ES2342662T3 - Sistema de aire acondicionado con gestion de carga refrigerante. - Google Patents
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Abstract
Un método para controlar un sistema de aire acondicionado (20) que tiene al menos una unidad exterior (24) con un conjunto de serpentín exterior (26) y una pluralidad de unidades interiores (32, 34, 36, 38) que incluye, cada una, un conjunto de serpentín interior en el que circula selectivamente fluido refrigerante entre la unidad exterior y cada una de las unidades interiores, que comprende las etapas de: activar la unidad exterior (24); y activar al menos una de las unidades interiores (32, 34, 36, 38); y caracterizado por las etapas de: determinar si un nivel de carga del fluido refrigerante en la parte del sistema que incluye la unidad interior activada (32, 34, 36, 38) está a un nivel deseable; y ajustar una cantidad de flujo de fluido refrigerante entre la unidad exterior (24) y al menos una unidad interior inactiva (32, 34, 36, 38) para situar por ello el nivel de carga más cerca del nivel deseable.
Description
Sistema de aire acondicionado con gestión de
carga refrigerante.
Esta invención se refiere, de modo general, a
sistemas de aire acondicionado que proporcionan una función de
calentamiento. Más particularmente, esta invención se refiere a
sistemas de aire acondicionado que tienen múltiples unidades
interiores en comunicación de fluido con una unidad exterior para
proporcionar calor a una pluralidad de habitaciones o secciones
dentro de un edificio.
Los sistemas de aire acondicionado en edificios
adoptan una variedad de formas. La mayoría de los sistemas tienen
una unidad exterior con un compresor y un conjunto de serpentín. Las
unidades interiores pueden ser una única unidad que tiene un
conjunto de ventilador y un conjunto de serpentín. Otros sistemas
tienen múltiples unidades interiores, cada una con sus propios
conjuntos de ventilador y serpentín.
Algunos sistemas de aire acondicionado son
capaces de proporcionar frío con temperaturas cálidas y calor con
temperaturas exteriores más frías. Cuando múltiples sistemas de
unidad interior ("sistemas múltiplex") proporcionan una
función de calentamiento, es deseable controlar la cantidad de la
carga de refrigerante dentro del sistema. Bajo ciertas
circunstancias, no todas las unidades interiores tienen que
funcionar para calentar adecuadamente las diversas zonas de un
edificio y, por lo tanto, parte del sistema global está inactivo.
Bajo tales circunstancias, es posible que el nivel de la carga de
refrigerante llegue a ser indeseablemente alto o indeseablemente
bajo, dentro de la parte activa del sistema. El funcionamiento del
sistema puede verse perjudicado cuando hay demasiado refrigerante,
o demasiado poco, dentro de la parte activa del sistema (es decir,
la parte del sistema que incluye las unidades interiores que se
están calentando realmente). Cuando hay demasiado refrigerante
dentro de la parte activa del sistema, se pueden presentar
presiones de descarga excesivamente altas. Cuando hay demasiado
poco refrigerante en la parte activa del sistema, existe típicamente
una pérdida de capacidad de calentamiento y la posibilidad mayor de
una formación de hielo sobre el serpentín de la unidad exterior.
Un intento de gestión de la carga de
refrigerante en la parte activa de dicho sistema es incluir válvulas
de cierre aguas arriba de las unidades interiores. Cuando no se
requiere que una unidad interior particular esté activa, la válvula
de cierre corta el flujo de refrigerante desde la unidad exterior
hasta la unidad o unidades interiores inactivas. Mientras que este
enfoque es útil, tiene la deficiencia de requerir tiempo adicional
de carga en las unidades interiores cuando necesitan finalmente un
calentamiento. Otro inconveniente de este enfoque es que el flujo
reducido a través del sistema global aumenta la presión en las
conducciones activas y hace que el aire más caliente sea descargado
por las unidades interiores activas, lo que puede proporcionar un
calentamiento no uniforme dentro de un espacio del edificio y un
funcionamiento ineficiente del sistema.
