热能系统和操作方法技术方案

本发明专利技术的热能系统包括在使用中具有冷却需求的第一热系统和与所述第一热系统耦合的热沉连接系统，所述热沉连接系统适于选择性地连接多个热沉，所述热沉连接系统包括：第一换热器系统，其适于与远程第一热沉耦合；和第二换热器系统，其适于与环境空气耦合；流体回路，其将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连；至少一个机构，其用于选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流动回路的流体流动方向有关；以及控制器，其用于致动所述至少一个机构。可选实施例具有加热需求且使用热源。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及热能系统以及热能系统的操作方法。特别地，本专利技术涉及应用于连接至制冷系统(尤其是例如在超市中使用的商用制冷系统)或包含在制冷系统中的系统。本专利技术还在诸如集中冷却和加热系统以及工业制冷和/或过程加热等领域内具有更广阔的应用。很多建筑物需要由建筑物内的系统产生的加热和/或冷却。例如，暖通空调(HVAC)系统可能有时需要正向供热，在其它时间需要冷却，或者需要同时加热和冷却。诸如超市等一些建筑物包含大型工业制冷系统，所述大型工业制冷系统包含需要用于排热的恒温阱(constant sink)的冷凝器。这些系统中的很多系统需要恒温控制以确保有效运行。低效运行可能导致显著的附加运营成本，尤其是增加了耗能的成本。例如，典型的超市通常使用其能源的多达50%来运行需要每年365天每天24小时时刻工作的制冷系统。利用机械制冷循环的常用冷却器的效率是由很多参数和特征来确定的。然而，按照卡诺循环，任何高效制冷循环的关键参数是确定冷凝温度(CT)的能讲(energy sink)的质量。CT还与从制冷循环提供给能阱的负荷量密切相关，即，随着负荷增加，压缩机需要进行更多的工作以满足所需的要求，并且用于驱动压缩机的附加的电能被转换为废热，这是从蒸发器吸收的热之外的废热。这转而导致对能阱的更高负荷。因此，CT保持得越低，压缩机需要进行的工作越少。图5示出了在已知制冷系统中的制冷剂在制冷循环中的压力和焓之间的关系，所述制冷系统在制冷机中使液体制冷剂蒸发，随后将所述制冷剂压缩并冷凝。图中代表温度的曲线L定义了制冷剂处于液态的条件。在制冷机中，液体制冷剂随着在蒸发器中蒸发时而吸热(在恒压下)。这由图5中的线a-b表示。点b位于曲线L外部，这是因为在该点处所有液体都被蒸发，制冷剂处于过热气体的形态。线a-b在曲线L内部的部分代表蒸发量。如线b-c表示，气态制冷剂被压缩机压缩。这导致气体压力和温度的增加。随后，使压缩气体的温度降低以使制冷剂能够冷凝，在制冷剂的冷凝过程中，第一冷却阶段包括由线c-d表示的气体的初始冷却，第二冷凝阶段包括由曲线L内的线d-e表示的气体的冷凝以形成液体。从c至e的线代表排热。然后，线e_a表示压缩机借助膨胀设备使上述液体的压力降低，从而在该循环结束时返回至点a。可选择地，可对冷凝的液体进行再冷却，这由线e_f表示，并且此后可以通过膨胀设备降低再冷却后的液体的压力，这由线f_g表示，从而在此循环结束时返回至点g。这种再冷却通过增加蒸发器内的制冷剂焓而增加了蒸发量，增加的蒸发量是由线g_a表示的，其与冷却和冷凝线e-f上的再冷却相反。制冷冷凝循环的上部的线决定了代表着蒸发量的下部的线的有效性。蒸发线a-b (或者包括再冷却的g_b)和冷凝线c-e (或者包括再冷却的c-f)之间的压力增加越小，制冷循环的效率就越高，输入压缩泵的能量也就越小。本领域中存在着对这样的热能系统的需求:该热能系统能够在全年中提高制冷循环的效率并且降低输入至压缩泵的能量。在商业上使用各种不同的制冷剂。一种制冷剂是二氧化碳，即co2(本领域中由指定代码R744标示)。这种天然制冷剂的主要优点在于其具有低的全球变暖潜能(GWP)，其GffP显著低于世界制冷工业采用的先进制冷剂混合物的GWP。例如，Ikg的CO2等于GWP1，而适于商业和工业制冷的专业制冷剂通常达到GWP3800。在任何商业制冷设备的制造和使用中，加压的制冷剂向环境空气的无意损耗是不可避免的。