用于在直接交换式加热/冷却系统中安装表面下的制冷剂管道的套装组件

摘要

一种用于在直接交换式加热/冷却系统中安装表面下的制冷剂管道的套装组件(1)，包括一加重且保护性的套装管(2)，用于将制冷剂管道的底部远端U形弯曲部分(8)降入到井/钻孔(21)中。所述套装管(2)具有主体部分以及圆形或圆锥形前端。所述制冷剂传输管线(5，6)的远端的U形弯曲部分被包在位于所述管(2)内部的粘结性浆液(15)中。所述套装管(2)内部的浆液(15)具有一防止向上漂浮的平坦顶部，以及至少一个有眼螺栓(11)，该有眼螺栓用于在安装过程中以可消耗的金属丝(19)固定泵浆管(14)。一可选的前端环形物(34)被附接到所述管(2)的下部远端，用于在水中附接标志浮体(39)。

说明书

背景技术

本发明一般地涉及一种包括各种设计改进和各种专业应用的地热 直接交换式(“DX”)加热/冷却系统——其通常也被称为“直接膨胀 式”加热/冷却系统。更具体而言，本发明涉及用于在竖直井DX加热/ 冷却系统中安装制冷剂管道的套装物(encasement)的新颖设计。

地热地源/水源热交换系统通常利用埋在土壤(ground)中或者浸 没在水体中的充满流体的封闭环路的管道，从而从围绕所埋入或者所 浸没的流体传输管道的天然存在的地热物质和/或水中吸收热量，或者 将热量排入其中。所述管道环路延伸至表面，然后用于使天然加热或 天然冷却的流体循环到一内部空气热交换装置。

传统设计的地热水源加热/冷却系统通常经由水泵，使由水或者含 有防冻剂的水组成的流体在塑料(通常为聚乙烯)地下地热管道中循 环，从而在第一热交换步骤中将地热热传送到土壤或者从土壤传送地 热热。在第二热交换步骤中，利用一制冷剂热泵系统将热量传送到水 中或者从水中传送热量。在第三热交换步骤中，利用一内部空气处理 机(由翅片管和风扇组成)将热量传送至制冷剂或者从制冷剂传送热 量，从而加热或冷却内部空气空间。

在更加现代的地热DX热交换系统中，制冷剂流体传输管线被直接 放置在表面下的土壤和/或水中。流体传输管线通常使诸如R-22、 R-410A或者诸如此类的制冷剂流体在表面下的制冷剂管线中循环，从 而经由第一热交换步骤将地热热传送到表面下的元件或者从表面下的 元件传送地热热，所述制冷剂管线通常包括铜管道。DX系统仅需要第 二热交换步骤，以——通常借助于内部空气处理机——将热量传送到 内部空气空间或者从内部空气空间传送热量。因此，因为需要更少的 热交换步骤并且因为不需要水泵的能量消耗，DX系统通常比水源系统 更加高效。而且，因为铜相比于大部分塑料是更好的导热体，并且因 为相比于水源系统的塑料管道中循环的水，DX系统的铜管道内循环的 制冷剂流体与周围的土壤具有更大的温差，因此DX系统通常比水源系 统更加高效。此外，DX系统与水源系统相比，通常需要进行更少的挖 掘和钻凿，并且安装成本通常较低。

尽管大部分在土壤中/在水中的DX热交换设计都是可行的，但已 提出了各种改进意在增强整个系统的运行效率。在授予Wiggs的美国 专利No.5,623,986、授予Wiggs等人的美国专利No.5,816,314、授予 Wiggs的美国专利No.5,946,928以及授予Wiggs的美国专利 No.6,615,601 B1中教导了多种这样的设计改进，尤其是在直接膨胀/ 直接交换式地热热泵系统方面的改进，上述这些专利的公开内容通过 引用并入本文中。这些公开内容包括水平和竖直定向的表面下热与地 热热交换装置。

