[发明专利]热能系统和操作方法

说明书

本发明涉及热能系统以及热能系统的操作方法。特别地，本发明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。本发明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)的能阱(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GWP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，1kg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℃。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。