ГЕОТЕРМАЛЬНОЕ ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО, ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ТЕПЛОВАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ПОДАЧИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ГРУНТ Российский патент 2021 года по МПК F24T10/10 

Область техники

Настоящее изобретение относится к геотермальному теплообменному устройству и, в частности, к геотермальному теплообменному устройству в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения. Настоящее изобретение также относится к геотермальной тепловой установке и, в частности, к геотермальной тепловой установке в соответствии с ограничительной частью пункта 7 формулы изобретения. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу подачи тепловой энергии в грунт и, в частности, к способу в соответствии с ограничительной частью пункта 17 формулы изобретения.

Уровень техники

Использующие теплоту грунта или геотермальные теплообменные устройства обычно используют для отбора тепловой энергии из грунта. Это достигается за счет использования разницы температур в грунте и на уровне над грунтом. Температура в грунте обычно увеличивается при углублении в грунт.

Использующие теплоту грунта теплообменные устройства содержат трубопроводную обвязку для обеспечения циркуляции первичной рабочей текучей среды. Трубопроводная обвязка обычно включает в себя трубопровод с замкнутым контуром, содержащий опускную трубу и подъемную трубу, расположенные в буровой скважине или в скважине, или в полости в грунте. Кроме того, трубопроводная обвязка соединена с теплообменным устройством на грунте для высвобождения тепловой энергии из первичной рабочей текучей среды. Когда первичная рабочая текучая среда проходит вниз в буровую скважину по опускной трубе, тепловая энергия отбирается из грунта в первичную рабочую текучую среду, и температура первичной рабочей текучей среды повышается. Циркуляция первичной рабочей текучей среды обеспечивает передачу отобранной тепловой энергии из буровой скважины на поверхность грунта в подъемной трубе, а затем первичная рабочая текучая среда высвобождает тепловую энергию в теплообменном устройстве во вторичную рабочую текучую среду.

Один из недостатков, связанных с известным уровнем техники, заключается в том, что температура первичной рабочей текучей среды постепенно повышается при прохождении первичной рабочей текучей среды в опускной трубе к дну буровой скважины, и, аналогичным образом, температура первичной рабочей текучей среды снижается по мере прохождения первичной рабочей текучей среды к поверхности грунта в подъемной трубе. Кроме того, температура первичной рабочей текучей среды смещается к среднему значению, поскольку происходит непреднамеренный теплообмен между нагретой первичной рабочей текучей средой, проходящей в подъемной трубе, и охлажденной первичной рабочей текучей средой, проходящей в опускной трубе. Соответственно, нагретая первичная рабочая текучая среда отдает тепловую энергию первичной рабочей текучей среде, проходящей вниз по опускной трубе, а также грунту, окружающему буровую скважину, в результате чего температура нагретой рабочей текучей среды снижается по направлению к тепловому насосу, расположенному обычно над поверхностью грунта. Это снижает КПД использующего теплоту грунта теплообменного устройства.

Кроме того, было обнаружено, что температура грунта, окружающего скважину, особенно вблизи нижнего конца скважины, снижается по мере отбора тепловой энергии из грунта. Снижение температуры грунта вокруг скважины еще больше снижает скорость отбора тепла и КПД использующего теплоту грунта теплообменного устройства с течением времени.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение геотермального теплообменного устройства, геотермальной тепловой установки и способа в связи с геотермальной тепловой установкой для устранения или, по меньшей мере, уменьшения недостатков известного уровня техники.

Задачи изобретения решены при помощи геотермального теплообменного устройства, которое отличается тем, что указано в независимом пункте 1 формулы изобретения. Задачи изобретения также решены при помощи геотермальной тепловой установки, которая отличается тем, что указано в независимом пункте 7 формулы изобретения. Кроме того, задачи изобретения решены при помощи способа в связи с геотермальной тепловой установкой, который отличается тем, что указано в независимом пункте 17 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

В основе изобретения лежит идея создания геотермального теплообменного устройства, содержащего трубопроводную обвязку для циркуляции первичной рабочей текучей среды. Трубопроводная обвязка содержит подъемную трубу, имеющую нижний конец, и опускную трубу, имеющую нижний конец. Нижний конец подъемной трубы и нижний конец опускной трубы могут сообщаться друг с другом по текучей среде для обеспечения циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине вдоль подъемной трубы и опускной трубы. Подъемная труба может быть расположена внутри опускной трубы. Геотермальное теплообменное устройство дополнительно содержит первый насос, соединенный с трубопроводной обвязкой.

В соответствии с настоящим изобретением подъемная труба может содержать первую теплоизоляцию, окружающую подъемную трубу по меньшей мере вдоль части длины подъемной трубы, и первый насос выполнен с возможностью осуществления циркуляции первичной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу подъемной трубы. Это обеспечивает возможность циркуляции первичной рабочей текучей среды к нижней части или нижнему концу подъемной трубы, а также к нижней части или нижнему концу скважины, так что передача тепла от первичной рабочей текучей среды уменьшается или сводится к минимуму.

Подъемная труба и опускная труба могут быть расположены соосно, так что подъемная труба расположена внутри опускной трубы. Первая теплоизоляция уменьшает или сводит к минимуму передачу тепла между подъемной трубой и опускной трубой вдоль длины, на которую проходит первая теплоизоляция. Подъемная труба может быть расположена внутри опускной трубы таким образом, что подъемная труба выступает на расстояние удлинения из нижнего конца опускной трубы.

Первый насос может быть реверсивным насосом, выполненным с возможностью перекачивания первичной рабочей текучей среды в направлении вниз по подъемной трубе и вверх по опускной трубе или в направлении вниз по опускной трубе и вверх по подъемной трубе. Геотермальное теплообменное устройство может дополнительно содержать блок управления, соединенный с первым насосом и выполненный с возможностью управления направлением работы реверсивного первого насоса.

В альтернативном варианте геотермальное теплообменное устройство может содержать второй насос, выполненный с возможностью перекачивания первичной рабочей текучей среды в направлении вниз по опускной трубе и вверх по подъемной трубе. Кроме того, геотермальное теплообменное устройство может содержать блок управления, соединенный с первым насосом и со вторым насосом и выполненный с возможностью управления работой первого насоса и второго насоса для установки направления циркуляции первичной рабочей текучей среды.

Подъемная труба представляет собой вакуумированную трубу, содержащую вакуумный слой, окружающий проточный канал подъемной трубы. Вакуумный слой выполнен с возможностью образования первой теплоизоляции. Вакуумированная труба обеспечивает высокоэффективную теплоизоляцию, минимизирующую передачу тепла от первичной рабочей текучей среды.

В альтернативном или дополнительном варианте осуществления изобретения подъемная труба может содержать слой изоляционного материала на наружной поверхности подъемной трубы. Слой изоляционного материала может быть выполнен с возможностью образования первой теплоизоляции. Изоляционный слой может быть изменен в направлении длины первой трубы, так что эффективность теплоизоляции или теплопроводность первой трубы может быть изменена.

Первая теплоизоляция может проходить по всей длине подъемной трубы. Это уменьшает теплообмен по всей длине подъемной трубы. В альтернативном варианте осуществления изобретения первая теплоизоляция может проходить от верхнего конца подъемной трубы к нижнему концу подъемной трубы вдоль по меньшей мере 50% длины подъемной трубы или по меньшей мере 2/3 длины подъемной трубы. В другом альтернативном варианте осуществления первая теплоизоляция может проходить от заданного расстояния от нижнего конца подъемной трубы вверх вдоль подъемной трубы. Заданное расстояние от нижнего конца подъемной трубы может составлять по меньшей мере 10% длины подъемной трубы или по меньшей мере 20% длины подъемной трубы. Однако в альтернативном варианте первая теплоизоляция может проходить вдоль подъемной трубы между верхним концом и нижним концом подъемной трубы и от заданного расстояния от нижнего конца подъемной трубы к верхнему концу подъемной трубы вдоль подъемной трубы, и от заданного расстояния от верхнего конца подъемной трубы к нижнему концу подъемной трубы. Следовательно, передача тепла от первичной рабочей текучей среды, циркулирующей вниз по подъемной трубе, происходит на нижнем конце или в нижней части подъемной трубы и, таким образом, в нижней части скважины.

Теплопроводность первой теплоизоляции может быть равномерной в направлении вдоль подъемной трубы. Это может быть достигнуто за счет однородной первой теплоизоляции в направлении вдоль подъемной трубы.

