本發明涉及適用于區域供熱/冷卻系統和工業用途的用于社區供熱和/或冷卻生產的浮動設備（所謂的浮動區域供熱/冷卻設備；fdhcp），特別是涉及至少部分浸入水體中的浮船和容器，其使用水體中的流動，并且適于在水體和設備的熱交換器回路之間進行有效的熱交換，以便向特別是陸地上的建筑物和設施供熱和冷卻。
背景技術：
0、現有技術
1、水在普通物質中具有最大的熱容（），并且是卓越的熱源和蓄熱器，緩沖了周圍大氣溫度的晝夜節律和周周波動。水體的主要熱源是入射到水面的太陽直接輻射。在設施主要用于城市化的地區中，水體溫度顯著受人類活動和自然水流干擾的影響，特別是受大壩、堰、污水處理廠和其他從河道抽水和向河道排水的泵送和排放的影響。
2、“水體”一詞是指流動或靜止的自然或人工水體，如河流、溪流、湖泊、水庫、海、海洋、人工水庫等。術語“建筑物”是指用于住宅、商業或工業用途的建筑物，例如房屋、公寓、購物中心、歷史建筑、辦公樓、學校、醫療設施、辦公室、工業或制造大廳、工廠等。術語“主熱交換器”是指用于在介質（水體中的水）和主回路中的傳熱流體之間進行熱交換的熱交換器。
3、熱泵技術在現有技術中是眾所周知的。熱泵是一種熱力機械，它通過外部做功，將熱量從一個溫度水平轉換到另一個溫度水平，通常利用逆向卡諾循環，通過工質（charge）（制冷劑）在壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器之間循環來實現。冷卻劑在壓縮機中從氣態壓縮（使用來自外部來源的能量），從而減少其體積并迅速加熱。然后，冷卻劑被注入冷凝器中，在冷凝器中，冷卻劑將其冷凝熱釋放給例如用于加熱的水，從而冷卻并冷凝成液體。冷凝的冷卻的冷卻劑以液體狀態通過膨脹閥進入蒸發器，在膨脹閥下游減壓，將冷卻劑轉變為氣體，并消耗蒸發熱量。結果，氣體被迅速冷卻到環境溫度以下，然后被其從周圍環境接收的熱量加熱，從而冷卻周圍環境。然后，處于氣體狀態的冷卻劑再次進入壓縮機并且重復該循環。
4、熱泵的供熱能力（cop，“性能系數”）決定了運行熱泵（特別是壓縮機）所需的功率輸出和功率輸入之間的比例。cop值越高，熱泵的效率越高，并且通常情況下，水/水熱泵在冬季（氣溫-15℃及以下）從環境中提取熱量的效率比空氣/水熱泵高25-35%，并且對于相同產生的熱量具有比例更低的能量消耗，并且在夏季（氣溫30℃及以上）冷卻時比空氣/水熱泵高達60%，并且具有比例更低的能量消耗。這主要是由于環境和加熱/冷卻介質之間的溫差以及熱提取/傳熱（特別是對流）的效率，在冬季，當氣溫低于0℃時，空氣和加熱介質（加熱水）之間的溫差大于水道中流動的水和加熱介質之間的溫差。在夏季，當生產冷卻用于制冷時，外部空氣和冷卻介質溫度之間的溫差也大于水流中的水和冷卻介質溫度之間的溫差。與風機在這些裝置的最大輸出下驅動環境空氣通過主熱交換器的工作相比，需要較少（或不需要）的泵送工作來在水道中的水（具有足夠的水流）之間傳遞熱量。由于熱泵供熱的性能隨著環境溫度的降低而降低，同時建筑物的熱需求量最大，所以雙價（bivalent）單元通常與熱泵相連，作為輔助熱源，在所謂的雙價溫度以下提供基于雙價驅動（化石燃料、電力、可再生能源等）的補充供熱。
