СПОСОБ И УСТРОЙСТВО, ПРИМЕНИМЫЕ К ЗДАНИЮ
METHOD AND DEVICE APPLICABLE TO THE BUILDING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу, применимому к зданию и, более конкретно, к способу, как раскрыто в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Настоящее изобретение также относится к устройству, применимому к зданию и, более конкретно, к устройству, как раскрыто в ограничительной части пункта 9 формулы изобретения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Геотермальный нагрев широко используется для нагрева зданий и помещений зданий. Температура земли увеличивается в зависимости от глубины от поверхности земли. Геотермальный нагрев основан на извлечении тепла с конкретной глубины земли путем использования отверстия в земле, проходящего в землю и высвобождения тепла в тепловой насос для использования в зданиях или помещениях зданий. Геотермальный нагрев обычно осуществляют с использованием геотермального теплообменника, имеющего компоновку труб, расположенную в отверстии в земле. Рабочая текучая среда циркулирует в компоновке труб таким образом, что рабочая текучая среда протекает в отверстие в земле, в котором она получает тепловую энергию от земли. Рабочая текучая среда далее протекает обратно к поверхности земли, доставляя тепловую энергию. Затем рабочая текучая среда отдает тепловую энергию в тепловой насос рабочей текучей среде теплового насоса и снова протекает в отверстие в земле для извлечения тепла. Тепловой насос дополнительно высвобождает тепловую энергию в здание или помещение здания для нагрева.
Как указано выше, геотермальные нагревательные устройства обеспечивают возможность использования тепла, существующего в земле, для нагрева здания или помещений здания, когда процесс геотермального нагрева используется в режиме нагрева. Однако геотермальный теплообменник также потребляет энергию для циркуляции рабочей текучей среды и для работы геотермального теплообменника. Кроме того, тепловой насос также потребляет энергию для циркуляции рабочей текучей среды теплового насоса и работы теплового насоса. Такое потребление энергии уменьшает общую эффективность геотермального нагревательного устройства. Обычно, электричество используется для работы теплового насоса, геотермального теплообменника и насосов. Дополнительно, локальная температура в земле, окружающей отверстие в земле, особенно в нижней части отверстия в земле, уменьшается с течением времени, когда тепло извлекается из земли. Это дополнительно уменьшает общую эффективность геотермального нагрева и геотермального нагревательного устройства.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа и устройства для решения или по меньшей мере преодоления недостатков уровня техники. Задачи настоящего изобретения решены с помощью способа, применимого к зданию для кондиционирования помещения здания, который охарактеризован тем, что указано в независимом пункте 1 формулы изобретения. Задачи настоящего изобретения дополнительно решены с помощью устройства, применимого к зданию для кондиционирования помещения здания, которое охарактеризовано тем, что указано в независимом пункте 9 формулы изобретения.
Предпочтительные варианты реализации изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение основано на идее обеспечения способа, применимого к зданию для кондиционирования помещения здания. Способ включает этапы:
a) выполнение первого этапа теплообмена, в котором тепловая энергия извлекается из первичной рабочей текучей среды помещения здания с подачей указанной тепловой энергии в геотермальнвю рабочую текучую среду с помощью теплового насоса для охлаждения помещения здания и для нагрева геотермальной рабочей текучей среды.
Способ также включает этап b) циркуляции нагретой геотермальной рабочей текучей среды в геотермальном теплообменнике в отверстие в земле в восходящей трубе, оснащенной первой теплоизоляцией вдоль по меньшей мере части длины восходящей трубы.
Соответственно, процесс геотермального нагрева находится в режиме охлаждения поскольку тепловая энергия извлекается из помещения здания. В режиме охлаждения полезное энергопотребление может считаться отрицательным, поскольку при работе тепловой насос в режиме охлаждения потребляет энергию.
Способ дополнительно включает этапы:
c) выполнение второго этапа теплообмена, в котором тепловая энергия высвобождается из нагретой геотермальной рабочей текучей среды в геотермальном теплообменнике в землю в отверстии в земле, и геотермальная рабочая текучая среда охлаждается;
d) вырабатывание солнечной энергии с помощью устройства солнечной энергии, обеспеченного в соединении со зданием; и
e) подачу солнечной энергии, полученной на этапе d), к тепловому насосу или к геотермальному теплообменнику или к тепловому насосу и геотермальному теплообменнику.
Согласно вышеуказанному, геотермальный теплообменник работает в режиме подачи, и тепловая энергия высвобождается в землю в отверстии в земле. Первая теплоизоляция восходящей трубы обеспечивает возможность предотвращения теплопереноса или высвобождения вдоль восходящей трубы, и эта тепловая энергия может быть высвобождена в землю в нижней части отверстия в земле, и тепловая энергия не уходит вдоль восходящей трубы. Полученная солнечная энергия используется для работы теплового насоса и/или геотермального теплообменника или его насосов или для нагрева геотермальной рабочей текучей среды, протекающей в отверстии в земле в восходящей трубе. Соответственно, общая эффективность геотермального нагревательного устройства может быть увеличена, и солнечная энергия может быть использована для высвобождения тепла в отверстие в земле. Таким образом, можно считать, что солнечная энергия или солнечная тепловая энергия подается к земле и к отверстию в земле. Это обеспечивает возможность увеличения температуры земли, окружающей отверстие в земле, особенно в нижней части отверстия в земле, и предпочтительно на глубине по меньшей мере 300 метров, или по меньшей мере 600 метров или более предпочтительно по меньшей мере 1000 метров.
Устройство солнечной энергии может представлять собой устройство получения электричества из солнечной энергии, а этап d) может включать вырабатывание электричества с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии. Таким образом, электричество, вырабатываемое с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, может использоваться в работе теплового насоса и/или геотермального теплообменника или его насосов. Кроме того, этап e) может включать подачу электричества, полученного с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, к электросети здания или напрямую к тепловому насосу или к геотермальному теплообменнику, или к тепловому насосу и геотермальному теплообменнику.
Соответственно, этап e) может таким образом включать подачу электричества, полученного с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, к тепловому насосу для работы теплового насоса в режиме охлаждения, в котором тепловая энергия извлекается из первичной рабочей текучей среды помещения здания.
В качестве альтернативы, этап e) может включать подачу электричества, полученного с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, к тепловому насосу для работы теплового насоса в режиме охлаждения, в котором тепловая энергия извлекается из первичной рабочей текучей среды помещения здания рабочей текучей среде теплового насоса с помощью первичного теплообменного соединения теплового насоса и высвобождается из рабочей текучей среды теплового насоса с помощью вторичного теплообменного соединения теплового насоса. Таким образом, электричество, вырабатываемое с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, может быть использовано в тепловом насосе для любых видов работ, которые требуют электричества, такие как управление работой теплового насоса или насосом теплового насоса для циркуляции рабочей текучей среды теплового насоса или для использования вентилятора или тому подобного для вытягивания, например, воздуха от помещения здания к тепловому насосу.
В качестве дополнительной альтернативы, этап e) может включать подачу электричества, полученного с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, к геотермальному теплообменнику для работы геотермального теплообменника в режиме подачи, в котором тепловая энергия высвобождатся из геотермальной рабочей текучей среды геотермального теплообменника в землю в отверстии в земле. Таким образом, электричество, вырабатываемое с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, может быть использовано в геотермальном теплообменнике для любых видов работ, которые требуют электричества, такие как управление работой геотермального теплообменника или насосом геотермального теплообменника для циркуляции геотермальной рабочей текучей среды.
Кроме того, этап e) может включать подачу электричества, полученного с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, к нагревательному устройству, обеспеченному в соединении с геотермальной для работы нагревательного устройства и для нагрева геотермальной рабочей текучей среды, протекающей в восходящей трубе к отверстию в земле, с помощью нагревательного устройства. Таким образом, электричество, вырабатываемое с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, может использоваться в нагревательном устройстве, выполненном с возможностью нагрева геотермальной рабочей текучей среды, протекающей от восходящей трубы к отверстию в земле в геотермальном теплообменнике.
Следует отметить, что вышеуказанные альтернативы для использования электричества, вырабатываемого с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, могут быть объединены таким образом, что электричество подается к двум или более тепловым насосам электросети здания, геотермальному теплообменнику и нагревательному устройству.
Кроме того, следует отметить, что электросеть здания является электросетью здания, а не электросетью общественной или локальной зоны. Электросеть здания соединена общественной или локальной зоной с помощью подсоединения здания. Подсоединение здания образует граничную точку между электросетью здания и электросетью общественной или локальной зоны.
Устройство солнечной энергии может представлять собой устройство нагрева с использованием солнечной энергии, а этап d) может включать нагрев нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды устройства нагрева с использованием солнечной энергии. Соответственно, тепловая энергия солнечной энергии или солнечной радиации используется в устройстве нагрева с использованием солнечной энергии для нагрева нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды. Таким образом, устройство нагрева с использованием солнечной энергии может вырабатывать тепло или нагретую солнечную рабочую текучую среду для использования в геотермальном нагревательном устройстве.
Соответственно, этап e) может включать выполнение четвертого этапа теплообмена, в котором геотермальная рабочая текучая среда, протекающая в восходящей трубе в землю, нагревается солнечной рабочей текучей средой устройства нагрева с использованием солнечной энергии. Таким образом, температура геотермальной рабочей текучей среды увеличивается с помощью нагрева геотермальной рабочей текучей среды, протекающей в отверстии в земле, когда тепловой насос работает в режиме охлаждения, а геотермальный теплообменник - в режиме подачи.
В качестве альтернативы, этап e) может включать выполнение четвертого этапа теплообмена с солнечным теплообменником, в котором использующий солнечную энергию теплообменник используют для нагрева геотермальной рабочей текучей среды, протекающей в восходящей трубе в отверстие в земле, с помощью нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды устройства нагрева с использованием солнечной энергии. Таким образом, использующий солнечную энергию теплообменник может быть расположен в соединении с геотермальным теплообменником или в соединении с возможностью теплопереноса с геотермальной рабочей текучей средой таким образом, что нагретая солнечная рабочая текучая среда устройства нагрева с использованием солнечной энергии может выделять тепловую энергию к геотермальной рабочей текучей среде ниже по потоку теплового насоса или протекать к отверстию в земле в восходящей трубе, когда тепловой насос работает в режиме охлаждения, а геотермальный теплообменник - в режиме подачи.
Кроме того, устройство солнечной энергии содержит устройство получения электричества из солнечной энергии и устройство нагрева с использованием солнечной энергии, а этап e) включает подачу электричества, полученного с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, напрямую к устройству нагрева с использованием солнечной энергии или к электросети здания для работы устройства нагрева с использованием солнечной энергии, такой как циркуляция нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды. Следует отметить, что электричество, вырабатываемое с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, может также использоваться дополнительно к вышеуказанному способу и задачам.
