CN103518108A - 热能系统和操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的热能系统包括在使用中具有冷却需求的第一热系统和与所述第一热系统耦合的热沉连接系统，所述热沉连接系统适于选择性地连接多个热沉，所述热沉连接系统包括：第一换热器系统，其适于与远程第一热沉耦合；和第二换热器系统，其适于与环境空气耦合；流体回路，其将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连；至少一个机构，其用于选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流动回路的流体流动方向有关；以及控制器，其用于致动所述至少一个机构。可选实施例具有加热需求且使用热源。

Description

热能系统和操作方法
本发明涉及热能系统以及热能系统的操作方法。特别地，本发明涉及应用于连接至制冷系统(尤其是例如在超市中使用的商用制冷系统)或包含在制冷系统中的系统。本发明还在诸如集中冷却和加热系统以及工业制冷和／或过程加热等领域内具有更广阔的应用。
很多建筑物需要由建筑物内的系统产生的加热和／或冷却。例如，暖通空调(HVAC)系统可能有时需要正向供热，在其它时间需要冷却，或者需要同时加热和冷却。诸如超市等一些建筑物包含大型工业制冷系统，所述大型工业制冷系统包含需要用于排热的恒温阱(constant sink)的冷凝器。这些系统中的很多系统需要恒温控制以确保有效运行。低效运行可能导致显著的附加运营成本，尤其是增加了耗能的成本。例如，典型的超市通常使用其能源的多达50％来运行需要每年365天每天24小时时刻工作的制冷系统。
利用机械制冷循环的常用冷却器的效率是由很多参数和特征来确定的。然而，按照卡诺循环，任何高效制冷循环的关键参数是确定冷凝温度(CT)的能阱(energy sink)的质量。
CT还与从制冷循环提供给能阱的负荷量密切相关，即，随着负荷增加，压缩机需要进行更多的工作以满足所需的要求，并且用于驱动压缩机的附加的电能被转换为废热，这是从蒸发器吸收的热之外的废热。这转而导致对能阱的更高负荷。因此，CT保持得越低，压缩机需要进行的工作越少。
图5示出了在已知制冷系统中的制冷剂在制冷循环中的压力和焓之间的关系，所述制冷系统在制冷机中使液体制冷剂蒸发，随后将所述制冷剂压缩并冷凝。
图中代表温度的曲线L定义了制冷剂处于液态的条件。在制冷机中，液体制冷剂随着在蒸发器中蒸发时而吸热(在恒压下)。这由图5中的线a-b表示。点b位于曲线L外部，这是因为在该点处所有液体都被蒸发，制冷剂处于过热气体的形态。线a-b在曲线L内部的部分代表蒸发量。如线b-c表示，气态制冷剂被压缩机压缩。这导致气体压力和温度的增加。随后，使压缩气体的温度降低以使制冷剂能够冷凝，在制冷剂的冷凝过程中，第一冷却阶段包括由线c-d表示的气体的初始冷却，第二冷凝阶段包括由曲线L内的线d-e表示的气体的冷凝以形成液体。从c至e的线代表排热。然后，线e-a表示压缩机借助膨胀设备使上述液体的压力降低，从而在该循环结束时返回至点a。
可选择地，可对冷凝的液体进行再冷却，这由线e-f表示，并且此后可以通过膨胀设备降低再冷却后的液体的压力，这由线f-g表示，从而在此循环结束时返回至点g。这种再冷却通过增加蒸发器内的制冷剂焓而增加了蒸发量，增加的蒸发量是由线g-a表示的，其与冷却和冷凝线e-f上的再冷却相反。
制冷冷凝循环的上部的线决定了代表着蒸发量的下部的线的有效性。
蒸发线a-b(或者包括再冷却的g-b)和冷凝线c-e(或者包括再冷却的c-f)之间的压力增加越小，制冷循环的效率就越高，输入压缩泵的能量也就越小。
本领域中存在着对这样的热能系统的需求：该热能系统能够在全年中提高制冷循环的效率并且降低输入至压缩泵的能量。
在商业上使用各种不同的制冷剂。一种制冷剂是二氧化碳，即CO2(本领域中由指定代码R744标示)。这种天然制冷剂的主要优点在于其具有低的全球变暖潜能(GWP)，其GWP显著低于世界制冷工业采用的先进制冷剂混合物的GWP。例如，1kg的CO2等于GWP1，而适于商业和工业制冷的专业制冷剂通常达到GWP3800。在任何商业制冷设备的制造和使用中，加压的制冷剂向环境空气的无意损耗是不可避免的。例如，就超市制冷系统而言，在英国每个平均规模的超市每年可以损耗超过几百千克的制冷剂，而在其它欠发达国家，制冷剂损耗通常还要高得多。使用CO2的特征还在于高的工作压力，这提供了高的能量运载能力，即，比每单位的流过制冷剂回路的制冷剂的普通热传输能力更高。
将CO2用作制冷剂只有一个主要缺点。与合成制冷剂不同，CO2的临界温度点低，为31.1℃。这意味着在相对温暖的环境下来自CO2的任何排热都会使该制冷剂进入其跨临界区域，即，将不会发生冷凝。在这种环境下，排热将仅仅依赖于由制冷剂的冷却导致的所谓的显热传递(sensible heat transfer)，而不是在制冷剂在不同的亚临界条件下冷凝时会发生的潜热传递(latent heat transfer)。依赖于在露点时的潜热释放的冷凝是比这种显热传递更有效的排热方式。
结果，并非冷凝的所有热量都能够被释放，这使得CO2保持在其跨临界状态或气态或部分液态部分气态，并阻碍了制冷循环可靠且有效地运转。
已经存在这样的现代制冷系统：其能够通过在排热换热器之后安装附加的压力／温度调节阀来克服上述局限。这种阀的作用是使CO2制冷剂产生压降，并使CO2制冷剂保持更高的排热压力／温度。冷凝的压降和额外排放的热是在制冷循环内通过压缩机的额外的工作／提取来保持的，并且造成低效率。这种压降和热提取与系统COP的间接损耗(多达45％，且可能更多)相关联。
还存在着对于能够包含二氧化碳作为制冷剂并且能够始终高效地工作的制冷系统的需求。
本发明旨在满足上述需求。
