CN110573803A - 区域能量分配系统和提供机械功并加热区域热能回路的热传递流体的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种包括地热发电站(50)的区域能量分配系统，所述地热发电站包括第一回路和第二回路。第一回路包括用于来自地热热源(10)的地热加热的水的输入流的供给管道(11)；锅炉(51)，其包括热交换器(52a、52b、52c)，所述热交换器被构造成从地热加热的水的输入流交换热以使地热发电站(50)的第二回路的工作介质过热；以及用于冷却水从锅炉(51)到地热热源(10)的返回流的返回管道(12)。第二回路包括构造成使第二回路的工作介质过热的锅炉(51)；膨胀器(53)，其被构造成使过热的工作介质膨胀，并将膨胀转换成机械功；以及冷凝器(55)，其被构造成将膨胀的工作介质转换成液相，并对区域热能回路(20)的热传递流体进行加热。区域热能回路(20)包括多个局部加热系统(200；250)，每个系统(200；250)被构造成向建筑物(40)提供热水和/或舒适加热。冷凝器(55)被构造成将区域供给管道(22)的热传递流体加热到5℃至30℃的温度。此外，公开了一种提供机械功和加热区域热能回路(20)的热传递流体的方法。

Description

区域能量分配系统和提供机械功并加热区域热能回路的热传 递流体的方法

技术领域

本发明涉及区域能量分配系统和提供机械功并加热区域热能回路的热传递流体的方法。

背景技术

世界上几乎所有的大型发达城市都具有并入其基础设施中的至少两种类型的能量网；一种网用于提供电能，以及一种网用于提供空间加热和热自来水制备。用于提供空间加热和热自来水制备的普通网是提供可燃气体(通常为化石燃料气体)的供气网。由供气网提供的气体局部燃烧，以提供空间加热和热的自来水。用于提供空间加热和热自来水制备的供气网的替代物是区域加热网。电能网的电能也可用于空间加热和热自来水制备。同样，电能网的电能可用于空间冷却。电能网的电能还用于驱动冰箱和冷冻机。

因此，传统的建筑物加热和冷却系统使用诸如电和化石燃料之类的主要的高级能源或工业废热形式的能源，以提供空间加热和/或冷却，并加热或冷却建筑物中使用的水。此外，在城市中还安装区域冷却网用于空间冷却已经日益普遍。加热或冷却建筑物空间和水的过程将这种高级能量转换成具有高熵的低级废热，该废热离开建筑物并返回到环境中。

使用地热热源系统也是众所周知的，地热热源系统使用地球中可用的热能来产生例如电或机械功。然而，这些类型的系统确实释放大量的热能，这些热能通过例如冷却塔释放到周围环境中。

因此，需要一种改进的和成本有效的系统，以更好地利用可用的废热。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题中的至少一些。

根据第一方面，提供了一种区域能量分配系统。该区域能量分配系统包括地热发电站，该地热发电站包括：第一回路，该第一回路包括：用于来自地热热源的地热加热的水的输入流的供给管道；锅炉，其包括热交换器，该热交换器被构造成从地热加热的水的输入流交换热以使地热发电站的第二回路的工作介质过热；用于冷却水从锅炉到地热热源的返回流的返回管道；其中，第二回路包括：锅炉，其被构造成使第二回路的工作介质过热；膨胀器，其连接到锅炉并且被构造成允许过热的工作介质膨胀并且将膨胀转换成机械功；以及冷凝器，其被构造成将膨胀的工作介质转换成液相，并对区域热能回路的热传递流体进行加热；其中，区域热能回路包括：区域供给管道；区域返回管道；多个局部加热系统，每个局部加热系统具有连接到区域供给管道的入口和连接到区域返回管道的出口，其中，每个局部加热系统被构造成向建筑物提供热水和/或舒适加热；以及冷凝器，其被构造成将区域供给管道的热传递流体加热到5℃至30℃的温度。

区域能量分配系统被构造成将地热热源系统与区域能量分配系统以及与地热发电站相结合。因此，从地热加热的水中提取的能量可以被供应给多个局部加热系统，这些局部加热系统可以用于向建筑物提供热水和/或舒适加热。区域能量分配系统还可用于通过中央热交换器将能量返回到地热热源。此外，从地热加热的水中提取的能量可以用于产生机械功，该机械功例如可以用于产生电能。

在本申请的上下文中，地热能应理解为在地球中产生和存储的热能。地热能是成本有效的、可靠的、可持续的和环境友好的，但历史上一直限于地壳构造板边界附近的区域。然而，最近的技术进步已经显著地扩展了可用资源的范围和大小，特别是对于诸如家庭供暖之类的应用，从而打开了广泛开发的潜力。钻探的发展允许地热热源系统的深度设计可以达到5km或甚至更深。提供对这种深度的访问的系统通常被称为深层地热热源系统。基岩的入口孔和出口孔通常布置成彼此相距很大距离。此外，在入口孔和出口孔之间的区域中的基岩被分级，从而允许水存储在由此形成的间隙中。这种基岩可以是干燥的，由此水通过入口孔被主动地供应到基岩，在基岩中水被加热。这种形成的地下存储在下文中称为地热热源。

通过所提供的区域能量分配系统，使得许多优点成为可能。

区域能量分配系统中的根据在具有低热负荷的夏季中的较高温度和根据在具有高热负荷的冬季中较低温度而波动的温度导致形成系统的一部分的发电站将能够在冬季()期间，即在高热负荷的时段期间，产生更多的电力(功率与热量之比增加)。与区域能量系统相比，这提供了一个优势，因为在高负载的情况下，总会伴随着较高的热流体输送温度，随后冷凝器中的压力增加，从而导致冬季期间功率与热量之比降低。

潜在的热功率显著增加(或多或少两倍)，这是因为冷凝器在0℃至30℃的温度区间(而不是应用于传统区域能量分配系统的45℃至120℃的典型温度区间)内操作。事实上，与通过使用例如冷却塔将所有多余热必须作为废热移除的情况相比，可以产生更多的电能。

