動流体の再循環を提供し、過剰な熱エネルギーを再充填するか又は放出し、これにより、各種の暖房又は冷房用の動作のために理想的な温度勾配を提供することが可能である。
【０１３６】
一方向への掘削は、選定された軌道及び深さを選定することにより、熱ネルギーの効果的な採取又は放出のために最適な熱伝導率を提供する良質な岩盤層内に各同軸ボアホール熱交換器を配置する選択肢を提供する。一方向への掘削は岩塊の配向を利用して、掘削コストを低減するか、又は熱エネルギー伝達を改良することができる。天然資源に対する悪影響なしに近くのボアホール熱交換器を用いて、帯水層の流体効果を最大にすることが可能である。
【０１３７】
さらに、熱干渉を引き起こすことなしに安全な距離をおいて近傍の建物のボアホール熱交換器のアレイを迂回するか、又は通過することができる。
【０１３８】
延在する同軸ボアホール熱交換器アレイは、1つ以上のボアホール熱交換器間における1つ以上の閉路内の内部のサーモサイフォン流を効果的に用いることを可能にする幾何学的配置を有することができ、これにより、1つのパッドに配置した単一のボアホール、数個のボアホール、又は全てのボアホールの長さに沿って熱エネルギーを再分配することができる。これにより、ポンピング需要を低減することによって循環エネルギーの損失に関連した維持費を節約することができ、ヒートポンプ設備が必要とする熱エネルギーを低減することができる。
【０１３９】
サーモサイフォン式循環流、すなわち、熱エネルギー温度勾配による影響を受ける作動流体密度の変化によって生じる浮力流をボアホール熱交換器で用いることが技術的に既知である。しかし、広範囲の表面集熱システムの制限を含む多くの理由により、制御軌道下に異なる深さ及び温度勾配で配置した、独立しているが、相互接続している地中熱交換器間の、複雑な相互に作用する流れを用いるのには障害がある。それにもかかわらず、本発明の好ましい実施形態のシステムは、システムとして、あるいは単一の垂直型、傾斜型、又は水平型(例えばL字形状)のボアホール熱交換器で、これらの流れを効果的に用いることができる。
【０１４０】
本発明の好ましい実施形態は、ボアホール熱交換器、好ましくは同軸のボアホール熱交換器のアレイが地表点を超えて延在し、工業的な規模及び容量のヒートポンプ設備に供給を行う、単一のコンパクトなパッド又は多数のコンパクトなパッドから大量の熱エネルギーを抽出するか又は放出する装置を提供する。ボアホール熱交換器のアレイを、単一のユニットとして、もしくは個別のモードの個別のユニットとして、もしくはアレイ全体の間で任意の割合で、又は単一のボアホール熱交換器を、ヘッド制御ユニットによって管理するための、コンパクトなマニホルドユニットの内部に一連の弁及びゲージを備える装置を設けることができる。ユーザインタフェースをアレイのヘッド制御ユニットに着脱できるが、隣接する建物からの操作用のアレイのヘッド制御ユニットに関連付けることができる。表面境界によって区画される所定の面積下で複数の地層の3次元容積を用いることによって、建物の任意の所定の消費者需要に適合する可能出力を有する熱エネルギーのシンク、熱エネルギー資源又は蓄積を豊富に供給することができる。アレイは、各々が所定の深さ、角度及び方位角を有する、一方向に掘削した複数のボアホール熱交換器を備えることができる。システムは、例えば円形、長方形、アーチ形、正方形及び線形など異なる形態のクラスタ状、又は隣接するクラスタ用にこれらの形態を任意に組み合わせた、異なるクラスタ形状の、単一もしくは複数のコンパクトなパッドを有することができる。アレイは、単一又は複数のアレイ内に、傾斜型、水平型及び垂直型の、複数の同軸ボアホール熱交換器又は単一の同軸ボアホール熱交換器の組み合わせを有することができる。パッドは表面空間ユニット毎に高密度の熱エネルギーを伝達可能なコンパクト集熱システムを構成し、これにより、作動流体圧及び熱損失を低減する。パッドの表面位置は、建物もしくは施設に隣接しているか、これらから離間しているか、又はこれらの任意な部分の下方に位置し、ボアホール熱交換器のアレイはこのような表面位置を越えて任意の側方又は深さに延在する。季節、気候及び建物のエネルギープロファイルに応じて、多数のボアホール熱交換器を異なるモードで用いることができる。システムは、熱エネルギーを異なる深さで供給、吸収もしくは蓄積するか、又は多数の異なる深さ及び/又は外部の温度勾配間で再循環させることができる。加えて、システムは、サーモサイフォン流によってアレイの部分間の熱エネルギーを再分配して、ヒートポンプ設備による取込み効率を向上することができる。一方向への掘削は、岩盤層の所定のパターンに従う好ましい質の岩盤層を備える選択した層を最大限に活用し、帯水層の所定のパターンに従う帯水層を最大限に活用し、熱エネルギーを最高率で獲得又は放出するように閉路ボアホール熱交換器の水平方向部分を沈め、最適な熱伝導率を達成するように所定の岩盤裂断パターンに従い又はこれを横断することにより岩盤裂断部配向を十分に活用することができる。個別の層環境にボアホール熱交換器アレイを敷設して、所定の地中容積のために最適な熱効率を達成することができる。現状の温度勾配に基づいて選択した数のボアホール熱交換器を動作させることにより、残りのボアホ���ル熱交換器アレイを強制的な循環からオフに切り替え、選択した待機状態のボアホール熱交換器間で熱エネルギーを受動的に再分配するオプションを設けることができる。
【０１４１】
ボアホール熱交換器アレイをコスト効率良く設置する鍵となるのは、高度な油掘削及びガス掘削技術並びに完成技術を複合化し、これらを地熱開発に典型的なより浅い環境に適応させるという概念である。この技術及び関連技術と、比較的良い地理的環境に正確に適合する特定材料とを組み合わせることにより、完全に自己完結的に、コンパクトな表面位置から任意の所望軌道に沿って所定の深さまで多数のボアホールを建設することが可能となる。これは、都市環境のプロジェクトを考慮する場合又は表面積に制限がある場合には
重要な有利な点となる。
【０１４２】
本明細書に記載の本発明の実施形態は、純粋に例示的なものであり、特許請求の範囲を限定するものではない。一実施形態に関して開示した特徴を、本発明の特許請求の範囲内で別の任意な実施形態の特徴と組み合わせることもできる。
【図１】
2011524967.tif 000003
【図２】
2011524967.tif 000004
【図３】
2011524967.tif 000005
【図４】
2011524967.tif 000006
【図５】
2011524967.tif 000007
【国際調査報告】
2011524967.tif 000008
2011524967.tif 000009
2011524967.tif 000010