地热热交换器、地热热装置以及用于将热能注入到大地中的方法
阅读说明：本技术 地热热交换器、地热热装置以及用于将热能注入到大地中的方法 (Geothermal heat exchanger, geothermal heat device and method for injecting thermal energy into the ground ) 是由 R·尼米 于 2019-02-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及地热热交换器、地热热装置以及与地热热装置相关的方法。地热热交换器包括具有竖管(10、11)和排流管(20、21)的管装置(10、11、20、21)和布置到管装置(10、11、20、21)的第一泵(8)。竖管(10、11)和排流管(20、21)被布置成彼此流体连通,以使初级工作流体循环。竖管(10、11)沿竖管(10、11)的长度的至少一部分设置有围绕竖管(10、11)的第一隔热件(25),并且第一泵(8)被布置成使初级工作流体在朝向竖泵(10、11)的下端的方向上循环。(The present invention relates to geothermal heat exchangers, geothermal heat devices and methods relating to geothermal heat devices. The geothermal heat exchanger comprises a tube arrangement (10, 11, 20, 21) with a riser tube (10, 11) and a drain tube (20, 21) and a first pump (8) arranged to the tube arrangement (10, 11, 20, 21). The risers (10, 11) and drains (20, 21) are arranged in fluid communication with each other to circulate the primary working fluid. The riser duct (10, 11) is provided with a first thermal insulation (25) surrounding the riser duct (10, 11) along at least a part of the length of the riser duct (10, 11), and the first pump (8) is arranged to circulate the primary working fluid in a direction towards the lower end of the riser pump (10, 11).)
技术领域
本发明涉及地热热交换器，并且更特别地，涉及根据权利要求1的前序部分的地热热交换器。本发明还涉及地热热装置，并且更特别地，涉及根据权利要求7的前序部分的地热热装置。本发明还涉及用于将热能注入到大地中的方法，并且更特别地，涉及根据权利要求17的前序部分的方法。
背景技术
众所周知，地源或地热热交换器用于从大地提取热量。这通过利用大地中和大地上方的水平面处的温度差来实施。当深入大地时，大地中的温度通常会增加。
地源热交换器包括用于使初级工作流体循环的管装置。管装置一般包括封闭回路管，该封闭回路管具有被布置在大地中的钻孔或地孔或腔中的竖管和排流管。管装置还连接到大地上的热交换器，以从初级工作流体释放热量。当初级工作流体在排流管中向下流动到钻孔中时，热量从大地被提取到初级工作流体，并且初级工作流体的温度增加。初级工作流体的循环将提取的热量从大地上的钻孔带到竖管中，并且然后初级工作流体在热交换器中将热量释放到次级工作流体。
与现有技术相关联的缺点之一是，当初级工作流体在排流管中朝向钻孔的底部流动时，初级工作流体的温度逐渐增加，并且类似地，初级工作流体的温度随着初级工作流体在竖管中朝向地面流动而减小。另外地，由于在竖管中流动的加热的初级工作流体和在排流管中流动的冷却的初级工作流体之间发生无意的热交换，因此初级工作流体的温度朝向平均温度偏移。相应地，加热的初级工作流体将热量释放到在排流管中向下流动的初级工作流体，并且还释放到钻孔周围的大地，因此，加热的工作流体的温度朝向通常布置在地面上方的热泵减小。这减小了地源热交换器的效率。
另外地，已认识到，随着热量从大地被提取，地孔周围的、尤其在地孔的下端的附近中的、大地的温度减小。地孔周围的大地的温度减小还减小了一段时间内地源热交换器的热提取率和效率。
发明内容