所提供的被构造成将区域供给管道中的热传递流体的输出流的温度控制到5℃至30℃的温度的区域能量分配系统可以被视为低温系统，这与通常在45℃至120℃的区间中操作的典型区域能量分配系统不同。由此使得许多优点成为可能。例如，与传统区域能量分配系统相比，由于对分配和消耗的低温需求导致温度差增大时，相同的地热系统可以获得相当高的效率和热量(高达3倍)。

此外，在使用过的基岩中的热量被消耗之前，常规的地热技术提供了大约20至30年的工作寿命。当基岩中的输送温度已经达到被认为是区域加热系统可接受的最低输送温度时，通常认为热量被消耗。根据记载，对于常规的区域加热系统，可接受的最低输送温度通常为80℃至120℃。通过本区域能量分配系统，结合冬季和夏季(即，高热负荷时期和低热负荷时期)之间的温度的固有波动，地热能系统可以用作大的地热存储。更准确地说，在低热负荷时期的夏季期间，热可以传递到地热热源。同样，在高热负荷时期的冬季期间，可以提取热。因此，当加热的水的输送温度低于15℃至30℃时，也可以继续使用形成部分地热源的基岩，但随后可以作为季节存储。因此，通过所提供的区域能量分配系统，地热源的其它固有的有限工作寿命将不再适用。

地热热源可以是深层地热热源。

膨胀器可以是燃气轮机。作为非限制性示例，燃气轮机可为蒸汽轮机。

膨胀器可构造成允许过热工作介质膨胀以接收10℃至40℃的流出温度。

锅炉可构造成使来自冷凝器的液化工作介质过热。

地热发电站还可包括发电机，该发电机构造成将机械功转换成电能。

地热热源可被构造成将经由返回管道返回的冷却水地热加热至100℃至250℃的温度

第一回路可进一步包括抽吸泵，该抽吸泵被构造成将地热加热的水从地热热源抽吸到供给管道，并且对地热加热的水加压，使得其在供给管道中处于液相。

锅炉可以被构造成从地热加热的水的输入流交换热，使得返回管道中的冷却水具有10℃至40℃的温度。

当平行布置在地下时，区域供给管道可以与区域返回管道一起具有大于2.5W/(mK)的传热系数。该传热系数值是在局部供给管道和局部返回管道在平均年温度为8℃的地下彼此相距一米的距离内平行布置并且局部供给管道和局部返回管道的算术平均温度为8℃至10℃的情况下估计的。由此，来自周围环境的热可以被局部供给管道和/或局部返回管道获得。此外，廉价的非绝热塑料管可用于局部供给管道和/或局部返回管道。此外，周围环境的热能可以容易地被在局部返回管道中流动的局部热传递流体吸收。

区域供给管道可构造成允许第一温度的热传递流体从其中流过，并且其中区域返回管道可构造成允许第二温度的热传递流体从其中流过，其中第二温度低于第一温度，并且其中，每个局部加热系统可包括：热能消耗热交换器，其经由热能消耗阀选择性地连接到区域供给管道以允许来自区域供给管道的热传递流体流入热能消耗热交换器，经由热能消耗泵选择性地连接到区域供给管道以将热传递流体从热的管道泵送到热能消耗热交换器，并且连接到区域返回管道以允许热传递流体从热能消耗热交换器返回到区域返回管道，其中，热能消耗热交换器可布置成将热能从热传递流体传递到热能消耗热交换器的周围环境，使得返回到冷的管道的热传递流体具有低于第一温度的温度，并且优选地具有等于第二温度的温度；压力差确定装置，其被构造成确定区域供给管道和区域返回管道之间的局部压力差ΔP1；以及控制器，其被构造成基于所述局部压力差选择性地控制所述热能消耗阀或所述热能消耗泵的使用。

措词"选择性地连接"应被解释为所涉及的热交换器在某一个时间点经由泵或经由阀与相应的管道流体连接。因此，可以选择所涉及的热交换器是否应经由泵或经由阀与相应的导管流体连接。

措词"阀"应被解释为一种装置，其被构造成当阀处于打开状态时以受控方式允许热传递流体流过阀。此外，阀还可布置成使得可控制通过阀的热传递流体的流率。因此，阀可以是布置成用于调节通过阀的热传递流体的流量的调节阀。

措词"泵"应被解释为一种装置，其被构造成在泵处于主动泵送状态时以受控方式允许热传递流体被泵送通过泵。此外，泵还可布置成使得可控制通过泵的热传递流体的流率。

泵和阀可以一起看作选择性地用作泵或阀的流量调节器。措词“选择性地用作泵或阀”应被解释为流量控制器在某一个时间点用作泵，而在另一个时间点用作阀。这种流量调节器在专利申请EP16205021.5中有描述。

区域热能分配系统允许区域供给管道和区域返回管道(即，热管道和冷管道)的热传递流体之间的局部压力差沿着热能回路变化。特别地，从管道之一看，区域供给管道和区域返回管道的热传递流体之间的局部压力差可从正压力差变化到负压力差。区域热能分配系统还允许在局部热能消耗/产生组件中进行系统内的所有泵送的可能性。由于所需的流量和压力有限，因此可以使用小频率控制循环泵。因此，提供了一种易于构建的区域热能分配系统。此外，提供了一种易于控制的区域热能分配系统。

区域热能分配系统的基本思想基于发明人的以下认识：即，现代城市由他们自己提供可以在城市内再利用的热能。再利用的热能可以由区域热能分配系统获得，并且可以用于例如空间加热或热自来水制备。此外，在区域热能分配系统内也将处理对空间冷却的不断增长的需求。在该区域热能分配系统内，城市内的建筑物是互连的，并且可以以容易和简单的方式为不同的当地需求重新分配低温废能。其中，区域热能分配系统将提供：