El documento de EE.UU. número 5.161.388 describe
un aparato multisistema de aire acondicionado en el que la unidad
exterior está conectada a una pluralidad de unidades interiores. Las
reivindicaciones están caracterizadas por esta descripción.
Existe una necesidad de un enfoque de gestión
más eficiente de la carga de refrigerante en sistemas múltiplex de
aire acondicionado que proporcionan calor a un espacio del edificio.
Esta invención cubre dicha necesidad, puesto que evita las
deficiencias y los inconvenientes de enfoques de la técnica
anterior.
En términos generales, de acuerdo con la
presente invención se proporciona un método según la reivindicación
1. En un aspecto adicional, de acuerdo con la presente invención se
proporciona un sistema según la reivindicación 10. Al menos en
realizaciones preferentes, el método y el sistema son para controlar
el nivel de la carga de refrigerante dentro de un sistema de aire
acondicionado que tiene una unidad exterior y múltiples unidades
interiores, en el que las unidades interiores se pueden controlar
individualmente de manera que no todas ellas están necesariamente
activas al mismo tiempo.
Un sistema diseñado según esta invención incluye
una unidad exterior que tiene un compresor y un conjunto de
serpentín. Una pluralidad de unidades interiores están situadas
dentro de un edificio, incluyendo cada una su propio conjunto de
ventilador y serpentín. Unas conducciones de suministro y retorno
conectan la unidad exterior a las unidades interiores. Un
dispositivo de control de flujo vigila la cantidad de flujo de
fluido de retorno desde las unidades interiores hasta la unidad
exterior. Un controlador vigila el dispositivo de control de flujo
para variar selectivamente la cantidad de refrigerante que circula
aguas abajo desde cualquier unidad interior inactiva de manera que
el nivel total de la carga de refrigerante en la parte activa del
sistema está controlado dentro de niveles deseables.
Cada una de las conducciones de retorno desde
las unidades interiores incluye una válvula moduladora de expansión.
Un controlador vigila cada una de las válvulas para controlar una
cantidad de fluido refrigerante que vuelve desde las unidades
interiores hasta la unidad exterior y la parte activa del
sistema.
Un método de esta invención incluye determinar
cuándo el nivel de la carga de refrigerante en la parte activa del
sistema está fuera de un intervalo deseable. Se permite que el
fluido refrigerante entre en todas las unidades interiores, incluso
en las que están inactivas en algún momento dado. La cantidad de
flujo de fluido que vuelve desde las unidades inactivas está
controlada para vigilar por ello la cantidad de nivel de la carga
de refrigerante en la parte activa del sistema.
Cuando la carga de refrigerante en la parte
activa del sistema es demasiado baja, se permite un flujo aumentado
de retorno desde las unidades inactivas. Cuando el nivel de la carga
de refrigerante en la parte activa del sistema es demasiado alto,
se almacena eficazmente fluido refrigerante en las unidades
inactivas durante al menos algún periodo de tiempo.
Las diversas características y ventajas de esta
invención resultarán evidentes para los expertos en la técnica a
partir de la siguiente descripción detallada de las realizaciones
actualmente preferentes. Los dibujos que acompañan a la descripción
detallada se pueden describir brevemente como sigue.
La figura 1 ilustra de manera esquemática un
sistema diseñado según esta invención.
La figura 2 ilustra de manera esquemática, con
algo más de detalle, partes seleccionadas de la realización de la
figura 1.
La figura 3 ilustra una disposición alternativa
a la mostrada en la figura 2.
Un sistema de aire acondicionado 20 proporciona
control de temperatura dentro de un edificio 22. Una unidad
exterior 24 incluye un conjunto de serpentín 26 y un compresor 28.
Un controlador 30 vigila el funcionamiento de la unidad exterior y
supervisa los datos relativos a condiciones del sistema global 20.
Por conveniencia en la ilustración, el controlador 30 está mostrado
de manera esquemática como parte de la unidad exterior 24, no
obstante, el controlador puede estar situado en cualquier posición
adecuada dentro del edificio 22, siempre que la señal y la
comunicación de potencia apropiadas estén disponibles para las
partes correspondientes del sistema 20.
