CN106796040A - 直接膨胀式空气调节系统 - Google Patents

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Abstract

一种空气调节系统，该空气调节系统能够通过下述方式来处理调节空间：处理来自调节空间外部的室外空气并处理从调节空间内部返回的空气，并且将室外空气与返回的空气混合，以形成用于调节空间的供给空气，空气调节系统包括：室外空气潜热冷却处理级段和返回空气显热冷却处理级段；以及空气混合器，空气混合器用于将室外空气与返回空气混合以形成调节空间供给空气，其中，室外空气潜热冷却处理级段包括除湿蒸发器，并且返回空气显热冷却处理级段包括显热蒸发器，两个蒸发器均联接至直接膨胀式制冷回路，并且其中，除湿蒸发器热容量响应于调节空间湿度被调节，并且显热蒸发器热容量响应于调节空间干球温度被调节。

Description

直接膨胀式空气调节系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年9月1日提交的澳大利亚临时专利申请2014903479的优先权，该文献的内容通过参引并入本文。
技术领域
本发明涉及一种改进的空气调节系统，特别是直接膨胀式空气调节系统，其中，供给至调节空间的空气由供给有制冷剂的蒸发器直接冷却。
背景技术
传统的空气调节设计理论在1990年代由于后来的Allan Shaw博士开发的一系列创新思想而受到挑战。这些思想以Shaw博士的澳大利亚专利728987中描述的空气调节控制系统而达到顶峰。该专利及其描述的系统现在由本申请人拥有并且在本说明书中将之称为“Shaw系统”。
Shaw系统是并行操作空气调节功能以分离处理潜热负荷(通常以从室外空气去除水分)和显热负荷(通常是干燥的内部空气)的过程的系统。Shaw系统与常规空气调节过程的不同之处在于，不是抽取未处理的室外空气、然后在总空气调节系统内对其进行冷却，而是在与通常已经通过第二热交换器冷却的通常是干燥(处理或未处理)的内部空气合并之前，通过单独的第一室外空气热交换器对进入的室外空气进行预处理(除湿和冷却)。两个空气流合并，然后输送到调节空间。
此外，Shaw系统包括使相同的冷却介质流(通常为水)通过串联的两个热交换器以使效率最大化。
因此，Shaw系统描述了配置成一个制冷回路的两个蒸发器盘管的宽泛概念。然而，澳大利亚专利728987中的制冷回路的操作方法的描述仅简要概念化。
本发明的目的是增强Shaw系统，特别是通过提供更清楚地允许在直接膨胀式空气调节系统中采用Shaw系统的改进的制冷部件和控制方法，以及结合附加的能效部件和控制方法。
尽管如此，本发明还旨在提供一种空气调节系统，该空气调节系统非常适于允许符合与建筑物中的通风舒适性相关的建筑标准，同时将建筑物的能量使用降低到期望的低水平。
在这方面，越来越重要的是使用足够比例的外部空气来为建筑物的居住者提供健康和舒适的环境。事实上，将建筑物中CO2水平维持在不健康和危险水平以下的要求越来越多地通过当地建筑规范和标准在各国实施。一个例子是ASHRAE 62标准的标准62.1，标题为“商业、机构和高层住宅建筑中的通风和可接受的室内空气质量”。
然而，诸如通过以更大程度或更长时间打开气闸而使用更高比例的外部空气(以有助于实现符合建筑物中的CO2水平维持在不健康和危险水平以下)，通常需要在空气调节系统中使用更高的能量，特别是当环境条件包括更高温度或更高湿度水平时。在建筑物业主也面临减少总体能量使用的压力的时候，与外部空气适当通风与低能量使用之间的这种冲突正在推动改进的空气调节系统的发展。
在转向本发明的内容之前，必须理解，现有技术的上述描述仅仅作为背景来提供，以解释本发明的来龙去脉。它不应视为承认所提及的任何材料是出版的或已知的，或者是澳大利亚或其他地方的公知常识的一部分。
发明内容
本发明提供一种空气调节系统，空气调节系统能够通过下述方式来处理调节空间：处理来自调节空间外部的室外空气并处理从调节空间内部返回的空气，并且将室外空气与返回的空气混合以形成用于调节空间的供给空气，该空气调节系统包括：
·室外空气潜热冷却处理级段和返回空气显热冷却处理级段，以及