本发明提供一种热能系统，其包括在使用中具有冷却需求的第一热系统和与所述第一热系统耦合的热沉连接系统，所述热沉连接系统适于选择性地连接用于冷却所述第一热系统的多个热沉，所述热沉连接系统包括：第一换热器系统，其适于与含有工作流体的远程第一热沉耦合；和第二换热器系统，其适于与作为第二热沉的环境空气耦合；流体回路，其将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连；至少一个机构，其用于选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流体回路的流体流动方向有关；以及控制器，其用于致动所述至少一个机构。
本发明还提供一种热能系统的操作方法，所述热能系统包括第一热系统，所述方法包括如下步骤：
(a)设置具有冷却需求的第一热系统；
(b)设置与含有工作流体的远程第一热沉耦合的第一换热器系统；
(c)设置与作为第二热沉的环境空气耦合的第二换热器系统；
(d)使流体围绕将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连的流体回路流动以同时向所述第一热沉和所述第二热沉排热；并且
(e)选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流体回路的流体流动方向有关。
特别地，本发明的以上方面涉及制冷系统。
然而，本发明的其它方面还具有对诸如加热系统等其它热能系统的适用性。在这样的加热系统中，所述热系统具有加热需求(而非冷却需求)且设置有热源(而不是热沉)，并且采用热泵循环而非制冷循环。
因此，本发明还提供一种热能系统，所述热能系统包括在使用中具有加热需求的第一热系统和与所述第一热系统耦合的热源连接系统，所述热源连接系统适于选择性地连接用于加热所述第一热系统的多个热源，所述热源连接系统包括：第一换热器系统，其适于与含有工作流体的远程第一热源耦合；和第二换热器系统，其适于与作为第二热源的环境空气耦合；流体回路，其将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连；至少一个机构，其用于选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流体回路的流体流动方向有关；以及控制器，其用于致动所述至少一个机构。
本发明还提供一种操作热能系统的方法，所述热能系统包括第一热系统，所述方法包括如下步骤：
(a)设置具有加热需求的第一热系统；
(b)设置与含有工作流体的远程第一热源耦合的第一换热器系统；
(c)设置与作为第二热源的环境空气耦合的第二换热器系统；
(d)使流体围绕将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连的流体回路流动以同时从所述第一热源和所述第二热源提取热；并且
(e)选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流体回路的流体流动方向有关。
本发明还在诸如集中冷却与加热系统以及工业制冷和／或过程加热需求等领域内具有更广阔的应用。
在从属权利要求中限定了优选特征。
下面，将参照附图，仅以示例的方式来说明本发明的实施例，其中：
图1是本发明的第一实施例的包括超市制冷系统的热能系统的示意图，所述热能系统处于第一工作模式；
图2是处于第二工作模式的图1的热能系统的示意图；
图3示出了处于第一工作模式的图1的热能系统的制冷系统中的制冷剂在制冷循环中的压力与焓之间的关系；
图4示出了处于第二工作模式的图1的热能系统的制冷系统中的制冷剂在制冷循环中的压力与焓之间的关系；
图5示出了已知的制冷系统中的制冷剂在制冷循环中的压力与焓之间的关系；
图6示出了图1的热能系统的制冷系统中的制冷剂在制冷循环中的压力与焓之间的关系；
图7示出了当用于本发明的另一实施例时的图1的热能系统的制冷系统中的CO2制冷剂在制冷循环中的压力与焓之间的关系，该图还图示了CO2制冷剂的跨临界制冷循环的上部；
图8示出了当用于本发明的另一实施例时的图1的热能系统的制冷系统中的CO2制冷剂在制冷循环中的压力与焓之间的关系；以及
图9、图10和图11示意性地图示本发明的更多实施例的各自的制冷循环回路。
尽管本发明的优选实施例涉及用于与制冷系统配合的热能系统，但本发明的其它实施例涉及需要由建筑物内的系统产生的加热和／或冷却的其它的建筑系统，例如可能需要正向供热和／或冷却或者反向供热的暖通空调(HVAC)系统。这些系统中的如制冷系统等很多系统需要恒定的、非常谨慎的温度控制以确保有效工作。
参照图1，示意性地示出了与热沉系统6连接的例如超市的制冷系统2。制冷系统2通常包括利用蒸汽压缩卡诺循环的商用或工业用制冷系统。
制冷系统2包括一个以上制冷室8。制冷室8置于制冷剂回路10中，制冷剂回路10使流向／来自制冷室8的制冷剂循环。制冷剂回路10从相对于制冷剂流动的上游至下游方向依次包括：接收器12，其用于接收液体制冷剂的输入；膨胀阀14，其用于控制向蒸发器的制冷剂流动。设置有用于蒸发液体制冷剂的一个以上制冷室8，通过吸收制冷剂的蒸发的潜热从而冷却制冷室8内部，所述潜热是由用于压缩并冷凝制冷剂的压缩机16的提取性能产生的。接收器12与从冷凝热沉36、42而来的输入冷凝管线18连接，且压缩机16与输出至冷凝热沉36、42的输出排放管线20连接。
热沉系统6具有连接至输入冷凝管线18的输出管线22以及连接至输出排放管线20的输入管线24。
输入管线24与第一双通阀26的输入臂25连接，第一双通阀26具有第一输出臂28和第二输出臂30。第一输出臂28经由管道32连接至第一换热器系统36的输入34。第二输出臂30经由管道38连接至第二换热器系统42的输入40。
第一换热器系统36与用于排热的远程热沉37连接，远程热沉37通常是诸如含水层水等具有稳定温度的外部水源，或者在地热能系统的井眼换热器阵列中的工作流体。第二换热器系统42采用环境空气作为排热的热沉。第二换热器系统42可以是冷凝器、气体冷却器或再过冷却换热器。两个热沉的温度通常不同，且如下所述，利用这两个不同的温度来确定热沉系统6的期望的工作模式，以便使冷却效率最大化，使输入能量最小化并且减小组合集成式制冷和机械系统的资金和运行成本。
