CN1430718A - 利用分散冷源和热源装置的局域热能互补系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种无应用区域局限性的热能互补(综合供热和排热)系统。通过构建无端头的多重螺旋回路，使区域内工厂、装置和设施产生的热能通过交互而达到互补，无须强制水在螺旋回路中的循环而实现热的传递。液体或水浆水封闭在环形的无端头管道(无端头回路)中，无须使其强制循环。因此，对环形无端头管道的回路直径尺寸不存在限制，即无区域面积局限。无端头螺旋回路中的水形成各部件回路不同的温度区。分散冷源和热源在热力学上与所述多重螺旋回路相连，使热量(水)可由所述冷源和热源中取出或向其排放。由于无须使水循环流动，因此可节省所需的能源和降低运行成本。通过所述多重螺旋回路，可对能量的供应实行中心控制，同时可有效利用分散配置在区域内的制冷和热源等各种装置。

Description

利用分散冷源和热源装置的局域热能互补系统

技术领域

一般而言，本发明涉及局域热能互补系统，旨在对某一地区内工厂及分散配置的高温和低温装置所散发的热能进行回收和再利用；更具体地说，本发明涉及的局域热能互补系统可通过充以水或水浆的无端头回路作为热源和热容来实现热能的互补利用。

背景技术

为防止地球变暖现象的恶化，在城市、企业和居民等各个层次都对能源政策进行着重新的审视。

就电能来说，现已提出通过废热的有效利用来减少电力传输的损失和提高能源效率，关注的热点已从大规模的集中发电厂发展到分散在区域内的小型发电设施。相应地，在联合发电和局域空调等有关方面也开发了一些节能技术。近年来，适于住宅、便民店等规模使用的小型燃气透平、燃料电池等分散式热源装置也处在发展中，它们利用城市煤气或天然气进行运行。

力图提高这些小型装置效率的工作在持续进行，但更重要的是提高整个区域的能源利用效率，最好能达到热能零排放的指标。

为此，现已发展了一些技术以利用分散空调装置所排放的废热，通过与土壤等进行热交换和调节废热温度后再供给吸收式或吸附式制冷机，以提高各空调装置的运行效率和整个地区的能源利用效率。

但在现有技术中的多数情况下，热源系统的余热仍要排放到大气中。

分散配置的小型热源装置等民用热源系统的余热难于获得有效的利用，在无余热回收和再利用系统的情况下将被浪费掉，而这将加剧热岛现象。

商业和居住区内分散热源装置所排放的废热正在增加，过去对此还缺乏充分的认识，迫切要求能对废热进行有效的利用。

针对上述问题，发展了通过局域管道供热的局域空调系统。起先采用的是四管道方法，通过单独的进水和回水管道来供给适当温度的热水和冷水。在这种情况下，需要对管道进行热绝缘，如何有效利用回水管道也是一个问题。

为改进四管道系统提出了两管道方法，根据季节或时间段，使每个管道交替作为供水管和回水管。

日本专利公开书NO.56-52219中公开了一种两管道方式的局域热能供给系统和相关技术，可改善装置的运行效率和整个地区的能源效率。

按该专利所提出的系统，一些热泵型空调装置分散配置在区域内的一些地点，一个包括中心综合产能装置的能源站配置在远离上述地点的另外一处，它们之间通过冷水供给管道(冬季作为回水管道)和热水供给管道(夏季作为回水管道)相连。

但在上述系统中，按季节交替用做供水和回水管的两条管道是通过三通阀改变水流来实现的，与下述本发明的系统比较起来，上述管道并不构成本发明系统中所述的无端头回路。因此，每个供水和回水管道都需要配置水泵，且驱动水泵的动力将随着局域与中心能源站距离的增加而加大。

为解决这一问题，日本专利申请NO.2000-146356公开了一种局域供暖和冷却系统，其中不再采用供水和回水管而是使局域内管道构成无端头的水流回路，带有低温蓄热器的热泵分散配置在这一区域内。也就是说，所述无端头水流回路像在区域内缓慢流动的河流一样具有相当大的热容量，以保持回路中流动的水温尽可能为一常数。

按所公开的说明，如图11所示，局域管道102埋在地下直接与土壤接触，使管道102中的水可与土壤进行无绝缘热交换，管道102中的水在循环水泵105的作用下进行循环。区域内分散配置的包括冰蓄热器的热泵101A和不含冰蓄热器的热泵101B通过进水和出水管106相连。通过在热力学上将与土壤进行热交换的循环水同热泵101A的制冷剂冷凝器或冰蓄热器连接起来，水由冷凝器中制冷剂吸收的热量或由热泵装置蒸发器吸收的低温可被供给到需要它们的地方。最好在热力学上也将未被利用的热源U与局域管道102连接起来。

这种现有技术与日本专利NO.56-52219的不同之处在于局域管道102为一个无端头的水流回路，但与土壤进行热交换的水仍需要利用循环水泵105在局域管道102中进行循环，即水泵105是必需的，这与本发明无须采用循环水泵是完全不同的。此外，当区域范围扩大时，循环水泵的能力也需随之增加；也就是说，要随着热泵装置101A的制冷剂冷凝器或冰蓄热器与供热地点间距离的增加而加大。因此，由所述无端头水流回路供热的区域范围是有限的。

