用于运行换热站的设备和方法与流程

本发明涉及一种用于将热从具有第一导热流体的供应商热网传输到具有第二导热流体的用户热网的换热站。此外，本发明涉及一种用于将热从具有第一导热流体的供应商热网传输到具有第二导热流体的用户热网的方法。

背景技术：

远距离供热表示为建筑物供给热能和热水。为此例如水良好地适于用于热运输的介质，其中水以流体或以蒸汽形式来使用。介质需要在绝热的管路中处于持续不断循环中。作为近距离供热表示经由比较短的距离为供热目的进行相应的换热，但其中可以流动过渡至远距离供热。

换热站将这样的近距离供热网和远距离供热网与耗热器连接。远距离供热网的运行温度在此取决于具有所需的最高温度水平的消耗器。在慕尼黑的内城区中，例如远距离供热入流的温度在冬天为130℃而在夏天为80℃。回流的温度不允许超过45℃的值。这些温度属于如下参数，所述参数通常在相应的供给企业的技术连接条件下被是固定的并且必须通过设备的运行方式和结构被遵守。当然，绝大多数的消耗器对于其供热系统而言需要更低的入流温度。在居住建筑的情况下，热水供给的所需的入流温度例如为大约60-65℃，并且因此根据现有技术首先通过混入较冷的水来降低温度。然而，以此方式浪费热水的理论上可利用的潜能(有效能)的大部分，这是不利的。于是在现有技术中，热在高温度水平上运输经过远的距离并且接着在有效能灭失的情况下被降低到低的温度水平上。

技术实现要素：

本发明的任务是克服这些缺点并且更好地利用远距离供热的潜能。

该任务通过根据权利要求1的换热站来解决。

根据本发明的用于将热从具有第一导热流体的供应商热网传输给具有第二导热流体的用户热网的换热站包括具有工作介质的热动力学的循环过程设备，尤其是具有有机工作介质的orc设备，其中热动力学的循环过程设备包括：构建为蒸发器的第一换热器，用于预热、蒸发和在输送来自第一流体的热的情况下可选地附加过热工作介质；用于通过被蒸发的工作介质的膨胀来产生机械能的膨胀机；与膨胀机耦联的发电机，用于至少部分将机械能转换成电能；构建为冷凝器的第二换热器，用于冷凝膨胀的工作介质并且将来自膨胀的工作介质的热能传输给第二流体；以及用于在相对于蒸发器提高压力的情况下输送冷凝的工作介质的馈送泵。可选地，在冷凝器中在冷凝之前可以冷却工作介质。此外，可选地在冷凝器中在冷凝之后可以将工作介质过冷到冷凝温度之下。第一导热流体和第二导热流体可以是同样的流体。在换热站中，热被从具有第一温度水平的网传输到较低的第二温度水平的网中。

根据本发明的换热站的优点在于，所述的在远距离供热侧和热用户侧之间的有效能差可以被用来产生电能，其方式是：循环被中间接入，例如具有有机工作介质的有机朗肯循环(orc循环)、斯特林循环、蒸汽动力循环等。从远距离供热网获取的高温热的一部分在热动力学循环中被转换成电能。工作介质的冷凝热以低温热馈送热网。这样，热供给可以完全或部分经由热动力学循环实现。本发明的主要优点在于附加地为热用户提供电能。

根据本发明的换热站可以构建为：可以设置第三换热器，用于将热直接从第一流体传输到第二流体。这具有如下优点：热能的一部分被直接传输给用户热网并且因此实现保护热供给以防热动力学的循环过程设备的故障。

对前面所述的改进方案的一种改进方案在于，可以设置：用于将第二流体的质量流划分成第一部分和第二部分的装置；用于将第二流体的第一部分传导通过冷凝器和第二流体的第二部分传导通过第三换热器的装置；用于将第二流体的质量流的第一部分在传导通过冷凝器之后和第二流体的质量流的第二部分在传导通过第三换热器之后汇聚的装置。供应商热网的回流温度在此可以通过循环过程设备的相应的调节被保持到恒定的水平。在用户热网中的入流温度可以任意调节。当存在更高的热需求时，降低至循环的质量流。