·空气混合器，空气混合器用于将室外空气与返回空气混合以形成调节空间供给空气；
其中，室外空气潜热冷却处理级段包括除湿蒸发器，并且返回空气显热冷却处理级段包括显热蒸发器，两个蒸发器均联接至直接膨胀式制冷回路，并且其中，除湿蒸发器热容量响应于调节空间湿度被调节，并且显热蒸发器热容量响应于调节空间干球温度被调节。
在本发明的一种形式中，两个蒸发器将并联配置，以便单独处理室外空气和返回空气。在本发明的另一种形式中，两个蒸发器将串联配置，使得室外空气由除湿蒸发器处理，然后经处理的室外空气与未经处理的返回空气混合，经混合的空气流由显热蒸发器处理。在优选布置中，蒸发器并联配置，这将是在下面的描述中大体描述的配置。
除湿蒸发器向用于对调节空间进行通风的室外空气提供潜热冷却。在优选形式中，空气由系统供给空气风扇引起，并且空气流量通过自动气闸调节，由优选地包括二氧化碳、干球和湿度感测的内含的环境空气传感器和差压传感器测量环境体积空气流量。通过除湿蒸发器的液体制冷剂流优选地通过自动截止阀和计量阀由蒸发器调节。
显热蒸发器向调节空间返回空气提供显热冷却。在优选形式中，空气再次由系统供给空气风扇引起，供给空气流量由联接至供给空气风扇的可变频率驱动器调节，返回体积空气流量由优选地包括二氧化碳、干球和湿度感测的内含的返回空气传感器以及差压传感器进行测量。再次优选地通过自动截止阀和计量阀由蒸发器调节通过显热蒸发器的液体制冷剂流。
因此，本发明提供了通过保持与调节空间通风相关联的气流与抵消调节空间的显热负荷所需的气流分离来控制调节空间内的干球温度和湿度的机会。在根据本发明的系统中，使用室外空气是有利且重要的，使用室外空气对于维持建筑物中的通风舒适性而言是理想的，但对于空气调节系统的能量使用通常是有问题的。
在这方面，由于建筑物在将所占用的空间与环境条件隔离方面变得更有效，所以潜热冷却与显热冷却的比率之间的关系增加，通常导致建筑物内的湿度增大，从而对居住者造成不适。除此之外，常规的直接膨胀式制冷空气调节系统的部分负荷操作优先地满足潜热负荷的部分负荷操作，由此增强了居住者对在调节空间内的湿度增大带来的不适的可能性。另一方面，本发明提高了制冷部件的复杂程度，使得潜热冷却能力可以与显热冷却能力分开调节，从而更容易满足空间的舒适条件。
本发明的系统还可以包括储存能够转变的制冷剂的液体制冷剂接收器，该液体制冷剂接收器优选地能够提供通过系统的液体流的储存和调节。理想地，液体制冷剂接收器能够执行至少一些(来自制冷剂的压缩机油的)油分离，并且还将有助于确定所需的压缩机制冷剂质量流率以满足系统负荷，以实现通过系统的制冷剂和油的增强的流动。在优选形式中，液体制冷剂接收器包括液位感测、自动压力平衡阀和自动回油阀。
理想地，液体制冷剂接收器还能够提供更大的制冷剂质量充填，降低过量气体压缩比的可能性，并且通过其用作油分离器来提高蒸发器热传递效率。本发明优选地包括两级式制冷剂油分离系统，两级式制冷剂油分离系统减少通过系统的油流，这增大了蒸发器热传递效率，从而减小了蒸发器的潜在物理尺寸并且改进了制冷剂计量阀的性能以更接近容量输送以抵消所存在的热负荷。
理想地，这种两级式制冷剂油分离系统将包括第一级热气体(油)分离器和第二级冷却液体(油)分离器，在优选形式中，第二级冷却液体(油)分离器由液体制冷剂接收器提供。在该形式中，两个分离器通过吸入气体制冷剂使分离的油返回到压缩机。在这方面，在小空间、空气冷却、直接膨胀式空气调节系统中减少容量的液体接收装置的传统使用(或者完全省略这种装置)减少了系统内的制冷剂质量，使得质量充填(charge)对于系统的性能更重要并且提高了系统随时间的能量效率。
因此，本发明不仅通过包括双蒸发器而提供对潜热和显热容量输送的相对独立控制，而且本发明还通过包含液体制冷剂接收器及将其优选地用作第二级油分离器，而通过对由空间负荷确定的流过压缩机的制冷剂质量流量的单独控制，来提高与系统内液体制冷剂的体积使用有关的容量输送的可变性。在这方面，应当理解，本发明理想地基于蒸发器负荷而不是吸入气体的品质来计量制冷剂质量流。这允许吸入气体以更高的过热率返回到压缩机，从而增强制冷剂质量流制冷效果。