·由于城市内部能量流的最佳再利用而最小化主要能量的使用。

·限制了对城市内部烟囱或燃烧场所的需求，因为将减少对局部燃烧气体或其它燃料的需求。

·限制了对城市内部冷却塔或冷却换流器的需求，因为由冷却装置产生的多余热可在区域热能分配系统内转移并再利用。

因此，使用地热能的区域热能分配系统提供了城市内热能的智能双重使用。当集成到城市中时，区域热能分配系统在城市内的加热和冷却应用中都利用低水平的热能浪费。这将通过消除对城市中的燃气网或区域供热网和冷却网的需求而减少城市的主要能量消耗。

控制器可以被构造成当局部压力差指示区域供给管道的热传递流体的局部压力大于区域返回管道的热传递流体的局部压力时，选择性地使用热能消耗阀，其中，控制器可以被构造成当第一局部压力差指示区域供给管道的热传递流体的第一局部压力低于或等于区域返回管道的热传递流体的第一局部压力时，选择性地使用热能消耗泵。

多个局部加热系统中的每一个可以被构造成从经由入口进入局部加热系统的热传递流体中提取热并经由出口将此后冷却的热传递流体返回到区域返回管道，其中多个局部加热系统中的每一个可被构造成返回具有-5℃至15℃范围内的温度的局部热传递流体。通过传导具有在该温度范围内的温度的局部热传递流体，可以减小到周围环境的热损失。此外，周围环境的热能甚至可以被在局部返回管道中流动的局部热传递流体吸收。区域返回管道的周围环境通常是地面，因为区域返回和供给管道通常沿它们的大部分路径布置在地面中。

区域供给管道和区域返回管道的尺寸可以设计成用于高达0.6MPa、1MPa或1.6MPa的压力。

锅炉可以包括在第一回路和第二回路中串联连接的多个热交换器。从第一回路的流动方向上看，锅炉可包括过热器、锅炉和节热器。第一回路和第二回路中的流作为两个逆流通过锅炉。

供给管道可以被构造成允许第一温度的热传递流体从其中流过，并且返回管道可以被构造成允许第二温度的热传递流体从其中流过，其中第二温度可以低于第一温度。

第一局部压力差和第二局部压力差可设置为至多±0.2MPa、±0.3MPa或±0.6MPa，这取决于所选择的尺寸压力。

区域供给管道和区域返回管道的温度之间的温差可以在5℃至16℃的范围内，优选在7℃至12℃的范围内，更优选在8℃至10℃的范围内。

根据另一方面，提供了一种提供机械功并加热区域热能回路的热传递流体的方法。该方法包括：向连接到地热热源的锅炉供应来自地热热源的地热加热的水流；通过锅炉的热交换器，从地热加热的水的输入流交换热以使工作介质过热；在膨胀器中，膨胀过热工作介质以提供机械功；以及在冷凝器处，通过将区域热能回路中的区域供给管道的热传递流体加热到5℃至30℃的温度，将膨胀的工作介质转变成液相。

本发明的进一步的应用范围将从下面给出的详细描述中变得显而易见。然而，应理解，详细描述和具体示例虽然指示了本发明的优选实施例，但仅以说明的方式给出，因为根据该详细描述，本发明范围内的各种改变和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。

因此，应当理解，本发明不限于所描述的设备的特定组成部分或者所描述的方法的步骤，因为这样的设备和方法可以变化。还应理解，本文所用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而不是限制性的。必须注意，如在说明书和所附权利要求中所使用的，冠词“一”、“一个”、“该(the)”和“所述”旨在表示存在一个或多个元素，除非上下文清楚地另外指示。因此，例如，对“一个单元”或“该单元”的引用可以包括若干设备等。此外，词语“包括”、“包含”、“含有”和类似词语不排除其它元件或步骤。

附图说明

现在将参考示出本发明实施例的附图更详细地描述本发明的这些和其它方面。提供附图以说明本发明的实施例的一般结构。相同的附图标记始终表示相同的元件。

图1是能量分配系统的示意图。

图2是局部加热系统的示意图。

图3是组合的加热和冷却系统的示意图。

图4是连接到热能回路的局部热能消耗组件和局部热能产生组件的示意图。

图5是提供机械功并加热区域热能回路的热传递流体的方法的框图。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于这里阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，并且向技术人员充分传达本发明的范围。

结合图1，将讨论能量分配系统。能量分配系统包括具有第一回路和第二回路的地热能设备(geothermal energy plant)50，第一回路和第二回路经由锅炉51互连。第一回路和第二回路的流被布置为通过锅炉51的两个逆流。第一回路连接到地热热源系统5，并且第二回路连接到区域热能回路20。

从地热热源系统5开始，该地热热源系统5包括地热热源10。地热热源10经由供给管道11和返回管道12与地热能设备50的第一回路连通。为了促进循环流动，供给管道11包括抽吸泵13，该抽吸泵13将加热的水从基岩抽吸到第一回路中。抽吸泵13被构造成将地热加热的水从地热热源10抽吸到供给管道11，并且对地热加热的水加压以使得其在供给管道11中处于液相。

返回管道12包括泵14，该泵14迫使冷水从第一回路返回到地热热源10中。地热热源10可构造成将经由返回管道12返回的冷却水地热加热到100℃至250℃的温度。

地热热源系统5可以是深层地热热源系统。深层地热热源系统应理解为提供进入大于3km，优选大于5km深度的系统。

如上所述，地热能设备50包括通过锅炉51互连的第一回路和第二回路。从第一回路开始，其包括用于从地热热源10到锅炉51的地热加热水的输入流的供给管道11。锅炉51形成热交换器，在图1所示的实施例中，该热交换器被分成串联连接的三个单元——过热器52a、锅炉52b和节热器52c。锅炉51被构造成从第一回路中的地热加热水的输入流交换热，使得从锅炉51经由返回管道12返回到地热热源10的冷却水具有10℃至40℃的温度。在图1所示的实施例中，锅炉包括三个不同的热交换器单元52a、52b、52c，然而，应当认识到，可以使用任何数量的热交换器单元来配合锅炉52的特定设置。