本发明的目的是提供地热热交换器、地热热装置以及与地热热装置相关的方法，以便解决或至少减轻现有技术的缺点。
本发明的目的通过地热热交换器来实现，其特征在于独立权利要求1中阐明的内容。本发明的目的还通过地热热装置来实现，其特征在于独立权利要求7中阐明的内容。本发明的目的还通过与地热热装置相关的方法来实现，其特征在于独立权利要求17中阐明的内容。
在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
本发明基于提供一种地热热交换器的构思，该地热热交换器包括用于使初级工作流体循环的管装置。管装置包括具有下端的竖管和具有下端的排流管。竖管的下端和排流管的下端可以被布置成彼此流体连通，以使初级工作流体在地孔中沿竖管和排流管循环。竖管可以被布置在排流管内部。地热热交换器还包括布置到管装置的第一泵。
根据本发明，竖管沿竖管的长度的至少一部分可以设置有围绕竖管的第一隔热件，并且第一泵被布置成使初级工作流体在朝向竖管的下端的方向上循环。这允许初级工作流体被循环到竖管的下部或下端，并且也被循环到地孔的下部或下端，使得减小了来自初级工作流体的热传递或使来自初级工作流体的热传递最小。
竖管和排流管可以同轴布置，使得竖管被布置在排流管内部。第一隔热件沿第一隔热件延伸的长度减小竖管和排流管之间的热传递，或者使竖管和排流管之间的热传递最小。竖管可以被布置在排流管内部，使得竖管从排流管的下端延伸出去一延伸距离。
第一泵可以为可反转泵，该可反转泵被布置成在沿竖管向下并且沿排流管向上的方向上泵送初级工作流体，或者在沿排流管向下并且沿竖管向上的方向上泵送初级工作流体。地热热交换器还可以包括控制单元，该控制单元连接到第一泵，并且被布置成控制可反转的第一泵的操作方向。
可替代地，地热热交换器可以包括第二泵，该第二泵被布置成在沿排流管向下并且沿竖管向上的方向上泵送初级工作流体。地热热交换器还可以包括控制单元，该控制单元连接到第一泵和第二泵，并且被布置成控制第一泵和第二泵的操作，以设定初级工作流体的循环方向。
竖管为抽真空的管道，该抽真空的管道包括围绕竖管的流动通道的真空层。真空层被布置成形成第一隔热件。抽真空的管道提供高效率的隔热，从而使来自初级工作流体的热传递最小。
可替代地或附加地，竖管可以包括在竖管的外表面上的隔离材料层。隔离材料层可以被布置成形成第一隔热件。可以在第一管的长度方向上改变隔离层，使得可以改变来自第一管的隔热效率或热导率。
第一隔热件可以沿竖管的整个长度延伸。这减小了沿竖管的整个长度的热交换。可替代地，第一隔热件可以从竖管的上端沿竖管的长度的至少50％或竖管的长度的至少2/3朝向竖管的下端延伸。进一步可替代地，第一隔热件可以从距竖管的下端一预定距离处沿竖管向上延伸。距竖管的下端的预定距离可以为竖管的长度的至少10％或竖管的长度的至少20％。又一可替代地，第一隔热件可以沿竖管在竖管的上端和下端之间，并且从距竖管的下端一预定距离处沿竖管朝向竖管的上端，并且从距竖管的上端一预定距离处朝向竖管的下端延伸。因此，来自沿竖管向下循环的初级工作流体的热传递在竖管的下端或下部处发生，并且因此在地孔的下部处发生。
第一隔热件的热导率可以在沿竖管的方向上是均匀的。这可以用在沿竖管的方向上均匀的第一隔热件来实现。
可替代地，第一隔热件的热导率可以被布置成在朝向竖管的下端的方向上减小。第一隔热件的厚度可以在朝向竖管的下端的方向上减小，使得第一隔热件的热导率在朝向竖管的下端的方向上减小。减小热导率还可以通过包括至少两种不同的隔热材料的第一隔热件来实现，该至少两种不同的隔热材料被布置到竖管，使得第一隔热件的热导率在朝向竖管的下端的方向上减小。
本发明还涉及一种地热热装置，该地热热装置包括管装置和设置到大地中并且从地面向下延伸的地孔。管装置包括具有下端并且被布置到地孔中的竖管和具有下端的排流管。竖管的下端和排流管的下端可以被布置成彼此流体连通，以使初级工作流体在地孔中循环。竖管沿竖管的长度的至少一部分可以设置有围绕竖管的第一隔热件。装置还包括第一泵和热交换连接，第一泵连接到管装置并且被布置成使初级工作流体在竖管中循环，热交换连接与管装置连接，用于与初级工作流体进行次级热交换。
热交换连接可以为能够将热能或热量释放到初级工作流体和/或能够将热能释放到初级工作流体使得初级工作流体的温度可以提高的任何热源。热交换连接在地孔外部被布置或设置到管装置，或者在地孔外部与管装置连接。这意味着，热交换连接设置到地孔外部的在竖管和排流管之间的管装置。热交换连接可以包括被布置成提供与在管装置中流动的初级工作流体的热交换的热泵、热交换器或类似装置。热交换连接可以为建筑物热交换连接，使得地热热交换器被布置成从建筑物接收热能或者将能量释放到建筑物。可替代地，热交换连接可以为热源热交换连接。热源可以为释放余热或废热的工业热源、能量工厂热连接、地域供热连接或一些诸如数据中心废热连接的热源连接。
