(57)【要約】熱エネルギーの管理、分配、および回収のための熱エネルギーシステム。二相冷媒を循環させるシングルパイプループが提供される。シングルパイプループは、システム全体に広がり、各々が異なる熱エネルギー負荷を有する複数のローカル熱交換ステーションを相互接続する。システム内で熱エネルギーを分配するために冷媒を循環させるための中央循環メカニズム（ＣＣＭ）も提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
システム内の熱エネルギーの分配および回収のための熱エネルギーシステムであって、
ａ）システム内で二相冷媒を循環させるためのシングルパイプループと、
ｂ）シングルパイプループを通して二相冷媒を循環させるための中央循環メカニズムであって、少なくとも１つのコンプレッサを含む、中央循環メカニズムと、
ｃ）少なくとも２つのローカル熱交換ステーションであって、前記少なくとも２つのローカル熱交換ステーションの各々は、少なくとも１つのローカル熱交換器および少なくとも１つのローカル熱ユニットを含み、前記少なくとも１つのローカル熱交換器は、シングルパイプループと少なくとも１つのローカル熱ユニットとの間の熱エネルギー交換のためにシングルパイプループおよび少なくとも１つのローカル熱ユニットに熱的に接続されている、少なくとも２つのローカル熱交換ステーションと、
を含み、
前記中央循環メカニズムは、前記シングルパイプループ内に異なる作動圧力を生成し、シングルパイプループの循環サイクルの終わりに二相冷媒を実質的に一定の状態および温度に維持するために、二相冷媒の循環を制御し、
熱エネルギーは、二相冷媒によってシステム内で分配および回収される、
熱エネルギーシステム。
【請求項２】
中央循環メカニズムは、亜臨界モードと超臨界モードのいずれかで動作し、さまざまな作動圧力を提供する、請求項１に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項３】
中央循環メカニズムは、二相冷媒の流量、温度、圧力のうちの少なくとも１つを制御する、請求項１に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項４】
前記少なくとも２つのローカル熱交換ユニットのうちの少なくとも１つとの熱エネルギー交換の際に、二相冷媒はシングルパイプループ内で連続的に凝縮および蒸発する、請求項１に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つのローカル熱ユニットは、内部ローカルユニットであり、加熱システム、冷却システム、加熱／冷却システム、および給湯システムのうちの１つである、請求項１に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項６】
システム内の熱エネルギーはバランスがとれている、請求項１に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項７】
前記少なくとも１つのローカル熱ユニットは、システム内の熱エネルギーのバランスをとるための外部熱ユニットである、請求項１に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項８】
外部熱ユニットは、地上熱交換器、太陽熱集熱器、空気冷却器、空気ヒーター、およびエネルギー貯蔵システムのうちの少なくとも１つである、請求項７に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項９】
熱エネルギーのバランスをとることは、エネルギーの貯蔵、エネルギー損失の補償、およびエネルギー余剰のエネルギー放出のうちの少なくとも１つによって行われる、請求項７に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１０】
システムは、建物、少なくとも２つの建物、自動車、鉄道車両、電気自動車、水上乗物のうちのいずれかで熱エネルギーを分配および回収するためのものである、請求項１に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも２つのローカル熱交換ステーションは、各々建物内の異なる個別の場所に配置されている、請求項１に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１２】
前記少なくとも２つのローカル熱交換ステーションは、各々別々の建物にある、請求項１に記載の熱エネルギーシステム。
【請求項１３】
