用于加热和空气调节应用的大地耦合热交换制造技术

本发明专利技术提供了用于冷却和／或加热构筑物的系统和方法。一般而言，用于加热或冷却构筑物的系统可包括至少一个与蓄热材料如一定体积的土热壤热连通的热虹吸管。该热虹吸管可部分地填充有传热流体，热交换器在操作上连接至热虹吸管，其与构筑物热连通。取决于系统是在充装或在使用，热能可以以被动模式或有辅助模式在蓄热材料与构筑物之间传递。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体涉及大地耦合/ 土壤源/地源热虹吸管(ground-coupled thermosiphon)。更具体地，本专利技术涉及使用大地耦合热虹吸管加热和冷却构筑物的方法和 系统。因此，本专利技术涉及地热工程、热力学和材料科学领域。
技术介绍
加热/供热和空气调节系统在全世界范围内都有需求，但通常能耗大且费用昂 贵。对于住宅系统而言，此类系统的成本通常在数千美元的级别，对于商业场所而言甚至更 高。另外，它们一般需要大量能量来获得满意的性能，从而增加了成本和进一步加重了社会 能源的负担。一般而言，加热和冷却成本可高达建筑物的总年度使用成本的75%，并且根据 一些估算占总能耗的高达45%。与此类系统相关的其它成本包括过滤器、定期维护和昂贵 部件如压缩机的更换。已开发了用于减少这些成本的系统和方法。例如，已利用对传热部件的清洁来最 大化能量传递，已利用新型材料来提高效率，并且已将系统设计成使用替代燃料源来试图 减少对燃气和/或电能的依赖性。数十年来，大地耦合式热泵/ 土壤源热泵已被用来使流体经若干中间热交换器和 包埋在地下的大量塑料管道进行循环。这样，较低的地面温度可用来冷却流体并且最终冷 却环境。然而，这些系统需要恒定地泵送流体通过系统并且管与周围土壤之间的传热耦合 并非最佳。另外，竖直钻井系统利用邻近的热管和冷管，这引起了一些热量短路和效率的下 降。目前，通过改进现有系统或通过发现满足实际应用的所有期望要求的新材料来开 发经改进的加热和冷却系统仍然是一项复杂和具有挑战性的任务。
技术实现思路
已经认识到，开发能量需求最少而又成本有效的加热和空气调节系统将是有利 的。在一个实施例中，用于加热或冷却构筑物的系统可包括与蓄热材料热连通的热虹吸管。 该热虹吸管可部分填充有传热流体，使得液相和蒸汽相均存在。热交换器可在操作上连接 至热虹吸管并且与构筑物热连通，使得热能可在蓄热材料与构筑物之间传递。流体传输设 备可与传热流体流体相关并且构造成将传热流体引向热交换器。在一个实施例中，热虹吸管可进一步包括蒸发区域和冷凝区域，其中传热流体既 以液相存在又以蒸汽相存在。热虹吸管可与蓄热材料热连通，使得传热流体能够在蓄热材 料与蒸发区域和/或冷凝区域之间传递能量。可选地，系统可进一步包括在操作上以旁通构造连接至热交换器的第二储存区 域，其中流体传输设备将传热流体从热虹吸管传输至第二储存区域。在另一可选实施例中， 系统可进一步包括流体连接在第二储存区域与热交换器之间的第二流体传输设备。热虹吸管可暴露于环境空气以增强进或出热虹吸管的传热。在一个实施例中，热汇(heatsink)可为冷却储器(cooling reservoir)，使得当作为冷却系统运行时热交换器 可为蒸发器。替换地或结合地，系统可构造成加热构筑物并且热交换器可为散热器。在一个特定实施例中，用于冷却和加热构筑物的系统可包括与构筑物热连通的冷 却系统。该冷却系统包括与第一蓄热材料热连通的第一热虹吸管，其中第一热虹吸管部分 填充有第一传热流体。冷却系统还可包括在操作上连接至第一热虹吸管的第一热交换器， 该第一热交换器与构筑物热连通，使得热能可在第一蓄热材料与构筑物之间传递。第一流 体传输设备可第一传热流体流体相关，并且构造成将第一传热流体引向第一热交换器。该 系统还可包括与构筑物热连通的加热系统。该加热系统包括与第二蓄热材料热连通的第二 热虹吸管，其中第二热虹吸管部分填充有第二传热流体。该供热系统还可包括第二热交换 器，其在操作上连接至第二热虹吸管并且与构筑物热连通，使得热能可在第二蓄热材料与 构筑物之间传递。第二流体传输设备可与第二传热流体流体相关，并且构造成在第二热虹 吸管内传输第二传热流体。