CN106170665A - 包括地源热交换器的地热交换系统及相关方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种地热交换系统，该地热交换系统包括地源热交换器和分配系统，其中地源热交换器定位在大地中，分配系统联接至地源热交换器，以在操作期间使水通过地源热交换器循环。分配系统可包括供给线路、返回线路和循环泵，以使水经由供给线路和返回线路通过地源热交换器的内部流体腔循环。分配系统还可包括放气阀和填充通路，其中放气阀用于从分配系统释放气体，填充通路配置成根据从地源热交换器的水泄露或地源热交换器中的水向气体的转化，自动用水补充地源热交换器的内部流体腔。还提供了其他地热交换系统及有关方法。

Description

包括地源热交换器的地热交换系统及相关方法

技术领域

本公开针对包括地源热交换器的地热交换系统以及利用大地作为热沉和/或热源的相关方法

背景技术

各种地热交换系统(有时被称为地热系统)是众所周知的，包括闭环系统和开式立井系统。地热交换系统可概括为用于内部空间的加热和冷却系统，其中，当加热内部空间时利用大地作为热源和/或当冷却内部空间时利用大地作为热沉。除了其他部件外，公知的地热交换系统的部件通常包括热泵、地源热交换器以及分配系统。很多地热交换系统利用气道作为分配系统，且在大地中利用聚乙烯导管作为地源热交换器。然而，该系统存在各种缺陷和不足。例如，已知系统的许多地源回路都很昂贵、难以安装、需要有毒的化学制品且容易出现故障。另外，这些系统检修困难，并且，如果需要或期望额外的加热或冷却能力，还难以扩充或扩大。一般认为这些因素或其他因素是当前地热交换系统和地热资源没有得到充分利用的主要原因。

发明内容

本文中描述的实施方式提供了包括地源热交换器的地热交换系统及其有关方法，这些方法利用大地作为热沉和/或热源，从而为房屋、建筑物或其他结构提供加热和/或冷却功能。地源热交换器特别坚固且易于安装，并且能够重新配置，以提供多功能的加热和/或冷却系统。在一些情况下，地源热交换器被设置成诸如桩的深基构件的形式，该深基构件可驱动或以其他方式定位在大地中，并且除提供加热和冷却功能外还可作为结构支承构件。另外，在一些实施方式中，提供了填充通路，以在热传递介质自地源回路的泄露或其他损失时，用补充的这种流体填充或装载该系统的地源回路。

根据一个实施方式，地热交换系统可概括成包括地源热交换器和分配系统，其中，地源热交换器为限定内部流体腔的金属容器形式，分配系统联接至地源热交换器，从而在操作期间使热传递介质(优选为水)通过地源热交换器的内部流体腔中循环。分配系统可包括供给线路和返回线路，其中，供给线路将热传递介质输送至地源热交换器，返回线路从地源热交换器收回热传递介质。分配系统还可包括填充通路，该填充通路用于根据热传递介质从地源热交换器的金属容器的泄露而自动以追加的热传递介质补充地源热交换器，其中，在一些情况下，在没有损坏的条件下，金属容器也易于泄露或易受泄露影响。

在一些情况下，地热交换系统可与热泵一起操作以提供加热功能和/或冷却功能，例如，为建筑物或其他结构提供加热和/或冷却功能。地热交换系统可配置成在加热模式期间从大地吸收热量和/或在冷却模式期间将热量排放到大地中。

供给线路、返回线路以及地源热交换器可共同限定地源回路，以及填充通路可包括止回阀，从而响应于穿过止回阀存在的压差超过所选阈而从补足水源将补足水引到地源回路中。在水从地源热交换器中泄露或地源回路中的水转化为气体的情况下，地源回路的操作压力可降低到阈值以下。止回阀的上游侧可与补足水源中的补足水无障碍地流体连通。分配系统还可包括放气阀以释放来自分配系统的气体。放气阀可位于或接近地源回路中的最高点或标高处。

热交换器的金属容器可以是深基构件。例如，金属容器可以是成桩形式的深基构件或其他承载构件。深基构件可包括位于其下端处的螺旋钻结构以提高可打性。深基构件还可包括位于其上端处的接合结构，该接合结构用于联接至旋转打桩机系统或其他深基安装系统。

地源热交换器的金属容器可包括钢的管状壳体和端盖，以限定大体封闭的流体容器。地源热交换器的金属容器可以是深基构件或承载构件，例如用于地上结构的锚固件、用于结构的基座支承件或土壤保持元件。地源热交换器的金属容器可包括管状结构，该管状结构具有外表面和内表面，其中，外表面与大地交界，内表面与在操作期间通过地源热交换器循环的水接触。

在一些情况下，流体分配系统的供给线路包括出口，以将热传递介质排放到地源热交换器的金属容器的内部流体腔中，并且返回线路包括入口，以从地源热交换器的金属容器的内部流体腔中收回热传递介质。在一些情况下，供给线路的出口和返回线路的入口可以每个都沿源热交换器的纵向长度而位于不同高度处。另外，供给线路的出口和返回线路的入口每个都可位于地源热交换器的金属容器的内部流体腔的上部中。在其他情况下，供给线路的出口和返回线路的入口每个都可位于地源热交换器的相对的端部处。供给线路的出口和返回线路的入口可从地源热交换器的金属容器下端偏移，以使得金属容器的内部流体腔下半部分仅由热传递介质的立柱占据。

根据另一实施方式，地热交换系统可概括成包括位于大地中的地源热交换器和分配系统，其中，地源热交换器包括限定内部流体腔的金属容器，分配系统联接至地源热交换器，从而使水在操作期间通过地源热交换器循环。分配系统可包括供给线路、返回线路和循环泵，以使水经由供给线路和返回线路通过地源热交换器的内部流体腔循环。分配系统还可在放气阀和填充通路，其中，放气阀用于释放来自分配系统的气体，填充通路被配置成在水从地源热交换器泄露或地源热交换器中的水转化为气体的情况下，自动地用水补足地源热交换器的内部流体腔。地热交换系统可与热泵一起操作，以提供加热功能和/或冷却功能，并且可配置成在加热模式期间从大地吸收热量和/或在冷却模式期间将热量排放到大地。

根据另一实施方式，安装地热交换系统的方法可概括成包括：将至少一个地源热交换器安装到大地中，地源热交换器包括金属容器，该金属容器具有与大地交界的外表面以及限定内部流体腔的内表面；经由流体分配系统将至少一个地源热交换器联接至热泵，流体分配系统包括供给线路、返回线路和循环泵，以在操作期间使水通过地源热交换器的内部流体腔循环，从而在加热模式期间从大地吸收热量和/或在冷却模式期间将热量排放到大地中；以及，将流体分配系统联接至水源，以使得能够在水损失的情况下自动用补足水补足热交换器。

该方法还可包括以串联布置、并联布置或串联布置和并联布置的组合将多个地源热交换器联接至热泵。该方法还可包括从多个地源热交换器获得性能数据，并将一个或多个补充的地源热交换器安装到大地中，以及至少部分地基于性能数据和热泵的期望需求，将一个或多个补充的地源热交换器联接至热泵。该方法还可包括将至少一个补充的地源热交换器安装到大地中，以及响应于热泵的期望需求的变化，将至少一个补充的地源热交换器联接至热泵。将至少一个地源热交换器安装到大地中可包括用安装系统将至少一个地源热交换器推动到大地中，或将至少一个地源热交换器定位到大地中预钻的腔中。

