一种复合式热泵供热系统及方法

1.本发明属于热泵供热系统技术领域，具体为一种复合式热泵供热系统及方法。


背景技术：

2.我国北方城镇未来2050年供暖面积达200亿平米左右，为实现低碳发展，要向低品位余热为主的能源结构转型。热电联产和工业余热为主体热源的问题是其热量虽然很多，且相对比较集中，但是为了缓解对空气质量恶化造成的压力，燃煤为主的发电或工业在核心区域均受到约束，离城市热负荷中心往往较远，如何高效回收这些余热并将这些热量低成本输送到城市，是余热作为供暖热源的关键问题。分析表明热量长途输送，降低热网回水温度是主要的解决方法。在热力站安装吸收式换热机组可以降低热网回水温度，但由于老城区新旧管网质量参差不齐造成的管道耐温及承压能力限制，且部分老城区热力站改造存在空间狭小、产权归属等实际困难，很难做到对市区既有热力站全部大温差改造。为尽可能减少对现状管网及热力站运行条件的改变，并充分利用现状热网，另外城市集中供热也需要配置25％～40％的调峰热源，可以在现状热源厂、锅炉房、隔压站等原有厂址改造建设中继能源站，结合城市热网调峰以降低回水温度。
3.现有技术中对热网回水中的热量回收不充分，回水温度降低的幅度有限，导致仍有大量热能在热网回水途中散失，造成能源浪费。采用热泵回收余热，吸热效率并不高，热泵系统出水口水温提升不明显。
4.已发表的公开专利cn 108167915a《一种与调峰锅炉结合的大温差供热系统及方法》提出了利用蒸汽驱动吸收式热泵和压缩式热泵结合降低热网回水温度的方法，该方法的特征为：一部分热网回水依次经过吸收式热泵的蒸发器和压缩式热泵的蒸发器梯级降温，其它热网回水依次经过压缩式热泵的冷凝器和吸收式热泵的吸收器和冷凝器升温，再用调峰锅炉进一步加热后供出。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种复合式热泵供热系统，该复合式热泵系统可更充分地回收余热热量，避免热网回水在长距离输送途中造成能源浪费。并同时利用回收的热量对热网水梯级加热，使热泵系统出口水温升的更高。降低能源消耗，提升热能利用率。
6.本发明的第一目的是提供一种复合式热泵供热系统，解决现有热泵热量回收不充分的问题。
7.为实现上述效果，本发明的基本构思是：一种复合式热泵供热系统，包括吸收式热泵，压缩式热泵，热网水系统，余热水系统和驱动热源系统；
8.所述驱动热源系统包括：驱动热源供出管和驱动热源回收管；所述驱动热源供出管与吸收式热泵的发生器热源入口相连，吸收式热泵发生器热源出口与驱动热源回收管相连；
9.所述余热水系统包括：余热水回水管和余热水供水管；所述余热水回水管与压缩式热泵蒸发器热源入口相连，所述压缩式热泵蒸发器热源出口通过余热水回水管与吸收式热泵蒸发器热源入口相连，所述吸收式热泵蒸发器热源出口与余热水供水管相连；
10.所述热网水系统包括：热网水回水管和热网水供水管；所述热网水回水管与吸收式热泵吸收器冷却液入口连接，吸收式热泵吸冷却液收器出口通过热网水回水管与压缩式热泵冷凝器冷却液入口连接，压缩式热泵冷凝器冷却液出口通过热网水回水管与吸收式热泵冷凝器冷却液入口连接，吸收式热泵冷凝器冷却液出口与热网水供水管连接。
11.进一步的，还包括驱动热源余热回收系统，所述驱动热源余热回收系统包括：换热器和驱动热源余热回收管，所述换热器设置在驱动热源回收管上，所述换热器入口通过驱动热源余热回收管与余热水供水管相连，所述换热器出口通过驱动热源余热回收管与余热水回水管相连。
12.进一步的，所述驱动热源余热回收管上设置有循环泵。
13.进一步的，余热水回水管入口与余热热源连接，或与上一级热网的回水系统连接，或与所述热网水回水管连接；优选的，所述余热水回水管入口与热网水回水管连接。
14.进一步的，所述的驱动热源供出管内还通有驱动热源，所述驱动热源为燃气、蒸汽或高温热水。
15.进一步的，所述热网水供水管上还设置有调峰装置。
16.进一步的，所述调峰装置为燃气锅炉或汽水换热器。
17.进一步的，所述吸收式热泵发生器、吸收式热泵冷凝器、吸收式热泵蒸发器和吸收式热泵吸收器为单级或多级结构；所述压缩式热泵冷凝器和压缩式热泵蒸发器为单级或多级结构。
18.进一步的，所述吸收式热泵为蒸汽型溴化锂吸收式热泵。