每种工作模式具有各自的回路构造，其中，选择性地设置回路构造内的换热器的顺序，从而假设选择性地控制制冷循环内的各热沉的特定连接的设置。
第一换热器系统36具有与第二双通阀48的第一输入臂46连接的输出44，输出44在换热器系统36内与输入34流体连接。第二双通阀48具有连接至管道38的输出臂50。
第二换热器系统42具有与第三双通阀56的输入臂54连接的输出52，输出52在第二换热器系统42内与输入40流体连接。第三双通阀56具有与管道32连接的第一输出臂58。第三双通阀56具有第二输出臂60，第二输出臂60经由管道64连接至输出管线22并且连接至第二双通阀48的第二输入臂62。
热沉连接系统被构造为使得制冷剂围绕回路在各热沉之间基本上无限制地流动，以基本上避免因疏忽造成的液阱(liquid trap)。例如，热沉连接系统基本上为水平方向。
第一双通阀26、第二双通阀48和第三双通阀56具有各自的控制单元66、控制单元68和控制单元70，控制单元66、控制单元68和控制单元70分别与第一双通阀26、第二双通阀48和第三双通阀56连接以控制各个阀的操作。第一控制单元66在第一双通阀26中的第一输出臂28和第二输出臂30之间选择性地切换；第二控制单元68在第二双通阀48中的第一输入臂46和第二输入臂62之间选择性地切换；并且第三控制单元70在第三双通阀56中的第一输出臂58和第二输出臂60之间选择性地切换。
第一控制单元66、第二控制单元68和第三控制单元70中的各者单独地被控制器72控制，控制器72经由各条控制线74、76、78连接至各个控制单元66、68、70，或者无线地连接至各个控制单元66、68、70。
第一换热器系统36具有第一温度传感器84，第一温度传感器84被安装用来感测热沉的温度或者与其相关的温度，例如第一换热器系统36的第二侧86的工作流体的温度，第一温度传感器84经由第一数据线88连接至控制器72。用于检测大气的环境温度的第二环境温度传感器80经由第二数据线82连接至控制器72。
从前述内容可见，可以控制第一双通阀26、第二双通阀48和第三双通阀56以选择性地控制制冷剂流过第一换热器系统36和第二换热器系统42的的顺序。
第一换热器系统36包括适于向远程热沉散热的换热器，所述远程热沉诸如水体和地埋管换热系统(closed-loop ground coupling system)上的含水层。第一换热器系统36可以包括诸如壳管式换热器、板式换热器或同轴换热器等冷凝换热器。远程热沉包括连通至环境空气的替代冷却介质，例如大地。
第二换热器系统42包括适于向大气中的环境空气散热的换热器。第二换热器系统42可以包括非蒸发式换热器或蒸发式换热器。非蒸发式换热器例如可从空气冷凝器或干空气冷却器中选择。蒸发式换热器例如可从蒸发式绝热空气冷凝器(evaporative adiabatic air-condenser)或具有远程冷却塔的冷凝换热器中选择。
第二环境温度传感器80检测环境温度，从而对控制器72提供输入参数，所述输入参数代表与第二换热器系统42的热效率相关联的第二换热器系统42的温度状态。相应地，第一温度传感器84检测热沉温度或与热沉相关的温度，从而将输入参数提供给控制器72，该输入参数代表与第一换热器系统36的热效率相关的第一换热器系统36的温度状态。
在第一选定工作模式中，首先，将输入管线24的液体制冷剂传送至第一换热器系统36，随后传送至第二换热器系统42，然后返回至管线22。在第一工作模式中，关闭第一双通阀26中的第二输出臂30、第二双通阀48中的第二输入臂62以及第三双通阀56中的第一输出臂58。
在第二选定工作模式中，首先，将输入管线24的液体制冷剂传送至第二换热器系统42，随后传送至第一换热器系统36。在第二工作模式中，关闭第一双通阀26中的第一输出臂28、第二双通阀48中的输出臂50以及第三双通阀56中的第二输出臂60。
控制器72适于根据数据线82和数据线88中的输入温度在第一模式和第二模式之间切换。测量的输入温度依次确定第一换热器系统36和第二换热器系统42的各自热效率。交替地选择性地切换第一换热器系统36和第二换热器系统42的顺序，以根据条件和用途使得第一换热器系统36和第二换热器系统42中的一者构成减温器或复合式减温器-冷凝器，另一者构成冷凝器或再冷却器。
如图1所示，在冬季(或低温环境)模式中，第一换热器系统36构成减温器或复合式减温器-冷凝器，而第二换热器系统42构成冷凝器或再冷却器。如图2所示，在夏季(或高温环境)模式中，第二换热器系统42构成主减温器或复合式减温器-冷凝器，而第一换热器系统36构成冷凝器或再冷却器。
图3在表示制冷系统2和热沉系统6中的制冷剂在制冷循环中的压力与焓之间的关系的图中图示了低温环境模式。线A-D代表在恒压下冷却制冷剂时的总放热量(THR)。在点A处，制冷剂已被压缩机16增压并加热。A-B段代表通过制冷剂气体的冷却所释放的焓(作为显热)。B-C段代表通过将制冷剂气体冷凝为液体所释放的焓(作为潜热)。C-D段代表通过制冷剂液体的再冷却所释放的焓(作为显热)。在低温环境模式中，在第一换热器系统36中进行A-C的气体冷却及所有或部分的冷凝阶段，在第二换热器系统42中进行制冷剂的B-C的剩余的冷凝阶段或再冷却C-D。
当环境(气温)较低时，第二换热器系统42在冷却与冷凝阶段B-C期间在相对低温下有效地为高的冷却与冷凝需求服务。因此，由具有诸如井眼换热器阵列等远程热沉的第一换热器系统36来为初始的高温冷却与冷凝需求服务。由向环境空气排热的第二换热器系统42来为随后的低温冷却需求服务。
当来自第一温度传感器84和第二环境温度传感器80的输入温度满足特定阈值时，控制器72将热沉系统6切换为低温环境模式，通过控制器72的计算，所述特定阈值确定了：使用制冷剂的最低的最佳冷凝温度以及因此所需的最小输入能量在该模式中能够最有效地满足必需的总放热量。