在优选的实施例中，地热热装置包括用于提供热交换连接的热泵。热泵能够将热能释放到初级工作流体，并且还能够从热泵或热泵中的次级工作流体接收热能。
根据本发明，第一泵被布置成使初级工作流体在这样的方向上循环：在竖管中朝向地孔的下端并且在排流管中朝向地面。相应地，初级工作流体和初级工作流体的热能可以被输送到地孔的下端和下部。
竖管可以为抽真空的管道，该抽真空的管道包括围绕竖管的流动通道的真空层。真空层可以被布置成形成第一隔热件。抽真空的管道提供优异的隔热，从而允许有效防止热能从竖管中的初级工作流体逸出。可替代地，竖管可以包括在竖管的外表面上或内表面上的隔离材料层。隔离材料层可以被布置成形成第一隔热件。隔热材料层可以沿竖管的长度方向改变。
第一隔热件可以从地面沿竖管朝向地孔的下端延伸，并且到地孔的深度的至少50％处或地孔的深度的至少2/3处。可替代地，第一隔热件可以从距地孔的下端一预定距离处沿竖管向上延伸。距地孔的下端的预定距离可以为地孔的深度的至少10％或地孔的深度的至少20％。
第一隔热件的热导率可以在沿地孔的方向上是均匀的。这可以用抽真空的管道或在沿地孔的方向上均匀的隔离材料层来实现。这允许将热能有效输送到地孔的下部。
第一隔热件的热导率还可以在朝向地孔的下端的方向上减小。这可以实现为使得第一隔热件的厚度在朝向地孔的下端的方向上减小，使得第一隔热件的热导率在朝向地孔的下端的方向上减小。可替代地，第一隔热件可以包括至少两种不同的隔热材料，该至少两种不同的隔热材料被布置到竖管，使得第一隔热件的热导率在朝向地孔的下端的方向上减小。这可以允许地孔中的初级工作流体在更宽的区域内的更长的热传递时间，并且节省隔热材料。
第一泵可以为可反转泵，该可反转泵被布置成在这样的方向上泵送初级工作流体：在竖管中朝向地孔的下端并且在排流管中朝向地面向上的方向，或者在排流管中朝向地孔的下端并且在竖管中朝向地面向上的方向。地热热装置还可以包括控制单元，该控制单元连接到第一泵，并且被布置成控制可反转的第一泵的操作方向。这提供了一种简单的结构，在该简单的结构中，可以使用一个泵用于操作。
可替代地，地热热装置可以包括第二泵，该第二泵被布置成在这样的方向上泵送初级工作流体：在排流管中朝向地孔的下端并且在竖管中朝向地面向上。地热热装置还可以包括控制单元，该控制单元连接到第一泵和第二泵，该控制单元被布置成控制第一泵和第二泵的操作，以设定初级工作流体的循环方向。因此，第一泵和第二泵可以不同时操作以设定初级工作流体的期望循环方向。
控制单元可以连接到热交换连接，并且被布置成响应于热交换连接的操作条件来操作第一泵，或者操作第一泵和第二泵。可替代地，地热热装置包括连接到控制单元的计时器，并且控制单元可以被布置成响应于来自计时器的计时器输入来操作第一泵，或者操作第一泵和第二泵。此外，地热热装置可以包括连接到控制单元的至少一个温度传感器，并且控制单元可以被布置成响应于来自温度传感器的温度输入来操作第一泵，或者操作第一泵和第二泵。此外，可替代地，控制单元可以用数据传递连接连接到外部数据服务器，并且控制单元可以被布置成响应于来自外部数据服务器的数据输入来操作第一泵，或者操作第一泵和第二泵。相应地，可以响应于预定热条件、预定操作计划，或者响应于来自外部数据服务器的数据输入来控制第一泵或者第一泵和第二泵以及地热热装置的操作。
竖向竖管可以被布置在地孔内部的排流管内部。此外，地孔可以形成排流管或排流管的至少一部分，并且竖管被布置在地孔内部。当竖管被布置在排流管内部时，地孔的横截面面积被有效地使用，并且可以有效利用地热热传递。这在具有等于或大于300米的深度的地孔中尤其有利。
在一个实施例中，地孔可以形成排流管的至少一部分，以使初级工作流体在地孔中循环。
可替代地，管装置可以包括单独的排流管，该单独的排流管具有被布置到地孔中的下端。竖管的下端和单独的排流管的下端可以被布置成彼此流体连通，以使初级工作流体在地孔中循环，竖管被布置在单独的排流管内部。
在另一替代实施例中，管装置可以包括单独的排流管，该单独的排流管具有被布置到地孔中的下端。竖管的下端和单独的排流管的下端被布置成彼此流体连通，以使初级工作流体在地孔中循环。竖管还在地孔中被布置在单独的排流管内部，并且竖管从排流管的下端朝向地孔的下端延伸出去一延伸距离。
在又一替代实施例中，管装置可以包括单独的排流管，该单独的排流管具有被布置到地孔中的下端。竖管的下端和单独的排流管的下端被布置成彼此流体连通，以使初级工作流体在地孔中循环。单独的排流管从地面延伸到地孔中，到距地孔的下端一自由距离处，使得地孔从地孔的下端沿自由距离形成排流管。
另外地，地孔还可以基本上形成整个排流管，并且竖管被布置在地孔内部。