根据另一实施方式，操作地热交换系统的方法可概括成包括：使水通过地源回路循环，以在加热模式期间从大地吸收热量和/或在冷却模式期间将热量排放到大地中，地源回路包括具有金属流体容器的至少一个地源热交换器，其中，金属流体容器具有与大地交界的外表面以及在操作期间与水接触的内表面；以及在水从至少一个地源热交换器泄露或来自地源回路中的水向气体转化的情况下，将补足水引入到地源回路中。

操作地热交换系统的方法还可包括对至少一个地源热交换器以及包围该至少一个地源热交换器的大地进行去应力。地源回路可联接至热泵以与其中的热交换器交换热量，并且对至少一个地源热交换器以及包围该至少一个地源热交换器的大地进行去应力可包括用循环泵使水通过至少一个地源热交换器循环。在去应力期间，热泵可以是运行状态或非运行状态。用循环泵使水通过至少一个地源热交换器循环可包括使水在这样的容积流速下通过至少一个地源热交换器循环，该容积流速小于当热泵运行时水循环的平均容积流速。对至少一个地源热交换器以及包围该至少一个地源热交换器的大地进行去应力可包括从地源回路中排出水以及将与平均温度与所排出的水不同的补充水引入地源回路。在水从至少一个地源热交换器泄露或来自地源回路中的水转化为气体的情况下将补足水引入地源回路可包括：尽管从至少一个地源热交换器损失水，但自动将地源回路维持在操作能力处。

附图说明

图1是根据一个实施方式的包括多个地源热交换器的地热交换系统的侧视图。

图2是根据另一实施方式的包括多个地源热交换器的地热交换系统的侧视图。

图3是根据又一实施方式的包括多个地源热交换器的地热交换系统的侧视图。

具体实施方式

在以下描述中，阐明了一些具体细节以提供对各种公开的实施方式的全面理解。然而，本领域普通技术人员应理解的是，可以在没有一个或多个这些具体细节的情况下、或者以其他方法、部件、材料等来实践实施方式。在其他情况下，没有示出或详细描述与地热交换系统和深基构件相关联的公知结构和设备以及相关联的安装方法和使用方法，以免不必要地模糊对实施方式的描述。

除非上下文另有要求，否则，在说明书和所附权利要求全文中，词语“包括(comprise)”及其变体，诸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”会解释成开放式的、非排他的含义，即，解释成“包括但不限于”。

在该说明书全文中，参照“一个实施方式”或“一实施方式”是指在至少一个实施方式中包括结合该实施方式来描述的具体特征、结构或特性。因而，在说明书全文中的不同位置出现的词组“在一个实施方式中”或“在实施方式中”不一定全部都指同一实施方式。另外，本文中描述的具体特征、结构或特性可以在一个或多个实施方式中以任何适当的方式进行组合。

图1示出了地热交换系统10(通常被称为地热系统)的一个示例性实施方式，该地热交换系统10适合于通过在冷却模式期间将大地或陆地用作热沉或在加热模式期间将大地或陆地用作热源来提供冷却和/或加热功能。地热交换系统10包括多个地源热交换器20，多个地源热交换器20可以位于大地12中，以在地热交换系统10的操作期间与大地12交换热量。

在一些情况下，可以利用安装系统将地源热交换器20打入大地12中，其中，安装系统可包括用于将长型物体定位在大地中的各种已知系统中的任意系统，例如，在第6,386,295号美国专利、第6,942,430号美国专利和/或第7,950,876号美国专利中示出并描述的打桩机，以上美国专利均通过引用并入本文。在其他情况下，可将地源热交换器20定位在大地12中预钻的腔内，且如有需要可回填。地源热交换器20促进大地12与包含在地源热交换器20中和/或移动通过地源热交换器20的热传递介质21(优选为水或主要为水)之间的热交换。热交换可需要从地源热交换器20向大地12输送热能和/或通过地源热交换器20从大地12接收热能。

地源热交换器20通常可以是长型结构，该长型结构包括具有顶端24和底端26的流体容器22。地源热交换器20可以安装成使得其顶端24延伸或突出到大地12之上，或地源热交换器20可完全掩埋在大地12中。在一些情况下，地源热交换器20可定位成顶端24突出到在大地12中形成的沟槽或凹陷14之上。地源热交换器20的顶端24可以定位在周围大地12的冻深线处、或接近周围大地12的冻深线处或周围大地12的冻深线之下。地源热交换器20的布置深度可取决于系统10安装区域的气候条件、大地12的土壤特性和/或期望或要求的加热和/或冷却功能的量级。

地源热交换器20的流体容器22中的每个均可包括具有相对的端盖34、36的外壳或管状结构30，端盖34、36共同限定内部流体腔32。更具体地，地源热交换器20的流体容器22中的每个均可包括外壳或管状结构30、顶端盖34和底端盖36，其中，顶端盖34位于热交换器20的顶端24处或接近热交换器20的顶端24，底端盖36位于热交换器20的底端26或接近热交换器20的底端26。外壳或管状结构30与相对的端盖34、36可共同形成限定内部流体腔32的封闭结构。外壳或管状结构30通常可为圆柱形或可包括其他规则或不规则的棱柱形状，诸如矩形棱柱。外壳或管状结构30的侧壁42可包括外表面46和内表面48，其中，外表面46与大地12交界，内表面48限定内部流体腔32，并与地源热交换器20中包含的和/或在操作期间移动通过源热交换器20的热传递介质21(例如，水)相接触。以这种方式，热传递介质21可与周围的陆地或大地12仅间隔侧壁42的厚度。

地源热交换器20还可包括一个或多个特征以增加打入性或以其他方式易于将地源热交换器20安装在大地12中。例如，每个地源热交换器20均可在其底端26处或靠近其底端26处包括螺旋钻结构40。如另一示例，每个地源热交换器20均可在其顶端24处或靠近其顶端24处包括接口布置或结构44，以用于与诸如打桩机的安装系统配合。安装系统可具有旋转接口，该旋转接口设计成以允许将扭矩从旋转接口输送至地源热交换器20的方式接合位于地源热交换器20(或者地源热交换器20的子段)的顶端24处的接口布置或结构44。因而，安装系统的旋转接口和/或位于地源热交换器20的顶端24处的接口布置或结构44可具有防止安装系统的旋转接口与位于地源热交换器20的顶端24处的接口布置或结构44之间相对旋转的特征。这些特征可布置成径向对称的图案，以允许以多个相对角度中的任意角度在旋转接口内接纳顶端24。如图1所示，接口布置或结构44可具有大致的多边形状，例如，但不限于，限定多个平坦部的六边形或八边形。安装系统的旋转接口可具有多个相应的平坦部或特征，从而以与例如套筒扳手接纳螺帽或螺栓的头部的类似的方式接纳接口布置或结构44。

安装系统可具有电动机或者其他设备，该电动机或其他设备通过经由接口布置或结构44引入地源热交换器20的旋转而使得地源热交换器20能够旋转插入大地12。旋转可促进用地源热交换器20穿透至大地12中。除旋转之外或与旋转同时地，安装组件还可在地源热交换器20上施加向下的压力以将地源热交换器20推动至大地12中。响应于旋转，螺旋钻结构40可抵靠周围土地动作，以将地源热交换器20的底端26更深地引入大地12中，从而促进穿透至大地12中。如图所示，底端盖36可具有大体尖锐的形状，该大体尖锐的形状可为三角形、圆锥形、角锥形等，从在有助于在穿透大地12期间从地源热交换器20下方转移泥土。

