CN105612392A - 用于空气处理和空气调节的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于空气处理和空气调节的系统(100)，所述系统旨在容积(200)，优选为建筑物，内部供给冷空气，所述系统包括具有双气流的至少一个焓交换器模块，所述焓交换器模块使得能够在两道气流之间进行热传递和水蒸汽传递，所述系统被设计为能够根据所述建筑物的制冷模式进行操作，在所述建筑物中，两道气流分别由外部气流(F1)和较冷较干燥的污染气流(F2)组成，所述外部气流旨在被引入所述建筑物(200)，所述污染气流来自于所述建筑物内部。根据本发明，所述系统还包括：-使得能够确定所述外部气流(F1)在所述焓交换器模块的入口处的相对湿度的装置(20)；以及-控制装置(6)，其被构造为当所述外部气流(F1)的所述相对湿度超过预定值时，在所述第一气流进入所述模块之前，命令向所述外部气流供热。

Description

用于空气处理和空气调节的系统和方法
技术领域
本发明涉及如下领域：用于例如暴露于在东南亚所面对的炎热潮湿这种类型气候的建筑物的空气处理和空气调节的系统和方法。然而，也可以进行其他应用。例如，本发明还适用于工业应用(例如纸张、食物和微电子行业)中涉及的包括风干问题的风量。
更确切地说，本发明涉及配备有双气流交换器的这种系统，这种类型的双气流交换器使得能够在通过交换器的两道气流之间，进行热传递以及湿度/水蒸汽传递。提供该双传递的这种交换器通常被称为“全热交换器”或“焓热交换器”。
因此，本发明适用于用于建筑物(优选用于住房和服务行业)的空气处理和空气调节。由此，交换器不仅确保了污染气流与外部气流之间的热传递，而且确保了这两道气流之间的从最潮湿环境向最干燥环境的水蒸汽传递。
背景技术
在炎热潮湿的气候中，外部气流(也被称为新鲜气流)能够具有高温(例如大约30℃至35℃)和高相对湿度(例如大约90％至95％)。因此，在这种条件下，发生从外部气流向污染气流的水蒸汽传递。然而，当外部气流的相对湿度非常高时，存在交换器内冷凝的风险，这对交换器的正确操作、交换器的可靠性、以及处理的健康保障是有害的。甚至，即使在通过交换器的两道气流之间的水蒸汽传递有助于降低外部气流的绝对湿度，通过在交换器中冷却该外部气流，在另一方面也增大了相对湿度。在这一点上，需要提醒的是：绝对湿度对应于每千克干燥空气的水蒸汽浓度，而相对湿度对应于蒸汽分压与饱和蒸汽压(空气不再能够包含更多的蒸汽，否则蒸汽就会冷凝的压力)的比率。
在现有技术中，存在几种实现焓交换器的方案，例如能够将焓交换器安装在蒸汽压缩制冷单元的上游。通过指示，这些方案是对现有技术中已知、但属于远离本发明的领域的脱水轮的使用的替代。
关于焓交换器方案，很少能够解决交换器内部的冷凝问题。然而，在EP2498013中提供了如下方案，该方案公开了在外部气流具有过高的相对湿度的情况下绕过焓交换器的可能性。然而，通过拒绝通过交换器，系统会经受巨大的效率损失，这是因为与污染气流相关联的能量尚未被使用。
因此，存在如下需求：优化这些用于空气处理和空气调节的具有焓交换器的系统，尤其为了应对高度潮湿的外部气流的冷凝风险。
发明内容
为了解决该问题，本发明的目标首先在于一种用于空气处理和空气调节的系统，所述系统包括至少一个双气流焓交换器模块，所述焓交换器模块使得能够在两道气流之间进行热传递和水蒸汽传递，所述两道气流分别由第一气流和第二气流组成，所述第二气流具有比所述第一气流低的温度和绝对湿度。
根据本发明，所述系统还包括：
-用于确定所述第一气流在所述焓交换器模块的入口处的相对湿度的装置；以及
-控制装置，其被构造为当所述相对湿度超过预定值时，在所述第一气流进入所述焓交换器模块之前，命令向所述第一气流供热。