根据另一改进方案，用于划分第二流体的质量流的装置可以设置在用户热网的入流或回流中并且优选包括在至第三换热器的入流中的三通阀或泵。其分别对应于该装置的和该装置的具体的设计方案的有利的实例。

另一改进方案在于，设置第四换热器，用于将热直接从第一流体传输到工作介质上。对流体产生替选地，通过该改进方案能够实现循环过程设备的热泵运行模式。热泵运行为热用户提供如下优点：所安装的连接负荷会降低较小。

对前面所述的改进方案的改进在于，设置用于将工作介质从蒸发器的入流旁路至第四换热器的装置，尤其为三通阀或电池阀的形式；和用于使膨胀机作为压缩机运行的装置。以此方式，工作介质可以代替被传导至第一换热器而传导给第四换热器，以便在那里在膨胀机作为压缩机运行时从第一流体吸收热。

对前面所述的改进方案的改进在于，用于使膨胀机作为压缩机运行的装置包括：用于将工作介质从第四换热器直接传导至作为压缩机运行的膨胀机的低压侧的装置，尤其是用于阻断在蒸发器与膨胀机的高压侧之间的连接的第一阀和旁路管路，该旁路管路具有用于建立在第四换热器与膨胀机的低压侧之间的连接的第二阀，并且此外用于将被压缩的工作介质从作为压缩机运行的膨胀机的高压侧直接传导至冷凝器的装置，尤其是用于阻断在膨胀机的低压侧与冷凝器之间的连接的第四阀和旁路管路，该旁路管路具有用于建立在膨胀机的高压侧与冷凝器之间的连接的第三阀。这提供了所述的装置的优选的设计方案。

根据另一改进方案，换热站可以构建为，第二导热流体被传导完全通过冷凝器以及通过第三换热器。在此，冷凝器被以大的质量流穿流。这对于设备的电效率而言是有利的。

另一改进方案在于，带有第三换热器的换热站还包括用于将第一流体的质量流划分成第一部分和第二部分的装置，尤其是三通阀，和用于将第一流体的第一部分传导至第三换热器的装置。

前面所述的改进方案还可以改进为，使得与第二流体的热接触地设置储热器。这能够实现进入冷凝器中的第二流体的温度梯度展平。如果第二流体的温度大于储热器的温度，则第二流体被冷却，若温度较小，则将第二流体加热。

根据本发明的任务还通过根据独立权利要求11所述的方法来解决。

根据本发明的方法借助热动力学的循环过程设备将热从具有第一导热流体的供应商热网传输到具有第二导热流体的用户热网，所述热动力学的循环过程设备尤其是orc设备，其中热循环过程设备包括构建为蒸发器的第一换热器、膨胀机、与膨胀机耦联的发电机、构建为冷凝器的第二换热器和馈送泵，其中该方法包括如下步骤：在利用第一换热器从第一流体输送热的情况下预热、蒸发和可选地过热工作介质；通过利用膨胀机使被蒸发的工作介质膨胀产生机械能，并且利用发电机至少部分将机械能转换成电能，冷凝相应的工作介质并且利用第二换热器将来自膨胀的工作介质的热能传输给第二流体；以及在利用馈送泵相对于蒸发器提高压力的情况下输送被冷凝的工作介质。在冷凝之前可选地可以冷却膨胀的工作介质。在冷凝之后可选地可以过冷冷凝的工作介质。

根据本发明的方法和其改进方案的优点对应于根据本发明的设备和其改进方案的优点并且因此在此不再详细介绍。

按照根据本发明的方法的改进方案，设置另一步骤：利用第三换热器将热从第一流体直接传输到第二流体。

对前面所述的改进方案的改进在于，设置如下的其他步骤：用于将第二流体的质量流划分成第一部分和第二部分；将第二流体的第一部分传导通过冷凝器和第二流体的第二部分传导通过第三换热器；和将第二流体的质量流的第一部分在传导通过冷凝器之后和第二流体的质量流的第二部分在传导通过第三换热器之后汇聚。