此外，竖管可以在地孔中被布置在排流管内部，使得竖管从排流管的下端朝向地孔的下端延伸出去一延伸距离。可替代地，排流管可以从地面延伸到地孔中，到距地孔的下端一自由距离处，使得地孔可以从地孔的下端沿自由距离形成。相应地，地孔可以形成排流管的至少一部分，并且竖管被布置在地孔内部。这样的方式，地孔在地孔的下端处形成排流管，使得初级工作流体和地孔的下端周围的大地之间的热传递最大，因为初级工作流体和地孔的下端周围的大地直接接触。
地孔的深度可以为至少300米，或者至少500米，或者在300米至3000米之间，或者在300米至5000米之间。在本发明中，地热热交换器、地热热装置和方法尤其适合用于与深的地孔连接。
装置还可以包括热泵，该热泵连接到管装置，并且被布置成提供用于与初级工作流体进行次级热交换的热交换连接。
可替代地，装置可以包括热泵，该热泵连接到管装置，并且被布置成提供用于与初级工作流体进行次级热交换的热交换连接。热泵被布置成将热能释放到初级工作流体以加热初级工作流体，并且第一泵被布置成使加热的初级工作流体在竖管中在朝向地孔的下端的方向上循环。因此，在冷却模式下操作热泵，在该冷却模式下，热能被释放到初级工作流体，或者初级工作流体在热泵中提取热能。
进一步可替代地，装置可以包括热交换器，该热交换器连接到管装置，并且被布置成提供用于与初级工作流体进行次级热交换的热交换连接。
在又一替代实施例中，装置可以包括热交换器，该热交换器连接到管装置，并且被布置成提供用于与初级工作流体进行次级热交换的热交换连接。热交换器被布置成将热能释放到初级工作流体以加热初级工作流体，并且第一泵被布置成使加热的初级工作流体在竖管中在朝向地孔的下端的方向上循环。
附加地，热泵可以被布置成从初级工作流体提取热能以冷却初级工作流体，并且第一泵可以被布置成使初级工作流体从地孔的下端在沿竖管向上的方向上循环。因此，在加热模式下操作热泵，在该加热模式下，热能在热泵中从初级工作流体被释放。
本发明还涉及一种用于将热能注入到大地或地热热装置的地孔的方法。方法包括使初级工作流体在地热热交换器中循环，该地热热交换器包括管装置，该管装置具有排流管和被布置到地孔中的竖管，竖管和排流管被布置成彼此流体连通，以使初级工作流体在地孔中循环，以在地孔中进行地热热交换。地孔从地面延伸到大地中并且具有下端。竖管沿竖管的长度的至少一部分设置有围绕竖管的第一隔热件。方法还包括提供次级工作流体和在地热热交换器中循环的初级工作流体之间的热交换。方法包括在注入模式下操作地热热交换器和在注入模式下使初级工作流体在竖管中在向下的方向上和在排流管中在向上的方向上循环，以将热能输送到地孔的下端，并且以在地孔的下端处将热能从初级工作流体释放到大地，在注入模式下，初级工作流体在次级工作流体和在地热热交换器中循环的初级工作流体之间的热交换中从次级工作流体接收热能。方法允许通过来自初级工作流体的热交换将热能从次级工作流体输送到地孔的下端，并且将热能注入地孔的下端周围的大地。
方法还可以包括在提取模式下操作地热热交换器和在提取模式下使初级工作流体在排流管中在向下的方向上和在竖管中在向上的方向上循环，以从地孔输送热能，并且以在次级工作流体和在地热热交换器中循环的初级工作流体之间的热交换中将热能从初级工作流体释放到次级工作流体，在提取模式下，初级工作流体在次级工作流体和在地热热交换器中循环的初级工作流体之间的热交换中将热能释放到次级工作流体。相应地，注入到地孔的下端的热能可以从大地被提取并且用于加热次级工作流体。
方法还可以包括基于大地或地孔中的温度测量，在提取模式和注入模式之间控制地热热交换器的操作。可替代地，方法可以包括基于第一管或排流管中或竖管和排流管中的初级工作流体的温度测量，或者基于次级工作流体的温度测量，在提取模式和注入模式之间控制地热热交换器的操作。又一可替代地，方法可以包括基于建筑物内部或建筑物的环境大气中的温度测量，在提取模式和注入模式之间控制地热热交换器的操作，地热热交换器设置成与建筑物连接。此外，方法可以包括基于关于来自外部数据服务器的外部输入数据的预定操作计划，在提取模式和注入模式之间控制地热热交换器的操作。外部输入数据可以为例如来自外部气象服务器的气象数据，或者来自发电工厂或电力网络或热能网络的电力数据或热能数据。因此，基于操作条件或温度条件或其他外部条件，方法可以用于提取模式或注入模式。
方法还可以包括利用建筑物的通风系统的废热作为用于加热次级工作流体的源，或者利用工业工厂、发电工厂或制造厂的热能作为用于加热次级工作流体的源，或者利用数据服务器设施或城市热源的多余热能作为用于加热次级工作流体的源，或者通过利用风力、水力或太阳能动力产生热能，以加热次级工作流体。