因此，本发明的独创性在于加热(如果需要)处于非常接近饱和曲线的条件的第一气流。因此，巧妙地进行了最热气流温度的提升。通过简单地提升气流温度，该第一气流使其相对湿度降低，并因此很少遭受交换器模块中的冷凝风险。该方案的优点一方面在于，避免了现有技术中暗示的绕过交换器，另一方面在于，用于将气流保持在比预定值低的相对湿度所需的供热可以较小。
优选地，该系统还包括蒸汽压缩制冷单元，所述蒸汽压缩制冷单元配备有蒸发器和冷凝器，所述第一气流旨在在离开所述焓交换器模块之后通过所述蒸发器和所述冷凝器，并且所述系统被设计为，使得所述供热来自于所述加热单元，并且优选来自于通过所述加热单元的部分制冷液。可替代地，供热可以来自于通过操作中的所述制冷单元的所述冷凝器生成的热。然后，从所述冷凝器的制冷液进行所述供热，该流体通常为空气。
值得考虑其他方案来优选从可再生能源提供该供热。典型地，可以是太阳能集热器，甚至或者是电阻元件。旨在制冷单元处汲取能量的上述方案的优点尤其在于，使得能够在这种制冷单元内部恢复热力循环的全部或部分不可避免的能量。
优选地，所述系统包括次级交换器，所述次级交换器被设计为向所述第一气流提供所述供热，所述第一气流优选为外部气流。
为了制作该次级交换器，可采用任何技术作为使用的流体(即液体、气体或二者的混合)的功能，并且作为能量类型(即，明显的、潜在的或焦耳效果能量)的功能。在可行实施例中，所述第一气流和在单元中流动的部分制冷液通过次级交换器，离开压缩器的该加热流体实际上使得能够将必要的卡路里带入第一气流。然而，在不背离本发明的范围的情况下，可以采用提取在制冷单元中生成的热量的任何其他方式，以将热量带向要加热的第一气流。
优选地，所述系统包括串联布置的多个焓交换器模块，所述第一气流和所述第二气流相继通过所述多个焓交换器模块。
优选地，然后，所述系统被设计为，使得能够针对至少一个焓交换器模块进行相对湿度的确定，并且使得能够至少在所述第一气流进入所述焓交换器模块中的一个之前加热所述第一气流。
更加优先地，所述控制装置被设计为在所述第一气流进入所述焓交换器模块中的、在模块的入口处确定的相对湿度超过预定值的各个模块之前，命令向所述第一气流供热。
因此，在该示例中，在一起形成焓交换器的各模块的入口处确定相对湿度。然后，通过与预定值的比较，来逐模块地单独控制供热，该预定值优先针对所有交换器模块相同，但是也可以随着模块的功能而不同。
其他可替代方案是可行的，并且被本发明覆盖。例如，可以仅针对有限数量n(大于或等于1)个模块进行相对湿度的确定，然而，可以在数量m(大于或等于数量n)个模块的入口处应用供热。通过示例，仅通过确定第一气流在第一焓交换器模块处的相对湿度，能够在形成焓交换器的一个或几个模块的入口处命令供热。
在各种情况下，供热可以被控制，例如仅当相对湿度达到预定值时被停止，或者命令能够简单地导致供给所确定的热量，所确定的热量可能作为所确定的相对湿度值的函数。
在各种情况下，增加交换器模块并在外部气流进入不同的交换器模块时加热外部气流，使得供给到外部气流的热的使用合理化，并增大了模块中容许的相对湿度的最大值。在这一点上，应当指出，不同模块中的入口条件通常可变，级联构造使得能够精细调整使用的热量，需要考虑最小安全裕度，并且打算使使用的能量合理化。这与单个模块构造相反，在单个模块构造中，必须使用更显著的安全裕度，从而能够适应各种可能的情况。
在使得能够合理地使用能量、同时避免焓交换器中有害的冷凝情况出现的该系统中，所述系统被优先配置为，使得所述外部气流和所述污染气流在焓交换器模块中反向再流通。即使同向方案可行，但是为了更加合理地使用汲取的能量以加热外部气流，优选反向方案。
优选地，各焓交换器模块是防水透气膜型模块，即液态水和空气不可透过，而水蒸汽可透过，无论是平板、管状或其他交换器。
