CN1139479A - 传递供热与/或制冷能量的方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过热交换器(11，12)从热和冷源分布网络向建筑的供热或制冷网络(21、22)传递供热/与或制冷能量的方法和系统。为了降低费用，使用相同的热交换器/热交换器组(10、11)在供暖时期传递热能而在制冷时期传递制冷能量。

Description

传递供热与/或制冷能量的方法与系统
本发明涉及一种通过热交换器从热和冷源分布网络向建筑物的供热或制冷网络传递供热/与或制冷能量的方法。本发明还涉及一种传递供热/与或制冷能量的系统。
在今天，建筑物群通常采用区域供热，它有利于以电和热合成生产的方式生成。可以由汽轮机的冷凝热来获得热量，从而，无需任何费用。在只生产电能的冷凝式发电站，这种热能被浪费了，因为它必须以水冷方式进行冷凝，如用海水冷凝器和在空气中用冷却塔。
在夏季，除非生产热自来水，很少需要热量。然而，电力在夏天用得几乎和冬天一样多。虽然此时不需要用电来照明，但取而代之的，例如，会需要电能来制冷，尤其是在大的建筑物中。所需的制冷能源通常由电通过制冷压缩机来产生。热电站在夏天也必须使用，但是所产生的热量却被浪费了，即一个热电站只是象一个冷凝式发电站那样，不经济地运行着。
然而，制冷能量也可以由热水或蒸汽通过称为热量吸收泵的装置来生成，这种泵中最知名的是溴化锂/水和氨/水的成套设备。因而能够利用浪费的热量，并且可以同时显著减少建筑物中电力的使用。这将从根本上提高一个热电站利用水平，减少如CO2的散发等。
但是，由于很高的投资费用，区域制冷系统还不够普及。虽然以这种方式产生的冷气，其kwh价格比用电力的方式要低，但在那些值得建造区域供暖系统的气候区，系统工作的小时数非常少，以至于节省下来的费用还不足以负担建筑物的区域制冷系统、吸收聚合、热交换器等。比如，在芬兰，这种系统就因此而未被采用。它们多数用在日本、朝鲜和美国。
芬兰专利申请921,034公开了一种建筑物中的热传递系统，通过这个系统，如果必要的话，区域供暖系统回水的温度能明显地降低到20℃左右。该系统基于这样的思想，热量载体首先发热，加热建筑物，然后加热流通的空气。
同时提交的芬兰专利申请940,342公布了一种热量能源分布系统，其中，应用了芬兰专利申请921,034中的原理，并且制冷和供热系统中回水的温度也是同样设计的，通过它，就有可能为冷水和热水设置一个通用的回水管道，因此大大降低了分布网络的费用。它还公布了一个实施方案，通过它，一个区域制冷网络的费用几乎可以被忽略，这自然更加有益于区域制冷系统的建造和使用。构造一个制冷系统主要的花费项目是热交换器，通过它，制冷能量被从区域制冷网络传递到建筑物的制冷水网络中。由于不同的建筑物或一个建筑物中的不同部分要求同时制冷或供热，但它们有着不同的功能、位置、内部热负载、阳光照射情况、使用时间等，所以需要单独的热交换器来供热和制冷。它们在整个区域制冷系统投资费用中所占的比例大约是15％(依据在芬兰所进行的一个研究)，包括空间和安装费用。上述研究是由芬兰贸易和工业部与芬兰热电站协会指定进行的。它被命名为“集中式制冷”。
本发明的目的是提供一种消除现有技术缺点的方法和系统。这通过本发明的方法和系统可以得到实现。本发明简化的基本思想是使用热交换器，这在一个建筑物中是不可避免的。本发明方法的特征在于使用相同的液/液热交换器在供暖时期传递热能而在制冷时期传递制冷能量。于是，本发明系统的特征也就在于使用相同的液/液热交换器在供暖时期传递热能而在制冷时期传递制冷能量。
本发明主要的优点是在区域制冷中即使一个建筑物中不同的部分同时提出对制冷和供热的要求，也无需单独的热交换器。另一个优点是在负载高峰的情况下，有一个比目前的设计理论更大的热传递面积，也就是说，以水的流通提供更大的制冷能量。而且区域制冷系统的投资可以如前所述减少15％，并且操作费用，如抽吸效率，与目前为止采用的技术相比也有微小的降低。
下面参照附图中本发明的解决方法和不同的实施方案进一步对本发明进行详细描述。其中
图1是一个传统热传递系统的概要图；
图2说明依据图1的系统应用在更优化的系统中的情况；
图3是依据本发明的系统的第一实施方案的简化概图；
图4示出了针对制冷需求的蒸发制冷的影响；
图5是图3所示系统更详细的视图；
图6是依据本发明的系统的第二实施方案的简化概要图；
图7是图6所示系统更详细的视图；