现在转到地热能设备50的第二回路，第二回路包括锅炉51、连接到锅炉51的膨胀器53和冷凝器55。

具有其交换器单元52a、52b、52c的锅炉51被构造成从第一回路中的地热加热的水的输入流交换热，从而使地热能设备50的第二回路的工作介质过热。第二回路的工作介质例如可以是水、氨水、油或丙烷。

与锅炉51连接的膨胀器53被构造成允许过热的工作介质膨胀并且将膨胀转换成机械功。膨胀器53可以是涡轮，例如燃气涡轮。替代地，膨胀器53可以是斯特林(Sterling)电机。膨胀器53可被构造成允许过热的工作介质膨胀以接收10℃至40℃的流出温度。

膨胀器53可连接到发电机54，从而由膨胀器53提供的机械功可转化成电能。电能可以被供应到电网(未示出)，这在本领域中是公知的。

冷凝器55被构造成将第二回路的膨胀的工作介质转化成液相。冷凝器55还被构造成对区域热能回路20的热传递流体进行加热。

如上所述，第一回路和第二回路的流被布置为经过锅炉51的两个逆流。在第一回路中，来自供给管道11的热水流通过经过锅炉51的(一个或多个)热交换器单元(例如过热器52a、锅炉52b和节热器52c)而经过锅炉51，然后作为冷却水经由返回管道12返回到地热热源系统5。同样，在第二回路中，从冷凝器55输送的冷却的液化工作介质流被布置成经由一个或多个热交换器单元(例如，锅炉51的节热器52c、锅炉52b，然后是过热器52a)朝向膨胀器53经过锅炉51。因此，锅炉51可以看作热交换器。

地热能设备50的第二回路经由冷凝器55连接到区域热能回路20。

区域热能回路20包括区域供给管道22和区域返回管道23。区域供给管道22连接到冷凝器55的出口，并且区域返回管道23连接到冷凝器55的出口。区域热能回路20被构造成将热传递流体递送至布置在建筑物40中的局部加热系统200、250和/或局部冷却系统300、350。建筑物可以是住宅，但也可以是其它类型的建筑物40，例如办公楼、商业建筑物和需要加热和/或冷却的工厂。应当理解，区域热能回路可以包括多个局部加热系统200、250和/或局部冷却系统300、350。

冷凝器55被构造成在区域供给管道22中经由区域供给回路22将热从热传递流体的输入流交换到热传递流体的输出流。冷凝器55被构造成交换热，使得热传递流体的输出流具有5℃至30℃的温度。此外，冷凝器55可被构造成交换热，使得返回到区域返回管道23的区域热传递流体具有5℃至10℃的温度。通过使该低温的热传递流体返回，在冷凝器55中进行的冷却可以高达大约100℃(取决于通过区域供给管道22供给的进入的热传递流体的温度)。在冷凝器55中执行的这种高度冷却将减少区域加热网中的热损失。此外，这将降低区域加热网中所需的泵送程度。

用于区域热能回路20中的区域供给管道22和区域返回管道23的管道通常是塑料的非绝热管道。在此上下文中，非绝热应被解释为使得管道不具有包裹在其周围的隔热材料的额外层。管道通常设计成最大压力为0.6MPa至1MPa。管道还通常设计成最高温度为约50℃。此外，当并联布置在地面中时，区域热能回路20中的区域供给管道22和区域返回管道23可一起具有大于2.5W/mK的传热系数。如上所述，传热系数的该值在如下情况下估计：区域供给管道22和区域返回管道23在平均年温度为8℃的地面中彼此相距一米的距离内平行布置并且局部供给和返回管道的算术平均温度为8℃至10℃。

热传递流体以及因此的能量载体通常是水，尽管可以理解的是，也可以使用其它流体或流体混合物。一些非限制性的示例是氨水、防冻液(例如乙二醇)、油和乙醇。混合物的非限制性示例是水，其中添加有防冻液，例如乙二醇。根据优选实施例，热传递流体是水和防冻剂(例如乙二醇)的混合物。这将允许热传递流体具有低于0℃的温度。提供具有低于0℃(优选低于-5℃)的凝固点的热传递流体使得可以在区域返回管道23中传导热传递流体，该热传递流体可以从周围环境(例如区域返回管道23周围的地面)吸收热，即使周围环境具有接近0℃的温度。

现在参考图2，将更详细地讨论局部加热系统200。区域热能回路20可以包括一个或多个这种类型的局部加热系统200。

局部加热系统200包括热泵201和散热器202。散热器202经由热泵202连接到局部能量分配网20a。局部加热系统200被构造成经由散热器202和局部热泵201向相应建筑物40提供热的自来水和/或舒适加热。局部热泵201具有连接到区域供给管道22的入口25和连接到区域返回管道23的出口26。在上下文中，术语“热泵的入口”将被解释为经由其向热泵供给来自区域热能回路20的局部热传递流体的入口。同样地，术语“热泵的出口”将被解释为经由其热泵将局部热传递流体返回到区域热能回路20的出口。

这种热泵在本领域中是公知的，并且基本上包括闭合回路，在该闭合回路中，盐水在第一热交换器和第二热交换器之间循环。第一热交换器具有入口和出口，在这种情况下，入口和出口为局部热泵201的入口25和出口26，局部热泵201经由该入口和出口连接到使第一流体流循环的第一回路，在这种情况下，第一流体流为区域热能回路20的热传递流体。同样，第二热交换器具有入口和出口，局部热泵201经由该入口和出口连接到使第二流体流循环的第二回路，在这种情况下，第二流体流是散热器202的加热流体。散热器202的加热流体通常是水，但是应当理解，可以使用其它流体或流体混合物。一些非限制性的示例是氨水、防冻液(例如乙二醇)、油和乙醇。混合物的非限制性示例是水，其中添加有防冻剂，例如乙二醇。

由于区域供给管道22中的热传递流体流具有5℃至30℃的温度，所以局部热泵201的输入温度处于相同的温度范围内。局部加热系统200被构造成从经由入口25进入局部热泵201的热传递流体中提取热，并经由出口26将热传递流体返回到区域返回管道23。局部加热系统200被构造成使温度在-5℃至15℃范围内的局部热传递流体返回。

