CN101048627A - 用于估计供暖、通风和空调系统中的入口和出口空气状态的方法 - Google Patents

Abstract

利用蒸汽压缩系统中现有的传感器，能够计算离开蒸发器的空气的温度以及进入和离开蒸发器的空气的相对湿度。离开蒸发器的空气的温度是用检测到的进入蒸发器的空气的温度、空气的饱和温度、以及旁通系数来计算的。然后利用湿度图来估计进入和离开蒸发器的空气的相对湿度。通过使用现有的传感器来确定离开蒸发器的空气的温度以及进入和离开蒸发器的空气的相对湿度，就可以计算蒸汽压缩系统的负荷要求，而不需要采用额外的传感器。因此，可以使蒸汽压缩系统的系统容量与负荷要求相匹配，而有效地利用电力。

Description

用于估计供暖、通风和空调系统中的入口和出口空气状态的方法

                      发明背景

本发明大体上涉及用于估计供暖、通风和空调(HVAC)系统中入口和出口空气状态，从而确定系统负荷要求的方法。

通过有效地利用电力能够减少供暖、通风和空调系统散发到大气中的温室气体。通过使系统容量(capacity)符合供暖、通风和空调系统负荷要求的容量控制能够有效地利用电力。容量控制利用制冷剂和空气的各种状态来确定供暖、通风和空调系统的负荷要求。在供暖、通风和空调系统中通常使用传感器来检测进入和离开压缩机的制冷剂的压力和温度、进入和离开蒸发器的制冷剂的温度、以及进入蒸发器的空气的温度。在知道负荷要求之后，就能够控制压缩机使系统容量符合负荷要求。

为了进行容量控制，还需要检测离开蒸发器的空气的温度以及进入和离开蒸发器的空气的相对湿度。然而，其缺点在于，必须安装额外的传感器来监测离开蒸发器的空气的温度以及进入和离开蒸发器的空气的相对湿度。在现有技术中，湿度传感器、干球传感器以及湿球温度传感器被加入蒸汽压缩系统中，以监测这些状态。

在供暖、通风和空调系统中安装额外的传感器有一些缺点。其中一个缺点是，采用额外的传感器成本很高。而且，由于热力系统的复杂动态特性，由某些传感器提供的测量值可能是不可靠的。举例来说，如果用传感器测量离开蒸发器的空气温度，则由风扇形成的出口空气中的紊流会影响温度读数。因此，在确定离开蒸发器的空气的温度以及进入和离开蒸发器的空气的相对湿度时，最好不使用额外的传感器。

于是，为了容量控制的需要，本发明提供了一种利用现有传感器来精确估计蒸发器入口和出口空气状态的方法，这种方法不会使系统增加额外的成本，而且还提供了供暖、通风和空调系统进行诊断/预测所需的信息，并能克服现有技术的其它缺点和不足。

                     发明概要

蒸汽压缩系统在冷却模式下工作时，提供冷空气至某一区域。制冷剂在压缩机中被压缩至高压，然后在冷凝器中被冷却。冷却了的制冷剂在膨胀装置中膨胀至低压。在膨胀之后，制冷剂流经蒸发器并从空气接收热量，而使空气冷却。接着制冷剂返回压缩机以完成循环。

检测蒸汽压缩系统中致冷剂和空气的若干性能，以计算蒸汽压缩系统的负荷要求。蒸汽压缩系统包括用于检测压缩机吸入温度、压缩机排出温度、压缩机吸入压力、压缩机排出压力、进入蒸发器的制冷剂的入口温度、离开蒸发器的制冷剂的出口温度、和进入蒸发器的空气的入口温度的传感器。离开蒸发器的空气的温度、进入蒸发器的空气的相对湿度、以及离开蒸发器的空气的相对湿度是利用这些传感器所检测到的值来确定的。

离开蒸发器的空气的出口温度是用检测到的进入蒸发器的空气的入口温度、空气的饱和温度(它大致上等于制冷剂的饱和温度)、以及蒸发器的旁通系数来计算的。

接着，可以计算进入和离开蒸发器的空气的相对湿度。在湿度图上，横轴表示干球温度，而纵轴表示湿度比。在从制冷剂饱和温度延伸出来的垂直线与饱和线相交处画出第一个点。离开蒸发器的空气接近于饱和，而且离开蒸发器的空气的相对湿度为饱和线的大约95％。因此，离开蒸发器的空气的相对湿度线是已知的。第二个点被限定为从离开蒸发器的空气的出口温度延伸出来的垂直线与离开蒸发器的空气的相对湿度线相交的交点。

