(57)【要約】逆熱力学流れスキームを具えた地熱エネルギーシステムは、地熱排出又は地熱アブソーバと連続するポンプ又はコンプレッサーを利用している。ポンプ吸引地熱エネルギーシステムは、グラウンドループ内において略同じ圧力で作動流体を蒸発及び凝縮させる。作動流体は、二酸化炭素、フレオン、水又は他の好適な冷却剤とすることができる。圧縮地熱システムは、作動流体として二酸化炭素を用いるときに、臨界圧力より高く、又は低く、及び略等しい圧力で、蒸気から液体に作動流体を凝縮する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉ループを冷却する方法であって、
閉ループ冷却システムにおいて第１の略液体状態にある作動流体を第１の作動流体圧力にするステップを有し、
前記作動流体をポンプ吸引し、相変化することなく前記第１の作動流体圧力よりも高い圧力の第２の作動流体圧力に上昇させるポンプ吸引ステップを有し、
前記作動流体を、前記第２の作動流体圧力で、略液体状態から他の流体状態に蒸発させる蒸発ステップを有し、
前記他の流体状態の作動流体を、前記第２の作動流体圧力で、第２の略液体状態に凝縮させる凝縮ステップを有し、
前記第２の略液体状態の作動流体を前記ポンプ吸引ステップに戻すステップを有し、第２の作動流体圧力を第１の作動流体圧力に低下させる、ことを含み、
圧縮ステップを含まない、方法。
【請求項２】
前記蒸発ステップの前記他の流体状態は、液体−蒸気状態である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記蒸発ステップの前記他の流体状態は、蒸気状態である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記蒸発ステップの前記他の流体状態は、過熱された蒸気状態である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記凝縮ステップは、地熱エネルギーシステムのグラウンドループで行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記蒸発ステップは、直接地熱冷却システムの熱エバポレータ内で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記蒸発ステップは、間接地熱冷却システムの熱交換機内で行なわれる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記作動流体は、二酸化炭素である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
圧縮冷却する方法であって、
閉ループ冷却システムにおいて第１の略液体状態にある二酸化炭素の作動流体を閉ループ冷却システムの第１の作動流体圧力にするステップを有し、
前記作動流体を第１の作動流体圧力から、第１の作動流体圧力よりも低い第２の作動流体圧力に膨張させる膨張ステップを有し、
前記膨張ステップの後、前記作動流体を前記第２の圧力で蒸発させて、前記作動流体の相を蒸気に転換する蒸発ステップを有し、
前記蒸発ステップの後、前記作動流体を前記第１の作動流体圧力に圧縮する圧縮ステップを有し、
前記圧縮ステップの後、前記作動流体を前記第１の圧力で冷却する冷却ステップを有し、中間相を液体−蒸気に転換することなく、前記作動流体のエンタルピーを減少させ、超臨界状態で密度を大きくする、方法。
【請求項１０】
前記冷却ステップは、更に、地熱冷却システムのグラウンドループ内で行われる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記蒸発ステップは、地熱冷却システム内の熱エバポレータ内で行なわれる、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の作動流体圧力は、臨界圧力よりも高い、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の作動流体圧力は、臨界圧力よりも低い、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の作動流体圧力は、臨界圧力と略等しい、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