В альтернативном варианте теплопроводность первой теплоизоляции может уменьшаться в направлении к нижнему концу подъемной трубы. Толщина первой теплоизоляции может уменьшаться в направлении к нижнему концу подъемной трубы таким образом, что теплопроводность первой теплоизоляции уменьшается в направлении к нижнему концу подъемной трубы. Кроме того, уменьшение теплопроводности может быть достигнуто за счет первой теплоизоляции, содержащей по меньшей мере два разных теплоизоляционных материала, расположенных на подъемной трубе, так что теплопроводность первой теплоизоляции уменьшается в направлении к нижнему концу подъемной трубы.

Кроме того, настоящее изобретение относится к геотермальной тепловой установке, содержащей скважину, выполненную в грунте и проходящую вниз от поверхности грунта, и трубопроводную обвязку. Трубопроводная обвязка содержит подъемную трубу, имеющую нижний конец и расположенную в скважине, и опускную трубу, имеющую нижний конец. Нижний конец подъемной трубы и нижний конец опускной трубы могут сообщаться друг с другом по текучей среде для обеспечения циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине. Подъемная труба может содержать первую теплоизоляцию, окружающую подъемную трубу по меньшей мере вдоль части длины подъемной трубы. Установка дополнительно содержит первый насос, соединенный с трубопроводной обвязкой и выполненный с возможностью осуществления циркуляции первичной рабочей текучей среды в подъемной трубе, и теплообменное соединение в связи с трубопроводной обвязкой для вторичного теплообмена с первичной рабочей текучей средой.

Теплообменное соединение может представлять собой любой источник тепла, выполненный с возможностью высвобождения термической энергии или тепловой энергии в первичную рабочую текучую среду и/или выполненный с возможностью высвобождения тепловой энергии в первичную рабочую текучую среду таким образом, что температура первичной рабочей текучей среды может быть повышена. Теплообменное соединение расположено, обеспечено или связано с трубопроводной обвязкой за пределами скважины. Это означает, что теплообменное соединение соединено с трубопроводной обвязкой за пределами скважины между подъемной трубой и опускной трубой. Теплообменное соединение может содержать тепловой насос, теплообменное устройство или подобное устройство, выполненное с возможностью обеспечения теплообмена с первичной рабочей текучей средой, проходящей по трубопроводной обвязке. Теплообменное соединение может быть теплообменным соединением здания, так что геотермальное теплообменное устройство выполнено с возможностью получения тепловой энергии от здания или подачи энергии в здание. В альтернативном варианте теплообменное соединение может быть теплообменным соединением источника тепла. Источником тепла может быть промышленный источник тепла, выделяющий избыточное или отработанное тепло, тепловое соединение с энергетической установкой, соединение с теплоцентралью или соединение с некоторыми источниками тепла, например, соединение, обеспечивающее получение отработанного тепла центра обработки данных.

В предпочтительном варианте осуществления геотермальная тепловая установка содержит тепловой насос для обеспечения теплообменного соединения. Тепловой насос выполнен с возможностью выделения тепловой энергии в первичную рабочую текучую среду и получения тепловой энергии от теплового насоса или от вторичной рабочей текучей среды в тепловом насосе.

В соответствии с настоящим изобретением первый насос выполнен с возможностью осуществления циркуляции первичной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу скважины в подъемной трубе и к поверхности грунта в опускной трубе. Соответственно, первичная рабочая текучая среда и тепловая энергия первичной рабочей текучей среды могут быть переданы к нижнему концу и части скважины.

Подъемная труба может представлять собой вакуумированную трубу, содержащую вакуумный слой, окружающий проточный канал подъемной трубы. Вакуумный слой может быть выполнен с возможностью образования первой теплоизоляции. Вакуумированная труба обеспечивает отличную теплоизоляцию, обеспечивающую возможность эффективного предотвращения выхода тепловой энергии из первичной рабочей текучей среды в подъемной трубе. В альтернативном варианте осуществления изобретения подъемная труба может содержать слой изоляционного материала на наружной поверхности или на внутренней поверхности подъемной трубы. Слой изоляционного материала может быть выполнен с возможностью образования первой теплоизоляции. Слой теплоизоляционного материала может быть изменен вдоль длины подъемной трубы.

Первая теплоизоляция может проходить вдоль подъемной трубы от поверхности грунта к нижнему концу скважины и по меньшей мере вдоль 50% глубины скважины или по меньшей мере 2/3 глубины скважины. В альтернативном варианте осуществления первая теплоизоляция может проходить от заданного расстояния от нижнего конца скважины вверх вдоль подъемной трубы. Заданное расстояние от нижнего конца скважины может составлять по меньшей мере 10% глубины скважины или по меньшей мере 20% глубины скважины.

Теплопроводность первой теплоизоляции может быть равномерной в направлении вдоль скважины. Это может быть достигнуто с помощью вакуумированной трубы или однородного слоя изоляционного материала в направлении вдоль скважины. Это обеспечивает возможность эффективного переноса тепловой энергии к нижней части скважины.

Кроме того, теплопроводность первой теплоизоляции может уменьшаться в направлении к нижнему концу скважины. Это может быть обеспечено таким образом, что толщина первой теплоизоляции уменьшается в направлении к нижнему концу скважины, так что теплопроводность первой теплоизоляции уменьшается в направлении к нижнему концу скважины. В альтернативном варианте осуществления первая теплоизоляция может содержать по меньшей мере два разных теплоизоляционных материала, расположенных на подъемной трубе, так что теплопроводность первой теплоизоляции уменьшается в направлении к нижнему концу скважины. Это может обеспечить возможность увеличения времени передачи тепла для первичной рабочей текучей среды в скважине на большей площади и возможность экономии теплоизоляционного материала.

Первый насос может представлять собой реверсивный насос, выполненный с возможностью перекачивания первичной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу скважины в подъемной трубе и вверх к поверхности грунта в опускной трубе или к нижнему концу скважины в опускной трубе и вверх к поверхности грунта в подъемной трубе. Геотермальная тепловая установка может дополнительно содержать блок управления, соединенный с первым насосом и выполненный с возможностью управления направлением работы реверсивного первого насоса. Это обеспечивает простую конструкцию, в которой один насос может быть использован для управления.

В альтернативном варианте осуществления изобретения геотермальная тепловая установка может содержать второй насос, выполненный с возможностью перекачивания первичной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу скважины в опускной трубе и вверх к поверхности грунта в подъемной трубе. Кроме того, геотермальная тепловая установка может содержать блок управления, соединенный с первым насосом и со вторым насосом и выполненный с возможностью управления работой первого насоса и второго насоса для установки направления циркуляции первичной рабочей текучей среды. Таким образом, первый и второй насос могут работать несинхронно для задания требуемого направления циркуляции первичной рабочей текучей среды.

Блок управления может быть подключен к теплообменному соединению и выполнен с возможностью управления первым насосом или первым и вторым насосами в соответствии с рабочим состоянием теплообменного соединения. В альтернативном варианте геотермальная тепловая установка содержит таймер, подключенный к блоку управления, и блок управления может быть выполнен с возможностью управления первым насосом или первым и вторым насосами в ответ на входной сигнал таймера от таймера. Кроме того, геотермальная тепловая установка может содержать по меньшей мере один температурный датчик, подключенный к блоку управления, и блок управления может быть выполнен с возможностью управления первым насосом или первым и вторым насосами в ответ на входной температурный сигнал от температурного датчика. Кроме того, в альтернативном варианте блок управления может быть соединен при помощи соединения передачи данных с сервисом внешних данных, и блок управления может быть выполнен с возможностью управления первым насосом или первым и вторым насосами в ответ на входные данные от сервиса внешних данных. Соответственно, работой первого или первого и второго насосов и геотермальной тепловой установки можно управлять в ответ на заданные температурные условия, заданный график работы или в ответ на входные данные от сервиса внешних данных.

Вертикальная подъемная труба может быть расположена внутри опускной трубы в скважине. Кроме того, скважина может образовывать опускную трубу или по меньшей мере часть опускной трубы, и подъемная труба расположена внутри скважины. Когда подъемная труба расположена внутри опускной трубы, эффективно используется площадь поперечного сечения скважины и может быть эффективно использована геотермальная теплопередача. Это особенно предпочтительно для скважин, имеющих глубину, равную или превышающую 300 м.

В одном варианте осуществления скважина может образовывать по меньшей мере часть опускной трубы для циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине.