局部加热系统200可进一步包括局部循环泵203。在图2所示的实施例中，局部循环泵203布置在局部热泵24的出口26中。然而，局部循环泵28可以替代地布置在局部热泵201的入口25中。因此，局部循环泵203连接在局部加热系统200的入口25和出口26之间。局部循环泵203被构造成使热传递流体在区域供给管道22和区域返回管道23中循环。局部循环泵203被构造成克服区域返回管道23和区域供给管道22之间的压力差。局部循环泵203还被构造成调节流过局部热泵201的热传递流体的流动。通过调节通过局部热泵201的冷却流体的流动，并且同时可选地控制局部热泵201的操作，可以控制从局部热泵201输出的局部热传递流体的温度。

因此，区域热能系统20的局部加热系统200中的一些或全部可包括用于使热传递流体在区域供给管道22和区域返回管道23中循环的局部循环泵203。另外，或与多个局部循环泵203组合，区域热能回路20可包括中央循环泵27，其被构造成使流体在区域供给管道22和区域返回管道23中循环。中央循环泵27在图1中最佳地示出。

局部热泵201可由控制器204控制。控制器204可基于与散热器202的加热需求有关的数据和/或与局部热泵201的出口26中的热传递流体的温度有关的数据来控制局部热泵201。与散热器202的加热需求有关的数据可以借助于连接到散热器202的热需求传感器205来确定。与热泵201的出口26中的局部热传递流体的温度有关的数据可借助于连接到出口26的温度传感器T1来确定。

现在参考图3，将更详细地讨论局部冷却系统300。区域热能回路20可包括一个或多个局部加热系统300。

应当注意，局部冷却系统300与局部加热系统200结合布置。局部加热系统200是上面参考图2所讨论的类型的局部加热系统。为了避免关于局部加热系统200的不适当的重复，参考以上内容。

每个局部冷却系统300包括冷却器301和冷却热交换器302。冷却器301在本领域中是公知的，并且可以用于例如建筑物(例如办公楼、商业建筑、住宅和需要冷却的工厂)中的舒适冷却。冷却器301经由冷却热交换器302连接到区域热能回路20。局部冷却系统300被构造成经由冷却器301和冷却热交换器302向相应建筑物40提供舒适冷却。因此，局部冷却系统300被构造成从建筑物40提取热。

冷却热交换器302具有连接到多个局部加热系统200中的一个的出口26的入口303。冷却热交换器302还具有连接到区域热能回路20的区域返回管道23的出口304。在上下文中，术语“热交换器的入口”将被解释为热交换器经由其被供给来自区域热能回路20的局部热传递流体的入口。同样，术语"热交换器的出口"应被解释为热交换器经由其将局部热传递流体返回到区域热能回路20的出口。

如上所述，冷却器301经由冷却热交换器302连接到区域热能回路20。参考上述内容，这种热交换器在本领域中是公知的，并且基本上可以描述为包括循环具有第一温度的第一流体的第一闭合回路和循环具有第二温度的第二流体的第二闭合回路的布置。通过沿着延伸部的两个回路彼此紧密邻接，在两种流体之间发生热传递。在局部冷却系统300中，第一回路局部地布置在建筑物40中，而第二回路形成区域热能回路20的一部分。用于建筑物的局部冷却系统的冷却器通常位于通风的空气管道中，或者通过风扇驱动的空气盘管收集器或安装在天花板上的冷却电池分布在建筑物的各个空间中。

局部冷却系统300可进一步包括流量阀305。流量阀305被构造成调节流过冷却热交换器302的局部热传递流体的流。通过调节通过冷却热交换器302的热传递流体的流，并且同时可选地控制冷却热交换器302的操作，可以控制从冷却热交换器302输出的局部热传递流体的温度。流量阀305可由第二控制器306控制。第二控制器306可基于与冷却器301的冷却需求有关的数据和/或与局部加热系统200的出口26中的局部热传递流体的温度有关的数据和/或与局部冷却系统300的出口304中的局部热传递流体的温度有关的数据来控制流量阀305。与冷却器301的冷却需求有关的数据可以借助于连接到冷却器301的冷却需求传感器307来确定。与局部加热系统200的出口304中的热传递流体的温度有关的数据可借助于上述温度传感器T1来确定。与局部冷却系统300的出口304中的局部热传递流体的温度有关的数据可借助于连接到出口304的温度传感器T2来确定。

现在再转到图1，区域热能回路20还可以包括局部加热系统250和/或局部冷却系统350。

区域热能回路20可以包括一个或多个局部加热系统250和/或一个或多个局部冷却系统350。局部加热系统250可以布置在建筑物40中。局部冷却系统350可以布置在建筑物40中。局部加热系统250经由入口25连接到区域供给管道22，并且经由出口26连接到区域供给管道23。局部冷却系统350经由入口25连接到区域返回管道23，并且经由出口26连接到区域供给管道22。

现在转到图4，将讨论局部加热系统250。局部加热系统250可以被看作热能消耗组件。区域热能回路20可以包括一个或多个热能消耗组件。

局部加热系统250包括热能消耗热交换器251、热能消耗阀252、热能消耗泵253、第一压力差确定装置254和第一控制器255。

热能消耗热交换器251经由热能消耗阀252和热能消耗泵253选择性地连接到作为热管道的区域供给管道22。在选择经由热能消耗阀252将热能消耗热交换器251连接到区域供给管道22时，允许来自区域供给管道22的热传递流体流入热能消耗热交换器251。在选择经由热能消耗泵253将热能消耗热交换器251连接到区域供给管道22时，来自区域供给管道22的热传递流体被泵送到热能消耗热交换器251中。如将在下面更详细地讨论的，基于区域供给管道22和区域返回管道23之间的局部压力差，进行允许热传递流体从区域供给管道22流入热能消耗热交换器251或将热传递流体从区域供给管道22泵送到热能消耗热交换器251中的选择。