方法还可以包括在热泵中提供次级工作流体和在地热热交换器中循环的初级工作流体之间的热交换。然后，方法可以包括在冷却模式下操作热泵和在注入模式下操作地热热交换器，在冷却模式下，初级工作流体在热泵中从次级工作流体接收热能。可替代地，方法可以包括在加热模式下操作热泵和在提取模式下操作地热热交换器，在加热模式下，次级工作流体在热泵中从初级工作流体接收热能。进一步可替代地，方法可以包括在冷却模式下操作热泵和在注入模式下操作地热热交换器以及在加热模式下操作热泵和在提取模式下操作地热热交换器，在冷却模式下，初级工作流体在热泵中从次级工作流体接收热能，在加热模式下，次级工作流体在热泵中从初级工作流体接收热能。相应地，热泵的冷却模式和加热模式与地热热交换器的热注入模式和热提取模式的组合分别允许在地孔中存储热能和充分利用地孔热。
本发明的优点在于其能够在初级工作流体在至少部分隔热的竖管中的流动期间，在减小的热交换或热损失的情况下将热量从初级工作流体输送到地孔的下端或下部。因此，热量可以在地孔的下端处被注入到地孔周围的大地。因此，本发明使得能够将热能存储到大地并且到地孔的下端以供以后提取。
附图说明
参照附图，借助于具体实施例详细描述本发明，其中：
图1示出了现有技术的地源热交换器的示意图；
图2示出了根据本发明的地源热交换器装置的一个实施例的示意图；
图3示出了根据本发明的地源热交换器装置的另一实施例的示意图；
图4示出了根据本发明的地源热交换器装置的再一实施例的示意图；
图5示出了根据本发明的地源热交换器装置的再一实施例的示意图；
图6示出了根据本发明的地源热交换器装置的又一实施例的示意图；
图7示出了根据本发明的地源热交换器的一个实施例的示意图；
图8示出了根据本发明的地源热交换器的示意图和详细视图；以及
图9示出了根据本发明的地源热交换器装置的一个实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了常规的现有技术的地热热交换器和地热热装置。地热热装置包括设置到大地并且从地面1向下延伸到大地中的地孔2或钻孔。地孔2通过钻削形成。在本申请的上下文中，地孔2的深度可以为至少200米，或者至少300米，或者在300米和3000米之间，或者在500米和2500米之间。
地孔可以延伸到在大地中的地下水位之下的深度，即穿过地下水位。可替代地，地孔可以延伸到在大地中的地下水位上方的深度。
需要说明的是，在图中，类似的结构部分和结构用相同的附图标记表示，并且关于每张图，不再重复对类似的结构部分和结构的描述。
此外，在本申请中，地孔2可以为延伸到大地中的任何类型的孔，地孔2可以为竖向孔、平直竖向孔或以与地面或竖向方向成一角度延伸到大地中的另外的平直孔。另外地，地孔2可以具有一个或多个弯曲部，并且地孔的方向可以沿大地的长度朝向地孔的下端或底部改变一次或多次。附加地，需要说明的是，竖管和排流管的形状或形式可以优选地、至少基本上、与地孔的形状或形式一致，以便提供将竖管和排流管合适地安装到地孔中。优选地，地孔延伸到如上所述的深度，但是地孔沿长度可以具有一个或多个弯曲部，或者地孔可以是平直的。
在地孔的终端(mower end)4处的大地材料通常为岩石材料。
存在布置成与地孔2连接的地热热交换器。地热热交换器包括管装置，初级工作流体在管装置中循环。管装置通常包括布置成提供初级工作流体的封闭循环的封闭回路管。初级工作流体通常为诸如水或甲醇或乙醇基工作流体的液体。管装置包括布置到地孔2中的竖管10和单独的排流管20，使得竖管10和单独的排流管20从地面朝向地孔2的底部4延伸。竖管和排流管用连接管部分18或弯曲部彼此连接，使得竖管和排流管在竖管10和排流管20的下端处彼此流体连通，以使初级工作流体在地孔2中、在竖管10和排流管20之间循环。如图1所示，竖管10和排流管20形成U形管结构。可以存在布置到相同或不同的地孔2中的一个或多个U形管结构或一个或多个竖管10和排流管20。
地热热交换器还包括布置到管装置10、20的第一泵8，以使初级工作流体在管装置中循环。第一泵8可以为能够使初级工作流体循环的任何类型的已知的泵。
地热热交换器还连接到热泵30，在热泵30中，热交换在初级工作流体和次级工作流体之间实施。在热泵30中，初级工作流体在初级管路32中流动，并且次级工作流体在次级管路34中流动，并且热交换在初级管路32和次级管路34之间进行。热泵30可以为任何类型的现有技术公知的热泵。
在图1中，地热热交换器和热泵30布置成与建筑物50连接。地热热交换器用于加热或冷却建筑物的通风空气，并且因此，通风空气形成供应到热泵30的次级工作流体。初级工作流体作为冷的初级流12沿竖管10向下朝向地孔2的底端4泵送。大地的温度在深度方向上并且朝向地孔2的底端4增加。相应地，初级工作流体在地孔2中从大地提取热能H，并且作为加热的初级流22沿单独的排流管20朝向地面1向上流动。加热的初级流22进入热泵30并且将热能释放到来自建筑物50的冷的次级流54。因此，初级工作流体的温度减小，并且初级工作流体作为冷的初级流12离开热泵30，以进行新的循环。类似地，次级工作流体的温度在热泵30中增加，并且次级工作流体作为加热的次级流52离开热泵。
