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CN110873354A - 用于调峰供热厂的一机多效热泵系统及热泵控制方法 - Google Patents

用于调峰供热厂的一机多效热泵系统及热泵控制方法 Download PDF

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CN110873354A
CN110873354A CN201911333398.XA CN201911333398A CN110873354A CN 110873354 A CN110873354 A CN 110873354A CN 201911333398 A CN201911333398 A CN 201911333398A CN 110873354 A CN110873354 A CN 110873354A
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CN
China
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pipe
heat
medium
waste heat
heat pump
Prior art date
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Pending
Application number
CN201911333398.XA
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Inventor
王海鸿
张立申
李仲博
荀志国
陈飞
孙鹏
汉京晓
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BEIJING DISTRICT HEATING GROUP Co Ltd
Original Assignee
BEIJING DISTRICT HEATING GROUP Co Ltd
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Abstract

一种用于调峰供热厂的一机多效热泵系统及热泵控制方法。本发明利用同一组热泵，在冬季用热高峰期通过废热获取装置锅炉实现烟气余热回收。而在夏季用冷高峰期锅炉不启动时，借助切换阀进行切换，用于污水源余热回收或其它可再生能源余热回收。本发明能够将回收的热量用于加热锅炉回水；或在夏季用于冷热联供，在为厂区和周边公建制冷的同时，将大网回水母管的水温从45度加热至70度后打入供水，为城市提供生活热水服务。本发明能够在制冷供给过剩时，进行污水余热回收。本发明能够充分利用能源，实现多能耦合互补，确保热泵全工况运行，减少投资回收期。

Description

用于调峰供热厂的一机多效热泵系统及热泵控制方法
技术领域
本发明涉及冷热联供设备领域，具体而言涉及一种用于调峰供热厂的一机多效热泵系统及热泵控制方法。
背景技术
现有的供热厂功能单一，一般只输出热能。在夏季，现有的热厂产能过剩，容易出现资源浪费。热厂锅炉输出的烟气含有大量余热，余热直接排放容易造成热岛效应影响城市环境。
现有利用城市热网驱动的夏季供冷方式，其主要依靠热电厂夏季较富裕的热能驱动建筑制冷站的热水型吸收式制冷机为建筑供冷。然而，实际应用中发现，夏季热力管网的相对热损失和输送能耗本来就很大(北京可达30-50％以上)，这类方式虽然能够利用夏季闲置的城市热网资源，但是利用管道内热水驱动所引起的管网热损失和输送能耗会非常大，导致制冷效果不理想。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种用于调峰供热厂的一机多效热泵系统及热泵控制方法，本发明通过废热获取装置获得锅炉烟气或废水中的废热，通过热泵利用废热加热大网回水，实现对废热的充分利用。本发明具体采用如下技术方案。