热能消耗阀252和热能消耗泵253可以布置成单独的装置。热能消耗阀252和热能消耗泵253可以布置成单个装置，其在发明内容部分中被称为流量调节器。热能消耗阀252和热能消耗泵253可以并联布置，如图4所示。热能消耗阀252和热能消耗泵253可以串联布置。在其中热能消耗阀252和热能消耗泵253串联布置的最后的实施例中，泵布置成设置在非活动状态，从而允许热传递流体流过其中。

热能消耗装置热交换器251还连接到作为冷管道的区域返回管道23，以允许热传递流体从热能消耗热交换器251返回到区域返回管道23。

第一压力差确定装置254适于确定区域热能回路20的第一局部压力差ΔP1。优选地，在热能消耗热交换器251连接到区域热能回路20的位置附近测量第一局部压力差。第一压力差确定装置254可包括第一热管道压力确定装置254a和第一冷管道压力确定装置254b。第一热管道压力确定装置被布置成连接到区域供给管道22，用于测量区域供给管道22的热传递流体的第一局部压力。第一冷管道压力确定装置被布置成连接到区域返回管道23，用于测量区域返回管道23的热传递流体的第一局部压力。第一局部压力差装置254布置成将第一局部压力差确定为区域供给管道22的热传递流体的第一局部压力与区域返回管道23的热传递流体的第一局部压力之间的压力差。因此，第一局部压力差可被限定为区域供给管道22的热传递流体的第一局部压力与区域返回管道23的热传递流体的第一局部压力之间的局部压力差。优选地，在热能消耗热交换器251连接到区域供给管道22的位置附近测量区域供给管道22的热传递流体的第一局部压力。优选地，在热能消耗热交换器251连接到区域返回管道23的位置附近测量区域返回管道23的热传递流体的第一局部压力。

第一压力差确定装置254可实施为硬件装置、软件装置或其组合。第一压力差确定装置254布置成将第一局部压力差ΔP1传送到第一控制器255。

第一控制器255可实施为硬件控制器、软件控制器或其组合。第一控制器255被布置成选择性地控制热能消耗阀252或热能消耗泵253的使用。第一控制器255被布置成基于由第一压力差确定装置254提供的第一局部压力差来执行选择性控制。第一控制器255被布置成与热能消耗阀252和热能消耗泵253连通，以控制热能消耗阀252和热能消耗泵253。第一控制器255被布置成当第一局部压力差指示区域供给管道22的热传递流体的第一局部压力大于区域返回管道23的热传递流体的第一局部压力时选择性地控制热能消耗阀252的使用。第一控制器255被布置成当第一局部压力差指示区域供给管道22的热传递流体的第一局部压力低于或等于区域返回管道23的热传递流体的第一局部压力时选择性地控制热能消耗泵253的使用。

热能消耗热交换器251被布置成将热能从热传递流体传递到热能消耗热交换器251的周围环境。返回到区域返回管道23的热传递流体具有低于第一温度的温度。优选地，热能消耗热交换器251被控制为使得返回到区域返回管道23的热传递流体的温度等于第二温度。

再次转到图4，将讨论局部冷却系统350。局部冷却系统350可被看作热能产生器组件。区域热能回路20可包括一个或多个热能产生器组件。

局部冷却系统350包括热能产生器热交换器351、热能产生器阀252、热能产生器泵353、第二压力差确定装置354和第二控制器355。

热能产生器热交换器351经由热能产生器阀352和热能产生器泵353选择性地连接到区域返回管道23。在选择经由热能产生器阀352将热能产生器热交换器351连接到区域返回管道23时，允许来自区域返回管道23的热传递流体流入热能产生器热交换器351。在选择经由热能产生器泵353将热能产生器热交换器351连接到区域返回管道23时，来自区域返回管道23的热传递流体被泵送到热能产生器热交换器351中。如将在下面更详细地讨论的，基于区域供给管道22和区域返回管道23之间的局部压力差，进行允许热传递流体从区域返回管道23流入热能产生器热交换器351或将热传递流体从区域返回管道23泵送到热能产生器热交换器351中的选择。

热能产生器阀352和热能产生器泵353可以布置为单独的装置。热能产生器阀352和热能产生器泵353可以被布置为单个装置，其在发明内容部分中被称为流量调节器。热能产生器阀352和热能产生器泵353可以并联布置，如图4所示。热能产生器阀352和热能产生器泵353可以串联布置。在其中热能产生阀352和热能产生器泵353串联布置的最后的实施例中，泵布置成设置在非活动状态，从而允许热传递流体流过其中。

热能产生器热交换器351还连接到区域供给管道22，以允许热传递流体从热能产生器热交换器351返回到区域供给管道22。

第二压力差确定装置354适于确定区域热能回路20的第二局部压力差ΔP2。优选地，在热能产生器热交换器351连接到区域热能回路20的位置附近测量第二局部压力差。第二压力差确定装置354可包括第二热管道压力确定装置354a和第二冷管道压力确定装置354b。第二热管道压力确定装置被布置成连接到区域供给管道22，用于测量区域供给管道22的热传递流体的第二局部压力。第二冷管道压力确定装置354b被布置成连接到区域返回管道23，用于测量区域返回管道23的热传递流体的第二局部压力。第二局部压力差装置354布置成将第二局部压力差确定为区域供给管道22的热传递流体的第二局部压力与区域返回管道23的热传递流体的第二局部压力之间的压力差。因此，第二局部压力差可被限定为区域供给管道22的热传递流体的第二局部压力与区域返回管道23的热传递流体的第二局部压力之间的局部压力差。优选地，在热能产生器热交换器351连接到区域供给管道22的位置附近测量区域供给管道22的热传递流体的第二局部压力。优选地，在热能产生器热交换器351连接到区域返回管道23的位置附近测量区域返回管道23的热传递流体的第二局部压力。