优选地，所述系统包括沿着堆叠方向接连布置的几个焓交换器模块，任意两个直接相邻的模块具有接触区域，在接触区域的两侧分别布置有气流的中间通路室，每个中间通路室被两个模块中的一个模块的气流出口、以及两个模块中的另一个模块的气流入口部分地限定。
优选地，所述用于空气处理和空气调节的系统优先旨在容积(volume)内部供给冷空气，所述容积优选为建筑物，所述第一气流是旨在被引入所述容积的气流，优选为外部气流，并且所述第二气流是来自所述容积内部的气流，并与在所述容积为建筑物的情况下的污染气流相对应。
本发明的目标还在于一种用于空气处理和空气调节的方法，使用如上所述的系统来实现所述方法，所述方法包括：确定所述第一气流在所述焓交换器模块的入口处的相对湿度的步骤；以及然后，当所述相对湿度超过预定值时，在所述第一气流进入所述焓交换器模块之前，命令向所述第一气流供热的步骤。
本发明的其他优点和特征将出现在之后非限制性的详细描述中。
附图说明
将参照以下附图进行该描述。
图1示出了根据本发明的优选实施例的用于空气处理和空气调节的系统的示意图；
图2示出了与图1类似的图，其中，焓交换器具有几个模块的不同设计；
图3示出了扼要表示由适合图2中的用于空气处理和空气调节的系统的控制装置提供的控制逻辑的图；
图4是与图1类似的示意图，其中，焓交换器包括四个串联布置的模块；
图5示出了记录有字母标记的湿度测定图，这些标记对应于图4的图中指示的标记；以及
图6示出了焓交换器实施例的更加具体的立体图，该焓交换器实施例旨在适合根据本发明的用于空气处理和空气调节的系统。
具体实施方式
首先，参照图1，示出了旨在建筑物200(优选暴露于例如在东南亚所面对的炎热潮湿气候)内部提供冷空气的用于空气处理和空气调节的系统100。首先，系统100包括焓交换器2、以及在该交换器2与建筑物200之间插入的蒸汽压缩制冷单元4。控制装置与焓交换器2相关联，并且还可能与蒸汽压缩制冷单元4相关联。
焓交换器2是传统类型，即第一外部气流F1和来自于建筑物200内部的第二污染气流F2有利地旨在反向地通过焓交换器2，并且第二污染气流F2的温度和绝对湿度低于第一外部气流F1的温度和绝对湿度。
因此，这里，焓交换器2保证了污染气流F2与外部气流F1之间的热传递。换句话说，交换器被配置为使用污染气流F2中包含的清凉来冷却炎热的外部气流F1。当然，应当指出，为了从气流F1向较冷的气流F2传递显热，结果降低了来自外部的热气流F1的温度。
同时，焓交换器2被配置为向在离开建筑物200时具有较低的每千克干燥空气的水蒸汽浓度(绝对湿度)的污染气流F2，传递外部气流F1中包含的部分水蒸汽。
在系统100的该操作模式下，与建筑物200的冷却模式相对应，离开焓交换器2的外部气流F1相继通过蒸汽压缩制冷单元4的蒸发器10和冷凝器12。在本领域技术人员已知的传统方式下，该单元4包括冷却液/制冷液14，在将冷却液/制冷液14重定向至压缩器16之前，冷却液/制冷液14相继在压缩器16、冷凝器12、膨胀阀18和蒸发器10中流动。
外部气流F1首先通过蒸发器10以被冷却、湿度饱和及冷凝，并且为了在通过冷凝器12之前，达到用于空气处理的合适的绝对湿度等级，以在冷凝器12中经历伴随着相对湿度下降的温度升高，外部气流F1的绝对湿度保持恒定。这使得外部气流F1能够在良好的湿度和温度条件下进入建筑物200内部。
仍参照图1，应当指出，本发明的一个特征在于，该系统还包括使得能够在交换器2的入口处确定外部气流F1的相对湿度的装置20。该装置可以是本领域技术人员认为合适的任何设计，例如湿度传感器。作为传达到控制装置6的该确定的功能，控制装置6被构造为，当该相对湿度的预定值超过预定值时，在外部气流F1进入焓交换器2之前，命令向外部气流F1供热。
可以基于焓交换器的选型数据以及焓交换器的焓效率的知识，来定义启动显能供给的相对湿度的预定阈值。该焓效率取决于交换器的操作条件、几何数据以及使用的技术。因此，在防水透气膜交换器的情况下，该焓效率取决于所述膜的物理性质，尤其是与水蒸汽传递有关的物理性质，例如菲克扩散系数、膜的最大进水量和吸附常数。
