專利名稱：熱能分配系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱能分配系統，其中一種為建筑物供熱和/或制冷而載入載熱體和集中產生的熱能，被安排成通過一個管道或一組管道而分配到建筑物的供熱設備，并且制冷能量被相應地安排成通過另一管道或另一組管道而分配到制冷設備。
在許多國家，建筑物通常由大型集中供熱廠產生的區域熱量來供熱，同在每個房屋都有一個鍋爐的情況相比，它便宜且對環境危害小。例如，在象這樣一些大型供熱廠中，煙氣中所含雜質能夠用合理的成本有效地加以去除。在大型供熱廠中，產熱效率明顯高于小規模供熱廠，并且大廠的維修與運行成本也低于小廠。
當聯合發電與產熱時，產熱特別便宜；借助來自汽輪機的冷凝熱而得到熱量，從而在某種意義上不用任何花費。在只發電的工廠中，使用從水路或專用冷凝塔得到的水來冷凝從汽輪機排出的蒸汽；而在聯合發電與產熱廠中，它能夠用區域供熱系統的回水來冷凝，該系統在受熱狀態下可用于建筑物供熱。
今天的建筑物通過一個管道網，不但接收供熱功率，而且接收制冷功率。在氨壓縮廠，用吸熱泵、海水冷卻器或類似設備來冷卻水。通過一個供應管道把冷水泵送到建筑物，在此冷卻通風空氣和輻射冷卻器或類似設備，并在受熱后送回中央冷卻廠。這樣作的一個目的在于去除那些引起臭氧消耗的冷卻劑。
加熱與冷卻需求隨建筑物而異，正如電網中電力需求一樣。不用說，必須按照最大需求來設計用于能量生產和傳遞的設備，這自然是不經濟的。其他后果有生產不經濟，低于能量生產的最大效率，電與熱之間產生比率惡化等。尤其不利的是不同的短期負荷峰值對于冷卻需求，例如在少數夏日午后達到峰值；而對于供熱需求，有所謂星期一上午峰值，當使周末下降的室溫回升到辦公室等所需正常值時，它發生于供熱時期。為了削減這些電力需求高峰，就必須例如在燃氣輪機工廠(甚至涉及反壓動力廠)，在負荷高峰期間用冷卻水冷凝額外熱能。
使用通常安排成與能量生產廠相連的不同貯熱器，即所謂蓄熱器和冷卻槽，可克服上述缺點。例如，用冰槽或冷水貯備器來調節冷卻負荷，用甚至具有幾千立方米容量的蓄熱器或類似設備來調節供熱負荷。也能夠用這種方法通過存貯高峰期間產生的額外熱量，來調節電力使用中的高峰。
因為貯熱器自然需要大投資，故其峰值拉平效果受限制。由于能量傳遞網在任何情況下都必須按照峰值負荷來設計這一事實，而使在電廠安置貯熱器的經濟性進一步降低。這樣，在能量生產廠安裝貯熱器就未能廣泛應用。
在建筑物中安置貯熱器提供另一種解決問題的方法。熟知的這種貯熱器有用于熱來自水的鍋爐和所謂房屋貯熱器，它們存貯用夜間電力產生的熱量。這樣一些貯熱器未廣泛應用，或者因為很自然，建筑者難以理解它們對生產和分配能量的復雜過程的全面影響，或者因為最重要的是，難以證明它們對能量生產者和分配者的效果。此外，一套熱裝置所需投資大。
限制聯合產生供熱與制冷能量的原因是，在聯網的建筑物中，由于同其他建筑物相比，建筑物或房屋的位置、熱負荷、使用情況等不同，造成同時需要供熱功率與制冷功率。這樣，這些系統就需要用于供熱和制冷的供應管道和返回管道，即總計4個管道。
為降低成本，現有技術已開發了一些不同的系統。這類系統的一個實例是在芬蘭專利申請921,034中公開的建筑物用的熱傳遞系統；通過該系統，能夠顯著降低區域供熱系統中回水的溫度，需要時可降到約20℃。該系統的基本思想是載熱體先為建筑物供熱而放熱，然后為通風空氣而放熱。
