專利名稱：傳遞供熱與/或制冷能量的方法與系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過熱交換器從熱和冷源分布網絡向建筑物的供熱或制冷網絡傳遞供熱/與或制冷能量的方法。本發明還涉及一種傳遞供熱/與或制冷能量的系統。
在今天，建筑物群通常采用區域供熱，它有利于以電和熱合成生產的方式生成。可以由汽輪機的冷凝熱來獲得熱量，從而，無需任何費用。在只生產電能的冷凝式發電站，這種熱能被浪費了，因為它必須以水冷方式進行冷凝，如用海水冷凝器和在空氣中用冷卻塔。
在夏季，除非生產熱自來水，很少需要熱量。然而，電力在夏天用得幾乎和冬天一樣多。雖然此時不需要用電來照明，但取而代之的，例如，會需要電能來制冷，尤其是在大的建筑物中。所需的制冷能源通常由電通過制冷壓縮機來產生。熱電站在夏天也必須使用，但是所產生的熱量卻被浪費了，即一個熱電站只是象一個冷凝式發電站那樣，不經濟地運行著。
然而，制冷能量也可以由熱水或蒸汽通過稱為熱量吸收泵的裝置來生成，這種泵中最知名的是溴化鋰/水和氨/水的成套設備。因而能夠利用浪費的熱量，并且可以同時顯著減少建筑物中電力的使用。這將從根本上提高一個熱電站利用水平，減少如CO2的散發等。
但是，由于很高的投資費用，區域制冷系統還不夠普及。雖然以這種方式產生的冷氣，其kwh價格比用電力的方式要低，但在那些值得建造區域供暖系統的氣候區，系統工作的小時數非常少，以至于節省下來的費用還不足以負擔建筑物的區域制冷系統、吸收聚合、熱交換器等。比如，在芬蘭，這種系統就因此而未被采用。它們多數用在日本、朝鮮和美國。
芬蘭專利申請921,034公開了一種建筑物中的熱傳遞系統，通過這個系統，如果必要的話，區域供暖系統回水的溫度能明顯地降低到20℃左右。該系統基于這樣的思想，熱量載體首先發熱，加熱建筑物，然后加熱流通的空氣。
同時提交的芬蘭專利申請940,342公布了一種熱量能源分布系統，其中，應用了芬蘭專利申請921,034中的原理，并且制冷和供熱系統中回水的溫度也是同樣設計的，通過它，就有可能為冷水和熱水設置一個通用的回水管道，因此大大降低了分布網絡的費用。它還公布了一個實施方案，通過它，一個區域制冷網絡的費用幾乎可以被忽略，這自然更加有益于區域制冷系統的建造和使用。構造一個制冷系統主要的花費項目是熱交換器，通過它，制冷能量被從區域制冷網絡傳遞到建筑物的制冷水網絡中。由于不同的建筑物或一個建筑物中的不同部分要求同時制冷或供熱，但它們有著不同的功能、位置、內部熱負載、陽光照射情況、使用時間等，所以需要單獨的熱交換器來供熱和制冷。它們在整個區域制冷系統投資費用中所占的比例大約是15％(依據在芬蘭所進行的一個研究)，包括空間和安裝費用。上述研究是由芬蘭貿易和工業部與芬蘭熱電站協會指定進行的。它被命名為“集中式制冷”。
本發明的目的是提供一種消除現有技術缺點的方法和系統。這通過本發明的方法和系統可以得到實現。本發明簡化的基本思想是使用熱交換器，這在一個建筑物中是不可避免的。本發明方法的特征在于使用相同的液/液熱交換器在供暖時期傳遞熱能而在制冷時期傳遞制冷能量。于是，本發明系統的特征也就在于使用相同的液/液熱交換器在供暖時期傳遞熱能而在制冷時期傳遞制冷能量。
本發明主要的優點是在區域制冷中即使一個建筑物中不同的部分同時提出對制冷和供熱的要求，也無需單獨的熱交換器。另一個優點是在負載高峰的情況下，有一個比目前的設計理論更大的熱傳遞面積，也就是說，以水的流通提供更大的制冷能量。而且區域制冷系統的投資可以如前所述減少15％，并且操作費用，如抽吸效率，與目前為止采用的技術相比也有微小的降低。