通过以此方式进行处理，能够在外部气流F1进入交换器2之前增加外部气流F1的温度，从而限制了对交换器2的正确操作有害的冷凝风险。
在图1中描述的优选实施例中，供热来自于在离开压缩器16之后部分分流的制冷液。为了创建该分流，配设了具有开孔26a的回路26，开孔26a位于冷凝器12的上游，使得部分制冷液14能够被运送至次级交换器22的入口。在该交换器22的出口，回路26将制冷液重定向至位于冷凝器12的下游的第二开孔26b，从而被再引入制冷单元4。
因此，次级交换器22一方面使外部气流F1通过，另一方面使在压缩器16的下游汲取的部分制冷液14通过。通过由装置6控制的阀28，来控制通过回路26的制冷液的流速。当然，被认为合适的任何设计值得考虑用于次级交换器22，例如翅片管交换器型。
应当指出，在次级交换器22的方向汲取的能量无法使得在膨胀阀18中膨胀流体之前达到合适的热力学条件的情况下，在膨胀阀18的上游配设有形成辅助冷凝器的暖风机27。因此，该暖风机27旨在一方面使制冷液14在离开冷凝器12之后通过，另一方面使外部气流F3通过。
带入到次级交换器22中的热量可以被控制，例如仅当由传感器20确定的流F1的相对湿度值达到预定值时被停止，该预定值可能由操作者作为所需到的需求的功能而输入。该值还可以考虑根据交换器对与冷凝风险有关的潮湿气流的敏感度的交换器的设计。应当指出，该敏感度与通过膜的水蒸汽的传递效率有很大关系。
现在参照图2，示出了如下替代实现方式：通过多个焓交换器模块M1、M2、…、Mi、…、Mn来做出焓交换器2，这些模块串联布置并使外部气流F1和污染气流F2相继通过，外部气流F1和污染气流F2总是在各模块中反向流动。在该示例中，存在于外部气流F1的入口的上游的次级交换器22与各模块相关联。经由阀28通过装置6来控制这些交换器，并且这些交换器还各自与向相同的装置6传递确定值的相对湿度传感器20相关联。
这种构造的优点在于，能够在外部气流F1进入各模块之前将热量带给外部气流F1，即在外部气流F1通过各模块之前进行连续供热。
如示出与各交换器模块相关联的控制逻辑的图3中所扼要表示，例如针对各模块Mi，配置为使用传感器20来执行确定在相关交换器模块Mi的入口处的相对湿度hri。如果该值hri大于与上述预定值相对应的相对湿度的基准值hrr，则通过相关联的次级交换器22来加热外部气流F1。通过控制阀28以确保制冷液14在次级交换器22中流动，来实现该处理。在值hri小于值hrr的相反情况下，不进行任何操作。即在将外部气流F1引入随后模块之前不加热外部气流F1。
相对湿度的基准值hrr可以在各交换器模块Mi处相同，也可以不同。通过指示示例，当所有交换器模块具有相同或相似的设计时，该值优先针对所有交换器模块相同。
该处理方式使得能够仅通过传递小能量的连续供热，来长期保持外部气流F1具有比被认为对于焓交换器模块很关键的基准相对湿度hrr低的相对湿度。
图4的实施例与图2中呈现的实施例的相似之处在于，具有串联布置有连续模块M1、M2、M3和M4的焓交换器2。
在该图4中，在沿着焓交换器2与建筑物200之间的气流路径的不同位置，标识出了污染气流F2和外部气流F1的几个基准点。这些相同的标记已被记录在图5的湿度测定图上，以通知各位置处的空气条件。
此外，参照图4和图5二者，指示了与交换器2的入口相对应的点A处的外部气流F1具有高温和高的相对湿度，表达了外部空气的炎热潮湿的气候条件。