根据另一改进方案，该方法包括如下步骤：利用第四换热器将热从第一流体直接传输到工作介质。

另一改进方案在于，第二导热流体被传导完全通过冷凝器以及通过第三换热器。

根据另一改进方案，设置至少部分将电能馈入到网中，和/或至少部分使用电能以运行用户热网，尤其用户侧的供热设备。

所述的改进方案可以单独使用或如所要保护地合适地彼此组合。

本发明的其他特征和示例性的实施形式以及优点在下文中参照附图予以详细阐述。应理解的是，实施形式并不穷尽本发明的范围。此外，应理解的是，进一步描述的特征的数个或所有也可以以其他方式彼此组合。

附图说明

图1示意性地示出了在纯供热运行中的有效能利用和温度曲线。

图2示出了具有集成的orc过程的相应的有效能利用。

图3示出了根据本发明的换热站的第一实施形式。

图4示出了orc过程的t-q曲线。

图5示出了根据本发明的换热站的第二实施形式。

图6示出了通过减小质量流的避免气穴现象。

图7示出了处于第一运行模式中的根据本发明的换热站的第三实施形式。

图8示出了处于第二运行模式中的根据本发明的换热站的第三实施形式。

图9示出了根据本发明的换热站的第四实施形式。

图10示出了根据本发明的换热站的第五实施形式。

具体实施方式

首先，在下文中参照有效能示出本发明的基本动机。有效能表示能量的可以完全转换成任意其他能量形式的部分，譬如电能。有效能即为能量中的能做功的部分。与之不同，无效能是能量中的不能做功的部分，转换成其他能量形式在此并不可能。这样，热能本身在理想化的过程中可以仅仅一部分被转换成机械能。

热流由有效能部分和无效能部分构成，其中有效能部分借助等式来计算。在此情况下，t是热源的温度并且tu是环境温度。在常规供热系统中，在热流中包含的有效能通过温度的降低来消灭，如图1所描述的那样。温度的降低在此情况下可以有不同的原因。这样，会需要降低温度，例如为了遵守供热系统中的温度边界，这例如保证换热站。温度的进一步减小在每次换热时进行，要么在换热站中要么在供热中进行，其例如加热空间。当热已减小到环境温度，则其不再能做功并且是纯粹的无效能。

相反地，将热动力学循环集成到供热系统(参见图2)能够实现在热流中包含的有效能以电能形式进一步使用。被转换成电能的能量流尽管不再可用于供热，但其可以通过在orc处理中略微提高热输送来补偿。由于能量载体的价格低并且由此相对于电能的合约价格所产生的热能，这特别在住宅经济/小型消耗器的领域中在经济上是令人感兴趣的。

图3以本发明的第一实施形式示出了产生流的换热站的最简单的实现。这里所使用的附图标记也在用于其他实施形式的其他附图中当其是相同元件时被保留。

根据本发明的用于将热从具有第一导热流体的供应商热网10传输到具有第二导热流体的用户热网20的换热站1包括具有工作介质(例如水或水蒸汽)的热动力学的循环过程设备30，尤其是具有有机工作介质的orc设备，其中热动力学的循环过程设备30包括：构建为蒸发器31的第一换热器，用于蒸发和可选地附加预热和/或在输送来自第一流体的热的情况下过热工作介质；用于通过被蒸发的工作介质的膨胀来产生机械能的膨胀机32；与膨胀机耦联的发电机33，用于至少部分将机械能转换成电能；构建为冷凝器34的第二换热器，用于冷凝和可选地附加冷却和/或可选地附加过冷膨胀的工作介质并且将来自膨胀的工作介质的热能传输给第二流体；以及用于在相对于蒸发器提高压力的情况下输送冷凝的工作介质的馈送泵35。馈送泵通过马达36运行。此外，在用户热网的热循环中设置泵21，利用泵输送第二流体(例如水)。