В альтернативном варианте осуществления трубопроводная обвязка может содержать отдельную опускную трубу, нижний конец которой расположен в скважине. Нижний конец подъемной трубы и нижний конец отдельной опускной трубы могут сообщаться друг с другом по текучей среде для обеспечения циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине, причем подъемная труба расположена внутри отдельной опускной трубы.

В дополнительном альтернативном варианте осуществления трубопроводная обвязка может содержать отдельную опускную трубу, нижний конец которой расположен в скважине. Нижний конец подъемной трубы и нижний конец отдельной опускной трубы сообщаются друг с другом по текучей среде для обеспечения циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине. Кроме того, подъемная труба расположена внутри отдельной опускной трубы в скважине, и подъемная труба выступает на расстояние удлинения от нижнего конца опускной трубы к нижнему концу скважины.

Еще в одном альтернативном варианте осуществления трубопроводная обвязка может содержать отдельную опускную трубу, нижний конец которой расположен в скважине. Нижний конец подъемной трубы и нижний конец отдельной опускной трубы сообщаются друг с другом по текучей среде для обеспечения циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине. Отдельная опускная труба проходит от поверхности грунта в скважину на свободное расстояние от нижнего конца скважины, так что скважина образует опускную трубу вдоль свободного расстояния от нижнего конца скважины.

Кроме того, скважина может образовывать по существу всю опускную трубу, и подъемная труба расположена внутри скважины.

Кроме того, подъемная труба может быть расположена внутри опускной трубы в скважине таким образом, что подъемная труба выступает на расстояние удлинения от нижнего конца опускной трубы к нижнему концу скважины. В альтернативном варианте опускная труба может проходить от поверхности грунта в скважину на свободное расстояние от нижнего конца скважины, так что скважина может образовывать опускную трубу вдоль свободного расстояния от нижнего конца скважины. Соответственно, скважина может образовывать по меньшей мере часть опускной трубы, и подъемная труба расположена внутри скважины. Таким образом, скважина образует опускную трубу на нижнем конце скважины, так что передача тепла между первичной рабочей текучей средой и грунтом, окружающим нижний конец скважины, максимизируется, поскольку они находятся в непосредственном контакте.

Глубина скважины может составлять по меньшей мере 300 м или по меньшей мере 500 м, или от 300 до 3000 м, или от 300 до 5000 м. В настоящем изобретении геотермальное теплообменное устройство, геотермальная тепловая установка и способ особенно подходят для использования в связи с глубокими скважинами.

Установка может дополнительно содержать тепловой насос, соединенный с трубопроводной обвязкой и выполненный с возможностью обеспечения теплообменного соединения для вторичного теплообмена с первичной рабочей текучей средой.

В альтернативном варианте установка может содержать тепловой насос, соединенный с трубопроводной обвязкой и выполненный с возможностью обеспечения теплообменного соединения для вторичного теплообмена с первичной рабочей текучей средой. Тепловой насос выполнен с возможностью высвобождения тепловой энергии в первичную рабочую текучую среду для нагрева первичной рабочей текучей среды, а первый насос выполнен с возможностью осуществления циркуляции нагретой первичной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу скважины в подъемной трубе. Таким образом, тепловой насос работает в режиме охлаждения, в котором тепловую энергию высвобождают в первичную рабочую текучую среду или первичная рабочая текучая среда отбирает тепловую энергию в тепловом насосе.

В дополнительном альтернативном варианте осуществления изобретения установка может содержать теплообменное устройство, соединенное с трубопроводной обвязкой и выполненное с возможностью обеспечения теплообменного соединения для вторичного теплообмена с первичной рабочей текучей средой.

Еще в одном альтернативном варианте осуществления установка может содержать теплообменное устройство, соединенное с трубопроводной обвязкой и выполненное с возможностью обеспечения теплообменного соединения для вторичного теплообмена с первичной рабочей текучей средой. Теплообменное устройство выполнено с возможностью высвобождения тепловой энергии в первичную рабочую текучую среду для нагрева первичной рабочей текучей среды, а первый насос выполнен с возможностью осуществления циркуляции нагретой первичной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу скважины в подъемной трубе.

Кроме того, тепловой насос может быть выполнен с возможностью отбора тепловой энергии из первичной рабочей текучей среды для охлаждения первичной рабочей текучей среды, а первый насос может быть выполнен с возможностью осуществления циркуляции первичной рабочей текучей среды в направлении вверх по подъемной трубе от нижнего конца скважины. Таким образом, тепловой насос работает в режиме нагревания, в котором тепловую энергию высвобождают из первичной рабочей текучей среды в тепловом насосе.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу подачи тепловой энергии в грунт или скважину геотермальной тепловой установки. Способ включает осуществление циркуляции первичной рабочей текучей среды в геотермальном теплообменном устройстве, содержащем трубопроводную обвязку, имеющую подъемную трубу, расположенную в скважине, и опускную трубу, причем подъемная труба и опускная труба сообщаются друг с другом по текучей среде для обеспечения циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине для геотермального теплообмена в скважине. Скважина проходит от поверхности грунта в грунт и имеет нижний конец. Подъемная труба содержит первую теплоизоляцию, окружающую подъемную трубу по меньшей мере вдоль части длины подъемной трубы. Способ дополнительно включает обеспечение теплообмена между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой. Способ включает управление работой геотермального теплообменного устройства в режиме подачи, в котором первичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от вторичной рабочей текучей среды при теплообмене между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой, и осуществление циркуляции первичной рабочей текучей среды в режиме подачи в направлении вниз по подъемной трубе и в направлении вверх по опускной трубе для передачи тепловой энергии к нижнему концу скважины и для высвобождения тепловой энергии из первичной рабочей текучей среды в грунт на нижнем конце скважины. Способ обеспечивает возможность передачи тепловой энергии от вторичной рабочей текучей среды к нижнему концу скважины и возможность подачи тепловой энергии в грунт, окружающий нижний конец скважины, посредством теплообмена от первичной рабочей текучей среды.

Способ может дополнительно включать управление работой геотермального теплообменного устройства в режиме отбора, в котором первичная рабочая текучая среда высвобождает тепловую энергию во вторичную рабочую текучую среду при теплообмене между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой, и осуществление циркуляции первичной рабочей текучей среды в режиме отбора в направлении вниз по опускной трубе и в направлении вверх по подъемной трубе для передачи тепловой энергии из скважины и для высвобождения тепловой энергии из первичной рабочей текучей среды во вторичную рабочую текучую среду при теплообмене между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой. Соответственно, тепловая энергия, подаваемая в нижний конец скважины, может быть отобрана из грунта и использована для нагрева вторичной рабочей текучей среды.

Способ может дополнительно включать управление работой геотермального теплообменного устройства между режимом отбора и режимом подачи на основании измерения температуры в грунте или в скважине. В альтернативном варианте осуществления изобретения способ может включать управление работой геотермального теплообменного устройства между режимом отбора и режимом подачи на основании измерения температуры первичной рабочей текучей среды в первой или опускной трубе или в подъемной трубе и опускной трубе, или на основании измерения температуры вторичной рабочей текучей среды. В другом альтернативном варианте осуществления способ может включать управление работой геотермального теплообменного устройства между режимом отбора и режимом подачи на основании измерения температуры внутри здания или в окружающей атмосфере здания, причем геотермальное теплообменное устройство выполнено в связи со зданием. Кроме того, способ может дополнительно включать управление работой геотермального теплообменного устройства между режимом отбора и режимом подачи на основании заданного графика работы на основе внешних входных данных от сервиса внешних данных. Внешние входные данные могут быть, например, данными о погоде от внешней метеорологической службы или данными об электроэнергии или о тепловой энергии от электростанции или от электросети, или от тепловой сети. Следовательно, способ может быть применен в режиме отбора или в режиме подачи в зависимости от условий эксплуатации, температурных условий или других внешних условий.

Кроме того, способ может включать использование отработанного тепла вентиляционной системы здания в качестве источника для нагрева вторичной рабочей текучей среды или использование тепловой энергии промышленной установки, электростанции или завода в качестве источника для нагрева вторичной рабочей текучей среды, или использование избыточной тепловой энергии сервера данных или городского источника тепла в качестве источника для нагрева вторичной рабочей текучей среды, или производство тепловой энергии посредством использования энергии ветра, воды или солнца для нагрева вторичной рабочей текучей среды.

