快速输配能量的暖通空调系统的制作方法

本发明涉及一种以相变胶囊为中间媒介、利用快速交通系统连接冷/热源系统和换热站、实现暖通空调的冷/热量的快速输送和分配，替代管道输配系统、提升系统输配能力、并扩展系统适用范围。属于暖通空调系统设计和控制的技术领域。

背景技术：

区域型的暖通空调系统，通常以管道将冷/热量从冷/热源处输送给换热站以及终端供冷/供热网络和末端系统，并且通常采用水为传热介质。因此，为提高输配系统的效率，需要尽可能的提高供回水温差，这也限制了系统的适用范围。随着暖通空调系统规模的扩展、系统辐射范围的增加，输配系统的能耗大幅上升，并影响到整个系统的运行效率。

通常情况下，管道输送的成本较低、可连续输送，但其缺点是以输送液体为主、流速较慢。介质从源到达终端，可能需要耗时几个小时甚至更久，系统惯性严重影响了系统的灵活性和可调节能力。

以下，介绍几个典型的工程案例：

1、山西太古热电联产集中供热项目：即古交兴能电厂至太原集中供热工程、总输送距离达到50公里以上，总投资48亿元，远期可实现集中供热8000万平方米。以清华大学付林教授为首的技术团队，研发出的大温差输送技术，突破了常规换热器的换热温度极限，实现了对电厂更多余热的收集以及其热能的输送。太古供热管线的直径，达到了1.4米，太古供热管线采用“双供双回”模式，每根管线的流量达到每小时1.5万吨，供水温度设定为130℃、回水温度设定为30℃。下游换热站采用吸收式热泵进行大温差换热机组改造。

2、河北迁西钢铁厂工业余热供热项目：回收津西、万通两座钢铁厂余热，为厂区和县城提供集中供热服务，津西厂区距离县城约8公里、万通厂区距离县城约4公里。供水温度设定为70-90℃、回水温度设定为30℃。下游换热站采用吸收式热泵进行大温差换热机组改造。

3、广州大学城区域供冷系统（详见参考资料2）：广州大学城位于番禺区新造镇小谷围岛及南岸地区, 总体规划面积43.3平方公里,可容纳20～25万学生,规划总人口35万人。广州大学城的空调负荷主要是10所高校及南北两个商业中心区, 需冷装机容量为52万千瓦。广州大学城区域供冷系统共设4个区域供冷站，区域供冷系统制冷总装机功率37.6万千瓦,1号冷站采用溴化锂和常规电制冷机组,2～4号冷站采用冰蓄冷系统, 总蓄冰量达到94.9万千瓦时。冷站设计采用制冷主机上游,外融冰冰蓄冷空调冷源系统。该冷源系统向校区冷水管网提供供水温度2℃,回水温度13℃的空调冷水。冷水采用二级泵系统输送,二级冷水管网考虑管网沿途温升后按10℃供回水温差进行设计。每个冷站的供冷半径为2.5公里,4个冷站对应的管网总长约110公里。

综上所述，热电联产集中供热项目的供回水温差最大，因此可以输送的距离较远；工业余热供热项目的供回水温差较小，因此供热半径受到一些限制；区域供冷系统的供回水温差只有5-10℃，因此供冷半径最小。

在上述集中供热项目中，为保证上游系统的效率和稳定性，下游换热站的改造工程量较大。并且，在上游热源处为实现大温差运行、需要提高供水温度，传输距离越远，对大温差运行的依赖性越强、同时也限制了低品位工业余热的应用范围。而对供水温度的提升通常要引入高品位能源作为驱动力、如电能或高品位热能（蒸汽或热水）。然而驱动末端供热系统仅需要60℃的供水温度即可、甚至可以更低，因此上游热源处对供水温度的过度提升也是存在浪费的。而且，大温差运行模式会增加中间处理环节，并带来一些损耗。

另外，也有移动式供热的系统和方案，如移动供热车等。车辆中的储能模块不仅包含储能材料，还包括外保温结构、换热结构、对外接口等，其中换热结构所占比重较大，使得有效运输能力下降。该方案多作为调峰应用、或作为集中式大系统的补充，为不宜铺设管道的偏远地区或者为特定的用户服务。由于热源与用户之间距离较远、并且充热需要一定的时间，通过车辆运输就存在供给的间断性的问题，因此通常采用每天每辆移动供热车在热源与终端用户之间往返一次的运行方式。