在检测到的温度满足这些特定阈值时的任何时候都可以使用冬季或低温环境模式，所述任何时候不仅仅是在冬季，例如还可以用于当环境温度比白天低时的夜间工作。
图4在表示制冷系统2和热沉系统6中的制冷剂在制冷循环中的压力与焓之间的关系的类似的图中图示了的夏季或高温环境模式。此外，线A-D代表在恒压下冷却制冷剂时的总放热量(THR)。在点A处，制冷剂已被压缩机16增压。A-B段代表通过制冷剂气体的冷却所释放的焓(作为显热)。B-C段代表通过将制冷剂气体冷凝为液体所释放的焓(作为潜热)。C-D段代表通过制冷剂液体的再冷却所释放的焓(作为显热)。
在夏季或高温环境模式中，在第二换热器系统42中进行A-C的相对高温气体冷却以及所有或部分冷凝阶段，在第一换热器系统36中进行冷却剂的剩余的冷凝阶段B-C或再冷却阶段C-D。在高温环境模式中，当环境(气温)较高时，第二换热器系统42在冷却与冷凝阶段A-C期间仅能够有效地为在相对高的制冷剂温度下的冷却与冷凝需求服务。因此，向环境空气排热的第二换热器系统42为初始的冷却与冷凝需求服务。由具有诸如井眼换热器阵列等远程热沉的第一换热器系统36来为剩余的冷却需求服务。
当来自第一温度传感器84和第二环境温度传感器80的输入温度满足特定阈值时，控制器72将热沉系统6切换为高温环境模式；通过控制器72的计算，该特定阈值确定了：使用制冷剂的最低的最佳冷凝温度以及因此所需的最小输入能量在该模式中能够最有效地满足必需的总放热量。在检测到的温度满足这些特定阈值时的任何时间都可以使用夏季或高温环境模式，所述任何时间不仅仅是在夏季，还例如可用于环境温度比夜间时高的白天操作。
冬季模式与夏季模式之间的切换可以基于远程热沉的温度与环境空气温度之间的关系而确定，远程热沉的温度代表着由向远程热沉排热的第一换热器系统36所利用的第一热沉温度，环境空气温度代表着由向环境空气排热的第二换热器系统42所利用的第二热沉温度。例如，如果第一热沉温度高于第二热沉温度(环境空气)，则激活冬季模式，而如果第二热沉温度(环境空气)高于第一热沉温度，则启动夏季模式。在替换实施例中，当第一热沉温度和第二热沉温度相差达到阈值时，例如，当温度相差至少10摄氏度时，可以触发上述切换。作为更具体的示例，当环境温度比流体热沉温度低至少10摄氏度时，可选择冬季模式。选定的阈值可取决于所采用的特定热沉。
这种可替换的模式之间的切换使得能够有效使用能阱，并且通过保持制冷剂的最低的最佳冷凝温度使输入系统中的能量最小化，从而实现任何给定冷负荷的较低的总放热量。控制器可自动采用当时流行的用于在特定环境条件下实现制冷剂冷凝的最有效的换热器(或各换热器的组合)。此外，相比于如果需要单井系统来提供制冷系统的总冷却和冷凝量的情况，当采用诸如井眼系统等远程热沉时还能够在降低的资金成本和运行成本下使较小的井眼系统成为可能。
现参照作为图5的变形的图6，根据本发明，使用以不同温度工作的两个热沉允许上部的冷却／冷凝线由两个顺序的热交换操作构成，每个热交换操作与各自的换热器相关，各换热器对于输入参数高效工作。这使得上部冷却／冷凝线向着蒸发线降低。这反过来意味着减小了压缩压力，从而降低了向压缩泵输入的输入能量。
特别地，在图6中，如箭头R所示，上部的线的压力减小至这样的线：该线从压缩线的上端的点x经过与曲线L的交叉点的点y延伸至曲线L上且在膨胀线的上端的点z。线x-y代表来自压缩泵的用于驱动系统的焓输入，该焓输入小于图5的已知系统的线c-d的焓输入。因此，节约了压缩机功率。此外，相比于图5的已知系统的线a-b，由线a'-b代表的蒸发量主要在曲线L内部增大。而且，由于更大的冷凝，相比于图5的已知系统的线d-e，曲线L内具有由线y～z代表的增大的焓。另外，本发明可提供或使用由点l和点m表示的进一步增加蒸发量的再冷却。
本发明能够利用季节性环境温度相对于远程热沉的变化来提供选择的组合冷却／冷凝阶段，所述组合冷却／冷凝阶段可极大地提高制冷系统的年度工作效率。还能在无需附加设备或运行成本的情况下使用再冷却。再冷却还能够在不增加压缩机所需工作的情况下大幅提高冷却能力，从而提高制冷系统的COP。因此，使用附加的串行布置的热沉以提供两个顺序的冷却／冷凝阶段部分能够提供这样的优点：在最小冷凝温度以下的额外的再冷却，从而增大了蒸发量。
环境空气的比热比水基冷却流体的比热低。因此，环境空气换热器，特别是非蒸发式冷凝环境空气换热器在部分负荷条件下比布置为或适于向水基冷却流体散热的换热器工作得更好。因此，由于换热器的较高温度差(ΔT)，所以这种环境空气换热器在较高排放温度和／或较高冷凝温度下散热。
蒸发式环境空气换热器在夏季月份中由于高的环境温度而有效排热，但是在较低环境温度和高湿度条件下有效性下降。因此，使环境空气换热器的角色反转以在夏季模式下提供主冷凝且在冬季模式下提供再冷却，能够提高系统的总效率。
组合式热沉系统能够在整个年度循环中提供较低的冷凝。冷凝温度能够被控制为在系统的设计约束条件内的最低可用温度。组合式热沉系统能够在减小压缩机的工作的情况下大幅提高冷却能力，从而提高系统的COP。因此，相比于使用单个热沉所能够实际实现的情况，在第一热沉和第二热沉的制冷回路内的顺序和功能在选择性控制下交替的情况下，第二热沉的附加能够提供在更低的年均温度下的冷凝效果。
可以选择性地采用再冷却。可以在位于与远程热沉连接的两个换热器之间的管线中将用于控制再冷却的调节阀、或贮液器或膨胀箱并入回路中。
本发明的系统和方法可以使用本领域已知的各种不同的制冷剂。制冷剂可以是通常用于商用制冷设备中的冷凝制冷剂或者非冷凝制冷剂。
现在，说明在跨临界制冷循环中采用二氧化碳(CO2)作为制冷剂的本发明的特定实施例。