19.本发明第二目的是提供一种复合式热泵供热系统的方法，基于上述的复合式热泵供热系统实现，包括：驱动热源经所述驱动热源管进入吸收式热泵发生器释放热量；余热水经余热水回水管进入压缩式热泵蒸发器进行一级降温，然后经余热水会水管进入吸收式热泵蒸发器二级降温后返回热源；热网回水经热网回水管进入吸收式热泵吸收器进行一级升温，然后经过经热网回水管进入压缩式热泵冷凝器进行二级升温，最后经热网回水管进入吸收式热泵冷凝器进行三级升温，经过三级升温后的热网水经热网供水管进入热网。
20.本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
21.本发明公开了一种复合式热泵供热系统，解决了高效回收余热并对热网回水梯级加热的问题。热网回水依次经过吸收式热泵吸收器、压缩式热泵冷凝器、吸收式热泵冷凝器，最后由燃气锅炉进一步调峰加热后供出。余热水依次经过压缩式热泵蒸发器和吸收式热泵蒸发器进行降温放热后返回加热侧。余热水和热网回水经过部件的顺序不同，此种方法相对于已有专利的优势在于，可以充分利用燃气的做功能力，将热泵的出水温度进一步抬高，实现相同的供热面积回收更多的余热量。以35℃热网回水为例，另一侧余热水也由35℃降低到20℃，采用已有专利的方法，由于热网回水要先进过压缩式热泵的冷凝器，吸收式热泵吸收器的进水温度较高，则稀溶液浓度较高，另外发生器由于受溶液腐蚀等限制，浓溶液温度最高到165℃，则冷凝器出口温度最多提升到100℃，而采用本专利方法，由于热网回水先进吸收式热泵的吸收器，可以保持稀溶液浓度在一个合理范围，中间加热温度段由压
缩式热泵的冷凝器补充后，冷凝器出口温度可以达113℃。从另一个角度解释，在驱动热源温度及低温热源温度不变的情况下，当热网进水温度越低时，吸收式热泵需要获得的提升温差(吸收器溶液温度
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蒸发温度)越小，需要付出的驱动温差(发生器溶液温度
‑
冷凝温度)也可以更小，可使热网出水温度更高。
22.通过本系统可以在相同的热网回水温度和余热水温度下将热泵的出口温度提升地比单独的吸收式热泵或压缩式热泵更高，并提高了系统能效。另外从经济性上来说也有效利用了燃气、蒸汽等高品质热源调峰供热时免费的做功能力和压缩式热泵相比较低的供热成本。
23.(1)热泵系统热网加热侧串联加热，将压缩式热泵的冷凝器置于吸收式热泵的吸收器和冷凝之间，有利于充分发挥吸收式热泵提升温度的能力，并降低压缩式热泵冷凝器的温度水平，提高了热泵系统的总体能效。
24.(2)热泵系统余热提取侧也进行梯级串联连接，用于长输热网回水进一步降温，实现在余热源端的高效回收利用。
附图说明
25.图1是现有吸收式热泵的结构示意图；
26.图2是现有压缩式热泵的结构示意图；
27.图3是本发明复合式热泵系统一种实施例的示意图；
28.图4是本发明复合式热泵系统另一种实施例的示意图；
29.附图标记：
30.其中1
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吸收式热泵；2
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压缩式热泵；；11
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吸收式热泵发生器；12
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吸收式热泵冷凝器；13
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吸收式热泵蒸发器；14
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吸收式热泵吸收器；21
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压缩式热泵蒸发器；22
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压缩式热泵冷凝器；31
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热网水回水管；32
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热网水供水管；41
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余热水回水管；42
