專利名稱：熱能分配系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱能分配系統(tǒng)，其中一種為建筑物供熱和/或制冷而載入載熱體和集中產(chǎn)生的熱能，被安排成通過一個(gè)管道或一組管道而分配到建筑物的供熱設(shè)備，并且制冷能量被相應(yīng)地安排成通過另一管道或另一組管道而分配到制冷設(shè)備。
在許多國(guó)家，建筑物通常由大型集中供熱廠產(chǎn)生的區(qū)域熱量來供熱，同在每個(gè)房屋都有一個(gè)鍋爐的情況相比，它便宜且對(duì)環(huán)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(zhì)能夠用合理的成本有效地加以去除。在大型供熱廠中，產(chǎn)熱效率明顯高于小規(guī)模供熱廠，并且大廠的維修與運(yùn)行成本也低于小廠。
當(dāng)聯(lián)合發(fā)電與產(chǎn)熱時(shí)，產(chǎn)熱特別便宜；借助來自汽輪機(jī)的冷凝熱而得到熱量，從而在某種意義上不用任何花費(fèi)。在只發(fā)電的工廠中，使用從水路或?qū)Ｓ美淠玫降乃畞砝淠龔钠啓C(jī)排出的蒸汽；而在聯(lián)合發(fā)電與產(chǎn)熱廠中，它能夠用區(qū)域供熱系統(tǒng)的回水來冷凝，該系統(tǒng)在受熱狀態(tài)下可用于建筑物供熱。
今天的建筑物通過一個(gè)管道網(wǎng)，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(shè)備來冷卻水。通過一個(gè)供應(yīng)管道把冷水泵送到建筑物，在此冷卻通風(fēng)空氣和輻射冷卻器或類似設(shè)備，并在受熱后送回中央冷卻廠。這樣作的一個(gè)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(wǎng)中電力需求一樣。不用說，必須按照最大需求來設(shè)計(jì)用于能量生產(chǎn)和傳遞的設(shè)備，這自然是不經(jīng)濟(jì)的。其他后果有生產(chǎn)不經(jīng)濟(jì)，低于能量生產(chǎn)的最大效率，電與熱之間產(chǎn)生比率惡化等。尤其不利的是不同的短期負(fù)荷峰值對(duì)于冷卻需求，例如在少數(shù)夏日午后達(dá)到峰值；而對(duì)于供熱需求，有所謂星期一上午峰值，當(dāng)使周末下降的室溫回升到辦公室等所需正常值時(shí)，它發(fā)生于供熱時(shí)期。為了削減這些電力需求高峰，就必須例如在燃?xì)廨啓C(jī)工廠(甚至涉及反壓動(dòng)力廠)，在負(fù)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(chǎn)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(diǎn)。例如，用冰槽或冷水貯備器來調(diào)節(jié)冷卻負(fù)荷，用甚至具有幾千立方米容量的蓄熱器或類似設(shè)備來調(diào)節(jié)供熱負(fù)荷。也能夠用這種方法通過存貯高峰期間產(chǎn)生的額外熱量，來調(diào)節(jié)電力使用中的高峰。
因?yàn)橘A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(wǎng)在任何情況下都必須按照峰值負(fù)荷來設(shè)計(jì)這一事實(shí)，而使在電廠安置貯熱器的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步降低。這樣，在能量生產(chǎn)廠安裝貯熱器就未能廣泛應(yīng)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(chǎn)生的熱量。這樣一些貯熱器未廣泛應(yīng)用，或者因?yàn)楹茏匀唬ㄖ唠y以理解它們對(duì)生產(chǎn)和分配能量的復(fù)雜過程的全面影響，或者因?yàn)樽钪匾氖?，難以證明它們對(duì)能量生產(chǎn)者和分配者的效果。此外，一套熱裝置所需投資大。
限制聯(lián)合產(chǎn)生供熱與制冷能量的原因是，在聯(lián)網(wǎng)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(fù)荷、使用情況等不同，造成同時(shí)需要供熱功率與制冷功率。這樣，這些系統(tǒng)就需要用于供熱和制冷的供應(yīng)管道和返回管道，即總計(jì)4個(gè)管道。
為降低成本，現(xiàn)有技術(shù)已開發(fā)了一些不同的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例是在芬蘭專利申請(qǐng)921,034中公開的建筑物用的熱傳遞系統(tǒng)；通過該系統(tǒng)，能夠顯著降低區(qū)域供熱系統(tǒng)中回水的溫度，需要時(shí)可降到約20℃。該系統(tǒng)的基本思想是載熱體先為建筑物供熱而放熱，然后為通風(fēng)空氣而放熱。