能够采用使用CO2制冷剂的系统，CO2制冷剂提供了比其它传统制冷剂更高的压力和温度(在从压缩机排出后)的状态。这种状态导致了排出的制冷剂与热沉温度交换之间的更高的ΔT。这更高的ΔT意味着显热传递基本上变得更有效。在使用与环境空气连通的气体冷却器作为热沉的传统系统中，可能不会发生CO2冷凝，即，所有热传输作为显热传递而发生；随着通过换热器的CO2温度的下降，ΔT和显热传递速率下降。由于CO2的临界温度为31℃，因此，通常不可能将冷凝的剩余显热和潜热排到冷却介质中，这转而降低了制冷循环的冷却能力。
参照图7，该图图示了在图1的热能系统的制冷系统中CO2制冷剂在制冷循环中的压力与焓之间的关系图。
本发明的热能系统能够被构造为并用于在跨临界制冷和亚临界循环中采用CO2制冷剂工作。
通过设定在压缩机的制冷剂回路下游的初始换热器向环境空气排热并结合CO2制冷剂，能够使得包括环境空气换热器的热沉的冷却效果最大化，这种冷却效果是从排热阶段的初始部分中的跨临界操作期间的排热阶段的高ΔT部分而实现的。
环境空气换热器允许脱过热(de-superheating)的高阈值，因此，允许冷却阶段的高比例的总显热传递通过环境空气换热器。通常，多达约60％的总热可通过环境空气换热器排出，并且至少约40％的总热可通过替代介质换热器排出。
相比之下，当在传统制冷设备中使用传统制冷剂时，凭借初始显热传递(相当于图5的线c～d)的最大脱过热通常仅能达到待排放的总热的约20％。
图7图示了CO2制冷剂的跨临界制冷循环的上部。初始冷却阶段经历了压力的大幅下降，并且具有排热阶段的高ΔT部分(被识别为区域A)，区域A相应地允许待排放总热的约60％处于在跨临界操作期间的排热阶段的高ΔT部分。在区域B中，待排放总热的约40％处于排热阶段的低ΔT部分。
而且，在上述装置和方法的“夏季模式”中，回路中的换热器的顺序是初始的(上游)环境空气换热器以及随后的(下游)替代介质换热器；在“夏季模式”中，在CO2制冷剂已经将待排放的热的多达60％排放至上游环境空气热沉后，替代介质换热器通过CO2的冷凝会实现更有效的排热。这种布置通过使两个阶段的冷却效果最大化而提供了作为热能冷却的高密度源的替代冷却介质(诸如水基液体)的更有效利用。可将显热排放至诸如环境空气等实际上不限类型的介质，并且可将潜热排放至诸如水基液体等可用的替代介质。
结果，这种两阶段排热的阶段图可以如图8中所示。
可以选择性地设置止回／压力调节阀以确保这种排热处理的显热阶段和潜热阶段之间的更可靠的分离，在这种排热处理中图1的下游的替代介质换热器36具有比上游的环境空气换热器42的更低的温度状态。这种止回／压力调节阀在排热阶段的初始跨临界区域中将CO2制冷剂的压力(图8的线X-Y)保持在图8中的点Y处的期望的气体冷却器出口温度。另外，对于阶段图的液体区域内的诸如制冷增压器系统等特殊设计要求，可在点Z处设有另外的压力调节阀以使得冷凝温度能够进一步下降。如同在典型的跨临界设计的CO2制冷剂系统中那样，这种冷凝温度的进一步下降所需的附加工作将由压缩机提供。
在为“冬季模式”论述的换热器的可替换顺序中，上游的替代介质换热器36具有比下游的环境空气换热器的温度高的状态，由于CO2的供给顺序与其它制冷剂的供给顺序并无不同(以下情况除外，即，在已设置了可选的止回／压力调节阀时，在图8的点Y附近可能需要旁路)，因此，如上所述，下游的环境空气换热器42对替代介质换热器36中的CO2提供额外的冷却和冷凝。
图9、图10和图11示意性地图示了本发明的更多实施例的各自的制冷循环回路。
在图9、图10和图11的各者中都设置有制冷室100。制冷剂回路102从制冷室100的输出侧104经由多个换热器延伸至制冷室100的输入侧106。图9、图10和图11的各个回路之间的区别在于：换热器的数量、回路102内的换热器的位置以及特定的可选择替换的回路构造，其改变回路102内的换热器的顺序，并相应地将各个换热器在回路内的位置改变到制冷室100的输出侧104或输入侧106。
在图9中，在第一工作模式中，相应的回路构造108将输出侧104与(i)诸如一个以上井眼换热器等液相热沉换热器110、(ii)环境空气换热器112以及(iii)输入侧106串行连接。在第二工作模式中，相应的回路构造114将输出侧104与(i)环境空气换热器112、(ii)液相热沉换热器110以及(iii)输入侧106串行连接。
在图10中，换热器包括诸如一个以上井眼换热器等液相热沉换热器120、环境空气换热器122、一个以上冷凝换热器124以及一个以上再冷却换热器126。
在第一工作模式中，相应的回路构造128将输出侧104与(i)一个以上冷凝换热器124、(ii)一个以上再冷却换热器126以及(iii)输入侧106串行连接。此外，在回路构造128中，在一个以上冷凝换热器124与液相热沉换热器120之间还存在有第一互连回路130，在一个以上再冷却换热器126与环境空气换热器122之间还存在有第二互连回路132。
在第二工作模式中，相应的回路构造134仍将输出侧104与(i)一个以上冷凝换热器124、(ii)一个以上再冷却换热器126以及(iii)输入侧106串行连接。然而，在回路构造134中，在一个以上冷凝换热器124和环境空气换热器122之间还存在有第一互连回路136，在一个以上再冷却换热器126和液相热沉换热器120之间还存在有第二互连回路138。
在图11中，换热器包括诸如一个以上井眼换热器等液相热沉换热器140、环境空气换热器142、一个以上冷凝换热器144以及一个以上再冷却换热器146。此外，在中间回路152中布置有第一中间换热器148、第二中间换热器150，中间回路152经由既处于主制冷剂回路102中又处于中间回路152中的一个以上冷凝换热器144和一个以上再冷却换热器146而连接至包括制冷室100的主制冷剂回路102。
在第一工作模式中，相应的回路构造160经由主制冷剂回路102将输出侧104与(i)一个以上冷凝换热器144、(ii)一个以上再冷却换热器146以及(iii)输入侧106串行连接；相应的回路构造160还经由中间回路152串行连接(a)一个以上冷凝换热器144、(b)第一中间换热器148、(c)第二中间换热器150、(d)一个以上再冷却换热器146并且(e)返回到一个以上冷凝换热器144。