圧縮冷却する方法であって、
閉ループ冷却システムにおいて、第１の略液体状態にある二酸化炭素の作動流体を第１の作動流体圧力にするステップを有し、
前記作動流体を、前記第１の作動流体圧力から、前記第１の作動流体圧力よりも低い第２の作動流体圧力に膨張させる膨張ステップを有し、
前記膨張ステップの後、前記作動流体を前記第２の圧力で蒸発させて、作動流体の相を蒸気に転換する蒸発ステップを有し、
前記蒸発ステップの後、前記作動流体を前記第１の作動流体圧力に圧縮する圧縮ステップを有し、
前記圧縮ステップの後、前記作動流体を前記第１の圧力で冷却する冷却ステップを有し、中間相を液体−蒸気に転換することなく、前記作動流体のエンタルピーを減少させ、密度を大きくする、方法。
【請求項１６】
前記凝縮ステップは、地熱加熱システムの熱交換機内で行なわれる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記蒸発ステップは、地熱加熱システム内のグラウンドループ内で行なわれる、請求項１５に記載の加熱方法。
【請求項１８】
前記第１の作動流体圧力は、臨界圧力よりも高い、請求項９に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の作動流体圧力は、臨界圧力よりも低い、請求項９に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の作動流体圧力は、臨界圧力と略等しい、請求項９に記載の方法。
【請求項２１】
(ａ)ポンプの出口ポートが第１長さの管路に連結され、
(ｂ)前記第１長さの管路の他端が第１熱交換機の入口ポートに連結され、
(ｃ)前記第１熱交換機の出口ポートが第２長さの管路に連結され、
(ｄ)前記第２長さの管路の他端が第２熱交換機の入口ポートに連結され、
(ｅ)前記第２熱交換機の出口ポートが第３長さの管路に連結され、
(ｆ)前記第３長さの管路の他端がポンプの入口ポートに連結される、冷却装置。
【請求項２２】
前記冷却システムは、前記第２熱交換機と前記ポンプとの間に直列に接続されたアキュムレータを具える、請求項１７に記載の冷却装置。
【請求項２３】
前記熱交換機の一つは、地中に設置される、請求項１７に記載の冷却装置。
【請求項２４】
(ａ)ポンプの出口ポートが第１長さの管路に連結され、
(ｂ)前記第１長さの管路の他端が第１熱交換機の入口ポートに連結され、
(ｃ)前記第１熱交換機の出口ポートが第２長さの管路に連結され、
(ｄ)前記第２長さの管路の他端が第２熱交換機の入口ポートに連結され、
(ｅ)前記第２熱交換機が地中に設置され、
(ｆ)前記第２熱交換機の出口ポートが第３長さの管路に連結され、
(ｇ)前記第３長さの管路の他端がポンプの入口ポートに連結される、冷却装置。
【請求項２５】
前記冷却システムは、前記第２熱交換機と前記ポンプとの間に直列に接続されたアキュムレータを具える、請求項２０に記載の冷却装置。
【請求項２６】
空間を冷却する方法であって、
(ａ)圧縮された作動流体を準備し、該作動流体をポンプ吸引してより高い圧力状態にし、
(ｂ)高圧の作動流体に、第１熱交換機にて媒体との熱交換によって熱を加えることで、作動流体を蒸発させ、
(ｃ)前記作動流体を長さのある管路の中を移送し、
(ｄ)前記作動流体の熱を、第２熱交換機で熱交換することによって取り除いて作動流体を凝縮し、
(ｅ)前記作動流体を移送して、作動流体をシステムの中を再循環させる、方法。
【請求項２７】
前記作動流体の圧力は、５０〜１５００ｐｓｉａの範囲内である、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記圧力は、誤差が地面温度に関する作動流体の平衡圧力の２００ｐｓｉ以下の範囲内である、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記作動流体は、二酸化炭素からなる、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
熱の除去は地中で行われる、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
空間を加熱する方法であって、