本發明的目的在于提供一種系統，用它能夠解決現有技術的問題。這是用本發明的系統來實現的，其特征在于把從冷卻設備和供熱設備返回的載熱體溫度調節到大體上相等，還在于通過一個公用返回管道或一組返回管道，把載熱體安排成返回能量生產廠。
本發明的主要優點在于早先所用的四個管道之一能夠省去，從而所需投資明顯低于現有技術。同現有技術系統相比，省去一個管道沒有明顯降低系統的特性或性能。本發明的另一個優點是，通過某種應用，一個特別大的蓄熱器變成可能，并特別適用于(完全不用任何費用)拉平熱量消耗峰值。此外，本發明還有可能使管道明顯減少，從而幾乎不用任何花費就得到冷卻能量分配所需的管道系統。本發明的基本思想能夠用于建造一些具有各種能量級位的包括管道配置在內的管道系統；因此，從一個系統返回的液體能夠用作另一系統中的有效液體。總之，使用本發明可明顯降低聯合系統的成本，并且更有效地利用能量。
下面參照按附圖的實施例更詳細地敘述本發明，其中
圖1說明芬蘭三個不同地方的溫度持續曲線；圖2說明一個根據本發明的制冷期間的系統的一個實施例；圖3說明一個沿圖2線III-III截取的截面圖；圖4說明供熱期間的圖2的系統；圖5說明一個沿圖4線V-V截取的截面圖；圖6說明一個根據本發明的系統的第二實施例；圖7說明一個沿圖6線VII-VII截取的截面圖；圖8說明一個根據本發明的系統的第三實施例；圖9說明一個沿圖8線IX-IX截取的截面圖；圖10說明一個根據本發明的系統的第四實施例的截面圖。
事實上，本發明基于觀察加熱和冷卻需求高峰并不重合。圖1說明芬蘭三個不同地方的室外空氣的溫度持續時間曲線，這是根據1961至1980年期間所作氣象觀測作出的。曲線1根據在赫爾辛基一萬塔機場氣象觀測所進行的測量。曲線2根據在于瓦斯居拉機場進行的類似測量。而曲線3根據在羅瓦涅米機場進行的測量。
在設計供熱設備和熱傳遞網中所用的溫度是赫爾辛基為-26℃，于瓦斯居拉為-32℃，和羅瓦涅米為-38℃。如果為簡化而假設，建筑物的熱量需求正比于室內外的溫差，并且室內溫度為+22℃，則確定何時建筑物的熱量需求已降到設計熱量需求的一半是簡單的。圖1中這些室外溫度值如下赫爾辛基為-2℃，點1a；于瓦斯居拉為-5℃，點2a；和羅瓦涅米為-8℃，點3a。實際上，情況沒有這樣簡單，因為建筑物中始終需要熱自來水，并且熱水對總熱量消耗的比例隨建筑物類型而異。例如通過減小通風系統的氣流，可削減消耗峰值。還有，甚至根據上述簡化介紹，也有可能認為平均來說，到室外溫度接近+10℃時，建筑物的熱消耗一定已降到小于一半。
用外部能量冷卻建筑物的需求是差別很大的。在住宅中，很少需要冷卻；在老式辦公室中，在+18℃到+20℃的溫度下可能變成需要制冷；在有大量人員和大量所謂新技術的建筑物中，當室外溫度為+12℃到+16℃時，可能變成需要制冷。某些建筑物，例如教學大樓，在最大需求期間由于夏天假日而或者根本不用或者只使用少量。平均說來，在約16℃(圖1中線A和點1b、2b與3b)，可能變成需要制冷；并且用這種方式估計，要到約22℃，制冷才達到50％的水平。
總之，在供熱需求與制冷需求超過50％時的室外溫度之間的差別是如此之大(明顯高于10℃)，以致于分配網的返回管道由于同時使用而不能過載。當作為一個整體而考慮該網時，差別是如此之大，以致于連不專門需要供熱能量與制冷能量的建筑物也不能改變居住區的整個狀況。
上面是關于芬蘭溫度持續時間的討論。它同樣適用于必須對建筑供熱與制冷的全部氣候區域。圖1中虛線是關于丹麥的持續時間曲線。能夠看出，圖形總性質不變。在歐洲大多數地方，確定返回管道大小的決定性因素是供熱需求，但例如在意大利北部，則是制冷需求。
