CN1873350A - 具有用于瞬时冷却和加热的模糊遗传控制的集成热泵 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新的集成热泵(IHP)，设计来用作为用于建成环境的所有瞬时热条件的所有解决方案。IHP系统可以高能效供应用于空间供冷、空间加热、水加热以及其结合。操作模式包括：1)冷却和加热；2)高冷却和低加热；3)低冷却和高加热；4)冷却；和5)加热。一种可变热交换器(VHX)根据操作模式可进行作为不是冷凝器、就是蒸发器。控制装置和算法规则系统被设计用于自动调节VHX来实现精确辅助热传递需要，以满足瞬时冷却和加热负荷。本新系统的构置能在任何两模式之间以零时间延迟转换，从而系统不论何时总是符合瞬时冷却和加热负荷。一种模糊遗传机器学习理论已发展以促进模式选择来控制IHP系统。集成热泵干燥剂除湿系统是设计来有效地除去湿气。

Description

具有用于瞬时冷却和加热的模糊遗传控制的集成热泵

技术领域

本发明涉及通过节能的集成热泵(IHP)制冷系统提供可变的冷却和加热效应。

背景技术

实际上，对于所有类型的建成环境来说，空间供冷、空间供热、以及水加热是基本的需求。蒸汽压缩循环是产生冷却和加热效应的节能方法。用于冷却和加热的独立的空气调节器和热泵各自不会生产出最佳的能量效率，因为废热被丢弃到周围环境中而没有回收。

另外，可以三种不同的模式操作传统的集成热泵，即(I)冷却和加热模式、(II)冷却模式、以及(III)加热模式，以此满足各种加热和冷却需求。在每种操作模式下，制冷系统的阀门被调整到指定的设置以此控制流过压缩机、热水器/冷凝器、膨胀阀、以及冷却器/蒸发器的制冷剂流。尽管多重操作模式可用于通用热用途，但是从一种模式到另一种模式的转换常常需要若干切断时间延迟以防止任何液态制冷剂倒流进入压缩机并导致压缩机损坏。因此，IHP操作将被中断。

此外，缺少对传统集成热泵的辅助热交换器的热流量的自动控制导致了冷却和加热的不稳定供应。当瞬时冷却和加热负荷分别与制冷循环的蒸发和过热下降/冷凝效应不匹配时，问题就会发生。在这些情况下，多余的热量可被存储在蓄热器中或者通过辅助热交换器被消散到周围环境中。有时，当蓄热器被完全充满时，或者当空间不能达到热能存储要求时，散热是唯一的选择。通常，辅助热交换器内的热传递未被调节。因此，辅助热交换器可支配整个热流量，从而导致串联的其他热水器或冷却器的热量不足。

下面列示的是现有技术的参考文献：

4,598,557        7/1986        Robinson等人

4,727,727        3/1988        Reedy

4,776,180        10/1988       Patton，Sr.等人

5,095,715        3/1992        Dudley

5,172,564        12/1992       Reedy

6,601,773        8/2003        Saitoh等人

6,837,443 B2     1/2005        Saitoh等人

发明内容

本发明的第一个目的是提供针对多种建筑类型(如民用住宅、旅馆、医院、食物加工厂等等)的空间供冷、空间供热、以及水加热所需要的可变的瞬时冷却和加热。

本发明的第二个目的是在无任何时间延迟切断约束的情况下使IHP操作的任何两种模式之间的转换成为可能。

本发明的第三个目的是提供可变热交换器(VHX)的适当控制，以使其只供应必要的辅助热流量以此寻求制冷循环所需要的冷却和加热效应之间的平衡。

本发明的第四个目的是通过选择最适当的操作模式提供IHP操作的最优化，以使加热和冷却能力的供应更好地匹配相对应的预计能量需求分布(profiles)。

本发明的第五个目的是充分利用热泵的加热和冷却效应以此在高能效下取得减湿作用。

通过由五个主要部件：压缩机、过热下降/冷凝热水器、膨胀阀、冷却器和VHX组成的集成热泵(IHP)系统可实现第一个目的。可利用五个三通阀使制冷剂流转向以此形成五个不同的制冷循环，每一个代表了IHP操作的唯一模式。取决于IHP系统的应用，系统部件能力的选择应当基于临界状态。例如，如果临界状态发生在炎热的夏季时间，则冷却器的额定值应当是供给舒适环境的充足的冷却能力。另一方面，如果临界状态发生在寒冷的冬季时间，则热水器应当能够供应充足的热水用于空间供热和水加热应用。可选择其余部件用于IHP系统完整组合的相应的兼容性。