首先，为实现上述目的，提出一种用于调峰供热厂的一机多效热泵系统，其包括：热泵，其冷水接收端连接回水母管，其热水输出端连接供水母管；所述热泵接收热介质的热能，利用热介质的热能加热冷水接收端接收到的冷水，将加热后得到的热水从热水输出端输出至供水母管；切换阀，其包括至少两个输入端和至少一个输出端，所述输出端连接热泵的废热接收端，向热泵提供热介质；废热获取装置，其设置在废热管上，包括介质输入口和介质出口，每一个所述废热获取装置的介质出口均分别连接所述切换阀的中的一个输入端，各废热获取装置的介质入口分别连接至热泵的冷介质排出端；所述废热获取装置利用介质获取废热管中的废热，利用废热加热介质，向切换阀以及切换阀所连接的热泵的废热接收端提供热介质。
可选的，上述任一的用于调峰供热厂的一机多效热泵系统，其中，所述废热管包括锅炉的烟气排出管，或者，污水管。
可选的，上述任一的用于调峰供热厂的一机多效热泵系统，其中，所述废热获取装置包括：管套，其包围在废热管的外周；上环形总管，其设置在所述废热管的外周与所述管套的内壁之间，所述上环形总管设置在所述管套的内部上侧，所述上环形总管包围所述废热管的外周表面；下环形总管，其设置在所述废热管的外周与所述管套的内壁之间，所述下环形总管设置在所述管套的内部下侧，所述下环形总管包围在所述废热管的外周表面；上总支管，其上端连通所述上环形总管，其下端向所述管套的中部延伸；下总支管，其下端连通所述下环形总管，其上端向所述管套的中部延伸；第一介质支管，其连接在所述上总支管的下端与所述下总支管的上端之间，第二介质支管，其与所述第一介质支管连通，所述第二介质支管的上端与所述上总支管的下端连通，所述第二介质支管的下端与所述下总支管的上端连通；各所述第一介质支管和所述第二介质管分别平行于所述废热管的轴线，均匀的排布在所述废热管的外周；介质入口，其连接所述上环形总管，介质入口由所述管套的上部穿出，向所述第一介质支管和第二介质管内输入冷介质；介质出口，其连接所述下环形总管，介质出口由所述管套的下部穿出，所述介质出口输出由废热管中的废热加热所获得的热介质。
可选的，上述任一的用于调峰供热厂的一机多效热泵系统，其中，相邻两个所述第一介质支管、第二介质管分别相互并联为环形管路，所述环形管路的管壁厚度小于所述上总支管或下总支管的管壁厚度。
可选的，上述任一的用于调峰供热厂的一机多效热泵系统，其中，所述第一介质支管和第二介质管中接近废热管的一侧设置为扁平结构，所述扁平结构的表面设置有贴合所述废热管外周的弧度。
可选的，上述任一的用于调峰供热厂的一机多效热泵系统，其中，所述第一介质支管和第二介质管之间、所述第一介质支管、第二介质管与废热管的外周之间填充有传热材料；所述第一介质支管、第二介质管的外侧与所述管套的内壁之间铺设有隔热材料。
同时，为实现上述目的，本发明还提供一种用于调峰供热厂的一机多效热泵控制方法，其在用热高峰期，执行以下步骤：步骤a1，调节切换阀的导通方向，接收设置在锅炉的烟气排出管上的废热获取装置所输出的热介质，将该热介质输送至热泵的废热接收端；步骤a2，热泵接收热介质的热能，利用热介质的热能加热热泵的冷水接收端从回水母管中接收到的冷水，将加热后得到的热水从热水输出端输出至供水母管。其在用冷高峰期，执行以下步骤：步骤b1，调节切换阀的导通方向，接收设置在污水管上的废热获取装置所输出的热介质，将该热介质输送至热泵的废热接收端；步骤b2，热泵接收热介质的热能，利用热介质的热能加热热泵的冷水接收端从回水母管中接收到的冷水，将加热后得到的热水从热水输出端输出至供水母管。
可选的，上述任一的用于调峰供热厂的一机多效热泵控制方法，其中，还包括如下步骤：设定切换阀调节周期，在每个周期内分别对切换阀的导通方向、开度和/或流速进行调节。