熱エネルギーシステムの使用であって、
ａ）二相冷媒を循環させるためのシングルパイプループと、
ｂ）シングルパイプループを通して二相冷媒を循環させるための中央循環メカニズムであって、少なくとも１つのコンプレッサを含む、中央循環メカニズムと、
ｃ）少なくとも２つのローカル熱交換ステーションであって、前記少なくとも２つのローカル熱交換ステーションの各々は、少なくとも１つのローカル熱交換器および少なくとも１つのローカル熱ユニットを含み、前記少なくとも１つのローカル熱交換器は、シングルパイプループと少なくとも１つのローカル熱ユニットとの間の熱エネルギー交換のためにシングルパイプループおよび少なくとも１つのローカル熱ユニットに熱的に接続されている、少なくとも２つのローカル熱交換ステーションと、
を含み、
前記中央循環メカニズムは、前記シングルパイプループ内に異なる作動圧力を生成し、シングルパイプループの循環サイクルの終わりに二相冷媒を実質的に一定の状態および温度に維持するために、二相冷媒の循環を制御し、
熱エネルギーは、二相冷媒によってシステム内に分配され、
システムの使用は、熱エネルギーの分配と回収のためである、
熱エネルギーシステムの使用。
【請求項１４】
システムの使用は、再加熱のエネルギー消費を不要にする、請求項１３に記載の熱エネルギーシステムの使用。
【請求項１５】
熱エネルギーの分配および回収のためのシステムの使用は、建物、少なくとも２つの建物、自動車、鉄道車両、電気自動車、および水上乗物のうちの１つ内で使用するためである、請求項１３に記載の熱エネルギーシステムの使用。
【請求項１６】
熱エネルギーの分配および回収のための方法であって、
ａ）以下を含む熱エネルギーシステムを環境に提供することと、
二相冷媒を循環させるためのシングルパイプループ、
シングルパイプループを通して二相冷媒を循環させるための中央循環メカニズムであって、少なくとも１つのコンプレッサを含む、中央循環メカニズム、および、
少なくとも２つのローカル熱交換ステーションであって、前記少なくとも２つのローカル熱交換ステーションの各々は、少なくとも１つのローカル熱交換器および少なくとも１つのローカル熱ユニットを含み、前記少なくとも１つのローカル熱交換器は、シングルパイプループと少なくとも１つのローカル熱ユニットとの間の熱エネルギー交換のためにシングルパイプループおよび少なくとも１つのローカル熱ユニットに熱的に接続されている、少なくとも２つのローカル熱交換ステーション、
ｂ）熱エネルギーシステム内に冷媒を循環させることと、
ｃ）前記少なくとも２つのローカル熱交換ステーション間の熱エネルギーの分配および回収のために冷媒の循環を制御することと、
を含み、
前記中央循環メカニズムは、前記シングルパイプループ内に異なる作動圧力を生成し、シングルパイプループの循環サイクルの終わりに二相冷媒を実質的に一定の状態および温度に維持するために、二相冷媒の循環を制御し、
熱エネルギーは、二相冷媒によってシステム内で分配および回収される、
方法。
【請求項１７】
環境は、建物、少なくとも２つの建物、自動車、鉄道車両、電気自動車、および水上乗物のうちのいずれかである、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーシステムの分野に関する。特に、本発明は、熱エネルギーの分配および回収のための熱エネルギーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化が地球に影響を与える中、私たちの日々のニーズに合わせてより環境に優しい技術を開発することがますます重要になっている。そのために、自動車技術、製造、家庭用品などを含む多くの技術分野で継続的な取り組みが行われている。
【０００３】
建築部門は、特に暖房と冷房のために、産業界の総エネルギー使用量に大きく貢献しており、温室効果ガスの排出やその他の環境問題に関連している。このため、構築環境における再生可能エネルギー源、エネルギー効率の高いシステム、改良されたエネルギー管理などの使用を促進することは、ゼロネットエネルギーシステムの開発に向けたグローバル戦略の一部になっている。
【０００４】
いくつかの熱エネルギーシステムが提案されていて、そのほとんどは多くの欠点を示している。例えば、ヒートポンプ技術は、空調や温水の生産に使用されるエネルギー効率の高い方法を使用している。しかしながら、周囲温度と所望の温度との間に実質的な差がある場合、そのような方法の性能が悪影響を受けることはよく知られている。低温リフトヒートポンプは、主流の空気熱源または水源ヒートポンプと比較した場合、性能が大幅に向上することが示されている。しかしながら、さまざまな熱エネルギー負荷により一般的に必要とされる温度範囲を考えると、建物でのそれらの適用は、非常に制限されている。