Una pluralidad de unidades interiores 32, 34, 36
y 38 incluyen, cada una, su propio conjunto de ventilador y
serpentín. Cada una de las unidades interiores es responsable de que
la temperatura esté según se requiera dentro de una habitación o
sección particular del edificio 22. Cada una de las unidades
interiores está en comunicación con la unidad exterior a través de
una conducción 40 de suministro de fluido y una conducción de
retorno 42.
Preferentemente, el sistema 20 es capaz de
proporcionar enfriamiento o calentamiento a las zonas dentro del
edificio 22. La descripción siguiente se concentra en el sistema 20
que funciona en un modo de calentamiento.
Como se puede apreciar en la figura 2, que
muestra las unidades interiores 32 y 38 como ejemplos de la
pluralidad de unidades interiores, el refrigerante circula desde el
compresor 28 a través de la conducción de suministro 40 hasta las
unidades interiores. En este ejemplo, cada una de las unidades
interiores tiene una conducción de retorno 42 específica,
respectivamente. Una válvula moduladora de expansión 50A está
dispuesta en la conducción de retorno 42A para controlar
selectivamente la cantidad de refrigerante que circula aguas abajo
desde las unidad interior 32 de vuelta a la unidad exterior 24. De
modo similar, una válvula moduladora de expansión 50B está
dispuesta en la conducción de retorno 42B. Aunque se utilizan
válvulas de expansión moduladoras en este ejemplo, cualquier otra
disposición de válvulas disponible comercialmente, que incluya
control selectivo de flujo, se puede utilizar en relación con un
sistema diseñado según esta invención.
Cuando la unidad interior 32 está activa o
encendida, proporcionando calor a la parte asociada del edificio
22, al menos la parte del sistema que incluye la unidad interior 32,
la unidad exterior 24 y todas las conducciones de comunicación de
fluido entre las mismas puede ser considerada la parte "activa"
del sistema. Suponiendo que la parte del edificio 22 que es
calentada mediante la unidad interior 38 ya está a una temperatura
deseada (controlada por un termostato, por ejemplo) la unidad
interior 38 está apagada o inactiva (es decir, el ventilador está
apagado). Por lo tanto, la unidad interior 38 y las conducciones de
comunicación de fluido entre la unidad exterior 24 y la unidad
interior 38 se puede decir que son la parte "inactiva" del
sistema 20.
Aunque la unidad interior 38 esté apagada, se
permite preferentemente que algo de refrigerante entre en la unidad
38. Por lo tanto, una pequeña cantidad predeterminada de
refrigerante se condensará en la unidad inactiva 38. En
consecuencia, la válvula moduladora de expansión 50B se ajusta
preferentemente de manera que la misma cantidad de refrigerante que
se condensa en la unidad inactiva 38 se devuelve a la parte activa
del sistema 20.
En el momento en que haya demasiado refrigerante
en la parte activa del sistema, es deseable almacenar más
refrigerante en la unidad inactiva 38. Esto se consigue reduciendo
el flujo que se permite a través de la válvula moduladora de
expansión 50B. En estas circunstancias, se permite que más
refrigerante se mantenga o sea almacenado en la unidad inactiva 38,
y la temperatura del fluido en la unidad inactiva 38 está bastante
por debajo de la temperatura de descarga saturada del compresor 28
(o sistema activo). Estas condiciones de funcionamiento se
mantienen preferentemente hasta que el nivel de carga en la parte
activa del sistema entra en un intervalo aceptable.
Cuando el controlador 30 determina que hay
demasiado poco refrigerante en la parte activa del sistema, la
válvula moduladora de expansión 50B se abre preferentemente para
aumentar la cantidad de refrigerante que circula de vuelta a la
parte activa del sistema desde la unidad inactiva 38.