顶端盖34、底端盖36、螺旋钻结构40和/或接口布置或结构44可以是与外壳或管状结构30的侧壁42分离的独立件，并且可通过焊接、钎接、螺纹、化学作用或粘合剂接合、和/或其他方法固定至侧壁42。可替代地，侧壁42、顶端盖34、底端盖36、螺旋钻结构40和/或接口布置或结构44可彼此形成为单件。在第6,386,295号美国专利、第6,942,430号美国专利和/或第7,950,876号美国专利中示出和描述了可与本文中描述的地源热交换器20结合提供的顶端盖34、底端盖36、螺旋钻结构40和/或接口布置或结构44的示例以及用于安装该地源热交换器20的示例性安装系统，以上三个美国专利申请同样通过引用均并入本文。同样地，地源热交换器20可包括在深基布置、管道铺设、打桩布置等领域中所知的各种安装特征或结构和/或土壤穿透特征中的任意特征。

在一些实施方式中，地源热交换器20中的每个的外壳或管状结构30都可以是由诸如钢或其他金属材料的、具有相对较高的热导率的材料形成的桩。外壳或管状结构30的侧壁42与大地12之间的热传导性可促进大地12与地源热交换器20中的每个之间的热交换。外壳或管状结构的侧壁42同样优选地由诸如钢或其他金属材料的、结构上坚固的材料形成。这可以使得能够用可能对由诸如混凝土的其他材料构成的桩或其他深基结构来说不适合的技术，将源热交换器20打入大地12。钢可以更有效地承受冲击载荷、涉及拉伸应力的静力载荷方式等。当选择用于外壳或管状结构30的材料时，拉伸强度、抗压强度、弹性、热导率、热膨胀以及耐腐蚀性可全部被考虑到。

在一些实施方式中，可由外壳或管状结构30与相对的端盖34、36共同限定的流体容器22可以是钢桩或其他的深基结构。钢或其他类似的材料可以提供相对较高程度的热导率和高结构强度，以使得地源热交换器20能够提供与大地12之间的有效热交换，以及，如有期望，向基座或其他结构提供结构支承。

地源热交换器20的散热和/或吸热能力大体可与地源热交换器20的长度成比例。在一些情况下，流体容器22可由多个部分或段形成。根据一些实施方式，例如，通过将多个管状结构30固定在一起来形成地源热交换器20可以获得对大地12更深的穿透。例如，如图1所示的地源热交换器每个都包括具有经由例如螺纹联接件的联接件50联接在一起的两个独立的外壳或管状结构30。在一些实施方式中，可以将两个或更多个外壳或管状结构30联接在一起，从而形成长型的流体容器22，该长型的流体容器22很适合于穿透大地12至更大深度，同时将每个外壳或管状结构30的长度保持为适合于运输、贮存、材料处理和安装工作。

独立的外壳或管状结构30可包括长度在大约4英尺与大约40英尺之间的外壳段。管段可具有在大约4英寸至大约22英寸的范围内的外径或更大。管段的侧壁42的厚度可在大约0.25英寸至大约0.75英寸之间或更大。外壳段可包括DOM无缝管，并且可由具有在大约80ksi与110ksi之间的屈服强度的高强度钢形成。在其他情况下，外壳段可包括具有适当强度和热传导特性的其他金属材料，包括复合材料，以用作诸如桩的深基构件的形式的地源热交换器20。

较长的地源热交换器20可以穿透大地12至相对更大的深度，并且由于地源热交换器20与大地12接触的表面积增大，因而可提供更大的热交换容量。另外，地源热交换器20穿透到更大的深度可使得地源热交换器20能够到达诸如移动的地下水的地下特征，该地下特征还可提高大地12与地源热交换器20之间的热传递。

另外，地源热交换器20可包括两个或更多个外壳或管状结构30，该两个或更多个外壳或管状结构30联接至一起以形成长型的流体容器22。分离的外壳或管状结构30可通过螺纹联接件50联接在一起。于2013年6月13日提交的第13/917,132号共同待决的美国专利申请中描述了可使用的联接件的示例性实施方式，其中，该美国专利申请通过引用并入本文。当然，还可使用深基构件和管道安装件的领域中公知的其他联接件50。在一些情况下，联接件50可具有管状形状，该管状形状尺寸确定成使得相邻的外壳或管状结构30中上面一个的下端与相邻的外壳或管状结构30中下面一个的上端协作，从而限定单个大体连续的棱柱流体腔32。

地源热交换器20可以以模块的形式插入到大地12中。更具体地，首先可经由旋转、撞击、振动或其他安装技术将每个地源热交换器20的下段或下部54插入大地12。下段或下部54可插入这样的深度，即，将地源热交换器20的顶端暴露在大地12或者沟槽或凹陷14的表面上方。然后，可经由联接件50将每个地源热交换器20的相邻或上段或上部56固定至下段或下部54，从而经过旋转、撞击、振动或其他安装技术推动到大地中，直到相邻或上段或上部56的大部分或整体均被掩埋。然后，可将地源热交换器20设置在图1中所示的示例性位置中。

在其他实施方式中，可以设置可移除的联接件，在下段或下部54已插入到大地12中之后且在附接相邻或上段或上部56之前，可从每个地源热交换器20的下段或下部54去除该可移除的联接件。然后，可使用具有较低轮廓的不同联接件(未示出)将相邻的段54、56附接在一起。该联接件无需接受扭矩或以其他方式适于与例如桩安装系统配合，因而无需具有图1的示例性实施方式中所示的接口布置或结构44。因此，这种联接件可具有较小的尺寸，因此具有对穿透大地12更小的阻力，从而增加了地源热交换器20的可打入性。可通过使用包括例如焊接、螺纹、粘合剂结合、化学作用结合、和/或其他方法的各种方法，将这种低轮廓的联接件附接至每个段或部分54、56的外壳或管状结构30。

尽管每个地源热交换器20的段54、56均可被推动到大地12中，不过还应理解的是，在其他实施方式中，可使用其他安装方法。例如，在一些情况下，可在大地中形成预钻的腔来接纳相应的地源热交换器20，且如有期望或有需要可进行回填。

可将本文中描述的地源热交换器20用于期望将热量排放到大地12中和/或从大地12接收热量的任意应用中。这种应用包括但不限于建筑物和其他结构的加热和冷却。另外，诸如一些制造过程的某些动作可产生需要被弃置的废热。本文中描述的地源热交换器20可用于为这些动作提供热沉。

继续参照图1，地热交换系统10还可包括连接至地源热交换器20的热泵60或其他装置。这种热泵可用于加热和/或冷却诸如房屋、办公楼或工业建筑的建筑物或结构。热泵60可根据是否需要冷或加热，通过利用制冷循环来向热传递介质21排放热量或从热传递介质21汲取热量来实现该功能。

如图所示和上文所述，每个地源热交换器20都包括流体容器22，流体容器22包括具有相对的端盖34、36的外壳或管状结构30，其中相对的端盖34、36共同限定了内部流体腔32。腔32可具有顶端33和底端35，其中，顶端33接近地源热交换器20的顶端24，底端35接近地源热交换器20的底端26。热传递介质21可位于腔32内，并且在操作期间可完全或大体填充腔32。热传递介质21优选由水或主要由水构成，但在一些情况下可包括沉淀物、其他无害的异物颗粒和/或环境友好型添加剂。应避免使用含有乙二醇或其他潜在的、对环境有害的物质的制冷剂，以便消除这些物质泄露或渗漏到周围大地12或地下水中的风险。