Способ настоящего изобретения может дополнительно включать этап f) выполнения пятого этапа теплопереноса, в котором использованная тепловая энергия, вырабатываемая в здании, переносится к геотермальной рабочей текучей среде, протекающей в восходящей трубе в отверстии в земле. Соответственно, отходящее тепло может быть использовано для нагрева геотермальной рабочей текучей среды, протекающей в отверстии в земле, когда тепловой насос работает в режиме охлаждения, а геотермальный теплообменник - в режиме подачи. Отходящее тепло может представлять собой, например, отходящее тепло вентиляционной системы здания, или отходящим теплом, вырабатываемым устройствами в здании.
В качестве альтернативы, этап f) может включать выполнение пятого этапа теплопереноса путем использования утилизационного теплообменника для переноса использованной тепловой энергии, вырабатываемой в здании, переносится к геотермальной рабочей текучей среде, протекающей в восходящей трубе в отверстии в земле. Таким образом, утилизационный теплообменник может быть расположен в соединении с геотермальным теплообменником или в соединении с возможностью теплопереноса с геотермальной рабочей текучей средой таким образом, что использованная тепловая энергия может высвобождаться в геотермальную рабочую текучую среду, протекающую в отверстии в земле теплового насоса, когда тепловой насос работает в режиме охлаждения, а геотермальный теплообменник - в режиме подачи.
Выполнение этапов b) и c) может включать:
- циркуляцию геотермальной рабочей текучей среды в геотермальном теплообменнике, содержащем компоновку труб, имеющую восходящую трубу, расположенную в отверстии в земле, и сливную трубу, расположенную в отверстии в земле, причем восходящая труба и сливная труба выполнены с возможностью сообщения по текучей среде друг с другом для циркуляции геотермальной рабочей текучей среды в отверстии в земле для выполнения второго этапа теплообмена, а отверстие в земле проходит от поверхности земли в землю и имеет нижний конец; и
- работу геотермального теплообменника в режиме подачи путем циркуляции геотермальной рабочей текучей среды в направлении вниз по потоку в восходящей трубе и в направлении вверх по потоку в сливной трубе для переноса нагретой геотермальной рабочей текучей среды к нижнему концу отверстия в земле таким образом, что нагретая геотермальная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от рабочей текучей среды теплового насоса на втором этапе теплообмена и в котором геотермальная рабочая текучая среда, протекающая, высвобождает тепловую энергию в землю на втором этапе теплообмена.
Согласно вышеуказанному, тепловая энергия переносится с геотермальной рабочей текучей средой в отверстие в земле путем циркуляции геотермальной рабочей текучей среды и далее тепловая энергия высвобождается в отверстии в земле в землю, особенно в нижней части отверстия в земле.
Циркуляция геотермальной рабочей текучей среды в геотермальном теплообменнике может включать циркуляцию геотермальной рабочей текучей среды в геотермальном теплообменнике, в котором восходящая труба, оснащена первой теплоизоляцией, окружающей восходящую трубу вдоль по меньшей мере части длины восходящей трубы. Первая теплоизоляция восходящей трубы предотвращает теплоперенос от геотермальной рабочей текучей среды вдоль восходящей трубы, в которой обеспечена первая теплоизоляция. Предпочтительно, первая теплоизоляция проходит вдоль восходящей трубы от поверхности земли и по меньшей мере части длины восходящей трубы к нижнему концу восходящей трубы и нижнему концу отверстия в земле. Таким образом, геотермальная рабочая текучая среда может высвобождать тепловую энергию в землю в нижней части отверстия в земле на третьем этапе c) теплопереноса.
Настоящее изобретение также относится к устройству, применимому к зданию для кондиционирования помещения здания. Устройство содержит отверстие в земле, обеспеченное в земле и проходящее в землю от поверхности земли, и имеющее нижний конец. Устройство дополнительно содержит геотермальное нагревательное устройство, имеющее геотермальный теплообменник, расположенный в теплообменном соединении с землей, и тепловой насос, расположенный в теплообменном соединении с геотермальным теплообменником и с первичной рабочей текучей средой помещения здания.
Геотермальный теплообменник геотермального нагревательного устройства содержит компоновку труб, содержащую восходящую трубу, имеющую нижний конец и расположенную в отверстии в земле, и сливную трубу, имеющую нижний конец, причем нижний конец восходящей трубы и нижний конец сливной трубы выполнены с возможностью сообщения по текучей среде друг с другом для циркуляции геотермальной рабочей текучей среды в отверстии в земле вдоль восходящей трубы и сливной трубы.
Устройство дополнительно содержит устройство солнечной энергии, обеспеченное в соединении со зданием и соединенное с геотермальным теплообменником или с тепловым насосом, или с тепловым насосом и с геотермальным теплообменником для подачи солнечной энергии к геотермальному нагревательному устройству. Соответственно, солнечную энергию используют для работы теплового насоса или геотермального теплообменника. Таким образом, можно свести к минимуму или вообще исключить потребление внешней энергии тепловым насосом или геотермальным теплообменником. Это обеспечивает возможность кондиционирования помещения здания с использованием комбинации геотермального тепла и солнечной энергии.
Восходящая труба трубной компоновки геотермального теплообменника расположена внутри сливной трубы и оснащена первой теплоизоляцией, окружающей восходящую трубу и проходящей вдоль по меньшей мере части длины восходящей трубы.
Геотермальный теплообменник геотермального нагревательного устройства дополнительно содержит первый насос, соединенный с компоновкой труб и выполненный с возможностью циркуляции геотермальной рабочей текучей среды в восходящей трубе и в сливной трубе. Первый насос выполнен с возможностью циркуляции геотермальной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу отверстия в земле в восходящей трубе, оснащенной первой теплоизоляцией, и к поверхности земли в сливной трубе. Соответственно, геотермальный теплообменник расположен в глубоком отверстии в земле, имеющем высокую температуру в нижней части отверстия в земле. Геотермальная рабочая текучая среда переносит тепло вдоль восходящей трубы к нижнему концу восходящей трубы и к нижней части отверстия в земле.
Компоновка может содержать отверстие в земле, обеспеченное в земле и проходящее в землю от поверхности земли, и имеющее нижний конец. Глубина отверстия в земле составляет по меньшей мере 300 метров, или по меньшей мере 600 метров или по меньшей мере 1000 метров.
Восходящая труба трубной компоновки геотермального теплообменника может быть оснащена первой теплоизоляцией, окружающей восходящую трубу и проходящей вдоль по меньшей мере части длины восходящей трубы. Кроме того, восходящая труба трубной компоновки геотермального теплообменника может быть оснащена первой теплоизоляцией, окружающей восходящую трубу и проходящей вдоль по меньшей мере части длины восходящей трубы от поверхности земли. Первая теплоизоляция предотвращает теплоперенос геотермальной рабочей текучей среды в восходящей трубе.
В качестве альтернативы, восходящая труба трубной компоновки геотермального теплообменника может представлять собой вакуумированную трубу, содержащую вакуумный слой, окружающий канал для потока восходящей трубы. Вакуумный слой выполнен с возможностью образовани первой теплоизоляции, окружающей восходящую трубу и проходящей вдоль по меньшей мере части длины восходящей трубы от поверхности земли. Вакуумный слой предотвращает теплоперенос геотермальной рабочей текучей среды в восходящей трубе.
Восходящая труба трубной компоновки геотермального теплообменника содержит слой изоляционного материала на внешней поверхности восходящей трубы. Слой изоляционного материала выполнен с возможностью образования первой теплоизоляции, окружающей восходящую трубу и проходящей вдоль по меньшей мере части длины восходящей трубы от поверхности земли. В качестве альтернативы, восходящая труба трубной компоновки геотермального теплообменника содержит слой изоляционного материала на внутренней поверхности восходящей трубы, причем слой изоляционного материала выполнен с возможностью образования первой теплоизоляции, окружающей восходящую трубу и проходящей вдоль по меньшей мере части длины восходящей трубы от поверхности земли.
В качестве дополнительной альтернативы, восходящая труба трубной компоновки геотермального теплообменника может содержать внутреннюю стенку трубы, внешнюю стенку трубы и слой изоляционного материала, обеспеченный между внутренней стенкой трубы и внешней стенкой трубы восходящей трубы. Слой изоляционного материала выполнен с возможностью образования первой теплоизоляции, окружающей восходящую трубу и проходящей вдоль по меньшей мере части длины восходящей трубы.
Устройство солнечной энергии может представлять собой устройство получения электричества из солнечной энергии. Устройство получения электричества из солнечной энергии может быть соединено с электросетью здания и с тепловым насосом или с геотермальным теплообменником, или тепловой насос и геотермальный теплообменник соединены с электросетью здания.
В качестве альтернативы, устройство получения электричества из солнечной энергии может быть соединено напрямую или посредством электросети здания с тепловым насосом геотермального нагревательного устройства и выполнено с возможностью управления тепловым насосом. Соответственно, электричество, вырабатываемое с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, может быть использовано для работы теплового насоса в режиме охлаждения, в котором тепловая энергия извлекается из помещения здания.
В качестве альтернативы, устройство получения электричества из солнечной энергии может быть соединено напрямую или посредством электросети здания с геотермальным теплообменником геотермального нагревательного устройства и выполнено с возможностью управления геотермальным теплообменником. Соответственно, электричество, вырабатываемое с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, может быть использовано для работы геотермального теплообменника в режиме подачи, в котором тепло высвобождается в землю.
В качестве еще одной альтернативы, устройство получения электричества из солнечной энергии может быть соединено напрямую или посредством электросети здания с первым насосом геотермального теплообменника геотермального нагревательного устройства и выполнено с возможностью циркуляции геотермальной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу отверстия в земле в восходящей трубе, и к поверхности земли в сливной трубе. Таким образом, насос управляет геотермальным теплообменником в режиме подачи, в котором тепло высвобождается в землю путем использования солнечной энергии.
В качестве дополнительной альтернативы, устройство получения электричества из солнечной энергии может быть соединено напрямую или посредством электросети здания с электрическим нагревательным устройством, обеспеченным в соединении с геотермальным теплообменником. Электрическое нагревательное устройство может быть выполнено с возможностью нагрева геотермальной рабочей текучей среды, протекающей в восходящей трубе геотермального теплообменника. Таким образом, электричество, вырабатываемое с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, может быть использовано напрямую для нагрева геотермальной рабочей текучей среды геотермального теплообменника.
Кроме того, устройство получения электричества из солнечной энергии может быть соединено напрямую или посредством электросети здания с электрическим нагревательным устройством, обеспеченным в восходящей трубе или в соединении с ней геотермального теплообменника, электрическое нагревательное устройство выполнено с возможностью нагрева геотермальной рабочей текучей среды в восходящей трубе геотермального теплообменника.
Устройство получения электричества из солнечной энергии может быть выполнено за одно целое с частью здания. Таким образом, все устройство может быть обеспечено как часть конструкции здания для строительства здания настолько достаточным по собственной энергии, насколько возможно.
Устройство получения электричества из солнечной энергии может выполнено за одно целое с частью здания и может быть соединено с электросетью здания.
Устройство получения электричества из солнечной энергии может содержать одну или более солнечных панелей или солнечных фотоэлементов, выполненных с возможностью вырабатывания электричества и расположенных в конструкции здания. В качестве альтернативы, устройство получения электричества из солнечной энергии может содержать солнечную крышу, солнечное окно или солнечную стену. Солнечная крыша, солнечное окно или солнечная стена образуют по меньшей мере часть конструкции здания и выполнены с возможностью вырабатывания электричества. Соответственно, само здание может вырабатывать электричество для геотермального нагревательного устройства.