本發明的簡單基本思想是供熱和制冷水的返回溫度被設計成相等，并且供熱水和制冷水都通過一個公用返回管道而返回。因此，省去一個返回管道。
下面參照圖2至10更詳細地描述根據本發明的系統的操作和可能的實施例。
圖1至4說明一個網絡，其中用于供熱與制冷功率的水流在設計情況下相等。圖2和3說明在制冷時期的狀況。在管道10中，有用于產生熱自來水的加熱水流動，并且在春天和秋天，還用于對建筑物14供熱。在管道30中，有冷卻水流動。管道20是一個公用返回管道，它必須如此設計，以致于它能夠一方面容納最大供熱需求的水流，另一方面容納最大制冷需求的水流，還能加上熱自來水生產所需的水流。制冷設備和供熱設備用標號15和16表示。加熱水通過支管10a供給供熱設備16，冷卻水通過支管30a供給制冷設備15。加熱水通過返回支管20a返回到返回管道20，而冷卻水通過返回支管20b返回。
如果熱水管道10和冷水管道30采用尺寸上相等，即直徑均為300mm，則在允許水流速度為1.2m/s情況下，二者水流量均為約305m3/h。如果熱供水溫度為105℃，冷供水溫度為7℃，且二者返回溫度均為25℃；則最大供熱功率為28.4MW，最大制冷功率為約5.7MW。這似乎與芬蘭的城市結構與氣候一致，因為在芬蘭，大多數建筑物沒有制冷系統，這是因為其制冷時期很短，冬天又確實冷。在南方，制冷需求可能成為決定性因素。
在設計返回管道20時，必須考慮熱自來水的需求，從而在上述假設情況下的制冷狀態是決定性的。如果假設熱自來水平均占日常供熱功率的20％，則回管中水流量為366m3/h，且回管直徑為330mm。另一方面，如果要求全部管道具有相同的尺寸，則冷卻水溫度應為約3.5℃，或最大冷卻功率為約4.8MW。在任何情況下，都只需為冷卻劑附加一個管道。
圖4和5說明上述實施例在冬天怎樣操作。為對建筑物14供熱和生產熱自來水而通過熱水管10供應具有100°到115℃溫度的水。通過回管20使水返回。因為不需要制冷，故冷水管30不用。
如果冷水管30按圖6所示方式，由一個旁通閥17連通供熱廠的熱水供應管道10，還按圖6由另一旁通閥18連通建筑物14內的熱水供應管道10，然后也能在冬天利用冷水管30。當沒有什么消耗時，例如在夜間或周末，可用熱水裝滿冷水管。然后能夠把這水用于調平高峰負荷。
如果按照以上所述，冷水管30的直徑為300mm，且管長為例如3000mm，則該管能容納212m3水。這足以削減20％的過載達3.5小時之久，如果熱水網的設計功率為28.5MW且溫差為80℃的話。這樣，就有一個相當大的蓄熱器可以幾乎自由地使用；其成本只是由兩個2位置旁通閥17和18引起的成本。上述330mm回管20足以用于全部數量的水。
本發明降低整個供熱廠的設計功率，故經濟效益大。此外，這一附加的功率是預先分配到使用區的，即，能夠為最大功率所需的水流的80％而設計熱水管；而當使用置于動力廠的熱箱時，就不是這種情況。事實上，本發明的系統相當于在供熱廠外面的網絡中設置的一個高峰供熱廠，這類工廠通常用于削減負載高峰。
圖8和9說明本發明的又一個實施例。在本實施例中，根據只在變成需要制冷時才存在的功率以及熱自來水需要的功率，即，根據總計為設計功率的30至35％的功率，來設計熱水管。如果設計制冷功率所需的水流至少是設計供熱功率所需的水流的65至70％，則根據制冷功率需求來設計冷卻水管道30。如果它小于該值，則根據供熱功率來設計管道30。在這種情況下，事實上制冷不需要任何管路容量，因為供熱水管僅被分成兩部分，并且其中一部分是為夏天所需的制冷水而預備的。在制冷所需管道網方面的附加投資是很小的在一個大管道與兩個其截面與大管相等的小管道之間價格上差別很小。其成本是已知系統成本的10至20％。