(ａ)作動流体をさらに高い圧力に圧縮することにより作動流体の温度を上昇させ、
(ｂ)圧縮された高い圧力の前記作動流体を第１熱交換機の媒体との熱交換によって作動流体から熱を除去し、
(ｃ)作動流体を元の圧力に膨張させて、作動流体の温度を、熱を供給する媒体の温度よりも低下させ、
（ｄ）作動流体を第２熱交換機の中を移動させて、第２熱交換機の媒体から熱を作動流体に供給し、
（ｅ）作動流体を移送して、作動流体をシステムの中を再循環させる、方法。
【請求項３２】
前記作動流体の圧力は、５０〜１５００ｐｓｉａの範囲内である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記作動流体は、二酸化炭素からなる、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記第２熱交換機は、地中に設置される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
空間を冷却する方法であって、
(ａ)作動流体を、第２の熱交換機の中を移動させて、第１の熱交換機の媒体から熱を作動流体に供給し、
(ｂ)前記作動流体を圧縮することにより前記作動流体の温度を上昇させ、
(ｃ)圧縮された高圧力の作動流体を第１の熱交換機の媒体との熱交換により作動流体から熱を除去し、
(ｄ)作動流体をより低い圧力に膨張させることにより、作動流体の温度を低下させ、
(ｅ)前記作動流体を移送して、作動流体をシステムの中を再循環させる、方法。
【請求項３６】
前記作動流体の圧力は、５０〜１５００ｐｓｉａの範囲内である、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記作動流体は、二酸化炭素からなる、請求項３５に記載の冷却方法。
【請求項３８】
前記第１熱交換機は、地中に設置される、請求項３５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、地熱加熱及び冷却の分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷却又は加熱システムの効率は、成績係数(Coefficient of Performance)によって表されることができる。成績係数とは、供給された仕事の量に対する熱の変化の比率である。従来の家庭用エアコンディショナーの成績係数は、典型的には１．０〜３．０の範囲である。従来の家庭用炉は１．０に近い成績係数であるのに対し、従来の地熱技術を用いたシステムは、典型的には３．５〜５．０の範囲である。
【０００３】
地熱加熱及び冷却システムは、地中から、地表の家又は建物へ暖気又は冷気を伝達する。大地は天然の熱源又は熱シンクであり、地表のすぐ下側は１年を通して５５°Ｆから７０°Ｆの温度である。システムが冷却モードにあるとき、地面(熱シンク)は作動流体の熱を吸収し、システムが加熱モードのとき、作動流体は、地面(熱源)の熱を吸収する。
【発明の概要】
【０００４】
本発明では、請求項１〜３８に規定された地熱エネルギーシステムが提供される。
【０００５】
本発明の一実施例では、閉ループ回路の周りにある作動流体をポンプ吸引する直接及び間接地熱エネルギーシステムに適合させた冷却用逆熱力学流れスキームを用いている。蒸発／凝縮熱力学サイクルは略同じ圧力で動作するので、冷却スキームではコンプレッサーは必要でない。逆熱力学流れは、少なくとも７．５の成績係数を生成し、システムの構成及び向き、冷却される所望空間の大きさ、及び空間内で達成される所望冷却温度に応じて、成績係数を有意にさらに高くすることが出来る。従って、本発明は、高い成績係数で動作することができ、しかも効果的かつ効率的に冷却及び加熱を提供できる冷却システムである。
【０００６】
本発明の熱力学サイクルは、略液体−蒸気状態の作動流体が、グラウンドループ(ground loop)を介して地中に熱を排出した後、略液体状態の作動流体をポンプ吸引することができる。ポンプ吸引により圧力は増加するが、その圧力レベルは、閉ループ回路内の動摩擦力の損失と、グラウンドループ内での重力作用によって生じる静的圧力差とを解消させるだけに必要なレベルであるので、作動流体の密度又は温度のどちらにも実質的な増加はない。液体をポンプ吸引するために必要なエネルギーの量は、典型的には、凝縮圧力の３０ｐｓｉ以内であり、これは、ガスを圧縮するのに必要なエネルギーの量よりもはるかに少ない。更に、凝縮はグラウンドループ内で、蒸気−液体平衡の一定温度で起こるので、作動流体と地面との温度差はループ全体では一定のままであり、地面への効率的な熱伝達が可能となる。冷却効率、つまり成績係数(消費したポンプ吸引又は圧縮エネルギーに対する排出熱の比)の典型的な測定値については、従来の蒸気圧縮と比べて、ポンプ吸引サイクルでは１０〜５０倍高い。