发明内容

正是针对上述问题而进行了本项发明。本发明的目的是提供一种无区域范围局限性的热能互补(综合供热与排热)系统，所述系统通过构建一个无端头的多重螺旋回路，在无须使热传递的水进行强制循环的情况下，可使区域内各热源产生的热量彼此互补。

按本发明，在区域内铺设无端头的管状多重螺旋回路，其中充以水或水与冰的水浆(以后简称为水)。螺旋回路中的水无须进行强制循环，并在各部件回路中形成不同的温度区。分散冷源和热源在热力学上与所述螺旋回路相连，使水可在形成不同温度区的各部件回路间跨流，从而使热量(水)可由所述冷源或热源中取出或者向其排放。

本发明具有以下特点：

首先，螺旋回路中的水无须用泵进行强制循环。由于螺旋回路中的水无须进行强制循环、只进行热传递而使部件回路达到热的均衡分布，因此不像现有技术那样需要配置循环泵。这是本发明的基本概念。

由于构建螺旋回路中无须配置循环水泵，因此无端头螺旋回路的径向尺寸不存在局限性，即进行供排热的区域范围没有局限性，可构建大尺度的螺旋回路。

在此，无端头螺旋回路包括多重螺旋回路的始端与终端相连以形成一个无端头多重螺旋回路的情况，也包括水箱跨接于欲相互连接的多重螺旋回路的部件回路之间的情况。

所述多重螺旋回路的各部件回路形成具有预定温度的温度区。

更具体地说，在两重螺旋回路的情况下，较高的温度区形成在所述两重螺旋回路的一个部件回路，较低的温度区形成在另一个部件回路。在三重螺旋回路的情况下，在三个部件回路中分别形成高温、中温和低温等三个温度区。

为使各部件回路形成具有预定温度的温度区，使相连的分散冷源和热源(热源除室内加温器、热水器外，还包括焚化炉、废热锅炉、加热炉等设备)跨接于形成多重螺旋回路不同温度区的两个部件回路之间，需要在热力学上将分散冷源和热源连接起来，使冷源和热源装与各部件回路建立起热量的吸收或排放的关系。

更具体地说，需要通过热交换器使分散冷源装置由相对较低温度的部件回路(以下简称为低温回路)吸收低温热量和向温度较高的回路(以下简称为高温回路)排放热量，使分散热源装置由相对较高温度的部件回路吸收热量和向温度较低的部件回路排放低温热量，使通过热交换器流过跨接部件的热流为单方向的流动(流动方向根据季节可能有所变化)。

这样，分散冷源装置的热排放和分散热源装置的热吸收总是与相对高温的回路相联系，而分散冷源装置的的低温吸收和分散热源装置的热排放总是与相对较低温度的回路相联系，热量在每个温度区内进行扩散和互补，使相对高温区的回路和相对低温区的部件回路分别达到热平衡。

需要在多重螺旋回路的温度边界区适当配置一个跨接能量调整部件以将部件回路中的水跨接起来，所述能量调整部件可以是用于对部件热不平衡进行调节的水箱、热泵和热交换器等，相对较高温度的部件回路与水箱的上部相连，相对温度较低的部件回路与其下部相连。

所述热能互补系统可以将多个主螺旋回路配置在多个区域，每个主螺旋回路可独立配置在各相邻的商业区、居住区和工业区，通过热泵和热交换器等能量调整部件在热力学上将这些主螺旋回路连接起来以构成主螺旋回路的网络。

因此，本发明具有相当的实用性，可将一个热能互补主螺旋回路首先配置在其一个应用区，然后将另一个主螺旋回路配置在其另一个应用区，并通过热泵和热交换器等热能调整部件将第二个主螺旋回路与已有的主螺旋回路连接起来，以构成主螺旋回路的网络。

以下，将对本发明做进一步的说明。

本发明热能互补系统包括一个多重螺旋回路，所述回路可配置在各种建筑物、商场、便民店等云集的商业区或者各种工厂密集的工业区，它的结构可使在分散制冷装置(冷源装置)和热源装置之间实现有效的热能传递和互补，即对中小热源排放的热量进行回收和再利用，将其供给小型制冷机等分散冷源。

所述配置在一个区域内的多重回路管道构成一个封闭的螺旋回路，其结构可使吸收式制冷机等装置在以煤气和天然气为燃料的小型分散热源装置所排出的少量热能下进行工作，所产生的低温热量被吸收到低温回路并被供给到与低温回路相连的橱窗、空调热泵和吸收式制冷机等分散制冷(冷源)装置。

由于螺旋回路中的水并不进行循环，只是通过流过旁路管道中的水进行热传递，所以不需要使水在螺旋回路中进行循环的能量；由于部件回路分别构成冷源和热源(较低和较高的温度区)，因此可提高热能的转换效率。

