众所周知，地热热泵(GHP)空调具有高能效。尽管就能量密度来说，地 热再生能量很弱，但其仍是世界上最丰富、以最可靠的形式存储的陆地洁净 能源。与许多其他高能密度的能源(诸如化石燃料)相比，在地球表面的微 弱的热能密度难于形成巨大的地域性的热沉且获取其的费用昂贵。尽管其能 量密度较弱，但地球含有的储存的能量远远多于联合起来的所有其他传统能 源。因此，寻求地热干净能量仍然保持一高的优先权，且完全是理所当然。 不幸的是，由于以下的原因，其目前的使用在全球能量使用标度上难于排上 号。现有技术的GHP装置过于昂贵GHP装置的投资回报率许多年未能节省 成本。现有技术的GHP系统也未能普遍地适于所有地面条件(诸如，不良的 热传导、土壤硬度(岩石)、缺乏湿度以及不能给予大的面积来分流地热的 高人口密度区域(例如高楼))。深度钻孔和/或长挖沟的花费相当于典型的 地热装置的总成本的一半，但在许多地方挖掘成本会更多。地热出版物充满 复杂的方案，用以钻孔深入的地热洞，用于插入闭合的流体环路、回填改进 的导热的灌浆材料。同样地，文献充满着用于用各种导热的环路回填材料装 填长而深的沟渠的技术。即使已经开发出导向引导的水平的环路钻孔技术来 钻孔非常长的弧形的环路，其中，管可被拉入并围绕一水平的钻孔的环路。 此外，已开发众多的技术来分流湖泊、河流以及海洋的地热能量。单井(开 环路)和多井(闭环路)地下水源也已开采，但这种地热水体的使用仍带来 高的安装和挖掘成本，或长期使用的缺点(诸如，污垢和/碎片过滤问题，以 及一长列类似的缺陷)。
在其它降低地热成本的努力中，使用精细的复合的地热热交换系统。例如， 有噪声的蒸发冷却水塔与冷却地下水结合。在大型的商业应用中，成本可以 很高，但节约的能量也高。另一高成本的商业规模的地热装置的实例-通常 超过100-1000吨(＞120,000至1,200,000BTU/hr)-包括在远地点的主要挖 掘以到达城市水总管。主要的城市用水流中断，然后，用两根引导至大型热 交换设备和从其中出来的大型管道进行分流，形成一在城市水系统内的大型 地下环路。这种类型的昂贵的装置需要大型的泥土搬运机器，用于大量的泥 土(以及甚至是铺设的道路)挖掘，接着要恢复地面和道路，当然，代价昂 贵地许可中断大型商用总水管。这种现有技术的热交换系统据称仅在大型多 住宅(40或更多相邻住宅)开发或大型商业建筑物中节省成本。用于该特殊 类型的地热应用的挖掘量大，但比用于整个房屋开发的各个的地下热交换闭 合环路的几千英尺的挖掘成本低。这种社区的地热装置具有额外的复杂性和 花费昂贵的考虑因素，例如，对每一连至公共的城市水系统的住宅或办公室 测量和计量计费的热量使用。对城市总水管的热交换环路的大规模挖掘的多 种限制使这种复杂的地热方法的不能对单个用户使用。
虽然如此，有效的无穷无尽储存的地热能量的可用性、与其相关的低污染， 以及使用其的低能量成本，继续吸引我们采用此种最大的可再生的干净的能 源一特别是如本发明所公开的、如果安装成本能大大地减少的话。
毫无疑问，“可再生”的地热能量极其干净、难以置信的丰富、基本上免 费、节省能量，以及一天24小时格外地可靠(不像风、潮汐或太阳能)。GHP 所要获得的地球最外面的几百英尺的温度主要地由多年储存的太阳能支配。 事实上，一年中贯穿本地球的太阳光能量比人类历史上使用过的所有能量更 多。在这方面，GHP实际上正是储存的太阳能的一方便的形式，正像风能和 雨能是中途截取的太阳能的副产品。以地热形式储存的太阳能仅仅是一更加 直接的太阳能吸收和热量存储机构。来自地心深处的高温热能通过地壳传导， 并最终从地球表面以每小时每平方英尺15.9 BTU的速度释放。加热地球的太 阳能超过100瓦/英尺2或大于每小时每平方英尺341 BTU，这样，引入的太 阳能远远超过从地心失去的热量。地壳已达到由每日太阳辐射和季节性变化 产生的一平衡的平均温度，所以“地热能量”更佳地称为“地热-太阳能”。 当地热热泵放出储存的太阳能时，在冬季的月份中临时地借用储存的太阳能 储备，且在夏季的月份中被泵回。地球的最高的地心温度-“真正的地热能 量”在美国的西部地域一般被吸取用于蒸汽动力发电机。不像其他干净可再 生的太阳能系统(例如，太阳光电阵列)，当没有阳光时，它们需要大量且 非常昂贵的人造能量储藏系统，而“地热储存的太阳能”免费且基本上全年 不受限制。至今为止，主要障碍是它们用于热交换环路的高成本挖掘。
现有技术GHP的全球采纳的主要障碍是高安装成本和伴随的长期能源节省 回收期。美国政府的能源部(DOE)签署各种地热能量系统的采用，并且具 有到2005年增加地热装置至仅2百万的目标。DOE也签署了可再生的太阳能 装置的一类似的低目标，到2010年仅一百万个屋顶太阳能电池板。然而，这 两个非常谨慎的目标揭示出美国人如何勉强接纳该昂贵的现有技术的清洁节 能技术。如果地热装置的成本能立即大大地减小(如采用本发明)，且如果 地本身能更普遍地传导至地热的布署(如本发明所达到的)，则地热能量可 能比当局目前预见更快地变为更加普遍的干净的能源。便宜干净的能量不只 是要求的，而是全球紧迫需要的。与可再生的太阳能不同，其在延长的零阳 光的时间过程中，要求有大量的储能设施，而地热热沉可在任何地方任何时 间提供备用。
更富有闯劲的DOE和EPA的目标，也许是到2010年达到二千万至五千万 个地热装置(一50至125倍的高目标)，该目标将显著地记录在国家的能源 标度上，以及温室效应排放减小的记录上。遗憾的是，国家难于逼迫吸收该 安装的费用。然而，如果地热装置更加便宜和更少限制，则更加有闯劲和有 价值的、要超过五千万装置的目标将是可行的。这样一目标显著地影响国家 和全球的温室效应的目标。此外，如果地热能量能够进一步做到节省成本， 则随之而来的是其它的国家也急于采纳这种技术。