尤其是，本发明提供了集成热泵，它包含串联的流体连接：压缩机；过热下降/冷凝热水器，其被开口通到双壁热交换器；膨胀阀；冷却器/蒸发器；其特征在于，还包含：在压缩机下游的、用于流体相通或旁路过热下降/冷凝热水器的第一三通阀；在膨胀阀上游的第二三通阀；在膨胀阀下游的、用于流体相通或旁路冷却器/蒸发器的第三三通阀；在压缩机上游的第四三通阀；连接到第二三通阀的下游以及连接到第四三通阀的上游的第五三通阀；在制冷循环中用作热源或吸热装置的可变热交换器，其一端连接到第五三通阀并在另一端连接到线路，所述线路连接了第二和第四三通阀；其中可在五种不同模式下操作集成热泵，以此通过所述三通阀供应任何瞬时冷却和加热负荷。

为了节省空间，可省略热能存储器。

五种模式如下：在冷却和加热模式(I)中，制冷剂顺序地经过过热下降/冷凝热水器、膨胀阀、冷却器/蒸发器以及压缩机；在高冷却和低加热模式(II)中，制冷剂顺序地经过过热下降/冷凝热水器、可变热交换器、膨胀阀、冷却器/蒸发器以及压缩机；在低冷却和高加热模式(III)中，制冷剂顺序地经过过热下降/冷凝热水器、膨胀阀、冷却器/蒸发器、可变热交换器以及压缩机；在只有冷却的模式(IV)中，制冷剂顺序地经过可变热交换器、膨胀阀、冷却器/蒸发器以及压缩机；在只有加热的模式(V)中，制冷剂顺序地经过过热下降/冷凝热水器、膨胀阀、可变热交换器以及压缩机。

通过特定的制冷剂管道设计可实现第二个目的，在IHP操作的任何两种模式之间的转换期间，在所述的管道中，流向压缩机入口的制冷剂总是处于蒸汽状态。应当特别注意的是当IHP从高冷却和低加热模式(II)转换至低冷却和高加热模式(III)、或者从高冷却和低加热模式(II)转换至加热模式(V)时的情形。这是因为当IHP在模式(II)下操作时，进入VHX的制冷剂可以是饱和液体的状态或者处于饱和液体和饱和蒸汽的混合状态。如果IHP转换到模式(III)或模式(V)，在VHX处的反向制冷剂流可携带饱和液体至压缩机入口，导致对压缩机的可能的损坏。当IHP的冷却和加热操作模式(I)是作为从模式(II)至模式(III)的转换之间的、或从模式(II)至模式(V)转换之间的中间操作而被执行时，这个问题就被解决了。这个中间操作仅仅持续非常短的时间段，因为VHX内的任何饱和液体制冷剂将迅速变为蒸汽。接着，可安全地将IHP操作转换至模式(III)或模式(V)。

通过使用能量表来监控冷却器、过热下降/冷凝热水器和VHX处的热流量可实现第三个目的。对于每个设备部件，能量表测量流速、水的而不是制冷剂的入口和出口温度，因为在制冷循环中制冷剂经历了相变。如果使用空气冷却的VHX，则各自对应的能量表将测量空气流速、入口和出口温度。控制算法是以主要设备部件：冷却器、过热下降/冷凝热水器、VHX和压缩机之间的热能平衡为基础的。通过调节流过VHX的水或空气获得所期望的热流量。