此外，在回路构造160中，在第一中间换热器148与液相热沉换热器140之间还存在第一互连回路170，且在第二中间换热器150与环境空气换热器142之间还存在第二互连回路172。
在第二工作模式中，相应的回路构造174经由主回路154仍将输出侧104与(i)一个以上冷凝换热器144、(ii)一个以上再冷却换热器146以及(iii)输入侧106串行连接；回路构造174还经由中间回路152串行连接(a)一个以上冷凝换热器144、(b)第一中间换热器148、(c)第二中间换热器150、(d)一个以上再冷却换热器146并且(e)返回到一个以上冷凝换热器144。
然而，在回路构造174中，在第一中间换热器148与环境空气换热器142之间还存在有第一互连回路176，且在第二中间换热器150与液相热沉换热器140之间还存在有第二互连回路178。
虽然在各布置中均存在具有可替换的构造的用于循环制冷剂或工作流体的回路，但可选择地，可以设置有可选择的额外的换热器以及与之相结合的额外的互连回路。
文中所述的本发明的实施例完全是示例性的，并没有限制权利要求的范围。例如，双通阀可由替代流体切换设备替换；可基于各种可替换的热沉的特定特性来确定工作的替换模式。
此外，在本发明的附加实施例中，作为图示的实施例的变形例，第一换热器系统包括多个第一换热器，并且／或者第二换热器系统包括多个第二换热器，并且／或者热沉连接系统还包括适于与流体回路内的至少一个附加热沉耦合的至少一个附加的换热器系统。
如上所述，尽管图示的实施例包括制冷系统，但本发明能够适用于诸如加热系统等其它热能系统。在这样的加热系统中，热系统具有加热需求(而非冷却需求)且设置有热源(而非热沉)，并且采用的是蒸汽压缩热泵循环而非制冷循环。
本发明的各种其它的变形例对于本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (75)

1.一种热能系统，其包括在使用中具有冷却需求的第一热系统和与所述第一热系统耦合的热沉连接系统，所述热沉连接系统适于选择性地连接用于冷却所述第一热系统的多个热沉，所述热沉连接系统包括：第一换热器系统，其适于与含有工作流体的远程第一热沉耦合；和第二换热器系统，其适于与作为第二热沉的环境空气耦合；流体回路，其将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连；至少一个机构，其用于选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流体回路的流体流动方向有关；以及控制器，其用于致动所述至少一个机构。
2.如权利要求1所述的热能系统，其中，所述第一换热器系统适于与包括所述远程热沉的多个井眼耦合。
3.如权利要求2所述的热能系统，其中，所述井眼被包括在闭合回路地热能系统中。
4.如权利要求1至3中任一项所述的热能系统，其中，所述第二换热器系统是与环境空气耦合的冷凝器、气体冷却器或再冷却器。
5.如前述任一权利要求所述的热能系统，还包括：第一温度传感器，其用于测量所述第一热沉的温度；和第二温度传感器，其用于测量所述第二热沉的温度。
6.如权利要求5所述的热能系统，其中，所述控制器适于通过采用所述第一热沉的被测温度和所述第二热沉的被测温度作为控制参数来致动所述至少一个机构。
7.如权利要求6所述的热能系统，其中，所述控制器适于至少部分地基于所述第一热沉的被测温度与所述第二热沉的被测温度的比较来致动所述至少一个机构。
8.如前述任一权利要求所述的热能系统，其中，所述热沉连接系统被构造用来提供所述热沉之间的基本无限制的流动。
9.如前述任一权利要求所述的热能系统，其中，所述流体回路具有连接至所述第一热系统的输入和输出，且所述至少一个机构适于在第一流体回路构造与第二流体回路构造之间可致动地切换所述流体回路，在所述第一流体回路构造中，在围绕从所述输入至所述输出的回路的流体流动方向上，所述第一换热器系统是所述第二换热器系统的上游，在所述第二流体回路构造中，在围绕从所述输入至所述输出的回路的流体流动方向上，所述第二换热器系统是所述第一换热器系统的上游。
10.如前述任一权利要求所述的热能系统，其中，所述第一热系统包括利用蒸汽压缩卡诺循环的商用或工业用制冷系统。
11.一种热能系统，其包括利用二氧化碳作为制冷剂的如权利要求10所述的商用或工业用制冷系统。
12.如权利要求11所述的热能系统，还包括位于所述第二换热器系统的下游侧的第一压力调节阀。
13.如权利要求12所述的热能系统，还包括位于所述第二换热器系统的下游侧的所述压力调节阀的旁路。
14.如权利要求11至13中任一项所述的热能系统，还包括位于所述第一换热器系统的下游侧的压力调节阀。
15.如前述任一权利要求所述的热能系统，其中，所述至少一个机构包括：多个可致动的切换阀机构，它们用于选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统在围绕所述流体回路的流体流动方向上的顺序。
16.如权利要求15所述的热能系统，其中，所述控制器适于同时致动所述多个切换阀机构。
17.如前述任一权利要求所述的热能系统，其中，所述第一换热器系统包括多个第一换热器。
18.如前述任一权利要求所述的热能系统，其中，所述第二换热器系统包括多个第二换热器。
19.如前述任一权利要求所述的热能系统，其中，所述热沉连接系统还包括至少一个附加换热器系统，其适于与至少一个附加热沉耦合。
20.一种热能系统的操作方法，所述热能系统包括第一热系统，所述方法包括如下步骤：
（a）设置具有冷却需求的第一热系统；
（b）设置与含有工作流体的远程第一热沉耦合的第一换热器系统；
（c）设置与作为第二热沉的环境空气耦合的第二换热器系统；
（d）使流体围绕将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连的流体回路流动以同时向所述第一热沉和所述第二热沉排热；并且
