宽带区域加热和冷却系统的制作方法

本发明提供一种利用传递介质来向消费装置供应热能和/或冷却能量的系统和方法，其具有多个加热能量源和/或冷却能量源。这些能量源的输出管线是在不同温度水平下对区域加热和冷却系统进行输入。

背景技术：

常规的区域加热系统具有流出和流入管道，并且加热能量或冷却能量的消费装置从供应管线取得加热或冷却流体并且经由返回管线使之返回到该能量源。通常，热/冷的消费装置以并联配置连接于供应管线与返回管线之间。当消费装置需要热/冷时，打开阀，由此从供应管线取得传递流体并且将传递流体喷射到返回管线内。然而，如果需要在不同温度水平下的热/冷，消费装置的串联也是可能的。可选地，消费装置中任一个所不需要的加热能量或冷却能量可以储存在热能储存器中。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用来向消费装置供应加热能量和/或冷却能量的替代的系统和方法。本发明的实施例提供一种允许向消费装置供应不同温度水平的热能(宽带区域加热和冷却)的方法和系统，由此，在需要时，每个消费装置能被提供其所希望的温度。

根据本发明的实施例，提供一种用来向消费装置供应加热能量或冷却能量的方法或系统，包括：一组三个或更多个管道，其用来运送传热流体，每个管道运送在三种或更多种不同温度或温度范围中的一个之下的流体；沿着管道长度分布的多个加热和/或冷却消费器具，每个消费器具联结到多个成对管道之一，以使得：

消费器具在高温侧联结到一对管道之一，以接收流体并且提取加热能量，并且在较低温侧联结到管道中的另一管道，以将流体排放到所述另一管道内；或者，

消费器具在低温侧联结到一对管道之一，以接收流体用于冷却，并且在较高温侧连接到管道中的另一管道以将流体排放到所述另一管道内；

多个热或冷发生器，每对管道连接到发生器中的至少一个，从而：

将成对的较低温管道中的流体温度升高到成对管道中的较高温管道中的温度；或者，

将成对的较高温管道中的流体温度降低到成对管道中较低温管道中的较低温度。

可选地，消费器具和发生器可以是一种物理装置，其中，在特定时段期间，该装置充当消费器具，而在另一时段期间，该装置充当热和/或冷发生器。每对管道可以与热能储存器端接和/或在沿着管道的任何中间位置连接到热能储存器。替代地，任何或所有管路可以成环路。所有管道可以在相同压力或者在它们之间可以存在较小压差，这种较小压差不足以使流体持续地循环通过该系统。热能储存器和/或能量发生器可以位于沿着管道的任何位置，特别地以将传递流体的温度维持在其规定温度或者在其规定的温度范围或者维持在不同管道之间的液压平衡。处于第一温度或温度范围的能量消费器具并联成组，而第二温度或温度范围的能量消费器具在某些情形下可以与处于第一温度或温度范围的能量消费器具串联。每一个管道可以允许双向流动。在根据本发明的系统的实施例中所使用的控制器和/或阀和/或泵优选地被布置和配置成允许每一个管道支持双向流动。在本发明的实施例中，不需要专用的返回管线，每个管道可以并且的确充当流入或流出管线，充当供应或返回管道。本发明的分布式系统和方法可以描述为闭合系统和方法。

在常规系统中，每个温度需要两个管道(供应和返回)。而对于三个温度水平，需要六个管道。本发明的实施例需要仅三个管道。对于四种温度，常规系统将需要八个管道，而本发明将仅需要四个。因此，本发明在材料使用方面是高效的并降低了安装成本。

在常规系统中，利用一个或多个循环泵来维持在供应管线与返回管线之间的压差。通过打开阀并且移除热能传递流体而从供应管线提取热/冷。在供应管路与返回管路之间的压差激发在供应管线与返回管线之间的流率。在本发明的实施例中，在管道之间有可能没有压差或者这种较小的差异不足以维持通过供应管路和返回管路的连续循环流动。每个热/冷的消费装置或发生器优选地具有其专用循环泵。当由消费装置或发生器使用或产生能量时，启动特定循环泵。本发明的实施例在特定情形下允许在管道之间的压差，但是连接到管道的所有装置必须额定为所用压力。

在另一方面，本发明提供一种用于操作本发明的实施例中任何实施例的系统或方法的热或冷分布及发生控制器。这种控制器可以从温度和/或流量控制器接收输入，并且可以具有输出以控制加热能源或冷却能源和泵和阀中的任一个。