所述分散热源装置排放的热水最好经吸收式或吸附式制冷机或者热泵进行冷却，然后按冷却温度供给到温度相对较低的部件回路。

配置在各区域的每个多重螺旋回路具有适当的结构，可使每个部件回路构成具有不同温度的温度区，各部件回路可通过旁路管道与分散配置的冷源和热源进行吸收和排放热量的热交换，而且螺旋回路排放和吸收热量是根据其温度区的温度来进行的，因此可减少热损失。

最好配置有一个连接部分，以便在多个区域配置有多个多重螺旋回路的情况下可在相邻的多重螺旋回路间进行热交换。

需要在相邻的多重螺旋回路间配置一个用于监测和调节各多重螺旋回路热平衡的能量调整部件，因为配置在一个区域内的多重螺旋回路各部件回路间的温度边界可能会根据区域的热利用状况而产生变化。

用于监测和调节多重螺旋回路间热平衡的能量调整部件可为一个跨接部件回路的适当的水箱、热交换器和热泵，相对较高温度的回路与所述水箱的上部相连，相对温度较低的回路与其下部相连。

当分散制冷装置利用带有能量调整部件的多重螺旋回路进行工作时，例如以空调器为例，在夏季将空调器作为制冷装置的情况下，较低温度的水由温度较低的回路中取出，用于冷却冷凝器中的制冷剂，经冷凝器加温后排放的水回馈到温度较高的回路；在冬季将其用做加热器时，较高温度的水由温度较高的回路中取出，用于加热蒸发器中的制冷剂，经蒸发器降温后的排放水回馈到温度较低的回路。

这样，在所述空调器的情况下，虽然回路水温有某种波动，但在所述温度较高和较低的各部件回路中基本可保持恒温区，可保持热平衡状态。

当有许多利用冷源工作的分散制冷装置时，由低温回路中取出的水量将增多，在部件回路间将产生热不平衡(即部件回路间的温差比预定范围过高或过低)。为保持部件回路间的平衡(使部件回路间的温差处于预定范围)，需要回收和利用其它装置的废热来运行吸收式或吸附式制冷机等装置以产生低温热量(低温水)，将低温热量供给低温回路以保持各部件回路间的热平衡。

这样，在本发明的上述结构下，可利用两个或多个具有基本恒温温度区的部件回路进行热量的吸收和排放，从而与现有技术中具有分立式气冷或水冷制冷装置的空调器比较起来，可使空调器的尺寸减小。此外，通过降低制冷剂的冷凝器出口温度，可提高其COP(运行系数)，由于无须使水在回路中强制循环，因此可大大减少水循环所需的能源消耗。

在两重螺旋回路的结构下，螺旋回路由20摄式度的低温回路和25摄式度的高温回路构成，二者间的温差为5摄式度，其中的水温接近空气温度且基本不受空气温度变化的影响。当空调器作为制冷装置运行时，如果利用低温回路20摄式度的水对冷凝器中的制冷剂进行冷却，空调器的COP比空冷到50摄式度的情况将成倍提高。

当采用吸收式制冷机产生20摄式度低温时，如果利用低温回路20摄式度的水，COP在单效应吸收式制冷机的情况下，COP可由0.7提高到1.0；在双效应吸收式制冷机的情况下，COP可由1.2提高到1.5。当采用吸附式制冷机产生20摄式度的低温时，COP可由0.6提高到0.8。

在系统主要用于空调的情况下，本发明局域热能互补系统最好采用包括20摄式度和25摄式度两个温度区的两重螺旋回路作为常温主螺旋回路，将一些两重螺旋回路相互连接起来构成螺旋回路网络。

在将螺旋回路用于食品加工厂的情况下，由于食品加工一般需要的温度为0-40摄式度，因此需要配置一个具有0-15摄式度温度区的辅助螺旋回路，以将水由所述常温主螺旋回路中取出、利用吸收式或吸附式制冷机的热转换功能对其进行冷却和将其馈送到所述辅助螺旋回路，从而提高热效率。更具体地说，需要构建一个包括两个温度区、其间温差为5-8摄式度的两重螺旋回路，在温度较低的回路中充以0-7摄式度的水，在温度较高的回路中充以5-15摄式度的水，所述辅助螺旋回路与常温主螺旋回路通过可在所述两个螺旋回路间进行热传递的能量调整部件相连。

在易于获得企业同意的地方，可将所述主螺旋回路铺设在厂区；而在商业区和工业区之间存在利益冲突的地区，可将主螺旋回路铺设在经相关利益集团协商同意的各个局域，再将各主螺旋回路通过可在回路间进行热交换的能量调整部件在热力学上连接起来，形成串联或枝节形网络。

在各区铺设完所述常温主螺旋回路并将它们在热力学上通过可在各主回路间进行热交换的能量调整部件连接成网络后，在无须循环泵的情况下，即可将热量由一个主螺旋回路传递到另一个临近的主螺旋回路。

上述结构在热传递方面具有一些优点。例如，利用配置在各主螺旋回路间能量调整部件的热转换功能，可将低温热量(低温水)由配置在发电厂和工业密集的、具有大量低温热源地方的主螺旋回路传递到低温热源缺乏的商业区主螺旋回路，这种热传递可能经过配置在两区之间的中间区域的另外主螺旋回路，同时使各螺旋回路保持热平衡。

