CN103348196A - 热源系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于,高效率地运行具有两台相对于载热体串联地连接的热源机的热源系统。该热源系统(1),使从冷负荷导入的具有规定回水温度Tr的冷水降低到规定的供水温度Ts后向冷负荷供给冷水。热源系统(1)包括:第2涡轮制冷机(TR2),其使冷水从回水温度Tr降低到中间温度T2;第1涡轮制冷机(TR1),其使通过第2涡轮制冷机(TR2)降低到中间温度T2后的冷水降低到供水温度Ts;控制部(9),其可变地设定所述中间温度T2。
Description
技术领域
本发明涉及一种热源机相对于载热体串联地连接的热源系统及其控制方法。
背景技术
一般地,给空调机等负荷供给冷水(载热体)的热源机(例如涡轮制冷机、吸收式制冷机等)在额定时,按例如将12℃的冷水冷却到7℃后供给到负荷来运行。为了能够供给比这样的额定的5℃温度差更大的温度差的冷水,已知一种将两台热源机相对于冷水串联地连接的构成(参照例如专利文献1)。由此,例如,上游侧热源机将17℃冷却到12℃,下游侧热源机将12℃冷却到7℃,其结果能够以从17℃到7℃的10℃的温度差来运行。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:特开2001-355938号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
上述的以往的热源系统是在各个热源机以额定的5℃温度差来运行的前提下进行设计的。因此,将冷水回水温度(17℃)与冷水供水温度(7℃)中间的中间温度(12℃)设为固定值。并且,一般地,根据负荷的要求从热源系统供给的冷水温度也多设为设定值(例如7℃)。于是,在负荷的需求减少且冷水回水温度降低的情况下,若中间温度固定,虽然下游侧热源机进行将冷水从12℃冷却到7℃的运行,但上游侧热源机则不得不变为从低于17℃的温度(例如15℃)到12℃的温度差在5℃以下的部分负荷运行。例如,若降低了的回水温度为15℃,负荷率变为(15℃-12℃)/5℃=60%。然而,由于本身上游侧热源机与下游侧热源机相比输出冷水温度高,因而能够进行高COP的运行。尽管如此,若将中间温度设为固定值,在负荷的需求减少的情况下,只有COP较低的下游侧热源机在负荷率100%下运行,能够进行高COP的运行的上游侧热源机在低负荷率下几乎无法运行。
这样的话,就不能够说作为热源系统整体在进行高效率的运行,需要进一步的改善。
本发明是鉴于这样的情况而提出的,其目的在于,提供一种能够使包括两台相对于载热体串联地连接的热源机的热源系统高效率地运行的热源系统及其控制方法。
解决问题的技术手段
为解决上述问题,本发明的热源系统及其控制方法采用以下手段。
即,本发明所涉及的热源系统为使从负荷导入的具有规定回水温度的载热体变化到规定的供水温度,并向所述负荷供给载热体的热源系统,其包括:上游侧热源机,其使所述载热体从所述回水温度变化到中间温度;下游侧热源机,其使通过该上游侧热源机其温度变化到中间温度后的载热体变化到所述供水温度;控制部,其可变地设定所述中间温度。
本发明的热源系统,通过上游侧热源机和下游侧热源机使载热体温度依次变化(例如降低),由此实现大温度差的载热体供给。对这样的热源系统的情况,上游侧热源机进行动作,使载热体温度从回水温度变化到中间温度,下游侧热源机进行动作,使载热体温度从中间温度变化到供水温度。即,各热源机是根据与中间温度的温度差来确定输出(负荷率)的。本发明中,由于通过控制部可变地设定中间温度,因而能够任意地变更各热源机的负荷率。因此,作为热源系统整体能够实现使动力消耗或电力消耗减少的运行和使运行成本减少的运行等。