Устройство солнечной энергии может также представлять собой устройство нагрева с использованием солнечной энергии, выполненное с возможностью нагрева нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды.
Устройство нагрева с использованием солнечной энергии может быть обеспечено в соединении с геотермальным теплообменником и выполнено с возможностью переноса тепловой энергии от устройства нагрева с использованием солнечной энергии к геотермальному теплообменнику или к геотермальной рабочей текучей среде, протекающей в восходящей трубе геотермального теплообменника.
Устройство нагрева с использованием солнечной энергии может быть соединено с геотермальным теплообменником с помощью теплообменного соединения. Теплообменное соединение может быть выполнено с возможностью переноса тепловой энергии от устройства нагрева с использованием солнечной энергии к геотермальному теплообменнику или к геотермальной рабочей текучей среде, протекающей в восходящей трубе геотермального теплообменника. В качестве альтернативы, устройство нагрева с использованием солнечной энергии может быть соединено с геотермальным теплообменником с помощью теплообменного соединения. Теплообменное соединение может быть выполнено с возможностью переноса тепловой энергии от нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды устройства нагрева с использованием солнечной энергии к геотермальной рабочей текучей среде геотермального теплообменника. Соответственно, тепловая энергия, вырабатываемая с помощью устройства нагрева с использованием солнечной энергии, может быть использована для нагрева геотермальной рабочей текучей среды.
В качестве альтернативы, устройство нагрева с использованием солнечной энергии может быть соединено с геотермальным теплообменником с помощью теплообменного соединения, обеспеченного в соединении с восходящей трубой геотермального теплообменника. Теплообменное соединение может быть выполнено с возможностью переноса тепловой энергии от нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды устройства нагрева с использованием солнечной энергии к геотермальной рабочей текучей среде геотермального теплообменника или к геотермальной рабочей текучей среде, протекающей в восходящей трубе геотермального теплообменника. Соответственно, тепловая энергия, вырабатываемая с помощью устройства нагрева с использованием солнечной энергии, может быть использована для нагрева геотермальной рабочей текучей среды в восходящей трубе.
Устройство для кондиционирования помещения здания может содержать утилизационный теплообменник, соединенный с источником отходящего тепла в здании. Таким образом, отходящая энергия, вырабатываемая в здании, может использоваться для нагрева геотермальной рабочей текучей среды.
Утилизационный теплообменник может быть обеспечен в соединении с геотермальным теплообменником и выполнен с возможностью переноса отходящей тепловой энергии к геотермальному теплообменнику.
Утилизационный теплообменник может быть обеспечен в соединении с геотермальным теплообменником и выполнен с возможностью переноса тепловой энергии от источника отходящего тепла к геотермальному теплообменнику. В качестве альтернативы, утилизационный теплообменник может быть обеспечен в соединении с геотермальным теплообменником и выполнен с возможностью переноса тепловой энергии от текучей среды с остаточным теплом к геотермальной рабочей текучей среде геотермального теплообменника или к геотермальной рабочей текучей среде, протекающей в восходящей трубе геотермального теплообменника. Таким образом, отходящая энергия, вырабатываемая в здании, может использоваться для нагрева геотермальной рабочей текучей среды с помощью утилизационного теплообменника.
Утилизационный теплообменник может быть обеспечен в восходящей трубе или в соединении с ней геотермального теплообменника и выполнен с возможностью переноса тепловой энергии от текучей среды с остаточным теплом к геотермальной рабочей текучей среде геотермального теплообменника или к геотермальной рабочей текучей среде, протекающей в восходящей трубе геотермального теплообменника. Таким образом, текучая среда с остаточным теплом, вырабатываемая в здании, может использоваться для нагрева геотермальной рабочей текучей среды с помощью утилизационного теплообменника.
Устройство для кондиционирования помещения здания содержит устройство получения электричества из солнечной энергии и устройство нагрева с использованием солнечной энергии. Устройство получения электричества из солнечной энергии может быть соединено напрямую с устройством нагрева с использованием солнечной энергии или с электросетю здания и выполнено с возможностью управления устройством нагрева с использованием солнечной энергии. В качестве альтернативы, устройство получения электричества из солнечной энергии может быть соединено напрямую со вторым насосом устройства нагрева с использованием солнечной энергии. Второй насос выполнен с возможностью циркуляции нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды. Таким образом, электричество и тепло, вырабатываемые с использованием устройства получения электричества из солнечной энергии, могут быть использованы для работы устройства нагрева с использованием солнечной энергии для увеличения эффективности.
В настоящем изобретении солнечная энергия, вырабатываемая с помощью устройства солнечной энергии здания, используется для работы геотермального нагревательного устройства или в геотермальном нагревательном устройстве. Это увеличивает энергетическую эффективность геотермального нагревательного устройства и энергетическую самодостаточность здания, поскольку количество внешней энергии для нагрева здания может быть уменьшено. Кроме того, в режиме охлаждения теплового насоса и в режиме подачи геотермального теплообменника тепловая энергия, переносимая от помещения здания в отверстие в земле по меньшей мере в частично изолированной восходящей трубе и высвобождаемая в отверстие в земле, увеличивает локальную температуру земли, окружающей отверстие в земле, особенно в нижней части отверстия в земле. Это увеличивает эффективность геотермального теплообменника в режиме извлечения тепла геотермального теплообменника, поскольку земля, окружающая отверстие в земле, может иметь более высокую температуру. Это достигается тем, что изолированная восходящая труба обеспечивает возможность переноса геотермальной рабочей текучей среды в отверстие в земле или к его нижней части при высокой температуре. Тепловой поток к отверстию в земле в нижней части отверстия в земле также предотвращает утечку тепла в отверстии в земле от геотермальной рабочей текучей среды, и температура земли, окружающей землю может быть восстановлена после извлечения тепла в режиме извлечения геотермального теплообменника. Таким образом, отверстие в земле может быть использовано в качестве теплового аккумулятора, а солнечная энергия может храниться в отверстии в земле.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение описано более подробно посредством конкретных вариантов реализации со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 схематически показывает устройство для геотермального нагрева в соединении со зданием;
Фиг. 2 схематически показывает тепловой насос устройства для геотермального нагрева;
Фиг. 3 схематически показывает один вариант реализации компоновки для кондиционирования помещения здания согласно настоящему изобретению;
Фиг. 4A и 4B схематически показывают другие варианты реализации устройства для кондиционирования помещения здания согласно настоящему изобретению;
Фиг. 5A и 5B схематически показывают дополнительные варианты реализации устройства для кондиционирования помещения здания согласно настоящему изобретению;
Фиг. 6A и 6B схематически показывают альтернативные варианты реализации устройства для кондиционирования помещения здания согласно настоящему изобретению;
Фиг. 7A и 7B схематически показывают дополнительные альтернативные варианты реализации устройства для кондиционирования помещения здания согласно настоящему изобретению;
Фиг. 8A и 8B схематически показывают еще одни другие альтернативные варианты реализации устройства для кондиционирования помещения здания согласно настоящему изобретению;
Фиг. 9 и 11 схематически показывают различные варианты реализации устройства для геотермального нагрева, подлежащей использованию в устройстве для кондиционирования помещения здания согласно настоящему изобретению; и
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 показывает традиционное известное геотермальное нагревательное устройство в соединении со зданием 50. Устройство для геотермального нагрева содержит отверстие 2 в земле или буровое отверстие, выполненное в земле и проходящее вниз в землю от поверхности 1 земли. Отверстие 2 в земле может быть образовано бурением или другим способом выемки грунта.
В контексте настоящей заявки глубина отверстия 2 в земле от поверхности 1 земли может составлять по меньшей мере 300 м, или по меньшей мере 500 м, или от 300 м и до 3000 м, или от 500 м и до 2500 м. Альтернативно или дополнительно, отверстие 2 в земле проходит в землю на глубину, на которой температура составляет по меньшей мере 15°C, или приблизительно 20°C, или по меньшей мере 20°C.
Отверстие 2 в земле может проходить на глубину ниже водного зеркала в земле, то есть через водное зеркало. В качестве альтернативы, отверстие 2 в земле может проходить на глубину выше водного зеркала в земле.
Следует отметить, что на чертежах аналогичные конструктивные части и конструкции обозначены одинаковыми ссылочными обозначениями и их описание не повторяется в отношении каждого чертежа.
Кроме того, в настоящей заявке отверстие 2 в земле может быть любым типом отверстия, проходящим в землю, оно может представлять собой вертикальное отверстие, прямолинейное вертикальное или иное прямолинейное отверстие, проходящее в землю под углом к поверхности 1 земли или к вертикальному направлению. Кроме того, отверстие 2 в земле возможно может иметь один или более изгибов, и направление отверстия в земле может изменяться один или более раз по длине земли к нижнему концу или донной части отверстия 2 в земле. Дополнительно, следует отметить, что форма или геометрия восходящей трубы или сливной трубы геотермального теплообменника предпочтительно может соответствовать форме или геометрии отверстия 2 в земле, по меньшей мере по существу для обеспечения надлежащей установки восходящей трубы и сливной трубы в отверстии 2 в земле. Предпочтительно, отверстие 2 в земле проходит на глубину как указано выше, но оно может иметь один или более изгибов по длине, или оно может быть прямым.
Земляной материал на нижнем конце 4 отверстия в земле представляет собой каменный материал. Соответственно, земляной или каменный материал земли может образовывать поверхность отверстия в земле или внутреннюю поверхность восходящей трубы или сливной трубы геотермального теплообменника вдоль по меньшей мере части длины восходящей трубы или сливной трубы.
Представлен геотермальный теплообменник 55, расположенный в соединении с отверстием 2 в земле. Геотермальный теплообменник 55 содержит компоновку труб, в которой циркулирует рабочая текучая среда. Компоновка труб обычно содержит замкнутую совокупность труб, выполненную с возможностью обеспечения замкнутой циркуляции геотермальной рабочей текучей среды. Геотермальная рабочая текучая среда обычно представляет собой жидкость, такую как вода или рабочие текучие среды на основе метанола или этанола. Компоновка труб содержит восходящую трубу 11 и сливную трубу 21, расположенные в отверстии 2 в земле таким образом, что они проходят от поверхности 1 земли к донной части 4 отверстия 2 в земле. Восходящая труба 11 и сливная труба 21 сообщаются по текучей среде друг с другом на нижних концах восходящей трубы 11 и сливной трубы 21 для циркуляции геотермальной рабочей текучей среды в отверстии 2 в земле между восходящей трубой 11 и сливной трубой 21. Могут быть обеспечены одна или более восходящих труб 11 и сливных труб 21 расположенных в одном и том же или различных отверстиях 2 в земле.
В предпочтительных вариантах реализации отверстие 2 в земле образует сливную трубу 21. В качестве альтернативы, отверстие 2 в земле образует по меньшей мере часть сливной трубы 21, и предусмотрена отдельная верхняя сливная труба (не показана), расположенная в верхней части отверстия 2 в земле и проходящая на заданное расстояние от поверхности 1 земли в отверстие 2 в земле.