如本发明将展示的，远为更低的地热安装成本、更普遍的装置、以及更高 的地热效率(较之现有技术的地热系统)现已成为可能。据估计，在世界范 围内多达5亿到10亿的住宅将通过应用本发明而易于采用廉价的地热能，这 将给环境和全球经济带来许多利益。
业已存在一种现存的地下地热交换的可饮用水的地下结构，根据本发明， 它使用在单一的城市供水管道内往来于住宅之间的往复的可饮用水，能够传 输、供应和吸收丰富的热能到建筑物或出建筑物。本发明独特地开发这现存 的城市地热地下结构，而不干扰、阻碍、消耗，或降低有价值的可饮用水。
本发明提出暂时地从水总管中抽取和储存一足够量的可饮用水，在此储存 时间过程中，住宅的热能与一定量暂时储存的水进行热交换。在热交换时段 之后，纯净度没有减小的可饮用水被强制通过进水口水表返回，这样，净地 热水的消耗记录为净的零消耗。如此低成本的可饮用水的热交换系统的关键 在于这样的事实：如果不是全部、则大部分目前安装的水表是或可以是100％ 逆向流动的。利用这样的逆向水表，单向流动和记录正向使用的可饮用水也 可反向泵送而记录相等的但相反负向的使用值。因此，当强制地返回通过住 宅的双向水表装置时，冷却或加热可饮用水不产生净用水的记录或计费。然 而，“地热水”的使用，即，可对添加到可饮用水或从可饮用水中移去的热 量单元可进行测量和计费。
本发明能使现存的地下可饮用水和下水道地下结构充分地为现代社会作地 热利用的服务，在全球节能中导致一难能的机会来实现节省成本的飞跃，因 此，在不减少可供可饮用水的情况下，大量地减小温室效应气体的排放。此 外，一旦掌握如何节省成本地组合现存的可饮用水的地下结构和本发明，则 若干其它主要的热力的提高也成为可能，而它们在现有技术的开式的或闭式 的环路地热系统中是不可能的。例如，在冬季的月份中，来自于大型商用发 电厂的余热可在热力上连接到城市水系统中，因此，升高供应到各住宅的可 饮用水的温度，并使本发明的热泵装置在冬季月份中更有效。大量的电厂余 热可出售给自来水公司，而不再释放到大气或附近的水体中。因此，本发明 允许低等级的(低温的)电厂余热低成本地传输到上百万个远方的应用中去。 冬季是地热效率极大地下降的季节，而现在，冬季加热效率可以与夏季地热 冷却的效率相同，甚至超过其效率。如此增加的热泵冬季效率可使用甚至更 小和成本更低的各自的热泵系统，且同时仍提供给商用发电厂和市用水公司 充分高的利润裕度，以便明智地利用它们组合的热能和现存的供热系统。
在本发明的另一优选的实施例中，一采用本发明的可饮用水的地热热泵系 统的住宅中设置有就地的燃料电池电源，并且该燃料电池电源被包括在该系 统内，以对地热系统以及整个住宅供电。在冬季月份中，地热储水系统利用 发电的余热(例如，燃料电池余热)来大大地减小冬季的能耗。如此，就地 的电力、加热、冷却和热水的联产，使得该独特的能源系统的组合，较之现 有技术的加热和冷却系统，具有更高的效率，且造成最少的CO2污染，并代 表最低操作成本的装置。可以认为，本发明的广泛应用可满足一大部分甚至 超过京都国际会议协定设定的CO2减小的目标，而不是通过费用昂贵的工厂 改造来达到目标。
甚至希望达到如此高的地热装置目标的关键，几乎完全地在于本发明的三 个主要的目的：1)安装速度和简化-不要求任何的开挖；2)大大地减小安 装成本；以及3)远高于现有技术的地热系统的能效。理想地是，地热安装之 后的立即的正向现金流动应可消除广泛的安装地热装置的最后阻力。例如， 如果各地热安装的成本足够低，以使用于安装的每月付费小于每月节能，则 一新的地热系统可实际地形成一立即的净正向现金流动。立即的正向现金流 动的可能性不同于产生负向现金流动的现有技术的系统。因此，作为本发明 目的的一成本非常低的地热装置，能够去除最后的障碍，以扩展城市和农村 地热应用。如下面所示，本发明具有大大地超过包括闭合的环路和开放的环 路系统、大型的城市地下水环路系统、以及水塔辅助系统在内的现有技术地 热系统的节省成本的偿还能力，并且甚至超过闭合环路井和湖泊/池塘热传递 系统的偿还能力。
我们中的大多数几乎都没有看见、并在一个多世纪中，我国以及工业化世 界的许多其余的国家一直忙于建造强大的城市地下水管的地下结构，它们理 想地分流巨大的测地规模的热沉。据估计，光是美国已经具有一百万英里的 大直径的地下管道系统-如本发明将阐明的，所有这些管道可以良好地进行 地热交换。必须强调的是，可饮用水是成本较高的日用品，并日见匮乏，应 确保其不被浪费在地热能量的应用中。本发明完全不浪费可饮用水。
因此，本发明的一个重要的目的是提供一种成本十分低的方法，它利用单 一现存的地下水管，而不消耗可饮用水或降低其水质，就可从可饮用水中获 取热能或向可饮用水放出热能。使用现存的可饮用水管道系统的巨大的地下 结构来吸取巨大的地热能，甚至还可节省成本地从湖泊、河流和海洋中分流 更多的地热能，以及从商用发电厂的余热中分流。现存的地下结构是几乎免 费地热能的真正财宝。本发明传授一种一般方法，用来将该地热容易地分流 并应用到，有市用水的服务或有任何其它的社区可饮用水的服务的几乎任何 住宅，而完全地无需挖掘、钻孔、以及在邻近各建筑的地域中铺设管道。如 在下面将会更完全地认识的，本地热发明不消耗额外的可饮用水，因为没有 对各地热能用户计费的用水的净增加。相对小量的地热可饮用水只是从地下 水的地下结构中“借用”，然后，从中吸取热能或对其注入热能(视冷却或 加热的需要而定)，然后，以没有变化的干净水返回到地下结构中。一旦“借 用”的干净水返回到地下总管的可饮用水的供水系统中，自然它在向下游流 向其它的地热能用户的路途中再次与地下平均的热力条件相平衡。