本发明主要涉及安装有竖直定向的表面下地热热交换装置的DX 系统，不过也公开了一种在湖或者类似系统中利用本发明的实施方案。 过去，通过将铜管道投入和/或推到井中，将铜制冷剂传输管道插入到 竖直定向的井/钻孔内。这种方法遇到了多个问题。首先，制冷剂传输 管道通常包括一较小尺寸的液体铜制冷剂传输管和一较大尺寸的铜蒸 气制冷剂传输管，所述液体铜制冷剂传输管和铜蒸气制冷剂传输管借 助在或者接近于井内的制冷剂传输管道的下部远端处的U形弯曲或者 类似物联接。随着制冷剂传输管道的下部远端被降到井中并当其接触 井的底部时，制冷剂传输管道的下部远端易于被弯曲和/或受到其他损 坏。例如，所述U形弯曲可能被刮擦、被弄得凹陷、被刺破或者有褶 皱。任意这种损坏都能够或者妨碍制冷剂流动并削减系统运行效率， 或者造成导致系统整体无效的制冷剂泄漏。

而且，本领域普通技术人员理解的是，当制冷剂管道被安装在井 内时，可能会间歇性地遇到多种其他问题。其中一个问题是，有时需 要外壳(casing)来支撑松散的土壤直到遇到坚固岩石。在该情况下， 一个较小的钻头延伸穿过外壳并且接着用于穿过岩石钻到期望深度。 因此，通常会在井内的、外壳于其处止住并且于其处开始钻通岩石的 位置留下小的、圆形岩礁(ledge of rock)。出现这种现象是因为， 相比于用于为外壳开一个足够大的洞的较大钻头，用于钻通岩石的较 小钻头具有较小直径。例如，所述外壳的直径可以是6英寸，然而穿 过下面岩石的钻头的直径可以仅是4.5英寸。该小的岩礁相当经常地 成为将铜制冷剂传输管线降到井中的障碍物。

该小的岩礁也相当经常地成为将泵浆管(trimmie tube)降到井中 的障碍物。泵浆管用来将浆液(grout)从底部到顶部泵入到井中，从 而一安装好铜管道，就去除所有的空气隙。泵浆管通常是带有圆形开 口远端的1～1.25英寸直径的聚乙烯管或诸如此类。泵浆管必须与铜 管道一起安装一直到井的底部或接近井的底部。通常，即使通过推、 拉和扭曲使泵浆管能够行进穿过岩礁，但所述管道的远端也会被破坏 到使浆液通过管道的进入被削减或甚至被阻塞的程度。

因为如大部分软铜制冷剂等级的管道一样，泵浆管通常以盘绕形 式存储，当其被降到有限的、直的、且竖直定向的有壁钻孔/井中时， 所述塑料管盘卷的“记忆”导致管道推压上述外壳和岩石井中的至少 一个的内壁。这种磨蚀会逐渐磨损管道，并且导致在试图将管道从顶 部向下推入到井中时需要附加的力。同时推动软的铜管道通常导致由 井壁引起的附加的管道磨蚀，并且增加使铜管道扭结或者以其它方式 损坏铜管道的危险。

第三个问题是，在井/钻孔中有时会遇到天然存在的地下水。虽然 铜管道通常比水重，但当液体制冷剂传输管道被绝热时，绝热物增加 的排水量导致漂浮。这会需要人员用力地将包括被绝热的液体管线的 铜管道推入到井中从而使其到达底部的设计深度。而且，为了防止带 有被绝热的液体管线的铜管道漂浮出井外，安装者必须在井的顶部将 铜管道固定。

当使用被绝热的液体管线时，DX系统所遇到的第四个问题是，在 液体管线周围的绝热物排出足够多的浆液(浆液111(Grout 111)是 水的重量的两倍以上)从而导致当泵入浆液填充材料时，铜管道从井 中漂浮出。这是一个麻烦的问题，如同在填充有水的井的情况下，需 要安装者阻挡、系住或者以其它方式固定从井的顶部延伸的铜管道的 顶部，如果使用的是诸如浆液111或诸如此类的粘结性浆液的话至少 要直到浆液凝固。浆液111是由纽约的Brookhaven National Laboratory研发的非常不透水的抗收缩/裂缝的粘结性浆液，并且被 本领域的普通技术人员极熟知。

当将DX系统地热制冷剂传输管道安装在竖直定向的井/钻孔内 时，间歇性地遇到的第五个问题是岩石——尤其如果是页岩或类似岩 石的话——会横过钻孔滑动，从而妨碍管道安装。消除这种妨碍的努 力通常被限制为或者再次钻孔和/或将钻孔出空，或者将通过绳索固定 到表面的沉重钢棒投入孔内以努力穿透障碍物。这些传统方法需要大 量额外时间和人工。