在进行所述各主螺旋回路间的热连接时，最好将一些螺旋回路配置在中心主螺旋回路的周围，形成卫星螺旋回路群，并通过可在各主螺旋回路间进行热传递的能量调整部件将它们在热力学上连接起来，或者将另一个主螺旋回路或卫星螺旋回路群与所述卫星螺旋回路群在热力学上连接起来，通过所形成的连接工厂、商业和居住区分散冷源和热源、以及建筑物分散制冷装置的多个网络回路来进行中心控制。

最好在一个区域内配置一个主多重螺旋回路和一个辅助多重螺旋回路，并通过可在它们之间进行热传递的一个能量调整部件将它们在热力学上连接起来。

在食品加工业等主要需要进行低温处理的地区，在承担整个地区供暖的常温主螺旋回路外，最好配置一个温度区与其不同的辅助螺旋回路，并通过能量调整部件将二者在热力学上连接起来。

关于辅助螺旋回路的温度控制，低温冷源水的供给通过吸收式或吸附式制冷机的热转换功能进行控制，高温热源水的供给通过热泵进行控制，主螺旋回路与辅助螺旋回路间的热连接通过热交换器或热泵进行控制。

附图说明

图1为本发明局域热能互补系统的原理框图，表明多重螺旋回路的始端与终端相连构成一个无端头多重螺旋回路，(A)表明形成两重螺旋回路的情况，(B)表明形成三重螺旋回路的情况。

图2为本发明水箱跨越回路局域热能互补系统的原理框图，(A)表明形成两重螺旋回路的情况，(B)表明形成三重螺旋回路的情况。

图3为本发明局域热能互补系统安装于一个地区内的实施例，(A)表明安装在商业区的情况，(B)表明安装在工业区的情况。

图4原理图表明本发明局域热能互补系统第二实施例的基本概念，(A)为原理框图，(B)表明通过(A)所示两重螺旋螺旋回路供给冷热水使空调器工作时热能的传递和接受情况，(C)表明通过热回收供给冷水的情况。

图5为图4局域热能互补系统的原理框图。

图6(A)表明图5中能量调整部分的工作情况，图6(B)表明应用于图6(A)调整的不平衡检测方法。

图7为图5局域热能互补系统的一个实施例。

图8为图5局域热能互补系统安装于一个食品加工厂厂区的实施例。

图9为图5局域热能互补系统在应用目标区范围扩大时的一个实施例。

图10表明图5局域热能互补系统的多个两重螺旋回路相互串联的情况。

图11原理框图表明现有技术中的局域供暖和制冷系统。

具体实施方式

现将结合附图详述本发明的最佳实施例。在此应当指出，除特别说明外，所述实施例中各构件的尺寸、材料、相互配置关系等仅具有举例说明的意义，不具有限制本发明范围的含义。

图1为本发明局域热能互补系统的原理框图。将一个管道如图进行两重弯转形成如图所示两重无端头两重螺旋回路1，两重螺旋回路(管道)1埋在道路和房屋、商业区或工业区的地下，回路中充水。在图1(A)中，分散配置的制冷装置(分散冷源)14和分散配置的热源装置(分散热源)13同所述回路相连，位置较低的回路12中的水保持在20摄式度的较低温度，位置较高的回路11中的水保持在25摄式度的较高温度。

螺旋回路中的水停留在回路中，并不采用泵使其循环。因此，不存在因回路中水循环而产生的热传递。回路中不同区域的水温是不同的。冷源装置14和热源装置13在热力学上同所述两重回路相连，从而在两重回路间形成旁路41，可同回路11或12进行热量交换，从中吸收热量或向其排放热量。

更具体地说，制冷空调器等分散冷源14可由具有较低温度的回路12吸收低温并将其废热排放到具有较高温度的回路11，两一方面，分散热源装置13可由具有较高温度的回路11中吸收热量并将其废热排放到具有较低温度的回路12中去。每一旁路中的热流在两个回路间是单方向的。

这样，分散冷源14排放的废热和分散热源13吸收的热量总是排放到具有较高温度的回路侧11或由其吸热，分散冷源14吸收的低温和分散热源13排放的低温热量总是排放到具有较低温度的回路侧12或由其吸收低温。

因此，通过20摄式度和25摄式度回路区中的热扩散和补充，在所述具有较高和较低温度的两个回路的任何一个回路中都可保持热平衡。

热源能量调整部件20(热泵或热交换器)配置在两个温度区的交界处，旁路42与能量调整部分20的每个边界相连，从而当部件回路11和12之间产生热不平衡时可对温度区的温度进行调节。例如，调整部件20可从25摄式度温度区取出部分水而使其冷却到20摄式度，然后再将取出的水回馈到25摄式度温度区，或者从20摄式度温度区取出部分水而使其加温到25摄式度，然后再将其回馈到20摄式度温度区。

部件回路11和12的数目可据情任意决定。例如，在图1(B)中，适当配置了经三次盘弯的三重螺旋回路，位置最低的回路12A构成15摄式度温度区，中间的回路12构成20摄式度温度区，最上边的回路11形成25摄式度温度区。