【０００５】
エネルギー使用を最小限に抑える、より環境に優しい対策は、熱回収である。暖房と冷房が同時に必要なネットワークでは、熱回収システムは、熱ゾーンから熱を取り除き、それを再利用して別のゾーンを部分的または完全に調整することにより、エネルギーの浪費を大幅に削減できる。そのためには、ゾーン間の物理的な距離に関係なく、すべてのゾーンを相互接続する熱ネットワークが必要である。今日の時点で、費用効果が高く断熱されたネットワークがないことが、熱回収の可能性を最大限に活用するためのボトルネックになっている。
【０００６】
他の技術は、集中型暖房、換気、および空調システム（ＨＶＡＣ）を使用する。このような集中型システムには、多くのダクトや配管を使用する大規模で高価な分配システムが必要である。熱ゾーンごとにコンパクトで個別化されたシステムを使用する分散型システムは、コンパクトさと利便性の点で有利である。前記分散型システムは、多くのスペースを必要とするダクトおよび中央ユニットの必要性を回避し得るが、そのようなシステムは、熱エネルギー分配の観点からエネルギー効率が良くない。
【０００７】
したがって、再生可能エネルギー源の統合を促進しながら、エネルギー損失を最小限に抑え、熱エネルギー負荷間のエネルギー回収を最大にし、サイズとコストを削減する、より効率的な熱エネルギーシステムを開発する必要がある。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、最適な熱エネルギーの管理、分配、および回収のために、再生可能熱エネルギーのソース／シンクと、建物またはネットワークのすべての熱エネルギー負荷とを、物理的な距離に関係なく相互接続することが可能な技術を提供することである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、熱エネルギーを管理、分配、および回収するための熱エネルギーシステムを提供し、その方法を使用する。本発明のシステムは、二相冷媒を循環させるシングルパイプループを含む。シングルパイプループは、システム全体に広がり、各々が異なる熱エネルギー負荷を有する複数のローカル熱交換ステーションを相互接続する。システム内で熱エネルギーを分配するために冷媒を循環させるための中央循環メカニズム（ＣＣＭ）も提供される。
【００１０】
第１の態様では、本発明は、システム内の熱エネルギーの分配および回収のための熱エネルギーシステムであって、システム内で二相冷媒を循環させるためのシングルパイプループと、シングルパイプループを通して二相冷媒を循環させるための中央循環メカニズムであって、少なくとも１つのコンプレッサを含む、中央循環メカニズムと、少なくとも２つのローカル熱交換ステーションであって、前記少なくとも２つのローカル熱交換ステーションの各々は、少なくとも１つのローカル熱交換器および少なくとも１つのローカル熱ユニットを含み、前記少なくとも１つのローカル熱交換器は、シングルパイプループと少なくとも１つのローカル熱ユニットとの間の熱エネルギー交換のためにシングルパイプループおよび少なくとも１つのローカル熱ユニットに熱的に接続されている、少なくとも２つのローカル熱交換ステーションと、を含み、前記中央循環メカニズムは、前記シングルパイプループ内に異なる作動圧力を生成し、シングルパイプループの循環サイクルの終わりに二相冷媒を実質的に一定の状態および温度に維持するために、二相冷媒の循環を制御し、熱エネルギーは、二相冷媒によってシステム内で分配および回収される、熱エネルギーシステムを提供する。
【００１１】
第２の態様では、本発明は、熱エネルギーシステムの使用であって、二相冷媒を循環させるためのシングルパイプループと、シングルパイプループを通して二相冷媒を循環させるための中央循環メカニズムであって、少なくとも１つのコンプレッサを含む、中央循環メカニズムと、少なくとも２つのローカル熱交換ステーションであって、前記少なくとも２つのローカル熱交換ステーションの各々は、少なくとも１つのローカル熱交換器および少なくとも１つのローカル熱ユニットを含み、前記少なくとも１つのローカル熱交換器は、シングルパイプループと少なくとも１つのローカル熱ユニットとの間の熱エネルギー交換のためにシングルパイプループおよび少なくとも１つのローカル熱ユニットに熱的に接続されている、少なくとも２つのローカル熱交換ステーションと、を含み、前記中央循環メカニズムは、前記シングルパイプループ内に異なる作動圧力を生成し、シングルパイプループの循環サイクルの終わりに二相冷媒を実質的に一定の状態および温度に維持するために、二相冷媒の循環を制御し、熱エネルギーは、二相冷媒によってシステム内に分配され、システムの使用は、熱エネルギーの分配と回収のためである、熱エネルギーシステムの使用を提供する。