尽管外壳或管状结构30和相对的端盖34、36可共同限定大体封闭的流体容器22，不过如由58标示的、热传递介质21泄漏的区域所示，容器22会易于泄漏或易受泄漏的影响。热传递介质21的泄露可能会在例如地源热交换器20的结构中设置的各种连接件处发生，例如，在流体容器22的相邻的段54、56之间的连接件处或相对的端盖34、36与外壳或管状结构30之间的连接件处。有利地，流体容器22可以不考虑建立完全液密的容器，因为本文中描述的系统和方法会对热传递介质21的泄露或其他损失负责。这可以降低建造以及安装的复杂性和成本。例如，降低了安装期间外壳或管状结构30的段54、56可对准和组合的精确度，从而使得能够以更便利的方式进行安装。

外壳或管状结构30的内表面48可限定内部流体腔32的大部分边界，并且可具有有助于防止内表面48被腐蚀的防腐涂层或其他处理。如有需要，底端盖36和/或顶端盖34的内表面同样可以被涂敷或以其他方式进行处理。

另外，根据优选实施方式，热传递介质21为水或者主要为水。水容易获取并且当以有限的量排放时对大地12和周围环境无害。因此，无需在每个地源热交换器20的内部流体腔32与周围环境之间保持严格的密封。如果一些水从地源热交换器20泄露到大地12中，可以自动补充水。顶端盖34可与外壳或管状结构30的末端限定密封部。然而，这种密封件可能有缺陷且易受泄露影响。有利地，顶端盖34可以是可移除的、可再闭合的和/或可替换的，从而允许相对容易地对地源热交换器20进行检修。

在每个地源热交换器20的内腔32中循环的热传递介质21提供了介质，通过该介质在热泵60与地源热交换器20之间交换热量，并最终与大地12交换热量。如果通过地源热交换器20的内腔32循环的热传递介质21(例如，水)的温度比大地12的温度高，则热量可从热传递介质21传入外壳或管状结构30。如果大体限定了内部流体腔32的外壳或管状结构30由诸如钢的、具有相对高的热导率的材料构成，则热量可沿外壳或管状结构30的纵向长度快速且便利地分配，并且可传入到包围地源热交换器20的大地12中。相反，如果通过热传递介质21的内腔32中循环的热传递介质21的温度比大地12的温度低，则该过程反向进行，即热量从包围地源热交换器20的大地12传入外壳或管状结构30，并沿外壳或管状结构30的纵向长度快速且便利地分配，且最终传入热传递介质21。

不论热传递介质21是接收热量还是排出热量，也不管内部流体腔32内不同位置处流体之间可能有的温度差，地源热交换器20的外壳或管状结构30的相对高的热导率均能够使热量沿外壳或管状结构30的整个纵向长度快速且有效地分配。例如，如果接近地源热交换器20的顶端的热传递介质21比接近地源热交换器20的底端26的热传递介质21热得多，则来自接近顶端24的较热的流体的热量可传入侧壁42的相邻部分，且从该相邻部分更快速和有效地被引导至地源热交换器20的底端26，然后热量可用其他方式经过热传递流体21本身迁移。因此，即使内部流体腔内的一些热传递介质21相对于大地12不具有支持有效热传递的理想温度差，侧壁42的全长对于与周围大地12的热传递来说也可以有效。因此，在一些情况下，可能不一定循环地源热交换器20内包含的所有热传递介质21，且在一些情况下，地源热交换器20中的一些热传递介质21可能在整个操作中处于停滞或相对停滞，而对加热和冷却性能造成的影响很小(如果有的话)。

地热交换系统10还可包括流体分配系统64，流体分配系统64联接至地源热交换器20，从而在操作期间使热传递介质21通过内部流体腔32循环。为了这个目的，流体分配系统64可包括供给线路70，从而如由箭头标记72所示，将热传递介质21输送至地源热交换器20。供给线路70可包括诸如各种管路和软管的一个或多个流体供给导管70a、70b、70c，和相关联的配件、歧管74和/或用于将热传递介质21按路线从热泵60运送至地源热交换器20的其他流体传输部件。流体分配系统64还可包括返回线路80，以如由箭头标记82所示，从地源热交换器20收回热传递介质21。返回线路80可包括诸如各种管路和软管的一个或多个流体返回导管80a、80b、80c，以及相关联的配件、歧管84和/或用于按路线远离地源热交换器20朝向热泵60运送热传递介质21的其他流体传输部件。

可通过使用诸如相应的供给线路导管70a、70b、70c的、供给线路70的相应部分以及诸如相应的返回线路导管80a、80b、80c的、返回线路80的相应部分，使热传递介质21循环进入和循环流出每个地源热交换器20的内部流体腔32，其中供给线路70的相应部分和返回线路80的相应部分均可穿过顶端盖34。每个供给线路导管70a、70b、70c均可经由相应的供给线路开口76a、76b、76c将热传递介质21输送至热交换器20的内部流体腔32。同样地，每个返回线路导管80a、80b、80c均可经由相应的返回线路开口86a、86b、86c从地源热交换器20的内部流体腔32抽吸热传递介质21。对于热交换器20中的每个来说，例如，如图1所示，返回线路开口86a、86b、86c可接近内部流体腔32的顶端33定位，且供给线路开口76a、76b、76c可定位成比返回线路开口86a、86b、86c低。另外，对于热交换器20中的每个来说，返回线路导管80a、80b、80c和相应的返回线路开口86a、86b、86c尺寸可以确定为远小于内部流体腔32的横截面，以使得通过当与外壳或管状结构30相比时相对较细(例如，至少细几个等级)的通路收回热传递介质21。同样地，对于热交换器20中的每个来说，供给线路导管70a、70b、70c和相应的供给线路开口76a、76b、76c尺寸可以确定为远小于内部流体腔32的横截面，以使得通过当与外壳或管状结构30相比时相对较细(例如，至少细几个等级)的通路引入热传递介质21。

因为无需干扰包围地源热交换器20的大地12以铺设可以以其他方式联接至热交换器20的侧部的热交换导管、进口导管或出口导管，所以通过顶端盖34联接相应供给线路导管70a、70b、70c和返回线路导管80a、80b、80c可促进或便于安装地源热交换器20。即便是这样，在其他实施方式中，相应供给线路导管70a、70b、70c和返回线路导管80a、80b、80c中的一些或全部还可联接至热交换器20的侧部，而不是穿过顶端盖34。

根据一些示例，每个地源热交换器20的供给线路开口76a、76b、76c和返回线路开口86a、86b、86c每个均可位于该地源热交换器20的内部流体腔32的上部内。在这方面，每个地源热交换器20的供给线路开口76a、76b、76c和返回线路开口86a、86b、86c均可从地源热20交换器的下端26偏移，以使得内部流体腔32的下半部分仅由传热介质的立柱占据。在其他情况下，每个地源热交换器20的供给线路开口76a、76b、76c和返回线路开口86a、86b、86c均可以位于该地源热交换器20的相对端24、26处。