初级流和次级流的流程和循环可以从如上所描述的加热模式改变为冷却模式，在冷却模式中，初级流和次级流以及热传递被反转以冷却建筑物50的通风空气。
图2示出了本发明的一个实施例。在本发明中，地热热交换器被布置成将热能注入到地孔2周围的、尤其在地孔2的下端4处的、大地。地热热装置和地热热交换器的结构对应于图1的实施例。
相应地，热的次级流52被布置成在热泵30中将热能释放到初级工作流体，使得冷的次级流54离开热泵30，并且次级工作流体的温度在热泵30中减小。第一泵8被布置成使初级工作流体作为加热的初级流22在沿竖泵10向下的方向上，并且在初级工作流体将热能C从加热的初级流释放到大地时，作为冷的初级流在沿排流管20向上的方向上循环。
如图所示，热泵或热交换连接在地孔2外部设置到管装置或者与管装置连接。管装置可以为初级工作流体提供封闭的循环管，并且因此在地孔2外部存在连接竖管10和排流管20的连接管，以提供封闭的循环管。
热泵30还可以为诸如次级热交换器的任何其他热交换连接。热连接30提供与初级工作流体和次级工作流体的热交换。另外地，需要说明的是，可以存在设置成与管装置连接的一个以上的热交换连接。
在一个实施例中，热交换连接30可以为热源连接，以将热能释放到初级工作流体并且进一步到大地中。
根据本发明，竖管10沿竖管10的长度的至少一部分设置有围绕竖管10的第一隔热件25。第一隔热件25从地面1沿竖管10向下朝向地孔2的底端4延伸。第一隔热件减小了从初级工作流体的加热的初级流22沿竖管10到地孔2周围的大地和到排流管20和排流管20中的冷的初级流12的热传递。
需要说明的是，第一隔热件25还可以从地面1上方、从竖管10的上端7或者从热泵30朝向地孔2的下端4延伸。
竖管10可以包括在竖管10的外表面上或在竖管10的内表面上的隔离材料层。隔离材料层被布置成形成第一隔热件25。隔离材料层可以由任何已知的隔离材料形成，并且本发明不限于任何特别的隔离材料。
另外地，需要说明的是，热泵30可以为任何已知类型的热泵或任何类型的热交换连接，在该热交换连接中，初级工作流体可以在地孔2外部接收热能，并且地热热交换器或地热热交换器的管装置可以连接到该热交换连接。
在图2的实施例中，竖管10和排流管20被布置在距彼此一距离处，并且在竖管10和排流管20的下端处用连接管部分18或弯曲部彼此连接。也就是说，竖管10和排流管20形成U形管结构。然而，需要说明的是，本发明不限于竖管10和排流管20的任何特别的管结构，或者任何数量的竖管10和排流管20。
在图2的实施例中，第一隔热件沿竖管10延伸到距竖管10的下端或连接管部分18或弯曲部一距离处。
隔热件25连同用第一泵8提供到竖管10中的加热的初级流22一起减小来自竖管10中的加热的初级流22的热传递，或者使来自竖管10中的加热的初级流22的热传递最小，使得初级工作流体可以以加热的形式或者在高温下被输送到第一管10的下端和地孔2的下端4。相应地，在地孔2的下端处，初级工作流体在高温下将热能C释放到地孔2周围的大地，并且因此将热能注入到大地以供以后使用。
第一泵8可以为可反转泵，该可反转泵被布置成在沿竖管10向下并且沿排流管20向上的方向上，或者可替代地，在沿排流管20向下并且沿竖管10向上的方向上，泵送初级工作流体。第一种为注入模式，在该注入模式中，热能被注入到大地，并且第二种为反转模式，即提取模式，在该提取模式中，注入的热能从大地被提取。地热热交换器或地热热装置还可以包括控制单元60，该控制单元60用泵连接61连接到第一泵8，并且被布置成在注入模式和提取模式之间控制可反转的第一泵8的操作方向。
控制单元60还可以用信息连接62连接到热交换连接30，并且被布置成响应于热交换连接30的操作条件，例如在热交换连接30中的初级流体和/或次级流体的温度，来操作第一泵8。
图3示出了另一实施例，其中，竖管11被布置在单独的排流管21内部。另外，图3的实施例对应于图2的实施例。在这个实施例中，竖管11和排流管21被布置成彼此嵌套，或者竖管11和排流管21可以同轴布置在彼此内，使得竖管11在排流管21内部。加热的初级流22在具有第一隔热件25的竖管11中向下流动，并且从竖管11的敞开的下端17从竖管11流动出去到围绕竖管11的排流管21中。初级工作流体在排流管21的下端13处或者在地孔2的下端4处将热能C释放到大地，并且然后作为冷的初级流12沿排流管21向上流动。第一隔热件25减小竖管11和排流管21之间以及热流22和冷流12之间的热传递，或者使竖管11和排流管21之间以及热流22和冷流12之间的热传递最小。
如图3所示，隔热件25延伸到距竖管17的下端17一距离处。
在图3的实施例中，排流管21为具有封闭的下端13并且在地孔2内部延伸到地孔的在排流管21附近的下端4的管。相应地，竖管11完全在地孔2中的排流管21内部，并且初级工作流体不与大地直接接触。