为了清楚的目的，选择远距离供热网10、orc过程30以及供热网20的简化的视图。在蒸发器31中，在输送热的情况下蒸发流体的工作介质，在膨胀机32中(例如螺旋膨胀机、涡轮机)膨胀并且在较低的压力水平上液化。在冷凝器34中液化时，热被从工作流体传送到热水网并且由此实现所需的入流温度。膨胀机32经由轴与发电机33耦合，该发电机将机械能转换成电能。这不仅可以馈入到网中，而且为了满足供热设备的能量需要而被使用。循环通过馈送泵35将工作介质的压力提高到蒸发压力并且将工作介质重新输送到蒸发器31中的方式来关闭。热动力学的循环过程设备30集成到换热站1因此提供了在耗热器中分散的力热耦合的可能性。在较大的换热站的情况下，通过模块化结构实现了堆栈中的多个设备的并行运行。以此方式实现了更好的部分负载特性以及提高的灵活性。

换热站与热动力学循环过程设备的组合当然有如下问题：orc仅可以利用在远距离供热入流和回流之间的温度梯度的一部分。这原因在于如下事实：在热源与工作介质的温度之间的夹点限制热吸收，如orc过程的t-q曲线在图4中所阐明的那样。在那里示出了远距离供热网、供热网以及在orc过程中的流体的温度曲线。在此情况下，是orc可以吸收的最大热量，是建筑物的热需求。在热动力学工艺过程中，在两种经由一个或多个换热器传输热的媒介之间的最小温度差称作夹点。

此外，在根据图3的第一实施形式中热功率取决于orc30的运行。在热动力学的循环过程设备30故障时，供热网20的热供给不再可能，因为经由冷凝器34不再有热被耦合输出。工作介质馈送泵35对气穴的敏感性引起另一问题。如果在短时间之内大量冷水进入冷凝器34，例如在突然出现热需求时，则冷凝器34中的压力下降。在此情况下，如果低于与工作介质的主导的温度对应的沸腾压力，出现气穴，即在到馈送泵35的出口和入口中的冷凝物中局部形成蒸汽气泡，其接着又瘪下去。由于与之连续的压力波引起馈送泵35的叶轮的损伤，此外所形成的蒸汽导致所输送的体积流的衰竭，这接着导致循环过程设备30立即停顿。

专利文献de102009053390b3“thermodynamischemaschinesowieverfahrenzuderenbetrieb”描述了用于避免在热动力学循环过程中的气穴的设备和方法，其尤其在使用空气冷凝器时是有利的。在此情况下，通过在冷凝器中添加不用于冷凝的气体将附加的压力施加给工作介质。因为这与泵的更大的入流高度同意，所以在泵入口中实际压力距沸腾压力的距离增大。作为回报，由此在膨胀机上的压力差并且因此所输出的电功率减小。由于在冷凝为水时在膨胀机上的压力差比较低，该解决方案对于现有的应用情况而言是不利的。

然而，这些缺点可以通过后续示出的其他实施形式以及由此构成的优选的组合来避免。

供热运行在根据图5的第二实施形式2中与循环过程的运行无关。热的变化的部分被该循环过程吸收，而其余部分经由第三换热器40直接传送到供热网20中。对三通阀22替选地，另一泵被使用在至用于划分质量流的第三换热器40的供热网入流中。此外，这些泵可以不仅设置在供热网20的入流以及回流中。在循环过程故障时，整个热量可以经由第三换热器40来输送。因此在第三换热器40的充分设计时提供了应急功能性。远距离供热网的回流温度可以通过循环过程相应地调节可以保持在恒定的水平或低于所需的最高温度之下。在orc运行中，温度比在orc关断时略微更高。在热网20中的入流温度可以任意调节。当存在更高的热需求时，降低循环过程中的质量流。在工作介质的输入温度和输出温度恒定时，由此进行对orc的更小的热输送。这由于远距离供热网10的恒定的质量流又意味着：在远距离供热网10的侧上的输出温度升高。由此，在第三换热器40上存在更大的温度差，由此提高了直接传输给热网20的热量。该系统不仅可以接入热水网中，在其中远距离热网和热水网彼此分开，而且可以接入仅存在共同的网的网中。为了集成到混合网中，第三换热器40不再变得必要，因为可以直接将远距离热水的子流传导到热网中。