Aunque solamente se ilustran dos de las unidades
interiores en la figura 2, el flujo de refrigerante desde una
pluralidad de unidades inactivas puede estar controlado
selectivamente por diversas secuencias o maneras para conseguir el
régimen deseado de retorno de refrigerante hasta la parte activa del
sistema desde las unidades inactivas. La estrategia particular para
controlar las válvulas de expansión 50 puede ser según se requiera
para resultar adecuada a las necesidades particulares de una
situación dada. Los expertos en la técnica, que tienen el beneficio
de esta descripción, serán capaces de darse cuenta de lo que
funciona mejor para el sistema particular al que se enfrentan.
En el ejemplo de la figura 3, se incluye una
modificación comparada con la de la figura 2. En la ilustración de
la figura 3, las válvulas de solenoide 52A y 52B están dispuestas en
las conducciones de suministro 40A y 40B, respectivamente. Las
válvulas de solenoide pueden estar controladas para regular la
cantidad de fluido que entra en las unidades inactivas. Esto puede
ser útil, por ejemplo, en situaciones en las que una de las
unidades inactivas está a una presión de saturación, mientras que
otra unidad inactiva puede seguir siendo capaz de almacenar
refrigerante en exceso desde la parte activa del sistema, según sea
necesario.
Un modo de determinar el nivel de la carga de
refrigerante dentro del sistema 20 incluye supervisar el
sobrecalentamiento de aspiración del compresor de la unidad
exterior 24. Este enfoque reconoce que cuando las válvulas de
expansión moduladoras en las trayectorias del flujo de retorno
desde las unidades interiores hasta la unidad exterior se abren
hasta una posición fija, mientras el sistema está en un modo de
calentamiento, las unidades interiores tendrán una tendencia a
devolver más refrigerante al serpentín exterior que el que se puede
manipular fácilmente, mientras el conjunto de serpentín exterior
funciona como un evaporador. Por lo tanto, el sobrecalentamiento
que abandona el serpentín exterior, y que entra en el compresor,
sería nulo en estas circunstancias. Preferentemente, el controlador
30 está programado para reconocer una salida del sensor (no
ilustrada) que indica la temperatura, la presión o ambas para
identificar tal situación.
Al contrario, si la parte activa del sistema
está cargada de menos, los dispositivos de expansión tenderán a
alimentar al conjunto de serpentín exterior con menos refrigerante
que el que es capaz de evaporar mientras el sistema 20 está en el
modo de calentamiento. En estas circunstancias, el
sobrecalentamiento que abandona el conjunto de serpentín exterior
será demasiado alto. El sobrecalentamiento de aspiración del
compresor proporciona por lo tanto una indicación de la cantidad de
carga en el sistema. Programando de manera adecuada el controlador
30 para reconocer niveles aceptables de sobrecalentamiento de
aspiración del compresor, el controlador 30 puede determinar a
continuación cuándo es necesario ajustar uno o más de los
dispositivos de expansión 50 para aumentar o disminuir la cantidad
de refrigerante dentro de la parte activa del sistema.
Otro enfoque para supervisar el nivel de la
carga de refrigerante en la parte activa del sistema incluye
comparar la presión de descarga del compresor con la presión de
saturación del refrigerante que corresponde a una temperatura
ambiente interior, que se puede obtener del sensor de temperatura
del aire de la unidad interior. En este enfoque a modo de ejemplo,
el controlador 30 está programado para determinar una situación de
sobrecarga cuando la presión de descarga desde el compresor es
mucho mayor que la presión de saturación.
Un aspecto del enfoque descrito en el párrafo
anterior es que puede incluir aumentar la cantidad de refrigerante
en la parte activa del sistema cuando parece que existe una
situación de carga de menos. El refrigerante adicional se puede
añadir hasta que se establezca una diferencia mínima predeterminada
entre la presión real de descarga del compresor y la presión de
saturación del refrigerante. La diferencia mínima deseada entre
estas presiones se puede determinar para diversos sistemas
utilizando un ensayo o una simulación del sistema. Dada esta
descripción, los expertos en la técnica serán capaces de determinar
las diferencias mínimas apropiadas para configuraciones
particulares del sistema.