Соответственно, восходящая труба 11 расположена внутри отверстия 2 в земле. Восходящая труба 11 открыта на нижнем конце 17. Таким образом, восходящая труба 11 и сливная труба 21 или отверстие 2 в земле сообщаются по текучей среде друг с другом посредством открытого нижнего конца 17 восходящей трубы 11. Преимущество обеспечения отверстия 2 в земле в качестве сливной трубы заключается в том, что геотермальная рабочая текучая среда находится в прямом контакте с землей, обеспечивающей эффективный теплоперенос. Кроме того, когда отверстие 2 в земле является глубоким, установка отдельной сливной трубы может быть сложной.
Геотермальный теплообменник 55 также содержит первый насос 8, расположенный в компоновке 11, 21 труб для циркуляции геотермальной рабочей текучей среды в компоновке труб. Первый насос 8 может быть любым видом известного насоса, выполненного с возможностью обеспечения циркуляции геотермальной рабочей текучей среды.
Геотермальный теплообменник 55 дополнительно соединен с тепловым насосом 30, в котором теплообмен осуществляется между геотермальной рабочей текучей средой и рабочей текучей средой теплового насоса. Кроме того, в тепловом насосе 30 теплообмен осуществляется между рабочей текучей средой теплового насоса и первичной рабочей текучей средой помещения 51 здания 50.
На фиг. 1 геотермальный теплообменник 55 и тепловой насос 30 расположены в соединении со зданием 50. Геотермальный теплообменник 55 используют для нагрева или охлаждения первичной рабочей текучей среды помещения 51 здания. Первичная рабочая текучая среда помещения 51 здания может представлять собой, например, вентиляционный воздух здания или помещения здания или некоторую другую первичную рабочую текучую среду, протекающую в ситеме нагрева и/или охлаждения здания 51 или помещения 51 здания.
Тепловой насос 30 и геотермальный теплообменник 55 вместе образуют геотермальное нагревательное устройство. Тепловой насос 30 и восходящая труба 11 могут быть соединены друг с другом с помощью первой соединительной трубы 3, и тепловой насос 30 и сливная труба 21 могут быть соединены друг с другом с помощью второй соединительной трубы 5. Первая соединительная труба 3 может образовывать часть восходящей трубы 11, а вторая соединительная труба 5 может образовывать часть сливной трубы 5. Первый насос 8 обеспечен в сливной трубе 11 или первой соединительной трубе 3. В качестве альтернативы, первая труба может быть обеспечена в сливной трубе 21 или во второй соединительной трубе 5.
Как показано на фиг. 1-9 и 11, геотермальная рабочая текучая среда геотермального теплообменника может быть выполнена с возможностью циркуляции в тепловом насосе 30. Соответственно, восходящая труба 11 и сливная труба 21 могут быть соединены напрямую с тепловым насосом 30. В качестве альтернативы, как показано на фиг. 10, может быть обеспечен дополнительный теплообменник, вторичный теплообменник, 31 обеспеченный между тепловым насосом 30 и геотермальным теплообменником 55. Геотермальный теплообменник 55 соединен со вторичным теплообменником 31 таким образом, что геотермальная рабочая текучая среда обеспечена в соединении с возможностью теплопереноса со вторичной рабочей текучей средой, протекающей во вторичный контур 32 труб. Вторичный контур 32 труб соединен с тепловым насосом 30 и со вторичным теплообменником 31 таким образом, что вторичная рабочая текучая среда может переносить тепловую энергию к тепловому насосу 30 и от него, или первичная рабочая текучая среда, и ко вторичному теплообменнику 31 и от него, или геотермальная рабочая текучая среда. В нижеследующем все варинаты реализации могут быть осуществлены как показано на фиг. 1 или как показано на фиг. 10. Таким образом, вторичная рабочая текучая среда эквивалента геотермальной рабочей текучей среде, а вторичный контур труб эквивалентен первой и второй соединительным трубам 3, 5 и восходящей трубе 11 и сливной трубе 21.
Соответственно, первый этап теплообмена способа настоящего изобретения может включать выполнение первого этапа теплообмена, в котором тепловая энергия извлекается из первичной рабочей текучей среды помещения 51 здания с подачей указанной тепловой энергии в геотермальнвю рабочую текучую среду с помощью теплового насоса 30 для охлаждения помещения 51 здания и для нагрева геотермальной рабочей текучей среды. В качестве альтернативы, первый этап теплообмена может дополнительно включать использование вторичного теплообменника 31 и вторичного контура 32 труб и вторичной рабочей текучей среды. Таким образом, первый теплообмен может включать извлечение тепловой энергии от первичной рабочей текучей среды помещения 51 здания ко вторичной рабочей текучей среде и далее от вторичной рабочей текучей среды к геотермальной рабочей текучей среде. Это может быть осуществлено путем извлечения тепловой энергии с помощью теплового насоса 30 из первичной рабочей текучей среды помещения 51 здания с подачей указанной тепловой энергии во вторичную рабочую текучую среду, циркулирующую во вторичном контуре 32 труб, и далее осуществляют теплообмен с помощью вторичного теплообменника 31 от вторичной рабочей текучей среды к геотермальной рабочей текучей среде. Таким образом, в настоящем изобретении первый этап теплообмена влючает все возможные промежуточные этапы теплообмена между первичной рабочей текучей средой и геотермальной рабочей текучей средой.
В режиме нагрева теплового насоса 30 и в режиме извлечения тепла геотермального теплообменника геотермальная рабочая текучая среда получает или извлекает тепловую энергию из земли в отверстии 2 в земле, особенно в нижней части или вблизи нижнего конца 4 отверстия 2 в земле, таким образом, что температура геотермальной рабочей текучей среды увеличивается, и геотермальная рабочая текучая среда нагревается.
Затем геотермальная рабочая текучая среда циркулирует или переносится вдоль восходящей трубы 11 вверх и посредством первой соединительной трубы 3 к тепловому насосу 30.
Фиг. 2 схематически показывает один из вариантов реализации теплового насоса 30 в соединении со зданием 50 и геотермальным теплообменником.
В режиме нагрева теплового насоса 30 и в режиме извлечения тепла геотермального теплообменника, в тепловом насосе 30 геотермальная рабочая текучая среда высвобождает тепловую энергию в рабочую текучую среду теплового насоса. Рабочая текучая среда теплового насоса получает тепловую энергию от геотермальной рабочей текучей среды во вторичном теплообменном соединении 104 теплового насоса 30. Рабочая текучая среда теплового насоса может быть любой подходящей текучей средой, такой как хладогент. Тепловой насос 30 может содержать насос 35, обеспеченный в тепловом насосе 30 для циркуляции рабочей текучей среды теплового насоса в тепловой насос 30.
Вторичное теплообменное соединение 104 может представлять собой испаритель и жидкая рабочая текучая среда теплового насоса получает и поглощает тепловую энергию от геотермальной рабочей текучей среды в испарителе 104, и рабочая текучая среда теплового насоса превращается в газ или становится газом. Затем газообразная рабочая текучая среда теплового насоса протекает или циркулирует в компрессор 101, выполненный с возможностью подъема давления и увеличения температура газообразной рабочей текучей среды тепловго насоса.
Затем газообразная рабочая текучая среда теплового насоса отдает тепловую энергию первичной рабочей текучей среде помещения 51 здания или здания 50 в первичном теплообменном соединении 103 теплового насоса 30. Первичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от рабочей текучей среды теплового насоса в первичном соединении с возможностью теплопереноса.
Первичное теплообменное соединение 103 может представлять собой конденсатор и газообразная рабочая текучая среда теплового насоса может конденсироваться обратно в жидкость, поскольку она отдает тепловую энергию первичной рабочей текучей среде. Затем жидкая рабочая текучая среда теплового насоса протекает или циркулирует к расширительному устройству 102 в котором давление жидкой рабочей текучей среды теплового насоса уменьшается, и температура уменьшается.
В режиме нагрева теплового насоса 30 холодный поток 52 первичной рабочей текучей среды принимается тепловым насосом 30 от здания 50 или помещения 51 здания, и он получает тепловую энергию в первичном теплообменном соединении 103 таким образом, что температура первичной рабочей текучей среды увеличивается. Затем нагретый поток 54 первичной рабочей текучей среды подается к зданию 50 или помещению 51 здания.
Затем рабочая текучая среда теплового насоса протекает или циркулирует обратно ко вторичному соединению 104 с возможностью теплопереноса, и цикл повторяется.
Геотермальная рабочая текучая среда отдает тепловую энергию в тепловой насос 30 или во вторичное соединение 104 с возможностью теплопереноса теплового насоса 30. Тепловая энергия отводится к рабочей текучей среде теплового насоса или получается ей. Таким образом, температура геотермальной рабочей текучей среды уменьшается в тепловом насосе 30, или по мере того, как она протекает через тепловой насос 30 или вторичное теплообменное соединение 104. От теплового насоса 30 холодная геотермальная рабочая текучая среда циркулирует или протекает к сливной трубе 21, посредством второй соединительной трубы 5 к сливной трубе 21, и вниз в отверстие 2 в земле к донной части 4 отверстия 2 в земле. В отверстии 2 в земле геотермальная рабочая текучая среда снова получает или извлекает тепловую энергию из земли, и начинается новый цикл.
Фиг. 2 показывает вышеупомянутый процесс в обратном режиме. В обратном режиме тепловой насос 30 работает в режиме охлаждения таким образом, что тепловой насос получает или поглощает тепловую энергию от первичной рабочей текучей среды здания 50 или помещения 51 здания. Кроме того, в обратном режиме геотермальный теплообменник высвобождает тепловую энергию в землю в отверстии 2 в земле. Описан обратный режим работы. В режиме охлаждения теплового насоса 30 рабочая текучая среда теплового насоса протекает в направлении стрелки 36. Кроме того, в режиме охлаждения первичное теплообменное соединение 103 выполнено с возможностью переноса тепловой энергии от рабочей текучей среды теплового насоса к первичной рабочей текучей среде таким образом, что температура первичной рабочей текучей среды уменьшается, а температура рабочей текучей среды теплового насоса увеличивается.
Жидкая рабочая текучая среда теплового насоса получает и поглощает тепловую энергию от первичной рабочей текучей среды помещения 51 здания или здания 50 в первичном теплообменном соединении 103 теплового насоса 30. Таким образом, теплый или горячий поток первичной рабочей текучей среды 52 отдает тепловую энергию жидкой рабочей текучей среде теплового насоса в первичном соединении с возможностью теплопереноса 103. Первичная рабочая текучая среда охлаждается, или температура первичной рабочей текучей среды уменьшается. Холодный поток 54 первичной рабочей текучей среды протекает отбратно от теплового насоса 30 к зданию 50 или помещению 51 здания.
Первичное теплообменное соединение 103 в данном случае может представлять собой испаритель. Жидкая рабочая текучая среда теплового насоса получает и поглощает тепловую энергию от первичной рабочей текучей среды в испарителе и испаряется с образованием образующей газ газообразной рабочей текучей среды теплового насоса.