5、歐洲專利ep?3221655?b1描述了一種具有與水體接觸的主熱交換器和位于陸地上的熱泵的浮動裝置，用于提供建筑物的加熱/冷卻，包括次要熱交換回路和適于通過太陽輻射對存儲水進行補充加熱的開放式存儲罐。浮動裝置還包括具有額外的并聯熱交換回路的空氣熱交換器。傳熱流體（水）也通過管線在陸地上輸送至熱泵，以向建筑物提供加熱/冷卻。缺點在于，單個熱泵位于浮動裝置外部，這需要河道和建筑物中的結構干預，較高的投資和運營成本并且設備的總體效率較低（河道中的類似重復干預，例如在具有流動河流的歷史性城市中心，多次是不可能的）。另一個缺點是，儲罐不是設施的一部分，因此它僅用作主回路的儲熱器，而不是用于加熱/冷卻建筑物的儲水器，并且它還使得不可能將浮動設備的頂表面用于社區目的。
6、俄羅斯專利ru?2646684?c1描述了一種具有與水體接觸的主熱交換器、用于向所述船屋提供加熱的熱泵的船屋，包括次要回路和加熱水儲罐。缺點在于，僅提供船屋的加熱，并且傳熱流體（例如水）僅在船屋內部傳輸，并且不用于加熱建筑物或者向陸地上的服務和工業提供熱和冷卻。
7、歐洲專利申請ep?2783978?a1描述了一種具有與水體接觸的熱交換器和用于向所述浮動裝置提供加熱/冷卻的熱泵的浮動裝置（具有住宅/散步功能），包括次要回路和儲罐。缺點在于，傳熱流體僅在所述浮動裝置內傳輸，并且不用于加熱/冷卻陸地上的建筑物。
8、國際專利申請wo?200858533?a3描述了一種船屋，其具有與水體接觸的熱交換器、熱泵和用于向所述船屋提供加熱/冷卻的循環泵。缺點在于，傳熱流體（未給出具體示例）僅在所述船屋內傳輸并且不用于加熱/冷卻陸地上的建筑物。
9、因此，在現有技術中，需要提供一種用于在陸地上進行社區供熱和冷卻生產、儲存和分配的浮動設備，該浮動設備為即插即用型，即不需要建造和安裝技術本身，并且不需要從水體中泵送水/將水泵送到水體中、或對陸地上的建筑物進行結構干預，并且易于連接到陸地上現有或新建的供熱和冷卻分配系統。
技術實現思路
1、本發明的目的在于提供一種有效和復雜的浮動設備，其用于社區生產、存儲和分配用于加熱/冷卻陸地上的建筑物的熱和冷卻、以及分布式熱能的其他用途（例如工業、商業和服務業中），浮動設備能夠容易地連接到陸地上現有或新建的社區加熱和冷卻分配系統或者直接連接到單個消費點（即插即用），并且不需要在陸地上的建筑物中建造這種類型的設備或者結構干預。
2、在本發明的第一方面中，通過根據權利要求1的浮動設備來實現所述目的，浮動設備用于安裝在水體中并且用于將熱能引入到水體中，以及用于從水體中提取熱能。在權利要求2至13中描述了浮動設備的有利實施方式。
3、該浮動裝置包括：
4、a.中空空間，其設計為用于利用安裝技術安裝在水體中的功能性容器或裝置（符合相關的浮動設備法規），使得所述設備在安裝在水體中時浮動；
5、b.至少一個主熱交換器（并且優選地，一組多個主熱交換器），在所述設備安裝在所述水體中之后，所述主熱交換器至少部分地浸入所述水體中，并且所述主熱交換器包括第一傳熱流體入口和第一傳熱流體出口，使得所述第一傳熱流體能夠流過浸入在所述水體中的所述主熱交換器，并且能夠將熱能傳遞到所述水體或者從所述水體中提取熱能，其中所述第一傳熱流體優選是防凍劑（例如對于溫度-10℃至20℃），特別是乙二醇（例如乙二醇和/或丙二醇）和水的混合物，其中所述主熱交換器位于所述設備的外部（當安裝時位于水表面的下方），特別是在其底部下方和/或側面上；
6、c.至少一個熱交換元件，所述至少一個熱交換元件選自包括次熱交換器和熱泵（并且優選地，一組多個熱泵或者次熱交換器和熱泵的組合）的組，布置在所述設備內，其中所述熱交換元件連接到所述主熱交換器，使得所述第一熱交換流體能夠流過所述熱交換元件，同時將熱能從所述主熱交換器傳遞到第二熱交換流體，或者從所述第二熱交換流體中提取熱能到所述主熱交換器，其中所述第二熱交換流體優選是設計用于社區熱和/或冷卻分配和/或存儲的回路中的水；以及