【００１２】
第３の態様では、本発明は、熱エネルギーの分配および回収のための方法であって、二相冷媒を循環させるためのシングルパイプループ、シングルパイプループを通して二相冷媒を循環させるための中央循環メカニズムであって、少なくとも１つのコンプレッサを含む、中央循環メカニズム、および、少なくとも２つのローカル熱交換ステーションであって、前記少なくとも２つのローカル熱交換ステーションの各々は、少なくとも１つのローカル熱交換器および少なくとも１つのローカル熱ユニットを含み、前記少なくとも１つのローカル熱交換器は、シングルパイプループと少なくとも１つのローカル熱ユニットとの間の熱エネルギー交換のためにシングルパイプループおよび少なくとも１つのローカル熱ユニットに熱的に接続されている、少なくとも２つのローカル熱交換ステーション、を含む熱エネルギーシステムを環境に提供することと、熱エネルギーシステム内に冷媒を循環させることと、前記少なくとも２つのローカル熱交換ステーション間の熱エネルギーの分配および回収のために冷媒の循環を制御することと、を含み、前記中央循環メカニズムは、前記シングルパイプループ内に異なる作動圧力を生成し、シングルパイプループの循環サイクルの終わりに二相冷媒を実質的に一定の状態および温度に維持するために、二相冷媒の循環を制御し、熱エネルギーは、二相冷媒によってシステム内で分配および回収される、方法を提供する。
【００１３】
次に、本発明の実施形態は、以下の図を参照することによって説明され、異なる図の同一の参照番号は、同一の要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による熱エネルギーシステムを備えた建物の概略図である。
【図２】図２は、増幅された中央循環メカニズムを備えた図１による熱エネルギーシステムを備えた建物の概略図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による例示的なローカル熱交換ステーションを示す、熱エネルギーシステムを備えた建物の概略図である。
【図４】図４は、本発明の別の実施形態による熱エネルギーシステムの概略図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態による例示的な熱エネルギーシステムのシミュレーションの概略図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態による、シミュレートされた例示的な熱エネルギーシステムの年間全体の動作係数のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、システム内の熱エネルギーを管理、分配、および回収するための熱エネルギーシステムに関する。本発明の熱エネルギーシステムは、最適なエネルギー管理、分配、および回収がそれにより全体的なエネルギー消費を削減するように構成される。好ましくは、システム内の熱エネルギーは、エネルギー消費がゼロになるようにバランスをとり得る。本発明のシステムは、加熱および冷却のための周期的、反復的、または同時的な熱エネルギー負荷を有する建物内で使用し得る。このような建物には、住宅、オフィスビル、ショッピングセンター、スーパーマーケット、病院、ホテル、スポーツ施設などの場所が含まれ得る。システムはまた、それらの間の熱エネルギーの管理、分配、および回収のためにネットワーク内の複数の建物を接続し得る。このシステムは、新規または既存の建設プロジェクトに設置し得る。本発明のシステムはまた、自動車、電気自動車、鉄道車両、船舶などの、加熱および冷却が必要とされる他の任意の構造または設備に適用し得る。
【００１６】
本明細書で使用される「熱エネルギー負荷」という表現は、構築環境内に位置する内部熱エネルギー負荷、およびシステム内の熱エネルギーのバランスをとるために構築環境外に配置された外部熱エネルギー負荷を含む、任意の熱エネルギー需要、拒否、ダンピング、シンク、貯蔵、散逸などを意味することを意図している。
【００１７】
建物環境内にある内部熱エネルギー負荷は、通常、快適ゾーンの飽和温度、例えば１７〜２４℃の範囲、に相当する圧力で提供される。建物環境の外部に配置され、ネットワークのバランスをとるために使用される外部熱エネルギー負荷は、通常、内部熱負荷とは異なる圧力／温度範囲で動作しているため、自由な加熱／冷却が可能であり得る。