【０００７】
本発明の他の実施例は圧縮加熱及び圧縮冷却に対する超臨界熱排出力学サイクルを用いている。
【０００８】
本発明について、よりよく理解するために、他の目的及び更なる目的と共に添付の図面及び詳細な説明が参照される。
【０００９】
本発明について、例示として示された添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施例であって、連続式閉ループ管路を通じて流体を移送するためにポンプ吸引を利用した直接地熱エネルギーシステムを示す。
【００１１】
【図２】図２は、図１の直接地熱エネルギーシステムの湿度線図である。
【００１２】
【図３】図３は、複数のポンプと、エバポレータとを具える本発明の直接地熱エネルギーシステムの実施例１Ｂを示す。
【００１３】
【図４】図４は、本発明の間接地熱エネルギーシステムの実施例１Ｃを示す。
【００１４】
【図５】図５は、複数のエバポレータの上流に膨張機、該エバポレータの下流にコンプレッサを有する本発明の直接圧縮加熱地熱エネルギーシステムの実施例１Ｄを示す。
【００１５】
【図６】図６は、加熱及び冷却サイクル用のコンプレッサを利用した地熱エネルギーシステムの湿度線図を示す。
【００１６】
【図７】図７は、複数のエバポレータの上流にコンプレッサ、該エバポレータの下流に膨張機を有する本発明の直接圧縮冷却地熱エネルギーシステムを示す。
【００１７】
【図８】図８は、図５の地熱エネルギーシステムの圧縮冷却サイクルの湿度線図を示す。
【００１８】
【図９】図９は、図７の地熱エネルギーシステムの圧縮加熱サイクルの湿度線図を示す。
【００１９】
【図１０】図１０は、水平な地熱エネルギーシステムを示す。
【００２０】
【図１１】図１１は、任意の角度で掘削された穴を有する地熱エネルギーシステムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＜発明の詳細な説明＞
この明細書及び特許請求の範囲に用いられる全ての数(numbers)は、実施例に用いられるものを含み、特に明記しない限り、“約(about)”という語が付されたものとして読まれるべきである。また、本明細書に記載されたあらゆる数値範囲は、そこに含まれる部分的範囲は全て含まれるものとする。
【００２２】
“地熱(geothermal)”の語は、地下マントルのマグマ、火山活動、又は間欠泉のような層による影響を受けない予想可能な定常温度の塊(body)としての地面の利用を意味する。熱は、使用されているグラウンドループの長さにわたって、ほぼ一定の温度で地中に吸収されるか又は排出される。
【００２３】
“潜熱(latent heat)”の語は、凝縮された流体蒸気又は蒸発液体のエンタルピー量を意味する。
【００２４】
“露点(dew point)”の語は、大気湿度が１００％に達した時の温度で、流体が水分をそれ以上保持することができない温度を意味する。本開示の湿度線図（psychometric chart）において、露点は、液体が一定の温度と圧力で蒸気と平衡状態の形成を開始する温度でもある。
【００２５】
“飽和温度(saturation temperature)”は、対応する飽和圧力に対する温度で、液体が沸騰して蒸気相になる温度を意味する。
【００２６】
“ポンプ吸引(pumping)”は、実質的に液体(蒸気と液体の混合物でもよい)である流体の移動を意味する。
【００２７】
直接熱交換は、媒体が作動流体と直接接触又は相互混合状態になることによって、加熱又は冷却されることができるものとして定義される。
【００２８】
間接熱交換は、流体どうしが物理的接触又は相互混合することなく、流体の熱交換関係が得られるものとして定義される。
【００２９】