作为热源机可以列举出,例如电动式涡轮制冷机、吸收式制冷机、风冷热泵等。
进一步地,在本发明的第1实施方式所涉及的热源系统中,所述上游侧热源机及/或所述下游侧热源机为电动式涡轮制冷机,所述控制部设定所述中间温度,使与电动式涡轮制冷机的负荷率相应的动力消耗为规定值以下。
根据负荷率(额定负荷设为100%。),电动式涡轮制冷机的电动压缩机等的动力消耗(电力消耗)变化。控制部设定中间温度使动力消耗达到规定值以下。由此,实现动力消耗少的运行。
另外,在中间温度在电动式涡轮制冷机能够取到的范围内变化的情况下,优先将中间温度设定为使动力消耗达到约最小。例如,至少选取电动式涡轮制冷机能够取到的中间温度三个点,得到这三个点处的动力消耗。然后,根据这三个点的中间温度和动力消耗的组合得出二次曲线,计算动力消耗达到极小值时的中间温度,并设定为该中间温度。
另外,在运算动力消耗的时候,优选考虑涡轮制冷机输出的载热体温度或对涡轮制冷机进行冷却的冷凝器的冷却水温度。
作为电动式涡轮制冷机可以是电动压缩机以一定速度转动的定速机,也可以是电动压缩机以任意速度转动的变速机,还可以是它们的组合。
进一步地,在本发明的第2实施方式所涉及的热源系统中,所述上游侧热源机及/或所述下游侧热源机为吸收式制冷机,所述控制部设定所述中间温度,使所述吸收制冷机的运行成本为规定值以下。
吸收制冷机由蒸汽等的热源来驱动。控制部设定中间温度,使取决于该热源的成本的运行成本达到规定值以下。由此,实现运行成本少的运行。
进一步地,在本发明的第3实施方式所涉及的热源系统中,所述上游侧热源机为通过来自所述载热体的吸热来向其它热负荷输出热量的热回收机,所述控制部设定所述中间温度,以达到由所述热回收机的热量输出所确定的必要吸热量。
在上游侧热源机为热回收机的情况下,热回收机从载热体吸热,并输出其它热负荷所要求的规定的热量。控制部设定中间温度,以达到能够得到所要求的规定的热量输出的必要吸热量。由此,热回收机能够将规定的热量输出供给到其它热负荷。
并且,本发明的热源系统的控制方法为使从负荷导入的具有规定回水温度的载热体变化到规定供水温度,并向所述负荷供给载热体的热源系统的控制方法,所述热源系统包括:上游侧热源机,其使所述载热体从所述回水温度变化到中间温度;下游侧热源机,其使通过该上游侧热源机其温度变化到中间温度后的载热体变化到所述供水温度。通过控制部可变地设定所述中间温度。
本发明的热源系统的控制方法,通过上游侧热源机和下游侧热源机使载热体温度依次变化(例如降低),由此来实现大温度差的载热体供给。对这样的热源系统的情况,上游侧热源机进行动作,使载热体温度从回水温度变化到中间温度,下游侧热源机进行动作,使载热体温从中间温度变化到供水温度。即,各热源机是根据与中间温度的温度差来确定输出(负荷率)的。本发明中,由于通过控制部可变地设定中间温度,能够任意地变更各热源机的负荷率。因此,作为热源系统整体能够实现使动力消耗或电力消耗减少的运行和使运行成本减少的运行等。
作为热源机可列举出,例如电动式涡轮制冷机、吸收式制冷机、风冷热泵等。
发明效果
由于是可变地设定中间温度,因而能够任意地变更各热源机的负荷率,作为热源系统整体能够实现使电力消耗减少的运行和使运行成本减少的运行等。
附图说明
图1是示出本发明的第1实施方式所涉及的热源系统的概略图。
图2是示出如图1所示的涡轮制冷机的概略构成图。
图3是示出相对于负荷率的涡轮制冷机的COP的示意图。
图4是示出中间温度的设定方法的流程图。
图5是示出中间温度的设定方法的流程图。
图6是示出中间温度的运算的实施例的图表。
图7是示出本发明的第2实施方式所涉及的热源系统的概略图。
图8是示出中间温度的设定方法的流程图。
图9是示出中间温度的设定方法的流程图。
图10是示出本发明的第3实施方式所涉及的热源系统的概略图。