Otro enfoque, que es el enfoque más preferente
actualmente, es supervisar el sobrecalentamiento que abandona el
compresor de la unidad exterior 24. En este enfoque, se mide la
temperatura real que abandona el compresor y se determina la
presión que hace lo propio. Un enfoque para determinar la presión
que abandona el compresor es inferir esa presión recopilando
información procedente de las temperaturas del serpentín de las
unidades interiores. Otro enfoque es medir directamente la presión
utilizando un transductor de presión.
Cuando el sobrecalentamiento de descarga del
compresor es demasiado alto, la parte activa del sistema está
cargada de menos. Al contrario, cuando el nivel de carga en la parte
activa del sistema es demasiado alto, el sobrecalentamiento de
descarga será demasiado bajo. Con este enfoque, el
sobrecalentamiento de descarga no debería ser nulo. Un intervalo
aceptable dentro del que puede estar el sobrecalentamiento de
descarga, mediante tales métodos "inferidos" para un nivel
aceptable de carga en el sistema, se tendrá que determinar para la
configuración particular de un sistema particular. Un intervalo
aceptable típico estará entre -1ºC y 27ºC (30ºF y 80ºF). Se
considera que aproximadamente 10ºC (50ºF) es un sobrecalentamiento
de descarga óptimo (en los puntos supervisados) en un sistema a
modo de ejemplo. Dada esta descripción, los expertos en la técnica
serán capaces de encontrar un intervalo aceptable para una
configuración particular del sistema.
Cuando se utiliza uno de los enfoques
anteriormente mencionadas para supervisar el nivel de carga dentro
de la parte activa del sistema, se prefiere usar determinaciones de
temperatura en lugar de determinaciones de presión bajo ciertas
circunstancias, en parte, porque los sensores de temperatura son
menos caros que los sensores de presión. Esta invención permite una
variedad de estrategias para supervisar el nivel de la carga de
refrigerante dentro de una parte activa del sistema y para controlar
ese nivel de carga vigilando el flujo de refrigerante a través de
las unidades interiores inactivas.
Dada esta descripción, los expertos en la
técnica serán capaces de elegir entre los componentes disponibles
comercialmente para proporcionar las diversas funciones en esta
descripción y para llegar a los resultados proporcionados por esta
invención. Por ejemplo, el controlador 30 puede ser un
microprocesador disponible comercialmente, programado de manera
adecuada para supervisar las diversas temperaturas o presiones y
para proporcionar las diversas funciones de control necesitadas
para gestionar el nivel de carga del refrigerante en la parte
activa de este sistema consistente con esta descripción.
La descripción precedente es, por naturaleza, a
título de ejemplo en lugar de limitativa. Las variaciones y
modificaciones de los ejemplos descritos pueden llegar a ser
evidentes para los expertos en la técnica, las cuales no estarán
necesariamente fuera del alcance de las reivindicaciones. El ámbito
de protección legal dado a esta invención solamente se puede
determinar estudiando las siguientes reivindicaciones.
Claims (14)
1. Un método para controlar un sistema de aire
acondicionado (20) que tiene al menos una unidad exterior (24) con
un conjunto de serpentín exterior (26) y una pluralidad de unidades
interiores (32, 34, 36, 38) que incluye, cada una, un conjunto de
serpentín interior en el que circula selectivamente fluido
refrigerante entre la unidad exterior y cada una de las unidades
interiores, que comprende las etapas de:
- activar la unidad exterior (24); y
- activar al menos una de las unidades interiores (32, 34, 36, 38); y caracterizado por las etapas de:
- determinar si un nivel de carga del fluido refrigerante en la parte del sistema que incluye la unidad interior activada (32, 34, 36, 38) está a un nivel deseable; y
- ajustar una cantidad de flujo de fluido refrigerante entre la unidad exterior (24) y al menos una unidad interior inactiva (32, 34, 36, 38) para situar por ello el nivel de carga más cerca del nivel deseable.
2. El método según la reivindicación 1, que
incluye disminuir la cantidad de flujo de retorno desde al menos la
unidad inactiva (32, 34, 36, 38) hasta la unidad exterior (24),
cuando el nivel de carga es mayor que el nivel deseable.
