直接膨脹式空氣調節系統的制作方法
直接膨脹式空氣調節系統
1.本技術是申請日為2015年08月28日、國家申請號為201580055686.7(國際申請號為pct/au2015/000522)、發明名稱為“直接膨脹式空氣調節系統”的申請的分案申請。
2.相關申請的交叉引用
3.本技術要求于2014年9月1日提交的澳大利亞臨時專利申請2014903479的優先權，該文獻的內容通過參引并入本文。
技術領域
4.本發明涉及一種改進的空氣調節系統，特別是直接膨脹式空氣調節系統，其中，供給至調節空間的空氣由供給有制冷劑的蒸發器直接冷卻。
背景技術：
5.傳統的空氣調節設計理論在1990年代由于后來的allan shaw博士開發的一系列創新思想而受到挑戰。這些思想以shaw博士的澳大利亞專利728987中描述的空氣調節控制系統而達到頂峰。該專利及其描述的系統現在由本技術人擁有并且在本說明書中將之稱為“shaw系統”。
6.shaw系統是并行操作空氣調節功能以分離處理潛熱負荷(通常以從室外空氣去除水分)和顯熱負荷(通常是干燥的內部空氣)的過程的系統。shaw系統與常規空氣調節過程的不同之處在于，不是抽取未處理的室外空氣、然后在總空氣調節系統內對其進行冷卻，而是在與通常已經通過第二熱交換器冷卻的通常是干燥(處理或未處理)的內部空氣合并之前，通過單獨的第一室外空氣熱交換器對進入的室外空氣進行預處理(除濕和冷卻)。兩個空氣流合并，然后輸送到調節空間。
7.此外，shaw系統包括使相同的冷卻介質流(通常為水)通過串聯的兩個熱交換器以使效率最大化。
8.因此，shaw系統描述了配置成一個制冷回路的兩個蒸發器盤管的寬泛概念。然而，澳大利亞專利728987中的制冷回路的操作方法的描述僅簡要概念化。
9.本發明的目的是增強shaw系統，特別是通過提供更清楚地允許在直接膨脹式空氣調節系統中采用shaw系統的改進的制冷部件和控制方法，以及結合附加的能效部件和控制方法。
10.盡管如此，本發明還旨在提供一種空氣調節系統，該空氣調節系統非常適于允許符合與建筑物中的通風舒適性相關的建筑標準，同時將建筑物的能量使用降低到期望的低水平。
11.在這方面，越來越重要的是使用足夠比例的外部空氣來為建筑物的居住者提供健康和舒適的環境。事實上，將建筑物中co2水平維持在不健康和危險水平以下的要求越來越多地通過當地建筑規范和標準在各國實施。一個例子是ashrae 62標準的標準62.1，標題為“商業、機構和高層住宅建筑中的通風和可接受的室內空氣質量”。
12.然而，諸如通過以更大程度或更長時間打開氣閘而使用更高比例的外部空氣(以
有助于實現符合建筑物中的co2水平維持在不健康和危險水平以下)，通常需要在空氣調節系統中使用更高的能量，特別是當環境條件包括更高溫度或更高濕度水平時。在建筑物業主也面臨減少總體能量使用的壓力的時候，與外部空氣適當通風與低能量使用之間的這種沖突正在推動改進的空氣調節系統的發展。
13.在轉向本發明的內容之前，必須理解，現有技術的上述描述僅僅作為背景來提供，以解釋本發明的來龍去脈。它不應視為承認所提及的任何材料是出版的或已知的，或者是澳大利亞或其他地方的公知常識的一部分。
技術實現要素：
14.本發明提供一種空氣調節系統，空氣調節系統能夠通過下述方式來處理調節空間：處理來自調節空間外部的室外空氣并處理從調節空間內部返回的空氣，并且將室外空氣與返回的空氣混合以形成用于調節空間的供給空氣，該空氣調節系統包括：
15.·
室外空氣潛熱冷卻處理級段和返回空氣顯熱冷卻處理級段，以及