（e）选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流体回路的流体流动方向有关。
21.如权利要求20所述的方法，其中，通过选择性地切换将所述第一换热器系统和所述第二换热器系统连接入所述流体回路的阀机构来执行步骤（e）。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述阀机构是具有至少三个端口的双通阀。
23.如权利要求20至22中任一项所述的方法，还包括测量所述第一热沉的温度和所述第二热沉的温度的步骤，并且在步骤（e）中，采用所述第一热沉的被测温度和所述第二热沉的被测温度作为控制参数以控制所述第一换热器系统和所述第二换热器系统在所述流体回路的流体流动方向上的所述顺序。
24.如权利要求23所述的方法，其中，至少部分地基于所述第一热沉的被测温度与所述第二热沉的被测温度的比较来控制所述第一换热器系统和所述第二换热器系统在所述流体回路的流体流动方向上的所述顺序。
25.如权利要求20至24中任一项所述的方法，其中，所述第一换热器系统与包括所述远程热沉的多个井眼耦合。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述井眼被包含在闭合回路地热能系统中。
27.如权利要求20至26中任一项所述的方法，其中，所述第二换热器系统是与环境空气耦合的冷凝器、气体冷却器或再冷却器。
28.如权利要求20至27中任一项所述的方法，其中，所述流体回路具有连接至所述第一热系统的输入和输出，且在步骤（e）中，同时致动将所述第一换热器系统和所述第二换热器系统连接至所述第一热系统的切换阀机构以在第一流体回路构造与第二流体回路构造之间切换所述流体回路，在所述第一流体回路构造中，在围绕从所述输入至所述输出的所述流体回路的流体流动方向上，所述第一换热器系统是所述第二换热器系统的上游，在所述第二流体回路构造中，在围绕从所述输入至所述输出的所述流体回路的流体流动方向上，所述第二换热器系统是所述第一换热器系统的上游。
29.如权利要求28所述的方法，其中，在所述第一流体回路构造中，所述第一换热器系统被布置用来提供对所述流体的主冷却和冷凝，且所述第二换热器系统被布置用来提供对所述流体的再冷却。
30.如权利要求28或29所述的方法，其中，当作为所述第二热沉的环境空气的被测温度低于与所述第一热沉的所述工作流体的被测温度有关的特定阈值时，选择所述第一流体回路构造。
31.如权利要求28至30中任一项所述的方法，其中，在所述第二流体回路构造中，所述第二换热器系统被布置用来提供对所述流体的再冷却和冷凝，并且所述第一换热器系统被布置用来提供对所述流体的再冷却。
32.如权利要求28至31中任一项所述的方法，其中，当作为所述第二热沉的环境空气的被测温度高于与所述第一热沉的所述工作流体的被测温度有关的特定阈值时，选择所述第二流体回路构造。
33.如权利要求20至32中任一项所述的方法，其中，所述第一热系统包括采用蒸汽压力卡诺循环并且使用二氧化碳作为制冷剂的商用或工业用制冷系统。
34.如权利要求33所述的方法，其中，在步骤（d）中，二氧化碳最初通过所述第二换热器系统，并且在所述第二换热器系统中的二氧化碳不冷凝的情况下在跨临界条件下向所述第二热沉排热。
35.如权利要求34所述的方法，还包括：在所述第二换热器系统的下游侧调节二氧化碳的压力以在步骤（d）的初始排热阶段期间提供恒压。
36.如权利要求34或权利要求35所述的方法，还包括：在所述第一换热器系统的下游侧调节二氧化碳的压力以便在步骤（d）的第二排热阶段中提供恒压。
37.如权利要求20至36中任一项所述的方法，其中，所述第一换热器系统包括多个第一换热器。
38.如权利要求20至37中任一项所述的方法，其中，所述第二换热器系统包括多个第二换热器。
39.如权利要求20至38中任一项所述的方法，还包括：设置与至少一个附加热沉耦合的至少一个附加换热器系统，所述流体回路将所述第一热系统、所述第一换热器系统、所述第二换热器系统和所述至少一个附加换热器系统互连以向所述第一热沉、所述第二热沉和所述至少一个附加热沉同时排热。
40.一种热能系统，其包括在使用中具有加热需求的第一热系统和与所述第一热系统耦合的热源连接系统，所述热源连接系统适于选择性地连接用于加热所述第一热系统的多个热源，所述热源连接系统包括：第一换热器系统，其适于与含有工作流体的远程第一热源耦合；和第二换热器系统，其适于与作为第二热源的环境空气耦合；流体回路，其将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连；至少一个机构，其用于选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流体回路的流体流动方向有关；以及控制器，其用于致动所述至少一个机构。
41.如权利要求40所述的热能系统，其中，所述第一换热器系统适于与包括所述远程热源的多个井眼耦合。
42.如权利要求41所述的热能系统，其中，所述井眼被包括在闭合回路地热能系统中。
43.如权利要求40至42中任一项所述的热能系统，其中，所述第二换热器系统是与环境空气耦合的蒸发器。
44.如权利要求40至43中任一项所述的热能系统，还包括：第一温度传感器，其用于测量第一热源的温度；和第二温度传感器，其用于测量所述第二热源的温度。
45.如权利要求44所述的热能系统，其中，所述控制器适于通过采用所述第一热源的被测温度和所述第二热源的被测温度作为控制参数来致动所述至少一个机构。
46.如权利要求45所述的热能系统，其中，所述控制器适于至少部分地基于所述第一热源的被测温度与所述第二热源的被测温度的比较来致动所述至少一个机构。
47.如权利要求40至46中任一项所述的热能系统，其中，所述热源连接系统被构造用来提供所述热源之间的基本无限制的流动。