可选的，上述任一的用于调峰供热厂的一机多效热泵控制方法，其中，在每个周期内分别对切换阀的开度和/或切换阀内介质的流速进行调节的步骤具体包括：步骤c1，先测量所述锅炉的烟气排出管和/或污水管表面的温度t，测量环境温度T；测量回水母管中接收到的冷水的温度w；步骤c2，计算比例常数Kp＝log(t-T)4；计算积分常数Ki＝|w-T|；计算微分常数
Figure BDA0002330282120000041
其中，Δt表示相邻两周期内锅炉的烟气排出管和/或污水管表面的温度t的变化率，Δw表示相邻两周期内回水母管中接收到的冷水的温度w的变化率；步骤c3，按照
Figure BDA0002330282120000042
计算得到切换阀的开度Oi+1，按照开度Oi+1调节切换阀的开度和/或切换阀内介质的流速；其中，Oi表示上一周期内切换阀的开度和/或切换阀内介质的流速；Oi-1表示前两个周期内切换阀的开度和/或切换阀内介质的流速。
有益效果
本发明利用同一组热泵，在冬季用热高峰期通过废热获取装置锅炉实现烟气余热回收。而在夏季用冷高峰期锅炉不启动时，借助切换阀进行切换，用于污水源余热回收或其它可再生能源余热回收。本发明能够将回收的热量用于加热锅炉回水；或在夏季用于冷热联供，在为厂区和周边公建制冷的同时，将大网回水母管的水温从45度加热至70度后打入供水，为城市提供生活热水服务。本发明能够在制冷供给过剩时，进行污水余热回收。本发明能够充分利用能源，实现多能耦合互补，确保热泵全工况运行，减少投资回收期。
本发明所提供的废热获取装置，其能够通过焊接方式直接套接固定在废热管外围，不用对废热管本身结构进行改进，方便施工。并且，这种套接的方式，还使得本发明中废热管中的气体或液体不与装置中的介质或介质流通管路直接接触，能够避免介质流通管路被腐蚀，延长废热获取装置的使用寿命。第一介质支管和第二介质管所组成的环形管路通过两根管道风流，可设置为管壁更薄，便于热交换，提高对废热的吸收率。
此外，为提高废热获取装置的吸热效果，本发明进一步将其设置为多组介质管并联，统一设计介质由统一方向进入介质管与介质管内部所包围的废热管进行热交换。为提高热交换效率，进一步设计介质管的入口位于废热管温度较低的接近于出口的位置，这样介质进入介质管时与废热管温度相差较小，能够有效提高介质导热效率。统一介质流向能够避免介质对流损失热量。
介质管的内侧壁设置有配合废热管的弧度，能够有效增加两者接触面积，充分进行热交换。介质管之间以及接近废热管一侧所设置的传热材料能够帮助介质管内介质获取废热管的热量，而外部的隔热材料又能够有效降低介质内热量的散发。由此，本发明能够高效的实现对废热的回收。
为稳定本发明系统输出的热水温度，切换阀结构的开启度，切换阀、废热管内介质的流速流量均经过特别的计算方式进行控制。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的一机多效热泵系统的整体结构示意图；
图2是图1系统中的废热获取装置的整体结构示意图；
图3是图2的废热获取装置A-A横截面的示意图。
图中，1表示热泵；2表示锅炉；3表示第一废热获取装置；4表示第二废热获取装置；5表示切换阀；31表示废热管；41表示管套；42表示介质管；43表示介质入口；44表示介质出口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于废热获取装置本身而言，由管套指向废热管内部的方向为内，反之为外；而非对本发明的装置机构的特定限定。
本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
图1为根据本发明的一种用于调峰供热厂的一机多效热泵系统，其包括：
热泵1，其冷水接收端连接回水母管，其热水输出端连接供水母管；所述热泵接收热介质的热能，利用热介质的热能加热冷水接收端接收到的冷水，将加热后得到的热水从热水输出端输出至供水母管；
切换阀5，其包括至少两个输入端和至少一个输出端，所述输出端连接热泵1的废热接收端，向热泵1提供热介质；