【００１８】
本発明の１つまたは複数の目的は、システム全体に広がるシングルパイプループを提供することによって達成することができる。一実施形態では、シングルパイプループは、建物全体にわたって複数のローカル熱交換ステーションを相互接続することができ、各ステーションは、異なる熱エネルギー負荷を有する。各ローカル熱交換ステーションは、熱交換器およびローカル熱ユニットを含むことができ、それらの組み合わせは、熱交換ステーションの位置、すなわち、需要、シンク、貯蔵、供給源に熱エネルギー負荷を提供する。ローカル熱ユニットは、加熱／冷却システム、給湯システムなどの当技術分野で知られている任意の熱ユニット、地熱システム、ソーラーコレクター熱システム、海洋熱エネルギーシステムなどの任意の既知の再生可能エネルギー源、または、地熱システム、太陽熱システム、顕熱蓄熱システム、潜熱蓄熱システムなどの任意の既知の熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システム、であり得る。例えば、暖房／冷房システムは、暖房ユニット、暖房ユニット、冷房ユニット、暖房および冷房ユニット、または床暖房ユニットであり得る。給湯システムの例には、給湯器タンク、タンクレス給湯器、家庭用給湯ユニットなどが含まれ得る。本発明は、中央加熱／冷却システムから熱または冷熱を循環させるために使用されるような複雑なダクトシステムの使用の回避を可能にする。ローカル熱ユニットは、個々のニーズに対してより用途が広いため、各々小型の分散型で高効率のユニットにすることができる。
【００１９】
ステーションとシステムとの間で熱交換をするために、シングルパイプループは冷媒を循環させる。各ローカル熱交換ステーションは、熱エネルギー負荷に応じて、熱交換器を介して熱ユニットと冷媒との間で熱交換することができる。例えば、冷却が必要な場合、ローカル熱交換ステーションは、冷却ユニットおよびその環境から熱を抽出して、熱を冷媒に注入することができる。加熱が要求される場合、ローカル熱交換ステーションは、冷媒から熱を抽出して、その熱をローカル加熱ユニットに提供することができる。システム内の全体的な熱エネルギーのバランスがとれていない場合、ローカル熱交換ステーションは、冷媒から熱を抽出して抽出した熱を貯蔵／シンク／ダンプすることができ、または外部環境から熱を抽出してシステムにエネルギーを供給することができる。そのような再生可能エネルギー源および／またはエネルギーシンクシステムは、システム内の熱エネルギーの不足または過剰を補うことができ、その結果、好ましくは、システムのエネルギー消費はほぼゼロになる。
【００２０】
シングルパイプループは、接続されているすべてのローカル熱交換ステーションに同じ冷媒の流体ストリームを循環させる。このようなシステムは、あるローカルユニットからの熱を別のローカルユニットで使用できるようにし、システム内のすべての潜在的な熱エネルギーを最小限のエネルギー損失で最大限に活用することができる。システムはまた、熱の貯蔵または抽出を可能にして、それによりシステム内の全体的な熱エネルギーのバランスをとることができる。この熱エネルギーの最適な分配を達成するために、冷媒は好ましくは二相熱媒体流体である。本発明の冷媒は、システム全体の熱エネルギー負荷に応じてループに沿って連続的に凝縮および蒸発し、その結果、冷媒の状態および温度は、完全なループ全体の循環サイクルの終わりに実質的に変化しないままである。一実施形態では、二相熱媒体流体はＣＯ２である。好ましくは、二相熱媒体流体は純粋なＣＯ２であるが、その任意の比率もまた企図される。上記から、本発明の熱エネルギーシステムは、物理的に小さく、熱エネルギー損失が最小限であり、２本のパイプを必要としない（例えば、別個の入口ポートおよび出口ポートのための２本のパイプ、またはガスと液体の冷媒を別々に循環させるための２本のパイプを必要としない）シングルパイプループを提供する。
【００２１】