在被引入第一模块M1中之前，流F1在其相对湿度超过基准相对湿度时被次级交换器22加热。该加热由图中的线AA’表达，点A’对应于第一交换器模块M1的入口。在该模块内，流F1被冷却并释放其绝对湿度，这样促使接近图5中的虚线所描述的饱和曲线。点A1示出了在气流F1进入第二模块M2之前、以及在气流F1引入该相同的模块M2之前的潜在加热之前，气流F1在第一模块M1的出口处的条件。以与上述类似的方式，这里，在气流F1在点A’1处进入第二模块M2之前再次被加热，在点A’1处，气流F1进入该第二模块M2以在M2中被冷却并排出气流F1的部分湿度，直到气流F1在点A2处排出为止，在点A2处，气流F1处于接近饱和曲线的条件，如图5所示。在该流F1通过第三模块M3和第四模块M4之前以及通过期间，观察到类似的现象，这说明了点A与点B之间的Z型/级联图，点A和点B分别对应于流F1在焓交换器2中的入口点、以及该流F1从交换器的出口点。
因此，当从该交换器2中提取出流F1时，流F1通过蒸发器10直到点C，该通过首先导致温度降低，将流F1带入其饱和曲线，沿该饱和曲线而行，直到流F1在点C处达到其最小温度，在点C处，流F1还具有期望的绝对湿度等级。然后，流F1通过冷凝器12，使得以期望的温度加热流F1以进入建筑物200，并将流F1定位在也与针对要调节的风量的期望需求相对应的相对湿度等级(相对于热舒适指标)。
通过指示的示例，利用该操作模式，外部空气能够在进入焓交换器2之前达到35℃的温度及90％的相对湿度，而在点E离开建筑物200的污染气流能够具有大约22℃温度及大约50％的相对湿度。此外，在图5的湿度测定图上，点D与点E之间的线段可以象征在空气通过建筑物200期间、温度升高同时绝对湿度等级增大的空气变化。与污染气流F2有关的这些值在点E与点F之间继续增大，这对应于该流F2与外部气流F1反向地通过焓交换器2。
现在参照图6，示出了具有巧妙设计并包括串联放置的5个模块(标记M1至M5)的焓交换器2的示例性实现方式。与上述其他实施例中一样，交换器模块M1至M5具有本领域技术人员已知的平板和防水透气膜的设计。例如在FR2965897中描述了这种交换器。
甚至，该设计依赖于平板沿着与方向30正交的方向31的堆叠，模块沿着方向30相互接替。在该实施例中，模块沿着其堆叠的方向30两两接触。此外，两个直接相邻的模块在其中间位置一起定义了接触区域34，在接触区域34的两侧，布置有两个气流的中间通路室。首先具有气流F1的中间通路室(标记为36)，而且具有气流F2的中间通路室(标记为38)。
从图6中可以看出，室36被相互交错布置，室38也被相互交错布置。各室36容纳次级交换器22，次级交换器22具有用于给送和排出制冷液的管40，制冷液通过交换器2以向适合系统的制冷单元的冷凝器流去。这里，各焓交换器模块为具有六边形基座或菱形基座的一般的直棱柱形状。因此，各中间室36和38为一般的三角形截面形状，三角形的一条边由一个模块的气流入口定义，三角形的另一条边由其他模块的气流出口定义，并且第三条边与沿着方向30的交换器横向布置的外壳44相对应。优选地，通过相同的单个平板形成几个外壳44。
另一方面，尽管未表示，但上面和下面的外壳也可以覆盖模块M1至M5，尤其使得中间室36和38能够相互独立。
当然，本领域技术人员可以仅通过非限制性示例将各种变型例引入已描述的本发明中。尤其是，上述应用涉及任何建筑物的冷空气供给，但是本发明通常还适用于供给要在工业生产领域(例如纸张、食物或微电子行业)中处理的大量空气。

Claims (10)

1.一种用于空气处理和空气调节的系统(100)，所述系统(100)包括具有双气流的至少一个焓交换器模块(Mi)，所述焓交换器模块(Mi)使得能够在两道气流之间进行热传递和水蒸汽传递，所述两道气流分别由第一气流(F1)和第二气流(F2)组成，所述第二气流具有比所述第一气流低的温度和绝对湿度，
所述系统的特征在于，所述系统还包括：
-用于确定所述第一气流(F1)在所述焓交换器模块(Mi)的入口处的相对湿度(hri)的装置(20)；以及