废热获取装置，其设置在废热管上，包括介质输入口和介质出口，每一个所述废热获取装置的介质出口均分别连接所述切换阀的中的一个输入端，各废热获取装置的介质入口分别连接至热泵1的冷介质排出端；所述废热获取装置利用介质获取废热管中的废热，利用废热加热介质，向切换阀5以及切换阀所连接的热泵的废热接收端提供热介质。
由此，该系统能够在用热高峰期，首先，调节切换阀5的导通方向，接收设置在锅炉的烟气排出管上的废热获取装置所输出的热介质，将该热介质输送至热泵1的废热接收端；然后，通过热泵1接收热介质的热能，利用热介质的热能加热热泵1的冷水接收端从回水母管中接收到的冷水，将加热后得到的热水从热水输出端输出至供水母管。
而在用冷高峰期，其又能够利用同一套热泵，首先调节切换阀5的导通方向，接收设置在污水管上的废热获取装置所输出的热介质，将该热介质输送至热泵1的废热接收端；然后，利用热泵1接收热介质的热能，利用热介质的热能加热热泵1的冷水接收端从回水母管中接收到的冷水，将加热后得到的热水从热水输出端输出至供水母管。
本发明能够在热力大网冬季供热、夏季持续运行为城市提供生活热水服务的整个周期内，通过同一组热泵，冬季实现对锅炉烟气余热的回收；而当夏季当锅炉不启动时，通过同一组热泵，用于污水源余热回收或其它可再生能源余热的回收。本发明能够将回收所获得的热量用于加热锅炉回水，在夏季用于冷热联供，在为厂区和周边公建制冷的同时，将大网回水从45度加热至70度并打入供水，为城市提供生活热水服务。本发明能够在制冷供给过剩时，进行污水余热回收。
为提高对废热回收的效率，上述系统的废热获取装置中，可为锅炉的烟气排出管，或者，污水管分别设置图2所示的废热获取装置。该废热获取装置具体可设置为由以下结构组成：
管套41，其包围在废热管31的外周；
介质管，其包括有多组，各组介质管均匀的排布在所述废热管31的外周与所述管套41的内壁之间；各组所述第一介质支管、第二介质管42分别平行于所述废热管31的轴线设置；
介质入口43，其连接各介质管的第一端，向所述第一介质支管、第二介质管42内输入冷介质；
介质出口44，其连接各介质管的第二端，输出由废热管中的废热加热所获得的热介质。
如图3截面所示，为控制介质管内介质流向，避免介质对流热损耗，避免介质温差过大影响对热能的吸收，各组所述第一介质支管、第二介质管42可分别设置为包括相互并联为环形的两根第一介质支管和第二介质管。两根第一介质支管和第二介质管中接近废热管31出口的一个公共端连接介质入口43，两根第一介质支管和第二介质管中接近废热管31入口的另一个公共端连接介质出口44。由此，该结构能够实现多组介质管并联，统一设计介质由统一方向进入介质管与介质管内部所包围的废热管进行热交换。为提高热交换效率，在更为优选的实现方式下，还可进一步设计介质管的入口位于废热管温度较低的接近于出口的位置，这样介质进入介质管时与废热管温度相差较小，能够有效提高介质导热效率。统一介质流向能够避免介质对流损失热量。
为降低管壁厚度，增加热交换面积和效率，上述结构中，参考图3所示，所述的介质管具体可进一步的设置为包括：
上环形总管，其设置在所述废热管31的外周与所述管套41的内壁之间，所述上环形总管设置在所述管套41的内部上侧，所述上环形总管包围所述废热管31的外周表面；
下环形总管，其设置在所述废热管31的外周与所述管套41的内壁之间，所述下环形总管设置在所述管套41的内部下侧，所述下环形总管包围在所述废热管31的外周表面；
上总支管，其上端连通所述上环形总管，其下端向所述管套41的中部延伸；
下总支管，其下端连通所述下环形总管，其上端向所述管套41的中部延伸；
第一介质支管，其连接在所述上总支管的下端与所述下总支管的上端之间，
第二介质支管，其与所述第一介质支管连通，所述第二介质支管的上端与所述上总支管的下端连通，所述第二介质支管的下端与所述下总支管的上端连通；各所述第一介质支管和所述第二介质管42分别平行于所述废热管31的轴线，均匀的排布在所述废热管31的外周。