本発明の実施例は、単一又は複数ゾーンでポンプ及びコンプレッサーシステムに適用可能な逆熱力学サイクル(reverse thermal dynamic cycle)による、直接的及び間接的な加熱及び冷却を含む。
【００３０】
図１は、本発明の一実施例である直接地熱エネルギーシステム(1A)を示しており、該直接地熱エネルギーシステム(1A)は、ポンプ吸引を利用して、作動流体を連続式閉ループ管路(14)を通じて移送するもので、以下で詳細に説明する。図２は、図１の直接地熱エネルギーシステム(1A)の湿度線図である。作動流体の蒸発と凝縮は、実質的に同じ圧力で起こる。特に、部分的凝縮乃至完全凝縮は、エバポレータ(6)の出口Cとグラウンドループ内部との間で起こる。本発明の一実施例では、グラウンドループ(3)の下向き部(3A)のみで作動流体を凝縮する。本発明の他の実施例では、下向き部(3A)及び底部(3B)で作動流体を凝縮する。さらに本発明の他の実施例では、グラウンドループ(3)の下向き部(3A)、底部(3B)、および上向き部(3C)で作動流体を凝縮する。底部(3B)は、略Ｕ字状管として形成されることができるが、地中に進入する掘削角度に応じて任意の角度に曲げられることができる。本発明の一実施形態では、地面(1)より下の等圧経路(isopressure path)に沿って、液体-蒸気作動流体を実質的に凝縮する。グラウンドループ(3)の下向き部(3A)内の作動流体は、グラウンドループ(3)の底部(3B)で略液体状態となるので、グラウンドループ(3)の上向き部(3C)を移動する略液体の作動流体は、実質的には液体である。本発明の一実施例において、凝縮プロセスは、作動流体が上向き部(3B)の上方に引き上げられるときに継続することができる。一方で、本発明の他の実施例は、作動流体が下向き部(3A)を下方へ移動するときにのみ、作動流体を凝縮することができる。ポンプ(5)による上流への吸引力により、作動流体は、グラウンドループ(3)からポンプ(5)の入口に吸引される。作動流体がポンプ(5)の方に吸引されるとき、作動流体の圧力は、システム損失によって低下し、ポンプ(5)の入口(A1)で圧力が低下するので、作動流体は熱力学サイクルの飽和線を下方に移動する(図２，Ａ0→Ａ1)。Ａ1の液体作動流体は、ポンプ(5)によって送り出され、それによって作動流体の圧力が上昇し、Ｂ位置で高圧力の液体作動流体が生成される。Ｂ位置の液体の作動流体は、エバポレータ(6)へ循環されて、熱力学的プロセスが再び開始する。この実施形態は、流体を閉ループ回路の中を移動させるのにコンプレッサーを必要としない。
【００３１】
システム(1A)の実施例では、グラウンドループ管路(3)、直接フィード管路(8)、ポンプ(5)、中間管路(12)、熱アブソーバ(6)、及び地面(15)からの深さがＤのグラウンドループ管路(3)へ戻る直接戻り管路(7)が直列に接続されており、連続的な閉ループ管路(14)が形成される。深さＤは、システムの熱力学的容量に応じて、数フィートから数百フィートである。穴(2)は、垂直又は任意の入射角O(図１１)(例えば３０°〜４５°)で掘削されることができ、標準的な方法で埋め戻されることができる。幾つかの実施例では、主として水平であり、平らな底部(3B)がフロントラインのすぐ下から始まる(図１０)。また図１に示す作動流体は、液体−蒸気流体としてグラウンドループ(3)に入り、グラウンドループ(3)の下向き部(3A)で凝縮し、グラウンドループ(3)の底部(3B)で略液体の作動流体(Ａ0)となる。略液体の作動流体は、グラウンドループ管路(3)から出て、ポンプ(5)による吸引によって直接フィード管路(8)を通ってポンプ(5)に送り込まれる。Ｂ位置で略液体の作動流体は、Ａ1位置での作動流体よりも高圧であるが、実質的には同じエンタルピーでポンプ(5)を出て行く。凝縮された作動流体Ａ0をグラウンドループ(3)から外に強制的に送り出すときに生じる水頭損失及びサイクルの全体で生じる摩擦損失を解消させるために圧力を高くする必要がある。Ｂ位置の作動流体は、ポンプ(5)から中間管路(12)を通じて熱アブソーバ(6)へ移送される。作動流体は、蒸発性熱アブソーバ(6)に入り、ここで、作動流体は、図２においてＢ位置からＣ位置への右向きの矢印で示されているように、略同じ圧力下で一部分が液体から蒸気へ状態が変化する。そのプロセスにおいて、作動流体は、蒸発性熱アブソーバ(6)で冷却された媒体から熱を受け取り、蒸気に転換される。