此外，第二实施形式提供更好的功能性来避免气穴损伤。在此情况下，热水的质量流可以通过冷凝器34经由三通阀22来减小。如图6所示，由此水质量流的温度差增大。工作介质的冷凝温度通过水的入口温度、在夹点中的温度差以及水的温度差和质量流来影响。如果水侧的入口温度升高，则工作介质的冷凝压力也升高。如果水的质量流减小，则水的出口温度升高。由于换热器面积保持恒定，然而在工作介质与水之间的温度差升高，则工作介质被更强地过冷。较大的过冷在馈送泵入流中如较大的入流高度一样起作用，因为实际压力距在泵输入端处的蒸发压力的距离增大。

在远距离热入流(例如120℃)与回流(例如45℃)之间有大的温度差的情况下，在蒸发器34中的换热快速地到达其边界。由于在工作介质与在第一换热器(蒸发器)中的入口处的流体之间的夹点，远距离供热回流的冷却并且因此热输送是仅有限地可行的。

此外，第二实施形式2能够实现不同的运行模式。第一运行模式用于供热和用于产生电流。在平均的热需求的情况下，循环过程与热供给平行地进行并且热需求的一部分通过冷凝热来满足。来自热网20的热的小的部分经由膨胀机32和发电机33转换成电能。第二运行模式用作纯粹的供热运行。为此，在非常大的热需求的情况下关断循环过程设备30并且整个所需的热经由第三换热器40被输送给热网20。该运行模式在此情况下等同于传统输送站

在敏感热源的情况下(例如地热能供热设备)，回流温度是重要的参数，以便从该源获取尽可能多的热并且提高设备的效率。根据图7的第三实施形式3是第二实施形式2的改进方案，通过其可以实现在远距离回流中相应的低温度。

对产生电流替选地，通过根据图7的第三实施形式3能够实现orc的热泵运行模式。为此，膨胀机32作为压缩机32运行，其方式是：阀54关闭而阀53打开，使得流体在低压侧上流入膨胀机32中。此外，阀55关闭。通过打开的阀52，被浓缩的工作介质流入冷凝器34，在冷凝器中将热传送给热网20中。通过节流阀56进行压力降低，该压力降低随着沸腾温度降低而出现。借助第三换热器40，热能的一部分被传输给热网20，并且这样回流温度降低到适于热泵的范围。接着，工作介质经由三通阀51可以传导至第四换热器50，在第四换热器中工作介质可以被蒸发。由此，进一步冷却远距离供热回流。

热泵运行为热用户提供如下优点：所安装的连接负载会降低较小。其原因在于，分流功率通过在远距离供热入流和回流之间的确定的扩张以及换热器的面来限定。通过在换热器面恒定和质量流恒定的情况下附加冷却回流，实际的热输送在热泵运行中大于分流功率。对于例如地热能供热设备的运营方得到如下优点：可以从再生的热源获取更多的能量。此外，通过在低回流温度的情况下热能的更高的产出还可以替代提供尖峰负荷能的一部分。

在根据图8的orc运行中，第三实施形式3类似于第二实施形式2地进行。在此情况下，阀54和55打开，三通阀51阻断至第四换热器50的通道并且实现至第一换热器31的通道。