在这种结构中，如果分散配置的空调器13A和14A在夏季需要低温而在冬季需要加热时，则适于将旁路连接配置在15摄式度的低温回路12A与25摄式度的高温回路11之间。当空调器等设备要求总是处于20-25摄式度温度时，例如在医院或其他要求恒温的场所，则适于将旁路连接配置在20摄式度的中温回路12与25摄式度的高温回路11之间。当溜冰场空调器等装置要求总是处于15-20摄式度时，则适于将旁路连接配置在15摄式度的低温回路12A与20摄式度的中温回路12之间。

在这种情况下，能量调整部件20(热泵或热交换器)配置在15摄式度的低温回路12A与20摄式度的中温回路12之间，能量调整部件20A配置在20摄式度的中温回路12与25摄式度的高温回路11之间。

图2表明另一个实施例，其中能量调整部件为一个水箱200，多重螺旋回路的结构形式为平行回路。在两重螺旋回路中，上面的部件回路11构成相对温度较高的温度区，下面的部件回路12形成温度较低的温度区，如图2(A)所示。在三重螺旋回路的结构中，相互基本平行的部件回路11、12和12A分别构成高温、中温和低温区，如图2( )所示。

为使每个温度区的温度保持基本恒温，需要通过旁路41在热力学上将冷源14和热源13同所述多重螺旋回路的两个具有不同温度的部件回路连接起来，以便使它们之间发生如上所述的热量交换。

这样，通过旁路41，分散冷源14的废热排放和分散热源13的热量吸收总是与高温回路侧相联系，分散冷源14的吸收低温和分散热源13的排放低温总是同低温回路侧相联系，因不同温度回路区内的热扩散和补充，在不同温度区的部件回路11、12和12A中可保持热平衡。

在图2(A)所示的两重回路结构中，具有25摄式度的相对较高温度的回路11与水箱200的上部200A相连，其中的水温为25摄式度；具有20摄式度的较低温度回路12与水箱200的下部相连，其中的水温为20摄式度。当部件回路11和12间产生热不平衡时，由于水的比重将在不同温度下产生变化，温度分布的变化可对所述热不平衡产生调整作用。

也就是说，如图2(A)所示，当向25摄式度的较高回路排放的热量过多时，25摄式度温度区与20摄式度温度区之间的界面201下降，当向20摄式度的较低回路排放的低温过多时，25摄式度温度区与20摄式度温度区之间的界面201上升。界面201由传感器202进行监测。

分散冷源14可能是用于空调的热泵，或者是工厂中用于冷凝或冷冻的设备。图中未画出的蓄热装置可配置在所述两重螺旋回路1中，以便在四季中对热能进行有效的控制。

在图2(B)所示的三重螺旋回路结构中，分散冷源/热源装置13A和14A在冬季可由高温回路11吸收热量，在夏季可由低温回路12A为其冷凝器吸收低温，从而对店铺、商场、住房和建筑物进行空调。可为热源13A和14A提供两个或一个旁路管道，用于根据季节控制水流的开关。

在图1(B)和2(B)的结构配置下，在冬季，空调器13A和14A通过旁路41由高温回路11吸收25摄式度的高温水以形成热源，然后将冷却后的废热馈送到低温回路12A。在夏季，它们通过旁路41由低温回路12A吸收15摄式度的低温水以形成冷源，然后将废热排放到高温回路11。这样，低温回路12A冷源侧的温度降低而高温回路11热源侧的温度上升，从而在多重螺旋回路中产生由低温回路侧12A向高温回路侧11的热传递。

由于高温回路侧11和低温回路侧12A的总热能总是保持不变，因此在不需要空调的春秋季节，高温和低温回路11和12A中的热源水保持大致相等的热量。

通过旁路41可接受焚化炉、工厂和小型发电厂联合发电系统等排放的废热。这些热源排放的废热可被再次利用，例如用于驱动吸收式或吸附式制冷机，由这些机器获得的15摄式度低温在需要时可供给低温侧回路12A。

如上所述，能量调整部件配置在多重螺旋回路1，热泵位于其中，以对因空调器供暖和制冷运作产生的热平衡偏移进行互补。

当进行制冷时，通过旁路41由低温回路12A吸收低温热量，而废热被回馈到高温回路11，所以，低温回路12A中的冷源降低，高温回路11中的热源增加。所增加的热源经热泵冷却后回馈到低温热源侧以使两源达到热平衡。

当进行加热时，由高温回路侧11吸收热源，而所产生的低温热量回馈到低温回路12A，所以，热源减少而冷源增加。所增加的冷源经热泵加热后回馈到高温热源侧以使两源达到热平衡。

图3表明本发明局域热能互补系统安装在某处地方的一个实施例，(A)表明位于商业区的情况，(B)表明位于工业区的情况。

如图3(A)所示，本发明局域热能互补系统安装于一个商业区，区内包括大厦、购物中心、便民店、公寓住宅等建筑和设施。在这些建筑和设施中，配置有空调热泵、橱窗冷却装置、吸收式制冷机等分散制冷装置14和输出为30-80KW的燃料电池、小型燃气透平等热源装置13。