图8示出了依据本发明的系统的第三实施方案；
图1表明了一个传统的热传递系统。热量从一个区域供热站通过供应管1来供应，冷却的水通过回水管2返回。相应地，冷的冷却水通过另一个供应管3供应，而热了的水由另一个回水管4返回。为了进行不同的操作，通常有4个热交换器。热自来水在第一个热交换器9中被加热，第二个热交换器10为建筑物中的散热网络或其它供热系统21提供服务。流动空气加热设备20中循环的水在第三个热交换器11中被加热，并且如上所述，为了制冷设备19中循环的冷却水，还需要第四个热交换器12。区域供热的回水温度通过阀门5、6、7和8保持在期望的范围内。另外，循环水的线路通常包括泵16、17和18，旁路阀门13、14和15。图1中只显示了理解操作所需的基本部分。实际中的管道连接模式会更为复杂。
当现行的热交换技术应用于更优化的系统中(其中供热系统中的热交换器10和空调系统中的热交换器11依照芬兰专利申请921,034串连在一起，以便降低区域供热系统中回水的温度，并且空调单元的热操作以芬兰专利申请915,511中公开的形式合成在一起)，其结果如图2所示。在实际中，一个空调系统2 2通常包括几个单元，各自为建筑物中不同的部分服务。在春季和秋季，一些单元通过阀门25连接到热交换器11的水循环线路上，而另一些则通过旁路管道26和阀门23连接到冷气交换器12的水循环线路上。
本发明简化的基本思想是供热中无论如何都需要的建筑物中的热交换器在夏季可以用于制冷，即同一个热交换器或交换器组在供暖时期传递热能，在制冷时期传递制冷能量。操作可以分为几个不同阶段，如当建筑物中的一个或几个部分需要制冷时，空调系统的热交换器从区域供热网络中脱离并连接到为建筑物中需要制冷的部分服务的制冷网络上。供热系统的热交换器继续为那些需要供热的部分服务。当外界温度升高时，供热需求终止，而制冷需求增加了，供热系统的热交换器也从区域供热网络中脱离出来并连接到区域制冷网络上。热交换器可以通过一组按照逆流原理的连接连到建筑物的制冷网络上，于是提供了一个非常有效的热交换器，该热交换器有一个比传统的单独的用于区域制冷热交换器大得多的散热面积。于是，温度的差别就很小，并且由于这些很小的差别而减少了区域制冷系统中的水流，即抽吸效率减少了。在某些情况下，甚至有可能使管道更小，从而减少建筑物中制冷系统的抽吸效率与/或降低设备的投资费用。
按照上述观点，在发明中使用两个功能独立的热交换器是很有利的，因为这样就可能同时在建筑物的不同部位提供制热和制冷。“功能独立”一词是指每个热交换器之间完全独立，所以同时制热和制冷才成为可能。热交换器可以是独立的单元，或独立的螺旋管道或类似的安置在通用包装中的部件。
通过向空调单元提供一个已知的蒸发制冷系统，上面所提到的操作阶段可以从根本上减少，有时甚至可以完全去除。
下面，参照图3和图6所示的简化系统，进一步详细解释本发明。在图5和图7中更详细地显示图3和图6中的实施方案。
图3中的系统原则上以下面的方式操作。用于热自来水的热交换器9总是从区域供热网络中的供应管1中取水并将其返回回水管2中。水的流动按照热自来水的消耗由阀门5来控制。这个子系统在所有的实施方案和下面叙述的操作情况中都以同样的方式操作，所以就不再结合其它例子重新叙述操作过程了。
在冬季冰冻的季节，当建筑物中所有部分都需要热量时，供热系统21中的热交换器10和空调系统22中的热交换器11都通过一系列连接连到区域供热网络上。区域供热水从供应管1通过阀门6流到热交换器10，阀门6按照供热系统21的供热需求控制水的流动。双位阀门29和27保持区域制冷网络供应管3上的服务管道33和32是关闭的。
热水通过阀门25和27从热交换器10流向热交换器11，接着到达区域供热网络的回水管25。如果空调系统22不能利用水中所有的热量，阀门25允许一部分通过热交换器11的水直接流到回水管2。如果没有足够的热量，阀门24打开并允许流往热交换器10补充的水流到热交换器11。
水泵16使建筑物中供热系统21中的热水循环流动，水泵17使建筑物中空调系统22中的水循环流动。阀门13和14控制循环经过热交换器10和11的水量与流过热交换器的水量的比率，以便使系统中循环水的温度适于控制建筑物中房间的温度。阀门30保持热交换器10和热交换器11之间服务管道是关闭的，阀门31关闭管道34。