本發(fā)明的目的在于提供一種系統(tǒng)，用它能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的問題。這是用本發(fā)明的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，其特征在于把從冷卻設(shè)備和供熱設(shè)備返回的載熱體溫度調(diào)節(jié)到大體上相等，還在于通過一個(gè)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(chǎn)廠。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于早先所用的四個(gè)管道之一能夠省去，從而所需投資明顯低于現(xiàn)有技術(shù)。同現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相比，省去一個(gè)管道沒有明顯降低系統(tǒng)的特性或性能。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過某種應(yīng)用，一個(gè)特別大的蓄熱器變成可能，并特別適用于(完全不用任何費(fèi)用)拉平熱量消耗峰值。此外，本發(fā)明還有可能使管道明顯減少，從而幾乎不用任何花費(fèi)就得到冷卻能量分配所需的管道系統(tǒng)。本發(fā)明的基本思想能夠用于建造一些具有各種能量級(jí)位的包括管道配置在內(nèi)的管道系統(tǒng)；因此，從一個(gè)系統(tǒng)返回的液體能夠用作另一系統(tǒng)中的有效液體。總之，使用本發(fā)明可明顯降低聯(lián)合系統(tǒng)的成本，并且更有效地利用能量。
下面參照按附圖的實(shí)施例更詳細(xì)地?cái)⑹霰景l(fā)明，其中

圖1說明芬蘭三個(gè)不同地方的溫度持續(xù)曲線；圖2說明一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的制冷期間的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例；圖3說明一個(gè)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(tǒng)；圖5說明一個(gè)沿圖4線V-V截取的截面圖；圖6說明一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的第二實(shí)施例；圖7說明一個(gè)沿圖6線VII-VII截取的截面圖；圖8說明一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的第三實(shí)施例；圖9說明一個(gè)沿圖8線IX-IX截取的截面圖；圖10說明一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的第四實(shí)施例的截面圖。
事實(shí)上，本發(fā)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(gè)不同地方的室外空氣的溫度持續(xù)時(shí)間曲線，這是根據(jù)1961至1980年期間所作氣象觀測(cè)作出的。曲線1根據(jù)在赫爾辛基一萬塔機(jī)場(chǎng)氣象觀測(cè)所進(jìn)行的測(cè)量。曲線2根據(jù)在于瓦斯居拉機(jī)場(chǎng)進(jìn)行的類似測(cè)量。而曲線3根據(jù)在羅瓦涅米機(jī)場(chǎng)進(jìn)行的測(cè)量。
在設(shè)計(jì)供熱設(shè)備和熱傳遞網(wǎng)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(jiǎn)化而假設(shè)，建筑物的熱量需求正比于室內(nèi)外的溫差，并且室內(nèi)溫度為+22℃，則確定何時(shí)建筑物的熱量需求已降到設(shè)計(jì)熱量需求的一半是簡(jiǎn)單的。圖1中這些室外溫度值如下赫爾辛基為-2℃，點(diǎn)1a；于瓦斯居拉為-5℃，點(diǎn)2a；和羅瓦涅米為-8℃，點(diǎn)3a。實(shí)際上，情況沒有這樣簡(jiǎn)單，因?yàn)榻ㄖ镏惺冀K需要熱自來水，并且熱水對(duì)總熱量消耗的比例隨建筑物類型而異。例如通過減小通風(fēng)系統(tǒng)的氣流，可削減消耗峰值。還有，甚至根據(jù)上述簡(jiǎn)化介紹，也有可能認(rèn)為平均來說，到室外溫度接近+10℃時(shí)，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(shù)的建筑物中，當(dāng)室外溫度為+12℃到+16℃時(shí)，可能變成需要制冷。某些建筑物，例如教學(xué)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(diǎn)1b、2b與3b)，可能變成需要制冷；并且用這種方式估計(jì)，要到約22℃，制冷才達(dá)到50％的水平。
總之，在供熱需求與制冷需求超過50％時(shí)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(wǎng)的返回管道由于同時(shí)使用而不能過載。當(dāng)作為一個(gè)整體而考慮該網(wǎng)時(shí)，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(qū)的整個(gè)狀況。