弯转两圈、形成无端头管道的两重螺旋回路1埋在上述设施之间的地下。

在所述实施例中，温度较低的20摄式度的水充填在第一圈较低的部件回路12之中，温度较高的25摄式度的水充填在第二圈较高的部件回路11之中。停留在螺旋回路1中的水不通过泵进行循环，每个部件回路构成一个不同的温度区。

在热力学上，所述每个分散的制冷装置14和分散热源装置13通过旁路41同两个部件回路相连，并进行着吸收和排放低温或热量的运行工作。

当部件回路间出现热不平衡时，通过多重螺旋回路的能量调整部件(热泵201和热交换器)对其进行调节。例如，将部件回路11中过多的25摄式度的水取出并冷却到20摄式度后再回馈到20摄式度的部件回路12。

部件回路12、11的具体数目可据情决定。例如，可配置弯转三圈的三重回路，最低的回路12A构成15摄式度温度区，中间的回路构成20摄式度温度区，顶层回路构成25摄式度温度区。

图3(B)表明安装在工业区的一个实施例。在热力学上，每个分散制冷装置14和分散热源装置13通过旁路管道41同两个部件回路相连，并进行着吸收和排放低温或热量的运行工作。

能量调整部件20与蒸发器/冷凝器205相连。能量调整部件20由蒸发器/冷凝器吸205收热量或向其排放热量。例如，能量调整部件20可由部件回路11取出过多的25摄式度的水并将其冷却到20摄式度，然后再将其回馈到20摄式度的部件回路12；或者由部件回路12中取出过多的20摄式度的水并将其加热到25摄式度，然后再将其馈送到25摄式度的部件回路11。

图4表明一个两重螺旋回路1的结构，(A)表明原理结构简图，(B)表明利用(A)所示两重螺旋回路供给的冷源或热源水运转空调器时热量的传递和吸收，(C)表明利用热量的回收和再利用供给冷源水的情况。

如图4(A)所示，在两重螺旋回路1的高温回路11和低温回路12中分别充填有适当温度的热源和冷源，部件回路11的开端与部件回路12的终端相连构成一个无端头的两重螺旋回路1，它与分散配置在其回路系统内的制冷装置和热源装置一起构成一个局域热能互补系统。

通过从不同温度的两重螺旋回路中接受热量和向其排放热量来实现局域供热和制冷的情况如图4(B)所示。

当进行制冷时，如图4(B)中制冷工况所示，低温回路12的低温冷源水通过旁路41被取出和用于冷却作为制冷装置的分散冷源14的冷凝器14A，如图中黑色实线箭头所示，冷却冷凝器14A后的温升水回馈到高温回路11，如图中空心箭头所示。这样，低温回路12中的低温热源水将因这种应用而减少一定的数量，高温回路11中的高温热源水将增加相应的数量，热源水的总量不变，但温度边界20A的位置发生了变化。

当进行加热时，如图4(B)中加热工况所示，高温回路11的高温热源水通过旁路41被取出和用于吸收作为加热装置的分散热源装置13的蒸发器13A中制冷剂的蒸发潜热，如图中空心箭头所示，经蒸发器13A冷却后的水回馈到低温回路12，如图中黑色实线箭头所示。这样，高温回路11中的高温热源水将因这种应用而减少一定的数量，低温回路12中的低温热源水将增加相应的数量，热源水的总量不变，但温度边界20A的位置发生了变化。

能量调整部件20用于监测温度边界位置的变化，当产生的热不平衡变化超出一定范围时，通过吸收式或吸附式制冷机17向回路供给高温或低温热量，以修正温度边界的位置变化。

采用所述吸收式或吸附式制冷机17向低温回路12供给低温热量作为温度平衡手段的过程如图4(C)所示。

如图4(C)所示，采用了废热16驱动的具有热转换功能的吸收式或吸附式制冷机17，通过制冷机17经旁路管道41由高温回路11获得低温热源水并将其回馈到低温回路12，从而可利用废热16在螺旋回路中获得热平衡。

如上所述，局域内分散热源装置排放的热量将被本发明两重螺旋回路回收和进行再利用。经热变换所获得的热量被封闭在埋入局域地下的两重螺旋回路1的高温和低温回路11和12中，沿螺旋回路配置的冷源装置14通过经旁路管道获得的部件贿赂间的热量而进行工作。因此，在无须采用能源使低温和高温热源水在管道中循环的情况下可实现局域热能的供应。

图5为图4局域热能互补系统的系统结构图，图6(A)表明图5中能量调整部件的工作状况，图6(B)表明用于图6(A)能量调整的不平衡检测方法。

所述能量调整部件20通过旁路管道41与两重螺旋回路1相连，并跨接于高温回路11的开头与低温回路12的终端之间，如图6(A)、(B)所示。在其两端具有温度界面20A。如图6(B)所示，温度界面20A的变化由位于每一温度界面20A两侧的温度传感器S1和S2进行检测，热泵19的工作使高温和低温回路11和12达到热平衡。

