CN1139477A - 热能分配系统 - Google Patents

Abstract

一种热能分配系统，其中用一个管道或一组管道(10)，把为加热和/或冷却建筑物(14)而载入载热体和集中产生的热能安排成，分配到建筑物(14)的供热设备(16)；并且相应地用另一管道或另一组管道(30)，把制冷能量安排成，分配到制冷设备(15)。为了降低成本，把从制冷和供热设备(15，16)返回的载热体的温度调节到基本上相等；并且用公用的一个回管或一组回管(20)，把载热体安排成回到能量生产厂。

Description

热能分配系统

本发明涉及一种热能分配系统，其中一种为建筑物供热和/或制冷而载入载热体和集中产生的热能，被安排成通过一个管道或一组管道而分配到建筑物的供热设备，并且制冷能量被相应地安排成通过另一管道或另一组管道而分配到制冷设备。

在许多国家，建筑物通常由大型集中供热厂产生的区域热量来供热，同在每个房屋都有一个锅炉的情况相比，它便宜且对环境危害小。例如，在象这样一些大型供热厂中，烟气中所含杂质能够用合理的成本有效地加以去除。在大型供热厂中，产热效率明显高于小规模供热厂，并且大厂的维修与运行成本也低于小厂。

当联合发电与产热时，产热特别便宜；借助来自汽轮机的冷凝热而得到热量，从而在某种意义上不用任何花费。在只发电的工厂中，使用从水路或专用冷凝塔得到的水来冷凝从汽轮机排出的蒸汽；而在联合发电与产热厂中，它能够用区域供热系统的回水来冷凝，该系统在受热状态下可用于建筑物供热。

今天的建筑物通过一个管道网，不但接收供热功率，而且接收制冷功率。在氨压缩厂，用吸热泵、海水冷却器或类似设备来冷却水。通过一个供应管道把冷水泵送到建筑物，在此冷却通风空气和辐射冷却器或类似设备，并在受热后送回中央冷却厂。这样作的一个目的在于去除那些引起臭氧消耗的冷却剂。

加热与冷却需求随建筑物而异，正如电网中电力需求一样。不用说，必须按照最大需求来设计用于能量生产和传递的设备，这自然是不经济的。其他后果有：生产不经济，低于能量生产的最大效率，电与热之间产生比率恶化等。尤其不利的是不同的短期负荷峰值：对于冷却需求，例如在少数夏日午后达到峰值；而对于供热需求，有所谓星期一上午峰值，当使周末下降的室温回升到办公室等所需正常值时，它发生于供热时期。为了削减这些电力需求高峰，就必须例如在燃气轮机工厂(甚至涉及反压动力厂)，在负荷高峰期间用冷却水冷凝额外热能。

使用通常安排成与能量生产厂相连的不同贮热器，即所谓蓄热器和冷却槽，可克服上述缺点。例如，用冰槽或冷水贮备器来调节冷却负荷，用甚至具有几千立方米容量的蓄热器或类似设备来调节供热负荷。也能够用这种方法通过存贮高峰期间产生的额外热量，来调节电力使用中的高峰。

因为贮热器自然需要大投资，故其峰值拉平效果受限制。由于能量传递网在任何情况下都必须按照峰值负荷来设计这一事实，而使在电厂安置贮热器的经济性进一步降低。这样，在能量生产厂安装贮热器就未能广泛应用。

在建筑物中安置贮热器提供另一种解决问题的方法。熟知的这种贮热器有用于热来自水的锅炉和所谓房屋贮热器，它们存贮用夜间电力产生的热量。这样一些贮热器未广泛应用，或者因为很自然，建筑者难以理解它们对生产和分配能量的复杂过程的全面影响，或者因为最重要的是，难以证明它们对能量生产者和分配者的效果。此外，一套热装置所需投资大。