Способ может дополнительно включать обеспечение теплообмена между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой в тепловом насосе. В этом случае способ может включать управление работой теплового насоса в режиме охлаждения, в котором первичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от вторичной рабочей текучей среды в тепловом насосе, и управление работой геотермального теплообменного устройства в режиме подачи. В альтернативном варианте способ может включать управление работой теплового насоса в режиме нагрева, в котором вторичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от первичной рабочей текучей среды в тепловом насосе, и управление работой геотермального теплообменного устройства в режиме отбора. Еще в одном альтернативном варианте способ может включать управление работой теплового насоса в режиме охлаждения, в котором первичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от вторичной рабочей текучей среды в тепловом насосе, и управление работой геотермального теплообменного устройства в режиме подачи, а также управление работой теплового насоса в режиме нагрева, в котором вторичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от первичной рабочей текучей среды в тепловом насосе, и управление работой геотермального теплообменного устройства в режиме отбора. Соответственно, комбинация режима охлаждения и режима нагрева теплового насоса и режима подачи тепла и режима отбора тепла геотермального теплообменного устройства, соответственно, обеспечивает возможность накопления тепловой энергии в скважине и использования тепла скважины.

Преимущество изобретения заключается в обеспечении возможности передачи тепловой энергии посредством первичной рабочей текучей среды к нижнему концу или нижней части скважины при уменьшении теплообмена или потерь тепла во время прохождения потока первичной рабочей текучей среды по меньшей мере в частично теплоизолированной подъемной трубе. Следовательно, тепловая энергия может быть подана в грунт, окружающий скважину, на нижнем конце скважины. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает возможность накопления тепловой энергии в грунте и в нижнем конце скважины для дальнейшего отбора.

Краткое описание чертежей

Далее приведено описание изобретения посредством конкретных вариантов осуществления со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает схематический вид использующего теплоту грунта теплообменного устройства в соответствии с известным уровнем техники;

Фиг. 2 изображает схематический вид одного варианта осуществления использующей теплоту грунта установки теплообменного устройства в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 3 изображает схематический вид другого варианта осуществления использующей теплоту грунта установки теплообменного устройства в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 4 изображает схематический вид еще одного варианта осуществления использующей теплоту грунта установки теплообменного устройства в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 5 изображает схематический вид еще одного варианта осуществления использующей теплоту грунта установки теплообменного устройства в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 6 изображает схематический вид еще одного другого варианта осуществления использующей теплоту грунта установки теплообменного устройства в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 7 изображает схематический вид одного варианта осуществления использующего теплоту грунта теплообменного устройства в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 8 изображает схематический вид и подробный вид использующего теплоту грунта теплообменного устройства в соответствии с настоящим изобретением; и

Фиг. 9 изображает схематический вид одного варианта осуществления использующей теплоту грунта установки теплообменного устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Осуществление изобретения

На Фиг. 1 показаны известные геотермальное теплообменное устройство и геотермальная тепловая установка. Геотермальная тепловая установка включает в себя скважину 2 или буровую скважину, выполненную в грунте и проходящую вниз в грунт от поверхности 1 грунта. Скважина 2 выполнена посредством бурения. В контексте настоящей заявки глубина скважины 2 может составлять по меньшей мере 200 м или по меньшей мере 300 м, или от 300 до 3000 м, или от 500 до 2500 м.

Скважина может проходить на глубину ниже уровня грунтовых вод в грунте, то есть через уровень грунтовых вод. В альтернативном варианте скважина может проходить на глубину выше уровня грунтовых вод в грунте.

Следует отметить, что на фигурах схожие конструктивные части и конструкции обозначены одинаковыми ссылочными позициями, и их описание не повторяется в отношении каждой фигуры.

Кроме того, в настоящей заявке скважина 2 может быть скважиной любого типа, проходящей в грунт, она может представлять собой вертикальную скважину, прямую вертикальную или иную прямую скважину, проходящую в грунт под углом к поверхности грунта или к вертикальному направлению. Более того, скважина 2 может иметь один или более изгибов, и направление скважины может изменяться один или более раз вдоль длины в направлении к нижнему концу или дну скважины. Кроме того, следует отметить, что форма или вид подъемной трубы и опускной трубы могут предпочтительно соответствовать форме или виду скважины, по меньшей мере существенно, для обеспечения надлежащей установки подъемной трубы и опускной трубы в скважину. Предпочтительно, чтобы скважина проходила на глубину, как указано выше, но она может иметь один или более изгибов вдоль длины или может быть прямой.

Материал грунта на конце 4 скважины обычно представляет собой скальную породу.

В связи со скважиной 2 расположено геотермальное теплообменное устройство. Геотермальное теплообменное устройство содержит трубопроводную обвязку, в которой циркулирует первичная рабочая текучая среда. Трубопроводная обвязка обычно содержит трубопровод с замкнутым контуром, выполненный с возможностью обеспечения замкнутой циркуляции первичной рабочей текучей среды. Первичная рабочая текучая среда обычно представляет собой жидкость, такую как рабочие жидкости на основе воды, метанола или этанола. Трубопроводная обвязка содержит подъемную трубу 10 и отдельную опускную трубу 20, расположенные в скважине 2 таким образом, что они проходят от поверхности грунта к дну 4 скважины 2. Подъемная труба и опускная труба соединены друг с 5 другом патрубком 18 или коленом, так что они сообщаются друг с другом по текучей среде на нижних концах подъемной трубы 10 и опускной трубы 20 для обеспечения циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине 2 между подъемной трубой 10 и опускной трубой 20. Как показано на Фиг. 1, подъемная труба 10 и опускная труба 20 образуют U-образную трубную конструкцию. Может быть одна или более U-образных трубных конструкций или одна или более подъемных труб 10 и опускных труб 20, расположенных в одной и той же или в разных скважинах 2.

Геотермальное теплообменное устройство дополнительно содержит первый насос 8, соединенный с трубопроводной обвязкой 10, 20 для осуществления циркуляции первичной рабочей текучей среды в трубопроводной обвязке. Первый насос 8 может быть известным насосом любого типа, выполненным с возможностью осуществления циркуляции первичной рабочей текучей среды.

Геотермальное теплообменное устройство дополнительно соединено с тепловым насосом, в котором осуществляется теплообмен между первичной рабочей текучей средой и вторичной рабочей текучей средой. В тепловом насосе первичная рабочая текучая среда проходит в первичном контуре 32, а вторичная рабочая текучая среда проходит во вторичном контуре 34, и между первичным контуром 32 и вторичным контуром 34 осуществляется теплообмен. Тепловой насос может 30 быть общеизвестным тепловым насосом известного уровня техники.

На Фиг. 1 геотермальное теплообменное устройство и тепловой насос расположены в связи со зданием 50. Геотермальное теплообменное устройство используют для нагрева или охлаждения вентиляционного воздуха здания, и, таким образом, вентиляционный воздух образует вторичную рабочую текучую среду, которую подают к тепловому насосу. Первичную рабочую текучую среду перекачивают по подъемной трубе 10 в виде холодного первичного потока 12 вниз к нижнему концу 4 скважины 2. Температура грунта увеличивается в направлении глубины и к нижнему концу 4 скважины 2. Соответственно, первичная рабочая текучая среда отбирает тепловую энергию H из грунта в скважине 2 и проходит вверх к поверхности 1 грунта по отдельной опускной трубе 20 в виде нагретого первичного потока 22. Нагретый первичный поток 22 поступает в тепловой насос и передает тепловую энергию холодному вторичному потоку 54 из здания 50. Таким образом, температура первичной рабочей текучей среды снижается, и первичная рабочая текучая среда выходит из теплового насоса в виде холодного первичного потока 12 для новой циркуляции. Аналогичным образом, температура вторичной рабочей текучей среды повышается в тепловом насосе, и вторичная рабочая текучая среда выходит из теплового насоса в виде нагретого вторичного потока 52. Обработка и циркуляция первичного и вторичного потоков могут быть изменены с режима нагрева, как описано выше, на режим охлаждения, в котором первичный и вторичный потоки, а также теплопередача поменяны местами для охлаждения вентиляционного воздуха здания 50.

На Фиг. 2 показан один вариант осуществления настоящего изобретения. В настоящем изобретении геотермальное теплообменное устройство выполнено с возможностью подачи тепловой энергии в грунт, окружающий скважину 2, в частности на нижнем конце 4 скважины 2. Конструкция геотермального теплообменного устройства и геотермальной тепловой установки соответствует варианту осуществления на Фиг. 1.