因此，需要一种有效并安全地安装铜管道的方法，尤其当制冷剂 传输管线中的至少一个被绝热时有效并安全地安装铜管道的方法。此 外还需要一种用于有效并安全地安装供灌浆使用的泵浆管的方法，从 而避免管道损坏、磨蚀、阻塞岩石/岩礁/岬(rim)以及漂浮的问题。

发明内容

本发明的目的之一是增强并改善传统的直接膨胀式地热加热/冷 却系统、表面下的竖直定向铜管道设施以及更加水平定向的湖中设施 的效率和安全性。这通过提供一宽的(相对于钻孔/井的直径)、加重 的、且伸长的套装组件来实现，该套装组件包括带有一平坦顶部以及 一圆形和圆锥形底端中的至少一个的套装管，当该套装管被降入到井/ 钻孔中时，在其中插入铜管道和泵浆管。这种配置也允许安装者容易 地将松散附接的泵浆管从管中拉出，而不损坏铜制冷剂传输管道。因 为一个优选实施方案具有类似于鱼雷(torpedo)的尺寸，这种套装组 件有时也可被称为“鱼雷”设计。

本发明的套装组件包括长于其宽度的由钢、PVC、铜、金属、塑料 或诸如此类制成的套装管等。套装管具有一带有平坦上顶部的主体部 分。所述主体部分的宽度，例如供用于4.5英寸直径的井/钻孔中，将 优选地在2.5英寸到3英寸的范围内，同时供在更大直径的井/钻孔中 使用的宽度可以更大，优选地至少有1英寸直径的余隙。所述套装管 的长度将至少长于井/钻孔的宽度，从而防止套装管在井中侧着转向 (turn sideways)。所述长度应优选地至少长于铜制冷剂传输管道的 U形弯曲部分，并且应该足够长，以使得当结合其内含物时，将达到 期望重量。填充的套装管的重量应优选地在10磅～40磅的范围内。 套装物越重(25～40磅)，越容易将铜管道安装在填充有水的井中。 套装管越轻(10～20磅)，越容易在灌浆之前将铜管道拉出供借助于 压力测试进行任何必要的维修。

本发明的套装管应优选具有一具有相对恒定直径的主体部分，以 及从所述管的主体部分的基底延伸的、圆形和圆锥形前端中的至少一 个或者诸如此类。圆锥形前端是优选的，因为其有助于引导套装管穿 过任意的岩礁。它还允许套装组件的重量及其附有/附接的制冷剂传输 管道，更加容易突破任何可能已行进为部分或完全地横跨井/钻孔的表 面下材料。所述套装管内的铜管道的U形弯曲应被定位在该套装管的 主体部分的基底以上至少1英寸处，优选为2英寸处，使得如果圆形 或圆锥形前端折断，制冷剂传输管道将不被损坏。

制冷剂传输管道的远端被放置在套装管内，并且可任选地包括一 加热模式(heating mode)的销钉限制器组件，如本领域普通技术人 员极熟知的。至少一个——优选为两个——有眼螺栓或者类似件被以 一种方式放置在套装管的顶部附近，使得每个相应螺栓的圆形有眼螺 栓末端稍微延伸到该管的顶部边缘以上，但是仅延伸为足以让金属丝、 线或其他紧固装置延伸横过套装管边缘之上并且穿过所述有眼螺栓的 圆形顶部。所述有眼螺栓将被用于将泵浆管固定至套装管，从而将泵 浆管的远侧下端限制在套装管的主体部分的内部壳体内，同时允许在 开始灌浆时将泵浆管容易地拉松而不损坏制冷剂传输管道。这需要在 套装管的顶部内部留下足够空间，以安装制冷剂传输管道和泵浆管。 例如，在套装管的顶部内部部分中可留下1～2英寸是敞口的(未填充 平坦的加顶浆液(topped grout))。