延长第一个点和第二个点的连线，直至它与从进入蒸发器的空气的入口温度延伸出来的垂直线相交于第三个点。第三个点代表进入蒸发器的空气的相对湿度。

通过使用现有的传感器来确定离开蒸发器的空气的温度以及进入和离开蒸发器的空气的相对湿度，就可以计算蒸汽压缩系统的负荷要求，而不需要采用额外的传感器。在知道负荷要求之后，就能够使系统容量与负荷要求相匹配，从而有效地利用蒸汽压缩系统的电力。

通过下面的说明和附图，将能够更好地理解本发明的这些和其它的特征。

                      附图简介

通过下面对优选实施例的详细说明，本领域的专业人员将更清楚地了解本发明的各种特征和优点。下面简要介绍进行详细说明所用的附图：

图1显示了蒸汽压缩系统，包括用来检测流经该蒸汽压缩系统的空气和制冷剂状态的传感器；

图2显示了蒸汽压缩系统，其中显示了确定蒸汽压缩系统负荷要求所需的检测值；

图3是曲线图，显示了当空气穿过蒸发器时在蒸发器上流过的空气的温度；

图4是曲线图，显示了有关蒸发器的数据；和

图5是湿度图，显示了用来估计进入和离开蒸发器的空气相对湿度的方法。

                优选实施例的详细描述

图1显示了蒸汽压缩系统20，包括压缩机22、冷凝器24、膨胀装置26和蒸发器28。制冷剂在闭路蒸汽压缩系统20中循环。

当蒸汽压缩系统20在冷却模式下工作时，高压高焓的制冷剂离开压缩机22并流经冷凝器24。在冷凝器24中，制冷剂排出热量给流体介质如水或空气，然后冷凝成低焓高压的流体而离开冷凝器24。如果流体介质是空气，用风扇30在冷凝器24上引导流体介质。冷却了的制冷剂接着经过膨胀装置26，于是制冷剂的压力下降。在膨胀之后，制冷剂流经蒸发器28。在蒸发器28中，制冷剂从空气中接收热量，并以高热焓和低压的状态而离开蒸发器28。风扇32吹走蒸发器28上的空气，接着，已冷却的空气被用来冷却区域52。

当蒸汽压缩系统20在加热模式下工作时，利用四通阀(未示出)使制冷剂的流动倒转。当在加热模式下工作时，冷凝器24作为蒸发器工作，而蒸发器28作为冷凝器工作。

容量控制被用来使蒸汽压缩系统20的系统容量符合蒸汽压缩系统20的负荷要求，从而有效地利用电力。负荷要求是发生在蒸发器28上的所要求的热交换。当负荷要求已知时，就能够控制压缩机22，从而使蒸汽压缩系统20的负荷要求得到满足。

作为容量控制任务的一个组成部分，需要若干变量以计算负荷要求，如图2中所示，这些变量是1)压缩机吸入温度T_suc，2)压缩机排出温度T_dis，3)压缩机吸入压力P_suc，4)压缩机排出压力P_dis，5)进入蒸发器的制冷剂的入口温度T_2in，6)离开蒸发器的制冷剂的出口温度T_2out，7)进入蒸发器的空气的入口温度T_1in，8)离开蒸发器的空气的出口温度T_1out，9)进入蒸发器的空气的相对湿度RH₁，和10)离开蒸发器的空气的相对湿度RH₂。

由于风扇32所产生紊流气流的非均匀特性，很难精确测量离开蒸发器的空气的出口温度T_1out。测量进入或离开蒸发器28的空气的相对湿度RH₁和RH₂(湿球温度)成本很高，而且可能是不精确的。因此，只有测量压缩机吸入温度T_suc、压缩机排出温度T_dis、压缩机吸入压力P_suc、压缩机排出压力P_dis、进入蒸发器的制冷剂的入口温度T_2in、离开蒸发器的制冷剂的出口温度T_2out和进入蒸发器的空气的入口温度T_1in的传感器安装在蒸汽压缩系统20中。在本发明中，离开蒸发器的空气的出口温度T_1out、进入蒸发器的空气的相对湿度RH₁、以及离开蒸发器的空气的相对湿度RH₂是利用所安装传感器的检测值计算得到的。