Соответственно, горячий вторичный поток 52 выполнен с возможностью высвобождения тепловой энергии в первичную рабочую текучую среду в тепловом насосе, так что из теплового насоса выходит холодный вторичный поток 54, и температура вторичной рабочей текучей среды снижается в тепловом насосе. Первый насос 8 выполнен с возможностью осуществления циркуляции первичной рабочей текучей среды в направлении вниз по подъемной трубе 10 в виде нагретого первичного потока 22, и вверх по опускной трубе 20 в виде холодного первичного потока, поскольку первичная рабочая текучая среда высвобождает тепловую энергию C из нагретого первичного потока в грунт.

Как показано на чертежах, тепловой насос или теплообменное соединение расположены на трубопроводной обвязке или соединены с трубопроводной обвязкой за пределами скважины 2. Трубопроводная обвязка может обеспечивать замкнутый циркуляционный трубопровод для первичной рабочей текучей среды, и, таким образом, имеется соединительный трубопровод, соединяющий подъемную трубу 10 и опускную трубу 20 за пределами скважины 2 для обеспечения замкнутого циркуляционного трубопровода. Кроме того, тепловой насос может представлять собой любое другое теплообменное соединение, например, вторичное теплообменное устройство. Тепловое соединение 30 обеспечивает теплообмен между первичной рабочей текучей средой и вторичной рабочей текучей средой. Кроме того, следует отметить, что может быть обеспечено более одного теплообменного соединения в связи с трубопроводной обвязкой.

В одном варианте осуществления теплообменное соединение 30 может быть соединением источника тепла для высвобождения тепловой энергии в первичную рабочую текучую среду и далее в грунт.

В соответствии с настоящим изобретением подъемная труба 10 содержит первую теплоизоляцию 25, окружающую подъемную трубу 10 по меньшей мере вдоль части длины подъемной трубы 10. Первая теплоизоляция 25 проходит от поверхности 1 грунта вдоль подъемной трубы 10 вниз к нижнему концу 4 скважины 2. Первая теплоизоляция уменьшает передачу тепла от нагретого первичного потока 22 первичной рабочей текучей среды вдоль подъемной трубы 10 к грунту, окружающему скважину 2, и к опускной трубе 20 и холодному первичному потоку 12 в опускной трубе 20. Следует отметить, что первая теплоизоляция 25 может также проходить от места выше поверхности 1 грунта, от верхнего конца 7 подъемной трубы 10 или от теплового насоса к нижнему концу 4 скважины 2. Подъемная труба 10 может содержать слой изоляционного материала на наружной поверхности подъемной трубы 10 или на внутренней поверхности подъемной трубы 10. Слой изоляционного материала выполнен с возможностью образования первой теплоизоляции 25. Слой изоляционного материала может быть выполнен из любого известного изоляционного материала, и настоящее изобретение не ограничено каким-либо конкретным изоляционным материалом. Кроме того, следует отметить, что тепловой насос может являться тепловым насосом любого известного типа или теплообменным соединением любого типа, в котором первичная рабочая текучая среда может получать тепловую энергию за пределами скважины 2 и с которым может быть соединено геотермальное теплообменное устройство или его трубопроводная обвязка.

В варианте осуществления, показанном на Фиг. 2, подъемная труба 10 и опускная труба 20 расположены на расстоянии друг от друга и соединены друг с другом при помощи патрубка 18 или колена на нижних концах подъемной трубы 10 и опускной трубы 20. Иными словами, подъемная труба 10 и опускная труба 20 образуют U-образную трубную конструкцию. Однако следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено какой-либо конкретной трубной конструкцией подъемной трубы 10 и опускной трубы 20 или каким-либо количеством подъемных труб 10 и опускных труб 20.

В варианте осуществления, показанном на Фиг. 2, первая теплоизоляция проходит вдоль подъемной трубы 10 на расстояние от нижнего конца подъемной трубы 10 или патрубка 18 или колена.

Теплоизоляция 25 вместе с нагретым первичным потоком 22, обеспечиваемым первым насосом 8 в подъемной трубе 10, уменьшает или минимизирует передачу тепла от нагретого первичного потока 22 в подъемной трубе 10, так что первичная рабочая текучая среда может быть передана в нагретом виде или при повышенной температуре к нижнему концу первой трубы 10 и нижнему концу 4 скважины 2. Соответственно, первичная рабочая текучая среда высвобождает тепловую энергию C при повышенной температуре в грунт, окружающий скважину 2 на нижнем конце скважины 2, и, таким образом, подает тепловую энергию в грунт для последующего использования.

Первый насос 8 может быть реверсивным насосом, выполненным с возможностью перекачивания первичной рабочей текучей среды в направлении вниз по подъемной трубе 10 и вверх по опускной трубе 20 или альтернативно в направлении вниз по опускной трубе 20 и вверх по подъемной трубе 10. Первый режим работы представляет собой режим подачи, в котором тепловую энергию подают в грунт, а второй режим работы представляет собой обратный режим, то есть режим отбора, в котором поданную тепловую энергию отбирают из грунта. Геотермальное теплообменное устройство или геотермальная тепловая установка может дополнительно содержать блок 60 управления, подключенный к первому насосу 8 при помощи насосного соединения 61 и выполненный с возможностью управления направлением работы реверсивного первого насоса 8 между режимом подачи и режимом отбора.

Кроме того, блок 60 управления может быть подключен к теплообменному соединению 30 при помощи информационного соединения 62 и выполнен с возможностью управления работой первого насоса 8 в зависимости от рабочего состояния теплообменного соединения 30, например, в зависимости от температуры первичной и/или вторичной текучей среды в теплообменном соединении 30.

На Фиг. 3 показан другой вариант осуществления, в котором подъемная труба 11 расположена внутри отдельной опускной трубы 21. В остальном вариант осуществления, представленный на Фиг. 3, соответствует варианту осуществления, представленному на Фиг. 2. В этом варианте осуществления подъемная труба 11 и опускная труба 21 вложены друг в друга или могут быть расположены соосно друг с другом, так что подъемная труба 11 находится внутри опускной трубы 21. Нагретый первичный поток 22 проходит вниз по подъемной трубе 11, содержащей первую теплоизоляцию 25, и выходит из подъемной трубы 11 из открытого нижнего конца 17 подъемной трубы 11 в опускную трубу 21, окружающую подъемную трубу 11. Первичная рабочая текучая среда высвобождает тепловую энергию C в грунт на нижнем конце 13 опускной трубы 21 или на нижнем конце 4 скважины 2, а затем проходит в виде холодного первичного потока 12 вверх по опускной трубе 21. Первая теплоизоляция 25 уменьшает или сводит к минимуму передачу тепла между подъемной трубой 11 и опускной трубой 21, а также между нагретым потоком 22 и холодным потоком 12.

Как показано на Фиг. 3, теплоизоляция 25 проходит на некоторое расстояние от нижнего конца 17 подъемной трубы 17.

В варианте осуществления, представленном на Фиг. 3, опускная труба 21 представляет собой трубу, имеющую закрытый нижний конец 13 и проходящую внутри скважины 2 до нижнего конца 4 скважины вблизи него. Соответственно, подъемная труба 11 полностью находится внутри опускной трубы 21 в скважине 2, и первичная рабочая текучая среда не контактирует непосредственно с грунтом.

На Фиг. 4 показан вариант осуществления, соответствующий варианту осуществления, представленному на Фиг. 3. В этом варианте осуществления первая теплоизоляция 25 проходит от поверхности 1 грунта к нижнему концу 17 подъемной трубы 11. Таким образом, первая теплоизоляция 25 может проходить по всей длине подъемной трубы 11, по меньшей мере внутри скважины 2 или опускной трубы 21. Первая теплоизоляция 25 может также проходить по всей длине подъемной трубы 11.

В этом варианте осуществления подъемная труба 11 может представлять собой вакуумированную трубу, содержащую вакуумный слой, окружающий проточный канал подъемной трубы 11. Таким образом, вакуумный слой выполнен с возможностью образования первой теплоизоляции 25. Она также может содержать любой другой изоляционный материал.

В этом варианте осуществления первая теплоизоляция проходит вдоль подъемной трубы 11 к нижнему концу 17 подъемной трубы 11.

Геотермальное теплообменное устройство, представленное на Фиг. 4, содержит второй насос 9, выполненный с возможностью перекачивания первичной рабочей текучей среды в направлении вниз по опускной трубе 21 и вверх по подъемной трубе 11, когда геотермальное теплообменное устройство и геотермальная тепловая установка находятся в режиме отбора тепла. Соответственно, первый насос 8 выполнен с возможностью работы в режиме подачи тепла, а второй насос 9 выполнен с возможностью работы в режиме отбора тепла.