下面參照附圖中本發明的解決方法和不同的實施方案進一步對本發明進行詳細描述。其中
圖1是一個傳統熱傳遞系統的概要圖；圖2說明依據圖1的系統應用在更優化的系統中的情況；圖3是依據本發明的系統的第一實施方案的簡化概圖；圖4示出了針對制冷需求的蒸發制冷的影響；圖5是圖3所示系統更詳細的視圖；圖6是依據本發明的系統的第二實施方案的簡化概要圖；圖7是圖6所示系統更詳細的視圖；圖8示出了依據本發明的系統的第三實施方案；圖1表明了一個傳統的熱傳遞系統。熱量從一個區域供熱站通過供應管1來供應，冷卻的水通過回水管2返回。相應地，冷的冷卻水通過另一個供應管3供應，而熱了的水由另一個回水管4返回。為了進行不同的操作，通常有4個熱交換器。熱自來水在第一個熱交換器9中被加熱，第二個熱交換器10為建筑物中的散熱網絡或其它供熱系統21提供服務。流動空氣加熱設備20中循環的水在第三個熱交換器11中被加熱，并且如上所述，為了制冷設備19中循環的冷卻水，還需要第四個熱交換器12。區域供熱的回水溫度通過閥門5、6、7和8保持在期望的范圍內。另外，循環水的線路通常包括泵16、17和18，旁路閥門13、14和15。圖1中只顯示了理解操作所需的基本部分。實際中的管道連接模式會更為復雜。
當現行的熱交換技術應用于更優化的系統中(其中供熱系統中的熱交換器10和空調系統中的熱交換器11依照芬蘭專利申請921,034串連在一起，以便降低區域供熱系統中回水的溫度，并且空調單元的熱操作以芬蘭專利申請915,511中公開的形式合成在一起)，其結果如圖2所示。在實際中，一個空調系統2 2通常包括幾個單元，各自為建筑物中不同的部分服務。在春季和秋季，一些單元通過閥門25連接到熱交換器11的水循環線路上，而另一些則通過旁路管道26和閥門23連接到冷氣交換器12的水循環線路上。
本發明簡化的基本思想是供熱中無論如何都需要的建筑物中的熱交換器在夏季可以用于制冷，即同一個熱交換器或交換器組在供暖時期傳遞熱能，在制冷時期傳遞制冷能量。操作可以分為幾個不同階段，如當建筑物中的一個或幾個部分需要制冷時，空調系統的熱交換器從區域供熱網絡中脫離并連接到為建筑物中需要制冷的部分服務的制冷網絡上。供熱系統的熱交換器繼續為那些需要供熱的部分服務。當外界溫度升高時，供熱需求終止，而制冷需求增加了，供熱系統的熱交換器也從區域供熱網絡中脫離出來并連接到區域制冷網絡上。熱交換器可以通過一組按照逆流原理的連接連到建筑物的制冷網絡上，于是提供了一個非常有效的熱交換器，該熱交換器有一個比傳統的單獨的用于區域制冷熱交換器大得多的散熱面積。于是，溫度的差別就很小，并且由于這些很小的差別而減少了區域制冷系統中的水流，即抽吸效率減少了。在某些情況下，甚至有可能使管道更小，從而減少建筑物中制冷系統的抽吸效率與/或降低設備的投資費用。
按照上述觀點，在發明中使用兩個功能獨立的熱交換器是很有利的，因為這樣就可能同時在建筑物的不同部位提供制熱和制冷。“功能獨立”一詞是指每個熱交換器之間完全獨立，所以同時制熱和制冷才成為可能。熱交換器可以是獨立的單元，或獨立的螺旋管道或類似的安置在通用包裝中的部件。
通過向空調單元提供一個已知的蒸發制冷系統，上面所提到的操作階段可以從根本上減少，有時甚至可以完全去除。
下面，參照圖3和圖6所示的簡化系統，進一步詳細解釋本發明。在圖5和圖7中更詳細地顯示圖3和圖6中的實施方案。