图11是示出图10的两级制冷循环的动作的图表。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明所涉及的实施方式进行说明。
[第1实施方式]
以下,对本发明的第1实施方式进行说明。
图1示出了本实施方式所涉及的热源系统1。热源系统1包括:第1涡轮制冷机(下游侧热源机)TR1、第2涡轮制冷机(上游侧热源机)TR2。该涡轮制冷机TR1、TR2为通过电动马达来驱动压缩机的电动式涡轮制冷机。各涡轮制冷机TR1、TR2对未图示的空调机等的冷负荷供给冷水(载热体),从该冷水流的上游侧依次连接第2涡轮制冷机TR2、第1涡轮制冷机TR1。因此,通过定流量冷水泵2而在各涡轮制冷机TR1、TR2与冷负荷之间循环的冷水,以回水温度Tr流入第2涡轮制冷机TR2,被冷却到中间温度T2,然后,以中间温度T2流入第1涡轮制冷机TR1,被冷却到供水温度Ts。各涡轮制冷机TR1、TR2在额定(负荷率100%)下具有将冷水冷却5℃的能力,该图示出了各自在额定下运行的状态的温度。即,第2涡轮制冷机TR2将冷水从回水温度17℃冷却到中间温度12℃,第1涡轮制冷机TR1将冷水从中间温度12℃冷却到供水温度7℃。
供水温度Ts通常按达到设计时冷负荷所要求的温度来设定。因此,对热源系统1进行控制,使供水温度Ts达到设定温度(通常为7℃)。另一方面,回水温度Tr虽然因冷负荷的要求热量的变动而变化,但在额定时,被设为对与各涡轮制冷机TR1、TR2的额定温度差的和相当的温度差(通常为10℃)进行累计后的温度(通常为17℃)。
本实施方式中,中间温度T2不设为固定值,未图示的控制部能够根据回水温度Tr等的各状态量来适当变更中间温度T2。
图2示出了第1涡轮制冷机TR1的概略构成。另外,由于第2涡轮制冷机TR2的构成是一样的,故省略其说明。
如该图所示,第1涡轮制冷机TR1包括:对制冷剂进行压缩的涡轮压缩机5;使被压缩后的制冷剂冷凝液化的冷凝器13;使被冷凝后的液态制冷剂减压膨胀的膨胀阀30;使膨胀后的液态制冷剂蒸发的蒸发器8;控制部9。
涡轮压缩机5为由电动马达7进行转动驱动的电动式。电动马达7与变频装置3电连接,能够通过该变频装置3进行可变速运行。
变频装置3基于控制部9的指令,对电动马达7的转速进行控制。
冷凝器13为例如管壳式的换热器。冷凝器13上连接有冷却水管13a、13b,在该冷却水管13a、13b内流动的水与壳内的制冷剂进行热交换。冷却水管13a、13b与冷却塔(未图示)相连接。冷却水配管13a上设有温度传感器,能够计测流入冷凝器13的冷却水的入口温度Tc。
蒸发器8为管壳式的换热器。蒸发器8上连接有冷水管8a,8b,该冷水管8a,8b内流动的水与壳内的制冷剂进行热交换。入口冷水管8a连接到第2涡轮制冷机TR2的冷水出口侧,出口冷水管8b与冷负荷相连接。分别在出口冷水管8b的上游侧设有计测热交换后的供水温度Tr的冷水入口温度传感器,在入口冷水管8a的下游侧设有计测由第2涡轮制冷机TR2冷却后的中间温度T2的中间温度传感器。
另外,对第2涡轮制冷机TR2的情况,在入口冷水管上设有计测回水温度Tr的回水温度传感器。
涡轮压缩机5的制冷剂吸入侧设有入口叶片35。入口叶片35对流入涡轮压缩机5的制冷剂流量进行调整。入口叶片35的开度由控制部9控制。通过该入口叶片35的开度调整来控制供水温度Ts。
涡轮压缩机5的排出侧与涡轮压缩机5的吸入侧之间设有热气体旁路管14a。热气体旁路管14a上设有用于调整制冷剂流量的热气体旁路阀14。由该热气体旁路阀14调整流量后的高温高压的排出制冷剂,分流到涡轮压缩机5的吸入侧。热气体旁路阀14的开度由控制部9控制。
膨胀阀30设在冷凝器13与蒸发器8之间,通过挤压液态制冷剂使其等焓膨胀。
膨胀阀30的开度由控制部9控制。