Газообразная рабочая текучая среда теплового насоса протекает или циркулирует к компрессору 101. Компрессор 101 выполнен с возможностью подъема давления и увеличения температуры газообразной рабочей текучей среды. От компрессора 101 газообразная рабочая текучая среда теплового насоса протекает или циркулирует ко вторичному теплообменному соединению 104. Во вторичном теплообменном соединении 104 высокотемпературная рабочая текучая среда теплового насоса отдает тепловую энергию к геотермальной рабочей текучей среде во вторичном теплообменном соединении 104. Таким образом, температура рабочей текучей среды теплового насоса уменьшается, и рабочая текучая среда теплового насоса возвращается в жидкое состояние.
Вторичное теплообменное соединение 104 в данном случае может представлять собой конденсатор. Газообразная рабочая текучая среда теплового насоса отдает тепловую энергию к геотермальной рабочей текучей среде в конденсаторе и возвращается в образующую жидкость газообразную рабочую текучую среду теплового насоса.
Когда тепловой насос 30 работает в режиме охлаждения геотермальный теплообменник работает в режиме подачи. В режиме подачи геотермальная рабочая текучая среда протекает вверх в сливной трубе 21, как показано стрелкой 12 на фиг. 1, и вниз в восходящей трубе 11, как показано стрелкой 22 на фиг. 1. В режиме подачи геотермального теплообменника геотермальная рабочая текучая среда высвобождает тепловую энергию в землю в отверстии 2 в земле, как показано стрелками C на фиг. 1. Таким образом, температура геотермальной рабочей текучей среды уменьшается в отверстии 2 в земле. Соответственно, первый насос 8 выполнен с возможностью циркуляции геотермальной рабочей текучей среды вдоль восходящей трубы 11 вниз к донной части 4 отверстия 2 в земле.
Как показано на фиг. 2, охлажденная геотермальная рабочая текучая среда протекает или циркулирует вдоль сливной трубы 21 к тепловому насосу 30, или вдоль сливной трубы 21 и посредством второй соединительной трубы 5 к тепловому насосу 30, как показано стрелкой 12 на фиг. 1 и 2. В тепловом насосе 30 геотермальная рабочая текучая среда получает или поглощает тепловую энергию от рабочей текучей среды теплового насоса во вторичном теплообменном соединении 104. Температура геотермальной рабочей текучей среды увеличивается во вторичном теплообменном соединении 104. Затем нагретая геотермальная рабочая текучая среда протекает или циркулирует вдоль восходящей трубы 11 вниз в отверстие 2 в земле, или посредством первой соединительной трубы 3 вдоль восходящей трубы 11 вниз в отверстие 2 в земле, как показано стрелкой 22 на фиг. 1 и 2. В отверстии 2 в земле геотермальная рабочая текучая среда снова высвобождает тепловую энергию в землю, и температура геотермальной рабочей текучей среды уменьшается. Земля, окружающая отверстие 2 в земле поглощает или получает тепловую энергию от геотермальной рабочей текучей среды, и температура земли увеличивается. Затем начинается новый цикл геотермальной рабочей текучей среды.
После того, как рабочая текучая среда теплового насоса высвободит тепловую энергию в геотермальную рабочую текучую среду и вернется в жидкую фазу во вторичном теплообменном соединении 104, рабочая текучая среда теплового насоса протекает или циркулирует к расширительному устройству 102, в котором давление рабочей текучей среды теплового насоса уменьшается, а температура рабочей текучей среды теплового насоса также уменьшается. Затем рабочая текучая среда теплового насоса протекает или циркулирует от расширительного устройства 102 снова к первичному теплообменному соединению 103, и цикл рабочей текучей среды теплового насоса повторяется и начинается снова.
Следует отметить, что в контексте настоящего изобретения тепловой насос 30 может содержать только первичное и вторичное соединения 103, 104 с возможностью теплопереноса. Кроме того, первичное и вторичное соединения 103, 104 с возможностью теплопереноса могут содержать любой известный вид теплообменников. Соответственно, настоящее изобретение не ограничено каким-либо конкретным видом теплового насоса 30. Тепловой насос 30 может представлять собой тепловой насос жидкость-жидкость (liquid-to-liquid), в котором обе геотермальная рабочая текучая среда и первичная рабочая текучая среда представляют собой жидкости, или тепловой насос жидкость-газ (liquid-to-gas) (или жидкость-воздух (liquid-to-air)), в котором геотермальная рабочая текучая среда представляет собой жидкость, а первичная рабочая текучая среда представляет собой газ, такой как воздух.
Кроме того, в некоторых вариантах реализации тепловой насос 30 может быть заменен, или он может представлять собой теплообменник, в котором тепловая энергия передается напрямую между геотермальной рабочей текучей средой и первичной рабочей текучей средой помещения 51 здания или здания 50. В качестве альтернативы, тепловой насос 30 может быть заменен, или он может быть любым известным видом теплообменного соединения, обеспеченного между первичной рабочей текучей средой и геотермальной рабочей текучей средой или геотермальным теплообменником.
Дополнительно следует отметить, что рабочая текучая среда теплового насоса также может быть опущена, и первичная рабочая текучая среда или геотермальная рабочая текучая среда вторичной рабочей текучей среды по фиг. 10 может циркулировать в тепловом насосе 30 посредством компрессора 101, расширительного устройства 102 и первичного и вторичного теплообменных соединений 103, 104.
На нижеследующих фиг. 3-8 настоящее изобретение и его различные варианты реализации описаны более подробно. Геотермальный теплообменник 55 и тепловой насос 30 на фиг. 3-8 соответствуют общему представлению по фиг. 1 и 2. Таким образом, повторение приведенного выше описания геотермального теплообменника 55 и теплового насоса 30 опущено. Во всех вариантах реализации по фиг. 3-8, устройство для нагрева или охлаждения или кондиционирования здания 50 или помещения 51 здания 50, устройство содержит отверстие 2 в земле, геотермальный теплообменник 55 и тепловой насос 30. На фиг. 3-8 раскрыты различные варианты реализации устройства солнечной энергии в соединении с геотермальным теплообменником 55 и тепловым насосом 30. На фиг. 9 to 13 геотермальный теплообменник и его различные варианты реализации описанфы более подробно. Следует отметить, что не все комбинации устройства солнечной энергии и геотермального теплообменника раскрыты по отдельности, и таким образом различные варианты реализации устройства солнечной энергии и геотермальным теплообменником могут быть объединены во всех возможных способах.
Согласно настоящему изобретению устройство солнечной энергии может быть любым известным видом устройства, выполненного с возможностью вырабатывания электричества или тепла путем преобразования солнечной энергии в электричество или тепло, соответственно. Например, устройство солнечной энергии может представлять собой устройство получения электричества из солнечной энергии, выполненное с возможностью вырабатывания электричества из солнечной энергии, или устройство нагрева с использованием солнечной энергии, выполненное с возможностью вырабатывания тепловой энергии из солнечной энергии.
Устройство получения электричества из солнечной энергии может содержать одну или более солнечных панелей или солнечных фотоэлементов, выполненных с возможностью вырабатывания электричества и расположенных в конструкции здания. Солнечные фотоэлементы или солнечные панели могут быть любым известным видом солнечных фотоэлементов или панелей, и настоящее изобретение не ограничено каким-либо конкретным их типом.
В некоторых вариантах реализации изобретения устройство получения электричества из солнечной энергии или солнечные фотоэлементы или солнечные панели могут быть обеспечены как часть здания 50 или конструкции здания 50, или как выполненные за одно целое с частью здания 50 или конструкцией здания 50. Соответственно, устройство солнечной энергии может быть прикреплено к зданию 50 или к конструкции здания, такой как крыша здания 50, или установлено на нем или на ней для обеспечения устройства получения электричества из солнечной энергии в здании 50. В качестве альтернативы само здание 50 или часть самого здания 50 или конструкция или часть самой конструкции образуют устройство получения электричества из солнечной энергии или его часть. Соответственно, устройство получения электричества из солнечной энергии может содержать солнечную крышу, солнечное окно или солнечную стену. Солнечная крыша или солнечная стена образуют по меньшей мере часть конструкции здания 50 и выполнены с возможностью вырабатывания электричества. Это означает, что выполненное за одно целое устройство получения электричества из солнечной энергии или солнечная крыша, солнечное окно или солнечная стена являются нормальной частью здания и выполнены с возможностью вырабатывания электричества.
Устройство нагрева с использованием солнечной энергии может содержать один или более солнечных коллекторов или коллекторных трубок, выполненных с возможностью сбора солнечной тепловой энергии и с возможностью нагрева нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды в устройстве нагрева с использованием солнечной энергии.  Устройство нагрева с использованием солнечной энергии может быть расположено в конструкции здания. Устройство нагрева с использованием солнечной энергии может быть любым известным видом устройства нагрева с использованием солнечной энергии, и настоящее изобретение не ограничено каким-либо конкретным его видом.
В некоторых вариантах реализации изобретения устройство нагрева с использованием солнечной энергии или солнечный коллектор могут быть обеспечены как часть здания 50 или конструкции здания 50, или как выполненные за одно целое с частью здания 50 или конструкцией здания 50. Соответственно, устройство нагрева с использованием солнечной энергии может быть прикреплено к зданию 50 или к конструкции здания, такой как крыша здания 50, или установлено на нем или на ней для обеспечения устройства нагрева с использованием солнечной энергии в здании 50. В качестве альтернативы само здание 50 или часть самого здания здания 50 или конструкция или часть самой конструкции образуют устройство нагрева с использованием солнечной энергии или его часть. Соответственно, устройство нагрева с использованием солнечной энергии может содержать, например, элемент стены или крыши, имеющий выполненное за одно целое или встроенное устройство нагрева с использованием солнечной энергии или солнечный коллектор или коллекторные трубки солнечного коллектора. Элемент стены или крыши образует по меньшей мере часть конструкции здания 50 и выполнен с возможностью вырабатывания тепла или нагретой нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды. Это означает, что выполненное за одно целое устройство нагрева с использованием солнечной энергии является нормальной частью здания и выполнено с возможностью выработки тепла или нагретой рабочей текучей среды.
Фиг. 3 показывает один вариант реализации настоящего изобретения, в котором устройство содержит устройство 110 солнечной энергии. Устройство 110 солнечной энергии представляет собой устройство 110 получения электричества из солнечной энергии, выполненное с возможностью вырабатывания электричества. Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии обеспечено в соединении со зданием 50 или выполнено в нем и соединено с тепловым насосом 30 для подачи солнечной энергии, полученного солнечного электричества, к геотермальному нагревательному устройству, и особенно к тепловому насосу 30. Соответственно, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с тепловым насосом 30 геотермального нагревательного устройства и выполнено с возможностью управления тепловым насосом 30. Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с тепловым насосом 30 с помощью электрического соединения 112 или электрического кабеля 112. Соответственно, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии выполнено с возможностью подачи электричества к тепловому насосу 30 для работы теплового насоса 30.