Блок 60 управления может быть соединен с первым насосом 8 и со вторым насосом 9 и выполнен с возможностью управления работой первого насоса 8 и второго насоса 9 для установки направления циркуляции первичной рабочей текучей среды в соответствии с режимом подачи тепла или режимом отбора тепла при необходимости.

На Фиг. 4 отсутствует отдельная опускная труба 21, а скважина 2 выполнена с возможностью образования опускной трубы 21.

На Фиг. 5 изображена модификация варианта осуществления, представленного на Фиг. 4. В этом варианте осуществления подъемная труба 11 расположена внутри опускной трубы 21 в скважине 2. Отдельная опускная труба 21 проходит от поверхности 1 грунта в скважину 2 вдоль расстояния N проникновения и на свободное расстояние Р от нижнего конца 4 скважины 2, так что скважина 2 образует опускную трубу вдоль свободного расстояния Р от нижнего конца скважины 2.

Кроме того, подъемная труба 11 проходит на расстояние M удлинения от нижнего конца 13 отдельной опускной трубы 21 к нижнему концу 4 скважины 2. Таким образом, подъемная труба 11 проходит на свободное расстояние Р. Таким образом, в этом варианте осуществления скважина 2 образует по меньшей мере часть опускной трубы. Скважина 2 образует опускную трубу вдоль свободного расстояния P от нижнего конца 4 скважины 2 или между нижним концом 4 скважины 2 и нижним концом 13 отдельной опускной трубы 21.

Первая теплоизоляция 25 проходит к нижнему концу 17 подъемной трубы 11. Однако первая теплоизоляция 25 может также проходить только до нижнего конца 13 отдельной опускной трубы 21 или между нижним концом 13 опускной трубы 21 и нижним концом 17 подъемной трубы 11.

На Фиг. 6 изображен вариант осуществления изобретения, в котором опускная труба 21 также содержит вторую теплоизоляцию 15, окружающую опускную трубу 21 по меньшей мере вдоль части длины опускной трубы 21. Вторая теплоизоляция 15 может быть выполнена аналогично первой теплоизоляции 25. Следовательно, всё, что описано в отношении первой теплоизоляции 25, применимо также и ко второй теплоизоляции 15. Вторая теплоизоляция 15 может быть расположена на внутренней или наружной поверхности опускной трубы 21. Вторая теплоизоляция 15 может проходить вдоль опускной трубы 21 до нижнего конца 13 опускной трубы 21 или на некоторое расстояние от нижнего конца 13. Таким образом, первичная рабочая текучая среда может высвобождать тепловую энергию в грунт только на нижнем конце 4 скважины 2 или вблизи него, а теплообмен между холодным первичным потоком 12 и грунтом и нагретым первичным потоком 22 уменьшен. Это может предотвратить нагрев холодного первичного потока 12 в верхней части опускной трубы 21, если температура грунта выше, чем температура холодного первичного потока в верхней части скважины 2.

В варианте осуществления, представленном на Фиг. 2-6, теплопроводность первой теплоизоляции 25 является равномерной в направлении вдоль подъемной трубы 10, 11. На Фиг. 7 показан вариант осуществления, в котором теплопроводность первой теплоизоляции 25 уменьшается в направлении к нижнему концу 17 подъемной трубы 11. В этом варианте осуществления толщина первой теплоизоляции 25 выполнена с возможностью уменьшения в направлении к нижнему концу 17 подъемной трубы 11, так что теплопроводность первой теплоизоляции 25 уменьшается в направлении к нижнему концу 17 подъемной трубы 11. Это обеспечивает возможность постепенного увеличения передачи тепла от нагретого первичного потока 22 к холодному первичному потоку 12 и грунту при его прохождении к нижнему концу 17 подъемной трубы 11 и нижнему концу 4 скважины 2. Скважина 2 образует по меньшей мере часть опускной трубы 21.

На Фиг. 8 схематично показаны возможные размеры первой теплоизоляции 25. Подъемная труба 11 имеет верхний конец 7 и нижний конец 17. Опускная труба 21 имеет верхний конец 27 и нижний конец 13. Скважина 2 проходит от поверхности 1 грунта к нижнему концу 4 скважины 2.

В одном варианте осуществления изобретения первая теплоизоляция 25 может проходить от верхнего конца 7 подъемной трубы 11 к нижнему концу 17 подъемной трубы 11 вдоль по меньшей мере 50% длины L подъемной трубы 11 или по меньшей мере 2/3 длины L подъемной трубы 11, как обозначено буквой I на Фиг. 8.

В другом варианте осуществления первая теплоизоляция 25 может проходить от заданного расстояния О от нижнего конца 17 подъемной трубы 11 вверх вдоль подъемной трубы 11. Заданное расстояние О от нижнего конца 17 подъемной трубы 11 может составлять по меньшей мере 10% длины L подъемной трубы 11 или по меньшей мере 20% длины L подъемной трубы 11.

В альтернативном варианте осуществления первая теплоизоляция 25 проходит вдоль подъемной трубы 11 от поверхности 1 грунта к нижнему концу 4 скважины 2 или к нижнему концу 13 опускной трубы 21 и по меньшей мере на 50% глубины D скважины 2 или по меньшей мере на 2/3 глубины D скважины 2, как обозначено буквой J на Фиг. 8.

В другом альтернативном варианте осуществления первая теплоизоляция 25 может проходить от заданного расстояния Е от нижнего конца 4 скважины 2 или от нижнего конца 13 опускной трубы 21 вверх вдоль подъемной трубы 11. Заданное расстояние Е от нижнего конца 4 скважины 2 или от нижнего конца 13 опускной трубы 21 может составлять по меньшей мере 10% глубины D скважины 2 или по меньшей мере 20% глубины D скважины 2 или длины опускной трубы 21.

На Фиг. 9 схематично показана работа блока 60 управления для управления работой геотермальной тепловой установки. Геотермальная тепловая установка может содержать один или более температурных датчиков 71 для измерения температуры, например, внутри здания 50, в атмосфере, окружающей здание 50, в вентиляционной системе здания 50 или в любом другом внешнем месте. По меньшей мере один температурный датчик 71 может быть соединен с блоком 60 управления, и блок 60 управления может быть выполнен с возможностью управления работой первого насоса 8 или первого и второго насосов 8, 9 в ответ на входной температурный сигнал по меньшей мере от одного температурного датчика 71.

В альтернативном или дополнительном варианте геотермальная тепловая установка может содержать один или более датчиков 75, 77, установленных на подъемной трубе 11 и/или опускной трубе 21. Эти датчики могут быть температурными датчиками, датчиками потока или датчиками другого типа, измеряющими нагретый первичный поток 22 и холодный первичный поток 12. Один или более датчиков 75, 77 могут быть соединены с блоком 60 управления, и блок 60 управления может быть выполнен с возможностью управления работой первого насоса 8 или первого и второго насосов 8, 9 ответ на входной измерительный сигнал от одного или более датчиков 75, 77 в подъемной трубе 11 и/или опускной трубе 21.

Кроме того, геотермальная тепловая установка может содержать таймер 73 или оборудование ручного управления, подключенное к блоку 60 управления. Блок 60 управления выполнен с возможностью управления работой первого насоса 8 или первого и/или второго насоса 8, 9 в ответ на входной сигнал таймера от таймера 73 или входной сигнал ручного управления от оборудования ручного управления.

Кроме того, блок 60 управления может быть соединен при помощи соединения 100 передачи данных с сервисом 102 внешних данных, так что блок 60 управления может быть выполнен с возможностью управления первым насосом 8 или первым и/или вторым насосом 8, 9 в ответ на входные данные от 15 сервиса 102 внешних данных. Соединение 100 передачи данных может представлять собой любой известный тип беспроводного или проводного соединения передачи данных, например, интернет-соединение, локальную сеть, сеть мобильной связи и т.п. Внешний сервис 102 или внешняя база данных может представлять собой любой подходящий сервис или базу данных, от которых блок управления может получать эксплуатационные данные для управления работой первого насоса 8 или первого и второго насосов 8, 9.

В варианте осуществления, представленном на Фиг. 2-9, теплообменное соединение 30 предпочтительно содержит тепловой насос, соединенный с трубопроводной обвязкой 10, 11,20, 21 и выполненный с возможностью обеспечения теплообменного соединения 30 для вторичного теплообмена с первичной рабочей текучей средой. Тепловой насос может быть выполнен с возможностью высвобождения тепловой энергии в первичную рабочую текучую среду для нагрева первичной рабочей текучей среды, а первый насос 8 может быть выполнен с возможностью осуществления циркуляции нагретой первичной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу 4 скважины 2 по подъемной трубе 10, 11. Это обеспечивает возможность передачи тепловой энергии к нижнему концу 4 скважины 2 в изолированной подъемной трубе 10, 11 и подачи тепловой энергии в грунт на нижнем конце 4 скважины 2. Таким образом, тепловой насос работает в режиме охлаждения, а геотермальное теплообменное устройство - в режиме подачи.