例如，就超市制冷系统而言，在英国每个平均规模的超市每年可以损耗超过几百千克的制冷剂，而在其它欠发达国家，制冷剂损耗通常还要高得多。使用CO2的特征还在于高的工作压力，这提供了高的能量运载能力，即，比每单位的流过制冷剂回路的制冷剂的普通热传输能力更高。将CO2用作制冷剂只有一个主要缺点。与合成制冷剂不同，CO2的临界温度点低，为31.1°C。这意味着在相对温暖的环境下来自CO2的任何排热都会使该制冷剂进入其跨临界区域，即，将不会发生冷凝。在这种环境下，排热将仅仅依赖于由制冷剂的冷却导致的所谓的显热传递(sensible heat transfer),而不是在制冷剂在不同的亚临界条件下冷凝时会发生的潜热传递(latent heat transfer)。依赖于在露点时的潜热释放的冷凝是比这种显热传递更有效的排热方式。结果，并非冷凝的所有热量都能够被释放，这使得CO2保持在其跨临界状态或气态或部分液态部分气态，并阻碍了制冷循环可靠且有效地运转。已经存在这样的现代制冷系统:其能够通过在排热换热器之后安装附加的压力/温度调节阀来克服上述局限。这种阀的作用是使CO2制冷剂产生压降，并使CO2制冷剂保持更高的排热压力/温度。冷凝的压降和额外排放的热是在制冷循环内通过压缩机的额外的工作/提取来保持的，并且造成低效率。这种压降和热提取与系统COP的间接损耗(多达45%，且可能更多)相关联。还存在着对于能够包含二氧化碳作为制冷剂并且能够始终高效地工作的制冷系统的需求。本专利技术旨在满足上述需求。本专利技术提供一种热能系统，其包括在使用中具有冷却需求的第一热系统和与所述第一热系统耦合的热沉连接系统，所述热沉连接系统适于选择性地连接用于冷却所述第一热系统的多个热沉，所述热沉连接系统包括:第一换热器系统，其适于与含有工作流体的远程第一热沉耦合；和第二换热器系统，其适于与作为第二热沉的环境空气耦合；流体回路，其将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连；至少一个机构，其用于选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流体回路的流体流动方向有关；以及控制器，其用于致动所述至少一个机构。本专利技术还提供一种热能系统的操作方法，所述热能系统包括第一热系统，所述方法包括如下步骤:(a)设置具有冷却需求的第一热系统；(b)设置与含有工作流体的远程第一热沉耦合的第一换热器系统；(c)设置与作为第二热沉的环境空气耦合的第二换热器系统；(d)使流体围绕将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连的流体回路流动以同时向所述第一热沉和所述第二热沉排热；并且(e)选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流体回路的流体流动方向有关。特别地，本专利技术的以上方面涉及制冷系统。然而，本专利技术的其它方面还具有对诸如加热系统等其它热能系统的适用性。在这样的加热系统中，所述热系统具有加热需求(而非冷却需求)且设置有热源(而不是热沉)，并且采用热泵循环而非制冷循环。因此，本专利技术还提供一种热能系统，所述热能系统包括在使用中具有加热需求的第一热系统和与所述第一热系统耦合的热源连接系统，所述热源连接系统适于选择性地连接用于加热所述第一热系统的多个热源，所述热源连接系统包括:第一换热器系统，其适于与含有工作流体的远程第一热源耦合；和第二换热器系统，其适于与作为第二热源的环境空气耦合；流体回路，其将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连；至少一个机构，其用于选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流体回路的流体流动方向有关；以及控制器，其用于致动所述至少一个机构。