本发明的另一显著的目的在于，使用同一现存的地下管道系统的地下结构 来将大部分的国家商用电厂的低等级的余热直接传输到居住的和商用的楼 宅，由此，显著地改善地热热泵效率，使其远超过现有技术的地热热泵系统。
最后，本发明独特地将地热空调与燃料电池技术进行组合，以产生低成本 的就地电力，且同时应用燃料电池的余热到地热冬季的加热中，后者在现有 技术的地下地热环路中是不可实现的。
商用的电力公司通常具有大约仅25％的净效益，这是因为电厂本身在发电 和电网分配上只有30％的效率，电网带有许多变压器，通常只具有约90％的 效率。如此巨大的能量浪费和CO2的释放，在就地的发电中几乎完全地得以 消除。就地的发电，即使只有40％有效，也消除了电力分配的低效，因此， 效率可以是商用发电系统效率的两倍，此外，来自于就地发电的余热可用于 同一地方的冬季的加热和/或产生部分的热水。例如，燃料电池技术现已能够 将化石燃料无声地直接转化为电力，并且无运动部件，其效率超过40％，于 是，燃料电池与本地热的发明的组合造成一代表本发明的一优选的实施例的 理想的和独特的组合。
地球的非常热的地心通过最外面的地壳仅以每小时每平方英尺15.9BTUs 的平均速率(4.66瓦/英尺2)慢慢地冷却。然而，地球表面在每半天中由太阳 能加热，以远大于100瓦/英尺2的较高的能量密度被加热。因此在地球表面 上的绝大部分地热能实际上是自然储存的太阳能。最薄的外地热的地壳(该 部分在热交换相对容易达到的范围内)通常温度平均在50至70°F(主要取决 于纬度)。浅层的土地温度趋于平衡接近于各纬度处的空气年平均温度(冬 季/夏季)。然而，在地球钻探中，近在几英尺间距内可发生非常局部的突然 的土地热导率的变化(以及热交换的能力的变化)。有些干的泥土和岩石构 成具有差的热传导，而其它地方几乎是极佳的热传导，使得传统的地热系统 的效率不可预见。更为理想的地下地热热交换结构在一诸如城市水系统的实 体上较大的系统，其中，流动水趋于将各个局部的土地热传导特性平均化。 如本发明所提出的，分流一大的地下可饮用水的地下结构，可以理想地满足 温度平均的目的。
尽管储藏在地球中的地热是一巨大的能源，但也可认为是热能储藏的巨大 的热沉。根据本地热发明空调涉及到在冬季从地球中单纯地“借用”地热的 热量来加热大楼，并在夏季月份中将其大部分返回到地球。与地球交换的热 能在冬季的月份中“泵送”几个华氏度来加热住宅，而在夏季的月份中，热 量“反向泵送”往下几个华氏度，致使夏季的热量流回到地球。有效地调度 这里所述的地热热交换的关键在于“几度”这几个词。例如，如果在冬季平 均土地温度是60°F，则地热必须向上泵送几度，以保持舒适的75°F的室内温 度(只有15°F的差)。在这样温和的冬季条件下，根据本地热发明的泵送只 是承担来达到该目标。通过比较，现有技术的空气热交换泵在泵送室外冬季 热量从外面空气的10°F到室内75°F的温度中提供远为低的效率(65°F的差)。 在夏季的月份中可产生一类似的相应情况。如果一热泵必须将热量排出到到 室外，从75°F的住宅到一热的夏季环境(例如，100°F)，则由空气对空气的 热泵对于25°F的温差做的功远大于地热热泵移动75°F的热到一较冷的60°F土 地温度所作的功。根据热泵的电效率，局部的室外温度条件，以及局部的地 热温度，地热辅助的热泵的能效远大于普通空气热交换的热泵，而且比化石 燃料系统的效率大上许多倍。极高的年效率和24小时的可靠性的理念，对于 所有地热空调来说是中心的注意点。
然而，上述的简化的地热实例没有反映出实际的情况。事实上，地热温度 终年不是恒定在60°F。土地的温度可变化低至40°F和高至80°F，视深度、季 节、地理纬度，以及土地的热传导率而定。显然，在冬季月份中土地温度非 常低的(例如，40°F)的装置中，地热热泵系统不能如冬季土地温度高出较 多的(当获取土地热时，越高越好)装置那样有效。同样地，地热装置不能 如夏季土地温度接近80°F的地方那样有效。当将热能注入到土地中时，最高 的地热效率发生在土地温度最冷时。
对于人口最为集中的地方，在夏季月份中，土地温度平均约在55°F至80°F， 而现有的地热装置在这些地方在夏季月份中非常有效。但现有技术的地热系 统由于若干原因而经济上不吸引人，且在冬季月份中能效也不高。当从冷的 冬季土地获取地热时，周围的土地变得甚至更冷。如果冬季土地温度已经很 冷(例如，40°F至55°F)，并抽取加热住宅的额外的热能，则土地温度下降， 致使地热效率进一步下降。例如，如果冬季土地温度通常为45°F，且地热热 泵抽取额外的土地热，其降低平均土地温度到例如35°F，则地热系统对于冬 季的45°F至55°F温差将低效地工作。因此，当BTU需求最高时，冬季地热效 率最低。尽管有较佳的绝热性能，冬季中居住的BTU热能需要可大至夏季冷 却能的需要的10-12倍。尽管现有技术的地热热泵装置可以是节能的，但它们 在寒冷的气候下效率很低-恰巧此时热能需要是最高的。对于这种地热冬 季效率的两难的问题有一振奋人的实用的解决方法-使用冬季电的余热来 提高地热效率。
如上所述，电厂呈现的发电效率范围低至30％高至57％，导致电厂耗散大 量的浪费电厂成本的余热。余热是低等级的热量，但其必须终年地耗散，阻 止明智地利用余热的主要障碍是对消费者缺乏节省成本的供热系统。的确有 许多发电厂向附近的采热消费者出售非常小量的余热，例如，蒸汽热能用于 当地建筑物的空间加热。但在发电中占据量大的最低等级的电的余热，至今 尚未有任何实用的价值。根据本发明，电力的余热通过现存的地下可饮用水 系统节省成本地在冬季月份中提供给地热泵送。带有地下热交换环路的现有 技术的地热系统不能有效地利用通过城市水系统提供的商业的余热，因为大 部分的余热能量将在地下的环路中丧失。本发明没有地下的环路，也就没有 地下环路的损失。