圖3中的系統原則上以下面的方式操作。用于熱自來水的熱交換器9總是從區域供熱網絡中的供應管1中取水并將其返回回水管2中。水的流動按照熱自來水的消耗由閥門5來控制。這個子系統在所有的實施方案和下面敘述的操作情況中都以同樣的方式操作，所以就不再結合其它例子重新敘述操作過程了。
在冬季冰凍的季節，當建筑物中所有部分都需要熱量時，供熱系統21中的熱交換器10和空調系統22中的熱交換器11都通過一系列連接連到區域供熱網絡上。區域供熱水從供應管1通過閥門6流到熱交換器10，閥門6按照供熱系統21的供熱需求控制水的流動。雙位閥門29和27保持區域制冷網絡供應管3上的服務管道33和32是關閉的。
熱水通過閥門25和27從熱交換器10流向熱交換器11，接著到達區域供熱網絡的回水管25。如果空調系統22不能利用水中所有的熱量，閥門25允許一部分通過熱交換器11的水直接流到回水管2。如果沒有足夠的熱量，閥門24打開并允許流往熱交換器10補充的水流到熱交換器11。
水泵16使建筑物中供熱系統21中的熱水循環流動，水泵17使建筑物中空調系統22中的水循環流動。閥門13和14控制循環經過熱交換器10和11的水量與流過熱交換器的水量的比率，以便使系統中循環水的溫度適于控制建筑物中房間的溫度。閥門30保持熱交換器10和熱交換器11之間服務管道是關閉的，閥門31關閉管道34。
當春天建筑物中的制冷要求上升時，空調系統中的熱交換器11被連到制冷網絡上，閥門27關閉通向供熱系統中熱交換器10的服務管道并打開通向區域制冷網絡供應管3的服務管道32。同時，閥門28打開供熱系統熱交換器10通往區域供熱系統回水管2的服務管道。現在，供熱系統21和空調系統22獨立操作并有著不同任務，即供熱系統21向需要供熱的地方供熱，而空調系統22向需要制冷的地方供冷。
當室外溫度進一步升高時，就不再需要供熱了，于是水泵16停止工作。同時，關閉閥門6和28。供熱系統21不再使用，而空調系統22開始向建筑物供冷。
當室外溫度進一步升高，熱交換器11的功率可能不夠。于是可以按下述方式將供熱系統22的熱交換器10作為制冷使用。閥門29關閉熱交換器10和區域供熱系統供應管1之間的服務管道，并打開通往區域制冷網絡供應管3的服務管道33。進而，打開閥門6，關上閥門24。相應地，閥門27關閉空調系統的熱交換器11和區域制冷網絡供應管3之間的服務管道32，并打開通往供熱系統熱交換器10的服務通道。接著，閥門30關閉通向閥門14的服務管道并打開熱交換器10和11之間的服務管道。閥門31打開循環管34。現在，熱交換器10和11就被轉換為制冷模式了。
除了空調系統的熱交換器11，供熱系統的熱交換器10也被用于制冷。后者按照逆流原理串聯在一起，它通常可以提供至少是普通設計面積兩倍的散熱面積，所以上述的優點能在不用獨立熱交換器進行制冷的情況下實現。
在一些建筑物中同時制冷和供熱可能會有問題。這個缺點通常可以通過向所有或至少是那些從設計角度來看關鍵的空調單元提供一個已知的蒸發制冷系統(如芬蘭公開說明書67,259中所知的)來克服，或者至少將它的影響減到最小。蒸發制冷的操作原理是水蒸發為氣體排出，比如通過噴霧，由此，蒸發的水吸收了大量的熱量作為本身的蒸發熱，降低了排出氣體的溫度。冷氣從冷卻的排出氣體中恢復并被傳遞以提供熱恢復單元中的氣體，熱恢復單元在今天幾乎經成為空調單元中的一個標準部件。