在圖10所示的實施例中，提供兩種制冷功率。本實施例類似于圖8和9所示的實施例。在管道30中，其流水具有例如+7℃的溫度，是冷卻建筑物所需的；而在管道19中，有較冷的水(例如+2℃)流動，例如用于冷卻食品商店中冷藏器陳列柜。現在管道30能夠作為管道19的回管來操作，因為以5°至7℃的溫度從諸陳列柜返回的水是很適合于冷卻建筑物的。在某種意義上，水如此使用兩次。因此，管道30能夠設計得更小。當然，管道19無需回管。對成本的影響象圖8所示實施例一樣，是較小的，即，能夠用很小的額外成本提供兩種制冷功率。此外，圖10所示實施例還有可能在冬天提供制冷功率。
上述的實施例不用來限制本發明，而能夠在權利要求書范圍內很自由地修改本發明。這樣，應該理解，根據本發明或其細節的系統無需與圖中介紹的一樣，而也可以采用其他類型的解決辦法。例如，一種吸收成套設備或某種其他冷源無需置于動力廠，而可以作為所謂子中心置于管道網中某處，乃至服務于一個相當大的單獨的建筑物，例如醫院綜合體。然后用一個標準的2管系統從熱能形式把能量送到吸收成套設備，并且根據上述情況用一個3管或多管系統進一步傳送能量。這類系統的缺點有區域供熱系統中供水溫度高，以及維修，服務等。
權利要求
1.一種熱能分配系統，其中，為建筑物供熱和/或制冷而載入載熱體和集中產生的熱能被安排成，通地一個管道或一組管道(10)而分配到建筑物(14)的供熱設備(16)，并且制冷能量被相應地安排成，通過另一管道或另一組管道(30)而分配到制冷卻設備(15)，其特征在于把從制冷和供熱設備(15、16)返回的載熱體的溫度調節成大體上相等，并且在于，把載熱體安排成，通過公用的一個回管或一組回管(20)而返回到能量生產廠。
2.根據權利要求1所述的分配系統，其特征在于，用閥門裝置或類似裝置(17)，并且相應地在建筑物或建筑物附近，用一個第二閥門裝置或類似裝置(18)，把用于傳遞制冷能量的一個管道或一組管道(30)連接于用于傳遞供熱能量的一個管道或一組管道，使所述閥門裝置(17，18)處于打開位置時，用于傳遞制冷能量的一個管道或一組管道(30)，能夠用于存貯熱的載熱體。
3.根據要求1和2所述的分配系統，其特征在于，用閥門裝置(17，18)，把用于傳遞制冷卻能量的一個管道或一組管道(30)安排成，用作傳遞供熱能量的一個管道或一組管道。
4.根據權利要求1至3所述的分配系統，其特征在于，把用于傳遞制冷能量的管道分成兩個或多個管道(30，19)，以便傳遞不同溫度的載熱體。
5.根據權利要求4所述的熱分配系統，其特征在于，容納較高溫度液體的管道(30)被安排成，作為一個用于容納較低溫度液體的管道(19)的回管而操作。
全文摘要
一種熱能分配系統，其中用一個管道或一組管道(10)，把為加熱和/或冷卻建筑物(14)而載入載熱體和集中產生的熱能安排成，分配到建筑物(14)的供熱設備(16)；并且相應地用另一管道或另一組管道(30)，把制冷能量安排成，分配到制冷設備(15)。為了降低成本，把從制冷和供熱設備(15，16)返回的載熱體的溫度調節到基本上相等；并且用公用的一個回管或一組回管(20)，把載熱體安排成回到能量生產廠。
文檔編號F24F3/10GK1139477SQ95191327
公開日1997年1月1日 申請日期1995年1月23日 優先權日1994年1月24日
發明者塞普波·萊斯金恩, 印格瑪·羅林 申請人:Abb安裝公司