-控制装置(6)，其被构造为当所述相对湿度(hri)超过预定值(hrr)时，在所述第一气流(F1)进入所述焓交换器模块之前，命令向所述第一气流(F1)供热；
-蒸汽压缩制冷单元(4)，其配备有蒸发器(10)和冷凝器(12)，所述第一气流(F1)旨在在离开所述焓交换器模块(Mi)之后通过所述蒸发器(10)和所述冷凝器(12)，所述系统被设计为，使得所述供热来自于所述加热单元(4)，并且优选来自于通过所述加热单元(4)的部分制冷液。
2.根据权利要求1所述的用于空气处理和空气调节的系统，其特征在于，所述系统包括次级交换器(22)，所述次级交换器(22)被设计为向所述第一气流(F1)提供所述供热。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的用于空气处理和空气调节的系统，其特征在于，所述系统包括串联布置的多个焓交换器模块(M1、M2、Mi、Mn)，所述第一气流(F1)和所述第二气流(F2)相继通过所述多个焓交换器模块(M1、M2、Mi、Mn)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的用于空气处理和空气调节的系统，其特征在于，所述系统被设计为，使得能够针对至少一个焓交换器模块(M1、M2、Mi、Mn)进行相对湿度的确定，并且使得能够至少在所述第一气流(F1)进入所述焓交换器模块中的一个之前加热所述第一气流(F1)。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的用于空气处理和空气调节的系统，其特征在于，所述控制装置(6)被构造为在所述第一气流(F1)进入所述焓交换器模块(M1、M2、Mi、Mn)中的、在模块的入口处确定的相对湿度超过预定值的各个模块之前，命令向所述第一气流(F1)供热。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的用于空气处理和空气调节的系统，其特征在于，所述系统被设计为，使得所述第一气流(F1)和所述第二气流(F2)在焓交换器模块中反向流通。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的用于空气处理和空气调节的系统，其特征在于，各焓交换器模块是防水透气膜型模块。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的用于空气处理和空气调节的系统，其特征在于，所述系统包括沿着堆叠方向(30)接连布置的几个焓交换器模块(M1、M2、Mi、Mn)，任意两个直接相邻的模块具有接触区域(34)，在接触区域(34)的两侧分别布置有气流的中间通路室(36、38)，每个中间通路室被两个模块中的一个模块的气流出口、以及两个模块中的另一个模块的气流入口部分地限定。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的用于空气处理和空气调节的系统，其特征在于，所述系统优先旨在容积内部供给冷空气，所述容积优选为建筑物(200)，所述第一气流(F1)是旨在被引入所述容积的气流，优选为外部气流，并且所述第二气流(F2)是来自所述容积内部的气流，并与在所述容积为建筑物的情况下的污染气流相对应。
10.一种用于空气处理和空气调节的方法，使用根据前述权利要求中的任一项所述的系统(100)来实现所述方法，所述方法包括：确定所述第一气流(F1)在所述焓交换器模块(Mi)的入口处的相对湿度(hri)的步骤；以及然后，当所述相对湿度(hri)超过预定值(hrr)时，在所述第一气流(F1)进入所述焓交换器模块(Mi)之前，命令向所述第一气流(F1)供热的步骤。
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