该方案虽然具有较好的机动性，但也有一些缺点：

1、运行成本高：通常的热价约为0.2-0.4元/千瓦时，现有储热模块的储能能力约为100-200千瓦时/吨，通过公路运输相对价值较低的“热量”，运行成本较高；

因此该方案多是基于廉价或几乎免费的高品位工业废热（即直接排放的废热温度大于80℃）作为热源；一方面热量成本低，另一方面换热温差大、取热比较容易；

但当工厂进行节能改造后，高品位工业废热比例下降、低品位余热/废热（温度20-60℃）比例增加，如采用现有移动供热模式，则热量提取成本增加、提取速度降低，因此该模式与大量低品位的工业余热资源难以匹配；

2、连贯性较差：输送能力偏小、一般采取以天为单位的周转率；

3、初始投资高：储能产品的蓄热总量需要按终端用户的日负荷标准配备，不可能大规模替代现有集中供热系统；

4、运输效率低：采用热源到用户点对点的服务模式时，用户的分布比较分散、有些地处偏远，总体运输的效率和可靠性受到影响。

参考资料：

1、“一种降低供热管路回水温度的方法” 中国专利CN 101629733 B ；

2、“广州大学城区域供冷系统” 《制冷空调与电力机械》2007-04期 作者：邱东。

技术实现要素：

由背景技术的介绍可见，管道输送与道路/轨道运输各有缺点，发明人认为以道路/轨道运输为手段建立能量快速交换系统是解决现有问题的有效的方案。

通常情况下，管道输送与道路/轨道运输相比成本较低，但管道输送优势也是相对的：

1、管道输送的输送介质类型有限，当使用交通工具运输时，如果运送的是储能密度相对较高且不适合使用管道输送的储能介质或储能模块，则运输成本的对比就会产生变化；

2、对于冷/热负荷较小的区域，采用远距离管道输送的性价比较低；

3、在非制冷/制热的季节中，管道系统处于闲置状态，利用率低且不利于管网的养护；

4、使用交通工具运输时，可以获得更高的运送速度，通过提升运输周转效率，就可以克服交通工具运输的连贯性差的问题，并大大降低输送系统的初投资、提高运行效率；这就需要将快速热交换系统和快速运输系统结合起来、并排除运输周转过程中的各种不确定因素，才能够实现，这也是本发明技术方案的重点。

本发明的重点是快速热交换系统和快速运输系统，快速运输储存冷/热量的载体的系统不同于一般的货运系统、有其特殊的要求，具体包括：

1、往返运输：储存冷/热量的载体为循环使用，因此运输过程具有往返运行的特点；

2、保温措施：运输、装卸和交接过程都需要保温，降低储能介质或储能模块在运输、装卸或交接过程中的能量损失；

3、快速转运：提升周转率，使得储能介质或储能模块可以在一天内多次循环使用，从而减少储能介质或储能模块的配备总量，降低初始投资；

4、快速交接：尽量减少运输系统中装卸、交接的时间；在以小时为单位的周转率的情况下，装卸、交接的时间所占比例变大，中间过程消耗的时间会大幅降低周转率和增加能量的损失；

5、配套快速热交换系统：需要实现小温差换热和高效率换热，减少每个环节的热能品位损失，同时为提高周转效率必须提高每个环节热交换的速度和效率；然而小温差换热和高效率换热两者之间往往是相互矛盾的，这也是本发明方案需要权衡和解决的问题。

本发明的技术方案是：该系统包括冷/热源系统1、换热站2、终端供冷/供热网络3，通过快速运输系统4连接冷/热源系统1和换热站2（替代管道输送系统），以相变胶囊5为中间媒介进行能量的快速传递；其中：

冷/热源系统1中至少包括冷/热源1a、换热子系统6a、传热介质流通管道7、传热介质8；冷/热源1a产生冷/热量，由传热介质流通管道7将传热介质8输送到换热子系统6a进行热交换，再由传热介质流通管道7将传热介质8输送回冷/热源1a处，依此循环；

快速运输系统4包括快速交通线路4a和快速交通工具4b；快速交通线路4a是连接冷/热源系统1与换热站2的运输线路；快速交通工具4b分批携带相变胶囊5在冷/热源系统1与换热站2之间往返传递（所述的快速运输系统主要为公路系统或铁路系统）；