Как показано на фиг. 3, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии может быть оснащено или оно может содержать батарею 111 для хранения электричества, вырабатываемого с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии таким образом, что электричество может быть использовано при необходимости.
Батарея 111 может быть обеспечена в любом варианте реализации настоящего изобретения, в котором электричество вырабатывается с помощью устройства 110 получения электричества из солнечной энергии. Для простоты, батарея не показана отдельно во всех вариантах реализации, но может быть обеспечена в любых вариантах реализации.
Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии может быть соединено с тепловым насосом 30 таким образом, что тепловой насос может использовать электричество от устройства получения электричества из солнечной энергии во всех режимах работ и компонентах теплового насоса 30. В качестве альтернативы, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии может быть соединено с одним или более из следующего и для управления этим: компрессор 101, расширительное устройство 102, управляющее устройство (не показано), первичное теплообменное соединение 103, вторичное теплообменное соединение 104 или насос 35 или некоторое другое устройство теплового насоса 30, для работы теплового насоса 30. Управляющее устройство может быть любым устройством выполненным с возможностью управления работой теплового насоса 30. Это касается всех вариантов реализации настоящего изобретения, в которых устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с тепловым насосом 30.
Согласно вышеуказанному фиг. 3 показывает вариант реализации, в котором электричество, вырабатываемое с помощью устройства 110 получения электричества из солнечной энергии, используют для работы теплового насоса 30 в режиме охлаждения. Тепловая энергия, таким образом передается от здания 50 или помещения 51 здания посредством теплового насоса 30 к геотермальной рабочей текучей среде и далее к земле в отверстии 2 в земле, поскольку геотермальный теплообменник 55 работает в режиме подачи. Таким образом, солнечная энергия хранится в земле с помощью устройства 110 получения электричества из солнечной энергии, теплового насоса 30 и геотермального теплообменника 55.
Фиг. 4A оказывает альтернативный вариант реализации, в котором устройство содержит устройство 110 солнечной энергии. Устройство 110 солнечной энергии представляет собой устройство 110 получения электричества из солнечной энергии, выполненное с возможностью вырабатывания электричества. Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии обеспечено в соединении со зданием 50 или оеспечено в нем и соединено с геотермальным теплообменником 55 для подачи солнечной энергии, полученного солнечного электричества, к геотермальному нагревательному устройству, и особенно к геотермальному теплообменнику 55. Соответственно, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с геотермальным теплообменником 55 геотермального нагревательного устройства и выполнено с возможностью управления геотермальным теплообменником 55. Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с геотермальным теплообменником 55 с помощью электрического соединения 112 или электрического кабеля 112. Соответственно, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии выполнено с возможностью подачи электричества к геотермальному теплообменнику 55 для работы геотермального теплообменника 55. Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии может также содержать батарею 111.
Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии может быть соединено с геотермальным теплообменником 55 таким образом, что геотермальный теплообменник 55 может использовать электричество от устройства получения электричества из солнечной энергии во всех режимах работ и компонентах геотермального теплообменника 55. Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии может быть соединено, например, с первым насосом 8 или управляющим устройством (не показано) геотермального теплообменника 55. Первый насос 8 выполнен с возможностью циркуляции геотермальной рабочей текучей среды в геотермальном теплообменнике 55. Управляющее устройство может быть любым устройством, выполненным с возможностью управления работой геотермального теплообменника 55. Это касается всех вариантов реализации настоящего изобретения, в котором устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с тепловым насосом 30.
Согласно вышеуказанному, фиг. 4A оказывает вариант реализации, в котором электричество, вырабатываемое с помощью устройства 110 получения электричества из солнечной энергии, используют для работы геотермального теплообменника 55 в режиме подачи. Тепловая энергия, таким образом, передается от здания 50 или помещения 51 здания посредством теплового насоса 30 к геотермальной рабочей текучей среде и далее к земле в отверстии 2 в земле, поскольку геотермальный теплообменник 55 работает в режиме подачи и тепловой насос 30 в режиме охлаждения. Таким образом, солнечная энергия хранится в земле с помощью устройства 110 получения электричества из солнечной энергии, теплового насоса 30 и геотермального теплообменника 55.
Фиг. 4B показывает другой вариант реализации настоящего изобретения, в котором устройство содержит устройство 110 солнечной энергии. Устройство 110 солнечной энергии представляет собой устройство 110 получения электричества из солнечной энергии, выполненное с возможностью вырабатывания электричества. Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии обеспечено в соединении со зданием 50 или обеспечено в нем и соединено с геотермальным теплообменником 55 и с тепловым насосом 30 для подачи солнечной энергии, полученного получения электричества из солнечной энергии, к геотермальному нагревательному устройству, и особенно к геотермальному теплообменнику 55 и тепловому насосу 30. Соответственно, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с геотермальным теплообменником 55 и тепловым насосом 30 геотермального нагревательного устройства и выполнено с возможностью управления геотермальным теплообменником 55 и тепловым насосом соответственно. Соответственно, фиг. 4B показывает вариант реализации, который представляет собой комбинацию описанных выше вариантов реализации по фиг. 3 и 4A.
Согласно вышеуказанному, фиг. 4B показывает вариант реализации, в котором электричество, вырабатываемое с помощью устройства 110 получения электричества из солнечной энергии, используют для работы геотермального теплообменника 55 в режиме подачи и тепловой насос 30 в режиме охлаждения.
Фиг. 5A и 5B показывают альтернативные варинаты реализации, в которых изобретение, в котором устройство содержит устройство 110 солнечной энергии. Устройство 110 солнечной энергии представляет собой устройство 110 получения электричества из солнечной энергии, выполненное с возможностью вырабатывания электричества. Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии обеспечено в соединении со зданием 50 или обеспечено в нем. Геотермальное нагревательное устройство или геотермальный теплообменник 55 также содержит электрическое нагревательное устройство 116, имеющее нагревательный элемент 118. Электрическое нагревательное устройство 116 может быть любым известным видом электрического нагревательного устройства, а нагревательный элемент 118 может представлять собой нагреватель сопротивления или тому подобное. Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с электрическим нагревательным устройством 116 с помощью электрического соединения 114 или электрического кабеля 114. Соответственно, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии выполнено с возможностью подачи электричества с электрическим нагревательным устройством 116 для работы электрического нагревательного устройства 116 и/или вырабатывания тепловой энергии с помощью электрического нагревательного устройства 116. Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии может также содержать батарею 111 для вырабатывания тепловой энергии с помощью электрического нагревательного устройства 116 при необходимости.
Электрическое нагревательное устройство 116 расположено в соединении с геотермальным теплообменником 55 или компоновкой труб геотермального теплообменника 55, или восходящей трубой 11 и/или первой соединительной трубой 3 или обеспечено в них.
Электрическое нагревательное устройство 116 предпочтительно расположено в восходящей трубе 10 или первой соединительной трубе 3 между тепловым насосом 30 и нижним концом 17 восходящей трубы 10 для нагрева геотермальной рабочей текучей среды ниже по потоку теплового насоса 30 в режимах охлаждения и подачи. Таким образом, электрическое нагревательное устройство 116 может быть выполнено с возможностью нагрева геотермальной рабочей текучей среды, протекающей или циркулирующей от теплового насоса 30 к отверстию в земле 2 для высвобождения тепловой энергии в землю в отверстии 2 в земле. Таким образом, электрическое нагревательное устройство 116 и устройство 110 получения электричества из солнечной энергии вместе обеспечивают возможность переноса солнечной энергии к геотермальной рабочей текучей среде и хранения солнечной энергии в земле в отверстии 2 в земле.
В варианте реализации по фиг. 5A, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено как с тепловым насосом 30, так и с электрическим нагревательным устройством 116, соответственно, как раскрыто выше. Таким образом, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с тепловым насосом 30 с помощью электрического соединения 112 для работы теплового насоса 30 с помощью полученного электричества. Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с электрическим нагревательным устройством 116 с помощью электрического соединения 114 для работы электрического нагревательного устройства и/или для вырабатывания тепловой энергии с помощью электрического нагревательного устройства 116, использующего полученное электричество.
В варианте реализации по фиг. 5B, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено только с электрическим нагревательным устройством 116, как раскрыто выше. Таким образом, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с электрическим нагревательным устройством 116 с помощью электрического соединения 114 для работы электрического нагревательного устройства и/или для вырабатывания тепловой энергии с помощью электрического нагревательного устройства 116, использующего полученное электричество.
Согласно вышеуказанному, фиг. 5A и 5B показывают варианты реализации, в которых электричество, вырабатываемое с помощью устройства 110 получения электричества из солнечной энергии, используют для вырабатывания тепловой энергии и для подачи полученной тепловой энергии к земле с геотермальным теплообменником 55, когда геотермальный теплообменник 55 работает в режиме подачи и тепловой насос 30 в режиме охлаждения.
В контексте настоящей заявки, устройство получения электричества из солнечной энергии соединено с электросетью 112, 114, 115 здания. Электросеть здания означает электрическую сеть здания, которая отделена от электросети общественной или локальной зоны или соединена с ней посредством электрического подсоединения здания. Соответственно, электричество, вырабатываемое с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии, обеспечиваемое к зданию подается к электросети здания или напрямую к тепловому насосу или геотермальному теплообменнику, подлежащему использованию для работы геотермального нагревательного устройства и для подачи тепловой энергии к отверстию в земле 2.
Фиг. 6A и 6B показывают один вариант реализации настоящего изобретения, в котором устройство содержит устройство 120 солнечной энергии. Устройство 120 солнечной энергии представляет собой устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии, выполненное с возможностью вырабатывания тепловой энергии. Устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии обеспечено в соединении со зданием 50 или обеспечено в нем и соединено с геотермальным теплообменником 55 для подачи тепловой энергии, полученной солнечной тепловой энергии, к геотермальному нагревательному устройству, и особенно к геотермальному теплообменнику 55. Соответственно, устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии соединено с геотермальным теплообменником 55 геотермального нагревательного устройства и выполнено с возможностью переноса тепла к геотермальной рабочей текучей среде 55. Устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии соединено с геотермальным теплообменником 55 с помощью соединения 126 для теплообмена с использованием солнечной энергии. Соответственно, устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии выполнено с возможностью подачи тепловой энергии к геотермальному теплообменнику 55, и геотермальной рабочей текучей среде.
Устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии может представлять собой солнечный коллектор, в котором циркулирует солнечная рабочая текучая среда. Устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии может иметь коллекторный элемент 120 и использующий солнечную энергию теплообменник 126, расположенный в соединении с возможностью теплопереноса с геотермальным теплообменником 55. Использующий солнечную энергию теплообменник 126 расположен в соединении с геотермальным теплообменником 55 или компоновкой труб геотермального теплообменника 55, или восходящей трубой 11 и/или первой соединительной трубой или обеспечен в них 3.
