本申請(qǐng)要求于2014年9月1日提交的澳大利亞臨時(shí)專利申請(qǐng)2014903479的優(yōu)先權(quán)，該文獻(xiàn)的內(nèi)容通過參引并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，特別是直接膨脹式空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中，供給至調(diào)節(jié)空間的空氣由供給有制冷劑的蒸發(fā)器直接冷卻。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)理論在1990年代由于后來的Allan Shaw博士開發(fā)的一系列創(chuàng)新思想而受到挑戰(zhàn)。這些思想以Shaw博士的澳大利亞專利728987中描述的空氣調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)而達(dá)到頂峰。該專利及其描述的系統(tǒng)現(xiàn)在由本申請(qǐng)人擁有并且在本說明書中將之稱為“Shaw系統(tǒng)”。

Shaw系統(tǒng)是并行操作空氣調(diào)節(jié)功能以分離處理潛熱負(fù)荷(通常以從室外空氣去除水分)和顯熱負(fù)荷(通常是干燥的內(nèi)部空氣)的過程的系統(tǒng)。Shaw系統(tǒng)與常規(guī)空氣調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)對(duì)其進(jìn)行冷卻，而是在與通常已經(jīng)通過第二熱交換器冷卻的通常是干燥(處理或未處理)的內(nèi)部空氣合并之前，通過單獨(dú)的第一室外空氣熱交換器對(duì)進(jìn)入的室外空氣進(jìn)行預(yù)處理(除濕和冷卻)。兩個(gè)空氣流合并，然后輸送到調(diào)節(jié)空間。

此外，Shaw系統(tǒng)包括使相同的冷卻介質(zhì)流(通常為水)通過串聯(lián)的兩個(gè)熱交換器以使效率最大化。

因此，Shaw系統(tǒng)描述了配置成一個(gè)制冷回路的兩個(gè)蒸發(fā)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(jiǎn)要概念化。

本發(fā)明的目的是增強(qiáng)Shaw系統(tǒng)，特別是通過提供更清楚地允許在直接膨脹式空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中采用Shaw系統(tǒng)的改進(jìn)的制冷部件和控制方法，以及結(jié)合附加的能效部件和控制方法。

盡管如此，本發(fā)明還旨在提供一種空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)非常適于允許符合與建筑物中的通風(fēng)舒適性相關(guān)的建筑標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)將建筑物的能量使用降低到期望的低水平。

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(huán)境。事實(shí)上，將建筑物中CO₂水平維持在不健康和危險(xiǎn)水平以下的要求越來越多地通過當(dāng)?shù)亟ㄖ?guī)范和標(biāo)準(zhǔn)在各國實(shí)施。一個(gè)例子是ASHRAE 62標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)62.1，標(biāo)題為“商業(yè)、機(jī)構(gòu)和高層住宅建筑中的通風(fēng)和可接受的室內(nèi)空氣質(zhì)量”。

然而，諸如通過以更大程度或更長時(shí)間打開氣閘而使用更高比例的外部空氣(以有助于實(shí)現(xiàn)符合建筑物中的CO₂水平維持在不健康和危險(xiǎn)水平以下)，通常需要在空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中使用更高的能量，特別是當(dāng)環(huán)境條件包括更高溫度或更高濕度水平時(shí)。在建筑物業(yè)主也面臨減少總體能量使用的壓力的時(shí)候，與外部空氣適當(dāng)通風(fēng)與低能量使用之間的這種沖突正在推動(dòng)改進(jìn)的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)展。

在轉(zhuǎn)向本發(fā)明的內(nèi)容之前，必須理解，現(xiàn)有技術(shù)的上述描述僅僅作為背景來提供，以解釋本發(fā)明的來龍去脈。它不應(yīng)視為承認(rèn)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(shí)的一部分。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠通過下述方式來處理調(diào)節(jié)空間：處理來自調(diào)節(jié)空間外部的室外空氣并處理從調(diào)節(jié)空間內(nèi)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(diào)節(jié)空間的供給空氣，該空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括：

·室外空氣潛熱冷卻處理級(jí)段和返回空氣顯熱冷卻處理級(jí)段，以及

·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(diào)節(jié)空間供給空氣；

其中，室外空氣潛熱冷卻處理級(jí)段包括除濕蒸發(fā)器，并且返回空氣顯熱冷卻處理級(jí)段包括顯熱蒸發(fā)器，兩個(gè)蒸發(fā)器均聯(lián)接至直接膨脹式制冷回路，并且其中，除濕蒸發(fā)器熱容量響應(yīng)于調(diào)節(jié)空間濕度被調(diào)節(jié)，并且顯熱蒸發(fā)器熱容量響應(yīng)于調(diào)節(jié)空間干球溫度被調(diào)節(jié)。

在本發(fā)明的一種形式中，兩個(gè)蒸發(fā)器將并聯(lián)配置，以便單獨(dú)處理室外空氣和返回空氣。在本發(fā)明的另一種形式中，兩個(gè)蒸發(fā)器將串聯(lián)配置，使得室外空氣由除濕蒸發(fā)器處理，然后經(jīng)處理的室外空氣與未經(jīng)處理的返回空氣混合，經(jīng)混合的空氣流由顯熱蒸發(fā)器處理。在優(yōu)選布置中，蒸發(fā)器并聯(lián)配置，這將是在下面的描述中大體描述的配置。