7、d.設置在所述設備內的至少一個儲罐（并且優選為一組儲罐），其中所述儲罐連接到所述傳熱元件并且隔熱，使得來自所述傳熱元件的所述第二傳熱流體能夠存儲在所述儲罐中同時保持其溫度，并且其中所述儲罐還能夠連接到第二傳熱流體導管（即，熱導管或冷卻導管），其中所述導管被布置在所述設備外部。
8、根據本發明的浮動設備的基本思想在于，所述設備內部的熱交換器回路除了主熱交換器之外還包括熱交換元件（次熱交換器和/或熱泵）和儲罐，其中熱交換器回路使用水作為第二傳熱流體，并且因此能夠直接連接到陸地上的中央熱和/或冷卻分配網絡。第二傳熱流體也可以是防凍劑或另一種工業傳熱流體，其根據特定分配通道所需的溫度水平適當地選擇。
9、這可以為社區使用（區域供熱/冷卻）（陸地上的建筑物和商業，例如在具有河岸/湖/海邊的歷史悠久的城鎮中心，那里通常沒有新供熱設備的空間）提供供熱/冷卻來源。從功能和性能來看，位于建筑物內的可比區域供熱設備通常位于中央城市化區域之外，因此供熱和/或供冷需要建造到消耗點的分配網絡的重大要求。由于其在河道上的位置以及將甲板設計為新的社區空間，當前的浮動設備可能接近于為了的消耗，因此通常需要比其他“城市供熱設備”短數倍的分配網絡。所涉及的浮動設備是一個完全靈活、可逆和基于社區的供熱和/或冷卻發電設施，可根據社區或主要消費者的當前需求和要求進行定位、可插拔和可斷開，對能源生產點和消耗點之間的分配網絡具有最低要求。單個10?mw的設備將取代位于城市中心的屋頂和庭院中的1000多個獨立的空氣/空氣熱泵和空調機組，以及數百個燃氣鍋爐和其他低效島式技術用于產生熱和/或冷卻。
10、中空空間滿足打算安裝在水體中的容器或裝置的所有要求，以及在其系泊點和與直接分配或社區分配網絡的連接處，根據相關法律規定的位于其中的任何技術的位置和操作（包括所有消防、健康和安全要求）。
11、主熱交換器的形狀、尺寸和位置總是針對浮動設備在水體中的具體位置進行定制的，特別是基于現場水體中的水流、現場水體底部的形態以及在向水體傳遞熱量/從水體中提取熱量時規定的水溫差下所需的性能。在流量較低并且水體流量較慢的情況下，單獨的主熱交換器可位于開口管（即兩端開口的通道管）中，開口管包括流動泵，流動泵將在流量較低或所需功率較高的情況下加速水從主熱交換器周圍的水體流動，這不需要將水從水體泵送和過濾到浮動設備內部。
12、對于浮動安裝，一組多個主熱交換器和一組熱泵比單個主熱交換器或熱泵更有利，因為它允許同時在不同的溫度水平下產生熱/冷卻（例如，并行的用于加熱生活熱水的供熱，同時用于夏季冷卻建筑物的供冷），并且能夠在不中斷操作的情況下連續地維修/拆除/更換這些元件，通常是在熱和冷卻要求最低的春季/秋季。在熱泵的情況下，這也是由于效率的原因，例如，在10%的設備輸出時，最好只有十分之一的熱泵壓縮機在100%下運行，而不是十分之一的熱泵壓縮機在10%下運行，因為壓縮機效率只有從一定的輸出中才是最高的。
13、根據本發明的所述設備的優點在于，整個設備是通過工業方法而不是通過建造方法制造的（即，具有更大的精度、顯著更緊湊、具有更短、更經濟和更安全的單個技術的互連），并且該設備不需要建造許可證，并且是在完全控制和技術配備的工業設備（船廠）中制造、測試和組裝的。