本发明优选地还利用制冷剂温度感测来提供有关来自环境干球温度的冷却潜力(potential)和用于液体制冷剂亚冷却(sub cooling)的潜力的热排散，以从来自环境湿球温度的冷却潜力增强制冷效果。在优选形式中，本发明的系统包括亚冷却热交换器(sub-cool heat exchanger)，以将热量排散到局部环境空气中，从而使液体制冷剂亚冷却。在一种形式中，亚冷却热交换器可以包括绝热预冷却介质或渐进性间接绝热冷却过程，以及用于使空气移动通过冷凝器的风扇、制冷剂温度传感器和用于对风扇的质量流率进行调节的可变性能驱动器。
本发明的系统的制冷效果可以通过从潜热冷却负荷回收能量以使排散热量过度冷却(super cool)以接近蒸发器工作温度而进一步增强。进入蒸发器的液体制冷剂的温度的降低增强了潜在的制冷效果，从而导致压缩机质量流率降低。在这方面，本发明的系统还可以包括用于捕获和利用潜热冷却冷凝物以重新获得与潜热冷却过程相关联的能量的系统，优选地呈过度冷却热交换器的形式，以利用从室外空气潜热冷却处理级段的除湿蒸发器收集的冷凝物而使液体制冷剂过度冷却。
因此，本发明的系统理想地提供三级式热排散过程，其包括环境冷凝器、亚冷却热交换器和过度冷却热交换器(super-cool heat exchanger)，以实现对循环制冷剂质量流率的增强的制冷效果。使用这种三级式热排散过程有助于提高从亚冷却液体低压转变为过热气体的制冷效果潜力的利用，其中，该三级式热排散过程包括由空间湿度传感器确定的由系统潜热冷却负荷引起的过度冷却、以及消除压缩机吸入条件与制冷剂流率的直接管理之间的关系。
此外，通过优选使用负荷和排出压力的干球温度、湿球温度和吸入温度过度冷却控制所确定的蒸发器温度和吸入过热，在减小压缩比率的情况下看到了所导致的制冷效果的增加。这降低了进行制冷剂压缩所需的能量，从而提高压缩机的制冷性能系数。
在转向根据上述广义描述的直接膨胀式空气调节系统的优选实施方式的更详细描述之前，因此将理解，本发明的系统提供对调节空间的冷却，该调节空间管理干球温度和水分含量，以提高居住者舒适度。
在上述一种优选形式中，系统理想地利用环境干球、环境蒸气压力和回收空间潜热冷却以降低与低压膨胀相关的冷凝温度，从而延长压缩机质量流率的制冷效果。
在上述另一优选形式中，系统替代性地或附加地利用液体接收器来从可变热负荷要求中分离压缩机质量流，从而降低压缩机排放压力并且允许提高在蒸发器内制冷剂气体过热的利用。
在上述又一优选形式中，系统替代性地或附加地利用两级式压缩机油分离过程以增强冷凝器和蒸发器的热传递，并且替代地或另外地利用环境和调节空间传感器来调节室外用于舒适的空气的引入速率和供给空气循环的速率以向空间输送冷却。
在根据本发明的直接膨胀式空气调节系统中采用这些优选形式中的一些形式或全部形式减少了与为调节空间的居住者提供所需水平的舒适性和舒适性(特别是关于通风)相关联的能量消耗。
附图说明
已经简要描述了本发明涉及的一般概念，现在将描述根据本发明的直接膨胀式空气调节系统的优选实施方式。然而，应当理解，以下描述并不限制上述描述的一般性。
具体实施方式
在附图中，图1是根据本发明的直接膨胀式空气调节系统的优选实施方式的流程图。为了便于理解，以下描述将首先提供图1的流程图的总体概述，随后是流程图的不同元件的更详细的解释(在表中)。
一般来说，图1的流程图中所示的是直接膨胀式空气调节系统，其中，来自调节空间O的返回空气Y与室外空气X(用于通风)分别地(并且因此并行地)进行湿度处理以实现潜热冷却和显热冷却的独立控制。在返回空气Y和室外空气X的这种分别处理之后，然后将两种空气流混合，以提供要被输送到调节空间O的单个调节空间供给空气流Z。
对于返回空气流Y的冷却过程主要是显热冷却，该显热冷却在本实施方式中表示的返回空气显热冷却处理级段中由置于返回空气流Y中的显热蒸发器H进行。对于室外空气流X的冷却过程主要是潜热冷却，该潜热冷却在本实施方式中表示的室外空气潜热冷却处理级段中通过置于室外空气流X中的除湿蒸发器G进行。
如将在优选实施方式中的各种部件的以下表格式描述中概述的那样，除湿蒸发器G的热容量响应于期望的调节空间湿度设定点以及来自该设定点的负荷驱动变化来进行调节。此外，显热蒸发器H的热容量响应于期望的调节空间干球温度设定点，以及来自该设定点的负荷驱动变化来进行调节。