48.如权利要求40至47中任一项所述的热能系统，其中，所述流体回路具有连接至所述第一热系统的输入和输出，且所述至少一个机构适于在第一流体回路构造与第二流体回路构造之间可致动地切换所述流体回路，在所述第一流体回路构造中，在围绕从所述输入至所述输出的回路的流体流动方向上，所述第一换热器系统是所述第二换热器系统的上游，在所述第二流体回路构造中，在围绕从所述输入至所述输出的回路的流体流动方向上，所述第二换热器系统是所述第一换热器系统的上游。
49.如权利要求40至48中任一项所述的热能系统，其中，所述第一热系统包括利用蒸汽压缩热泵循环的商用或工业用热泵系统。
50.一种热能系统，其包括利用二氧化碳作为制冷剂的如权利要求49所述的商用或工业用热泵系统。
51.如权利要求50所述的热能系统，还包括位于所述第二换热器系统的下游侧的第一压力调节阀。
52.如权利要求51所述的热能系统，还包括位于所述第二换热器系统的下游侧的所述压力调节阀的旁路。
53.如权利要求50至52中任一项所述的热能系统，还包括位于所述第一换热器系统的下游侧的压力调节阀。
54.如权利要求40至53中任一项所述的热能系统，其中，所述至少一个机构包括：多个可致动的切换阀机构，它们用于选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统在围绕所述流体回路的流体流动方向上的顺序。
55.如权利要求54所述的热能系统，其中，所述控制器适于同时致动所述多个切换阀机构。
56.如权利要求40至55中任一项所述的热能系统，其中，所述第一换热器系统包括多个第一换热器。
57.如权利要求40至56中任一项所述的热能系统，其中，所述第二换热器系统包括多个第二换热器。
58.如权利要求40至57中任一项所述的热能系统，其中，所述热源连接系统还包括至少一个附加换热器系统，其适于与至少一个附加热源耦合。
59.一种热能系统的操作方法，所述热能系统包括第一热系统，所述方法包括如下步骤：
（a）设置具有加热需求的第一热系统；
（b）设置与含有工作流体的远程第一热源耦合的第一换热器系统；
（c）设置与作为第二热源的环境空气耦合的第二换热器系统；
（d）使流体围绕将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连的流体回路流动以同时从所述第一热源和所述第二热源接收热；并且
（e）选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流体回路的流体流动方向有关。
60.如权利要求59所述的方法，其中，通过选择性地切换将所述第一换热器系统和所述第二换热器系统连接入所述流体回路的阀机构来执行步骤（e）。
61.如权利要求60所述的方法，其中，所述阀机构是具有至少三个端口的双通阀。
62.如权利要求59至61中任一项所述的方法，还包括测量所述第一热源的温度和所述第二热源的温度的步骤，并且在步骤（e）中，采用所述第一热源的被测温度和所述第二热源的被测温度作为控制参数以控制所述第一换热器系统和所述第二换热器系统在所述流体回路的流体流动方向上的所述顺序。
63.如权利要求62所述的方法，其中，至少部分地基于所述第一热源的被测温度与所述第二热源的被测温度的比较来控制所述第一换热器系统和所述第二换热器系统在所述流体回路的流体流动方向上的所述顺序。
64.如权利要求59至63中任一项所述的方法，其中，所述第一换热器系统与包括所述远程热源的多个井眼耦合。
65.如权利要求64所述的方法，其中，所述井眼被包含在闭合回路地热系统中。
66.如权利要求59至65中任一项所述的方法，其中，所述第二换热器系统是与环境空气耦合的蒸发器。
67.如权利要求59至66中任一项所述的方法，其中，所述流体回路具有连接至所述第一热系统的输入和输出，且在步骤（e）中，同时致动将所述第一换热器系统和所述第二换热器系统连接至所述第一热系统的切换阀机构以在第一流体回路构造和第二流体回路构造之间切换所述流体回路，在所述第一流体回路构造中，在围绕从所述输入至所述输出的所述流体回路的流体流动方向上，所述第一换热器系统是所述第二换热器系统的上游，在所述第二流体回路构造中，在围绕从所述输入至所述输出的所述流体回路的流体流动方向上，所述第二换热器系统是所述第一换热器系统的上游。
68.如权利要求67所述的方法，其中，在所述第一流体回路构造中，所述第一换热器系统被布置用来提供对所述流体的主加热和蒸发，且所述第二换热器系统被布置用来提供对所述流体的再加热。
69.如权利要求67或68所述的方法，其中，当作为所述第二热沉的环境空气的被测温度高于与所述第一热源的所述工作流体的被测温度有关的特定阈值时，选择所述第一流体回路构造。
70.如权利要求67至69中任一项所述的方法，其中，在所述第二流体回路构造中，所述第二换热器系统被布置用来提供对所述流体的主加热和蒸发，并且所述第一换热器系统被布置用来提供对所述流体的再加热。
71.如权利要求67至70中任一项所述的方法，其中，当作为所述第二热源的环境空气的测定温度低于与所述第一热源的所述工作流体的被测温度有关的特定阈值时，选择所述第二流体回路构造。
72.如权利要求59至71中任一项所述的方法，其中，所述第一热系统包括采用蒸汽压缩热泵循环并且使用采用二氧化碳作为工作流体的商用或工业用热泵系统。
73.如权利要求59至72中任一项所述的方法，其中，所述第一换热器系统包括多个第一换热器。
74.如权利要求59至73中任一项所述的方法，其中，所述第二换热器系统包括多个第二换热器。
75.如权利要求59至74中任一项所述的方法，还包括：设置与至少一个附加热源耦合的至少一个附加换热器系统，所述流体回路将所述第一热系统、所述第一换热器系统、所述第二换热器系统和所述至少一个附加换热器系统互连以从所述第一热源、所述第二热源和所述至少一个附加热源同时接收热。
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