所述可选的第二有眼螺栓或者类似件在套装管的顶部附近位于一 位置，以便不妨碍围绕第一有眼螺栓将泵浆管插入。第二有眼螺栓， 例如，可以是1.25英寸长的有眼螺栓或类似件，可选地用于将绳索、 线、金属丝、链或类似物固定至所述套装物以控制将套装物及其附接 的制冷剂传输管道和泵浆管降到井中，和/或用于在灌浆之前将组件在 井内升高或者提高到井外供进行维修。例如，如果在灌浆之前的压力 测试过程中检测到泄露，可使用绳索帮助将整个套装组件升高到找到 泄露并进行维修的程度。之后，可使用绳索将组件再次往下降回到井 中。

在制冷剂传输管道及其U形弯曲被插入到套装管，并且有眼螺栓 被固定到位(借助于穿过每一有眼螺栓的横过包管(containment tube)的顶部延伸的硬金属丝或者类似物)之后，混凝土、水泥、浆 液111或诸如此类被用于将套装管的内部的其余部分填充到最高达距 离顶部大约1～2英寸的位置。所述套装管被填充到如下位置，该位置 至少高至足以以一种方式充分覆盖有眼螺栓的下部，使得有眼螺栓的 带螺纹末端被牢牢固定于粘结性浆液或其他填充材料中，所述有眼螺 栓的下部包括有眼螺栓的螺母或弯曲下部远端。所述填充材料填充包 管的、除了套装管顶部附近大约一到两英寸的部分之外的整个剩余容 积——包括圆形或圆锥形前端，从而为泵浆管下部远端留下足够空间 以使其在组件被降入井中时在套装管内被充分保护。

套装管的顶部附近的粘结性填充材料在管内成为水平且平坦的。 这为水提供了平板(flat plate)——如果在井内天然存在任何水的 话，并且当在井/钻孔的在套装管的顶部上方的空闲环形空间内，从井 /钻孔的底部到顶部来添加浆液时，提供了平板供重的浆液井/钻孔填 充材料进行撞压。该设计利用了在井的底部附近抵靠所述套装物的顶 部的平坦表面的浆液的重量以及填充有浆液的套装管的附加重量，以 防止制冷剂传输管道连同制冷剂传输管道的液体管线部分周围的任何 绝热物漂浮出填充有水的井，以及在浆液/填充材料被添加并且凝固时 漂浮出井。

周期性地，有利的是将表面下的地热热交换制冷剂传输管道安装 在湖、河、海湾、小溪、小河、海或诸如此类的底部或其中。在这样 的情形下，不需要钻井/钻孔，因为：当经由DX加热/冷却系统提取热 量时不会冻结到底部的具有足够尺寸的任何水体，以及当在冷却操作 模式过程中将热量排出到其时不会蒸发的具有足够尺寸的任何水体， 将通常提供卓越的地热热交换性能。在这样的应用中，用于绳索附接 的有眼螺栓将优选地被放置在套装管的前端的下部远端处。替代地， 可穿过具有足够尺寸的套装管的圆锥形前端钻出一小孔，以插入绳索， 诸如钢索、尼龙绳、塑料绳或者类似物。所述绳索可被用于将套装管 及其附接的制冷剂传输管线拉到适当位置。在这样的设施中，套装管 可用于将制冷剂传输管道拉入适当位置，以及帮助借助于套装物的重 量将制冷剂传输管道的远端锚定到位。

附加地且可选地，绳索/线或者类似物可附接到有眼螺栓或者穿过 位于套装管的圆锥形前端的末端的小孔，以标出套装组件的表面下位 置以及任何时候如果希望的话帮助接近该套装组件以进行移动或者维 修，所述绳索/线附接到漂浮装置，诸如浮标或者类似物。

图1是一个本发明的套装组件的一个实施方案的剖视侧视图，示 出一位于井/钻孔中的的套装管，该套装管具有圆锥形前端和带有平坦 顶部的主体部分，带有附接的液体和蒸气制冷剂传输管线、附接到从 套装管内的浆液填充物延伸出的有眼螺栓的泵浆管以及附接的绳索。

图2是一个本发明的套装组件的俯视图，示出一伸出的较小直径 的液体制冷剂传输管线、一伸出的较大直径的蒸气制冷剂传输管线、 以金属丝附接到第一有眼螺栓的泵浆管以及系到可选的第二有眼螺栓 的绳索。