Кроме того, тепловой насос может быть выполнен с возможностью отбора тепловой энергии из первичной рабочей текучей среды для охлаждения первичной рабочей текучей среды, а первый насос 8 может быть выполнен с возможностью осуществления циркуляции первичной рабочей текучей среды в направлении вверх по подъемной трубе 10, 11 от нижнего конца 4 скважины 2.

Таким образом, тепловой насос работает в режиме нагрева, а геотермальное теплообменное устройство - в режиме отбора.

Тепловой насос может быть также заменен теплообменным устройством. Однако управление рабочими температурами в режимах подачи и отбора тепла затруднено.

Геотермальное теплообменное устройство и геотермальная тепловая установка, предложенные в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивают возможность применения эффективного способа подачи тепловой энергии в грунт и дополнительного использования поданной тепловой энергии для дальнейших целей.

Соответственно, способ включает осуществление циркуляции первичной рабочей текучей среды в геотермальном теплообменном устройстве и обеспечение теплообмена между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной текучей средой, так что первичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от вторичной рабочей текучей среды, и температура первичной рабочей текучей среды повышается. Таким образом, геотермальная тепловая установка работает в режиме подачи, в котором первичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от вторичной рабочей текучей среды при теплообмене между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой. Первичная рабочая текучая среда далее циркулирует в режиме подачи в направлении вниз по подъемной трубе 10, 11 и в направлении вверх по опускной трубе 20, 21 для передачи тепловой энергии, то есть первичной рабочей текучей среды или нагретого первичного потока 22 повышенной температуры, к нижнему концу 4 скважины 2 и для высвобождения тепловой энергии из первичной рабочей текучей среды в грунт на нижнем конце скважины 2. Таким образом, тепловую энергию подают в грунт на нижнем конце 4 скважины 2.

Кроме того, способ может включать управление работой геотермальной тепловой установки в режиме отбора, в котором первичная рабочая текучая среда высвобождает тепловую энергию во вторичную рабочую текучую среду при теплообмене между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой. В режиме отбора первичная рабочая текучая среда может циркулировать вниз по опускной трубе 20, 21 и вверх по подъемной трубе 10, 11 для передачи тепловой энергии, то есть первичной рабочей текучей среды или нагретого первичного потока при повышенной температуре, от скважины 2 и для высвобождения тепловой энергии из первичной рабочей текучей среды во вторичную рабочую текучую среду при теплообмене между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой.

Обеспечение теплообмена между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой может включать в себя использование любого вида источника тепла или дополнительного источника тепла для передачи тепловой энергии вторичной рабочей текучей среде. Дополнительный источник тепла может быть таким, что он не связан со способом и установкой во время режима отбора, в котором происходит отбор тепловой энергии из скважины 2. Соответственно, способ может включать использование отработанного тепла вентиляционной системы здания 50, тепловой энергии промышленной установки, электростанции или завода или избыточной тепловой энергии сервера данных или городского источника тепла в качестве источника для нагрева вторичной рабочей текучей среды.

В альтернативном варианте осуществления способ может включать производство тепловой энергии за счет использования энергии ветра, воды или солнца для нагрева вторичной рабочей текучей среды.

В альтернативном варианте осуществления способ может включать производство тепловой энергии за счет использования энергии ветра, воды или солнца для нагрева вторичной рабочей текучей среды.

Кроме того, способ может включать обеспечение теплообмена между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой в тепловом насосе. Таким образом, способ может включать управление работой теплового насоса в режиме охлаждения, в котором первичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от вторичной рабочей текучей среды в тепловом насосе, и управление работой геотермального теплообменного устройства в режиме подачи.

В альтернативном варианте способ может включать управление работой теплового насоса в режиме нагрева, в котором вторичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от первичной рабочей текучей среды в тепловом насосе, и управление работой геотермального теплообменного устройства в режиме отбора.

Кроме того, способ может включать управление работой теплового насоса в режиме охлаждения, в котором первичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от вторичной рабочей текучей среды в тепловом насосе, и управление работой геотермального теплообменного устройства в режиме подачи, а также управление работой теплового насоса в режиме нагрева, в котором вторичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от первичной рабочей текучей среды в тепловом насосе, и управление работой геотермального теплообменного устройства в режиме отбора.

Изобретение описано выше со ссылкой на примеры, показанные на чертежах. Однако изобретение ни в коей мере не ограничено вышеописанными примерами и может варьироваться в пределах объема формулы изобретения.

Изобретение относится к геотермальной тепловой установке и способу в связи с геотермальной тепловой установкой. Геотермальная тепловая установка содержит скважину (2), выполненную в грунте, проходящую в грунт от поверхности (1) грунта и имеющую нижний конец (4); трубопроводную обвязку (10, 11, 20, 21), содержащую подъемную трубу (10, 11), имеющую нижний конец (17) и расположенную в скважине (2), отдельную опускную трубу (20, 21), имеющую нижний конец (4, 13), причем нижний конец (17) подъемной трубы (10, 11) и нижний конец (4, 13) отдельной опускной трубы (20, 21) сообщаются друг с другом по текучей среде для обеспечения циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине (2); подъемную трубу (10, 11), содержащую первую теплоизоляцию (25), окружающую подъемную трубу (10, 11) по меньшей мере вдоль части длины подъемной трубы (10, 11); первый насос (8), соединенный с трубопроводной обвязкой (10, 11, 20, 21) и выполненный с возможностью осуществления циркуляции первичной рабочей текучей среды в подъемной трубе (10, 11); и теплообменное соединение (30) в связи с трубопроводной обвязкой (10, 11, 20, 21) для вторичного теплообмена с первичной рабочей текучей средой, причем подъемная труба (10, 11) расположена внутри отдельной опускной трубы (20, 21) в скважине (2); глубина скважины (2) составляет по меньшей мере 300 м; и первый насос (8) выполнен с возможностью осуществления циркуляции первичной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу (4) скважины (2) по подъемной трубе (10, 11) и к поверхности (1) грунта по отдельной опускной трубе (20, 21). Технический результат заключается в увеличении скорости отбора тепла и КПД геотермальной тепловой установки. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Геотермальная тепловая установка, содержащая:

- скважину (2), выполненную в грунте и проходящую в грунт от поверхности (1) грунта, причем скважина (2) имеет нижний конец (4);

- трубопроводную обвязку (10, 11, 20, 21), содержащую подъемную трубу (10, 11), имеющую нижний конец (17) и расположенную в скважине (2), опускную трубу (20, 21), имеющую нижний конец (4, 13), причем нижний конец (17) подъемной трубы (10, 11) и нижний конец (4, 13) опускной трубы (20, 21) сообщаются друг с другом по текучей среде для обеспечения циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине (2);

- подъемная труба (10, 11) содержит первую теплоизоляцию (25), окружающую подъемную трубу (10, 11) по меньшей мере вдоль части длины подъемной трубы (10, 11);

- первый насос (8), соединенный с трубопроводной обвязкой (10, 11, 20, 21) и выполненный с возможностью осуществления циркуляции первичной рабочей текучей среды в подъемной трубе (10, 11); и

- теплообменное соединение (30) в связи с трубопроводной обвязкой (10, 11, 20, 21) для вторичного теплообмена с первичной рабочей текучей средой,

отличающаяся тем, что:

- подъемная труба (10, 11) расположена внутри опускной трубы (20, 21) в скважине (2);

- глубина скважины (2) составляет по меньшей мере 300 м; и

- первый насос (8) выполнен с возможностью осуществления циркуляции первичной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу (4) скважины (2) по подъемной трубе (10, 11) и к поверхности (1) грунта по опускной трубе (20, 21).