16.·
空氣混合器，空氣混合器用于將室外空氣與返回空氣混合以形成調節空間供給空氣；
17.其中，室外空氣潛熱冷卻處理級段包括除濕蒸發器，并且返回空氣顯熱冷卻處理級段包括顯熱蒸發器，兩個蒸發器均聯接至直接膨脹式制冷回路，并且其中，除濕蒸發器熱容量響應于調節空間濕度被調節，并且顯熱蒸發器熱容量響應于調節空間干球溫度被調節。
18.在本發明的一種形式中，兩個蒸發器將并聯配置，以便單獨處理室外空氣和返回空氣。在本發明的另一種形式中，兩個蒸發器將串聯配置，使得室外空氣由除濕蒸發器處理，然后經處理的室外空氣與未經處理的返回空氣混合，經混合的空氣流由顯熱蒸發器處理。在優選布置中，蒸發器并聯配置，這將是在下面的描述中大體描述的配置。
19.除濕蒸發器向用于對調節空間進行通風的室外空氣提供潛熱冷卻。在優選形式中，空氣由系統供給空氣風扇引起，并且空氣流量通過自動氣閘調節，由優選地包括二氧化碳、干球和濕度感測的內含的環境空氣傳感器和差壓傳感器測量環境體積空氣流量。通過除濕蒸發器的液體制冷劑流優選地通過自動截止閥和計量閥由蒸發器調節。
20.顯熱蒸發器向調節空間返回空氣提供顯熱冷卻。在優選形式中，空氣再次由系統供給空氣風扇引起，供給空氣流量由聯接至供給空氣風扇的可變頻率驅動器調節，返回體積空氣流量由優選地包括二氧化碳、干球和濕度感測的內含的返回空氣傳感器以及差壓傳感器進行測量。再次優選地通過自動截止閥和計量閥由蒸發器調節通過顯熱蒸發器的液體制冷劑流。
21.因此，本發明提供了通過保持與調節空間通風相關聯的氣流與抵消調節空間的顯熱負荷所需的氣流分離來控制調節空間內的干球溫度和濕度的機會。在根據本發明的系統中，使用室外空氣是有利且重要的，使用室外空氣對于維持建筑物中的通風舒適性而言是理想的，但對于空氣調節系統的能量使用通常是有問題的。
22.在這方面，由于建筑物在將所占用的空間與環境條件隔離方面變得更有效，所以潛熱冷卻與顯熱冷卻的比率之間的關系增加，通常導致建筑物內的濕度增大，從而對居住者造成不適。除此之外，常規的直接膨脹式制冷空氣調節系統的部分負荷操作優先地滿足
潛熱負荷的部分負荷操作，由此增強了居住者對在調節空間內的濕度增大帶來的不適的可能性。另一方面，本發明提高了制冷部件的復雜程度，使得潛熱冷卻能力可以與顯熱冷卻能力分開調節，從而更容易滿足空間的舒適條件。
23.本發明的系統還可以包括儲存能夠轉變的制冷劑的液體制冷劑接收器，該液體制冷劑接收器優選地能夠提供通過系統的液體流的儲存和調節。理想地，液體制冷劑接收器能夠執行至少一些(來自制冷劑的壓縮機油的)油分離，并且還將有助于確定所需的壓縮機制冷劑質量流率以滿足系統負荷，以實現通過系統的制冷劑和油的增強的流動。在優選形式中，液體制冷劑接收器包括液位感測、自動壓力平衡閥和自動回油閥。
24.理想地，液體制冷劑接收器還能夠提供更大的制冷劑質量充填，降低過量氣體壓縮比的可能性，并且通過其用作油分離器來提高蒸發器熱傳遞效率。本發明優選地包括兩級式制冷劑油分離系統，兩級式制冷劑油分離系統減少通過系統的油流，這增大了蒸發器熱傳遞效率，從而減小了蒸發器的潛在物理尺寸并且改進了制冷劑計量閥的性能以更接近容量輸送以抵消所存在的熱負荷。
25.理想地，這種兩級式制冷劑油分離系統將包括第一級熱氣體(油)分離器和第二級冷卻液體(油)分離器，在優選形式中，第二級冷卻液體(油)分離器由液體制冷劑接收器提供。在該形式中，兩個分離器通過吸入氣體制冷劑使分離的油返回到壓縮機。在這方面，在小空間、空氣冷卻、直接膨脹式空氣調節系統中減少容量的液體接收裝置的傳統使用(或者完全省略這種裝置)減少了系統內的制冷劑質量，使得質量充填(charge)對于系統的性能更重要并且提高了系統隨時間的能量效率。