图3是一个本发明的套装组件管的实施方案的侧视图，其中所述 套装管具有圆形前端。

图4是一个本发明的套装组件的一实施方案的侧视图，其位于湖 水中并且具有在套装管的圆锥形前端的远端处的环形物。该环形物被 用于提供一可选的附接点用以将绳索用于将套装管及其预先装配的附 接的液体和蒸气制冷剂传输管道拉进湖的底部或者湖中的适当位置。 还示出了一被附接到所述环形物的可选的线，并且该线被示出为向上 延伸至一漂浮装置从而在湖表面标记套装组件的位置。

图5是位于湖水中的本发明的套装组件的一实施方案的侧视图， 其中套装管具有穿过前端钻出的小孔，以为绳索和/或标志浮体提供一 可选的附接点。

具体实施方式

现在详细参考附图，其中相同数字指示相同部分或元件，在图1 中示出了套装组件1的一个实施方案的剖视侧视图，该套装组件1包 括带有从主体部分的基底10延伸的圆锥形前端3的套装管2。管2的 主体部分(沿长度36)在这里被示出为大体圆柱形的，并由钢、铜、 金属或塑料管等制成。套装管2不一定必须是圆柱形的，如本领域普 通技术人员极熟知的。例如，管2可以是多平坦侧面的等(在这里未 示出，因为多平坦侧面的管道对于本领域普通技术人员是极熟知的)。 套装管2的主体部分的长度36长于井/钻孔21的宽度37，使得套装 组件1在其安装进井/钻孔21的过程中不会侧着转向。在土壤41中钻 出/挖掘出井/钻孔21，这种钻孔过程对于本领域普通技术人员是极熟 知的。

管2的圆锥形前端3优选地是大约6英寸长，在底端4处变尖。 前端3可以一种方式附接到套装管的主体部分，以允许前端3在安装 过程中与该主体部分分离。示出了一液体制冷剂传输管线5，其远端 被示出为在管2的主体部分的平坦基底10上方大约两英寸27的位置 处的U形弯曲8的形式。通过联结器29将液体管线5附接到蒸气制冷 剂传输管线6，全都在套装管2内。管2的顶端7是平坦的。传输管 线的远端或底部9(在U形弯曲8处)应优选位于距离管2的基底10 大约两英寸27之处(在这里未根据比例画出)，使得如果圆锥形前端 3在插入到井/钻孔21的过程中折断，所述U形弯曲8将不被损坏。 在这里，包装1被示出为位于井/钻孔21的下端22处。在土壤41中 钻出/挖掘出井/钻孔21，这种钻孔/挖掘过程对于本领域普通技术人 员是极熟知的。

在图1的实施方案中，第一有眼螺栓11被显示为其圆形头部12 仅稍微延伸到套装管2的顶部7以上。第一有眼螺栓11被用作将泵浆 管14的下部远端13固定至套装组件1的装置。泵浆管14通常是用于 将浆液填充物15引入到地热井/钻孔21的聚乙烯管，如本领域普通人 员极熟知的。包括螺母32的有眼螺栓11的下部被完全放置在浆液15 中，从而将有眼螺栓11固定到位。泵浆管14优选地以一种方式绕第 一有眼螺栓11的延伸在浆液/填充材料15上方的部分放置在其上面， 使得泵浆管14的整个下部远端13位于管2的未填充浆液15的上部分 18的内部。穿过泵浆管14的两侧钻出一小孔17，从而允许金属丝19 或者类似物被以一种方式插入穿过小孔17以便延伸穿过第一有眼螺 栓11的圆形头部12。金属丝19然后被绕20泵浆管14弯曲，以在包 装1被放下到井21中时将泵浆管14固定在位，但是使得在灌浆过程 中，当泵浆管14被远离包装1拉起时，所述金属丝容易被破坏或拉松， 而不损坏液体或蒸气制冷剂传输管线5和6。

可选的第二有眼螺栓23被显示为以类似于第一有眼螺栓11的方 式被定位在套装管2中，但是其位于位置31处，在该位置31处第二 有眼螺栓既不妨碍泵浆管14，也不妨碍液体和蒸气制冷剂传输管线5 和6。可选的绳索24，诸如尼龙绳、钢索或者类似物，被附接到第二 有眼螺栓23的圆形头部12并向上延伸穿过井21到达地表面25以上 的位置，在此处该绳索24可附接到一绞盘(在这里未示出，因为绞盘 对于本领域普通技术人员是极熟知的)或类似装置，用于帮助在井/ 钻孔21中降低或者升高套装组件1及其附加地附接的泵浆管14和制 冷剂传输管线5和6。