Использующий солнечную энергию теплообменник 126 предпочтительно расположен в восходящей трубе 10 или первой соединительной трубе 3 между тепловым насосом 30 и нижним концом 17 восходящей трубы 10 для нагрева геотермальной рабочей текучей среды ниже по потоку теплового насоса 30 в режимах охлаждения и подачи. Таким образом, использующий солнечную энергию теплообменник 126 может быть выполнен с возможностью нагрева геотермальной рабочей текучей среды, протекающей или циркулирующей от теплового насоса 30 к отверстию 2 в земле для высвобождения тепловой энергии в землю в отверстии 2 в земле. Таким образом, использующий солнечную энергию теплообменник 126 и устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии вместе обеспечивают возможность переноса солнечной энергии к геотермальной рабочей текучей среде и хранения солнечной энергии к земле в отверстии 2 в земле.
Использующий солнечную энергию теплообменник 16 может быть любым известным видом теплообменника или теплообменного соединения.
В устройстве нагрева с использованием солнечной энергии, солнечная рабочая текучая среда нагревается в солнечном коллекторном элементе 120. Солнечный коллекторный элемент 120 выполнен с возможностью переноса солнечной тепловой энергии к солнечной рабочей текучей среде и с возможностью нагрева нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды. Устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии может дополнительно содержать первую коллекторную трубу 122, обеспеченную между коллекторным элементом 120 и использующим солнечную энергию теплообменником 126 для циркуляции нагретой нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды от солнечного коллекторного элемента 120 к использующему солнечную энергию теплообменнику 126. В солнечном теплообменнике 126 солнечная рабочая текучая среда отдает тепловую энергию в геотермальную рабочую текучую среду, а геотермальная рабочая текучая среда принимает тепловую энергию от нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды. Таким образом, температура геотермальной рабочей текучей среды увеличивается, и температура нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды уменьшается. Устройство нагрева с использованием солнечной энергии также содержит вторую коллекторную трубу 124, проходящую между использующим солнечную энергию теплообменником 126 и солнечным коллекторным элементом 120 для циркуляции охлажденной нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды от использующего солнечную энергию теплообменника 126 обратно к солнечному коллекторному элементу 120, как показано на фиг. 6A.
Согласно вышеуказанному устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии соединено с геотермальным теплообменником с помощью соединения 126 для теплообмена с использованием солнечной энергии таким образом, что соединение 126 для теплообмена с использованием солнечной энергии выполнено с возможностью переноса тепловой энергии от устройства 120 нагрева с использованием солнечной энергии к геотермальному теплообменнику, или от солнечной рабочей текучей среде устройства 120 нагрева с использованием солнечной энергии к геотермальной рабочей текучей среде геотермального теплообменника. Геотермальный теплообменник 55 или его геотермальная рабочая текучая среда затем переносит тепловую энергию далее к земле в отверстии 2 в земле.
Фиг. 6B показывает альтернативный вариант реализации, который представляет собой комбинацию варианта реализации по фиг. 3 и 6A. В этом варианте реализации устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с тепловым насосом 30 геотермального нагревательного устройства и выполнено с возможностью управления тепловым насосом 30, как в варианте реализации по фиг. 3. Соответственно, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии выполнено с возможностью подачи электричества к тепловому насосу 30 для работы теплового насоса 30. Кроме того, вариант реализации содержит устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии, обеспеченное в соединении с геотермальным теплообменником 55 и выполненное с возможностью переноса или высвобождения тепловой энергии в геотермальную рабочую текучую среду, как в варианте реализации по фиг. 6A. Соответственно, в этом варианте реализации как электричество, так и тепловая энергия, вырабатываемые с помощью устройства получения электричества из солнечной энергии и устройства нагрева с использованием солнечной энергии, используются для хранения тепловой энергии в земле с помощью геотермального теплообменника.
Фиг. 7A показывает дополнительные варианты реализации и модификации варианта реализации по фиг. 6B.
Как показано на фиг. 7A, устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии содержит насос 125 нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды, выполненный с возможностью циркуляции нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды. На фиг. 7A, насос 125 нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды обеспечен во второй коллекторной трубе 124. В качестве альтернативы, насос 125 нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды может быть обеспечен в первой коллекторной трубе 122, солнечном коллекторе 120 или использующем солнечную энергию теплообменнике 126.
Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии может быть соединено с устройством 120 нагрева с использованием солнечной энергии для работы устройства 120 нагрева с использованием солнечной энергии. На фиг. 7A и 7B устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с помощью электрического соединения 115 с устройством 120 нагрева с использованием солнечной энергии. Устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с устройством 120 нагрева с использованием солнечной энергии и выполнено с возможностью обеспечения работы насоса 125 нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды для циркуляции нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды. Однако устройство 110 получения электричества из солнечной энергии также может быть выполнено с возможностью обеспечения работы любых других компонентов устройства 120 нагрева с использованием солнечной энергии, таких как управляющее устройство (не показано) устройства нагрева с использованием солнечной энергии. Соответственно, солнечная энергия или солнечное электричество, вырабатываемые с помощью устройство 110 получения электричества из солнечной энергии, используются для работы устройства 120 нагрева с использованием солнечной энергии.
В варианте реализации по фиг. 7A устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено только с устройством 120 нагрева с использованием солнечной энергии. В варианте реализации по фиг. 7B, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с устройством 120 нагрева с использованием солнечной энергии и тепловым насосом 30 для обеспечения их работы.
Фиг. 8A и 8B показывают дополнительный вариант реализации настоящего изобретения.
Вариант реализации по фиг. 8A представляет собой комбинацию фиг. 5B и 6A. В этом варианте реализации устройство 110 получения электричества из солнечной энергии соединено с электрическим нагревательным устройством 116 с помощью электрического соединения 114 для работы электрического нагревательного устройства и/или для вырабатывания тепловой энергии с помощью электрического нагревательного устройства 116, использующего полученное электричество. Соответственно, устройство 110 получения электричества из солнечной энергии и электрическое нагревательное устройство 116 используются для нагрева геотермальной рабочей текучей среды и хранения тепловой энергии в земле. Кроме того, в этом варианте реализации устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии обеспечено в соединении со зданием 50 или обеспечено в нем и соединено с геотермальным теплообменником 55 для подачи тепловой энергии, полученной солнечной тепловой энергии, к геотермальному нагревательному устройству, и особенно к геотермальному теплообменнику 55. Соответственно, устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии соединено с геотермальным теплообменником 55 геотермального нагревательного устройства и выполнено с возможностью переноса тепла к геотермальной рабочей текучей среде 55. Соответственно, в этом варианте реализации он использует солнечную энергию двумя способами для нагрева геотермальной рабочей текучей среды.
Вариант реализации по фиг. 8B соответствует варианту реализации по фиг. 8A, но устройство 110 получения электричества из солнечной энергии дополнительно соединено с тепловым насосом 30 для работы теплового насоса 30, как в варианте реализации по фиг. 3. Однако устройство 110 получения электричества из солнечной энергии может быть дополнительно или вместо этого соединено с устройством 120 нагрева с использованием солнечной энергии для работы устройства 120 нагрева с использованием солнечной энергии.
Следует отметить, что в варианте реализации по фиг. 6B, 7A, 7B, 8A и 8B, в котором используется устройство 110 получения электричества из солнечной энергии, устройство 120 нагрева с использованием солнечной энергии или его коллекторный элемент 120, могут быть заменены источником 120 отходящего тепла. Источник 120 отходящего тепла может быть оснащен утилизационным теплообменником 126, обеспеченным в соединении с геотермальным теплообменником, или соединен с ним и выполнен с возможностью переноса тепловой энергии от источника 120 отходящего тепла к геотермальному теплообменнику 55 или от текучей среды с остаточным теплом к геотермальной рабочей текучей среде геотермального теплообменника 55 или к геотермальной рабочей текучей среде геотермального теплообменника 55.
Источник 120 отходящего тепла обеспечен в здании 50 или находится в нем и он может представлять собой отходящее тепло вентиляции или воздушного кондиционирования, отходящее тепло от устройств, таких как компьютерные сервера или охлаждающие или морозильные устройства, или тому подобное.
Фиг. 9 показывает один вариант реализации геотермального теплообменника 55. В этом варианте реализации первая теплоизоляция 25 проходит от поверхности 1 земли к нижнему концу 17 восходящей трубы 11. Таким образом, первая теплоизоляция 25 может проходить вдоль всей длины восходящей трубы 11, по меньшей мере внутри отверстия 2 в земле или восходящей трубе 21. Первая теплоизоляция 25 может также проходить вдоль всей длины восходящей трубы 11. В этом варианте реализации восходящая труба 11 расположена внутри сливной трубы 21. Восходящая труба 11 и сливная труба 21 могут быть расположены соосно и/или параллельно друг другу и внутри друг друга.
В этом варианте реализации восходящая труба 11 может представлять собой вакуумированную трубу, содержащую вакуумный слой, окружающий канал для потока восходящей трубы 11. Таким образом, вакуумный слой выполнен с возможностью образования первой теплоизоляции 25. Она также может быть оснащена любым другим изоляционным материалом.
Геотермальный теплообменник 55 по фиг. 9 содержит первый насос 8, расположенный в компоновке труб для циркуляции геотермальной рабочей текучей среды в компоновке труб в режиме подачи, в котором геотермальная рабочая текучая среда циркулирует в направлении к нижнему концу 17 восходящей трубы 11 или вниз в восходящей трубе 11 и вверх в сливной трубе 21, как показано стрелками 22 и 12. Первый насос 8 может быть любым видом известного насоса, выполненного с возможностью обеспечения циркуляции геотермальной рабочей текучей среды. Геотермальный теплообменник 55 также содержит второй насос 9, выполненный с возможностью циркуляции геотермальной рабочей текучей среды в направлении вниз по потоку сливной трубы 21 и ввверх в восходящей трубе 11, когда геотермальный теплообменник и устройство для геотермального нагрева находятся в режиме извлечения тепла. Второй насос 9 может быть любым видом известного насоса, выполненного с возможностью обеспечения циркуляции геотермальной рабочей текучей среды. Соответственно, первый насос 8 выполнен с возможностью работы в режиме подачи тепла, а второй насос 9 в режиме извлечения тепла. Таким образом, первый насос 8 выполнен с возможностью циркуляции геотермальной рабочей текучей среды в направлении вниз по потоку восходящей трубы 11, как нагретый геотермальный рабочий поток 22, и вверх сливной трубы 20 как холодный геотермальный поток, по мере того, как геотермальная рабочая текучая среда отдает тепловую энергию C от нагретого геотермального рабочего потока к земле.
На фиг. 9 отдельная сливная труба 21 отсутствует, но отверстие 2 в земле выполнено с возможностью образования сливной трубы 21. Это обеспечивает возможность эффективного теплопереноса между геотермальной рабочей текучей средой и землей. В этом варианте реализации земля может быть образована из камней, обеспечивающих возможность использования земли в качестве сливной трубы 21.