图4示出了对应于图3的实施例的实施例。在这个实施例中，第一隔热件25从地面1延伸到竖管11的下端17。因此，第一隔热件25可以沿竖管11的至少在地孔2或排流管21内部的整个长度延伸。第一隔热件25还可以沿竖管11的整个长度延伸。
在这个实施例中，竖管11可以为抽真空的管道，该抽真空的管道包括围绕竖管11的流动通道的真空层。因此，真空层被布置成形成第一隔热件25。竖管还可以设置有任何其他隔绝材料。
在这个实施例中，第一隔热件沿竖管11延伸到竖管11的下端17。
图4的地热热交换器包括第二泵9，该第二泵9被布置成当地热热交换器和地热热装置处于热提取模式时，在沿排流管21向下并且沿竖管11向上的方向上泵送初级工作流体。相应地，第一泵8被布置成在热注入模式下操作，并且第二泵9被布置成在热提取模式下操作。
控制单元60可以连接到第一泵8和第二泵9，并且被布置成控制第一泵8和第二泵9的操作，以可选地将初级工作流体的循环方向设定为热注入模式或热提取模式。
在图4中，没有单独的排流管21，但是地孔2被布置成形成排流管21。
图5示出了图4的实施例的修改。在这个实施例中，竖管11在地孔2中被布置在排流管21内部。单独的排流管21从地面1沿穿透距离N延伸到地孔2中，并且到距地孔2的下端4一自由距离P处，使得地孔2从地孔2的下端沿自由距离P形成排流管。
另外地，竖管11从单独的排流管21的下端13朝向地孔2的下端4延伸出去一延伸距离M。因此，竖管11延伸到自由距离P。因此，在这个实施例中，地孔2形成排流管的至少一部分。地孔2从地孔2的下端4沿自由距离P，或者在地孔2的下端4和单独的排流管21的下端13之间，形成排流管。
第一隔热件25延伸到竖管11的下端17。然而，第一隔热件25还可以仅延伸到单独的排流管21的下端13，或者然后延伸到在排流管21的下端13和竖管11的下端17之间。
图6示出了一实施例，其中，同样，排流管21沿排流管21的长度的至少一部分还设置有围绕排流管21的第二隔热件15。第二隔热件15可以以与第一隔热件25类似的方式设置。因此，描述的关于第一隔热件25的一切同样适用于第二隔热件15。第二隔热件15可以设置在排流管21的内表面上或外表面上。第二隔热件15可以沿排流管21延伸到排流管21的下端13或者到距下端13一距离处。因此，初级工作流体可以仅在地孔2的下端4处或在地孔2的下端4的附近中将热能释放到大地，并且冷的初级流12和大地以及加热的初级流22之间的热交换减小。如果在地孔2的上部处，大地处于比冷的初级流更高的温度，则这可以防止冷的初级流12在上部排流管21中加热。
在图2至图6的实施例中，第一隔热件25的热导率在沿竖管10、11的方向上已经是均匀的。图7示出了一实施例，其中，第一隔热件25的热导率在朝向竖管11的下端17的方向上减小。在这个实施方式中，第一隔热件25的厚度被布置成在朝向竖管11的下端17的方向上减小，使得第一隔热件25的热导率在朝向竖管11的下端17的方向上减小。这使加热的初级流22在其朝向竖管11的下端17和地孔2的下端4流动时能够逐渐增加到冷的初级流12和大地的热传递。地孔2形成排流管21的至少一部分。
图8示意性示出了第一隔热件25的可能尺寸。竖管11具有上端7和下端17。排流管21具有上端27和下端13。地孔2从地面1延伸到地孔2的下端4。
在一个实施例中，如在图8中用I表示的，第一隔热件25可以从竖管11的上端7沿竖管11的长度L的至少50％或竖管11的长度L的至少2/3朝向竖管11的下端17延伸。
在另一实施例中，第一隔热件25可以从距竖管11的下端17一预定距离O处沿竖管11向上延伸。距竖管11的下端17的预定距离O可以为竖管11的长度L的至少10％或竖管11的长度L的至少20％。
在又一替代实施例中，如在图8中用J表示的，第一隔热件25从地面1沿竖管11朝向地孔2的下端4或排流管21的下端13延伸，并且到地孔2的深度D的至少50％处或地孔2的深度D的至少2/3处。
进一步可替代地，第一隔热件25可以从距地孔2的下端4或排流管21的下端13一预定距离E处沿竖管11向上延伸。距地孔2的下端4或距排流管21的下端13的预定距离E可以为地孔2的深度D的至少10％，或者地孔2的深度D或排流管21的长度的至少20％。
图9示意性示出了用于操作地热热装置的控制单元60的操作。地热热装置可以包括一个或多个温度传感器71，以测量例如建筑物50内部、建筑物50周围的环境大气中、建筑物50的通风系统中或任何其他外部位置中的温度。至少一个温度传感器71可以连接到控制单元60，并且控制单元60可以被布置成响应于来自至少一个温度传感器71的温度输入来操作第一泵8，或者操作第一泵8和第二泵9。