26.因此，本發明不僅通過包括雙蒸發器而提供對潛熱和顯熱容量輸送的相對獨立控制，而且本發明還通過包含液體制冷劑接收器及將其優選地用作第二級油分離器，而通過對由空間負荷確定的流過壓縮機的制冷劑質量流量的單獨控制，來提高與系統內液體制冷劑的體積使用有關的容量輸送的可變性。在這方面，應當理解，本發明理想地基于蒸發器負荷而不是吸入氣體的品質來計量制冷劑質量流。這允許吸入氣體以更高的過熱率返回到壓縮機，從而增強制冷劑質量流制冷效果。
27.本發明優選地還利用制冷劑溫度感測來提供有關來自環境干球溫度的冷卻潛力(potential)和用于液體制冷劑亞冷卻(sub cooling)的潛力的熱排散，以從來自環境濕球溫度的冷卻潛力增強制冷效果。在優選形式中，本發明的系統包括亞冷卻熱交換器(sub-cool heat exchanger)，以將熱量排散到局部環境空氣中，從而使液體制冷劑亞冷卻。在一種形式中，亞冷卻熱交換器可以包括絕熱預冷卻介質或漸進性間接絕熱冷卻過程，以及用于使空氣移動通過冷凝器的風扇、制冷劑溫度傳感器和用于對風扇的質量流率進行調節的可變性能驅動器。
28.本發明的系統的制冷效果可以通過從潛熱冷卻負荷回收能量以使排散熱量過度冷卻(super cool)以接近蒸發器工作溫度而進一步增強。進入蒸發器的液體制冷劑的溫度的降低增強了潛在的制冷效果，從而導致壓縮機質量流率降低。在這方面，本發明的系統還可以包括用于捕獲和利用潛熱冷卻冷凝物以重新獲得與潛熱冷卻過程相關聯的能量的系統，優選地呈過度冷卻熱交換器的形式，以利用從室外空氣潛熱冷卻處理級段的除濕蒸發器收集的冷凝物而使液體制冷劑過度冷卻。
29.因此，本發明的系統理想地提供三級式熱排散過程，其包括環境冷凝器、亞冷卻熱
交換器和過度冷卻熱交換器(super-cool heat exchanger)，以實現對循環制冷劑質量流率的增強的制冷效果。使用這種三級式熱排散過程有助于提高從亞冷卻液體低壓轉變為過熱氣體的制冷效果潛力的利用，其中，該三級式熱排散過程包括由空間濕度傳感器確定的由系統潛熱冷卻負荷引起的過度冷卻、以及消除壓縮機吸入條件與制冷劑流率的直接管理之間的關系。
30.此外，通過優選使用負荷和排出壓力的干球溫度、濕球溫度和吸入溫度過度冷卻控制所確定的蒸發器溫度和吸入過熱，在減小壓縮比率的情況下看到了所導致的制冷效果的增加。這降低了進行制冷劑壓縮所需的能量，從而提高壓縮機的制冷性能系數。
31.在轉向根據上述廣義描述的直接膨脹式空氣調節系統的優選實施方式的更詳細描述之前，因此將理解，本發明的系統提供對調節空間的冷卻，該調節空間管理干球溫度和水分含量，以提高居住者舒適度。
32.在上述一種優選形式中，系統理想地利用環境干球、環境蒸氣壓力和回收空間潛熱冷卻以降低與低壓膨脹相關的冷凝溫度，從而延長壓縮機質量流率的制冷效果。
33.在上述另一優選形式中，系統替代性地或附加地利用液體接收器來從可變熱負荷要求中分離壓縮機質量流，從而降低壓縮機排放壓力并且允許提高在蒸發器內制冷劑氣體過熱的利用。
34.在上述又一優選形式中，系統替代性地或附加地利用兩級式壓縮機油分離過程以增強冷凝器和蒸發器的熱傳遞，并且替代地或另外地利用環境和調節空間傳感器來調節室外用于舒適的空氣的引入速率和供給空氣循環的速率以向空間輸送冷卻。