第二压力差确定装置354可实施为硬件装置、软件装置或其组合。第二压力差确定装置354布置成将第二局部压力差ΔP2传送到第二控制器355。

第二控制器355可实施为硬件控制器、软件控制器或其组合。第二控制器355被布置成选择性地控制热能产生器阀352或热能产生器泵353的使用。第二控制器355被布置成基于由第二压力差确定装置354提供的第二局部压力差来执行选择性控制。第二控制器355被布置成与热能产生器阀352和热能产生器泵353连通，以控制热能产生器阀352和热能产生器泵353。第二控制器355被布置成当第二局部压力差指示区域返回管道23的热传递流体的第二局部压力大于区域供给管道22的热传递流体的第二局部压力时，选择性地控制热能产生器阀352的使用。第二控制器355被布置成当第二局部压力差指示区域返回管道23的热传递流体的第二局部压力低于或等于区域供给管道22的热传递流体的第二局部压力时，选择性地控制热能产生器泵353的使用。

热能产生器热交换器351布置成将热能从其周围环境传递到热传递流体。返回到区域供给管道22的热传递流体具有高于第二温度的温度。优选地，热能产生器热交换器351被控制为使得返回到区域供给管道22的热传递流体的温度等于第一温度。

在图4所示的实施例中，第一压力差确定装置254和第二压力差确定装置354是两个物理上不同的压力差确定装置。然而，根据另一实施例，一个特定的局部热能消耗组件250和一个特定的局部热能产生器组件350可共享同一个压力差确定装置。因此，第一压力差确定装置254和第二压力差确定装置354在物理上可以是相同的压力差确定装置。根据另一实施例，两个特定的局部热能消耗组件250可共享同一个压力差确定装置。根据又一实施例，两个特定的局部热能产生器组件350可共享同一个压力差确定装置。

在图4所示的实施例中，第一控制器255和第二控制器355是两个物理上不同的控制器。然而，根据另一实施例，一个特定的局部热能消耗组件250和一个特定的局部热能产生器组件350可共享同一个控制器。因此，第一控制器255和第二控制器355可以是物理上相同的控制器。根据另一实施例，两个特定的局部热能消耗组件250可共享同一个控制器。根据又一实施例，两个特定的局部热能产生器组件350可共享同一个控制器。

优选地，使用热能消耗热交换器251和热能产生器热交换器351吸入或发出热的需求在限定的温差下进行。8℃至10℃的温差对应于通过热能消耗热交换器251和热能产生器热交换器351的最佳流。

区域供给管道22和区域返回管道23之间的局部压力差可沿着区域热能回路20变化。特别地，从区域供给管道22或区域返回管道23中的一个看到，区域供给管道22和区域返回管道23之间的局部压力差可从正压力差变化到负压力差。因此，有时特定的局部热能消耗/产生器组件250、350可能需要泵送热传递流体通过相应的热能消耗/产生器热交换器251、351，并且有时特定的局部热能消耗/产生器组件250、350可能需要让热传递流体流过对应的热能消耗/产生器热交换器251、351。因此，可以使系统内的所有泵送在局部热能消耗/产生器组件250、350中进行。由于所需的流和压力有限，因此可以使用小的频率控制循环泵。

热能消耗泵253和/或热能产生器泵353例如可以是频率控制循环泵。

热能消耗阀252和/或热能产生器阀352可以是调节阀。

参考图5，公开了一种提供机械功并加热区域热能回路20的热传递流体的方法。该方法包括以下动作中的一个或多个。这些动作可以以任何适当的顺序执行。

S500：将地热加热的水流从地热热源10供应到连接到地热热源10的锅炉51。

S502：从地热加热的水的输入流交换热以使工作介质过热。通过锅炉51的热交换器52a、52b、52c从地热加热的水的输入流交换热。

S504：在膨胀器中，膨胀过热的工作介质以提供机械功。机械功可以被传递到发电机以将机械功转换成电能。电能可以例如被供应到电网。

S506：在冷凝器55处，通过将区域热能回路20中的区域供给管道22的热传递流体加热到5℃至30℃的温度，将膨胀的工作介质转变成液相。

局部热传递流体流在区域热能分配系统20中经由区域供给管道22循环至布置在建筑物40中的局部加热或冷却系统200、250、300、350，然后经由区域返回管道23返回到冷凝器55。优选地，使用多个局部循环泵28或通过中央循环泵27来执行循环动作。

可以在多个建筑物40中的每一个中的局部加热系统200、250处从在局部供给管道22中流动的局部热传递流体中提取热。所提取的热可以用于向相应建筑物40提供热的自来水和/或舒适加热。而且，可以在冷却系统300、350处从多个建筑物40中的一个提取热。

本领域技术人员认识到，本发明决不限于上述优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内，许多修改和变化是可能的。

例如，在图3所示的实施例中，流量阀305被布置在冷却热交换器302的出口304中。然而，流量阀305可以替代地布置在冷却热交换器302的入口303中。

在图3所示的实施例中，第一控制器204和第二控制器306被示为单独的控制器。然而，可替换地，第一控制器204和第二控制器306可以被组合为单个控制器。

在图1所示的实施例中，中央循环泵27被示为位于到冷凝器55的入口处。然而，可以认识到，中央循环泵27可布置在区域热能回路20内的任何位置。

在图3所示的实施例中，经由冷却热交换器302的出口304离开局部冷却系统300的局部热传递流体被供给到区域返回管道23。然而，替代地或组合地，经由出口304离开局部冷却系统300的热传递流体可被供给到区域供给管道22。经由出口304离开局部冷却系统300的热传递流体的供给可由第二控制器306控制。对经由出口304离开局部冷却系统300的热传递流体到区域供给管道22和/或区域返回管道23的供给的控制可基于由第二传感器T2监控的温度。

此外，加热和冷却系统已经分别以一个温度传感器T1或两个温度传感器T1至T2为例。应当理解，温度传感器的数量和它们的位置可以改变。还应当理解，根据对第一控制器204和第二控制器306的期望输入和期望复杂度，可以将附加传感器引入系统。特别地，第一控制器204和第二控制器306可以被布置成与在建筑物40中本地布置的散热器202和/或冷却器301连通，以考虑本地设置。