第一和第二热虹吸管可进一步包括蒸发区域和冷凝区域，其中第一和第二传热流 体以液相和蒸汽相存在，并且分别与第一和第二蓄热材料连通，使得第一和第二传热流体 能够分别在第一和第二蓄热材料与蒸发区域或冷凝区域之间传递能量。在构筑物与构筑物外部之间传递能量的方法可包括通过使用传热流体在构筑物 与蓄热材料之间形成热梯度而充装(charge)蓄热材料；以及使用容纳传热流体的热虹吸 管在构筑物与蓄热材料之间传递热能，其中充装和传递步骤中至少一个步骤使用流体传输 设备进行增强。充装蓄热材料可发生在冬季，从而形成冷却储器，从构筑物向冷却储器传递热能 导致对构筑物进行冷却。类似地，充装蓄热材料可发生在夏季，从而形成加热储器，从加热 储器向构筑物传递热能导致对构筑物进行加热。附图说明图1是按照本专利技术的实施例的与大地耦合的热虹吸管的示意图。图2是按照本专利技术的实施例的加热或冷却系统的示意图。图3是按照本专利技术的一个实施例的包括充装热交换器和加热/冷却热交换器的加 热或冷却系统的示意图。这些附图仅示出了本专利技术的示例性实施例，并且因此并不认为它们限制了本专利技术 的范围。此外，特别是尺寸不一定成比例或精确地成比例，而是为了清楚和说明本专利技术而被 修改。应容易理解，本专利技术的部件如在本文附图中大体描述和示出的那样可以各种不同的 构造进行布置、确定尺寸和设计。具体实施例方式现将参考附图所示的示例性实施例，并且文中将使用特定语言来描述它们。但应 该理解，并非因此意图对本专利技术的范围进行限制。文中所述的专利技术特征的变更和进一步的 修改、以及如文中所述的专利技术原理的另外的应用——其将是相关领域中了解此公开内容的 技术人员可想到的——应被认为在本专利技术的范围内。必须注意的是，如本说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括多个指称对象，除非上下文清楚地另有规定。因此，例如，对“传热流体”的提及包 括一种或多种此类材料，对“泵”的提及包括对一个或多个此类设备的提及，以及对“加热步 骤”的提及包括对一个或多个此类步骤的提及。 在描述本专利技术和对本专利技术主张权利的过程中，将按照以下阐述的定义使用下列术语。如文中所用，“热虹吸”是指基于自然对流的被动热交换方法，其使液态/蒸汽态 混合物在竖直闭环回路中循环。尽管一般而言，认为此类术语不需要泵或其它流体传输设 备，但本文中所述的热虹吸可使用或可不使用此类设备。当液体在某一部位(热虹吸管的 任一端)被加热时，液体以与加热速度成正比的速度蒸发。蒸汽然后流至任何部位，在这些 部位，管由于温度诱发的压力梯度而被冷却。冷凝液然后通过重力流向较热的热端，即，冷 凝器定向在热源端上方。因此，当从加热的土壤向构筑物(启用加热模式)传热或冷却土 壤(在充装期间的冷却模式)时可发生被动、无辅助的运行。在“泵辅助”或“充装”模式 下，流体传输设备可用来沿反方向传输热，这在下文更详细地描述。如文中所用，“夏季”通常指与某一特定位置的最高平均温度相关的时间段并且通 常为约三个月。尽管此术语在全世界范围内一般被限定为三个月的时段，但根据地点而定， 夏季可包括多于或少于三个月。例如，在任何特定月份保持至少27°C的平均温度的环境可 被认为是“夏季”月份。如文中所用，“冬季”是指历年中大约三个月的时间段，其中在这三个月的时段局 部环境通常达到其最低平均温度。尽管此术语在全世界范围内一般被限定为三个月的时 段，但根据地点而定，冬季可包括多于或少于三个月。如文中所用，“基本上/显著地”是指一定数量或量的材料，或其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于加热或冷却构筑物的系统，包括：ａ）与蓄热材料热连通的热虹吸管，所述热虹吸管部分地填充有传热流体；ｂ）热交换器，该热交换器在操作上连接至所述热虹吸管并且与所述构筑物热连通，使得热能能在所述蓄热材料与所述构筑物之间传递；以及ｃ）流体传输设备，该流体传输设备与所述传热流体流体相关并且构造成将所述传热流体引向所述热交换器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：KS乌代尔，
申请(专利权)人：犹他州立大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：US