限制联合产生供热与制冷能量的原因是，在联网的建筑物中，由于同其他建筑物相比，建筑物或房屋的位置、热负荷、使用情况等不同，造成同时需要供热功率与制冷功率。这样，这些系统就需要用于供热和制冷的供应管道和返回管道，即总计4个管道。

为降低成本，现有技术已开发了一些不同的系统。这类系统的一个实例是在芬兰专利申请921,034中公开的建筑物用的热传递系统；通过该系统，能够显著降低区域供热系统中回水的温度，需要时可降到约20℃。该系统的基本思想是：载热体先为建筑物供热而放热，然后为通风空气而放热。

本发明的目的在于提供一种系统，用它能够解决现有技术的问题。这是用本发明的系统来实现的，其特征在于把从冷却设备和供热设备返回的载热体温度调节到大体上相等，还在于通过一个公用返回管道或一组返回管道，把载热体安排成返回能量生产厂。

本发明的主要优点在于：早先所用的四个管道之一能够省去，从而所需投资明显低于现有技术。同现有技术系统相比，省去一个管道没有明显降低系统的特性或性能。本发明的另一个优点是，通过某种应用，一个特别大的蓄热器变成可能，并特别适用于(完全不用任何费用)拉平热量消耗峰值。此外，本发明还有可能使管道明显减少，从而几乎不用任何花费就得到冷却能量分配所需的管道系统。本发明的基本思想能够用于建造一些具有各种能量级位的包括管道配置在内的管道系统；因此，从一个系统返回的液体能够用作另一系统中的有效液体。总之，使用本发明可明显降低联合系统的成本，并且更有效地利用能量。

下面参照按附图的实施例更详细地叙述本发明，其中：

图1说明芬兰三个不同地方的温度持续曲线；

图2说明一个根据本发明的制冷期间的系统的一个实施例；

图3说明一个沿图2线III-III截取的截面图；

图4说明供热期间的图2的系统；

图5说明一个沿图4线V-V截取的截面图；

图6说明一个根据本发明的系统的第二实施例；

图7说明一个沿图6线VII-VII截取的截面图；

图8说明一个根据本发明的系统的第三实施例；

图9说明一个沿图8线IX-IX截取的截面图；

图10说明一个根据本发明的系统的第四实施例的截面图。

事实上，本发明基于观察：加热和冷却需求高峰并不重合。图1说明芬兰三个不同地方的室外空气的温度持续时间曲线，这是根据1961至1980年期间所作气象观测作出的。曲线1根据在赫尔辛基一万塔机场气象观测所进行的测量。曲线2根据在于瓦斯居拉机场进行的类似测量。而曲线3根据在罗瓦涅米机场进行的测量。

在设计供热设备和热传递网中所用的温度是：赫尔辛基为-26℃，于瓦斯居拉为-32℃，和罗瓦涅米为-38℃。如果为简化而假设，建筑物的热量需求正比于室内外的温差，并且室内温度为+22℃，则确定何时建筑物的热量需求已降到设计热量需求的一半是简单的。图1中这些室外温度值如下：赫尔辛基为-2℃，点1a；于瓦斯居拉为-5℃，点2a；和罗瓦涅米为-8℃，点3a。实际上，情况没有这样简单，因为建筑物中始终需要热自来水，并且热水对总热量消耗的比例随建筑物类型而异。例如通过减小通风系统的气流，可削减消耗峰值。还有，甚至根据上述简化介绍，也有可能认为：平均来说，到室外温度接近+10℃时，建筑物的热消耗一定已降到小于一半。

用外部能量冷却建筑物的需求是差别很大的。在住宅中，很少需要冷却；在老式办公室中，在+18℃到+20℃的温度下可能变成需要制冷；在有大量人员和大量所谓新技术的建筑物中，当室外温度为+12℃到+16℃时，可能变成需要制冷。某些建筑物，例如教学大楼，在最大需求期间由于夏天假日而或者根本不用或者只使用少量。平均说来，在约16℃(图1中线A和点1b、2b与3b)，可能变成需要制冷；并且用这种方式估计，要到约22℃，制冷才达到50％的水平。