由此，所述的介质入口43，其具体可设置为连接所述上环形总管，介质入口43由所述管套41的上部穿出，向所述第一介质支管和第二介质管42内输入冷介质；所述的介质出口44，其具体可设置为连接所述下环形总管，介质出口44由所述管套41的下部穿出，所述介质出口44输出由废热管中的废热加热所获得的热介质。
其中，第一介质支管和第二介质管42中接近废热管31的一侧设置为扁平结构，所述扁平结构的表面设置有贴合所述废热管31外周的弧度。第一介质支管和第二介质管42具体可选择为铜管以提高导热性能，提高热交换效率。
为避免废热获取装置热量散发，并进一步的提高其内部对热量的吸收，其第一介质支管和第二介质管42之间、其介质管与废热管31的外周之间还可填充有铜合金颗粒、铝合金颗粒等金属材料，或其他传热材料实现传热。而所述第一介质支管、第二介质管42的外侧与所述管套41的内壁之间还可进一步的铺设有石棉等隔热材料，减少介质所吸收到的热量向外部散发，并保护介质管管壁。
为进一步的实现对大网回水温度的精确调控，本发明还可通过设定固定周期检查切换阀开启度或流量是否合适，减少水温波动。该调节周期，可设定在每小时或每半天。在每个周期内可分别对切换阀5的导通方向、开度和/或流速按照如下的步骤进行调节：
步骤c1，先测量所述锅炉的烟气排出管和/或污水管表面的温度t，测量环境温度T；测量回水母管中接收到的冷水的温度w；
步骤c2，计算比例常数Kp＝log(t-T)4；计算积分常数Ki＝|w-T|；计算微分常数
Figure BDA0002330282120000111
其中，Δt表示相邻两周期内锅炉的烟气排出管和/或污水管表面的温度t的变化率，Δw表示相邻两周期内回水母管中接收到的冷水的温度w的变化率；
步骤c3，按照
Figure BDA0002330282120000121
计算得到切换阀5的开度Oi+1，按照开度Oi+1调节切换阀5的开度和/或切换阀内介质的流速；
其中，Oi表示上一周期内切换阀5的开度和/或切换阀内介质的流速；Oi-1表示前两个周期内切换阀5的开度和/或切换阀内介质的流速。
由于各系数能够准确反映环境温度和系统内部各热交换主体的温度，因此，通过上述各系数计算所获得的切换阀5的开度和/或切换阀内介质的流速就能够有效修正各主体温度变化或环境温度变化对系统热交换效率的影响，有效稳定系统所输出的热水的温度。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于调峰供热厂的一机多效热泵系统，其特征在于，包括：
热泵(1)，其冷水接收端连接回水母管，其热水输出端连接供水母管；所述热泵接收热介质的热能，利用热介质的热能加热冷水接收端接收到的冷水，将加热后得到的热水从热水输出端输出至供水母管；
切换阀(5)，其包括至少两个输入端和至少一个输出端，所述输出端连接热泵(1)的废热接收端，向热泵(1)提供热介质；
废热获取装置，其设置在废热管上，包括介质输入口和介质出口，每一个所述废热获取装置的介质出口均分别连接所述切换阀的中的一个输入端，各废热获取装置的介质入口分别连接至热泵(1)的冷介质排出端；所述废热获取装置利用介质获取废热管中的废热，利用废热加热介质，向切换阀(5)以及切换阀所连接的热泵的废热接收端提供热介质。
2.如权利要求1所述的用于调峰供热厂的一机多效热泵系统，其特征在于，所述废热管包括锅炉的烟气排出管，或者，污水管。
3.如权利要求1所述的用于调峰供热厂的一机多效热泵系统，其特征在于，所述废热获取装置包括：
管套(41)，其包围在废热管(31)的外周；
上环形总管，其设置在所述废热管(31)的外周与所述管套(41)的内壁之间，所述上环形总管设置在所述管套(41)的内部上侧，所述上环形总管包围所述废热管(31)的外周表面；
下环形总管，其设置在所述废热管(31)的外周与所述管套(41)的内壁之间，所述下环形总管设置在所述管套(41)的内部下侧，所述下环形总管包围在所述废热管(31)的外周表面；