如图6(B)所示，当温度界面20A按箭头A所示方向移动时，传感器S1检测低温热源水的增加量，当其按箭头B的方向移动时，传感器S2检测高温热源水的增量。与所述增量相应以获得热的平衡。

在图9的每个能量调整部件35A、35B、35C、36A、38A和39A及图10中的每个能量调整部件42、43和44中，当螺旋回路的温度界面20A的变化超过预定范围时，螺旋回路中将缺乏低温热源水，具有热转换功能的吸收式或吸附式制冷机17将在分布于局域内的废热作用下工作，并利用在相邻螺旋回路的高温和低温热源水之间进行热交换的热交换器19，如图6(A)所示，通过旁路管道43取水以冷却相邻螺旋回路的高温热源水并将冷却水供给所述缺乏低温热源水的螺旋回路，从而可保障区域内无故障热能供应。

热泵19用于限制相邻两重螺旋回路中低温热源水量的过分增加。

图7为图5局域热能互补系统的一个实施例。所述局域热能互补系统包括：一个包括高温回路11、低温回路12和能量调整部件20的两重螺旋回路1；一些废热排放装置16；利用所述废热排放装置所排放的废热供给低温热源的热转换部件15；以及各种负载，包括空调21、冷冻22、冷藏24、制冷25和包括夜间低温蓄热26A的深冻26。

当大多数负载为这种冷却/制冷性负载时，每个负载将需要使用大量的低温热源。为满足这种需求，需要利用废热排放装置16所排废热的吸收式或吸附式制冷机总是处于工作状态，使高温热源冷却并回馈到低温回路12。

当尽管有低温热源的供给而在高温和低温热源间仍产生过度不平衡时，可由热交换器17和热泵19根据能量调整部件20的指令对其进行调节。

图8为图5局域热能互补系统安装在食品加工厂厂区内的一个实施例。在用于食品加工厂的情况下，总负载的28％与空调21相关，4％与冷冻22相关，3％与冷藏24相关，5％与制冷25相关，53％与深冻26相关。制冷负载所占的比重非常高。为节省能量消耗，除了采用图5和图7所示包括25摄式度的高温回路和20摄式度的低温回路的主螺旋回路外，还采用了包括充以12摄式度高温热源水的高温回路31和充以7摄式度低温热源水的低温回路32的辅助两重螺旋回路30。配置上述结构的辅助回路30局限于具有上述负载性质的工厂区。

主回路的20摄式度低温热源水12E经吸收式或吸附式制冷机17冷却后馈送到辅助回路30。

图8表明利用焚化炉16A的废热16处理吸收式或吸附式制冷机17所用吸收液16E的处理过程。焚化炉16A的高温燃气被引入加热装置16D和废热锅炉16B。水经加热器16D加热后获得吸收液16E。锅炉16B中产生的蒸汽驱动蒸汽透平(图中未画出)，再由蒸汽透平驱动发电机16C。

图9为图5局域热能互补系统在应用区扩大时的一个实施例。

如图所示，随着区域的扩大配置了另外的主回路2、3、4、5、6、7，相应地需要在主回路1和主回路2、4和7之间分别配置能量调整部件35A、35B和35C，，在主回路2和3之间、4和5之间和5和6之间分别配置能量调整部件36A、38A和39A，以便将上述主回路在热力学上连接起来。即在一个区域内配置一个适当的主回路，然后随着区域的发展和扩大增加配置另外的主回路，并通过能量调整部件将两个主回路分别连接起来。每个能量调整部件的结构和功能与图6所示相同。

图10表明多个图5所示局域热能互补系统的两重螺旋回路1A、1B和1C相互串联、形成链条型结构。充以大量低温热源水的主回路1A铺设在产生大量废热的发电厂和工业区，平均充以高温和低温热源水的主回路1B铺设在中等工业区，主回路1C铺设在需要使用大量低温热源水的商业区。主回路1A通过能量调整部件42与主回路1B相连，主回路1B通过能量调整部件43与主回路1C相连，能量调整部件44与主回路1C相连。热量通过能量调整部件42、43和44顺序传递，使每个回路达到热平衡。

按这种方式将各主回路连接起来，可有效利用现有设备和使一个区域产生的热量传递到另一区域。

本发明的效果

以上祥述了本发明局域热能互补系统的结构，以下将说明其应用效果：

A、通过构建一个环型的供给热源水的区域回路和将所述热源水供给沿回路管线分散分布的制冷装置，通常分散装置的少量废热可得到回收和用于产生空调热泵所需的热源水，可在无须提供较大规模的热能互补系统的情况下提高热能的供给效率。

由于热源水封闭在由一个管道所组成的多重螺旋回路中，热源水在管道中的运动很小，基本不需要驱动水进行运动的电源能量，从而可提供总效率。

B、分布在区域内的热源热量可获得再利用，通过热转换获得的热量可供给多重螺旋回路，例如供给包括高温和低温回路的两重回路，封闭在螺旋回路中的热量可由沿螺旋回路管线分布的制冷装置中取出或向其排放，使得在无须电源驱动热源水在回路中循环的情况下实现区域内热能供给。此外，高温和低温热源水保持在低于夏季气温的25摄式度和20摄式度的恒温且各温度下的水可以分别进行利用，从而降低了系统的建设成本并可明显节约能量消耗。