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余热水供水管；43
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驱动热源余热回收管；51
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驱动热源；52
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驱动热源供出管；53
‑
驱动热源回收管；6
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换热器；7
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调峰装置；8
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循环泵。
具体实施方式
31.在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
32.显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参
照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
35.参见图3，对本发明提供的复合式热泵系统设置在热网供暖系统中，以便回收余热水或热网回水的余热，提高能源使用效率。可以理解地，在发明的其他实施例中，上述复合式热泵系统也可以用于其他场合，如工业或农业热水系统，此处不做唯一限定。
36.本发明实施例中，复合式热泵供热系统，包括吸收式热泵1，压缩式热泵2，热网水系统，余热水系统和驱动热源系统；
37.所述驱动热源系统包括：驱动热源51，驱动热源供出管52和驱动热源回收管53；所述驱动热源供出管52与吸收式热泵发生器11热源入口相连，吸收式热泵发生器11热源出口与驱动热源回收管53相连；
38.所述余热水系统包括：余热水回水管41和余热水供水管42；所述余热水回水管41与压缩式热泵蒸发器21热源入口相连，所述压缩式热泵蒸发器21热源出口通过余热水回水管41与吸收式热泵蒸发器13热源入口相连，所述吸收式热泵蒸发器13热源出口与余热水供水管42相连；
39.所述热网水系统包括：热网水回水管31和热网水供水管32；所述热网水回水管31与吸收式热泵吸收器14冷却液入口连接，吸收式热泵吸收器14冷却液出口通过热网水回水管31与压缩式热泵冷凝器22冷却液入口连接，压缩式热泵冷凝器22冷却液出口通过热网水回水管31与吸收式热泵冷凝器12冷却液入口连接，吸收式热泵冷凝器12冷却液出口与热网水供水管32连接。
40.在上述系统结构下，实现了热网回水依次经过吸收式热泵吸收器14、压缩式热泵冷凝器22、吸收式热泵冷凝器12，三级加热后供出。余热水依次经过压缩式热泵蒸发器21和吸收式热泵蒸发器13进行降温放热后返回加热侧。通过本系统可以在相同的热网回水温度和余热水温度下将热泵的出口温度提升地比单独的燃气吸收式热泵或电压缩式热泵更高，并提高了系统能效。
41.需要说明的是，本发明热网水回水管31须按照，先连接吸收式热泵吸收器14，再连接压缩式热泵冷凝器22，最后连接吸收式热泵冷凝器12的顺序进行布置，如果改变连接顺序，则不能达到发明提升加热温度的有益效果。
42.本发明这样的连接顺序是根据吸收式热泵的特性综合分析得出的，因此需要对吸收式热泵特性进行说明，并阐明本发明分析过程。
43.参见图1，是吸收式热泵的示意图，吸收式热泵是利用高沸点物质和低沸点物质组成的工质对溶液来实现热能回收和利用。常用的有溴化锂溶液，其中溴化锂为吸收剂，其沸点高达1265℃，溴化锂是一种吸水性很强的盐类物质，不但固态的溴化锂能吸收水蒸气，浓度较高的溴化锂溶液也具有很强的吸收水蒸气的能力。溴化锂浓溶液吸收水蒸气后，浓度降低变为稀溶液，在经过加热将水分蒸发浓缩后，即可循环使用。溴化锂吸收式热泵是以溴化锂溶液为吸收剂，利用水在气液态转化的过程来达到制热目的。
44.参见图1，吸收式热泵1主要包括四个部分即：吸收式热泵吸发生器11、吸收式热泵冷凝器12、吸收式热泵蒸发器13和吸收式热泵吸收器14。在其工作过程包括：