然而，由于热交换器20包括由诸如钢的、具有相对高的热导率的材料形成的流体容器22，因而每个热交换器20内的供给线路开口76a、76b、76c都不必为了提供有效的热传递功能而位于内部流体腔32的底端35内。如图1所示，替代地，每个供给线路开口76a、76b、76c均可位于热交换器20的上部或一半位置内。以这样的方式定位供给线路开口76a、76b、76c可降低地源热交换器20的成本和/或有助于地源热交换器20的检修。即便如此，每个供给线路开口76a、76b、76c还均可位于内部流体腔32内沿热交换器20的高度的任意位置处，不过优选地，位于与每个热交换器20的相应返回线路开口86a、86b、86c不同的高度处。例如，在一些实施方式中，每个供给线路开口76a、76b、76c均可定位成比每个热交换器20的相应返回线路开口86a、86b、86c低。在替代实施方式中(未示出)，定位可以相反，其中，每个供给线路开口76a、76b、76c定位成比每个热交换器20的相应返回线路开口86a、86b、86c高。在这种情况下，每个供给线路开口76a、76b、76c可定位成位于每个相应的热交换器20的顶端33处或接近每个相应的热交换器20的顶端33，并且每个返回线路开口86a、86b、86c均可位于相应的供给线路开口76a、76b、76c下方。在一些情况下，每个返回线路开口86a、86b、86c均定位成靠近或接近顶端盖34，从而减小可用于循环热传递介质21的一个或多个循环泵上的压力头。

根据一些实施方式，供给线路70、返回线路80和地源热交换器20共同限定了地源回路，热传递介质21可通过地源回路循环以提供加热和/或冷却功能。尽管在本文中描述了泄露及其他流体损失的可能性，但还是可将该地源回路为闭环系统。流体分配系统64还可包括填充通路90，填充通路90联接至地源回路，从而在热传递介质21自地源热交换器20泄露或有其他损失的情况下用补足的热传递介质21补充地源回路。优选地，该补充过程可自动进行而无需取得接近、修改和/或人工操作地热交换系统10。

作为示例，供给线路70可连接至诸如城市用水主线路或蓄水箱或储水器的补足的热交换介质源92。止回阀94可将补足的热交换介质源90连接至供给线路70。当补足的热交换介质源90与供给线路70之间的压力差达到或超过给定阈值时，可抬起或打开止回阀94以允许补足的热交换介质(例如，水)填充或再填充地源回路。还可使用回流预防设备(未示出)来防止热交换介质21朝向补足的热交换介质源92回流。补足的热交换介质源92可进行加压，以在群源回路经受足以抬起或打开止回阀94的压降时促使热传递介质21(例如，水)流入地源回路。因此，止回阀94的上游侧可与来自补足的热交换介质源90的补足的热传递介质无障碍地直接流体连通。另外或可替代地，这种补足的热交换介质源92可连接至地源回路的返回线路80或其他部分。在一个或多个实施方式中，补足的热交换介质源92接近循环泵位置联接至地源回路，其中，循环泵用于使热传递介质21通过一个或多个地源热交换器20循环。

如图1所示，流体分配系统64还可包括放气阀96，放气阀96诸如沿供给线路70或返回线路80的一部分连接至地源回路。放气阀96可设计成释放来自地源回路的气体，其中该气体可以是通过热传递介质21的一部分转换成气态而产生的。放气阀96可包括基于相对压力释放气体的止回阀，或者可具有通风管或从地源回路排出气体的其他装置。放气阀96可位于或接近地源回路中的最高点或标高处。

热泵60(或类似的装置)可通过返回线路80接收热传递介质21，以及可利用热泵60的热交换器从热传递介质21接收热量或向热传递介质21排放热量。然后，热泵60可经由供给线路70将热传递介质21引导回地源热交换器的内部流体腔32。热泵60可包括促使热传递介质21通过地源回路循环的一个或多个循环泵(未示出)。在其他的情况下，可以在热泵60之外设置一个或多个循环泵。

可替代地，一个或多个循环泵可定位在地源热交换器20内；然而，有利的是，可将一个或多个循环泵定位在地源热交换器20外，以保持容纳于地源热交换器20的内部流体腔32内的结构尽量简单。这样可便于安装地源热交换器20和/或便于检修地热交换系统10，因为不必经过通过地源热交换器20的顶端24可用的、相当受限制的访问对一个或多个泵进行检修。实际上，在一个或多个实施方式中，地源热交换器20的内部流体腔32可免于相应的供给线路开口76a、76b、76c与相应的返回线路开口86a、86b、86c之间的任何障碍，从而有助于安装地源热交换器20和/或检修地热交换系统10，并且相对地允许热传递介质21(例如，水)在相应的供给线路开口76a、76b、76c与相应的返回线路开口86a、86b、86c之间无障碍地流动。

地源热交换器20可适合于容易地扩充系统，从而允许安装额外的单元以增加安装了这些额外单元的系统的热传递能力。这种地源热交换器20可如图1所示的并联、串联或如图2所示以并联、串联的组合连接在一起。有利地，地热交换系统的一些实施方式可包括并联连接的地源热交换器20的组，且可配置成使得任意一组与其他组隔离，并可在减小的加热或冷却需求的阶段期间绕过或停止使用以用于检修。

图2示出了地热交换系统10'的示例性实施方式，其中，地热交换系统10'包括经由流体分配系统64连接至热泵60的多个地源热交换器20。如图所示，地源热交换器20可插入到大地12中或以其他方式定位于大地12中。地源热交换器20可如图所示布置成一行、成三角形或成任意其他适当的布置。如果地源热交换器20用于支承建筑物或结构98的基础部99，则具体的结构支承要求可限定地源热交换器20的布置。在任何情况下，各地源热交换器20可有益地充分间隔开，以使得地源热交换器20中的每一个均以最高或相对高的效率工作。因而，可使用最小间距水平来确定地源热交换器20中的每个与每个相邻地源热交换器20可以距离多近。在其他情况下，一些地源热交换器20可紧密堆叠或布置成相对密集的群组。

地源热交换器20可通过流体分配系统64全部连接至同一热泵60或其他加热和冷却装置。流体分配系统64可包括供给线路70，从而，如由箭头标记72所示，将热传递介质21输送至地源热交换器20。供给线路70可包括诸如各种管路和软管的一个或多个流体供给导管70a、70b、70c，和相关联的配件、歧管74和/或用于将热传递介质21按线路从热泵60运送至地源热交换器20的其他流体传输部件。流体分配系统64还可包括返回线路80，从而，如由箭头标号82所示，从地源热交换器20收回热传递介质21。返回线路80可包括诸如各种管路和软管的一个或多个流体导管80a、80b，以及相关联的配件、歧管84和/或用于按线路将热传递介质21朝向热泵60远离地源热交换器20运送的其他流体传输部件。如图2所示，地源热交换器20中的一些可通过中间导管71串联联接，然后这些串联的组并联联接至热泵60。以这样的方式，中间导管71可同时用作用于一个地源热交换器20的返回线路以及用于另一个地源热交换器20的供给线路。最终，热传递介质21可流过所有的地源热交换器20，从而与围绕每个地源热交换器20的周围大地12传递热量。

尽管图2示出的地热交换系统10'具有4个地源热交换器20，不过，假如一个或多个循环泵(未示出)充足地确定尺寸以引起传热介质(例如，水)在由供给线路70、返回线路80和地源热交换器20限定的整个地源回路中移动，则可串联连接、并联连接或以连接、并联的组合连接任意数量的地源热交换器20。

参照图1和图2，有利地，可向地热交换系统10、10'添加一个或多个地源热交换器20，并且适当地管接地源热交换器20以扩展系统10、10'的容量。例如，如果构造系统10、10'并操作热泵60，以实现具体的加热和/或冷却目的，则最终对热泵60的需要或要求会超出系统10、10'的初始容量。例如，改变天气条件或使用习惯、扩展所加热的和/或所冷却的空间，或仅仅是系统10、10'的初始尺寸过小可导致需要在安装系统10、10'之后增大加热和/或冷却能力。可通过例如在先前安装的地源热交换器20附近将一个或多个附加的地源热交换器20定位、插入或推动到大地中而便利地增加一个或多个附加的地源热交换器20。然后，可以以串联和/或并联布置将来自地源热交换器20的返回线路80和供给线路70连接至一个或多个附加的地源热交换器20。然后，可以以通过一个或多个附加的地源热交换器20增加的热交换能力来操作热泵60。