Фиг. 10 показывает другой вариант реализации, в котором восходящая труба 11 расположена внутри сливной трубы 21. В этом варианте реализации восходящая труба 11 и сливная труба 21 расположены друг в друге, или они могут быть расположены соосно внутри друг друга таким образом, что восходящая труба 11 находитяс внутри сливной трубы 21, как на фиг. 9. Нагретый геотермальный поток 22 протекает вниз в восходящей трубе 11, имеющей первую теплоизоляцию 25 и протекает из восходящей трубы 11 от открытого нижнего конца 17 восходящей трубы 11 к сливной трубе 21, окружающей восходящую трубу 11. Геотермальная рабочая текучая среда отдает тепловую энергию C к земле на нижнем конце 13 сливной трубы 21 или на нижнем конце 4 отверстия 2 в земле, и затем протекает в качестве холодного геотермального потока 12 вверх по сливной трубе 21. Первая теплоизоляция 25 уменьшается или минимизирует теплоперенос между восходящей трубой 11 и сливной трубой 21 и между нагретым потоком 22 и холодным потоком 12.
Как показано на фиг. 10, теплоизоляция 25 проходит на расстояние от нижнего конца 17 восходящей трубы 17.
В варианте реализации по фиг. 10, сливная труба 21 представляет собой трубу, имеющую закрытый нижний конец 13 и проходящую внутри отверстия 2 в земле к нижнему концу 4 отверстия в земле вблизи него. Соответственно, восходящая труба 11 полностью находится внутри сливной трубы 21 в отверстии 2 в земле, и геотермальная рабочая текучая среда не вступает в прямой контакт с землей.
В этом варианте реализации обеспечен только первый насос 8. Первый насос 8 может представлять собой реверсивный насос, выполненный с возможностью перекачивания геотермальной рабочей текучей среды в направлении вниз по потоку восходящей трубы 10 и вверх по сливной трубе 20, или альтернативно в направлении вниз по сливной трубе 20 и вверх по восходящей трубе 10. Первое из указанного представляет собой режим подачи, в котором тепловая энергия подается в землю, а второе из указанного представляет собой реверсивный режим и, означая извлечение, режим, в котором отданная тепловая энергия извлекается из земли.
В варианте реализации по фиг. 11, восходящая труба 10 и сливная труба 20 расположены на расстоянии друг от друга и соединены друг с другом с помощью соединительной трубной части 18, или изгиба, на нижних концах восходящей трубы 10 и сливной трубы 20. Другими словами, восходящая труба 10 и сливная труба 20 образуют U-образную трубную конструкцию. Однако следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено какой-либо конкретной трубной конструкцией восходящей трубы 10 и сливной трубы 20 или любым количеством восходящих труб 10 и сливной трубы 20.
В варианте реализации по фиг. 11, первая теплоизоляция проходит вдоль восходящей трубы 10 на расстояние от нижнего конца восходящей трубы 10 или соединительной трубной части 18 или изгиба.
В одном варианте реализации восходящая труба 3, 10, 11 трубной компоновки 3, 5, 10, 11, 20, 21 геотермального теплообменника 55 может содержать внутреннюю стенку трубы, внешнюю стенку трубы и слой изоляционного материала, обеспеченный между внутренней стенкой трубы и внешней стенкой трубы восходящей трубы 3, 10, 11. Слой изоляционного материала может быть выполнен с возможностью образования первой теплоизоляции 25, окружающей восходящую трубу 3, 10, 11 и проходящей вдоль по меньшей мере части длины восходящей трубы 3, 10, 11.
Теплоизоляционный может может быть образован из любого подходящего материала, предотвращающего или уменьшающего теплообмен геотермальной рабочей текучей среды. Теплоизоляция означает материал, способный изолировать от передачи тепла, или материал с относительно низкой теплопроводностью, используемый для защиты жидкости от потери или проникновения тепла вследствие излучения, конвекции или теплопроводности. Могут быть использованы несколько различных теплоизоляционных материалов или вакуум.
Теплоизоляция 25 вместе с нагретым геотермальным потоком 22, оснащенным первмы насосом 8 в восходящей трубе 10 уменьшается или минимизирует теплоперенос от нагретого первичного потока 22 в восходящей трубе 10 таким образом, что геотермальная рабочая текучая среда может переноситься в нагретой форме или при повышенной температуре к нижнему концу первой труюы 10 и нижнему концу 4 отверстия 2 в земле. Соответственно, геотермальная рабочая текучая среда отдает тепловую энергию C при повышенной температуре к земле, окружающей отверстие 2 в земле на нижнем конце отверстия 2 в земле и, таким образом, подает тепловую энергию к земле для более позднего использования. Это применомо ко всем вариантам реализации, в которых используется первая теплоизоляция 25.
Следует отметить, что сливная труба 20, 21 также может быть оснащена второй теплоизоляцией, проходящей от поверхности земли к нижнему концу 4 отверстия 2 в земле аналогичным образом, что и первая теплоизоляция.
Согласно вышеуказанному, следует отметить, что настоящее изобретение обеспечивает устройство, которое позволяет использовать солнечную энергию для хранения тепловой энергии в земле с помощью геотермального теплообменника. Соответственно, первый насос 8 выполнен с возможностью циркуляции геотермальной рабочей текучей среды вниз вдоль восходящей трубы 10, 11, предпочтительно изоляционной восходящей трубы, в отверстии 2 в земле, имеющем глубину по меньшей мере 300 метров от поверхности 1 земли. На такой глубине температура земли, окружающей отверстие 2 в земле, является достаточно высокой для предотвращения утечки тепловой энергии от окружающей породы отверстия 2 в земле.
В предпочтительных вариантах реализации глубина отверстия 2 в земле составляет по меньшей мере 600 метров, или по меньшей мере 1000 метров или более предпочтительно от 1500 до 3000 метров таким образом, что могут быть достигнуты высокие температуры земли.
В предпочтительном варианте реализации по фиг. 3, 4A и 4B, солнечную энергию используют напрямую для работы теплового насоса 30 и/или геотермального теплообменника 55. Таким образом, устройство может быть по возможности энергетически самодостаточной.
Кроме того, в настоящем изобретении тепловой насос 30 и устройство 110, 120 солнечной энергии обеспечены или установлены в здании 50. Кроме того, геотермальный теплообменник 55 соединен со зданием 50 и тепловым насосом 30. Соответственно, это обеспечивает возможность энергетического управления зданием 50.
Настоящее изобретение таким образом обеспечивает способ соединения со зданием 50 для кондиционирования помещения 51 здания 50. Следует отметить, что все, что было указано выше применительно к фиг. 1-11 применимо напрямую как таковое также к способу настоящего изобретения.
Способ включает работу теплового насоса 30 в режиме охлаждения и геотермального теплообменника 55 в режиме подачи тепла, как описано.
Соответственно, способ может включать этапы выполнения первого этапа теплообмена, в котором тепловая энергия извлекается из первичной рабочей текучей среды помещения здания 50 рабочей текучей среде теплового насоса с помощью первичного теплообменного соединения 103 теплового насоса 30 для охлаждения помещения здания 50, и выполнения третьего этапа теплообмена, в котором тепловая энергия высвобождается из рабочей текучей среды теплового насоса с помощью вторичного теплообменного соединения 104 теплового насоса 30 в геотремальную рабочую текучую среду геотермального теплообменника, обеспеченного в отверстии 2 в земле. Это соответствует работе теплового насоса 30 в режиме охлаждения. Первый этап теплообмена может ключать оба первый и третий этапы теплообмена, когда тепловой насос 30 использует отдельную рабочую текучую среду теплового насоса. Третий этап теплообмена опущен, когда первичная рабочая текучая среда, вторичная рабочая текучая среда или геотремальная рабочая текучая среда циркулирует в тепловом насосе 30. Кроме того, первый этап теплообмена может также включать использование вторичного теплообменника 31 и вторичной рабочей текучей среды. Таким образом, тепловая энергия переносится от первичной рабочей текучей среды посредством теплового насоса 30 и вторичная рабочая текучая среда к геотермальной рабочей текучей среде на первом этапе теплообмена.
Способ может дополнительно включать выполнение второго этапа теплообмена, в котором тепловая энергия высвобождается из геотермальной рабочей текучей среды геотермального теплообменника в землю в земле 2, или к земле в нижней части отверстия 2 в земле, имеющего глубину по меньшей мере 300 метров. Это вместе с первым или первым и вторым этапами теплообмена соответствует работе геотермального теплообменника 55 в режиме извлечения тепла.
Настоящее изобретение также включает вырабатывание солнечной энергии с помощью устройства 110, 120 солнечной энергии, обеспеченного в здании 50, и подачу солнечной энергии полученной к тепловому насосу 30 или к геотермальному теплообменнику 55 или к тепловому насосу 30 и к геотермальному теплообменнику 55.
Полученная солнечная энергия может представлять собой электричество. Таким образом, способ может ключать подачу электричества, полученного с помощью устройства 110 получения электричества из солнечной энергии, к тепловому насосу 30 для работы теплового насоса 30 в режиме охлаждения и/или к геотермальному теплообменнику 55 для работы геотермального теплообменника 55 в режиме подачи и/или с электрическим нагревательным устройством 116, обеспеченному в соединении с геотермальным теплообменником 55.
Альтернативно или дополнительно, полученная солнечная энгергия может представлять собой тепловую энергию. Таким образом, способ может ключать выполнение четвертого этапа теплообмена, в котором тепловая энергия высвобождается из нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды в геотермальную рабочую текучую среду, протекающую от теплового насоса 30 к отверстию 2 в земле, или, в котором тепловая энергия высвобождается из нагреваемой солнечной энергией рабочей текучей среды в геотермальную рабочую текучую среду, протекающую от теплового насоса 30 к отверстию 2 в земле.
Способ может также включать подачу электричества, полученного с помощью устройства 110 получения электричества из солнечной энергии к устройству 120 нагрева для работы устройства 120 нагрева с использованием солнечной энергии.
Способ может также включать использование отходящего тепла, вырабатываемого в здании 50, и выполнение пятого этапа теплопереноса, в котором использованная тепловая энергия, вырабатываемая в здании 50, переносится к геотермальной рабочей текучей среде, протекающей от теплового насоса 30 к отверстию 2 в земле, или к геотермальной рабочей текучей среде, протекающей от теплового насоса 30 к отверстию 2 в земле.
Соответственно, режим подачи геотермального теплообменника 55 включает циркуляцию геотермальной рабочей текучей среды в направлении вниз в восходящей трубе 3, 10, 11 и в направлении вверх по потоку в сливной трубе 5, 20, 21 для переноса тепловой энергии к нижнему концу 4 отверстия 2 в земле таким образом, что геотермальная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от рабочей текучей среды теплового насоса на втором этапе теплообмена и в котором геотермальная рабочая текучая среда высвобождает тепловую энергию в землю на третьем этапе теплообмена. Кроме того, геотермальная рабочая текучая среда, циркулируюшая в геотермальном теплообменнике, включает циркуляцию геотермальной рабочей текучей среды в геотермальном теплообменнике 55 вдоль восходящей трубы 10, 11, имеющей первую теплоизоляцию 25 вдоль по меньшей мере части длины восходящей трубы 3, 10, 11.
Изобретение было описано выше со ссылкой на примеры, показанные на чертежах. Однако изобретение никак не ограничено приведенными выше примерами, но может варьироваться в пределах объема формулы изобретения.