因此，本方法的另一主要目的是一分配和使用大部分电厂冬季余热的实用 的和经济有效的方法，所述余热呈可大大地提高冬季地热热泵效率的形式， 同时，允许发电厂通过出售余热有机会变得有更加多的收益。如此的明智利 用该丰富能源的净效益在于，对地热的最终用户大大地减小能量的成本，并 进一步减小温室效应气体的排放。本发明提出的电厂余热供应系统是现存的 可饮用水的供应网络。
如果使用燃料电池来就地发电，则同样地会发生电的余热。本发明提出使 用就地的燃料电池的余热来用于终年的家庭热水供应。然而，如果电力需求 碰巧很低，则热水生产在住宅内将变得低效。因此，燃料电池余热产生的热 水并不可靠。燃料电池余热从未应用于现有技术的地下环路的地热空间加热 系统中，因为许多电的余热会损失在地下环路的热交换系统中。在应用燃料 电池余热于本地热发明中，有好几个意想不到益处。例如，燃料电池余热可 完全地应用于空间加热，因为空间加热比热水供应具有更大的和连续的需求。 第二，本发明没有地下环路热损失。不明显的组合燃料电池联产和地热热泵 是最理想和有效的紧密结合，并且是本发明的较佳的优选实施例。
可供用于本发明的另一余热源是排放的下水道污水。每家庭每天排放的平 均可再利用的废水量约为200加仑，其平均温度在80°F。现有技术的加热系 统不能回收该能量，主要因为可再利用的废水的温度不够高；然而，用于本 发明的热泵可回收该能量，以作为额外的和显著的节能。
除了明显的空间加热、冷却、以及热水的能效，本发明还具有许多意想不 到优点。为了表述全范围的地热优点，首先将讨论本发明的基本前提，而许 多意想不到的优点将一个接一个地予以阐述。
附图简述
本发明的上述的和其它的目的、特征和优点从下面参照附图的对其优选实 施例的详细描述中，将会更清楚地得到理解，在诸附图中：
图1-5是现有技术的地热系统的示意图；
图6是根据本地热发明加热和冷却系统的示意图。

图1-5各示出一具有一被加热或冷却的空间的传统围墙10，其是一诸如房 屋或公寓楼的居住单元，或可以是办公室或办公楼，或任何其它的结构，但 为了说明的方便，它可以是一传统的单户家庭的住宅。在图1中，房屋10是 通过在一位于一池塘或湖14上的传统的或池塘的环路12和一位于房屋内的 地热单元或热交换器16之间进行循环的水来用地热进行加热或冷却的。这样 的现有技术的系统在安装上非常不经济，且如果池塘至少8英尺深，则它可 以有效地对房屋提供热传递或从其带走热量。如图所示，一盘管12放置在水 中，且通常覆盖约二分之一英亩，一普通家庭要求约900英尺的管子。
在没有可利用的池塘或湖的地方，如图2所示，如果泥土条件允许传统的 开挖，以及如果空间允许的话，环路12则可放置在地下的沟渠18中。沟渠 通常约5英尺深，将多个管子放置在不同的深度处。通常要求有几百英尺的 沟渠。
现有技术的地热装置的另一种形式示于图3中，它被称之为开式环路装置。 在此情形中，从地下的含水土层通过一井20泵送水，通过一合适的热交换器 16，然后，通过一出水管22排出到一池塘14、一排水沟、一返回井或诸如此 类的地方。地热单元、或热交换器16就如图1和2中所述的闭式环路系统做 法那样处理来自从水中的热能。
还有另一现有技术的系统示于图4中，其中，插入到对应井27、28和29 中的垂直环路24、25和26连接到地热单元16中。各垂直环路可包括一对通 过U形弯头组件在井的底部连接在一起的管子，并所述的一对管子在其顶端 处连接到流出和返回管线30和31。井的深度通常可以在150和250英尺之间， 并用薄泥浆溶液回填，以确保与泥土的良好的热接触。
还有另一现有技术的系统示于图5，其中，来自于诸如分水厂34的市用供 水系统的水通过给水总管35和住宅进水管道35供应到家用水系统37，并连 接到热交换器供应38上。用于热交换器供应的水通过出水管线39返回到专 用的返回总管40。该系统要求一完全的返回总管的构造，以及维护费用。
尽管这样的现有技术的系统可具有许多优点，但安装昂贵，通常要求繁重 的开挖工作和随之而来的财物损坏和恢复的费用。而另一方面，本发明具有 地热系统的益处，而不需开挖，或不遭受开挖的缺点。相反，如图6所示， 本地热发明辅助的热泵系统50产生一特别有效的热泵，而不需现有技术的挖 掘、钻孔或开挖各地热装置周围泥土所耗费的高额成本。现有的巨大的地下 的市用水的下部结构52早已具有足够用作地下地热热交换系统的规模，而不 浪费可饮用水或承担可饮用水的高额的费用。
根据本发明，现有的城市水网系统的市用供水系统52，通过现有的饮用水 供应管线54连接到住宅56，并通过一在住宅内或住宅附近的可倒转的水表 58，以及通过水管线59，定期地充灌一位于诸如传统的压缩机型的热泵之类 的热泵62附近的适当大小可饮用水的水箱60。在冬天，需要用水箱60内的 可饮用水来将热量让给热泵62，或者，在夏天，这些水用作热泵的热沉。然 后，通过一泵64，强制使该所借用的、稍稍加热或冷却的小量的水箱60内的 可饮用水回到水管线59，并通过住宅的可倒转的水表装置58，以致没有记录 下来或需要支付的净用水。因此，本发明能够利用单一的现有的供水管54来 充灌当地的地热水箱60。然后，就是使用这一供应管将可饮用水返回到其源 头，于是，不再需要一闭合的环路；不再需要泥土的开挖；不再需要埋下地 热材料；不再要求特殊建造的许可；并且不会发生与天气相关的安装的延误。 通过使用一完全可倒转的流量计装置，暂时借用的“地热可饮用水”可返回 到商用供水系统52内，不形成净的水耗用。
现存的地下可饮用水的地下结构之大可足够用地热来为国家的主要的人口 集中中心服务，利用目前已知的最有效的加热和冷却技术，且不耗用国家的 供水系统，就可产生国家节能和减小温室效应排放的重大飞跃。