尽管串联连接地源热交换器20会相对简单，但是，在一些情况下，并联布置或其他布置可提供更高的热传递效率。除并联布置外，可以以各种方式共一起使用多个地源热交换器20。例如，一组独立地源热交换器20可独立连接至热泵60或类似的装置，以使得地源热交换器20中的每个均提供本身与热泵60的热交换。为了这个目的，热泵60可具有多个内部热交换器(未示出)。

再次参照图2，系统10'可具有供给歧管74，其中，供给歧管74通过供给线路70的段连接至热泵60。供应线路导管70a和70b可从供给歧管74通过至相应的地源热交换器20或地源热交换器20的群组。因而，来自热泵60的热传递介质21可直接穿过至地源热交换器20的并联组中的每个。这样可有助于保证通过地源热交换器20的并联组中的每个接收的热传递介质21相对于周围大地12的温差足以使得能够通过地源热交换器20的群组进行有效的热传递。

如有要求，系统10'还可具有供给线路阀(未示出)，该供给线路阀连接至通向地源热交换器20的供给线路导管70a、70b中的每个。供给线路阀可用于控制通过每个供给线路导管70a、70b的热传递介质21的流，并因而控制流入地源热交换器20群组中的每个的热传递介质21的比例。这可用来适当平衡在并联的地源热交换器20群组中的每个中的热传递。例如，如果发现或许由于周围的地下岩层或其他因素而使地源热交换器20的一个组的热传递速率低比其他组的热传递速率低，则可调节相关联的供给线路阀来减小至该组地源热交换器20的热传递介质21的流。这可以使其他地源热交换器20能够从热泵60接收到热传递介质21的流的更大份额，从而更有效地使用以更大的热传递能力工作的热交换器20。

供给线路阀还可用来完全关断至地源热交换器20中的一个或多个的热传递介质21流，从而有效地将该地源热交换器20从系统10'断开。这可以用来使地源热交换器20或并联的地源热交换器20组能够进行检修，或用于永久性断开不再需要或已变成不可恢复性失效的任意地源热交换器20或地源热交换器20组。

同样地，系统10'可具有返回歧管84，返回歧管84通过返回线路80的段连接至热泵60。来自地源热交换器20的并联组中的每个的返回线路导管80a、80b可将来自地源热交换器20的热传递介质21传递至返回歧管84，在返回歧管84处，来自所有地源热交换器20的热传递介质21可结合在一起，并通过返回线路80的其余部分传递至热泵60。

可在返回线路导管80a、80b中的每个上设置返回线路阀(非示出)。返回线路阀可用来代替上文讨论的供给线路阀或者除上文讨论的供给线路阀外还使用返回线路阀，且返回线路阀还可允许调节通过地源热交换器20的并联组中的每个的热传递介质21的流。返回线路阀还可与供给线路阀一起使用，从而如上所述有效地从系统10'断开地源热交换器20。

如前文提及的，除与大地12进行热交换外，本文中描述的地源热交换器20还可用来提供结构支承。因而，地源热交换器20可用作各种系统的承载构件。根据各种实施方式，该地源热交换器20可用于支承如图2所示的地上结构98的基础部99、锚接地上结构和/或用作如图3所示的土壤保持组件中的部件。

参照图2，示例性地热交换系统10'包括4个地源热交换器20，这4个地源热交换器20用于支承地上结构98的基础部99中的一部分，且例如经由联接至热泵60的压力空气系统或辐射供暖系统向结构98内的空间提供加热和/或冷却。地上结构98可以是包括但不限于房屋、办公楼、工业建筑、存储设备、商业建筑等各种建筑物中的任意一种。结构98可具有基础部99，其中基础部99可由混凝土、金属或任意其他材料形成。图2中所示的基础部99仅仅是说明性的。由根据本发明的实施方式的地源热交换器20支承的基础部99可采用各种形式或配置。

基础部99可位于地上，或者在其他实施方式中可位于地下。因此，地源热交换器20中的每个的顶端24均可暴露在大地12的表面之上或位于沟槽或凹陷部14内，或者可以被掩埋，以使得地源热交换器20中的每个的整体完全位于大地12的表面之下。在深基应用或类似的应用中，地源热交换器20中的每个均掩埋在大地12的表面数英尺之下。

在其他可替代的实施方式中，地源热交换器20的顶端24可以比如图2所示的暴露得更多。例如，如果结构98将在高于大地12的表面之上悬挂，则期望使地源热交换器20延长至大地12之上的更大高度。由于大地12与地源热交换器20接触的表面面积较低，因而这种布置可降低地源热交换器20向大地12传递热量或从大地12向地源热交换器20传递热量的能力，但是仍可期望满足结构需要。

可通过使用热泵60或类似的装置加热和/或冷却结构98，其中，热泵60或类似的装置通过使用供给线路70和返回线路80连接至地源热交换器20。同样，地源热交换器20可串联连接、如图1所示的并联连接、或如图2所示的以串联和并联连接的组合连接至热泵60。因而，热泵60可经由地源热交换器20从大地12接收热量或将热量排放到大地12中，其中地源热交换器20也用作结构承载支承件，其中，结构98的基础部99置于该结构承载支承件上。

热泵60或类似的装置可通过使用各种系统对结构98提供加热和/或冷却。诸如空气、水、冷冻剂等的流体可通过结构98的至少一部分循环，从而加热或冷却结构98的内部。作为示例，上文描述的地热交换系统10、10'和相关联的地源热交换器20可与其他已知类型的加热系统或冷却系统一起使用，这些加热系统或冷却系统包括加压气流加热与冷却系统、液体循环加热与冷却系统和辐射加热与冷却系统。

在一些实施方式中，一个或多个地源热交换器20可用作用于诸如桥梁或立交桥的结构的锚固件。该结构可跨越鸿沟或其他自然特征。该结构可具有跨越鸿沟的水平展开部分。该水平展开部分可具有公路、轨道、人行道等。该结构还可具有为水平展开部分提供支承的其他部件。这种部件可包括竖直支承件和支承组件，其中，竖直支承件可位于水平展开部分的任意一端，支承组件通过竖直支承件支承水平展开部分的长度。该结构可以是悬浮型桥梁或可受益于大地12中的锚固的各种结构中的任意结构。

该结构可以以与图2所示的结构98的方式类似的方式直接放置在地源热交换器20上。可替代地，该结构不会放置在地源热交换器20上，而是可替代以经由锚索通过地源热交换器20来支承，其中，锚索从地源热交换器20的顶端24延伸至竖直支承件或其他支承构件或特征的顶部。因而，锚索可用作在期望的方位上保持竖直支承件的连接器，从而平衡可能施加在竖直支承件上的向内的弯曲力矩。

除了提供结构支承之外，地源热交换器20还可促进将热能从结构消散至大地12，或可连接至热泵60或者可提供有效功能的类似装置，诸如位于支承结构上或邻接支承结构的加热结构和/或冷却结构。有利地，为了除冰或为了其他目的，可加热位于支承结构附近的桥梁、公路、人行道及其它结构。

除桥梁和立交桥之外，本文描述的系统和方法还可用于提供用于各种结构的结构支承和/或热传递。这种结构包括，但不限于，住宅建筑、办公建筑、工业建筑、商用建筑、天线、烟囱、电线路杆、塔等。