回到图1，蒸汽压缩系统20包括用于检测压缩机吸入温度T_suc的传感器34、检测压缩机排出温度T_dis的传感器36、检测压缩机吸入压力P_suc的传感器38、检测压缩机排出压力P_dis的传感器40、检测进入蒸发器的制冷剂的入口温度T_2in的传感器42、检测离开蒸发器的制冷剂的出口温度T_2out的传感器44、以及检测流入蒸发器的空气的入口温度T_1in的传感器46。传感器34、36、38、40、42、44和46都与控制器48相连。

利用通常安装在蒸汽压缩系统20中的传感器34、36、38、40、42、44和46，就能够计算离开蒸发器的空气的出口温度T_1out、进入蒸发器的空气的相对湿度RH₁、和离开蒸发器的空气的相对湿度RH₂，而不需要采用额外的传感器。

蒸发器28的旁通系数BPF代表不直接接触蒸发器28中的盘管的旁通空气的量。旁通系数BPF取决于单位长度盘管(盘管翅片的节距)中翅片的数目、沿气流方向的盘管排数以及空气速度。当翅片间距减小而排数增多时，盘管的旁通系数BPF降低。旁通系数BPF被定义为：

$\mathrm{BPF}=\frac{T_{1\mathrm{out}}-T_s}{T_{1\mathrm{in}}-T_s}$ 当蒸发器28是冷却盘管时    (公式1)

$\mathrm{BPF}=\frac{T_s-T_{1\mathrm{out}}}{T_s-T_{1\mathrm{in}}}$ 当蒸发器28是加热盘管时    (公式2)

空气的饱和温度用T_s表示。空气的饱和温度T_s大致上等于制冷剂的饱和温度。制冷剂的饱和温度是利用压缩机吸入压力P_suc和制冷剂特性计算的。制冷剂特性是取决于所用制冷剂类型的一个已知值。一般来说，旁通系数BPF低于0.2。

图3是曲线图，显示了当空气在蒸发器28的盘管上面经过时的空气的温度。如图所示，当空气沿蒸发器28中盘管的长度方向在上面经过时，离开蒸发器的空气的出口温度T_1out几乎下降至空气的饱和温度T_s。

蒸发器28的传热率被定义为：

$\stackrel{\·}{Q}=\mathrm{UA}\×\mathrm{LMTD}$ (公式3)

传热率用变量 表示。变量U代表总传热系数(W/m²K)，变量A代表蒸发器28中盘管的表面积，而变量LMTD代表对数平均温差。

变量“对数平均温差”被定义为：

$\mathrm{LMTD}=\frac{T_{1\mathrm{in}}-T_{1\mathrm{out}}}{{\log }_e\left(\frac{T_{1\mathrm{in}}-T_s}{T_{1\mathrm{out}}-T_s}\right)}$ (公式4)

可以将公式1代入公式4，于是变量“对数平均温差”被定义为：

$\mathrm{LMTD}=\frac{T_{1\mathrm{in}}-T_{1\mathrm{out}}}{{\log }_e(1/\mathrm{BPF})}$ (公式5)

传热率

也可以利用下面的公式由空气侧(负荷要求)计算得到：

$\stackrel{\·}{Q}=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_1{c}_{P1}(T_{1\mathrm{in}}-T_{1\mathrm{out}})}{\mathrm{SHR}}$ (公式6)

在此公式中， 代表空气的质量流量(千克/秒)，c_p1代表干燥空气的比热(J/kg·K)，而SHR代表显热比。流入蒸发器的空气的入口温度T_1in和流出蒸发器的空气的出口温度T_1out以摄氏度(℃)表示。

将公式3和公式6结合在一起得到下面的公式：

$\mathrm{BPF}=e^{\frac{\mathrm{UA}\·\mathrm{SHR}}{c_{P1}{\stackrel{\·}{m}}_1}}$ (公式7)

如图4中所示，对于具有两相制冷剂流的蒸发器28中的盘管来说，UA值是显热比SHR和空气质量流量m₁的函数。蒸发器28用于30HP热泵系统中。UA值与显热比SHR成反比，并与空气的流量变化线性相关。因此，UA值可近似用下面的公式表示：