蒸發制冷的效果如圖4所描繪，其中曲線a繪出了一個建筑物中的供熱要求，其中常規的制冷負載在芬蘭南部流行的氣候下大約為50W/m2。該需求表現為減少空氣供應的需求。在該設計的情況下，溫度降低12℃，制冷所需的時間約為1400小時。曲線b描繪了能被蒸發制冷負擔的部分。曲線之間的陰影區域是必須由外部制冷，即區域制冷來負擔的部分。如圖4所示，外部制冷只需不多于400小時，而在該設計的情況下，蒸發制冷負擔了大約7℃。換句話說，區域制冷系統僅需承擔不超過5℃，即約為總設計功率的40％的制冷量。這自然從本質上減少了區域制冷的投資費用，并使系統更加有利于實施。
當外界空氣需要被降低超過4℃時，就需要外部制冷了。如果，比如在16℃需要制冷，那么直到外界溫度達到20℃時，才需要外部制冷。因為在這個溫度，通常不向建筑物中的各部分供熱，無需不同的階段，熱交換器10和11能同時從一個操作轉向另一個操作。這在某種程度上簡化了圖3所示的連接，例如閥門27、28和30及相應的服務管道就不需要了。
圖5更加詳細地描繪了圖3中的系統。在圖5中，示號22、22’和22”代表空調單元，21、21’和21”則代表建筑物中相應的散熱供暖環路。在某種情況下，比如單元22和22’需要冷卻而由單元22”服務的區域需供熱，熱交換器11就連到區域制冷管3，而熱交換器10則連到區域供熱管。散熱器閥門37、37’和37”用來控制各自房間的溫度。在示例的情況下，需要供冷地區的熱交換器散熱器閥門37和37’被關閉，即散熱器21和21’沒有供熱。閥門37”打開，散熱器21”對這個地區供熱。相應地，空調單元22和22’的閥門36和36’被打開，并從熱交換器11的循環流動環路上獲得制冷能量。閥門36”并沒有獲得用于22”制冷能量。圖5所示實施方案的操作與圖3實施方案中所示相仿。
圖6和圖7顯示了一種略有不同的連接。圖6是中的構圖是圖7中所示方案的簡化形式。在圖6和圖7所示的連接中，熱交換器11，在制冷情況下還有熱交換器10被直接連到空調單元22、22’和22”的流動循環環路上，因此例如圖3中所示的閥門14就不需要了。溫度由閥門25、6、13來調節。在其它方面，操作也對應于上述實施方案。
將熱交換器11分開，便可以實現一個更加簡單的連接，以便每個空調單元22、22’和22”都有自己的熱交換器；比如圖7所示的水泵17及閥門36、36’和36”就不需要了。這種連接如圖8所示。每個單元22、22’和22”都有自己的可以選擇供熱或制冷的熱交換器11、11’和11”。這種方案尤其適于空氣供熱系統。
如果有很多單元的話，圖8的系統可能會使熱交換器更昂貴。管道布線也可能變得很貴，并且可能在安排區域供熱/區域制冷管線時出現問題。于是熱交換器11被分為串聯的兩個部分，用于在負載高峰的情況下供熱或制冷。當同時產生供熱和制冷的要求時，其中的一個部分被連接到區域供熱網絡上而其它則連到區域制冷網絡上。網絡和各個單元之間的轉換依照上述的原理實施。
上述實施方案對本發明沒有任何限制，本發明在權利要求的范圍內可以進行相當自由的修改。因此可以認為本發明的系統或它的細節不需要與圖中所示的相同，也可能會有其它的方案。上面就是所描述的內容，如熱能來源問題的解決方法是一個區域供熱或制冷網絡。然而，來源可能是任何已知的產生供熱或制冷能量的系統。在示例中，本發明應用于依照芬蘭專利申請915,511的空調單元中熱交換器的集成。但這并不是唯一的可能性，所有已知的用于空調單元的熱交換器連接，如獨立供暖和制冷散熱器，都屬于本發明的范圍。進而，供熱系統不必是圖中所繪的散熱系統，比如一個地板供熱系統也是很有可能的，還有其它本身已知的系統，如輻射加熱和不同的對流器。在圖8中單獨描述了空氣供熱系統，其它熱源如燃氣或電加熱也可以使用。在圖示和實施方案中，熱交換器10和11按逆流原理串聯在一起，因為這是最有利的實施方案。本發明自然還可以涉及熱交換器由于某種原因以并聯方式與/或按并發原理連接的應用。所示的熱交換器10和11是獨立的，但本發明當然也可以涉及一種本身已知的解決方法，其中一個單獨的熱交換器包括分離的螺旋管或其它此類熱傳遞工具用于制離冷和空氣流通。在上面所提到的燃氣或電加熱系統中，自然地只有一個熱交換器用于通風，而且它在冬季用來供熱，在夏季用來制冷。