45.首先，在吸收式热泵发生器11内，溴化锂溶液被驱动热源供出管内的驱动热源介
质加热至沸腾，使其中的水分蒸发出来，形成高温水蒸气，失去水分的溴化锂溶液浓度增加，变为溴化锂浓溶液，回流至吸收式热泵吸收器14，而高温水蒸气被输送至吸收式热泵冷凝器12中。
46.第二步，在吸收式热泵冷凝器12内，高温水蒸气在热网水回水管31表面遇冷凝结，释放出大量的潜热，对热网水回水管31中的水进行加热，使热网水回水管31内的水温升高。冷凝以后的凝结水经节流后进入吸收式热泵蒸发器13内。
47.第三步，在吸收式热泵蒸发器13内，为负压环境，水在蒸发器内的气化温度很低，一般5℃就可以达到饱和而蒸发，因此余热水管表面的温度足以让冷凝水蒸发，冷凝水在余热水管表面遇热气化蒸发，蒸发过程中吸收大量的热，使余热水温度降低，达到回收热量的目的。冷凝水气化后产生的水蒸气进入吸收器。
48.第四步，在吸收式热泵吸收器14内，从发生器回流的溴化锂浓溶液喷淋在热网水回水管31外表面，并在热网水回水管31外表面与来自吸收式热泵蒸发器13的水蒸气相遇，溴化锂浓溶液将水蒸气吸收，水蒸气被吸收液化的过程中在热网水回水管31外表面释放大量潜热，加热了热网水回水管31内的水，使热网回水温度升高。吸收水蒸气后的溴化锂溶液浓度降低，变为溴化锂稀溶液，溴化锂稀溶液流入吸收式热泵吸收器14底部被泵送到吸收式热泵发生器11内再次被驱动热源加热沸腾蒸出水分，水分蒸出后变为浓溶液又具有了吸收水蒸气的能力。整个系统如此循环往复运行。热网回水依次则经过吸收式热泵吸收器14和冷凝器12两次升温最终从吸收式热泵冷凝器12出口送出。
49.在吸收式热泵吸收器14中，因溴化锂溶液在吸收水蒸气时要放出大量的热，故需要大量冷却液进行冷却，否则会导致吸收器内温度过高会抑制溴化锂溶液的吸水性能，使得吸收过程无法进行，进而降低系统效率。冷却液也即热网水回水管31中的热网回水，故需要确保进入吸收器内的热网回水管内水温不能过高。因此在提高热网回水温度的过程中要保证热网回水进入吸收器之前不被加热。
50.在吸收式热泵蒸发器13中，由于蒸发器内为负压，水的饱和蒸发温度很低，一般5℃就可以饱和蒸发，也就是说蒸发器可以较低温度的余热水中回收热量，因此将余热水回水管中的水温降低，并不会影响蒸发器的正常工作。并且将余热水温降低还可以降低产生蒸汽的温度，这样较低温度的蒸汽进入吸收器后也有利于提高吸收器的工作效率。
51.在吸收式热泵冷凝器12中，为了使从冷凝器流出的热网水温度升的更高，在高温蒸汽条件不变的情况下，就需要使流入冷凝器中的热网水温度提高。
52.综合以上分析，得出三点设计思路：
53.1.不升高现有进入吸收式热泵吸收器14中的热网水温度；
54.2.降低进入吸收式热泵蒸发器13中的余热水温度；
55.3.升高进入吸收式热泵冷凝器12中的热网水温度；
56.为实现这三点设计思路，考虑增设压缩式热泵2(压缩式热泵结构如图2)，利用压缩式热泵蒸发器21对余热水回水进行降温后再送入吸收式热泵蒸发器，利用压缩式热泵冷凝器22对流出吸收式热泵吸收器的热网回水进行加热升温再送入吸收式热泵冷凝器。
57.参见图3，具体设置为，热网水回水管直31接与吸收式热泵吸收器连接(用以实现不升高现有进入吸收器中的热网水温度)；余热水回水先经过压缩式热泵蒸发器21降温后，再进入吸收式热泵蒸发器13，即余热水回水管先连接压缩式热泵蒸发器21入口，再连接压
缩式热泵蒸发器出口与吸收式热泵蒸发器入口(用以实现降低进入蒸发器中的余热水温度)；将流出吸收器后的热网水进行加热后再进入冷凝器，即吸收式热泵吸收器14出口与压缩式热泵冷凝器22入口通过热网水回水管31连接，压缩式热泵冷凝器22出口与吸收式热泵冷凝器通过热网水回水管连接(用以实现升高进入冷凝器中的热网水温度)。
58.以上即为本发明提供的一种复合热泵系统的主要结构及构成方式。
59.另有一种设计思路是将压缩式热泵2和吸收式热泵1简单的组合串联，让热网回水先经压缩式热泵2加温后在进入吸收式热泵进一步升温，但这种串联方式效果并不好，因为没有考虑到吸收式热泵吸收器14对工作温度的要求，经过压缩式热泵2加热后的热网回水温度升高，再进入吸收式热泵吸收器14后抑制了吸收器内溴化锂溶液的吸水过程，使整个吸收式热泵1的工作效率降低。因此简单的将压缩式热泵2和吸收式热泵1串联的方案是有缺陷的。故不可采用压缩式热泵和吸收式热泵直接串联的结构。