上面是關(guān)于芬蘭溫度持續(xù)時(shí)間的討論。它同樣適用于必須對(duì)建筑供熱與制冷的全部氣候區(qū)域。圖1中虛線是關(guān)于丹麥的持續(xù)時(shí)間曲線。能夠看出，圖形總性質(zhì)不變。在歐洲大多數(shù)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(fā)明的簡(jiǎn)單基本思想是供熱和制冷水的返回溫度被設(shè)計(jì)成相等，并且供熱水和制冷水都通過一個(gè)公用返回管道而返回。因此，省去一個(gè)返回管道。
下面參照?qǐng)D2至10更詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的操作和可能的實(shí)施例。
圖1至4說明一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其中用于供熱與制冷功率的水流在設(shè)計(jì)情況下相等。圖2和3說明在制冷時(shí)期的狀況。在管道10中，有用于產(chǎn)生熱自來水的加熱水流動(dòng)，并且在春天和秋天，還用于對(duì)建筑物14供熱。在管道30中，有冷卻水流動(dòng)。管道20是一個(gè)公用返回管道，它必須如此設(shè)計(jì)，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(chǎn)所需的水流。制冷設(shè)備和供熱設(shè)備用標(biāo)號(hào)15和16表示。加熱水通過支管10a供給供熱設(shè)備16，冷卻水通過支管30a供給制冷設(shè)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(jié)構(gòu)與氣候一致，因?yàn)樵诜姨m，大多數(shù)建筑物沒有制冷系統(tǒng)，這是因?yàn)槠渲评鋾r(shí)期很短，冬天又確實(shí)冷。在南方，制冷需求可能成為決定性因素。
在設(shè)計(jì)返回管道20時(shí)，必須考慮熱自來水的需求，從而在上述假設(shè)情況下的制冷狀態(tài)是決定性的。如果假設(shè)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(yīng)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(gè)管道。
圖4和5說明上述實(shí)施例在冬天怎樣操作。為對(duì)建筑物14供熱和生產(chǎn)熱自來水而通過熱水管10供應(yīng)具有100°到115℃溫度的水。通過回管20使水返回。因?yàn)椴恍枰评洌世渌?0不用。
如果冷水管30按圖6所示方式，由一個(gè)旁通閥17連通供熱廠的熱水供應(yīng)管道10，還按圖6由另一旁通閥18連通建筑物14內(nèi)的熱水供應(yīng)管道10，然后也能在冬天利用冷水管30。當(dāng)沒有什么消耗時(shí)，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(diào)平高峰負(fù)荷。
如果按照以上所述，冷水管30的直徑為300mm，且管長(zhǎng)為例如3000mm，則該管能容納212m3水。這足以削減20％的過載達(dá)3.5小時(shí)之久，如果熱水網(wǎng)的設(shè)計(jì)功率為28.5MW且溫差為80℃的話。這樣，就有一個(gè)相當(dāng)大的蓄熱器可以幾乎自由地使用；其成本只是由兩個(gè)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(shù)量的水。
本發(fā)明降低整個(gè)供熱廠的設(shè)計(jì)功率，故經(jīng)濟(jì)效益大。此外，這一附加的功率是預(yù)先分配到使用區(qū)的，即，能夠?yàn)樽畲蠊β仕璧乃鞯?0％而設(shè)計(jì)熱水管；而當(dāng)使用置于動(dòng)力廠的熱箱時(shí)，就不是這種情況。事實(shí)上，本發(fā)明的系統(tǒng)相當(dāng)于在供熱廠外面的網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置的一個(gè)高峰供熱廠，這類工廠通常用于削減負(fù)載高峰。
圖8和9說明本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例。在本實(shí)施例中，根據(jù)只在變成需要制冷時(shí)才存在的功率以及熱自來水需要的功率，即，根據(jù)總計(jì)為設(shè)計(jì)功率的30至35％的功率，來設(shè)計(jì)熱水管。如果設(shè)計(jì)制冷功率所需的水流至少是設(shè)計(jì)供熱功率所需的水流的65至70％，則根據(jù)制冷功率需求來設(shè)計(jì)冷卻水管道30。如果它小于該值，則根據(jù)供熱功率來設(shè)計(jì)管道30。在這種情況下，事實(shí)上制冷不需要任何管路容量，因?yàn)楣崴軆H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(yù)備的。在制冷所需管道網(wǎng)方面的附加投資是很小的在一個(gè)大管道與兩個(gè)其截面與大管相等的小管道之間價(jià)格上差別很小。其成本是已知系統(tǒng)成本的10至20％。