以下参照图3，图3示出了包括用作土壤保持元件的地源热交换器20的地热交换系统10"。如图3中所示，地源热交换器20可以接近需要被保持的土壤量而插入大地12中。可以以间隔的方式设置附加的地源热交换器20，并且附加的地源热交换器20可用作壁100形式的障碍物或跨越这种地源热交换器20之间的距离的其他保持设备的端点和/或锚固件。壁100可具有面对土壤的表面，该面对土壤的表面与土壤邻接，以助于将土壤保持在期望的位置。如有要求，地热交换系统10可用多个地源热交换器20限定保持壁的段或其他更大的土壤保持系统。这种地源热交换器20可以或可以不布置成直线，并且可以或可以不定位成竖直定向。地源热交换器20可提供将保持壁保持在合适位置的结构支承，从而将土壤保持在适当位置。另外，地源热交换器20还可提供可以以与本文中所述的其他地热交换系统10、10'类似的方式用于加热和/或冷却目的的热交换。

尽管附图示出了具有大体通用的结构或形式的地源热交换器20的应用，不过相关领域的普通技术人员应立刻认识到的是，地源热交换器20可设置成各种形式和配置，并且不同形式和配置的地源热交换器20可以组合并在同一地热交换系统中一起使用。另外，本文中所描述和所示出的地热交换系统10、10'、10"是代表性的，并且相关领域普通技术人员应认识到的是，地源热交换器20和地热交换系统10、10'、10"可用于在在本文中没有具体说明的各种情况中提供结构支承。

根据本文中描述的各种地热交换系统10、10'、10"和地源热交换器20，可提供安装地热交换系统10、10'、10"的相关方法，该方法包括将至少一个地源热交换器20安装到大地12中，该地源热交换器20包括金属容器22,金属容器22具有与大地12交界的外表面46以及限定内部流体腔32的内表面48。在一些情况下，将至少一个地源热交换器20安装到大地12中可包括用例如打桩机或其他深基构件安装设备或技术将一个或多个地源热交换器20推动到大地中。例如，在一些实施方式中，可将一个或多个地源热交换器20定位在大地中的相应的预先钻孔的腔体中。

该方法还可包括经由流体分配系统64将至少一个地源热交换器20联接至热泵60。流体分配系统64可包括供给线路70、返回线路80和循环泵，以在操作期间使水通过地源热交换器20的内部流体腔32循环，从而在加热模式期间从大地吸收热量和/或在冷却模式期间将热量排放到大地中。该方法还可包括将流体分配系统64联接至水源92，以使得能够根据水损失自动以补足水补足地源热交换器20。水损失可包括从一个或多个地源热交换器20中泄露或通过一个或多个地源热交换器循环的水转化成气体。水可例如通过填充通路90自动添加，填充通路90联接至供给线路70或返回线路80，并配置成基于地源回路中的压降将流体排放至地源回路中，其中该压降足以打开或抬起设置在填充通路90中的止回阀94。水可以自动添加直到将地源回路填充到期望的操作压力为止。期望的操作压力可以是在大约5psi至大约35psi或大约15psi至大约25psi的范围的、相对低的压力。

该安装方法还可包括从一个或多个地源热交换器20获取性能数据，以及将一个或多个补充的地源热交换器20安装到大地中，以及至少部分地基于性能数据和热泵60的预期需求将该一个或多个补充的地源热交换器20联接至热泵60。换言之，可以获得性能数据来评估现有地热交换系统安装相对于热泵60的预期需求的实际性能，并确定是否需要一个或多个补充的地源热交换器20来满足该需求。该方法还可包括基于现有地热交换系统的所观察或所计算的缺陷来选择所述一个或多个补充的热交换器20的尺寸和/或长度。

根据本文描述的各种地热交换系统10、10'、10"和地源热交换器20，可提供操作地热交换系统10、10'、10"的相关方法，该方法包括使水21通过地源回路循环，从而在加热模式期间从大地12吸收热量和/或在冷却模式期间将热量排放到大地12中，地源回路包括至少一个地源热交换器20，地源热交换器20包括金属流体容器22，金属流体容器22具有与大地12交界的外表面46以及在操作期间与水21接触的内表面48。该方法还包括根据来自至少一个地源热交换器20中的水泄露或地源回路中的水向气体的转化，自动将补足水引入到地源回路中。以该方式，虽然存在来自至少一个地源热交换器的这种水损失，但地源回路仍可以维持操作能力。

地热交换系统10、10'、10"可以以周期或循环方式操作，并且响应于需求变化和气候或其他因素方面的变化，在持续时间周期可波动。在操作期间，由于地源热交换器20和周围大地12之间的热量传递，地源热交换器20和周围大地12可经受应力。例如，在冷却模式期间，由于向大地12中排放热量，地源热交换器20和周围大地12的温度可升高到期望的水平之上。相反，在加热模式期间，由于从大地12收回热量，地源热交换器20和周围大地12的温度可跌落到期望的水平之下。

因此，在一些情况下，操作地热交换系统10、10'、10"的方法可包括对地源热交换器20和包围地源热交换器20的大地12进行去应力。去应力可包括使地源热交换器20和包围地源热交换器20的大地12的温度朝向或接近地热交换系统10、10附近的土地或大地的平均温度变化。对地源热交换器20和包围至少一个地源热交换器20的大地12进行去应力可包括例如用循环泵使水21通过地源热交换器20循环。可以以这样的容积流速使水21通过地源热交换器20循环，该容积流速小于当热泵60运行时水循环的平均容积流速。在其他情况下，该容积流速可以与当热泵60运行时水21循环的平均容积流速大致相同。

在其他的情况下，对地源热交换器20和包围地源热交换器20的大地12进行去应力可包括从地源回路排放水21，并将具有与排放的水21不同的平均温度的补足水引入地源回路内。例如，当地源回路由于冷却操作而经受应力时，可将水21从地源回路排出，并且可引入温度比所排出的水21低的补足水，并使该补足水循环，从而对地源热交换器20和周围的大地12进行去应力。排出的水可用于任意期望的目的，例如作为灌溉用水。相反，当地源回路由于加热操作而经受应力时，可以从地源回路中排出水21，并可引入和循环比排放的水21温度更高的补足水，从而对地源热交换器20和周围大地12进行去应力。

通过回顾本文中公开的特征、结构和功能，安装和/或操作地热交换系统10、10'、10"及其子系统的其他方面将显而易见或被理解。

另外，上文所述的实施方式的各种方面可以组合，以提供更进一步的实施方式。另外，本说明书中参考的和/或在申请数据表中所列的所有美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请、外国专利、外国专利申请以及非专利出版物均通过引用整体并入本文。如有必要，可以修改实施方式的各方面，以利用各种专利、申请和出版物的构思来提供再进一步的实施方式。

可以根据以上详细说明对各实施方式进行这些修改或其他修改。通常，在所附权利要求中，不应将所使用的术语解释为将权利要求限制到说明书和权利要求中公开的具体实施方式，而是应解释为包括所有可能实施方式连同属于这些权利要求有权要求的等同设计的整个范围。

Claims (30)

1.一种地热交换系统，包括：

地源热交换器，包括金属容器，所述金属容器限定内部流体腔；以及

分配系统，联接至所述地源热交换器，从而在操作期间使热传递介质通过所述地源热交换器的所述内部流体腔循环，所述分配系统包括：

供给线路，用于将所述热传递介质输送至所述地源热交换器；

返回线路，用于从所述地源热交换器中收回所述热传递介质；以及

填充通路，用于根据所述热传递介质从所述地源热交换器的金属容器的泄露，自动用补足的热传递介质补充所述地源热交换器。

2.如权利要求1所述的地热交换系统，其中，所述地热交换系统能够与热泵一起操作，以提供加热功能和冷却功能，并且配置成在加热模式期间从大地吸收热量以及在冷却模式期间将热量排放到所述大地中。