在其最简单的形式中，本发明从地下可饮用水的总供水管线抽取适量体积 (例如，100加仑)的可饮用的市用水，送入到位于地热装置住宅的加压的储 存箱60内。住宅水表在此例子中可记录为100加仑的使用。借用水将以当地 的平均地下温度到达水箱60。为简化起见，可假定可饮用水在65°F(18℃)。 因为水的热容，100加仑具有近似为1.7×106每摄氏度焦耳的热容。为了变化 100加仑水的温度(升高或降低)10℃，则要求通过热泵对其添加(或减去) 17×106焦耳的能量。该热能量相当于连续一小时添加或减去～4.72KW的电 热(220伏的电源约20安培)。再者，17×106焦耳相当于～16,100BTU(英 制热单位)，这能量足够冷却一典型住所达半小时至一小时。
在这一点上，如果然后将100加仑未变化的可饮用水(升温10℃或降温10 ℃)通过其双向的水表58泵回到城市供水系统中，则水表将会从住宅用水量 中减去100加仑。住户将不会对一小时“借用”的100加仑水支付任何的费 用。在24小时的过程中，可借用2400加仑，从中吸取(或注入其中)的地 热，以及2400加仑的水在几乎恒定的供水压力下水质无变化地水不断地返回。 如果2400加仑地热的可饮用水不返回的话，则通常每天花费约$12(或$380 /月，或$4320/年)，这对地热用户来说是极不经济的费用。采用本发明， 实际上分文不花。当然，水表也将记录住户的正常的家庭用水，于是，如果 保持住户的正常用水，则一部分流入到普通家庭内的水将不会返回到供水系 统中。每户家庭中的每人每天大约使用150加仑水(每个家庭典型地每天为 450-600加仑)。这些水量将不会返回，并由供水公司开出账单索款。
市用水在返回之后的唯一的差别在于其温度。小的温差将随返回水与商用 水流的混合并在大直径的地下公用事业管道系统朝向下一住宅的向下游迁移 而消失。因为大直径的商用水管的地下管道，所以，添加的(或减去的)热 能将快速地与土地温度重新平衡，对地热用户或自来水公司丝毫不增加净费 用。这样的地下公用事业管道系统通常采用4至60英寸直径的管子，其具有 大的有效表面面积，并埋在地下许多英尺(通常为6英尺)之下。在被下游 的下一个地热用户再次借用之前，在两个住宅之间具有足够的线性长度以使 借用的水恢复到其正常的地热温度。
甚至可能(但不要求)将借用的可饮用水返回成比第一次接收时处于更好 的状态。可催促或要求各地热用户在可饮用水容器回路内，例如，在泵64和 水表58之间的返回管线66中，包括一诸如低功率(4瓦)的杀菌灯之类的水 处理装置70，以照射市用水并减少水中的潜在的有害微生物的数量。所有下 游水的用户，尤其是离水源最远的用户也将比现有技术的水系统正常提供的 水质量高的水，而在现有技术的水系统中，通常离水源最远距离处提供的水 质量最低。
在图6所示的系统中，从水表58出来的可饮用水从水管线59借助于通过 一压力调节器76连接的住户水管线74供应到住宅56的用水系统72，以防止 由泵64出口造成的损坏。此外，可在管线74内包括一单向止回阀78，以防 止住户系统内的水通过泵的操作而虹吸回到供水系统52中。
较佳地，一断流阀80设置在水管线59中超过来自泵64的水返回到水表58 的返回点82之处。当线路打开泵64时，阀80通过一合适的控制器线路84 进行关闭，以防止再循环泵送的水返回到储存箱60内。控制器可操纵一时间 器，以便定时地改变水箱60内的水，或可响应于水箱内的一水温传感器86。 在操作中，当阀80由控制器84打开时，来自供水系统52的水流入储存箱60 内。该存储箱较佳地包括一空气囊，以保持与市用水相同的压力。在水温已 经升高或降低由控制器84设定的量值之后，阀80关闭，而泵64被致动以将 水从水箱60返回到供水系统52。泵以略高于供水系统52内的压力将来自水 箱60的水提供给管线59，以清空水箱。调节器76防止对住户水系统造成损 坏。此后，阀80打开，泵64关闭，来自供水系统52的水充灌到储存箱60。 止回阀78防止来自住户系统72的水流回到水箱60内。
来自储存箱60的水通过传统的热泵单元62，循环通过一闭合的环路88， 热泵以传统的方式进行操作，以吸取或提供热量到水箱60内的水，例如，当 需要调节住户房屋56内的空气温度时。
城市自来水公司警惕地监视其水质。有些公司每年做了成千上万个昂贵的 水质试验。上百万人的健康是得失攸关的事。不仅在水过滤厂始终存在着不 适当处理的水和可能受污染的源头水的威胁，自来水公司也完全知道始终存 在的恐怖分子故意污染的可能性。这些因素导致谨慎的可饮用水供应商在沿 其整个管道系统络的各个点上积极地监视供应的水。当前大体上有这样的可 能：某人只要在沿水系统的任何点上，简单地通过从任何住户家反向地将水 流入总供水管线来可恶意地注入化学品。离引入点下游的任何人则处于严重 的危险中。目前，自来水公司采用相对不很有效的试验系统来对付这些风险， 因此，很容易受到攻击。
不只是建议性地，而是高度要求每个自来水供应商实施比目前所做的试验 还要多好几倍的水质试验。在一小时内，成千上万的人可能在没有任何人知 道的情况下受到危险或甚至致命的引入的化合物的威胁。达到每小时57次的 许多倍的采样率对于每个水供应商是十分要求的特征，尤其是，如果这样的 试验是可能的、实用的和经济的话。