热源系统1的控制部在其存储区存有如图3所示的示意图。该图所示的示意图的横轴为负荷率,纵轴为COP(特性系数)。在各示意图中,对每个冷却水入口温度Tc示出了相对于负荷率的COP。将额定负荷定为100%,在冷水流量为定流量的情况下,负荷率与由涡轮制冷机冷却的冷水的温度差成比例。因此,在以温度差5℃为额定的负荷率100%的情况下,温度差3℃为负荷率60%。如该图所示,COP根据负荷率(即温度差)和冷却水入口温度而变化。
图3(a)示出了出口冷水温度为7℃的情况的示意图,图3(b)示出了出口冷水温度为12℃的情况的示意图。如这两幅图所示,示意图形状根据出口冷水温度而变化,最佳的负荷率也相应变化。例如,图3(a)由于出口冷水温度为7℃,相当于第1涡轮制冷机TR1的示意图,图3(b)由于出口冷水温度为12℃,相当于用于第2涡轮制冷机TR2的示意图之一。
另外,也可以用大气湿球温度来代替冷却水入口温度Tc。
热源系统1的控制部通过利用这样的电动式涡轮制冷机的特性来实现热源系统1的高效率的运用。即,通过适当设定中间温度T2来调整各涡轮制冷机TR1、TR2的负荷率,由此作为热源系统1整体实现高COP的运行。以下对该控制方法进行说明。
图4和图5示出上述构成的热源系统1的中间温度T2的设定方法。
首先,将供水温度Ts固定为热源系统1所要求的冷水出口温度设定值(例如7℃)(步骤S1)。
然后,从与涡轮制冷机相分离的冷却塔或冷负荷等这样的设备侧获取冷却水入口温度Tc和回水温度Tr(步骤S2)。
然后,进入到确定三个基准送水温度a、b、c的工序(步骤S3)。
具体地说,在步骤S4中,按下式来确定a[℃],并将其作为第2涡轮制冷机TR2能够取到的最低温度。
a=回水温度Tr-第2涡轮制冷机的额定温度差…(1)
在这样确定到的最低温度a低于供水温度Ts的情况下(步骤S5),将最低温度a设定为供水温度Ts(步骤S6),在除此之外的情况下直接采用最低温度a。
同样地在步骤S4中,按下式确定c[℃],并将其作为第2涡轮制冷机TR2能够取到的最高温度。
c=供水温度Ts-第1涡轮制冷机的额定温度差…(2)
在这样确定的最高温度c高于回水温度Tr的情况下(步骤S7),将最高温度c设定为回水温度Tr(步骤S8),在除此之外的情况下直接采用最高温度c。
然后,在步骤S9中,采用按以上那样确定的最高温度a和最低温度c来求出作为它们的算术平均的平均温度b。
然后,在步骤S10以后,进行各涡轮制冷机TR1、TR2的电力消耗的运算。
首先,假定作为第2涡轮制冷机TR2的送水温度的中间温度T2为最低温度a(步骤S11)。然后,在步骤S12中,对各涡轮制冷机TR1、TR2的负荷率进行运算。负荷率为冷水温度差占涡轮制冷机的额定负荷时的额定温度差的比例。然后,控制部从存储区参照如图3所示的示意图。具体地说,在步骤S13中,参照在涡轮制冷机TR1的供水温度Ts(设定值)和冷却水入口温度Tc下的性能数据、与在第2涡轮制冷机TR2的出口冷水温度(即中间温度T2=a[℃])下的性能数据,在步骤S14中,计算各涡轮制冷机TR1、TR2的电力消耗Ea。电力消耗的计算也能够不参照图3的示意图,而通过专利公开2010-236728号公报或专利申请2009-265296所述的方法来进行运算。
另外,对平均温度b和最高温度c时的电力消耗Eb、Ec也相同地计算(步骤S15和S16)。
然后,在步骤S17中,利用(Ea、Eb、Ec)=(a、b、c)的关系,将电力消耗近似为下式的二次函数。
Y=mX2+nX+s…(3)
在此,Y表示电力消耗,X表示中间温度。
通过这样的二次函数近似后,如步骤S18~S24所示,关于二次函数在a以上c以下的区间内求解极小值问题。
通过这样,确定电力消耗达到最小时的中间温度T2。
控制部设定由以上那样确定的中间温度T2,并对各涡轮制冷机TR1、TR2进行控制。
[实施例]