3.如权利要求1所述的地热交换系统，其中，所述热传递介质包括水或主要包括水。

4.如权利要求1所述的地热交换系统，其中，所述供给线路、所述返回线路和所述地源热交换器共同限定地源回路，以及其中，所述填充通路包括止回阀，以响应于跨过所述止回阀的、超过阈值的压差，从补足的水源将补足水引入所述地源回路中。

5.如权利要求4所述的地热交换系统，其中，所述热传递介质为水，并且根据来自所述地源热交换器中的水泄露或所述地源回路中水向气体的转化，所述地源回路的操作压力能够降低到所述阈值以下。

6.如权利要求4所述的地热交换系统，其中，所述止回阀的上游侧与来自所述补足的水源的补足水无障碍地流体连通。

7.如权利要求1所述的地热交换系统，其中，所述热传递介质为水，并且所述填充通路配置成根据来自所述地源热交换器的水泄露或根据所述地源热交换器的水向气体的转化，利用补足水自动补充所述地源热交换器。

8.如权利要求1所述的地热交换系统，其中，所述分配系统还包括放气阀，以从所述分配系统释放气体。

9.如权利要求1所述的地热交换系统，其中，所述热交换器的所述金属容器为深基构件。

10.如权利要求9所述的地热交换系统，其中，所述深基构件为桩，所述桩包括螺旋钻结构和接合结构中的至少一个，其中，所述螺旋钻结构位于所述桩的下端，所述接合结构位于所述桩的上端，用于联接至旋转打桩机系统。

11.根据权利要求1所述的地热交换系统，其中，所述地源热交换器的所述金属容器包括钢的管状壳体和端盖，以限定大体封闭的流体容器。

12.如权利要求1所述的地热交换系统，其中，所述地源热交换器的所述金属容器为从包括以下所列的组中选择的承载构件：

锚固件，用于地上结构；

基座支承件，用于结构；以及

土壤保持元件。

13.如权利要求1所述的地热交换系统，其中，所述供给线路包括出口，以将所述热传递介质排放到所述地源热交换器的所述金属容器的所述内部流体腔中，并且所述返回线路包括入口，以从所述地源热交换器的所述金属容器的所述内部流体腔收回所述热传递介质，以及其中，所述供给线路的所述出口和所述返回线路的所述入口每个均沿所述地源热交换器的纵向长度位于不同的高度处。

14.如权利要求13所述的地热交换系统，其中，所述供给线路的所述出口和所述返回线路的所述入口每个均位于所述地源热交换器的所述金属容器的所述内部流体腔的上部内。

15.如权利要求13所述的地热交换系统，其中，所述热传递介质为水，并且所述供给线路的所述出口和所述返回线路的所述入口从所述地源热交换器的所述金属容器的下端偏移，以使得所述金属容器的所述内部流体腔的下半部分仅由水的立柱占据。

16.一种地热交换系统，包括：

地源热交换器，定位在大地中，所述地源热交换器包括金属容器，所述金属容器限定内部流体腔；以及

分配系统，联接至所述地源热交换器，以使水通过所述地源热交换器循环，所述分配系统包括：

供给线路，

返回线路，

循环泵，用于使水经由所述供给线路和所述返回线路通过所述地源热交换器的所述内部流体腔循环，

放气阀，用于从所述分配系统中释放气体，以及

填充通路，配置成基于来自所述地源热交换器的水泄露或基于所述地源热交换器的水向气体的转化，利用水自动补充所述地源热交换器的所述内部流体腔。

17.如权利要求16所述的地热交换系统，其中，所述地热交换系统能够与热泵一起操作，以提供加热功能和冷却功能，并且配置成在加热模式期间从所述大地吸收热量，并在冷却模式期间将热量排放到所述大地中。

18.如权利要求16所述的地热交换系统，其中，所述地源热交换器的所述金属容器包括管状结构，所述管状结构包括外表面和内表面，所述外表面与所述大地交界，所述内表面与在操作期间通过所述地源热交换器循环的水相接触。

19.如权利要求16所述的地热交换系统，其中，所述地源热交换器的所述金属容器为深基构件和承载构件中的至少一个。

20.一种安装地热交换系统的方法，所述方法包括：

将至少一个地源热交换器安装到大地中，所述地源热交换器包括金属容器，所述金属容器具有外表面和内表面，所述外表面与所述大地交界，所述内表面限定内部流体腔；

经由流体分配系统将所述至少一个地源热交换器联接至热泵，所述流体分配系统包括供给线路、返回线路和循环泵，以在操作期间使水通过所述地源热交换器的所述内部流体腔循环，从而在加热模式期间从所述大地吸收热量和/或在冷却模式期间将热量排放到所述大地中；以及

将所述流体分配系统联接至所述水源，以使得能够根据水损失利用补足水自动补充所述热交换器。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，将所述至少一个地源热交换器安装至所述大地包括将多个地源热交换器安装到所述大地中。

22.如权利要求21所述的方法，还包括：

以串联布置、并联布置或串联布置和并联布置的组合将所述多个地源热交换器联接至所述热泵。

23.如权利要求21所述的方法，还包括：

从所述多个地源热交换器获得性能数据；以及

将一个或多个补足的地源热交换器安装到所述大地中，并且至少部分地基于所述性能数据和所述热泵的期望需求，将所述一个或多个补足的地源热交换器联接至所述热泵。

24.如权利要求21所述的方法，还包括：

将至少一个补足的地源热交换器安装至所述大地中，并且响应于所述热泵的期望需求的变化，将所述至少一个补足的地源热交换器联接至所述热泵。

25.一种操作地热交换系统的方法，所述方法包括：

使水通过地源回路循环，以在加热模式期间从大地吸收热量和/或在冷却模式期间将热量排放到所述大地中，所述地源回路包括至少一个地源热交换器，所述至少一个地源热交换器具有金属流体容器，所述金属流体容器包括外表面和内表面，所述外表面与所述大地交界，所述内表面在操作期间与所述水相接触；以及

根据来自所述至少一个地源热交换器的水泄露或所述地源回路中水向气体的转化，将补足水引入所述地源回路中。

26.如权利要求25所述的方法，还包括：

对所述至少一个地源热交换器和包围所述至少一个地源热交换器的所述大地进行去应力。

27.如权利要求26所述的方法，其中，所述地源回路联接至热泵，从而与所述热泵的热交换器交换热量，以及

其中，对所述至少一个地源热交换器和包围所述至少一个地源热交换器的所述大地进行去应力包括：使水通过所述至少一个地源热交换器循环。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，利用循环泵使水通过所述至少一个地源热交换器循环包括：使水以容积流速通过所述至少一个地源热交换器循环，所述容积流速小于当热泵运行时水循环的平均容积流速。

29.如权利要求26所述的方法，其中，对所述至少一个地源热交换器和包围所述至少一个地源热交换器的所述大地进行去应力包括：从所述地源回路中排出水，并且将与所排出的水具有不同平均温度的补足水引入所述地源回路中。

30.如权利要求26所述的方法，其中，根据来自所述至少一个地源热交换器的水泄露或所述地源回路中的水向气体的转化，将所述补足水引入到所述地源回路中包括：尽管从所述至少一个地源热交换器中损失水，但使所述地源回路自动维持操作能力。