总之，在供热需求与制冷需求超过50％时的室外温度之间的差别是如此之大(明显高于10℃)，以致于分配网的返回管道由于同时使用而不能过载。当作为一个整体而考虑该网时，差别是如此之大，以致于连不专门需要供热能量与制冷能量的建筑物也不能改变居住区的整个状况。

上面是关于芬兰温度持续时间的讨论。它同样适用于必须对建筑供热与制冷的全部气候区域。图1中虚线是关于丹麦的持续时间曲线。能够看出，图形总性质不变。在欧洲大多数地方，确定返回管道大小的决定性因素是供热需求，但例如在意大利北部，则是制冷需求。

本发明的简单基本思想是：供热和制冷水的返回温度被设计成相等，并且供热水和制冷水都通过一个公用返回管道而返回。因此，省去一个返回管道。

下面参照图2至10更详细地描述根据本发明的系统的操作和可能的实施例。

图1至4说明一个网络，其中用于供热与制冷功率的水流在设计情况下相等。图2和3说明在制冷时期的状况。在管道10中，有用于产生热自来水的加热水流动，并且在春天和秋天，还用于对建筑物14供热。在管道30中，有冷却水流动。管道20是一个公用返回管道，它必须如此设计，以致于它能够一方面容纳最大供热需求的水流，另一方面容纳最大制冷需求的水流，还能加上热自来水生产所需的水流。制冷设备和供热设备用标号15和16表示。加热水通过支管10a供给供热设备16，冷却水通过支管30a供给制冷设备15。加热水通过返回支管20a返回到返回管道20，而冷却水通过返回支管20b返回。

如果热水管道10和冷水管道30采用尺寸上相等，即直径均为300mm，则在允许水流速度为1.2m/s情况下，二者水流量均为约305m³/h。如果热供水温度为105℃，冷供水温度为7℃，且二者返回温度均为25℃；则最大供热功率为28.4MW，最大制冷功率为约5.7MW。这似乎与芬兰的城市结构与气候一致，因为在芬兰，大多数建筑物没有制冷系统，这是因为其制冷时期很短，冬天又确实冷。在南方，制冷需求可能成为决定性因素。

在设计返回管道20时，必须考虑热自来水的需求，从而在上述假设情况下的制冷状态是决定性的。如果假设热自来水平均占日常供热功率的20％，则回管中水流量为366m³/h，且回管直径为330mm。另一方面，如果要求全部管道具有相同的尺寸，则冷却水温度应为约3.5℃，或最大冷却功率为约4.8MW。在任何情况下，都只需为冷却剂附加一个管道。

图4和5说明上述实施例在冬天怎样操作。为对建筑物14供热和生产热自来水而通过热水管10供应具有100°到115℃温度的水。通过回管20使水返回。因为不需要制冷，故冷水管30不用。

如果冷水管30按图6所示方式，由一个旁通阀17连通供热厂的热水供应管道10，还按图6由另一旁通阀18连通建筑物14内的热水供应管道10，然后也能在冬天利用冷水管30。当没有什么消耗时，例如在夜间或周末，可用热水装满冷水管。然后能够把这水用于调平高峰负荷。

如果按照以上所述，冷水管30的直径为300mm，且管长为例如3000mm，则该管能容纳212m³水。这足以削减20％的过载达3.5小时之久，如果热水网的设计功率为28.5MW且温差为80℃的话。这样，就有一个相当大的蓄热器可以几乎自由地使用；其成本只是由两个2位置旁通阀17和18引起的成本。上述330mm回管20足以用于全部数量的水。