C、为充以高温和低温热源水的多重螺旋回路提供了能量调整部件以维持不同温度区水间的热平衡，所述能量调整部件具有控制和热转换功能，利用能量调整部件可实现螺旋回路间的热平衡，并且可将几个区域内的多个主螺旋回路在热力学上连接起来，形成局域热能互补系统的网络结构。

Claims (19)

1、一种包括多重螺旋回路的局域热能互补系统，所述螺旋回路中充填的液体或水浆流体不必用泵进行强制循环但可形成不同的部件回路温度区，分散冷源和热源在热力学上与所述多重螺旋回路相连，使得热量可在各个所述部件回路之间进行吸收和排放。

2、如权利要求1所述局域热能互补系统，其中所述每个分散冷源和热源通过跨过两个不同温度区液体的部件回路的热转换装置和旁路管道在热力学上相互连接。

3、如权利要求1所述局域热能互补系统，每个分散冷源和热源装置在热力学上同所述多重螺旋回路相连，使得它们可通过跨过两个不同温度区液体的旁路管道在两个不同温度区部件回路间进行热量的吸收和排放。

4、如权利要求1所述局域热能互补系统，其中所述多重螺旋回路的始端和终端相连，形成无端头的多重螺旋回路。

5、如权利要求1所述局域热能互补系统，其中配置有一个与所述部件回路跨接的水箱，以将它们连接成一个无端头的多重螺旋回路。

6、如权利要求1所述局域热能互补系统，在所述多重螺旋回路为两重螺旋回路时，一个所述部件回路形成相对较高的温度区，另一个部件回路形成温度较低的温度区。

7、如权利要求1所述局域热能互补系统，在所述多重螺旋回路为三重螺旋回路时，各部件回路按序分别形成相对高温、中温和低温温度区。

8、如权利要求3所述局域热能互补系统，在所述旁路管道中的单向热流的方向根据与所述多重螺旋回路相连的热源装置的工况和运行目的所决定。

9、如权利要求1所述局域热能互补系统，能量调整部件配置在所述多重螺旋回路各部件回路温度边界区的跨接处，用于调节热失衡。

10、如权利要求9所述局域热能互补系统，其中所述能量调整部件为所述局域热能互补系统内的一个热泵或热交换器，在所述局域热能互补系统中，多重螺旋回路的始端和终端相连以形成一个无端头的多重螺旋回路。

11、如权利要求9所述局域热能互补系统，其中所述能量调整部件为一个跨接于部件回路间的水箱，所述高温部件回路(11)与所述水箱的上部相连，所述低温部件回路与所述水箱的下部相连，在所述局域热能互补系统中，所述水箱跨接于部件回路间并将它们连接成一个无端头的多重螺旋回路。

12、如权利要求1所述局域热能互补系统，其中由所述分散热源装置排放的热量，根据冷却温度，由接入温度较低的部件回路中的热泵或者吸收式或吸附式制冷机进行冷却。

13、如权利要求1所述局域热能互补系统，在两重螺旋回路的情况下，所述两重螺旋回路为包括两个部件回路的常温主回路，所述两个部件回路分别构成19摄式度温度区和26摄式度温度区，二者温差为7摄式度。

14、如权利要求1所述局域热能互补系统，在所述系统应用于食品加工厂区域时，在所述常温主回路外配置一个两重螺旋回路作为辅助回路，所述两重螺旋辅助回路包括一个0-10摄式度的低温部件回路和一个比其高5-8摄式度的高温部件回路，利用吸收式或吸附式制冷机或者热泵来获取所述温度。

15、如权利要求1所述局域热能互补系统，其中有多个两重螺旋主回路配置在多个地域以形成链式回路组，所述每个两重螺旋主回路通过能量调整部件在热力学上相互串联或形成分支网络结构，所述螺旋主回路在所述能量调整部件中进行彼此间的热传递。

16、如权利要求1所述局域热能互补系统，其中由所述分散热源装置排放的温度高于高温部件回路中流体温度的流体，根据其排放温度，通过接入低温部件回路的热泵或者吸收式或吸附式制冷机进行冷却。

17、如权利要求15所述局域热能互补系统，其中所述多重螺旋回路包括配置在各区域内的多个两重螺旋主回路，每个所述螺旋主回路通过能量调整部件相互串联或形成分支网络结构，以便通过所述能量调整部件进行螺旋主回路间的热传递。

18、如权利要求17所述局域热能互补系统，其中所述多重螺旋回路包括主螺旋回路和辅助螺旋回路，所述两种回路通过能量调整部件在热力学上相连，以进行两回路间的热传递。

19、如权利要求15所述局域热能互补系统，其中所述每个能量调整部件具有在热力学上将相邻两重螺旋回路连接起来的功能，并通过配置在相邻两重螺旋回路间的热泵或热传递手段对回路提供热控制，以控制低温热源流体或高温热源流体的供给量。

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