通过使用利用了模糊遗传最优化方案的智能控制器可实现第四个目的。IHP操作的不同模式的训练数据被用于模糊分类器系统，以此通过基于最优化处理的遗传算法生成一组模糊规则。习得的模糊规则形成了知识库，其用来确定IHP操作的最佳模式。

通过使用干燥剂除湿轮连同IHP系统可实现第五个目的。通过IHP冷却器或蒸发器，湿处理空气首先被预冷却以此去掉显热从而在无冷凝的情况下达到露点状态。在更高的相对湿度下，预冷却空气中的湿气可更有效地被干燥剂材料所吸收。在没有任何潜热的情形下，IHP系统的冷却效果只用来去掉显热。此外，从处理空气中提取的热量被充分用于干燥剂材料的复原。因此，IHP除湿处理是非常节能。

附图说明

图1示出的是本发明的IHP制冷系统；

图2示出的是冷却和加热模式(I)的制冷循环；

图3示出的是高冷却和低加热模式(II)的制冷循环；

图4示出的是低冷却和高加热模式(III)的制冷循环；

图5示出的是冷却模式(IV)的制冷循环；

图6示出的是加热模式(V)的制冷循环；

图7示出的是为VHX控制而安装的热能表；

图8示出的是用于IHP控制的基于规则的分类器系统的结构；

图9示出的是用于分类器系统的遗传学习循环；

图10示出的是用于分类器系统的第二级训练；

图11为集成热泵干燥剂除湿系统设计。

具体实施方式

图1的IHP系统在其最高能效时操作，此时它是在图2所示的冷却和加热模式(I)下操作的。冷凝温度超过60℃以便产生50℃的瞬时热水。图2示出了三通阀8、9、10、11和12的设置。蒸发的制冷剂大约在0℃左右，并且离开蒸发器的冷供水被维持在8℃。可用的冷却COP和加热COP分别约为3和4，从而导致整个COP近似等于7。

当水加热需求下降时，比如在热蓄水几乎装满时，冷却效应将会因此被降低，因为在完整的制冷循环中热传输被保存。为了在减少加热负荷的同时维持相同的冷却效应，借助于VHX 5将吸热装置添加到制冷循环。这个操作是图3所示的高冷却和低加热模式(II)。应当调节吸热装置以使冷却和加热负荷可被同时满足。以制冷循环中的能量守恒为基础可得出控制算法，

$\mathrm{inCp}(T_o-T_i){|}_c+\mathrm{inCp}(T_o-T_i){|}_{\mathrm{wh}}+\mathrm{inCp}(T_o-T_i){|}_{\mathrm{VHX}}+\mathrm{in}(h_{\mathrm{co}}-h_{\mathrm{ci}}){|}_r=0,---\left(1\right)$

其中，

q＝每单位流体质量的热增量(kJkg^-1)

h＝焓(kJkg^-1)

下标，

c＝冷却器中的水或空气

wh＝热水器中的水

VHX＝可变热交换器中的水或空气

r＝制冷剂

co＝压缩机的出口

ci＝压缩机的入口

通过方程(1)可获得VHX需要的热流量和精确的流速。如图7所示，热能表13由两个热电偶14和15以及一个流量表16组成。冷却器、热水器、VHX以及压缩机中的每一个被装配了热能表用来测量方程(1)中的参数。

在对水加热的要求相对高于对冷却的要求时，对于加热应用的吸收的热量VHX将充当额外的蒸发器。在如图4所示的这个高冷却和低加热模式(III)中，以前面段落所述的相同的方式调节VHX。

如果只需要冷却，则VHX将作为如图5的模式(IV)中的冷凝器来操作。制冷剂将在40℃左右被冷凝以此向周围环境排泄热量。隔离热水器的制冷电路以此防止从热水到制冷剂的任何不想要的热传递。

如果只需要加热，则VHX将作为如图6的模式(V)中的蒸发器来操作。制冷剂将在10℃左右蒸发以此从周围环境中获取热量。隔离冷却器的制冷电路以此防止从制冷剂到冷水或冷却空气的任何不想要的热传递。