本发明降低整个供热厂的设计功率，故经济效益大。此外，这一附加的功率是预先分配到使用区的，即，能够为最大功率所需的水流的80％而设计热水管；而当使用置于动力厂的热箱时，就不是这种情况。事实上，本发明的系统相当于在供热厂外面的网络中设置的一个高峰供热厂，这类工厂通常用于削减负载高峰。

图8和9说明本发明的又一个实施例。在本实施例中，根据只在变成需要制冷时才存在的功率以及热自来水需要的功率，即，根据总计为设计功率的30至35％的功率，来设计热水管。如果设计制冷功率所需的水流至少是设计供热功率所需的水流的65至70％，则根据制冷功率需求来设计冷却水管道30。如果它小于该值，则根据供热功率来设计管道30。在这种情况下，事实上制冷不需要任何管路容量，因为供热水管仅被分成两部分，并且其中一部分是为夏天所需的制冷水而预备的。在制冷所需管道网方面的附加投资是很小的：在一个大管道与两个其截面与大管相等的小管道之间价格上差别很小。其成本是已知系统成本的10至20％。

在图10所示的实施例中，提供两种制冷功率。本实施例类似于图8和9所示的实施例。在管道30中，其流水具有例如+7℃的温度，是冷却建筑物所需的；而在管道19中，有较冷的水(例如+2℃)流动，例如用于冷却食品商店中冷藏器陈列柜。现在管道30能够作为管道19的回管来操作，因为以5°至7℃的温度从诸陈列柜返回的水是很适合于冷却建筑物的。在某种意义上，水如此使用两次。因此，管道30能够设计得更小。当然，管道19无需回管。对成本的影响象图8所示实施例一样，是较小的，即，能够用很小的额外成本提供两种制冷功率。此外，图10所示实施例还有可能在冬天提供制冷功率。

上述的实施例不用来限制本发明，而能够在权利要求书范围内很自由地修改本发明。这样，应该理解，根据本发明或其细节的系统无需与图中介绍的一样，而也可以采用其他类型的解决办法。例如，一种吸收成套设备或某种其他冷源无需置于动力厂，而可以作为所谓子中心置于管道网中某处，乃至服务于一个相当大的单独的建筑物，例如医院综合体。然后用一个标准的2管系统从热能形式把能量送到吸收成套设备，并且根据上述情况用一个3管或多管系统进一步传送能量。这类系统的缺点有：区域供热系统中供水温度高，以及维修，服务等。

Claims (5)

1.一种热能分配系统，其中，为建筑物供热和/或制冷而载入载热体和集中产生的热能被安排成，通地一个管道或一组管道(10)而分配到建筑物(14)的供热设备(16)，并且制冷能量被相应地安排成，通过另一管道或另一组管道(30)而分配到制冷却设备(15)，其特征在于：把从制冷和供热设备(15、16)返回的载热体的温度调节成大体上相等，并且在于，把载热体安排成，通过公用的一个回管或一组回管(20)而返回到能量生产厂。

2.根据权利要求1所述的分配系统，其特征在于，用阀门装置或类似装置(17)，并且相应地在建筑物或建筑物附近，用一个第二阀门装置或类似装置(18)，把用于传递制冷能量的一个管道或一组管道(30)连接于用于传递供热能量的一个管道或一组管道，使所述阀门装置(17，18)处于打开位置时，用于传递制冷能量的一个管道或一组管道(30)，能够用于存贮热的载热体。

3.根据要求1和2所述的分配系统，其特征在于，用阀门装置(17，18)，把用于传递制冷却能量的一个管道或一组管道(30)安排成，用作传递供热能量的一个管道或一组管道。

4.根据权利要求1至3所述的分配系统，其特征在于，把用于传递制冷能量的管道分成两个或多个管道(30，19)，以便传递不同温度的载热体。

5.根据权利要求4所述的热分配系统，其特征在于，容纳较高温度液体的管道(30)被安排成，作为一个用于容纳较低温度液体的管道(19)的回管而操作。

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