蒸発性熱アブソーバ(6)の出口Cでは、作動流体は、蒸発性熱アブソーバ(6)で吸収された熱の量に応じて、液体と蒸気との混合物(図２にＣ0位置として示す)、又はその露点にある蒸気(図２にＣ1位置として示す)、又は過熱された気体又は蒸気(図２にＣ2位置として示す)のいずれかである。この段階では、作動流体は、圧力が実質的に変化することなく、グラウンドループ(3)に戻り、ここで同じ熱力学サイクル経路に従って、作動流体は一部分が凝縮を開始するが、その向きは、図２のＣ位置からＡ0位置までの左向き矢印によって示されるように反対向きである。液体−蒸気の作動流体は、グラウンドループ(3)を通じて引き戻されて、凝縮が行なわれ、グラウンドループ(3)の底部(3B)で略液体の作動流体に転換され、そのサイクルが繰り返される。グラウンドループ(3)は、地下熱排出ループとして作用する。熱排出ループは、完全に受動的(passive)で、視界から隠れており、屋外の窓取付型、又はルーフトップ型のエアブロー式熱排出器や、該排出器を作動するのに必要な電動式送風機を設ける必要はない。以下の流路図は、作動流体の流体回路及び相変化を示す。
【００３２】
本発明は作動流体をポンプ吸引することにより、冷却液体を互いに独立する流量で、別の流れに分配することができる。本発明の実施例は、直接送り出されたシステム(図３)及び間接的に送り出されたシステム(図４)を含んでいる。各システムは、管路(13a)(13b)(13c)として示されているように、独立して分かれた分路を設けることができる。各流れには、夫々、ポンプ(5a)(5b)(5c)があり、それらポンプは、この分配によって提供される建物内部の特定ゾーンにおける必要性に応じて、オンとオフの切替え、又は速度を変更することができる。或いは又、複数のポンプは、アキュムレータ(5)の下流及びバルブ(図示せず)の上流で複数のバルブと単一のポンプに置き換えることができる。冷却を分配する本発明のこの方法は、エアダクトを必要としないから、従来のセントラルエアシステムよりも効率的で適応性がある。本発明は適応性を有するので、本発明のポンプシステムは、既存の建物のエアコンディショニングの改造に最適である。
【００３３】
本発明の直接交換システム(1B)の一実施例は図３に示され、熱力学サイクルは図２に示される。穴(2)は、地面(1)に掘削され、該穴(2)に連続管路(14)のグラウンドループ管路(3)が収容される。グラウンドループ管路(3)は、熱サイクル(図２、Ｃ→Ａ0)において、冷却サイクルと熱吸収が行われる間、熱を地面(1)へ排出する熱交換機である。戻りのフィード管路(7)は、地面(15)でグラウンドループ管路(3)に繋がり、作動流体をＣ位置からグラウンドループ(3)に移送する。グラウンドループ(3)は、深さＤまで下方に延びた後、地面に向けて１８０度屈曲してＵ字状管を形成する。直接フィード管路(8)は、圧力又は温度を変化させることなく、グラウンドループ管路(3)から出てきた作動流体をアキュムレータ(4)に移送する。アキュムレータ(4)は、地面(15)に又は地面のすぐ下に配置されることができ、またポンプ(5a)(5b)(5c)の吸引部の上流に配置することにより、Ａ1での液体の流れ又は少なくとも最小の圧縮性流体は、独立した流れ管路(13a)(13b)(13c)を通って、ポンプ(5a)(5b)(5c)へ確実に送られる。グラウンドループ管路(3)は、作動流体の圧力に耐え、土壌との接触による腐食を避けることのできる材料で作製される。直接交換グラウンドループの場合、典型的には、例えばステンレス鋼チュービングが用いられる。ポンプ(5a)(5b)(5c)から送り出された作動流体は、それぞれＢ位置で熱アブソーバ(6a)(6b)(6c)の中で蒸発し、液体作動流体への直接戻り管路(7)を経てグラウンドループ管路(3)に戻る前にＣ位置で作動流体を生成する。分配される熱アブソーバ(6)の数は、この明細書に示した実施例に限定されない。分配される熱アブソーバ(6)の数は、システムの熱力学的な必要性によって決定される。図３に示される３つの熱アブソーバは、例示目的のためのみである。
【００３４】