14、所述設備的另一個優點是其靈活性，以及能夠通過水體（河道，根據其適航性參數（寬度、長度、吃水深度），允許比陸地運輸更大的技術單元的有效運輸）將完全配備的且經過測試的設備運輸到安裝現場，并且在現場，它可以直接連接到陸地上的中央供熱和/或冷卻供應，并且可以在連接之后立即向社區分配系統產生熱和冷卻。如果安裝現場的水體不通航，所述設備也可以通過陸地運輸到安裝現場，然后才安裝在水體中。該裝置不需要建筑場地進行安裝，但位于河道上，河道中有可用于放置/系泊可比浮動設備（浮船、船只等）的指定區域。靈活性允許在工業受控和完全技術環境（造船廠）中快速連接和斷開裝置、修理和技術更改。
15、另一個優勢是不需要將水從水體中泵送/排放到水體中，這一直是對河道的干預（它必須滿足河道管理者的立法和技術要求），并且在大多數國家，從河道中泵送水是收費的，這對運營商來說是一個行政和財務負擔，并且需要額外的能量消耗（從水體中泵送水，通常還包括水的過濾和排放到河道中）。
16、所述設備的輸出可以在例如50kwt至50mwt的范圍內（對于熱生產，以千瓦或兆瓦為單位的所謂裝機容量），但是即使超出上述范圍的輸出值也可以通過縮放所述設備而容易地實現。主熱交換器的設計確保了低的熱梯度，例如1至3?℃（即，裝置對水體及其位置和周圍環境的最小環境影響），水體中的水交換和傳熱主要通過流動（對流）來確保。例如，冷卻速率為1?℃時，1?的水流會導致4至6?mwt的熱泵輸出（取決于所實現的熱泵的cop），而冷卻速率為3?℃會導致12至18?mwt的熱泵輸出。一般來說，每單位運行設備所消耗的能量產生3到7單位的熱/冷卻形式的能量，因此cop值為3到7。
17、所述設備的大小和裝機容量僅受安裝現場的水道的能源潛力、現場能源需求以及建設必要分配的可行性和效率的限制，從一定的大小開始，考慮到分配網絡投資的合理性以及設施的規模和對其安裝環境的影響，優選設置幾個低功率設備而不是一個大功率設備。
18、儲罐提高了對白天的熱、冷消耗和電價波動的效率和適應性，使得設備能夠更加連續地運行，并且能夠平衡分配網絡中的傳熱流體的壓力波動。儲罐可位于所述設備的中空空間內的熱泵下方，從而提供熱泵與水體的額外隔熱，同時利用浮動設備下方的河道中的空間，增加其吃水深度（draft）和穩定性。儲罐允許補償需求的波動（連接的建筑物和設備的工作/運行時間以及白天和夜間之間的溫度，因此對熱/冷卻的需求在白天發生顯著變化），并最佳地產生熱量和/或冷卻，例如在最低電價時產生熱量和/或冷卻，并存儲用于分配的峰值功率的熱量/冷卻。
19、通常，每個儲罐都連接到一個熱交換元件。在另一實施例中，如果熱泵同時產生熱量和冷卻，那么兩個儲罐也可以連接到同一熱泵。儲罐允許熱能存儲在特定熱泵的輸出水平，并且熱能的分布是可變的，即，能量可以同時分布在不同的熱水平，并且熱分布水平也可以在白天變化。一些儲罐具有從主熱交換器安裝的熱交換器，該熱交換器允許直接從水體傳遞能量（加熱/冷卻），而不使用熱機（熱泵）的工作，即以最有效的方式，在社區分配中所需介質的溫度處于水道中的水溫水平的情況下（例如，在夏季，當水體中的水溫處于社區分配中冷卻所需的溫度時）
20、在多個儲罐的情況下，不同溫度的水可以存儲在每個儲罐中，從而根據需要同時向建筑物提供加熱和冷卻，例如在40℃（地板下或地下）的低溫加熱、在60℃的熱水加熱和在90℃（或更高）的工業用途的三個溫度水平下，以及在17℃的天花板冷卻、6℃的風機盤管冷卻和2℃的工業冷卻的三個溫度水平下。也可以在分配回水處存儲“余熱和冷卻”，即不消耗熱泵處的能量，例如，對于加熱分配，90℃的回水（return）可用于60℃的分配，而從60℃的回水用于40℃的分配，或者類似地，對于冷卻分配，2℃的回水可用于6℃的分配，從6℃的回水用于15℃的分配，從15℃的回水用于20℃的分配，等等。在一天/一周內，不同水平的加熱和冷卻需求也可能有所不同，儲罐可優化生產和分配。