热能储存器可以在管道中两个之间与多个消费装置并联。连接到两个管道的每个热能储存装置将以适合于其所附连的管道的温度来储存加热或冷却能量，即，热能储存器将处于不同的温度水平。提供热能储存器，并且其被配置成以给定温度水平储存过量热或冷却能量，以及向消费装置供应其中所包含的在给定温度水平下的加热能量或冷却能量含量。此外，热能储存器能辅助维持在系统中管道之间的液压平衡，以例如充当缓冲器。热能储存器可以是下列中的任一个：显热储存系统；热水热储存方案；冷冻水系统；地下热能储存；潜热储存系统，其依靠诸如在盘管系统上的外融冰、在盘管系统上的内融冰之类的相变；制冰机；冰浆系统；冰乙二醇系统；相变材料系统；热化学储存装置；吸着储存装置等或者不同储存系统的组合。根据本发明的实施例的方法和系统，由加热能源或冷却能源输出并且消费装置所不需要的热能被输出到与特定温度水平或温度范围的消费装置并联的热储存系统中至少一个，并且储存在所述储存系统中。随着需求的增加，从储存系统移出热能并且供应给消费装置。可选地，过量的热量可以简单地流失到大气，然而，这并非优选的，因为这导致浪费。

尽管并未详细描述，本领域技术人员将意识到合适可控制阀和泵可以用来使系统的任何部件连接或断开连接。

在附属权利要求中陈述了本发明的其它特征，这些权利要求中的每一个权利要求限定本发明的实施例。

定义

供应“加热能量”和供应“冷却能量”将分别被理解为提供或移除热能。

“热能储存装置”可能不仅包括用于储存加热能量或冷却能量的装置，而且也可以包括帮助稳定系统中压力的压力缓冲器。

“区域加热”(不太通常地被称作远程加热(teleheating))是用于分布热和或冷以用于住宅和/或商业和工业加热和/或冷却要求的任何目的的任何系统。

“发生器”，即用于加热或冷却能量的源可以包括锅炉、热泵、深层和浅层地热设备、太阳能板或收集器(即，太阳能加热诸如水的流体，所谓的太阳能热水系统)、热电联供(CHP)系统、冷热电联产(CCHP)、冷冻机、压缩冷却机、吸附/吸收冷却机或热泵、(有机)朗肯循环(ORC)、干或湿冷却塔、使用至少一个环境收集器和热泵的系统、废热或冷系统等。可以例如从焚烧化石燃料或生物质的热电联产设备获得热，可以使用供热专用锅炉站、地热加热、热泵和中央太阳能加热以及核电站。根据本发明的实施例，能并且应当选择热源使得它们在它们将递送的温度高效地操作。因此，与常规系统中通常使用的热源相比，本发明的实施例具有显著地更多地使用可用热源的优点。

附图说明

附图是根据本发明的一实施例的系统的示意图。每个消费器具或发生器具有分配给它的循环泵并且可以提供有可控制阀。这些并未示出。在附图中，箭头指示传递流体通过热交换器流动的方向。

具体实施方式

现将关于某些实施例、例如用来向消费装置供应加热能量或冷却能量的系统或方法来示出和描述本发明。本发明未必限于图示的细节，因为本领域技术人员会认识到，在不偏离本发明的精神的情况下并且在权利要求的等效物的范围和范畴内能做出各种修改和结构变化。

本发明可以兼容地用于可再生的能源并且特别地用于可持续的加热和冷却系统。本发明的实施例的目的还在于提供经济地用于个别使用者的可持续的热或冷。例如，本发明的实施例可以用于深层或浅层地热的热和冷系统以及来自工业过程的废热。也可以从集成的可再生电系统获得能量并且特别地当可再生能源的不可预测的自然造成过量能量时从诸如太阳能或风能接受能量。以此方式，本发明可以辅助平衡在这些电网络上的负荷。加热网络可以有助于支持电网络。逆向地，在可再生能量短缺的情况下，本发明可以允许使用地热CHP系统。本发明的实施例在其能源使用方面是灵活的。