次に図４を参照すると、図４は本発明に係る間接熱伝達の実施例１Ｃを示しており、第２の作動流体は、連続式閉ループ管路(22)内で循環する。作動流体は、例えば、フレオン(登録商標)、二酸化炭素、水、又は任意の組合せからなるあらゆる冷媒である。間接的熱伝達の実施例１Ｃは、地上でポンプ吸引され、地上の連続管路(17)の中を循環する第１作動流体(例えば、二酸化炭素)を含み、熱交換機(11)の中のポンプ吸引された第２作動流体(例えば、水)へ熱を排出する。第１作動流体は、図１の直接熱伝達の実施例と同じように、地上の熱アブソーバ(6a)(6b)(6c)にポンプ吸引される前に熱交換機(11)の中で凝縮する。第２作動流体は、グラウンドループ(3)の中を再循環する。第２作動流体により第１作動流体から吸収された熱は、図２の熱力学サイクルに基づいて第２作動流体から地面(1)へ排出される。地面の出口管路(18)を経て、グラウンドループ(3)から出てくる冷却第２作動流体は、別個のポンプ(19)により、熱交換フィード管路(10)を介して熱交換機(11)の中に送り込まれ、蒸発した第１作動流体から熱を吸収し、これによって第１作動流体を凝縮させる。温められた第２作動流体は、熱交換機の戻り管路を経てグラウンドループへ戻る。第２作動流体は、適度な圧力で熱交換機の連続式閉ループ管路(22)内を再循環するので、グラウンドループ(3)をプラスチック又は他の軽量／低強度材料で作製することが可能となる。
【００３５】
グラウンドループに設けられる穴(2)は、地下熱ポンプシステムに特有のものである。穴(2)の深さＤは、作動流体の熱伝達特性、散逸する熱の量、及び穴が設けられる地面の特性によって決定される。穴は、１又は複数の穴が設けられる。上記したように、１または複数の穴は、垂直又は水平、又は地表面に傾斜している。もし穴の方向が垂直で複数の穴が必要とされるならば、穴と穴の間の距離も作動流体の熱伝達特性、散逸する熱の量、及び穴が設けられる地面の特性によって決定される。さらに、もし複数の垂直の穴が用いられる場合、複数の垂直の穴の中の配管に接続するために、マニホールディングシステム(manifolding system)が用いられる。もし穴の方向が水平の場合、地表面のほんの数フィート下で曲がりくねって蛇行するチュービング配列が好適に用いられる。
【００３６】
本発明の他の実施例は、図５及び図７で示すように、ポンプを、冷却の他に加熱もできるコンプレッサーと置き換えたものである。例えば、圧縮性二酸化炭素(ＣＯ2)サイクルを図６に示す。冷却と加熱の両方において、作動流体の熱排出は同じライン（Ｂ→Ｃ）に沿って起こり、作動流体の熱吸収は同じライン(Ｄ→Ａ)に沿って起こる。本発明の一実施例において、熱排出は、作動流体と該作動流体が熱を交換する媒体との間で、適当な温度差を維持する目的のためにＣＯ2の臨界圧力よりも高い圧力でのみ起こる。本発明の他の実施例において、熱排出は、図６のＢ1→Ｃ1に示されるように臨界圧力よりも低い圧力でのみ起こる。更に本発明の他の実施例では、熱排出は、システム(例えば、地熱エネルギーシステム)の動作仕様に応じて、臨界圧力よりも高い圧力又は低い圧力のどちらでも起こることができる。更に本発明のもう一つ他の実施例では、熱排出は臨界圧力Ｂ2→Ｃ2と略等しい圧力で起こることができる。
【００３７】
本発明の一実施例では、図５に示すように、圧縮冷却を実施しており、ここでは地面(1)が熱シンクとなる。作動流体は、図６の湿度線図に示されるように、直接交換システムを通じて循環されるので、作動流体は液体から蒸気への様々な程度の相変化(Ａ−Ｄ)を経る。Ｃ位置の濃厚な超臨界作動流体は、グラウンドループ(3)を出て、膨張機(expander)(20)を通って圧力を放出し、その際、作動流体は凝縮して液体になるか、又は図６に示されるＤ位置で蒸気−液体の混合作動流体となる。Ｄ位置の作動流体は、管路(22a)(22b)(22c)を経て熱アブソーバ(6a)(6b)(6c)に入り、熱アブソーバ(6a)(6b)(6c)内で冷却される媒体からの熱が作動流体によって吸収されて、作動流体は熱アブソーバ(6a)(6b)(6c)の出口でガス状作動流体に転換される。Ａ位置のガス状作動流体は、コンプレッサー(21)により、より高い圧力及び温度に圧縮され、Ｂ位置(コンプレッサーの出口)で超臨界作動流体へ転換される。その後、Ｂ位置の超臨界作動流体は、グラウンドループに入り(3)、圧縮された圧力と同じ圧力で、Ｂ位置とＣ位置の間で、地面(1)の中に熱排出され、熱力学サイクルが繰り返される。Ｂ位置→Ｃ位置の熱力学プロセスは、遷臨界サイクル(transcritical cycle)の相変化なしで、超臨界作動流体をより密度の高い状態に直接転換する。しかしながら、本発明の幾つかの実施例では遷臨界サイクルは行われない。