在圖10所示的實(shí)施例中，提供兩種制冷功率。本實(shí)施例類似于圖8和9所示的實(shí)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(dòng)，例如用于冷卻食品商店中冷藏器陳列柜?，F(xiàn)在管道30能夠作為管道19的回管來操作，因?yàn)橐?°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(shè)計(jì)得更小。當(dāng)然，管道19無需回管。對(duì)成本的影響象圖8所示實(shí)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(shí)施例還有可能在冬天提供制冷功率。
上述的實(shí)施例不用來限制本發(fā)明，而能夠在權(quán)利要求書范圍內(nèi)很自由地修改本發(fā)明。這樣，應(yīng)該理解，根據(jù)本發(fā)明或其細(xì)節(jié)的系統(tǒng)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(shè)備或某種其他冷源無需置于動(dòng)力廠，而可以作為所謂子中心置于管道網(wǎng)中某處，乃至服務(wù)于一個(gè)相當(dāng)大的單獨(dú)的建筑物，例如醫(yī)院綜合體。然后用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的2管系統(tǒng)從熱能形式把能量送到吸收成套設(shè)備，并且根據(jù)上述情況用一個(gè)3管或多管系統(tǒng)進(jìn)一步傳送能量。這類系統(tǒng)的缺點(diǎn)有區(qū)域供熱系統(tǒng)中供水溫度高，以及維修，服務(wù)等。
權(quán)利要求
1.一種熱能分配系統(tǒng)，其中，為建筑物供熱和/或制冷而載入載熱體和集中產(chǎn)生的熱能被安排成，通地一個(gè)管道或一組管道(10)而分配到建筑物(14)的供熱設(shè)備(16)，并且制冷能量被相應(yīng)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(shè)備(15)，其特征在于把從制冷和供熱設(shè)備(15、16)返回的載熱體的溫度調(diào)節(jié)成大體上相等，并且在于，把載熱體安排成，通過公用的一個(gè)回管或一組回管(20)而返回到能量生產(chǎn)廠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分配系統(tǒng)，其特征在于，用閥門裝置或類似裝置(17)，并且相應(yīng)地在建筑物或建筑物附近，用一個(gè)第二閥門裝置或類似裝置(18)，把用于傳遞制冷能量的一個(gè)管道或一組管道(30)連接于用于傳遞供熱能量的一個(gè)管道或一組管道，使所述閥門裝置(17，18)處于打開位置時(shí)，用于傳遞制冷能量的一個(gè)管道或一組管道(30)，能夠用于存貯熱的載熱體。
3.根據(jù)要求1和2所述的分配系統(tǒng)，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(gè)管道或一組管道(30)安排成，用作傳遞供熱能量的一個(gè)管道或一組管道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的分配系統(tǒng)，其特征在于，把用于傳遞制冷能量的管道分成兩個(gè)或多個(gè)管道(30，19)，以便傳遞不同溫度的載熱體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱分配系統(tǒng)，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(gè)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(tǒng)，其中用一個(gè)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(chǎn)生的熱能安排成，分配到建筑物(14)的供熱設(shè)備(16)；并且相應(yīng)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(shè)備(15)。為了降低成本，把從制冷和供熱設(shè)備(15，16)返回的載熱體的溫度調(diào)節(jié)到基本上相等；并且用公用的一個(gè)回管或一組回管(20)，把載熱體安排成回到能量生產(chǎn)廠。
文檔編號(hào)F24F3/10GK1139477SQ95191327
公開日1997年1月1日 申請(qǐng)日期1995年1月23日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月24日
發(fā)明者塞普波·萊斯金恩, 印格瑪·羅林 申請(qǐng)人:Abb安裝公司