另外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的变型。

Claims (15)

1.一种区域能量分配系统，包括：

地热发电站(50)，其包括：

第一回路，其包括：

用于来自地热热源(10)的地热加热的水的进入流的供给管道(11)；

锅炉(51)，其包括热交换器(52a、52b、52c)，所述热交换器被构造成从地热加热的水的输入流交换热以使所述地热发电站(50)的第二回路的工作介质过热；

用于冷却水从所述锅炉(51)到所述地热热源(10)的返回流的返回管道(12)；

其中，所述第二回路包括：

所述锅炉(51)，其被构造成使所述第二回路的工作介质过热；

膨胀器(53)，其与所述锅炉(51)连接并且被构造成使过热的工作介质膨胀，并将膨胀转换成机械功；和

冷凝器(55)，其被构造成将膨胀的工作介质转变成液相，并对区域热能回路(20)的热传递流体进行加热；

其中，所述区域热能回路(20)包括：

区域供给管道(22)；

区域返回管道(23)；

多个局部加热系统(200、250)，每个局部加热系统具有连接到所述区域供给管道(22)的入口(25)和连接到所述区域返回管道(23)的出口(26)，其中，每个局部加热系统(200；250)被构造成向建筑物(40)提供热水和/或舒适加热；和

冷凝器(55)，其被构造成将所述区域供给管道(22)的热传递流体加热到5℃至30℃的温度。

2.根据权利要求1所述的区域能量分配系统，其中，所述地热热源(10)为深层地热热源。

3.根据权利要求1或2所述的区域能量分配系统，其中，所述膨胀器(53)是燃气轮机。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的区域能量分配系统，其中，所述膨胀器(53)被构造成允许过热的工作介质膨胀以接收10℃至40℃的流出温度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的区域能量分配系统，其中，所述锅炉(51)被构造成使来自所述冷凝器(55)的液化的工作介质过热。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的区域能量分配系统，其中，所述地热发电站(50)还包括发电机(54)，所述发电机被构造成将机械功转换成电能。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的区域能量分配系统，其中，所述地热热源(10)被构造成将经由所述返回管道(12)返回的冷却水地热加热至100℃至250℃的温度。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的区域能量分配系统，其中，所述第一回路还包括抽吸泵(13)，所述抽吸泵被构造成将来自所述地热热源(10)的地热加热的水抽吸到所述供给管道(11)，并且对所述地热加热的水加压，使得所述地热加热的水在所述供给管道(11)中处于液相。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的区域能量分配系统，其中，所述锅炉(51)被构造成从地热加热的水的输入流交换热，使得所述返回管道(12)中的冷却水具有10℃至40℃的温度。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的区域能量分配系统，其中，当并联布置在地面中时，所述区域供给管道(22)与所述区域返回管道(23)一起具有大于2.5W/(mK)的传热系数。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的区域能量分配系统，其中，所述区域供给管道(22)被构造成允许第一温度的热传递流体从所述区域供给管道流过，并且其中，所述区域返回管道(23)被构造成允许第二温度的热传递流体从所述区域返回管道流过，其中，所述第二温度低于所述第一温度，并且其中，所述局部加热系统(200；250)中的每一个包括：

热能消耗热交换器(251)，其经由热能消耗阀(252)选择性地连接到所述区域供给管道(22)以允许来自所述区域供给管道(22)的热传递流体流入所述热能消耗热交换器(251)，经由热能消耗泵(253)选择性地连接到所述区域供给管道(22)以将来自所述区域供给管道(22)的热传递流体泵送到所述热能消耗热交换器(251)，并且连接到所述区域返回管道(23)以允许来自所述热能消耗热交换器(251)的热传递流体返回到所述区域返回管道(23)，其中，所述热能消耗热交换器(251)被布置成将热能从热传递流体传递到所述热能消耗热交换器(251)的周围环境，使得返回到所述区域返回管道(23)的热传递流体具有低于所述第一温度的温度，并且优选地具有等于所述第二温度的温度；

压力差确定装置(254)，其被构造成确定所述区域供给管道(22)和所述区域返回管道(23)之间的局部压力差ΔP1；和

控制器(255)，其被构造成基于所述局部压力差选择性地控制所述热能消耗阀(252)或所述热能消耗泵(253)的使用。

12.根据权利要求11所述的区域能量分配系统，

其中，所述控制器(255)被构造成：当所述局部压力差指示所述区域供给管道(22)的热传递流体的局部压力大于所述区域返回管道(23)的热传递流体的局部压力时，选择性地使用所述热能消耗阀(252)，

其中，所述控制器(255)被构造成：当所述第一局部压力差指示所述区域供给管道(22)的热传递流体的第一局部压力低于或等于所述区域返回管道(23)的热传递流体的第一局部压力时，选择性地使用所述热能消耗泵(253)。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的区域能量分配系统，其中，所述多个局部加热系统(200；250)中的每一个被构造成从经由所述入口(25)进入所述局部加热系统(200；250)的热传递流体中提取热，并且将此后冷却的热传递流体经由所述出口(26)返回到所述区域返回管道(23)，其中，所述多个局部加热系统(200；250)中的每一个被构造成返回具有-5℃至15℃范围内的温度的局部热传递流体。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述区域供给管道(22)的尺寸和所述区域返回管道(23)的尺寸被确定为用于高达0.6MPa、1MPa或1.6MPa的压力。

15.一种提供机械功并加热区域热能回路(20)的热传递流体的方法，该方法包括：

将来自地热热源(10)的地热加热的水流供应给连接到所述地热热源(10)的锅炉(51)；

通过所述锅炉(51)的热交换器(52a、52b、52c)，从地热加热的水的输入流交换热以使工作介质过热；

在膨胀器(53)中，膨胀过热的工作介质以提供机械功；

在冷凝器(55)处，通过将所述区域热能回路(20)中的区域供给管道(22)的热传递流体加热至5℃至30℃的温度，将膨胀的工作介质转变成液相。