21、主熱交換器可以包括傳熱流體能夠流過的管和/或板（即，管式或板式熱交換器）的一個或多個區域，并且在所述設備安裝之后，管和/或板的一個或多個區域至少浸入水體中的區域中。主熱交換器管和/或板的設計、使用的材料和結構特別是由水體條件和浮動設備的用途來確定。熱交換器的設計總是根據流動（在裝置本體的整個長度和深度范圍內的速度、方向、變化）、該位置處的水體的溫度參數（裝置的未來位置的深度差異，包括長期值，例如至少5年）、水質（污染、水成分和質量、水中的有機物和無機物的含量和性質，也按季節，包括可能的非典型和季節性影響）、所述設備的底部和周圍環境的性質和可持續性，來適應裝置的具體位置。除了圍繞主熱交換器的水流的交換區域和速度外，特別是通過所使用的材料、熱交換器的形狀以及設備的底部和側面的形狀（包括例如進料通道）來確保，或者可能通過打開的入口裝置或必要時加速圍繞主熱交換器的水體中的水流動的其他裝置來確保。
22、主熱交換器可包括管和/或板的一個或多個區域，所述管和/或板的一個或多個區域布置在開口管的內部，開口管的每一端設置有流動泵以加速水從水體的流動。
23、優選地，第一循環泵布置在主熱交換器和熱交換元件（即，主熱交換器回路的一部分）之間，以提供第一傳熱流體的循環，從而控制傳熱流體的流率及其溫度梯度作為所傳遞的能量的量的因子之一。
24、浮動設備可包括所述儲罐到冷卻導管的至少一個連接以及所述儲罐到熱導管的至少一個連接，其中所述導管被布置在所述設備外部（并且典型地在水體外部）。在優選實施例中，浮動設備包括與現場可用的分配系統一樣多的連接，理想地為2個或更多個導管，典型地在用于初始燃燒熱技術的現有熱分配系統的情況下僅一個導管。對于新建的分配系統，建議建造至少兩個分配回路，一個用于熱分配，一個用于夏季的冷卻分配，兩個用于冬季的熱分配（這增加了分配能力和在不同溫度水平分配能量的可能性）。在需求/消費者（例如工業消費者）的情況下，可以增加另一個專門布置的分配回路。這些主要是位于靠近水體的陸地上的冷卻和熱水管道（網絡）。因此，在不需要額外的結構干預的情況下，例如，不需要將水泵送至水道或從水道中排出的管道以及在建筑物中安裝額外的熱泵的情況下，可以使用現有的用于熱量和冷卻分配的網絡基礎設施，將熱量傳輸至建筑物或從建筑物輸送，以進行加熱/冷卻。
25、浮動設備可包括用于浸入所述水體中的抽吸裝置，所述抽吸裝置適于將水從所述水體抽吸到布置在所述設備內的、在中空空間之內的輔助主熱交換器的空間中，并且適于在布置在所述設備內的輔助主熱交換器的空間內從所述水體產生水流。這在靜止水體（例如，緩慢流動的河流或湖泊）中特別有利，其中有利的是，以熱傳導為代價促進流入/流出主熱交換器周圍的水體的熱流（對流），用于實現更有效的熱交換。此外，在流動較慢或裝置較小或所需功率較高的情況下，主熱交換器被成形為加速其周圍的水流動，或者通過放置流動泵（抽吸裝置）來加速流動。
26、浮動設備可包括用于浸入水體中的保護性襯里，該保護性襯里在至少一側覆蓋浸入水體中的主熱交換器，從而保護其不受損壞（例如，來自在河道中漂移的樹枝或浮冰或當裝置從水體中拉出時）。
27、浮動設備還可包括用于向所述設備發電和額外（典型地為峰值）發熱的雙價單元，其中雙價單元優選被設計為用于燃燒生物乙醇或沼氣的熱電聯產單元。該雙價單元為浮動設備提供電力（例如，用于熱泵和分配循環泵的運行），或者也與陸上電網相連接，并向電網提供額外的電力。