【００３８】
本発明の他の実施例は、図７に示す圧縮加熱を実施するもので、作動流体により熱を排出するための管路は、図５で示す圧縮冷却の場合とは反対になり、地面(1)は熱アブソーバとなる。図６の湿度線図では方向は同じであるが、Ｃ位置の液体作動流体は、膨張機(20)によって膨張して、Ｄ位置で蒸気−液体の作動流体となり、蒸気−液体平衡における作動流体の飽和温度が地面温度よりも十分に低くなり、圧力は十分に低くなるため、作動流体は地面からエネルギーを吸収し、蒸発して蒸気作動流体Ａとなる。Ｄ位置の液体−蒸気の作動流体は、グラウンドループ(3)を通って循環しながら、気化冷却によって熱を吸収し、Ａ位置で蒸気作動流体を生成する。Ａ位置の蒸気作動流体は、コンプレッサー(21)によって圧縮され、Ｂ位置で超臨界作動流体を生成する圧力と温度は、分配システムの熱交換機(6a)(6b)(6c)内で加熱される媒体に熱を供給するのに十分な圧力と温度である。熱交換機(6a)(6b)(6c)は、Ｂ位置とＣ位置における超臨界作動流体の温度とエンタルピーを低下させる。Ｃ位置の作動流体は膨張機(20)に戻り、ここで作動流体は凝縮して液体となり、閉ループ圧縮加熱サイクルが繰り返される。地面と媒体の熱交換機の役割は冷却の場合とは反対であるので、コンプレッサーと膨張機の位置も反対になる（図５及び図７に示す）。
【００３９】
図８及び図９は、熱シンク(Ｂ→Ｃ)と熱源(Ｄ→Ａ)に関して圧縮冷却サイクルと圧縮加熱サイクルを図示したものである。図８は、圧縮冷却熱力学サイクルであり、ここでは、建物から吸収された作動流体の熱(Ｄ→Ａ)を、地面が吸収する(Ｂ→Ｃ)。図９は、圧縮加熱熱力学サイクルであり、ここでは地面から集められた作動流体の熱(Ｄ→Ａ)を、建物が吸収する(Ｂ→Ｃ)。本発明の幾つかの実施例では、Ｂ→Ｃは臨界圧力より低い。
【００４０】
本発明はポンプ吸引される作動流体として二酸化炭素を示しているが、本発明はいかなる冷媒にも限定されるものではない。しかしながら、二酸化炭素は、温度−圧力特性、他の冷媒よりも低コスト、及び環境的に無害である点において有利である。二酸化炭素は、加熱サイクルにおいて地面から熱を直接吸収し、冷却サイクルにおいて地面に熱を直接排出するために利用され、中間の流体は必要としない。グラウンドループから出てきた凝縮二酸化炭素は、建物内のコンパクトなエアブローコイルへ直接ポンプ吸引されることができ、グラウンドループに戻る前にコイル内で蒸発する。
【００４１】
本発明の実施例では、グラウンドループの熱排出用作動流体として二酸化炭素を利用しており、５９°Ｆ〜６８°Ｆ(この温度は、典型的な地中温度５５°Ｆと典型的な室温７２°Ｆの範囲内である)及び、７６０ｐｓｉａ〜８３０ｐｓｉａで蒸気−液体平衡温度を有している。これらの条件では、流体の飽和温度と周囲の飽和温度との温度差は、蒸発によって地上で熱を吸収するか、又は凝縮によって地中へ熱を排出するのに十分である。ポンプ吸収サイクルの間、デルタ温度は、例えば、約３°Ｆから略地面温度の約１５°Ｆである。圧縮サイクルの間、デルタ温度は、約１５°Ｆよりも高くあってよい。この熱力学条件の結果として、作動流体は、熱が例えば地中に排出された後にポンプ吸引される。ポンプ吸引中に所定の圧力が上昇し、この圧力は回路内での摩擦損失と、グラウンドループ内の重力の影響によって生じる静圧差とを解消させるのに十分な圧力である。
【００４２】
この開示は、特定の実施例に関して詳細に記載されているが、当業者であればその実施例の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更と変形がなされ得ることは理解されるであろう。従って、本開示は、添付した特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲内で行なわれる変更及び変形を含むものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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