下表(表1)提供了对图1的流程图中所示的各种元件的更详细的解释：
表1-图1中部件的识别
应当理解，上面的表1描述了构成优选实施方式的物理形式的不同的空气调节部件。下表(表2)描述了形成优选实施方式的控制的基础的逻辑算法。
【表2开始于第12页】
表2-用于控制图1中的部件的逻辑算法
从表1和表2可以理解，使用蒸发器来单独管理空间干球和空间湿度增强了居住者舒适性，而响应于空间负荷条件使用控制算法调节通入到蒸发器的液体制冷剂增大了蒸发器热传递能力的利用，以增强循环制冷剂质量流的制冷效果。此外，亚冷却器和过度冷却器在热消耗冷凝过程中的优选使用增强了循环制冷剂质量流的制冷效果并且降低了压缩机排出压力，并且液体制冷剂感测的优选使用消除压缩机排出压力与压缩机吸入压力的体积依赖性。
结合液体制冷剂计量阀和吸入气体设定点管理的优选使用，采用以所述方式配置的这些部件使得蒸发器能够在更高的饱和温度下操作，从而降低用于产生增强的制冷效果的压缩机压力提升要求。
此外，为提供通风舒适性和空间舒适性，响应于反馈信号的室外空气流量和供给空气流量的体积计算的优选使用减少热负荷和空气循环能量消耗。
本领域技术人员将理解，除了具体描述的那些之外，可以存在变化和修改。应当理解，本发明包括所有这样的变化和修改。本发明还包括单独地或共同地提及或在本说明书中指出的所有部件、步骤、功能和特征，以及那些部件、步骤、功能和特征中的任何两个或更多个的任意组合和所有组合。

Claims (12)

1.一种空气调节系统，所述空气调节系统能够通过下述方式来处理调节空间：处理来自调节空间外部的室外空气并处理从所述调节空间内部返回的空气，并且将所述室外空气与所述返回的空气混合以形成用于所述调节空间的供给空气，所述空气调节系统包括：
·室外空气潜热冷却处理级段和返回空气显热冷却处理级段，以及
·空气混合器，所述空气混合器用于将室外空气与返回空气混合以形成所述调节空间的供给空气；
其中，所述室外空气潜热冷却处理级段包括除湿蒸发器，并且所述返回空气显热冷却处理级段包括显热蒸发器，所述除湿蒸发器和所述显热蒸发器两者均联接至直接膨胀式制冷回路，并且其中，除湿蒸发器热容量响应于调节空间的湿度被调节，并且显热蒸发器热容量响应于调节空间的干球温度被调节。
2.根据权利要求1所述的空气调节系统，包括储存能够转变的制冷剂的液体制冷剂接收器。
3.根据权利要求2所述的空气调节系统，其中，所述液体制冷剂接收器提供液体制冷剂和压缩机油的储存和分离，用于通过所述系统进行独立管理。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的空气调节系统，其中，所述液体制冷剂接收器包括液位感测、自动压力平衡阀和自动回油阀。
5.根据权利要求1所述的空气调节系统，包括两级式制冷剂油分离系统。
6.根据权利要求5所述的空气调节系统，包括第一级热气体(油)分离器和第二级冷却液体(油)分离器。
7.根据权利要求6所述的空气调节系统，其中，所述第二级冷却液体(油)分离器由储存能够转变的制冷剂的液体制冷剂接收器提供。
8.根据权利要求1所述的空气调节系统，包括亚冷却热交换器，所述亚冷却热交换器用于将热排散到室外空气中以使液体制冷剂亚冷却。
9.根据权利要求8所述的空气调节系统，其中，所述亚冷却热交换器包括绝热预冷却介质或渐进性间接绝热冷却过程。
10.根据权利要求9所述的空气调节系统，其中，所述亚冷却热交换器还包括用于使空气移动通过冷凝器的风扇、制冷剂温度传感器以及用于对所述风扇的质量流率进行调节的可变性能驱动器。
11.根据权利要求1所述的空气调节系统，包括过度冷却热交换器，所述过度冷却热交换器用于利用从所述除湿蒸发器收集的冷凝物而使液体制冷剂过度冷却。
12.根据权利要求1至4中的任一项所述的空气调节系统，包括三级式热排散过程，所述三级式热排散过程包括环境冷凝器、亚冷却热交换器和过度冷却热交换器。
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