28、設備系泊在水體中，并且在其運行狀態下與社區供熱和冷卻分配系統相連接。根據設備的具體位置，借助于高水系船柱或鉸接式系泊和/或伸縮式系泊進行系泊，并且通過鉸接式或柔性連接進行與分配系統的連接。這種連接和系泊（也稱為“高系泊”）允許補償水體水位的變化，例如當河流水位低或高時。因此，即使在水體中水位上升的時候（例如在洪水期間），浮動設備也保持在原位并產生和分配能量。
29、這些技術位于設備內（儲罐、熱泵、循環泵、電力分配、測量和控制）或設備外的水面以下并固定到設備（主熱交換器）。水體表面以上的浮動設備的頂表面（甲板）可根據其具體位置針對每個設備進行不同的設計和建造，并可用于其他用途，例如具有社區功能的場所，如浮船、甲板、碼頭、浮島、碼頭延伸或船屋（具有特定功能用途）。
30、本發明的目的在于提供一種使用用于生產和社區分配熱量和冷卻的所述浮動設備來利用水體的熱能潛力的有效方法。
31、因此，本發明的目的在于提供一種通過所述浮動設備使用加熱/再加熱來加熱陸地上的建筑物或設施的方法。
32、在本發明的第二方面中，所述目的通過權利要求14的方法來實現。
33、該方法包括以下步驟：
34、a.將所述設備安裝在所述水體中，使得所述主熱交換器浸入所述水體；
35、b.將所述設備連接到所述第二傳熱流體導管，特別是連接到所述設備外部的所述熱導管；以及
36、c.至少暫時地移動所述主熱交換器中的第一傳熱流體，以將熱量從所述水體傳遞到所述傳熱元件（特別是熱泵），其中熱能從所述水體傳遞到所述第一傳熱流體，然后經由所述傳熱元件從所述第一傳熱流體傳遞到所述第二傳熱流體，使得所述第二傳熱流體被加熱，其中所述第二傳熱流體被直接地、或經由儲罐然后經由所述第二傳熱流體導管傳遞到所述建筑物的加熱回路，以便特別是根據所述建筑物中溫度控制的需要來加熱所述建筑物。
37、在步驟b中，第二傳熱流體導管特別是指單獨的消耗點和/或社區熱量分配。
38、在步驟c中，第二傳熱流體被分配到單獨的消費者或者在社區分配系統中被連接和分配，并且進一步被傳送到所連接的建筑物或企業的加熱回路，從而特別是根據對建筑物/企業中的溫度控制的需要來加熱這些建筑物/企業。
39、因此，本發明的目的在于提供一種利用所述浮動設備的冷卻來冷卻陸地上的建筑物或設施的方法。
40、在本發明的第三方面中，通過根據權利要求15所述的通過所述浮動設備冷卻建筑物或以另一種方式（工業、商業、服務）使用冷卻的方法來實現所述目的。
41、該方法包括以下步驟：
42、a.將所述設備安裝在所述水體中，使得所述主熱交換器浸入所述水體；
43、b.將所述設備連接到所述第二傳熱流體導管，特別是連接到所述設備外部的冷卻導管；以及
44、c.至少暫時地在所述主熱交換器中移動所述第一傳熱流體，以將熱量從所述傳熱元件傳遞到所述水體，其中熱能從所述第一傳熱流體傳遞到所述水體，并且隨后經由所述傳熱元件從所述第二傳熱流體傳遞到所述第一傳熱流體，使得所述第二傳熱流體被冷卻，其中所述第二傳熱流體被直接地或經由儲罐并且進一步經由第二傳熱流體導管傳遞到所述建筑物的冷卻回路，以便特別是根據所述建筑物中溫度控制的需要來冷卻所述建筑物。
45、在步驟b中，第二傳熱流體導管特別是指單獨的消耗點和/或社區冷卻分配。
46、在步驟c中，第二傳熱流體被直接分配到單獨的消費者或者連接到社區冷卻分配系統，然后根據建筑物的冷卻需求被傳送到建筑物的冷卻回路或者被傳送到用于冷卻目的（工業、商業、服務業）的其他連接設備。