套装管2的内部的剩余部分被示出为，以浆液/填充材料15(其 优选是诸如浆液111或诸如此类的粘结性浆液)填充到位于管2的顶 部7以下的大约两英寸27(未按比例画出)的位置，从而为泵浆管14 的下部远端13留出空间以完全配合泵浆管14的内部上部分18。这保 护在泵浆管14被降入到井21中时其下部远端13免于被损坏或者被损 毁外形。使浆液/填充材料15在管2的顶部7以下大约两英寸27的位 置处有一平坦表面26，该浆液/填充材料15优选地是诸如浆液111或 类似物的粘结性浆液。所述平坦表面26将提供阻力，从而如果井包含 天然水填充物(天然水填充物在此未示出，因为其对于本领域普通技 术人员是极熟知的)的话，帮助防止套装组件1和其附接的制冷剂传 输管道5和6以及围绕液体管线5的任意绝热物33从井21中漂浮出 来，并且在灌浆过程(所述灌浆过程对于本领域普通技术人员是极熟 知的)中帮助防止套装组件1从井21中漂浮出来。粘结性浆液，诸如 浆液111，被优选作为用于管2的填充材料，因为相比于其他常规的 浆液，粘结性浆液是抗收缩、抗裂缝、防水且高度导热的。此外，浆 液111是相对较重的，每加仑的重量大约为18.5磅(是水的重量的两 倍以上)，因此将排出任何在井/钻孔21中天然存在的水(未示出)。

图2示出套装组件1的顶部，带有较小直径的液体制冷剂传输管 线5、较大直径的蒸气制冷剂传输管线6、以金属丝19附接到第一有 眼螺栓11的泵浆管14以及绳索24或类似物，所述金属丝19为了保 护目的将泵浆管14固定到管2内的第一有眼螺栓11，所述绳索24或 类似物被固定30到可选的第二有眼螺栓23用于可选地帮助升高和/ 或降低整个组件1。

图3是套装组件1的另一实施方案的侧视图，其中所述套装管2 具有一圆形前端28。

图4是套装组件1和管2的另一实施方案的侧视图，所述管2在 圆锥形前端3的远端13处具有环形物34。所述环形物34可以是有眼 螺栓、挂钩、U形螺栓或者类似件，如本领域普通技术人员极熟知的。 所述环形物34被用于为诸如钢索、尼龙绳或者类似物的绳索24提供 一可选的附接点，如本领域普通技术人员极熟知的。在此特定应用中， 绳索24将被用来将套装组件1及其预先装配的附接的液体和蒸气制冷 剂传输管道5和6拉入到被土壤41围绕的湖35、河、海湾、海洋或 者诸如此类的底部9或其中的适当位置。在这样的湖35设施中，不需 要泵浆管。

在图4的实施方案中，可选的线38还被示出为附接到环形物34， 并且其被示出为向上延伸到漂浮装置39，诸如浮标或者类似物，以在 湖35的水表面40标出套装组件1的位置。

图5是套装组件1的侧视图，其中套装管2具有穿过圆锥形前端 3的钻出的小孔17或诸如此类。所述孔17被用于为诸如钢索、尼龙 绳或类似物的绳索24提供一可选的附接点，如本领域普通技术人员极 熟知的。在该特定应用中，所述绳索24将被用于将套装组件1及其预 先装配的附接的液体和蒸气制冷剂传输管道5和6，拉入到被土壤41 围绕的湖35、河、海湾、海洋或者诸如此类的底部9或者其中的适当 位置。在这样的湖35设施中，不需要泵浆管(在该附图中未示出，但 是对于本领域普通技术人员是极熟知的)。

在图5中，可选的线38还被示出为附接到孔17，并且被示出为 向上延伸到漂浮装置39，诸如浮标等，以在湖35的水表面40标出套 装组件1的位置。

因此，尽管已描述了本发明的用于在直接交换式加热/冷却系统中 安装表面下的制冷剂管道的一种新颖且有用的套装组件的特定实施方 案，但是旨在除了在所附权利要求书中所陈述的之外，这些说明不应 被解释为对本发明范围的限制。