2. Геотермальная тепловая установка по п. 1, отличающаяся тем, что:

- скважина (2) образует по меньшей мере часть опускной трубы (20, 21) для циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине (2);

- трубопроводная обвязка (10, 11, 20, 21) содержит отдельную опускную трубу (20, 21), имеющую нижний конец (13), расположенный в скважине (2), причем нижний конец (17) подъемной трубы (10, 11) и нижний конец (13) отдельной опускной трубы (20, 21) сообщаются друг с другом по текучей среде для обеспечения циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине (2), а подъемная труба (10, 11) расположена внутри отдельной опускной трубы (20, 21); или

- трубопроводная обвязка (10, 11, 20, 21) содержит отдельную опускную трубу (20, 21), имеющую нижний конец (13), расположенный в скважине (2), причем нижний конец (17) подъемной трубы (10, 11) и нижний конец (13) отдельной опускной трубы (20, 21) сообщаются друг с другом по текучей среде для обеспечения циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине (2); и

- подъемная труба (10, 11) расположена внутри отдельной опускной трубы (20, 21) в скважине (2) и выступает на расстояние (М) удлинения из нижнего конца (13) отдельной опускной трубы (20, 21) в направлении нижнего конца (4) скважины (2); или

- трубопроводная обвязка (10, 11, 20, 21) содержит отдельную опускную трубу (20, 21), имеющую нижний конец (13), расположенный в скважине (2), причем нижний конец (17) подъемной трубы (10, 11) и нижний конец (13) отдельной опускной трубы (20, 21) сообщаются друг с другом по текучей среде для обеспечения циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине (2); и

- отдельная опускная труба (20, 21) проходит от поверхности (1) грунта в скважину (2) на свободное расстояние (Р) от нижнего конца (4) скважины (2), так что скважина (2) образует отдельную опускную трубу вдоль свободного расстояния (Р) от нижнего конца скважины (2); или

- скважина (2) образует отдельную опускную трубу (20, 21), а подъемная труба расположена внутри скважины (2).

3. Геотермальная тепловая установка по любому из пп. 1, 2, отличающаяся тем, что:

- первая теплоизоляция (25) проходит вдоль подъемной трубы (10, 11) от поверхности (1) грунта к нижнему концу (4) скважины (2) и по меньшей мере вдоль 50% глубины (D) скважины (2) или по меньшей мере 2/3 глубины (D) скважины (2); или

- первая теплоизоляция (25) проходит от заданного расстояния (Е) от нижнего конца (4) скважины (2) вверх вдоль подъемной трубы (10, 11), причем заданное расстояние (Е) от нижнего конца (4) скважины (2) составляет по меньшей мере 10% глубины (D) скважины (2) или по меньшей мере 20% глубины (D) скважины (2); или

- первая теплоизоляция (25) проходит вдоль подъемной трубы (10, 11) между поверхностью (1) грунта и нижним концом (4) скважины (2) и от заданного расстояния (Е) от нижнего конца (4) скважины (2) вдоль подъемной трубы (10, 11) к поверхности (1) грунта вдоль подъемной трубы (10, 11), и от заданного расстояния от поверхности (1) грунта к нижнему концу (4) скважины (2).

4. Геотермальная тепловая установка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что:

- теплопроводность первой теплоизоляции (25) является равномерной в направлении вдоль скважины (2); или

- теплопроводность первой теплоизоляции (25) уменьшается в направлении к нижнему концу (4) скважины (2); или

- толщина первой теплоизоляции (25) уменьшается в направлении к нижнему концу (4) скважины (2), так что теплопроводность первой теплоизоляции (25) уменьшается в направлении к нижнему концу (4) скважины (2); или

- первая теплоизоляция (25) содержит по меньшей мере два разных теплоизоляционных материала, расположенных на подъемной трубе (10, 11), так что теплопроводность первой теплоизоляции (25) уменьшается в направлении к нижнему концу (4) скважины (2).

5. Геотермальная тепловая установка по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что:

- первый насос (8) представляет собой реверсивный насос, выполненный с возможностью перекачивания первичной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу (4) скважины (2) по подъемной трубе (10, 11) и вверх к поверхности (1) грунта по опускной трубе (20, 21) или к нижнему концу (4) скважины (2) по опускной трубе (20, 21) и вверх к поверхности (1) грунта по подъемной трубе (10, 11), и геотермальная тепловая установка содержит блок (60) управления, соединенный с первым насосом (8) и выполненный с возможностью управления направлением работы реверсивного первого насоса (8); или

- геотермальная тепловая установка содержит второй насос (9), выполненный с возможностью перекачивания первичной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу (4) скважины (2) по опускной трубе (20, 21) и вверх к поверхности (1) грунта по подъемной трубе (10, 11), и геотермальная тепловая установка содержит блок (60) управления, соединенный с первым насосом (8) и со вторым насосом (9) и выполненный с возможностью управления работой первого насоса (8) и второго насоса (9) для установки направления циркуляции первичной рабочей текучей среды.

6. Геотермальная тепловая установка по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что содержит:

- тепловой насос, соединенный с трубопроводной обвязкой (10, 11, 20, 21) и выполненный с возможностью обеспечения теплообменного соединения (30) для вторичного теплообмена с первичной рабочей текучей средой;

- тепловой насос выполнен с возможностью высвобождения тепловой энергии в первичную рабочую текучую среду для нагрева первичной рабочей текучей среды; и

- первый насос (8) выполнен с возможностью осуществления циркуляции нагретой первичной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу (4) скважины (2) по

подъемной трубе (10, 11); или

- теплообменное устройство (30), соединенное с трубопроводной обвязкой (10, 11, 20, 21) и выполненное с возможностью обеспечения теплообменного соединения (30) для вторичного теплообмена с первичной рабочей текучей средой;

- теплообменное устройство (30) выполнено с возможностью высвобождения тепловой энергии в первичную рабочую текучую среду для нагрева первичной рабочей текучей среды; и

- первый насос (8) выполнен с возможностью осуществления циркуляции нагретой первичной рабочей текучей среды в направлении к нижнему концу (4) скважины (2) по подъемной трубе (10, 11).

7. Способ подачи тепловой энергии в грунт, включающий:

- осуществление циркуляции первичной рабочей текучей среды в геотермальном теплообменном устройстве, содержащем трубопроводную обвязку (10, 11, 20, 21), имеющую подъемную трубу (10, 11), расположенную в скважине (2), и опускную трубу (20, 21), причем подъемная труба (10, 11) и опускная труба (20, 21) сообщаются друг с другом по текучей среде для обеспечения циркуляции первичной рабочей текучей среды в скважине (2) для геотермального теплообмена в скважине (2),, скважина (2) проходит от поверхности (1) грунта в грунт и имеет нижний конец (4), а подъемная труба (10, 11) содержит первую теплоизоляцию (25), окружающую подъемную трубу (10, 11) по меньшей мере вдоль части длины подъемной трубы (10, 11); и

- обеспечение теплообмена между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой, отличающийся тем, что включает:

- управление работой геотермального теплообменного устройства в режиме подачи, в котором первичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от вторичной рабочей текучей среды при теплообмене между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой; и

- обеспечение циркуляции первичной рабочей текучей среды в режиме подачи в направлении вниз по подъемной трубе (10, 11) и в направлении вверх по опускной трубе (20, 21) для передачи тепловой энергии к нижнему концу (4) скважины (2) и для высвобождения тепловой энергии из первичной рабочей текучей среды в грунт на нижнем конце скважины (2).

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что включает:

- управление работой геотермального теплообменного устройства в режиме отбора, в котором первичная рабочая текучая среда высвобождает тепловую энергию во вторичную рабочую текучую среду при теплообмене между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой; и

- обеспечение циркуляции первичной рабочей текучей среды в режиме отбора вниз по опускной трубе (20, 21) и вверх по подъемной трубе (10, 11) для передачи тепловой энергии из скважины (2) и для высвобождения тепловой энергии из первичной рабочей текучей среды во вторичную рабочую текучую среду при теплообмене между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой.

9. Способ по любому из пп. 7, 8, отличающийся тем, что включает обеспечение теплообмена между первичной рабочей текучей средой, циркулирующей в геотермальном теплообменном устройстве, и вторичной рабочей текучей средой в тепловом насосе, причем способ дополнительно включает:

- управление работой теплового насоса в режиме охлаждения, в котором первичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от вторичной рабочей текучей среды в тепловом насосе, и управление работой геотермального теплообменного устройства в режиме подачи; или

- управление работой теплового насоса в режиме нагрева, в котором вторичная рабочая текучая среда получает тепловую энергию от первичной рабочей текучей среды в тепловом насосе, и управление работой геотермального теплообменного устройства в режиме отбора.

10. Способ по любому из пп. 7-9, отличающийся тем, что включает осуществление циркуляции первичной рабочей текучей среды в геотермальной тепловой установке, которая является геотермальной тепловой установкой по любому из пп. 1-6.