本发明的实施例通过将热储存器集成到热和冷分布网络内而实现加热网络的灵活性。

因此，本发明的实施例具有以下优点中的至少一个优点或组合：

-需要有限数量的管道，例如，仅三个、四个、五个或六个管线，如果要供应相同数量的温度，管线数量小于经典加热和冷却网络所需的数量；

-由于管线数量较低，建置起来相当简单；

-能灵活地使用可用热源；以及

-在最佳条件下操作它们。

-有利地使用热储存箱，特别是分层式箱。

-可扩展并且避免诸如由集中式分布器造成的瓶颈。

-使用若干热能源，如热泵、气体或油锅炉、太阳能收集器、CHP、废热源等。

-提供热网，包括在不同温度下的加热和冷却，但是每个温度水平并不需要单独的供应和返回管路。

参考附图，根据本发明的实施例的系统1包括用于传递热能传递流体诸如水的多个管线、管路或管道2、3、4、5。尽管示出了四个管道，其它数量也是合适的，诸如至少三个管道，或者替代地五个或六个或更多个管道。由于必须为每个管道提供空间，并且有材料和安装成本，管道数量可能会受到系统的经济性限制。而且，本发明并不排除管道可能有分支，并且这些分支还有分支等。这是可能的，因为本发明的系统和方法并不或者未必从供应管线循环到返回管线。由于本发明的系统和方法依靠在系统内均衡往后和往前流动，分支系统也同样良好地工作。因此，在根据本发明的系统的实施例中使用的控制器、和/或阀和/或泵优选地被布置和配置成允许每一个管道支持双向流动。而且，附图示出了线性管道，但是这些管道可以联接成环路，例如成环路和分支。

提供用来输出热能或冷却能量的装置12、13、14。它们全都在附图左边示出，但这只是示意性的。这些装置可以各自放置于该系统中的任何合适位置。例如，使用来自风力涡轮场的过量电能的热泵可以靠近它定位，而地热设备可以位于地下地质是最合适的位置。实际上，由于不需要具体方向的流动，管道系统可以被视作包括各种温度的热能的储集器或收集器，即，该系统是分布式热储存系统，分布式热储存系统具有热能源和散热器(sink)，其中流动被布置成将每个管道中的温度维持在规定范围并且维持系统中的液压平衡。而且，额外热储存系统可以连接到该系统内。例如，如在“Sustainable Thermal Storage Systems(可持续热能存储系统)”，Lucas B Hyman，McGraw Hill 2011,ISBN 978-0-07-175297-8中所描述的大地质量(ground mass)热储存系统、地下温水或冷冻水热储存系统和地上温水或冷冻水热系统和许多其它热能储存系统。可控制泵优选地安装于每个消费装置或发生器，以移动一定体积的传热流体，诸如水，以便将热或冷供应到管道或者从管道提取热或冷。当需要时，可以包括额外的泵。

多个热或冷发生器12-14联接到一对管道，使得每个发生器12-14联接到至少一对管道。发生器12-14可以：

将来自成对管道中较低温管道中的流体温度升高到成对管道中的较高温管道中的温度；或者，

能将成对管道的较高温管道中的流体温度降低到成对管道中较低温管道中的温度。发生器12-14例如分别由热交换器15、16、17联接到管道。

发生器12-14能从加热切换到冷却，如关于发生器12示意性地示出。

作为热发生器的示例，附图示意性地示出了地下蓄水层热能储存系统(ATES)12、太阳能热水器13和地热设备14。附图示出了可能的热源的选项。本发明的优点在于能使用的温度水平的数量和因此能使用的不同热能源的数量增加，但是并不像常规系统中那样增加管道的数量。这允许使用多种热能并且在最佳操作范围使用它们，因为可以利用中间温度。因此，本发明也优选地适合于集成分布式、小规模可再生能源如太阳能热板或者住宅热泵系统，这是有利的，因为这些系统预期在未来热网生成中变得重要。这也意味着能特别地利用环保和可持续热能源，因为并非仅使用最高温度。

在不同温度水平的加热或冷却能量由装置12至14输出，例如通过将分别在热交换器15、16、17中的热能传递到合适的传递流体。在此情况下，加热能量分别在12℃、20℃、45℃和90℃的标称温度，然而，根据所连接的消费装置和发生器，也可以选择其它值。该值也可以例如表达为范围，例如12±5℃、20±5°、45±5°、90±5°；或者12±5°、20±5°、45±10°、90±10°、或者12±5°、20±5°、45±10°、90±15℃。

提供需要不同温度水平的多个消费装置热能吸收器22-1和22-2、23-1和23-2，以及24-1至5。每个消费器具连接于两个管道之间，一个管道处于较高温度，另一个管道处于较低温度。为了加热，从较热管道取得传递流体，并且在较冷流体以较低温度被递送到管道之前提取热能，见23-1和23-2，24-1至24-4。为了冷却，从较冷管道取得传递流体，并且在将较温热流体以较高温度递送给管道之前提取冷却能量(吸收热能)，见22-1至24-5。热交换器23-1和23-2以及24-1和24-5用来消耗在消费装置场所的热能。热交换器22-2能在冷却与加热之间切换。在消费装置场所的器具可以是工业加热过程、如地板下加热或散热器的空间加热、热水生产、制冷/冷却、空调系统、工业冷却过程等。对于每个器具，选择提供最佳操作的管道。本发明包括在任何实施例中装置联接于两个管道之间并且可以是可选地有时充当热/冷的消费装置和在其它时间可以切换到热/冷的发生器的装置，如对于交换器22-2示意性地示出。