$\mathrm{UA}=\frac{{a\stackrel{\·}{m}}_1+b}{\mathrm{SHR}}$ (公式8)

在公式8中，变量a和b都是常数，而且b的值较小。将公式8代入到公式7中，可以说明旁通系数BPF是一个常数：

$\mathrm{BPF}=\frac{{a\stackrel{\·}{m}}_1+b}{e^{c_{P1}{\stackrel{\·}{m}}_1}}$ (公式9)

由于对于给定的蒸发器28中的盘管来说旁通系数BPF是一个常数，因此，它的值可以通过实验或者通过设计模型来确定。利用已知的旁通系数BPF值和公式1，就可以用下面的公式，采计算离开蒸发器的空气的出口温度T_1out：

T_1out＝BPF(T_1in-T_s)+T_s  当蒸发器28是冷却盘管时  (公式10)

T_1out＝T_s-BPF(T_s-T_1in)  当蒸发器28是加热盘管时  (公式11)

在计算了离开蒸发器的空气的出口温度T_1out之后，就可以估计进入蒸发器的空气的相对湿度RH₁和离开蒸发器的空气的相对湿度RH₂。

图5是湿度图，显示了用来估计进入蒸发器的空气的相对湿度RH₁和离开蒸发器的空气的相对湿度RH₂的方法。横轴表示干球温度，而纵轴表示湿度比。代表空气的饱和温度T_s、进入蒸发器的空气的入口温度T_1in、以及离开蒸发器的空气的出口温度T_1out的点沿着横轴绘出。图中还显示了饱和线RHs。

从空气的饱和温度T_s延伸出来的垂直线与饱和线RHs在点3相交。蒸发器28中的盘管是这样设计的，使得离开蒸发器28的空气接近于饱和，而且离开蒸发器的空气的相对湿度RH₂为饱和线RHs的大约95％。因此，相对湿度线RH₂是已知的，假设它为饱和线RHs的95％。离开蒸发器的空气的出口温度T_1out在前面用旁通系数BPF和进入蒸发器的空气的入口温度T_1in计算得到。因此，在图上可以发现点2位于从离开蒸发器的空气的出口温度T_1out延伸出来的垂直线与相对湿度线RH₂相交处。

延长点2和点3的连线，直至它与从进入蒸发器的空气的入口温度T_1in延伸出来的垂直线相交于点1。点1代表进入蒸发器的空气的相对湿度RH₁。于是可以在其经过点1时确定相对湿度线RH₁。

如果蒸汽压缩系统20在加热模式下工作，则相对湿度RH₁和相对湿度RH₂不会变化，因而可以用上面所介绍的方法采计算。所以，只需要计算离开蒸发器的空气的出口温度T_1out，以确定蒸汽压缩系统20的负荷要求。

利用蒸汽压缩系统20中现有的传感器34、36、38、40、42、44和46，来确定离开蒸发器的空气的出口温度T_1out、进入蒸发器的空气的相对湿度RH₁、以及离开蒸发器的空气的相对湿度RH₂，而不需要增加额外的传感器，因而能够降低成本和提高精度。通过用现有的传感器34、36、38、40、42、44和46确定这些值，就可以计算蒸汽压缩系统20的负荷要求。因此，通过控制压缩机22，就可以使蒸汽压缩系统20的系统容量与负荷要求相匹配，使得不用额外的传感器就能够有效地利用电力。

上述说明书只是本发明原理的示范性实例。根据以上说明可以对本发明作出许多修改和变化。虽然已经公开了本发明的一些优选实施例，但是所属技术领域中的普通技术人员应当认识到，在本发明范围之内可以进行一些修改。因此可以理解，在所附权利要求的范围之内，可以用与所述具体方法不同的方式来实施本发明。因此，所附权利要求将确定本发明真正的范围和内容。

Claims (17)

1.一种估计蒸汽压缩系统的空气状态的方法，包括以下步骤：

检测所述蒸汽压缩系统的状态；和

基于所述状态来确定离开蒸发器的空气的出口温度、进入所述蒸发器的空气的相对湿度、以及离开所述蒸发器的空气的相对湿度的至少其中一个，来用于计算所述蒸汽压缩系统的负荷要求。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