采用具体数值来按以下那样进行中间温度的运算。
对于本实施例,假定串联配置两台200Rt(制冷吨)的变频(变速)涡轮制冷机的情况来进行运算。
第1涡轮制冷机TR1的额定时的冷水温度为7℃/12℃。
第2涡轮制冷机TR2的额定时的冷水温度为12℃/17℃。
1.设备负荷的获取(图4的步骤S1和S2)
热源系统的送水温度设定;Ts=7℃
从设备获取到的数据;冷却水温度Tc=20℃,回水温度Tr=13℃
2.抽取送水温度三个点(图4的步骤S4~S9)
a=Tr-TR2额定温度差=13-5=8℃
c=Ts+TR1额定温度差=7+5=12℃
b=(a+c)/2=(8+12)/2=10℃
3.运算在这三个点处的电力消耗(图4的步骤S10~图5的步骤S16)。
4.由二次函数进行近似,将达到极小值时的T2作为中间温度的设定值(图5的步骤S17~S24)。
当进行以上那样的运算时,二次函数变为4.071X2-82.392X+481.06(参照图6),由于X2的系数为正,故为下凸。当求微分函数为0时的X时,通过8.142X-82.392=0得X≒10.1℃。因此最佳的温度设定值为10.1℃。
此时的两台涡轮制冷机TR1、TR2的合计电力消耗为74.2kW,与第1涡轮制冷机TR1的温度设定直接用额定值(即T2=12℃)时的电力消耗88.6kW相比,能够很大程度地降低电力消耗。
如上所述,根据本实施方式,由于通过控制部可变地设定中间温度T2,能够任意地变更各涡轮制冷机TR1、TR2的负荷率。因此,作为热源系统1整体,能够实现使动力消耗即电力消耗减少的运行。即,由于在使其在涡轮制冷机TR1、TR2能够取到的范围内变化情况下,设定中间温度使动力消耗达到约最小,能够大幅降低电力消耗。
由于选取各涡轮制冷机TR1、TR2能够取到的中间温度T2至少三个点,得出在这三个点的动力消耗,再通过这三点中间温度和动力消耗的组合得出二次曲线来计算电力消耗达到极小值时的中间温度,因而能够减轻控制部的计算负担。
另外,本实施方式中,虽然是以将采用变频器的变速涡轮制冷机作为涡轮制冷机用于各涡轮制冷机TR1、TR2的构成为前提来进行说明,但电动压缩机以一定速度转动的定速涡轮制冷机也能够适用于本发明。即,各涡轮制冷机TR1、TR2的组合既可以是定速机与定速机的组合,也可以是变频机与定速机的组合。
并且,各涡轮制冷机TR1、TR2的容量可以相同,也可以像例如500Rt与1000Rt那样不同。
并且,在两台涡轮制冷机TR1、TR2中一台发生故障的情况下,优选强行将没有故障的另一台涡轮制冷机的冷水出口设定温度变更为供水温度Ts的设定值(7℃),使其能够送出期望的温度的冷水。
并且,在如上述那样运算得到的结果即最佳的中间温度为7℃,即在判断有一台涡轮制冷机被停机的情况下,使位于冷水流的上游侧的第2涡轮制冷机TR2停机。这是由于,若使位于冷水流的下游侧的第1涡轮制冷机TR1停机,从第2涡轮制冷机TR2以7℃送水的冷水会在第1涡轮制冷机TR1进行热交换,冷水温度会上升到例如8℃。
并且,第2涡轮制冷机TR2也可以为热回收机。热回收机从冷水吸热,输出其它热负荷所要求的规定的热量。因此,控制部设定中间温度T2,以达到能够得到热负荷所要求的规定的热量输出的必要吸热量。由此,热回收机能够将规定的热量输出供给到其它热负荷。
并且,本实施方式中虽然以涡轮制冷机作为热源机来作为一个实例进行说明,但也可以是其它热源机,例如吸收式制冷机。对吸收式制冷机的情况,确定最佳的中间温度T2时,由于电力消耗相比电动式涡轮制冷机格外地少,因而优选取决于吸收式制冷机所必需的热源的运行成本为指标。例如,可列举出加热燃烧器所消耗的燃料消耗量、或在蒸汽加热的情况下收到的蒸汽的成本等。
[第2实施方式]
然后,对本发明的第2实施方式进行说明。