换热站2至少包括换热子系统6b、传热介质流通管道7、传热介质8；换热子系统6b产生冷/热量，由传热介质流通管道7将传热介质8输送给终端供冷/供热网络3使用，再由传热介质流通管道7将传热介质8输送回换热子系统6b处，依此循环；

相变胶囊5内部封装有相变储能材料，相变胶囊5为分批使用；通过快速运输系统4进行交接，使得相变胶囊5分别在冷/热源系统1的换热子系统6a和换热站2的换热子系统6b中分批循环使用；相变胶囊5外形优先采用球形，也可以是其他形状，相变胶囊5的外径一般控制在10-100毫米之间；

传热介质8可以是液体或气体或气体、液体混合物，一般情况下以水作为传热介质；

该系统的具体运行流程是：

第一，将待储存冷/热量的相变胶囊5分批放入冷/热源系统1的换热子系统6a中进行热交换、储存冷/热量；

第二，通过过滤装置，将已储存冷/热量的相变胶囊5分批从冷/热源系统1的换热子系统6a中分离出来；

第三，将已储存冷/热量的相变胶囊5取出后，放入快速交通工具4b之中，通过快速交通线路4a将已储存冷/热量的相变胶囊5运输到换热站2；

第四，将已储存冷/热量的相变胶囊5分批放入换热站2的换热子系统6b中进行热交换、释放冷/热量给换热站2中的传热介质8，再由传热介质8为终端供冷/热网络3提供冷/热量；

第五，通过过滤装置，将已释放冷/热量的相变胶囊5分批从换热站2的换热子系统6b中分离出来；

第六，将已释放冷/热量的相变胶囊5取出后，放入快速交通工具4b之中，通过快速交通线路4a将已释放冷/热量（即待储存冷/热量）的相变胶囊5运输回到冷/热源系统1处；

然后，依此类推，按上述步骤循环运行。

本发明的有益效果是：

1、运输速度比管道输送更快、周转率高，大大扩展了低品位工业余热供热系统和区域空调系统的辐射范围；只运输储能介质、不运输配套的传热结构，效率更高；运输在途时间短，热损失小；储能产品的蓄热总量可按满足终端用户1-3小时的峰值负荷的标准配备、投资低；

2、灵活性好，适合各类中小型的用户群体灵活接入，制冷/制热季的时间段也可以灵活设置，克服了长距离管道输送启停时间固定、难以与需求较小的区域匹配的问题；

3、相变胶囊可以在相变温度点附近吸收或释放大量的冷/热量，因此对系统运行温差的要求较小，可降低系统对大温差运行模式的依赖性，从而减少中间环节及其损耗，使得冷/热源系统和换热站的结构均得以简化；

4、解决暖通空调管道输配系统季节性间歇工作、使用率低的问题，快速运输系统在全年都可以承担各种运输任务。

附图说明

附图1：本发明的系统原理图

附图2：本发明的换热子系统原理图的俯视图

附图3：本发明的缓冲池中转轴9c和换热转子外框架9e的连接示意图

附图4：本发明的换热子系统原理图的A-A剖面图（装载换热转子）

附图5：本发明的换热子系统原理图的A-A剖面图（卸载换热转子）

附图6：本发明的两级热源系统原理图

其中，箭头Ⅰ为传热介质8流动方向；箭头Ⅱ为换热转子10装载/卸载时的移动方向。

具体实施方式

实施例1：

在冷/热源系统1的换热子系统6a和换热站2的换热子系统6b，其结构是相似的。

换热子系统6主体为缓冲池9，缓冲池9与传热介质流通管道7相连接、并部分重合，缓冲池9和传热介质流通管道7中均含有传热介质8；

缓冲池9分为换热区9a和缓冲区9b两部分，缓冲池9与传热介质流通管道7重合的区域为换热区9a、缓冲池9的其他区域为缓冲区9b；缓冲池9中包括一个或多个换热转子10，换热转子10内部装有相变胶囊5，换热转子10可以在缓冲池9中移动或转动从而改变其位置；其中，部分换热转子10处于换热区9a、其它的换热转子10处于缓冲区9b；并且，在换热区9a和缓冲区9b之间设置隔板9h，使得处于换热区9a的换热转子10优先与循环流动的传热介质8进行热交换，处于缓冲区9b的换热转子10则较少参与热交换；当换热转子10移动或转动时需先将隔板9h取出、换热转子10停止移动或转动后再将隔板9h插入；