60.此外，考虑到驱动热源在发生器内加热溴化锂溶液后仍然有很多残留热能，如果不加以回收利用就会在驱动热源回收管途中浪费掉。
61.为了进一步的提高回热效果，提升热网水温度，本发明实施例还包括驱动热源余热回收系统，所述驱动热源余热回收系统包括：换热器6和驱动热源余热回收管43，所述换热器6设置在驱动热源回收管52上，所述换热器入口通过驱动热源余热回收管与余热水供水管相连，所述换热器出口通过驱动热源余热回收管43与余热水回水管相连。
62.此外，在驱动热源余热回收管31上设置有循环泵8以使其管道中的水流通畅。
63.本发明实施例中余热水系统的回水可以根据实际应用的工况场景，选取多种不同来源，例如，余热水回水管入口可以与余热热源连接，或余热水回水管入口可以与上一级热网的回水系统连接。
64.如图4，本发明的另一种实施例中，余热水来源还可以引自于热网水回水，即从热网水回水管31中分流出一支水路充当余热水源，即余热水回水管41入口与热网水回水管31连接。采用这种方式的好处在系统的建设要求更低，不需要寻找独立的余热热源，设置更为便捷，同时利用热网水自身作为余热水源还可以进一步降低热网水回水温度，降低回水输送途中的热能浪费。
65.对于驱动热源的选择，可以根据具体的应用环境来选择，对于工业用途，农业用途以及城市民用可以选择不同的热源，经常采用的有燃气、蒸汽或高温热水。
66.为了应对供热高峰时段的用户需求，所述热网水供水管上还可以设置调峰装置。调峰装置7用于在用户集中用暖时增加供热量。
67.调峰装置7可以选用不同的设备，比如所述调峰装置为燃气锅炉或汽水换热器。
68.在一些能源匮乏的极端地区，为了进步一提升系统的加热能力，还可以将所述吸收式热泵发生器11、吸收式热泵冷凝器12、吸收式热泵蒸发器13和吸收式热泵吸收器14设置为多级结构；所述压缩式热泵冷凝器22和压缩式热泵蒸发器21也可以设置为多级结构。
69.例如其中的一种实施例，所述吸收式热泵1可以设置两个或两个以上串联的吸收式热泵发生器11，驱动热源供出管依次通过每个吸收式热泵发生器11，用以更彻底的吸收驱动热源的热量。同样的可以设置两个或两个以上串联的吸收式热泵冷凝器12，热网水回水管31依次通过每个个吸收式热泵冷凝器，以使热网回水更充分的加热。同样的可以设置两个或两个以上串联的吸收式热泵蒸发器13，余热水回水管41依次通过每个吸收式热泵蒸
发器13，使得余热水热量回收更充分。以及两个或两个以上串联的吸收式热泵吸收器14,热网水回水管31依次通过每个吸收式热泵吸收器14，使热网水充分加热。
70.同样所述压缩式热泵可以设置两个或两个以上串联的压缩式热泵冷凝器22，热网水回水管31依次通过每个压缩式热泵冷凝器22，用以使热网回水充分加热。同样可以设置两个或两个以上串联的的压缩式热泵蒸发器21，余热水回水管41依次通过每个压缩式热泵蒸发器21。
71.进一步的，对吸收式热泵1的种类主要有两种，一种是氨水吸收式热泵，一种是溴化锂吸收式热泵。氨机组蒸发温度可达到
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60的，用于冷库，速冻较多。并且氨气有毒。跟空气混合达到一定浓度遇到明火容易爆炸，因为有危险，所以一般没有全自动化设备所以不能实现自动运行，需要人工操作。
72.而溴化锂机组是用水作为制冷剂，蒸发温度在0度以上，出水在5度以上，可利用低压蒸汽或余热水对废气、废热、太阳能和低温热能的回收利用有很好效果。更适合回收利用低温热源(如废热水)的热能，制取所需要的工艺或采暖用高温热媒(热水)，实现从低温向高温输送热能的设备，并且溴化锂，无毒，绿色无污染。因此，本发明实施例中，优选吸收式热泵为蒸汽型溴化锂吸收式热泵。
73.本发明第二目的是提供一种复合式热泵供热系统的方法，基于上述的复合式热泵供热系统实现，包括：驱动热源经所述驱动热源供出管52进入吸收式热泵发生器11释放热量；余热水经余热水回水管41进入压缩式热泵蒸发器21进行一级降温，然后经余热水会水管进入吸收式热泵蒸发器13二级降温后返回热源；热网回水经热网水回水管31进入吸收式热泵吸收器14进行一级升温，然后经过经热网回水管进入压缩式热泵冷凝器22进行二级升温，最后经热网回水管31进入吸收式热泵冷凝器12进行三级升温，经过三级升温后的热网水经热网供水管进入热网。
74.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。