当春天建筑物中的制冷要求上升时，空调系统中的热交换器11被连到制冷网络上，阀门27关闭通向供热系统中热交换器10的服务管道并打开通向区域制冷网络供应管3的服务管道32。同时，阀门28打开供热系统热交换器10通往区域供热系统回水管2的服务管道。现在，供热系统21和空调系统22独立操作并有着不同任务，即供热系统21向需要供热的地方供热，而空调系统22向需要制冷的地方供冷。
当室外温度进一步升高时，就不再需要供热了，于是水泵16停止工作。同时，关闭阀门6和28。供热系统21不再使用，而空调系统22开始向建筑物供冷。
当室外温度进一步升高，热交换器11的功率可能不够。于是可以按下述方式将供热系统22的热交换器10作为制冷使用。阀门29关闭热交换器10和区域供热系统供应管1之间的服务管道，并打开通往区域制冷网络供应管3的服务管道33。进而，打开阀门6，关上阀门24。相应地，阀门27关闭空调系统的热交换器11和区域制冷网络供应管3之间的服务管道32，并打开通往供热系统热交换器10的服务通道。接着，阀门30关闭通向阀门14的服务管道并打开热交换器10和11之间的服务管道。阀门31打开循环管34。现在，热交换器10和11就被转换为制冷模式了。
除了空调系统的热交换器11，供热系统的热交换器10也被用于制冷。后者按照逆流原理串联在一起，它通常可以提供至少是普通设计面积两倍的散热面积，所以上述的优点能在不用独立热交换器进行制冷的情况下实现。
在一些建筑物中同时制冷和供热可能会有问题。这个缺点通常可以通过向所有或至少是那些从设计角度来看关键的空调单元提供一个已知的蒸发制冷系统(如芬兰公开说明书67,259中所知的)来克服，或者至少将它的影响减到最小。蒸发制冷的操作原理是水蒸发为气体排出，比如通过喷雾，由此，蒸发的水吸收了大量的热量作为本身的蒸发热，降低了排出气体的温度。冷气从冷却的排出气体中恢复并被传递以提供热恢复单元中的气体，热恢复单元在今天几乎经成为空调单元中的一个标准部件。
蒸发制冷的效果如图4所描绘，其中曲线a绘出了一个建筑物中的供热要求，其中常规的制冷负载在芬兰南部流行的气候下大约为50W/m2。该需求表现为减少空气供应的需求。在该设计的情况下，温度降低12℃，制冷所需的时间约为1400小时。曲线b描绘了能被蒸发制冷负担的部分。曲线之间的阴影区域是必须由外部制冷，即区域制冷来负担的部分。如图4所示，外部制冷只需不多于400小时，而在该设计的情况下，蒸发制冷负担了大约7℃。换句话说，区域制冷系统仅需承担不超过5℃，即约为总设计功率的40％的制冷量。这自然从本质上减少了区域制冷的投资费用，并使系统更加有利于实施。
当外界空气需要被降低超过4℃时，就需要外部制冷了。如果，比如在16℃需要制冷，那么直到外界温度达到20℃时，才需要外部制冷。因为在这个温度，通常不向建筑物中的各部分供热，无需不同的阶段，热交换器10和11能同时从一个操作转向另一个操作。这在某种程度上简化了图3所示的连接，例如阀门27、28和30及相应的服务管道就不需要了。
图5更加详细地描绘了图3中的系统。在图5中，示号22、22’和22”代表空调单元，21、21’和21”则代表建筑物中相应的散热供暖环路。在某种情况下，比如单元22和22’需要冷却而由单元22”服务的区域需供热，热交换器11就连到区域制冷管3，而热交换器10则连到区域供热管。散热器阀门37、37’和37”用来控制各自房间的温度。在示例的情况下，需要供冷地区的热交换器散热器阀门37和37’被关闭，即散热器21和21’没有供热。阀门37”打开，散热器21”对这个地区供热。相应地，空调单元22和22’的阀门36和36’被打开，并从热交换器11的循环流动环路上获得制冷能量。阀门36”并没有获得用于22”制冷能量。图5所示实施方案的操作与图3实施方案中所示相仿。
图6和图7显示了一种略有不同的连接。图6是中的构图是图7中所示方案的简化形式。在图6和图7所示的连接中，热交换器11，在制冷情况下还有热交换器10被直接连到空调单元22、22’和22”的流动循环环路上，因此例如图3中所示的阀门14就不需要了。温度由阀门25、6、13来调节。在其它方面，操作也对应于上述实施方案。
将热交换器11分开，便可以实现一个更加简单的连接，以便每个空调单元22、22’和22”都有自己的热交换器；比如图7所示的水泵17及阀门36、36’和36”就不需要了。这种连接如图8所示。每个单元22、22’和22”都有自己的可以选择供热或制冷的热交换器11、11’和11”。这种方案尤其适于空气供热系统。