具体工作流程是：

对于冷/热源系统1中的换热子系统6a，首先将一批待储存冷/热量的相变胶囊5放入处于缓冲区9b的换热转子10中，然后将换热转子10从缓冲池9的缓冲区9b移动或转动到换热区9a与传热介质流通管道7中的传热介质8进行热交换；当热交换完成后，再将换热转子10从缓冲池9的换热区9a移动或转动到缓冲区9b，并通过过滤装置将已储存冷/热量相变胶囊5从缓冲池9中取出，再将另一批待储存冷/热量的相变胶囊5放入处于缓冲区9b的换热转子10中，依此往复循环；

对于换热站2中的换热子系统6b，首先将一批已储存冷/热量的相变胶囊5放入处于缓冲区9b的换热转子10中，然后将换热转子10从缓冲池9的缓冲区9b移动或转动到换热区9a与传热介质流通管道7中的传热介质8进行热交换；当热交换完成后，再将换热转子10从缓冲池9的换热区9a移动或转动到缓冲区9b，并通过过滤装置将已储存冷/热量相变胶囊5从缓冲池9中取出，再将另一批已储存冷/热量的相变胶囊5放入处于缓冲区9b的换热转子10中，依此往复循环。

对于换热量较大的大型暖通空调系统，在冷/热源系统1或换热站2中，传热介质流通管道7采用串联或并联的结构，并且在传热介质流通管道7上串联或并联多个换热子系统6分别进行热交换。

以下，介绍一种换热子系统6的具体结构，如附图2-5所示：

传热介质流通管道7与缓冲池9结合的部分截面为矩形，缓冲池9为外侧封闭式的半圆柱体、缓冲池9的高度与传热介质流通管道7的高度相同，缓冲池9的一部分嵌入在传热介质流通管道7中；缓冲池9与传热介质流通管道7形成封闭的空间，传热介质8在其中循环流动；（如图2所示）

缓冲池9中间为转轴9c，转轴9c通过连杆9d连接到换热转子外框架9e，换热转子外框架9e为框架式结构；（如图3所示）

换热转子10置于换热转子外框架9e的内部，转轴9c通过连杆9d带动换热转子外框架9e转动，同时也带动换热转子10转动，使得换热转子10可以在换热区9a和缓冲区9b之间来回切换；

换热转子10为圆柱体、外型尺寸略小于换热转子外框架9e，底部设有滚轮、内部装有相变胶囊5；换热转子10的圆柱体壁上设有均匀的孔洞，孔洞的直径小于相变胶囊5的外径，孔洞的作用是当换热转子10处于换热区9a时传热介质8可以顺畅的通过并进行热交换、但相变胶囊5不会从孔洞中漏出；

如果传热介质8为液体，当换热转子10处于换热区9a时，相变胶囊5浸泡在循环流动的传热介质8中，因此热交换的效率较高、解决了快速换热的问题；为加强换热效果，在换热区9a中设有搅动装置，可以搅动相变胶囊5以增强换热效果、并达到均匀换热；优选的，将相变胶囊5的比重设计为与传热介质8的比重的比值差异小于20%，这样相变胶囊可以悬浮于液体传热介质8之中，可以增强换热效果并便于搅动装置的工作；

在缓冲区9b中，设有升降机构9f，升降机构9f升起时可以将处于该位置的换热转子10抬高，并脱离缓冲池9（如图5所示）；在升起过程中，传热介质8通过换热转子10的圆柱体壁上的孔洞流出，换热转子10中只剩下相变胶囊5，换热转子10在此处即为过滤装置；升降机构9f下降时可以则将处于该位置的换热转子10带入缓冲池中（如图4所示）；然后直接将换热转子10连同相变胶囊5传送到快速交通工具4b一并进行运输；在缓冲池9顶部升降机构9f的对应位置设有盖板9g，当升降机构9f工作时将盖板9g移开，当升降机构9f工作完成后将盖板9g封闭。

换热子系统6（缓冲池9）与快速交通工具4b之间设有传送装置11，传送装置11作为换热子系统6与快速交通工具4b之间的衔接，将换热子系统6中取出的相变胶囊5传送并装载到快速交通工具4b之中，同时将快速交通工具4b中卸载的相变胶囊5传送回到换热子系统6中，实现快速交通工具4b与换热子系统6之间装卸、交接相变胶囊5的工作；所述的传送装置11可以是自动化的传送带流水线，以实现自动化装卸。