本实施方式如图7所示,在冷水泵2’由变频驱动为变流量这点和具有计测冷水流量的流量计4这点上与如图1如示的第1实施方式不同。其余由于与第1实施方式相同,故省略其说明。
本实施方式中由于冷水流量可变,因而能够进行与此相应的控制。即,第1实施方式中,由于冷水流量为定流量因而认为负荷与温度差成比例即可不需要特别的校正,但在本实施方式中,由于冷水流量可变,因而要进行校正。为了进行该校正,控制部要获取冷水的流量F[m3/h]、比热C[J/g·K]和密度ρ[g/m3]。
由于冷水流量可变而进行的校正是如图8的步骤S4’和步骤S12’所示的那样,通过流量F、比热C和密度ρ来对第1实施方式的图4的步骤S4和步骤S12中采用的额定温度进行校正。具体地说,采用下式的关系来进行校正。
温度差△T=制冷能力[MJ]/(流量F×比热c×密度ρ)…(4)
这样,根据本实施方式,即使在冷水流量变化的情况下,也能够与第1实施方式一样高效率地控制热源系统1。
[第3实施方式]
如图10所示,本发明也能够适用于应用两级制冷循环式涡轮制冷机的热源系统。在第1实施方式或第2实施方式中,虽然设想了冷却各涡轮制冷机TR1、TR2的冷凝器的冷却水相互独立的构成,但如该图所示,本发明也同样能够适用于冷凝器相对于冷却水串联地连接的两级制冷循环。
第1涡轮制冷机TR1包括:低压段压缩机5-1、低压段蒸发器8-1、低压段冷凝器13-1。第2涡轮制冷机TR2包括高压段压缩机5-2、高压段蒸发器8-2、高压段冷凝器13-2。
冷水以例如17℃流入并在高压段蒸发器8-2冷却到中间温度之后,并在低压段蒸发器8-1冷却到供水温度(例如7℃)。冷却水以例如32℃流入并由低压段冷凝器8-1吸热升温之后,再由低压段冷凝器13-2吸热并进一步升温(例如37℃)。
这样的两级制冷循环式,如图11所示,具有能够削减与△L1和△L2相当的动力这一优点。
由于热源系统的控制部适当设定由高压段蒸发器8-2冷却后且流入到低压段蒸发器8-2前的冷水的中间温度,以电力消耗最小来进行控制这一点与第1实施方式或第2实施方式一样,故省略说明。
符号说明
1热源系统
TR1第1涡轮制冷机(下游侧热源机)
TR2第2涡轮制冷机(上游侧制冷机)
Tr回水温度
Ts供水温度
T2中间温度
Claims (5)
1.一种热源系统,其为使从负荷导入的具有规定回水温度的载热体变化到规定的供水温度,并向所述负荷供给载热体的热源系统,其特征在于,包括:
上游侧热源机,其使所述载热体从所述回水温度变化到中间温度;
下游侧热源机,其使通过该上游侧热源机其温度变化到中间温度后的载热体变化到所述供水温度;
控制部,其可变地设定所述中间温度。
2.根据权利要求1所述的热源系统,其特征在于,
所述上游侧热源机及/或所述下游侧热源机为电动式涡轮制冷机,
所述控制部设定所述中间温度,使与电动式涡轮制冷机的负荷率相应的动力消耗为规定值以下。
3.根据权利要求1或2所述的热源系统,其特征在于,
所述上游侧热源机及/或所述下游侧热源机为吸收式制冷机,
所述控制部设定所述中间温度,使所述吸收制冷机的运行成本为规定值以下。
4.根据权利要求1所述的热源系统,其特征在于,
所述上游侧热源机为通过来自所述载热体的吸热来向其它热负荷输出热量的热回收机,
所述控制部设定所述中间温度,以达到由所述热回收机的热量输出所确定的必要吸热量。
5.一种热源系统的控制方法,其为使从负荷导入的具有规定回水温度的载热体变化到规定供水温度,并向所述负荷供给载热体的热源系统的控制方法,其特征在于,
所述热源系统包括:上游侧热源机,其使所述载热体从所述回水温度变化到中间温度;下游侧热源机,其使通过该上游侧热源机其温度变化到中间温度后的载热体变化到所述供水温度,
通过控制部可变地设定所述中间温度。
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