本发明通过在各地热装置50内装入一内置的低成本的水质监视器100，以 提供独特的满足这种更高的国家水安全挑战的可能性。这种单元的费用可由 每个地热设备购买者所承担，而不是水供应者承担(如果要求的话)。各个 地热用户可成为沿整个地下管道系统的连续的水试验者。如果如分别连接到 监视器100的在进水管线59和出水管线66内的传感器102和104那样，只 是在各地热住宅处监视水的导电率，则该测量可用作指示水已经污染的指示 器，例如，被高浓度的有害化学品污染。该装置可连接到控制器84上，如果 进入水的电导率大大地不同于返回到水总管的水，则自动地关闭泵64和阀80， 并不允许污染水返回到水系统内。对于其它的实例，个别的水质试验可采用 更精密的装置进行，这些装置可测试某范围的水污染物，而不只是测试电导 率的变化。此外，电导率对于测试总的污染不是唯一的简单方法。通过使水 通过电容器两板之间，可以监视进水和出水的介电常数并进行比较。还有另 一种监视的方法包括一简单的传导试验，其中，比较进水水质对出水水质对 于可见光，红外光，或甚至无线电波的传导。
如果几乎任何高浓度的有害物质被有意地或不留心地引入到水系统内，则 该快速水监视系统可立即探测出该污染并关闭受污染的局部的供水系统，不 让其再次进入市用水系统和住户水系统。各地热装置甚至可构造成提供一报 警器106，以便将水质结果立即通知自来水公司。最终，有成百万地热用户在 线，作为本发明的往复式供水系统的副产品，极大地提高国家的安全性。
在本发明的最简单的实例中，还有若干个额外的优点。夏季的月份中，假 定进入的可饮用水(在65°F或18℃)加热升温约10℃。平均来说，在住宅水 箱内的可饮用水将在冷却住宅的过程中上升5℃。不将所有温度上升的水返回 到市用供水系统中，该温水(但仍凉的)可从储存水箱60循环到水系统72 和用作饮用或烹饪，以及用作热水加热器的预热水。不应用较高的烹饪能量 来将正常土地温度的冷水加热到烹饪温度，有些烹饪加热能量可由从住宅GHP 输出水中移取的热量来供应。减小的烹饪热能代表对每户许多加仑烹饪水的 约5℃的小的额外的节约。如果预热的地热水(由空间冷却)导向住宅的热水 供应系统，则产生更多的能量节约。
众所周知，最大的热水能量节约来自于将热从住宅(空气冷却)泵出以将 所有的夏季热量引导到热水加热器系统内的热泵的能力。这主要是得益于夏 季地热空气冷却的免费的热水的副产品。同样地，诸如冲洗车、洗衣、草地 浇水等的可饮用水的其它用途可取自于预热的可饮用水，例如，借助于连接 在水箱60和返回泵64之间的水管线108，并通过一阀110导向到住宅水系统 72(或如72’所指示的系统的选择部件)。水箱60内水的这样的用途利用在 使用中恒定流入(每天450-600加仑)的地热水箱60的新鲜的可饮用水来冷 却水池，由此，使空气调节系统更有效。每个家庭在每个夏季中消耗的实际 “冷”饮用水的非常小的量(一天少于3加仑)以致水表很难加以记录。如 果要求的话，该非常小量的可饮用的“冷”饮用水可用一小方冰块致冷，或 如许多普通实践那样进行制冷。在夏季中的“室温”饮用水本发明该方面仅 有的、微小的不很需要的副效应。
利用充分冷的地热可饮用水供应，甚至可不需要或根本不使用热泵来用于 夏季降温。如果使用一热阻非常低的特大型的空气热交换器(在120处用虚 线表示)，则可利用50-70°F的地热冷水直接地冷却住宅空气，而无需热泵制 冷的进一步帮助。唯一需要的电能是用于风扇122来吹动空气通过特大型热 交换器的散热片，并循环冷空气到整个住宅内。冷的可饮用水仍用来将住宅 热(通过其自己内部热交换)吸收到一通过特大型住宅热交换器系统和可饮 用水容器的循环水闭合环路中。可饮用水仍将定期地返回到地下水的地下结 构中。在此实例中，热泵只用于加热住宅。
冬季可饮用水的地热应用略与上述实例不同。不是在返回到水供应商之前 加压升温约10℃的可饮用水的储存箱，而是将可饮用水降温约10℃。其余的 过程相同，但冷却的可饮用水将不用于室内热水、烹饪、洗衣服等，因为将 较热的可饮用水直接用于热水供应中将会减小所需的能量。当季节的温度跌 落低于约60°F时，大部分冷却的水将分流回到水供应商。然而，将来自于储 存箱60的可饮用水用于室外和非室内的用途，将有助于热泵从合成的较大体 积的不再循环的土地温度水中吸取热量。在严寒的冬季(例如，气温达-10℃)， 与试图从室外冷的冬天的空气中吸取热量相比，当然，相对暖和的40-55°F的 地热可饮用水可确保高的热泵效率。
因为不要求精细的建筑设计，不要求开挖的许可，不需要开挖设备，不要 求土地温度测试孔，不可能有天气引起的延误，不要求地表面恢复，以及极 少有可能财产损毁的诉讼(与大型开挖设备相关的一共同的问题)，所以， 较之现有技术的地热系统，本发明的GHP系统显然可以远为迅速地进行安装。 本发明还不干扰将来在专用的地下地热土地上的建造(一种潜在的土地贬 值)，而这是现有技术的地下GHP装置目前的一个负面效应。
使用大规模的地下供水系统的地下结构的住宅可没有限制地立即采纳本发 明。根据地物环境保护署(EPA)的出版物，地热交换系统是已知的最节能和 最环保的“空调”系统。(出处：“空调：下一个新领域，”EPA430-R-93-004， 1993年4月)。在该地物EPA的研究中，其证实现有技术的非地热加热和冷 却技术消耗的能量是地热辅助热泵技术消耗的能量的四倍之多。而且，已确 定在美国目前安装的仅400,000个(约为潜在应用的0.2％)地热热泵系统， 现已每年减少CO2温室气体排放量超过一百万公吨(每个地热装置2.5吨)。 该EPA研究没有包括燃料电池联产的能量节约，也没有包括任何其它使用本 发明可能带来的加热/冷却的能量的节约。采用本发带来的CO2的减少可容易 地达到每户每年超过5吨CO2。该每年一百万公吨不是唯一的防污染的效果。 CO2在GHP对于更清洁的空气、更清洁的水和更富氧的大气的总的防污染效 果中只是一小部分。
甚至为了希望将地热“空调”应用的数量扩大到一千万或甚至一亿个住宅， 尤其是说服人们去改装现有的住宅，则地热装置的费用必须非常显著地减少。 要鼓励人们放弃他们目前完全可工作的现有技术的系统，并要求人们不要等 上更多的20年至40年、当现有的系统不能再用时才来更换它们，目前仍是 一艰巨的销售。多年来转换到现有技术的GHP系统的根本的阻碍在于，因高 的总体安装成本造成的负向现金流动。本发明消除这些阻碍，通过提供足够 高的正向现金流来立即接纳地热的能源节约，这样，较低的每月能耗足以比 补偿按月地热安装的付费多。与未来的那些年中使用现有技术不同，采用本 发明可立即地得到地热偿还。