在此，汇总说明本实施例的换热子系统6的运行流程：

第一，将换热区9a和缓冲区9b之间的隔板9h取出；转动转轴9c，将带有已完成热交换的相变胶囊5的换热转子10转动到缓冲区9b中升降机构9f的对应位置，将盖板9g移开，再将升降机构9f升起、将换热转子10抬高并脱离缓冲池9；此时传热介质8通过换热转子10的圆柱体壁上的孔洞流出，换热转子10中只剩下相变胶囊5；

第二，通过传送装置11将带有已完成热交换的相变胶囊5的换热转子10传送到快速交通工具4b中，同时将快速交通工具4b中的带有待进行热交换的相变胶囊5的换热转子10取出，通过传送装置11传送到缓冲池9的升降机构9f的对应位置；装卸、交接过程完成后，快速交通工具4b即可按照计划时间进行往返运输；

第三，升降机构9f下降、将处于该位置的带有待进行热交换的相变胶囊5的换热转子10带入缓冲池9中，再将盖板9g封闭；

第四，转动转轴9c，将带有待进行热交换的相变胶囊5的换热转子10转动到换热区9a，再将隔板9h插入、放置在换热区9a和缓冲区9b之间，使得换热区9a中的相变胶囊5与传热介质8进行热交换；热交换完毕后，若缓冲区9b中还有其它的带有待进行热交换的相变胶囊5的换热转子10，则将隔板9h取出、并继续转动转轴9c，依次将剩余的带有待进行热交换的相变胶囊5的换热转子10转动到换热区9a，再将隔板9h插入，使得各批相变胶囊5依次与传热介质8进行热交换；

然后，依照以上过程循环运行。

通过以上方案，就可以实现相变胶囊的快速换热、自动化装卸、交接，提高周转率。换热子系统和传送装置也可以采用其他常见的形式或结构，可根据实际应用进行调整。

实施例2：

在工业余热利用的案例中，由于工业生产的环节较多，各个环节产生的余热的温度、品位也有所不同，因此可以采用不同相变温度的相变胶囊对应吸收不同品位的热能。不仅可以减少各个吸收过程中的热能品位损失，并可以在换热站中实现梯级利用。

具体方案是：

在冷/热源系统1中，将冷/热源按输出温度划分为多个不同档次的独立冷/热源、并形成多个独立的冷/热源系统，其中分别采用与各个冷/热源的能源品位相匹配的具有不同相变温度的相变胶囊5作为中间媒介；

在快速运输系统4中，快速交通工具4b分批同时携带具有不同相变温度的相变胶囊5在冷/热源系统1与换热站2之间往返传递；

在换热站2，对应设置多个串联的换热子系统6，按照相变温度的高低排序、将具有不同相变温度的相变胶囊5分别放入各个串联的换热子系统6中，逐级进行热交换。

以下，具体介绍一个两级余热利用系统：（如图6所示）

该系统中存在两个热源，热源输出温度分别为65℃和50℃，因此分开设置两个独立的热源系统，包括热源一1a1、第一换热子系统6a1、热源二1a2、第二换热子系统6a2；其中分别采用相变温度为Tx1=60℃和Tx2=45℃的相变胶囊5作为中间媒介；

在快速运输系统4中，快速交通工具4b同时携带两种相变胶囊5在热源系统1与换热站2之间往返传递；

在换热站，对应设置两级串联的换热子系统，将两种相变胶囊分别放入第一换热子系统6b1和第二换热子系统6b2中；终端供热网络3的供回水温度设定为57℃/32℃；终端供热网络3的回水为32℃，经过与第二换热子系统6b2中相变温度为45℃的相变胶囊进行热交换后温度提升至42℃；再经过与第一换热子系统6b1中相变温度为60℃的相变胶囊进行热交换后温度提升至57℃，然后再输出给终端供热网络3使用。

在此系统中，各级热源系统对总体系统的贡献度不一定是相同的，一方面要看各级余热输出能量的比值；另一方面要根据换热站的运行温差及热负荷的变化情况进行具体的调整；同时快速运输系统4运输的各级相变胶囊5的比例关系也可以根据应用情况进行实时调整。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。