本発明は、一定の状態と温度で冷媒を循環させるための中央循環メカニズム（ＣＣＭ）を使用することができる。ＣＣＭの役割の１つは、システム内のさまざまなローカル熱交換ステーションに適切な蒸気質量比で冷媒を供給することである。システム内の熱エネルギー負荷の変動に基づいて、システムの熱バランスをとるために環境と自由に熱エネルギーを交換するために、冷媒の動作圧力を継続的に調整することができる。この目的のために、ＣＣＭは少なくとも１つのコンプレッサを使用する。コンプレッサにより、冷媒を適切な動作圧力まで圧縮または膨張させて、システムのバランスをとるために環境と自由に冷却／加熱することができる。さらに、ＣＣＭは、内部ローカル熱交換ステーション（ＬＨＸＳ）の動作温度に相当する飽和圧力でシステムに冷媒を供給する。すべての循環は、すべての内部および外部ＬＨＸＳを接続するシングルパイプループを介して行われる。好ましくは、熱エネルギーを内部ＬＨＸＳと交換する冷媒の動作温度は、１７℃から２４℃である。したがって、本発明の熱エネルギーシステムの動作条件は、ＣＣＭによって一元的に制御および最適化することができる。少なくとも１つのコンプレッサを使用すると、ループ内にさまざまな範囲の動作圧力を提供することにより、熱負荷の変動を管理することができる。ＣＣＭは圧縮サイクルに基づいているため、熱エネルギーのバランスをとるために２次ループは必要ない。熱エネルギー余剰の拒否または熱エネルギー不足の抽出は、ネットワーク周辺の任意のシンクまたはソース（例えば、地上、外気、太陽など）を介して直接行うことができる。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態による熱エネルギーシステムを備えた建物の概略図である。熱エネルギーシステムは、建物２０内に広がるシングルパイプループ１０を含む。いくつかのローカル熱交換ステーション（ＬＨＸＳ）３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７は、建物２０の異なるゾーン内または建物２０の外部に配置される。各ＬＨＸＳ３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７は、シングルパイプループ１０に熱的に接続され、ローカル熱ユニット４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７にも個別に接続された熱交換器（図示せず）を含む。ゾーン１のＬＨＸＳ３０は、天井冷却ユニットとして動作するローカル熱ユニット４０を含む。ゾーン２では、ＬＨＸＳ３１は、暖房／冷房サブシステムとして動作するローカル熱ユニット４１を含み、一方、同じくゾーン２にあるＬＨＸＳ３２は、タンクレス給湯システムおよびローカル熱ユニット４２を含む。ゾーン３では、ＬＨＸＳ３３は、床暖房システムとして動作するローカル熱ユニット４３に結合されている。ゾーン４では、ローカル熱ユニット４４は蓄熱タンクであり、ＬＨＸＳ３４の一部である。ＬＨＸＳ３５は、建物２０の外部にあり、地上熱交換器として動作するローカル熱ユニット４５を含み、熱ユニット４５は、地面から熱を捕捉するための、および／または地面に熱を放散するためのものである。外部ＬＨＸＳ３６は、システムにエネルギー源を提供するためのソーラーパネルサブシステムとして動作するローカル熱ユニット４６を含む。最後に、ＬＨＸＳ３７は、外気取り入れ口４７から受け取った新鮮な空気を直接加熱／冷却するために図示されている。任意選択で、１つまたは複数のゾーンは、将来の必要性のために新しいＬＨＸＳに最終的に接続するためにシングルパイプループ１０に接続されたフリーソケットを含むことができる（ゾーン１にフリーソケット３８として示されている）。中央循環メカニズム（ＣＣＭ）５０は、ゾーン４に配置され、シングルパイプループ１０に接続されている。したがって、本明細書では、ゾーン４は、建物２０の機械室などとして表されている。
【００２３】
図２は、中央循環メカニズム５０（ＣＣＭ）の役割が増幅された、本発明の一実施形態の熱エネルギーシステムを備えた同様の建物２０の概略図である。ＣＣＭ５０は、亜臨界モードまたは超臨界モードのいずれかで動作することができる二相冷媒とコンプレッサ５５のためのリザーバ５１を含む。熱エネルギー負荷に応じて、ＣＣＭは、２つまたは３つの作動圧力レベル、つまり、シングルパイプループ１０の明るい色合いとして示されるネットワークの余剰熱エネルギーを拒否する再生可能エネルギー源に接続された放出圧力（高圧）、シングルパイプループ１０の暗い色合いとして示される内部ＬＨＸＳにサービスを提供する中間圧力、およびシングルパイプループ１０の明るい色合いとして示されるループ内の熱エネルギーの不足を補うために再生可能エネルギー源に接続された吸引圧力（低圧）、で動作し得る。作動圧力は、３つの膨張バルブ５２、５３、５４を使用して設定される。熱エネルギー負荷の変動に応じて冷媒の流量を調整するために、可変容量コンプレッサをシステムに組み込むことができる。図２は１つのコンプレッサ５５のみを示しているが、熱エネルギーシステムは、必要に応じて、単段の複数のコンプレッサまたは多段の複数のコンプレッサを使用することができることを理解されたい。