在压缩机中将制冷剂压缩至高压；

使所述制冷剂冷却；

使所述制冷剂膨胀；和

使所述制冷剂在所述蒸发器中蒸发。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述检测系统中的状态的步骤包括以下步骤：

检测进入所述压缩机的所述制冷剂的吸入温度，

检测进入所述压缩机的所述制冷剂的吸入压力，

检测离开所述压缩机的所述制冷剂的排出温度，

检测离开所述压缩机的所述制冷剂的排出压力，

检测进入所述蒸发器的所述制冷剂的入口温度，

检测离开所述蒸发器的所述制冷剂的出口温度，和

检测进入所述蒸发器的所述空气的入口温度。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括确定所述蒸发器的旁通系数的步骤，所述旁通系数代表不直接接触所述蒸发器的旁通空气的量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述旁通系数取决于所述蒸发器中的翅片数、所述蒸发器中的排数、以及空气的速度，而且所述旁通系数是恒定值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，离开所述蒸发器的空气的出口温度被定义为

T_lout＝BPF(T_lin-T_s)+T_s，

其中，BPF是所述旁通系数，T_lout是离开所述蒸发器的空气的所述出口温度，T_lin是进入所述蒸发器的空气的入口温度，而T_s是空气的饱和温度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述空气的饱和温度基本上等于所述制冷剂的饱和温度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，离开所述蒸发器的空气的相对湿度为处于所述空气的饱和温度下的所述空气的相对湿度的大约95％。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括，基于进入所述蒸发器的空气的入口温度、离开所述蒸发器的空气的出口温度、离开所述蒸发器的空气的相对湿度、以及所述制冷剂的饱和温度来确定进入所述蒸发器的空气的相对湿度的步骤。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

确定代表所述制冷剂饱和温度的垂直线与饱和曲线相交的第一个交点，

确定代表离开所述蒸发器的空气的出口温度的垂直线与代表离开所述蒸发器的空气的相对湿度的曲线相交的第二个交点，

在所述第一个交点和所述第二个交点之间连上延长线，和

将所述延长线延伸至与代表进入所述蒸发器的制冷剂的入口温度的垂直线相交于第三个交点，所述第三个交点表示进入所述蒸发器的空气的相对湿度。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括控制压缩机而使所述蒸汽压缩系统的系统容量与所述负荷要求相匹配的步骤。

12.一种估计蒸汽压缩系统的空气状态的方法，包括以下步骤：

检测进入蒸发器的空气的入口温度；和

基于进入所述蒸发器的空气的入口温度，来计算离开所述蒸发器的空气的出口温度、进入所述蒸发器的空气的相对湿度、以及离开所述蒸发器的空气的相对湿度，以用于计算所述蒸汽压缩系统的负荷要求。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，离开所述蒸发器的空气的出口温度被定义为：

T_lout＝BPF(T_lin-T_s)+T_s，

其中，BPF是所述蒸发器的旁通系数，它代表不直接接触所述蒸发器的旁通空气的量，T_lout是离开所述蒸发器的空气的出口温度，T_lin是进入所述蒸发器的空气的入口温度，而T_s是所述空气的饱和温度，其中，所述空气的饱和温度基本上等于与所述蒸发器中的空气进行热交换的制冷剂的饱和温度。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，离开所述蒸发器的空气的相对湿度为处于所述空气的饱和温度下的所述空气的相对湿度的大约95％。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括，基于离开所述蒸发器的空气的出口温度、离开所述蒸发器的空气的相对湿度、以及所述制冷剂的饱和温度来确定进入所述蒸发器的空气的相对湿度的步骤。

16.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤：

确定代表所述制冷剂的饱和温度的垂直线与饱和曲线相交的第一个交点，

确定代表离开所述蒸发器的空气的出口温度的垂直线与代表离开所述蒸发器的空气的相对湿度的曲线相交的第二个交点，

在所述第一个交点和所述第二个交点之间连上延长线，和

将所述延长线延伸至与代表进入所述蒸发器的制冷剂的入口温度的垂直线相交于第三个交点，所述第三个交点表示进入所述蒸发器的空气的相对湿度。

17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括控制压缩机而使所述蒸汽压缩系统的系统容量与所述负荷要求相匹配的步骤。

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