本专利技术还提供一种操作热能系统的方法，所述热能系统包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热能系统，其包括在使用中具有冷却需求的第一热系统和与所述第一热系统耦合的热沉连接系统，所述热沉连接系统适于选择性地连接用于冷却所述第一热系统的多个热沉，所述热沉连接系统包括：第一换热器系统，其适于与含有工作流体的远程第一热沉耦合；和第二换热器系统，其适于与作为第二热沉的环境空气耦合；流体回路，其将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连；至少一个机构，其用于选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流体回路的流体流动方向有关；以及控制器，其用于致动所述至少一个机构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.03.08 GB 1103916.11.一种热能系统，其包括在使用中具有冷却需求的第一热系统和与所述第一热系统耦合的热沉连接系统，所述热沉连接系统适于选择性地连接用于冷却所述第一热系统的多个热沉，所述热沉连接系统包括:第一换热器系统，其适于与含有工作流体的远程第一热沉耦合；和第二换热器系统，其适于与作为第二热沉的环境空气耦合；流体回路，其将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连；至少一个机构，其用于选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流体回路的流体流动方向有关；以及控制器，其用于致动所述至少一个机构。2.如权利要求1所述的热能系统，其中，所述第一换热器系统适于与包括所述远程热沉的多个井眼耦合。3.如权利要求2所述的热能系统，其中，所述井眼被包括在闭合回路地热能系统中。4.如权利要求1至3中任一项所述的热能系统，其中，所述第二换热器系统是与环境空气耦合的冷凝器、气体冷却器或再冷却器。5.如前述任一权利要求所述的热能系统，还包括:第一温度传感器，其用于测量所述第一热沉的温度；和第二温度传感器，其用于测量所述第二热沉的温度。6.如权利要求5所述的热能系统，其中，所述控制器适于通过采用所述第一热沉的被测温度和所述第二热沉的被测温度作为控制参数来致动所述至少一个机构。7.如权利要求6所述的热能系统，其中，所述控制器适于至少部分地基于所述第一热沉的被测温度与所述第二热沉的被测温度的比较来致动所述至少一个机构。8.如前述任一权利要求所述的热能系统，其中，所述热沉连接系统被构造用来提供所述热沉之间的基本无限制的流动。9.如前述任一权利要求所述的热能系统，其中，所述流体回路具有连接至所述第一热系统的输入和输出，且所述至少 一个机构适于在第一流体回路构造与第二流体回路构造之间可致动地切换所述流体回路，在所述第一流体回路构造中，在围绕从所述输入至所述输出的回路的流体流动方向上，所述第一换热器系统是所述第二换热器系统的上游，在所述第二流体回路构造中，在围绕从所述输入至所述输出的回路的流体流动方向上，所述第二换热器系统是所述第一换热器系统的上游。10.如前述任一权利要求所述的热能系统，其中，所述第一热系统包括利用蒸汽压缩卡诺循环的商用或工业用制冷系统。11.一种热能系统，其包括利用二氧化碳作为制冷剂的如权利要求10所述的商用或工业用制冷系统。12.如权利要求11所述的热能系统，还包括位于所述第二换热器系统的下游侧的第一压力调节阀。13.如权利要求12所述的热能系统，还包括位于所述第二换热器系统的下游侧的所述压力调节阀的旁路。14.如权利要求11至13中任一项所述的热能系统，还包括位于所述第一换热器系统的下游侧的压力调节阀。15.如前述任一权利要求所述的热能系统，其中，所述至少一个机构包括:多个可致动的切换阀机构，它们用于选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统在围绕所述流体回路的流体流动方向上的顺序。16.如权利要求15所述的热能系统，其中，所述控制器适于同时致动所述多个切换阀机构。17.如前述任一权利要求所述的热能系统，其中，所述第一换热器系统包括多个第一换热器。18.如前述任一权利要求所述的热能系统，其中，所述第二换热器系统包括多个第二换热器。19.如前述任一权利要求所述的热能系统，其中，所述热沉连接系统还包括至少一个附加换热器系统，其适于与至少一个附加热沉耦合。20.