權利要求
1.一種通過熱交換器(10、11，12)從熱和冷源分布網絡向建筑物的供熱或制冷網絡(21、22)傳遞供熱/與或制冷能量的方法，其特征在于使用相同的液體/液體熱交換器(10、11)在供暖時期傳遞熱能而在制冷時期傳遞制冷能量。
2.權利要求1所述方法，特征在于使在建筑物的不同部分同時供熱和制冷成為可能，供熱和制冷能量由至少兩個功能上獨立的熱交換器(10、11)來傳遞。
3.根據權利要求1或2的方法，其特征在于從供熱操作向制冷操作或者反之的切換分為不同的階段，它是以這樣一種方式進行的，一個熱交換器(11)從一個操作轉向另一個，之后當負載增加時，另一個熱交換器(10)或其它熱交換器也進行轉向。
4.根據前面權利要求1到3中的任何一個的方法，其特征在于制冷能量由建筑物中供熱系統(21)的熱交換器(10)來傳遞。
5.一種通過熱交換器(10、11，12)從熱和冷源分布網絡向建筑物的供熱或制冷網絡(21、22)傳遞供熱/與或制冷能量的系統，其特征在于安排相同的液體/液體熱交換器在供暖時期傳遞熱能而在制冷時期傳遞制冷能量。
6.根據權利要求5的系統，其特征在于為使同時供熱和制冷成為可能，至少兩個功能上獨立的熱交換器(10、11)被安置在建筑物的不同部分。
7.根據權利要求5或6的系統，其特征在于熱交換器(10、11)以這樣一種方式連接，從供熱操作向制冷操作或者反之的切換分為不同的階段，一個熱交換器(11)從一個操作轉向另一個，之后當負載增加時，另一個熱交換器(10)或其它熱交換器也進行轉向。
8.前面權利要求5到7中的任何一個的系統，其特征在于安排建筑物中供熱系統(21)的熱交換器(10)來完成制冷能量的傳遞。
9.前面權利要求5到8中的任何一個的系統，其特征是在負載高峰的情況下，熱交換器(10、11)被安排得，相對于分配網絡以串聯方式連接。
10.根據權利要求5到8中的任何一個的系統，其特征在于在制冷情況下，熱交換器(10、11)被安排得，相對于建筑物中的分配網絡和制冷網絡都是按逆流原理以串聯方式連接的。
11.根據權利要求5到10中的任何一個的系統，其特征是為了消除同時供熱和制冷的要求，向建筑物的空調單元(22)提供一個蒸發制冷系統。
12.根據權利要求5到11中的任何一個的系統，其特征是為了在空氣供熱系統中提供一個制冷操作，空氣供熱系統和供熱分布網絡之間的熱交換器(11)被分為兩個部分。
13.根據權利要求5到11中的任何一個的系統，其特征是建筑物中分布網絡和網絡群之間的熱交換器/熱交換器組(10、11)被直接設置在利用所傳遞能量的設備(22)的循環流動環路組或循環流動環路中。
全文摘要
本發明涉及一種通過熱交換器(11，12)從熱和冷源分布網絡向建筑的供熱或制冷網絡(21、22)傳遞供熱/與或制冷能量的方法和系統。為了降低費用，使用相同的熱交換器/熱交換器組(10、11)在供暖時期傳遞熱能而在制冷時期傳遞制冷能量。
文檔編號F24F3/10GK1139479SQ95191329
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 申請人:Abb安裝公司