【００２４】
ＬＨＸＳに目を向けると、さまざまなシステムが使用され得ることは明らかである。例えば、二次冷媒を用いて二次ループとして動作する低温リフトヒートポンプユニットが使用され得る。そのような構成の場合、ヒートポンプユニットは、シングルパイプループに接続され、かつ二次ループに接続された熱交換器を使用して、それらの間の熱エネルギー交換を行う。１つの例示的な動作モードでは、加熱が要求されると、熱交換器は、シングルパイプループから熱を抽出して、二次ループ内の二次冷媒を蒸発させる。その後、熱は、低温リフトヒートポンプサイクル内で、あるスペースまたは水を加熱するために必要なより高い温度にアップグレードされる。非常に小さなヒートポンプユニット、例えば容量が１トン未満のヒートポンプユニットも、１人の人または１つのタスクに個別にサービスを提供するために使用され得ることは明らかである。当技術分野で知られているそのようなヒートポンプシステムは、コンプレッサ、膨張バルブ、凝縮器、および蒸発器を含み得る。
【００２５】
他の例示的なローカル熱交換ステーションは、直接膨張熱交換ユニット、例えば、能動および受動ビームシステムを含み得る。このようなユニットは二次冷媒を有していないが、熱交換媒体としてシングルパイプループからの二相冷媒を使用する。加熱動作モードでは、二相冷媒が過熱され、より高い温度および圧力に圧縮され、特定のゾーンに熱エネルギーを放出するために使用される。熱エネルギーが放出されると、二相冷媒は膨張してシングルパイプループの圧力に戻り、システム内を循環する。逆に、冷却動作モードでは、二相冷媒はより低い圧力および温度に膨張し、冷却される特定のゾーンから熱エネルギーを抽出することによって蒸発する。熱エネルギー交換後、二相冷媒は圧縮されてシングルパイプループの動作圧力に戻り、そこに戻される。ローカル熱交換ステーションの選択は、各熱エネルギーシステムのニーズに依存することが理解されよう。ローカル熱交換ステーションの数は、熱エネルギーの分配と回収を提供するために少なくとも２つであるが、システムの許容限界までには２つ以上であることが好ましいことは明らかである。ローカル熱交換ステーションの数とその性質は、熱エネルギーのニーズの変化に応じていつでも変更することができる。
【００２６】
直接膨張熱交換ユニットと組み合わせてローカル熱交換ステーションとして動作する多数の低温リフトヒートポンプユニットを含む例示的なシステムを図３に示す。ローカル熱交換ステーション３０および３３は、直接膨張熱交換ユニットとして示され、ローカル熱交換ステーション３１は、低温リフトヒートポンプユニットとして示される。直接膨張熱交換ユニット３０は、二相冷媒と環境との間で熱エネルギーを交換するための熱交換器６０を含む。コンプレッサ６１およびバルブ６２も図示されている。バルブ６２は、二相冷媒の膨張用である。コンプレッサ６１は、二相冷媒を圧縮してシングルパイプループの動作圧力に戻すためのものである。ローカル熱交換ステーション３１は、二次冷媒を循環させるための二次ループ１１を含む。ゾーン２では、熱交換器６３は、シングルパイプループ内の冷媒と二次ループ内の二次冷媒との間で熱エネルギーを交換するためのものである。二次冷媒と環境との間で熱エネルギーを交換するための熱交換器６０も示され、コンプレッサ６１およびバルブ６２も示されている。ゾーン３では、この直接膨張システムのためにさらなる熱交換器６４も提供されて、コンプレッサ６１のための適切な吸引力を有する過熱二相冷媒を提供する。
【００２７】
図４は、本発明の熱エネルギーシステムの別の実施形態による別の例示的な表現を示す。この実施形態では、システムは必ずしも建物内に設置される必要はなく、図示の例示的な熱エネルギーシステムは、さまざまな熱エネルギーの必要性を有する任意の構造において使用することができ、それに応じて修正することができることが理解されよう。例示的な目的のために複数のローカル熱交換ステーションが示されているが、ステーションの数は必要に応じて調整することができる。シングルパイプループ１０には、さまざまなセンサ７０（圧力センサ）と７１（温度センサ）、および、システム内の、例えば各ローカル熱交換ステーション内の冷媒の流れを管理し制御するためのバルブ７２（アクチュエータ付きバルブ）、７３（ストップチェックバルブ）、７４（安全目的のリリーフバルブ）が装備されている。コンプレッサ１０５の吐出圧力を制御するために、フラッシュバルブ７５が冷媒リザーバ５１の下流に図示され、膨張バルブ７６が冷媒リザーバの上流に図示されている。