上总支管，其上端连通所述上环形总管，其下端向所述管套(41)的中部延伸；
下总支管，其下端连通所述下环形总管，其上端向所述管套(41)的中部延伸；
第一介质支管，其连接在所述上总支管的下端与所述下总支管的上端之间，
第二介质支管，其与所述第一介质支管连通，所述第二介质支管的上端与所述上总支管的下端连通，所述第二介质支管的下端与所述下总支管的上端连通；各所述第一介质支管和所述第二介质管(42)分别平行于所述废热管(31)的轴线，均匀的排布在所述废热管(31)的外周；
介质入口(43)，其连接所述上环形总管，介质入口(43)由所述管套(41)的上部穿出，向所述第一介质支管和第二介质管(42)内输入冷介质；
介质出口(44)，其连接所述下环形总管，介质出口(44)由所述管套(41)的下部穿出，所述介质出口(44)输出由废热管中的废热加热所获得的热介质。
4.如权利要求3所述的用于调峰供热厂的一机多效热泵系统，其特征在于，相邻两个所述第一介质支管和第二介质管(42)分别相互并联为环形管路，所述环形管路的管壁厚度小于所述上总支管或下总支管的管壁厚度。
5.如权利要求3-4所述的用于调峰供热厂的一机多效热泵系统，其特征在于，所述第一介质支管和第二介质管(42)中接近废热管(31)的一侧设置为扁平结构，所述扁平结构的表面设置有贴合所述废热管(31)外周的弧度。
6.如权利要求3-5所述的用于调峰供热厂的一机多效热泵系统，其特征在于，所述第一介质支管和第二介质管(42)之间，所述第一介质支管、第二介质管(42)与废热管(31)的外周之间填充有传热材料；
所述第一介质支管、第二介质管(42)的外侧与所述管套(41)的内壁之间铺设有隔热材料。
7.一种用于调峰供热厂的一机多效热泵控制方法，其特征在于，在用热高峰期，执行以下步骤：
步骤a1，调节切换阀(5)的导通方向，接收设置在锅炉的烟气排出管上的废热获取装置所输出的热介质，将该热介质输送至热泵(1)的废热接收端；
步骤a2，热泵(1)接收热介质的热能，利用热介质的热能加热热泵(1)的冷水接收端从回水母管中接收到的冷水，将加热后得到的热水从热水输出端输出至供水母管；
在用冷高峰期，执行以下步骤：
步骤b1，调节切换阀(5)的导通方向，接收设置在污水管上的废热获取装置所输出的热介质，将该热介质输送至热泵(1)的废热接收端；
步骤b2，热泵(1)接收热介质的热能，利用热介质的热能加热热泵(1)的冷水接收端从回水母管中接收到的冷水，将加热后得到的热水从热水输出端输出至供水母管。
8.如权利要求7所述的用于调峰供热厂的一机多效热泵控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：设定切换阀(5)调节周期，在每个周期内分别对切换阀(5)的导通方向、开度和/或流速进行调节。
9.如权利要求7-8所述的用于调峰供热厂的一机多效热泵控制方法，其特征在于，在每个周期内分别对切换阀(5)的开度和/或切换阀内介质的流速进行调节的步骤具体包括：
步骤c1，先测量所述锅炉的烟气排出管和/或污水管表面的温度t，测量环境温度T；测量回水母管中接收到的冷水的温度w；
步骤c2，计算比例常数Kp＝log(t-T)4；计算积分常数Ki＝|w-T|；计算微分常数
Figure FDA0002330282110000041
其中，Δt表示相邻两周期内锅炉的烟气排出管和/或污水管表面的温度t的变化率，Δw表示相邻两周期内回水母管中接收到的冷水的温度w的变化率；
步骤c3，按照
Figure FDA0002330282110000042
计算得到切换阀(5)的开度Oi+1，按照开度Oi+1调节切换阀(5)的开度和/或切换阀内介质的流速；
其中，Oi表示上一周期内切换阀(5)的开度和/或切换阀内介质的流速；Oi-1表示前两个周期内切换阀(5)的开度和/或切换阀内介质的流速。
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