在不同时刻对IHP的不同操作模式的选择由基于模糊规则的分类器系统来确定，基于模糊规则的分类器系统是利用适当的离线训练数据在两级遗传算法优化器的基础上发展起来的。图8示出了分类器系统的结构，图9示出了用于分类器系统的遗传学习循环。

最初，应用第一级遗传学习算法。如果训练结果不完全令人满意，则可进行第二级学习，如图10所示，其中由于使用了减少的操作模式数而使分类可被精炼。

除了加热和冷却应用，IHP系统还可有效地支持节能的干燥剂除湿。图11示出了IHP干燥剂除湿系统。湿空气20首先被IHP冷却器或蒸发器18预冷却，以此去掉显热从而在无冷凝的情况下达到露点状态。接着，在露点温度下的预冷却空气21经过干燥剂轮17并且作为除湿空气21而退出。通过IHP冷却器或蒸发器18从湿空气20中提取的热量被用来加热IHP加热器或冷凝器19处的复原空气23。经过干燥剂轮17的热空气24将逐出干燥剂材料中的湿气。最后，湿热空气25被排到外部环境中。

Claims (6)

1.一种集成热泵，串联流体连接地包含：

压缩机(1)；

过热下降/冷凝热水器(2)，其被开口通到双壁热交换器；

膨胀阀(3)；

冷却器/蒸发器(4)；

其特征在于，还包含：

第一三通阀(8)，位于所述压缩机(1)的下游，用于流体相通或旁路所述过热下降/冷凝热水器(2)；

第二三通阀(9)，位于所述膨胀阀(3)的上游；

第三三通阀(10)，位于所述膨胀阀(3)的下游，用于流体相通或旁路所述冷却器/蒸发器(4)；

第四三通阀(12)，位于所述压缩机(1)的上游；

第五三通阀(11)，连接到所述第二三通阀(9)的下游以及连接到所述第四三通阀(12)的上游；

可变热交换器(5)，在所述制冷循环中用作热源或吸热装置，其一端连接到所述第五三通阀(11)并在另一端连接到线路，所述线路连接所述第二和第四三通阀(9、12)；

其中所述集成热泵可以五种不同模式操作，以此通过所述三通阀(8、9、10、11、12)提供任何瞬时冷却和加热负荷。

2.如权利要求1所述的集成热泵，可省略热能存储器以便节省空间。

3.如权利要求1所述的集成热泵，所述五种模式如下：

在冷却和加热模式(I)中，制冷剂顺序地经过所述过热下降/冷凝热水器(2)、所述膨胀阀(3)、所述冷却器/蒸发器(4)以及所述压缩机(1)；

在高冷却和低加热模式(II)中，制冷剂顺序地经过所述过热下降/冷凝热水器(2)、所述可变热交换器(5)、所述膨胀阀(3)、所述冷却器/蒸发器(4)以及所述压缩机(1)；

在低冷却和高加热模式(III)中，制冷剂顺序地经过所述过热下降/冷凝热水器(2)、所述膨胀阀(3)、所述冷却器/蒸发器(4)、所述可变热交换器(5)以及所述压缩机(1)；

在只有冷却的模式(IV)中，制冷剂顺序地经过所述可变热交换器(5)、所述膨胀阀(3)、所述冷却器/蒸发器(4)以及所述压缩机(1)；以及

在只有加热的模式(V)中，制冷剂顺序地经过所述过热下降/冷凝热水器(2)、所述膨胀阀(3)、所述可变热交换器(5)以及所述压缩机(1)。

4.如权利要求1所述的集成热泵，其使得在无时间延迟切断需求的情况下任何两种操作模式之间的快速转换成为可能。

5.如权利要求1所述的集成热泵，包含智能控制器，所述智能控制器以两级模糊遗传最优化算法为基础，其可被训练以学习模糊分类规则并用来确定最适当的IHP操作模式，以使加热和冷却能力的供应最好地匹配相对应的预计能量需求分布。

6.如权利要求1所述的集成热泵，包含IHP干燥剂除湿系统，其可有效地执行节能的除湿处理。

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