冷媒リザーバ５１は、過熱された二相冷媒をコンプレッサ５５に提供するために、内部熱交換器１２０を介してコンプレッサ５５に接続されて図示されている。コンプレッサ５５の放出時に余剰熱エネルギーを回収し（必要な場合）、熱エネルギーを貯蔵するために、コンプレッサ５５の下流にさらなる内部熱交換器１２１が設けられている。さまざまなローカル熱交換ステーションが図示されている：ネットワークを冷却し、それにより、必要に応じて、シングルパイプループ１０内の余剰熱エネルギーのバランスをとるための自由冷却ユニット１４０および低温リフトヒートポンプ冷却ユニット１４１、地中熱源加熱エネルギー源ユニット１４２、ネットワークを自由に加熱し、必要に応じて、シングルパイプループ１０内の熱エネルギーの不足のバランスをとるための自由加熱ユニット１４３およびエネルギー源ユニット１４４、直接膨張冷却ユニット１４５、構築された環境内を冷却および加熱するための低温リフトヒートポンプ加熱／冷却ユニット１４６、１４７、１４８。一部のローカル熱交換ステーションでは、熱交換器８０、８１、８３が外部環境と熱エネルギーを交換するために存在し、各ローカル熱交換ステーションが配置されている場所で、熱交換器８５、８６、８７、８８が構築環境の内部と熱エネルギーを交換するために存在する。他の熱交換器９１、９６、９７、９８は、低温リフトヒートポンプユニットにおけるシングルパイプループ１０冷媒と二次ループ１１の二次冷媒との間の熱エネルギー交換のために図示されている。ローカル熱交換ステーションで必要とされる場合、ローカルコンプレッサ１０１、１０５、１０６、１０７、１０８および膨張バルブ１１１、１１５、１１６、１１７、１１８が図示されている。
【実施例】
【００２８】
オフィスビルのシミュレーション結果
【００２９】
本発明の一態様によるシステムの容量を例示するために、同時的冷暖房需要を伴うモントリオールのオフィスビルを複製する事例研究が設計された。オフィスは５つの熱ゾーン：１つのコアゾーンと、方向に応じて名前が付けられた４つの周辺ゾーン、で構成されている。建物はＴＲＮＳＹＳでシミュレートされ、各ゾーンの年間負荷プロファイルが計算された。シミュレートされたオフィスの熱負荷仕様を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2021533322.tif 000003
【００３１】
本発明の一態様によるシングルパイプ熱エネルギーネットワークを備えたオフィスが図５に概略的に示されている。図面は原寸に比例しておらず、建物の外皮の詳細は提示されていないことに注意されたい。この事例研究では、二相熱媒体流体は純粋なＣＯ２である。上で説明したように、これは多くの環境的および経済的利点を有する自然冷媒である。
【００３２】
システムの性能をシミュレートする詳細な準定常モデルは、ＭａｔｌａｂＴＭを使用して開発された。このモデルでは、次の入力が使用された。
・各熱ゾーンの時間負荷プロファイル
・内部ＬＨＸＳの動作係数（ＣＯＰ）と容量
・コンプレッサの排気量
・屋外ＬＨＸＳの熱交換器の効率
・屋外温度
【００３３】
コンプレッサの容量は、建物の全負荷に対応できるように適切に選択された。さらに、コンプレッサは、５℃の過熱度で亜臨界モードと超臨界モードの両方で動作するように選択された。各内部ＬＨＸＳは、割り当てられた熱ゾーンのピーク負荷に応じてサイズ設定された。システムの性能を定量化するために、全体的ＣＯＰが計算された。この全体的ＣＯＰは、次の式を使用して、１年間の総消費エネルギーに対する総供給熱エネルギーの比率を表す。
【００３４】
【数１】
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【００３５】
シミュレートされた年全体におけるシステムの全体的ＣＯＰを図６に示す。結果は例示的なものであり、負荷プロファイル、選択した冷媒、気象条件、同時加熱と冷却の期間、屋内ＬＨＸＳの性能などのさまざまな要因によって異なる可能性があることに注意されたい。
【００３６】
本発明を理解している人は、以下の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲内に入ることが意図されている上記のすべての代替の構造および実施形態または変形を想像することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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