35.在根據本發明的直接膨脹式空氣調節系統中采用這些優選形式中的一些形式或全部形式減少了與為調節空間的居住者提供所需水平的舒適性和舒適性(特別是關于通風)相關聯的能量消耗。
附圖說明
36.已經簡要描述了本發明涉及的一般概念，現在將描述根據本發明的直接膨脹式空氣調節系統的優選實施方式。然而，應當理解，以下描述并不限制上述描述的一般性。
具體實施方式
37.在附圖中，圖1是根據本發明的直接膨脹式空氣調節系統的優選實施方式的流程圖。為了便于理解，以下描述將首先提供圖1的流程圖的總體概述，隨后是流程圖的不同元件的更詳細的解釋(在表中)。
38.一般來說，圖1的流程圖中所示的是直接膨脹式空氣調節系統，其中，來自調節空間o的返回空氣y與室外空氣x(用于通風)分別地(并且因此并行地)進行濕度處理以實現潛熱冷卻和顯熱冷卻的獨立控制。在返回空氣y和室外空氣x的這種分別處理之后，然后將兩種空氣流混合，以提供要被輸送到調節空間o的單個調節空間供給空氣流z。
39.對于返回空氣流y的冷卻過程主要是顯熱冷卻，該顯熱冷卻在本實施方式中表示的返回空氣顯熱冷卻處理級段中由置于返回空氣流y中的顯熱蒸發器h進行。對于室外空氣流x的冷卻過程主要是潛熱冷卻，該潛熱冷卻在本實施方式中表示的室外空氣潛熱冷卻處理級段中通過置于室外空氣流x中的除濕蒸發器g進行。
40.如將在優選實施方式中的各種部件的以下表格式描述中概述的那樣，除濕蒸發器g的熱容量響應于期望的調節空間濕度設定點以及來自該設定點的負荷驅動變化來進行調節。此外，顯熱蒸發器h的熱容量響應于期望的調節空間干球溫度設定點，以及來自該設定點的負荷驅動變化來進行調節。
41.下表(表1)提供了對圖1的流程圖中所示的各種元件的更詳細的解釋：
42.43.44.45.46.[0047][0048]
表1-圖1中部件的識別
[0049]
應當理解，上面的表1描述了構成優選實施方式的物理形式的不同的空氣調節部件。下表(表2)描述了形成優選實施方式的控制的基礎的邏輯算法。
[0050]
【表2開始于第12頁】
[0051][0052]
[0053]
[0054]
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[0065]
[0066]
[0067][0068]
表2-用于控制圖1中的部件的邏輯算法
[0069]
從表1和表2可以理解，使用蒸發器來單獨管理空間干球和空間濕度增強了居住者舒適性，而響應于空間負荷條件使用控制算法調節通入到蒸發器的液體制冷劑增大了蒸發器熱傳遞能力的利用，以增強循環制冷劑質量流的制冷效果。此外，亞冷卻器和過度冷卻器在熱消耗冷凝過程中的優選使用增強了循環制冷劑質量流的制冷效果并且降低了壓縮機排出壓力，并且液體制冷劑感測的優選使用消除壓縮機排出壓力與壓縮機吸入壓力的體積依賴性。
[0070]
結合液體制冷劑計量閥和吸入氣體設定點管理的優選使用，采用以所述方式配置的這些部件使得蒸發器能夠在更高的飽和溫度下操作，從而降低用于產生增強的制冷效果的壓縮機壓力提升要求。
[0071]
此外，為提供通風舒適性和空間舒適性，響應于反饋信號的室外空氣流量和供給空氣流量的體積計算的優選使用減少熱負荷和空氣循環能量消耗。
[0072]
本領域技術人員將理解，除了具體描述的那些之外，可以存在變化和修改。應當理解，本發明包括所有這樣的變化和修改。本發明還包括單獨地或共同地提及或在本說明書
中指出的所有部件、步驟、功能和特征，以及那些部件、步驟、功能和特征中的任何兩個或更多個的任意組合和所有組合。