如果有很多单元的话，图8的系统可能会使热交换器更昂贵。管道布线也可能变得很贵，并且可能在安排区域供热/区域制冷管线时出现问题。于是热交换器11被分为串联的两个部分，用于在负载高峰的情况下供热或制冷。当同时产生供热和制冷的要求时，其中的一个部分被连接到区域供热网络上而其它则连到区域制冷网络上。网络和各个单元之间的转换依照上述的原理实施。
上述实施方案对本发明没有任何限制，本发明在权利要求的范围内可以进行相当自由的修改。因此可以认为本发明的系统或它的细节不需要与图中所示的相同，也可能会有其它的方案。上面就是所描述的内容，如热能来源问题的解决方法是一个区域供热或制冷网络。然而，来源可能是任何已知的产生供热或制冷能量的系统。在示例中，本发明应用于依照芬兰专利申请915,511的空调单元中热交换器的集成。但这并不是唯一的可能性，所有已知的用于空调单元的热交换器连接，如独立供暖和制冷散热器，都属于本发明的范围。进而，供热系统不必是图中所绘的散热系统，比如一个地板供热系统也是很有可能的，还有其它本身已知的系统，如辐射加热和不同的对流器。在图8中单独描述了空气供热系统，其它热源如燃气或电加热也可以使用。在图示和实施方案中，热交换器10和11按逆流原理串联在一起，因为这是最有利的实施方案。本发明自然还可以涉及热交换器由于某种原因以并联方式与/或按并发原理连接的应用。所示的热交换器10和11是独立的，但本发明当然也可以涉及一种本身已知的解决方法，其中一个单独的热交换器包括分离的螺旋管或其它此类热传递工具用于制离冷和空气流通。在上面所提到的燃气或电加热系统中，自然地只有一个热交换器用于通风，而且它在冬季用来供热，在夏季用来制冷。

Claims (13)

1、一种通过热交换器(10、11，12)从热和冷源分布网络向建筑物的供热或制冷网络(21、22)传递供热/与或制冷能量的方法，其特征在于使用相同的液体/液体热交换器(10、11)在供暖时期传递热能而在制冷时期传递制冷能量。
2、权利要求1所述方法，特征在于使在建筑物的不同部分同时供热和制冷成为可能，供热和制冷能量由至少两个功能上独立的热交换器(10、11)来传递。
3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于从供热操作向制冷操作或者反之的切换分为不同的阶段，它是以这样一种方式进行的，一个热交换器(11)从一个操作转向另一个，之后当负载增加时，另一个热交换器(10)或其它热交换器也进行转向。
4、根据前面权利要求1到3中的任何一个的方法，其特征在于制冷能量由建筑物中供热系统(21)的热交换器(10)来传递。
5、一种通过热交换器(10、11，12)从热和冷源分布网络向建筑物的供热或制冷网络(21、22)传递供热/与或制冷能量的系统，其特征在于安排相同的液体/液体热交换器在供暖时期传递热能而在制冷时期传递制冷能量。
6、根据权利要求5的系统，其特征在于：为使同时供热和制冷成为可能，至少两个功能上独立的热交换器(10、11)被安置在建筑物的不同部分。
7、根据权利要求5或6的系统，其特征在于热交换器(10、11)以这样一种方式连接，从供热操作向制冷操作或者反之的切换分为不同的阶段，一个热交换器(11)从一个操作转向另一个，之后当负载增加时，另一个热交换器(10)或其它热交换器也进行转向。
8、前面权利要求5到7中的任何一个的系统，其特征在于安排建筑物中供热系统(21)的热交换器(10)来完成制冷能量的传递。
9、前面权利要求5到8中的任何一个的系统，其特征是在负载高峰的情况下，热交换器(10、11)被安排得，相对于分配网络以串联方式连接。
10、根据权利要求5到8中的任何一个的系统，其特征在于在制冷情况下，热交换器(10、11)被安排得，相对于建筑物中的分配网络和制冷网络都是按逆流原理以串联方式连接的。
11、根据权利要求5到10中的任何一个的系统，其特征是为了消除同时供热和制冷的要求，向建筑物的空调单元(22)提供一个蒸发制冷系统。
12、根据权利要求5到11中的任何一个的系统，其特征是为了在空气供热系统中提供一个制冷操作，空气供热系统和供热分布网络之间的热交换器(11)被分为两个部分。
13、根据权利要求5到11中的任何一个的系统，其特征是建筑物中分布网络和网络群之间的热交换器/热交换器组(10、11)被直接设置在利用所传递能量的设备(22)的循环流动环路组或循环流动环路中。
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