消费装置的器具以及热源或冷源可以根据其温度水平在多个管道中的两个管道之间切换。例如，主要建筑物可以抽90℃的水，在对建筑物加热期间将水冷却到45℃并且将水喷射到45℃管道内。例如，热交换器用来从90℃的水生成60℃的温水。这个处于60℃的水在常规散热器中用来加热建筑物中的房间。45℃的温度足以通过其它手段、例如通过地板下加热来加热建筑物。所得到的较冷的水然后在20℃下喷射到20℃管道内。20℃的水可以在冬天用来预热建筑物中的房间或空间的空气，以防止结冰或者在夏天用于空调系统中的冷却。处于12℃的管道可以用于冷却。

另一方面，提供有例如可以将水从45℃加热到90℃、从20℃加热到45℃、从12℃加热到20℃或者例如将水从90℃冷却到45℃、从45℃冷却到20℃、从20℃冷却到12℃的热源或冷源。为了紧急备用，热能发生器12至14可以设有并联的常规加热或冷却器件，例如，加热炉或压缩冷冻器。尽管消费器具被图示位于具有接近温度的两个管道之间，消费器具可以连接于多个管道，例如3个、4个、5个或6个或更多管道中任何两个管道之间。

为了储存能在后来使用的热能，热能储存装置32、33和34分别连接到管道12和13、13和14以及14和15。更多的以此方式连接的此类热储存装置可以放置于需要储存热能的网络中的任何位置，并且在以后的时间再次提供热能或者在需要时维持系统中的液压平衡。因此，热能储存装置也可以包括液压平衡瓶。

各种装置可以包括于根据本发明的实施例的区域系统中，以提供额外设施并且提供稳定操作。可以提供与热能储存装置并联的热或电转换器、比如朗肯循环发动机，以在需要时移除过量热来保持系统稳定。特别地，有机朗肯循环(ORC)系统可以利用由区域加热系统产生的任何废热来提供额外电力。替代地，来自ORC的冷却系统的废热可以用作系统中的加热源。也可以有吸附或吸收式冷冻器安装于管道之间。吸收式冷冻机使用热而不是机械能来操作以发出冷却。吸收式冷冻机具有吸收器、发生器、泵和节流装置。当来自蒸发器的制冷剂蒸气由吸收器中的溶液混合物吸收时，吸收式冷冻机工作。这种溶液然后被泵送到发生器。然后使用从管道之一提取的热将制冷剂再汽化，并且耗尽了制冷剂的溶液然后经由节流装置回到吸收器。在操作的吸收式冷冻器中使用的两种最常用的制冷剂或吸收剂混合物是水/溴化锂和氨/水。吸收冷却器可以例如从90℃管道提取热(其中冷却的水返回至45℃管道)并且冷却的水从20℃管道到12℃管道。

本发明在另一方面提供一种热分布和发生控制器，比如监督控制和数据采集系统(SCADA)，用于操作本发明的实施例中任何实施例的系统或方法。这个控制器可以从温度和/或流量控制器接收输入并且可以具有输出来控制热能源或者冷却能源或者消费器具中的任一个。例如，可以提供流量传感器来测量流到热能源12-14或者来自热能源12-14的流量以及通过热交换器22-1和22-2、23-1和23-2，以及24-1的流量和到热能储存装置32、33和34的流量和自热能储存装置32、33和34的流量。温度传感器也放置成通过网络分布。可以模拟整个系统，从模拟的整个系统，可以确定何时应当流到储存装置32、33和34以及何时从储存装置32、33和34流动，以及何时需要来自热能源12-14的流动。这种网络控制室是熟知的。本领域技术人员将意识到根据需要设置可控制的泵和阀。在根据本发明的系统的实施例中使用的控制器和/或阀和/或泵优选地被布置和配置成允许每个或每一个管道支持双向流动。

应了解本发明并不以任何方式受到上文所描述的示例性实施例限制，而是在不偏离本发明的精神和所附权利要求的范围的情况下可以以多种方式做出变化和修改。