如图6所示，来自发电厂124的余热可通过一合适的热交换环路126连接 到市用供水系统52中，以便通过水供应系统进行分配。这种有价值的电厂冬 季余热可使地热水用户显著地节约冬季能量，因为不是供应40-55°F温度范围 的冬季可饮用水，而是可供应65-85°F的可饮用水，在高BTU需求的冬季月 份中形成显著更为有效的热泵。更高的热泵效率意味着更低的热能的成本。
对于公用事业公司，至少有四个因素激励其安装大量的地热系统：
(1)电力公司可在电力过负荷的局部地区选择安装地热系统，由此，减小 和平衡其电力负荷；
(2)在顾客基础上安装越多的地热系统，他们越可能向当地的自来水公司 出售大量的极其盈利的冬季余热；
(3)最后，在地热装置上对电力公司的最终利益在于，可能推迟、或消除 额外地建造成本非常高的电厂的需要，以及；
(4)商业的自来水公司出于以下原因被激励进行合作：1)更有价值的地 热水的利润刺激2)采用本发明的防细菌的紫外线照射，可获得更高的水质； 以及3)防恐怖分子的水试验系统。
由于非常低成本的市用水和电厂冬季余热的有利的密切结合，地热装置可 变得相当更有效的热泵机器。这样较高的效率允许地热热泵本身小型化，而 做成低功率的热泵。
如图6所示的燃料电池130，就地的燃料电池的联产是本地热发明的一个 更加有效的优选的实施例。尽管在地下和长距离地分配暖和的可饮用水方面 存在固有的效率不高，但使用市用水总管来分配商业的电厂余热却是非常实 用和经济的。然而，后者商业电厂的余热的低效可完全被就地的燃料电池的 电力联产消除，其中，燃料电池和地球太阳能的热泵压缩机的能效(百分数) 得到提高。如图所示，燃料电池在电线132上产生电力，而电池的余热借助 于环路134供应到热泵62，以产生新的和非常理想的净效应。
就地的燃料电池余热的一理想的应用是图示的与本地热发明联产。几乎所 有的燃料电池的冬季余热可借助于环路134连接到地热可饮用水的水箱，并 被该水箱有效地吸收。首先，地热加热的需要远大于热水的需要。空间的加 热是连续地需要的，而热水则不然。本发明不采用低效的地下的流水闭合环 路。所有燃料电池余热可被地热热泵利用(在冬季月份中)。事实上，具有 容纳可饮用水的容器而无地下的流动闭合环路的本发明甚至可使用带有燃料 电池余热的井水，以便进行联产。因此，当与燃料电池联产结合时，本发明 甚至可应用在既没有市用水也没有市电的广大农村地区。
使燃料电池的余热和地热余热联产紧密结合成功的关键在于，本发明对其 容纳水的容器的依赖。如同市用的可饮用水那样，可将井水抽取到容器内， 在此情形中，当(或如果)容器达到预定的温度时，排出加热的容器水(通 常进入到旁边的第二井，以补充地下水位)。如上所述，本地热发明的优选 的实施例包括使用可饮用水和带有燃料电池联产的闭合的储存箱。
在夏季的月份中，当所有的燃料电池的余热不能被地热泵送系统吸收时， 且如果热水的供应完全满足，则燃料电池的余热可排放到大气中，而仍提供 低成本的电力来操作地热夏季冷却系统。组合联产的地热的本发明的总效率 不相等。当它们单独地与本发明组合，以使燃料电池的余热补充地热冬季加 热和全年的热水时，这种组合可降低公用事业的账单，同时大大地减小CO2 的排放。
通过从其它可供余热源回收额外的辅助热，例如，从下水道管线、发电厂、 污水处理厂、或诸如制造厂等的工业源头中回收，不用开挖的本发明还开创 获得相当高的总效率的其它的可能性。例如，在冬季的月份中，通过辅助的 热回收环路可有效地回收可再利用的废水(下水道排放水)的热量。可再利 用的废水包括104°F的淋浴和盆浴的废水；120°F的洗碗机的废水；120°F的洗 衣机的废水；200°F的烹饪水；72°F的厕所水；加上来自于厨房和浴室热沉的 热的废水。每个家庭平均温度在80°F的平均的可再利用的废水排放量约为每 天200加仑，或每月6000加仑。在冬季月份中，流入的可饮用水的温度可低 达40°F。温差(80°F-40°F)代表从每个楼房住所中损失大量的冬季热。可再 利用的废水的热损失远大于从一热效高和设计良好的房屋的窗和绝热部分加 在一起的热损失。现有技术的加热系统不能回收可再利用的废水的热能，这 主要是因为可再利用的废水的温度不够高。用于本发明的无开挖系统中的热 泵必须要有高的可再利用的废水能量回收。以非常快的安装成本的偿还，回 收可再利用的废水能的成本可与绝热一房屋的成本相比拟或低于该成本。花 费几百美元在住宅的废水管线上安装一可再利用的废水热交换盘管140和水 泵142，代表添加到本发明的无开挖系统上的零件的精髓所在。如果现有楼房 中的下水道管线144是裸露而容易接近的话，则热交换水盘管可包裹在4英 寸直径的典型的金属下水道管子周围。可利用一小型的低功率水泵来将可再 利用的废水热从可再利用的废水管道循环返回到热泵62。或者，可去除一段 PVC下水道管子，而更换上一预制的金属下水道管子的可再利用的废水热交 换段。在任何情形下，可再利用的废水热连接到可再利用的废水管和热泵之 间的水循环环路146。整个可再利用的废水能回收系统可以是实体上小巧、不 唐突的、静音和极其高效的系统。采用了可再利用的废水能的回收，可大大 地减少冬季热水和加热费的账单。可再利用的废水能的回收特别适用于本发 明，因为水储存箱不耦连可再利用的废水能到循环的地下水环路中。也可使 用其它的辅助的热源来回收以其它方式被浪费的热量。