可替代地或附加地，地热热装置可以包括被布置到竖管11和/或排流管21的一个或多个传感器75、77。这些传感器可以为温度传感器、流量传感器或一些其他类型的测量加热的初级流22和冷的初级流12的传感器。一个或多个传感器75、77可以连接到控制单元60，并且控制单元60可以被布置成响应于来自竖管11和/或排流管21中的一个或多个传感器75、77的测量输入来操作第一泵8，或者操作第一泵8和第二泵9。
地热热装置还可以包括连接到控制单元60的计时器73或手动操作设备。控制单元60可以被布置成响应于来自计时器73的计时器输入或来自手动操作设备的手动操作输入来操作第一泵8，或者操作第一泵8和/或第二泵9。
控制单元60还可以用数据传递连接100连接到外部数据服务器102，使得控制单元60可以被布置成响应于来自外部数据服务器102的数据输入来操作第一泵8，或者操作第一泵8和/或第二泵9。数据传递连接100可以为任何已知类型的无线或有线数据传递连接，例如互联网连接、局域网、移动通信网络等。外部服务器102或外部数据库可以为任何适合的服务器或数据库，控制单元可以从服务器或数据库获得控制第一泵8或者控制第一泵8和第二泵9的操作的操作数据表。
在图2至图9的实施例中，热交换连接30优选地包括热泵30，该热泵30连接到管装置10、11、20、21，并且被布置成提供用于与初级工作流体进行次级热交换的热交换连接30。热泵30可以被布置成将热能释放到初级工作流体以加热初级工作流体，并且第一泵8可以被布置成使加热的初级工作流体在竖管10、11中在朝向地孔2的下端4的方向上循环。这允许在被隔离的竖管10、11中将热能输送到地孔2的下端4，并且在地孔2的下端4处将热能注入到大地。因此，在冷却模式下操作热泵30，并且在注入模式下操作地热热交换器。热泵30还可以被布置成从初级工作流体提取热能以冷却初级工作流体，并且第一泵8被布置成使初级工作流体在从地孔2的下端4沿竖管10、11向上的方向上循环。因此，在加热模式下操作热泵30，并且在提取模式下操作地热热交换器。
热泵30还可以用热交换器代替。然而，难以控制在热注入模式和热提取模式下的操作温度。
本发明的地热热交换器和地热热装置使得能够利用用于将热能注入到大地的有效方法，并且还利用注入的热能以供以后的用途。
相应地，方法包括使初级工作流体在地热热交换器中循环和提供次级工作流体和在地热热交换器中循环的初级工作流体之间的热交换，使得初级工作流体从次级工作流体接收热能，并且初级工作流体的温度增加。因此，在注入模式下操作地热热装置，在该注入模式下，初级工作流体在次级工作流体和在地热热交换器中循环的初级工作流体之间的热交换中从次级工作流体接收热能。在注入模式下，初级工作流体还在竖管10、11中在向下的方向上和在排流管20、21中在向上的方向上被循环，以将热能、即初级工作流体或高温的加热的初级流22、输送到地孔4的下端4，并且用于在地孔2的下端处将热能从初级工作流体释放到大地。因此，热能在地孔2的下端4处被注入到大地。
方法还可以包括在提取模式下操作地热热装置，在该提取模式下，初级工作流体在次级工作流体和在地热热交换器中循环的初级工作流体之间的热交换中将热能释放到次级工作流体。在提取模式下，初级工作流体可以在排流管20、21中在向下的方向上和在竖管10、11中在向上的方向上被循环，以从地孔2输送热能、即初级工作流体或高温下的加热的初级流，并且以在次级工作流体和在地热热交换器中循环的初级工作流体之间的热交换中将热能从初级工作流体释放到次级工作流体。
提供次级工作流体和在地热热交换器中循环的初级工作流体之间的热交换可以包括利用任何类型的热源或附加热源，以将热能提供到次级工作流体。附加热源可以使得附加热源在提取模式期间不连接到方法和装置，在该提取模式下，热能从地孔2被提取。相应地，方法可以包括利用建筑物50的通风系统的废热、工业工厂、发电工厂或制造厂的热能或数据服务器设施或城市热源的多余热能作为用于加热次级工作流体的源。可替代地，方法可以包括通过利用风力、水力或太阳能动力产生热能，以加热次级工作流体。
方法还可以包括在热泵30中提供次级工作流体和在地热热交换器中循环的初级工作流体之间的热交换。因此，方法包括在冷却模式下操作热泵和在注入模式下操作地热热交换器，在冷却模式下，初级工作流体在热泵30中从次级工作流体接收热能。可替代地，方法可以包括在加热模式下操作热泵和在提取模式下操作地热热交换器，在加热模式下，次级工作流体在热泵30中从初级工作流体接收热能。
方法还可以包括在冷却模式下操作热泵和在注入模式下操作地热热交换器，以及在加热模式下操作热泵和在提取模式下操作地热热交换器，在冷却模式下，初级工作流体在热泵30中从次级工作流体接收热能，在加热模式下，次级工作流体在热泵30中从初级工作流体接收热能。
上面已经参照附图中所示的示例描述了本发明。然而，本发明绝不限于以上示例，而是可以在权利要求的范围内变化。