通过阀52、53、54、55可以旁路膨胀机32，因此压力损失降低和对热网20的热提供可以经由自然循环来实现。可替选地，第三换热器40可以实现旁路。在热泵运行情况中，可以实现低远距离供热回流温度。热网入流温度的限制通过最大的冷凝温度加上换热器的容量来构成。利用略微修改不仅在分离的热回路中而且在混合的热回路中可以使用。在此如针对第二实施形式地给出了避免气穴现象。蒸发器的温度差如第二实施形式。在远距离热入流与回流之间有大的温度差的情况下，在蒸发器中的换热快速地到达其边界。由于在远距离供热管路中的工作介质与流体之间的夹点，远距离回流的冷却并且因此对orc的热输送是仅有限地可行的。

图9示出了根据本发明的换热站的第四实施形式4。在第四实施形式4中，设置用于将第一流体的质量流划分成第一部分和第二部分的装置，呈三通阀形式，和用于将第一流体的第一部分传导至第三换热器40的装置。此外，与第二流体热接触地存在储热器60。在循环过程故障时，整个热量可以经由第三换热器40来输送。因此，在第三换热器40充分设计的情况下提供了应急功能性。在orc运行中，远距离回流温度相对于第二实施形式2略微提高。在热网中的入流温度可以任意调节。当(例如在峰值负荷的情况下)存在升高的/提高的热需求时，降低至循环过程的质量流，由此经由第三换热器40将在更高的温度水平上的更多热传输到热网20。热网入流温度如在第二实施形式2中。利用略微修改不仅在分离的热回路中而且在混合的热回路中可以使用。在热网20的回流中，作为热缓冲器，将储热器60(潜热蓄热器或敏感的储热器)连接在冷凝器34上游。这能够实现进入冷凝器34中的热水的温度梯度展平。在远距离热入流与回流之间有大的温度差的情况下，在蒸发器中的换热快速地到达其边界。由于在远距离供热管路中的流体与工作介质之间的夹点，远距离供热回流的冷却并且因此热输送是仅有限地可行的。

在根据图10的第五实施形式5中，在热网20的侧上的orc的冷凝器34始终以最低温度以及以大的质量流穿流，因为第二导热流体完全被传导不仅穿过冷凝器34而且穿过第三换热器40。这对于设备的热效率是有利的，因为在较大的质量流的情况下在热水回流中形成较低的温度差。在夹点恒定的情况下因此相对于膨胀机较低的反压力(参见图11)，这引起较高的电功率。在循环过程故障时，整个热量可以经由第三换热器40来输送。因此，在第三换热器40充分设计的情况下提供了应急功能性。由于在冷凝器34中热网回流升温，远距离供热回流可以通过第三换热器40并不如在第二实施形式中那样多地被冷却。由此，在orc运行中根据运行方式得到远距离供热回流温度的提高，例如提到大约10k至15k。在热网20中的入流温度可以任意调节。当存在热需求时，降低循环过程中的质量流，由此经由第三换热器40将在更高的温度水平上的更多热直接传输到热网。利用略微修改不仅在分离的热回路中而且在混合的热回路中可以使用。避免气穴：在热网的回流中，如在第四实施形式4中，作为热缓冲器可以将潜热蓄热器或敏感的储热器连接在冷凝器34上游。这能够实现进入冷凝器中的热水的温度梯度展平。在第五实施形式5的蒸发器中的温度差对应于第二实施形式2的蒸发器中的温度差。

总之，根据本发明的换热站具有如下的优点和缺点。作为优点，所使用的有效能的更好利用(在更高的附加利用的较少的附加热功率的情况下，参见图2)；在热传送给耗热器时有效能的较少的灭失；在终端用户中(产生电流的供热系统)的分布式力热耦合；利用不同的温度变化和网类型(混合的和分离的回路)；功率和运行中的大灵活性，与增长的热网匹配(可以实施为堆栈)；以及效率的提升并且整个系统的功率系数的提升。称为缺点的是：为热用户的略微较低的最大热提供，并且在实施形式1、2、4、5中，远距离供热回流的温度的略微至适当的提高。尽管在具有应急功能的实施形式中，通过orc的旁路即其关断和对第三换热器40的充分设计可以提供整个支路功率。

所示的实施形式仅为示例性的并且本发明的整个范围通过权利要求来限定。