尽管本地热发明不要求开挖，并且因此是非常经济的地热装置，但其较之 于现有技术的地热装置，还提供同样众所周知的效率方面的优点。根据当地 的地下水温度(纬度)和当地的市电的价格，地热的热泵系统较之非地热系 统的操作通常便宜至少2至4倍(成本的1/2至1/4)。当地的市电价通常是 评估操作地热系统成本的最重要的因素，因为地热热泵是由电力驱动的，同 样地，辅以空气的电机驱动的通风系统也是电力驱动的。
当铺设各农村住宅的管道成本超过由社区可饮用水制造商设定的商业偿还 周期时，服务到农村社区的市用水会急剧地下降。由于上述的对于自来水公 司的相当高的利润刺激，有可能使更多的农村住宅获得市用水和节省成本的 地热水的服务。在另一极端上，高楼林立的城市每人的地下水的长度没有农 村每个住宅的供水系统长度之长。夏时地热从高耸的结构到地下可饮用水系 统的热传输可在某些情形下使城市的水系统过负荷(将可饮用水温度提高到80 °F以上)，导致夏天地热效率的下降。然而，在大城市中，较大的地下管道 直径具有较大的暴露于地下的表面面积，其对较短的管道长度进行补偿。管 道长度对管道表面面积、对地下条件和管道深度的复杂的地热方面的考虑都 是设计将来的密集的GHP装置所要考虑的因素。如果可饮用水的地下温度的 确开始显示温度上升的征兆、并显著地降低地热效率，则通过使用用于其它 现存的地下结构，可做许多事情来大大地扩大城市现存地热能容量，以获得 更大量的夏季地热能。
为了大力扩大国家现存的地热能容量，(如果在遥远的将来，热饱和开始 出现在高度人口密集的地区)，则在热力上桥接两个现存的大规模的地下系 统一下水道水和可饮用水是相当简单地和节省成本的。需要强调一下术语“热 力上桥接”。可饮用水的管道系统绝不应靠近下水道管道铺设。然而，用一 能够在两个系统之间携带热量的加压的热交换闭合的环路，可相当简单地在 热力上连接两个系统，事实上，没有可能同时在热环路的两端形成污染的泄 漏，尤其是，如果闭合的环路中保持一正压的情况下。一在可饮用水和下水 道系统之间的相对简单和便宜的热环路，可容易地从一个系统到另一系统进 行热能交换。利用节省成本地热力上连接的水和下水道系统，甚至可在人口 密集的城市中将总的地热容量翻倍成四倍。
在较远的将来，对于人口密集的地区仍需扩大容量。例如，在输送地下的 可饮用水到水用户之前，可将很冷(40°F)的海洋/湖泊水泵送上来并与可饮 用水进行热交换。因此，在夏季月份中，代替将80°F的市用水供应到地热用 户中，可供应50°F(或更冷)的可饮用水。可很大程度地提高地热能的节约。 在将来，利用可饮用水作为热能的载体，可容易地辅助本发明用地热来冷却 整个大城市。
最后，在人口极其密集的地区，那里，地下的可饮用水流(使用的)的压 头不高，可能不足以携带足够的水往下游来冷却下一个地热用户，对城市水 系统添加一循环的可饮用水闭合的环路的成本效率是成本极其经济的解决方 法。换句话说，如果人口最密集的城市不断地接近热饱和，而且所有其它的 容易的选择业已枯竭，则可以从一可饮用水管道系统获取可饮用水，并连接 到该同一管道的开头(上游)，且将水泵放置在返回环路中，这样，可饮用 水不滞留在地下。
如果GHP没有正确地安装，则可存在其它的会成问题的靠不住的城市地热 的情形。在有许多GHP用户的单个高楼中，从一个用户(诸如一单一的公寓) 流出的可饮用水可能返回到该楼房内的总管内，而没有到地下以供热交换之 需。在此情形中，有必要自动地从所有的(或大部分)的单个地热容器(各 个公寓)反向地泵送地热可饮用水，这样，大量的地热水离开楼房一直地返 回到地下。或者，可构造用于整个高楼的、足够大尺寸的大的可饮用水容器， 以将可饮用水一直地泵回到地下水的地下结构中。在大楼所有的地热水强制 排出容器和大楼并返回到地下之后的时刻，可允许新的地热水重新灌满各个 地热水箱，或一个大的水箱，并开始再次的循环。应注意到，大楼内的水压 在整个过程中几乎没有变化，因为所有的地热储存箱保持在恒定的压力下， 直到它们以略微高的逆向压力反向泵送为止。水反向流回到总管只要求附加 略微的逆向压力。
总而言之，地热能，或更精确地讲是“地球太阳”能，是地球上储存量最 大的最干净的、免费的、可再生的能量。本地热的发明利用一连接到地下水 的地下结构的单一存在的可饮用水服务管道，来获取该充裕的能量，由此， 完全地消除地热开挖和热交换环路的过度的成本。本发明的可饮用水的储存 箱提供一独特的可能性，利用它作为就地的燃料电池发电机的余热的能量储 存箱。本发明与就地的电力联产的独特的紧密的结合是能量上更加高效的， 因为没有如现有技术地下流动水环路那样的冬季热损失。带有容纳水的容器 和燃料电池的本地热发明甚至可安装在具有井水源的农村或荒野地区。此外， 在不脱离所述范围和用途的前提下，各种类型的热泵可与所示的系统一起使 用。市用的可饮用水的热容量在夏天月份中可通过耗散过度的可饮用水热能 到污水厂的废水中或进入到附近深的冷水体中得到提高。在冬季的月份中， 可饮用水的热能含量可通过从商用发电厂、工业余热、或再循环的污水处理 厂的水的热量购买成本低廉的余热得到提高。因此，通过明智地调度所有大 量的余热传递至可饮用水的可能性，则可实际地调节大部分世界地下可饮用 水的地下结构的温度到约70°F(在冬季80°F和夏季60°F)，这样，可大大地 提高热泵的效率(远低于的热泵输入电能)。本发明为巨大的节能铺平了道 路。
尽管本发明借助于优选的实施例作了描述，但本技术领域内的技术人员将 会认识到，在不脱离本发明的真正的精神和范围的前提下，可作出许多改型 和变体。
本申请要求美国临时专利申请2001年8月1日提出的No.60/308,828，2001 年11月27日提出的No.60/333,123、以及2001年11月30日提出的 No.60/334,080的优先权，本文援引它们所公开的内容，以供参考。