一种热能系统的操作方法，所述热能系统包括第一热系统，所述方法包括如下步骤: (a)设置具有冷却需求的第一热系统； (b)设置与含有工作流体的远程第一热沉耦合的第一换热器系统； (c)设置与作为第二热沉的环境空气耦合的第二换热器系统； (d)使流体围绕将所述第一热系统、所述第一换热器系统和所述第二换热器系统互连的流体回路流动以同时向所述第一热沉和所述第二热沉排热；并且 (e)选择性地改变所述第一换热器系统和所述第二换热器系统的顺序，所述顺序与围绕所述流体回路的流体流动方向有关。21.如权利要求20所`述的方法，其中，通过选择性地切换将所述第一换热器系统和所述第二换热器系统连接入所述流体回路的阀机构来执行步骤(e )。22.如权利要求21所述的方法，其中，所述阀机构是具有至少三个端口的双通阀。23.如权利要求20至22中任一项所述的方法，还包括测量所述第一热沉的温度和所述第二热沉的温度的步骤，并且在步骤(e )中，采用所述第一热沉的被测温度和所述第二热沉的被测温度作为控制参数以控制所述第一换热器系统和所述第二换热器系统在所述流体回路的流体流动方向上的所述顺序。24.如权利要求23所述的方法，其中，至少部分地基于所述第一热沉的被测温度与所述第二热沉的被测温度的比较来控制所述第一换热器系统和所述第二换热器系统在所述流体回路的流体流动方向上的所述顺序。25.如权利要求20至24中任一项所述的方法，其中，所述第一换热器系统与包括所述远程热沉的多个井眼耦合。26.如权利要求25所述的方法，其中，所述井眼被包含在闭合回路地热能系统中。27.如权利要求20至26中任一项所述的方法，其中，所述第二换热器系统是与环境空气耦合的冷凝器、气体冷却器或再冷却器。28.如权利要求20至27中任一项所述的方法，其中，所述流体回路具有连接至所述第一热系统的输入和输出，且在步骤(e)中，同时致动将所述第一换热器系统和所述第二换热器系统连接至所述第一热系统的切换阀机构以在第一流体回路构造与第二流体回路构造之间切换所述流体回路，在所述第一流体回路构造中，在围绕从所述输入至所述输出的所述流体回路的流体流动方向上，所述第一换热器系统是所述第二换热器系统的上游，在所述第二流体回路构造中，在围绕从所述输入至所述输出的所述流体回路的流体流动方向上，所述第二换热器系统是所述第一换热器系统的上游。29.如权利要求28所述的方法，其中，在所述第一流体回路构造中，所述第一换热器系统被布置用来提供对所述流体的主冷却和冷凝，且所述第二换热器系统被布置用来提供对所述流体的再冷却。30.如权利要求28或29所述的方法，其中，当作为所述第二热沉的环境空气的被测温度低于与所述第一热沉的所述工作流体的被测温度有关的特定阈值时，选择所述第一流体回路构造。31.如权利要求28至30中任一项所述的方法，其中，在所述第二流体回路构造中，所述第二换热器系统被布置用来提供对所述流体的再冷却和冷凝，并且所述第一换热器系统被布置用来提供对所述流体的再冷却。32.如权利要求28至31中任一项所述的方法，其中，当作为所述第二热沉的环境空气的被测温度高于与所述第一热沉的所述工作流体的被测温度有关的特定阈值时，选择所述第二流体回路构造。33.如权利要求20至32中任一项所述的方法，其中，所述第一热系统包括采用蒸汽压力卡诺循环并且使用二氧化碳作为制冷剂的商用或工业用制冷系统。34.如权利要求33所述的方法，其中，在步骤(d)中，二氧化碳最初通过所述第二换热器系统，并且在所述第二换热器系统中的二氧化碳不冷凝的情况下在跨临界条件下向所述第二热沉排热。35.如权利要求34所述的方法，还包括:在所述第二换热器系统的下游侧调节二氧化碳的压力以在步骤(d)的初始排热阶段期间提供恒压。36.如权利要求34或权利要求35所述的方法，还包括:在所述第一换热器系统的下游侧调节二氧化碳的压力以便在步骤(d)的第二排热阶段中提供恒压。37.如权利要求20至36中 任一项所述的方法，其中，所述第一换热器系统包括多个第一换热器。38.如权利要求20至37中任一项所述的方法，其中，所述第二换热器系统包括多个第二换热器。39.如权利要求20至38中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：德米特里·扎耶努林，格雷姆·奥格尔维，凯文·斯蒂克尼，格雷戈里·戴维斯，
申请(专利权)人：绿地玛斯特IPCO有限公司，
类型：
国别省市：