3. El método según la reivindicación 1, que
incluye aumentar la cantidad de flujo desde al menos la unidad
interior (32, 34, 36, 38) hasta la unidad exterior (24) cuando el
nivel de carga es menor que el nivel deseable.
4. El método según la reivindicación 1, que
incluye precisar el nivel de carga determinando una cantidad de
sobrecalentamiento de aspiración de la unidad exterior (24).
5. El método según la reivindicación 1, que
incluye determinar una cantidad de sobrecalentamiento de descarga
de la unidad exterior (24) y determinar si el sobrecalentamiento de
descarga está dentro de un intervalo aceptable predeterminado.
6. El método según la reivindicación 5, que
incluye precisar el sobrecalentamiento de descarga determinando una
temperatura del refrigerante cuando abandona la unidad exterior (24)
y determinando la presión del refrigerante cuando abandona la
unidad exterior.
7. El método según la reivindicación 6, que
incluye precisar la presión del refrigerante que abandona la unidad
exterior (24) determinando una temperatura del serpentín al menos en
una de las unidades interiores (32, 34, 36, 38).
8. El método según la reivindicación 1, que
incluye precisar el nivel de carga determinando una temperatura o
presión de saturación de la unidad interior activada (32, 34, 36,
38) y determinando si una temperatura o presión de descarga de la
unidad exterior (24) está dentro de un intervalo aceptable a partir
de la temperatura o presión de saturación.
9. El método según la reivindicación 1, en el
que el flujo de fluido refrigerante entre la unidad exterior (24) y
dicha al menos una unidad interior inactiva (32, 34, 36, 38) está
controlado con un dispositivo (50A, 50B) de control de flujo
situado aguas abajo de dicha al menos una unidad interior inactiva y
entre dicha unidad interior y dicha unidad exterior (24).
10. Un sistema de aire acondicionado (20), que
comprende:
- una unidad exterior (24) que tiene un conjunto de serpentín (26) y un compresor (28);
- una pluralidad de unidades interiores (32, 34, 36, 38) en comunicación de fluido con la unidad exterior, teniendo cada unidad interior un conjunto de serpentín; y
- un dispositivo (50A, 50B) de control de flujo variable asociado con cada unidad interior (32, 34, 36, 38), que controla una cantidad de flujo de fluido refrigerante desde las unidades interiores hasta la unidad exterior (24); estando caracterizado el sistema (20) porque comprende además:
- un controlador (30) que vigila el dispositivo (50A, 50B) de control de flujo para regular la cantidad de flujo de refrigerante desde al menos una de las unidades interiores (32, 34, 36, 38), cuando dicha al menos una unidad interior está inactiva para gestionar un nivel de la carga de refrigerante en una parte del sistema que incluye al menos una unidad interior que está activa cuando no está a un nivel deseable un nivel detectado de la carga del fluido refrigerante en una parte del sistema que incluye dicha al menos una unidad interior que está activa.
11. El sistema según la reivindicación 10, en el
que el dispositivo (50A, 50B) de control de flujo comprende una
válvula moduladora de expansión.
12. El sistema según la reivindicación 10, que
incluye conductos de fluido (42, 42A, 42B) aguas abajo de cada
unidad interior (32, 34, 36, 38), entre las unidades interiores y la
unidad exterior (24), y en el que el dispositivo (50A, 50B) de
control de flujo comprende una válvula moduladora de expansión
asociada con cada uno de los conductos de fluido.
13. El sistema según la reivindicación 10, que
incluye conductos de fluido (40A, 40B) aguas arriba de cada unidad
interior (32, 34, 36, 38), entre las unidades interiores y la unidad
exterior (24), y en el que el dispositivo de control de flujo
incluye al menos una válvula (52A, 52B) asociada con cada conducto
aguas arriba, que controla selectivamente el flujo de fluido aguas
arriba de las unidades interiores respectivas.
14. El sistema según la reivindicación 10, en el
que el dispositivo (50A, 50B) de control de flujo variable está
situado entre la unidad interior (32, 34, 36, 38) respectiva y la
unidad exterior (24) aguas abajo de la unidad interior (32, 34, 36,
38) respectiva.
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