除濕蒸發(fā)器向用于對(duì)調(diào)節(jié)空間進(jìn)行通風(fēng)的室外空氣提供潛熱冷卻。在優(yōu)選形式中，空氣由系統(tǒng)供給空氣風(fēng)扇引起，并且空氣流量通過自動(dòng)氣閘調(diào)節(jié)，由優(yōu)選地包括二氧化碳、干球和濕度感測(cè)的內(nèi)含的環(huán)境空氣傳感器和差壓傳感器測(cè)量環(huán)境體積空氣流量。通過除濕蒸發(fā)器的液體制冷劑流優(yōu)選地通過自動(dòng)截止閥和計(jì)量閥由蒸發(fā)器調(diào)節(jié)。

顯熱蒸發(fā)器向調(diào)節(jié)空間返回空氣提供顯熱冷卻。在優(yōu)選形式中，空氣再次由系統(tǒng)供給空氣風(fēng)扇引起，供給空氣流量由聯(lián)接至供給空氣風(fēng)扇的可變頻率驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)，返回體積空氣流量由優(yōu)選地包括二氧化碳、干球和濕度感測(cè)的內(nèi)含的返回空氣傳感器以及差壓傳感器進(jìn)行測(cè)量。再次優(yōu)選地通過自動(dòng)截止閥和計(jì)量閥由蒸發(fā)器調(diào)節(jié)通過顯熱蒸發(fā)器的液體制冷劑流。

因此，本發(fā)明提供了通過保持與調(diào)節(jié)空間通風(fēng)相關(guān)聯(lián)的氣流與抵消調(diào)節(jié)空間的顯熱負(fù)荷所需的氣流分離來控制調(diào)節(jié)空間內(nèi)的干球溫度和濕度的機(jī)會(huì)。在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中，使用室外空氣是有利且重要的，使用室外空氣對(duì)于維持建筑物中的通風(fēng)舒適性而言是理想的，但對(duì)于空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的能量使用通常是有問題的。

在這方面，由于建筑物在將所占用的空間與環(huán)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(guān)系增加，通常導(dǎo)致建筑物內(nèi)的濕度增大，從而對(duì)居住者造成不適。除此之外，常規(guī)的直接膨脹式制冷空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的部分負(fù)荷操作優(yōu)先地滿足潛熱負(fù)荷的部分負(fù)荷操作，由此增強(qiáng)了居住者對(duì)在調(diào)節(jié)空間內(nèi)的濕度增大帶來的不適的可能性。另一方面，本發(fā)明提高了制冷部件的復(fù)雜程度，使得潛熱冷卻能力可以與顯熱冷卻能力分開調(diào)節(jié)，從而更容易滿足空間的舒適條件。

本發(fā)明的系統(tǒng)還可以包括儲(chǔ)存能夠轉(zhuǎn)變的制冷劑的液體制冷劑接收器，該液體制冷劑接收器優(yōu)選地能夠提供通過系統(tǒng)的液體流的儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)。理想地，液體制冷劑接收器能夠執(zhí)行至少一些(來自制冷劑的壓縮機(jī)油的)油分離，并且還將有助于確定所需的壓縮機(jī)制冷劑質(zhì)量流率以滿足系統(tǒng)負(fù)荷，以實(shí)現(xiàn)通過系統(tǒng)的制冷劑和油的增強(qiáng)的流動(dòng)。在優(yōu)選形式中，液體制冷劑接收器包括液位感測(cè)、自動(dòng)壓力平衡閥和自動(dòng)回油閥。

理想地，液體制冷劑接收器還能夠提供更大的制冷劑質(zhì)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(fā)器熱傳遞效率。本發(fā)明優(yōu)選地包括兩級(jí)式制冷劑油分離系統(tǒng)，兩級(jí)式制冷劑油分離系統(tǒng)減少通過系統(tǒng)的油流，這增大了蒸發(fā)器熱傳遞效率，從而減小了蒸發(fā)器的潛在物理尺寸并且改進(jìn)了制冷劑計(jì)量閥的性能以更接近容量輸送以抵消所存在的熱負(fù)荷。

理想地，這種兩級(jí)式制冷劑油分離系統(tǒng)將包括第一級(jí)熱氣體(油)分離器和第二級(jí)冷卻液體(油)分離器，在優(yōu)選形式中，第二級(jí)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(gè)分離器通過吸入氣體制冷劑使分離的油返回到壓縮機(jī)。在這方面，在小空間、空氣冷卻、直接膨脹式空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中減少容量的液體接收裝置的傳統(tǒng)使用(或者完全省略這種裝置)減少了系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑質(zhì)量，使得質(zhì)量充填(charge)對(duì)于系統(tǒng)的性能更重要并且提高了系統(tǒng)隨時(shí)間的能量效率。

因此，本發(fā)明不僅通過包括雙蒸發(fā)器而提供對(duì)潛熱和顯熱容量輸送的相對(duì)獨(dú)立控制，而且本發(fā)明還通過包含液體制冷劑接收器及將其優(yōu)選地用作第二級(jí)油分離器，而通過對(duì)由空間負(fù)荷確定的流過壓縮機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量的單獨(dú)控制，來提高與系統(tǒng)內(nèi)液體制冷劑的體積使用有關(guān)的容量輸送的可變性。在這方面，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明理想地基于蒸發(fā)器負(fù)荷而不是吸入氣體的品質(zhì)來計(jì)量制冷劑質(zhì)量流。這允許吸入氣體以更高的過熱率返回到壓縮機(jī)，從而增強(qiáng)制冷劑質(zhì)量流制冷效果。

本發(fā)明優(yōu)選地還利用制冷劑溫度感測(cè)來提供有關(guān)來自環(huán)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(huán)境濕球溫度的冷卻潛力增強(qiáng)制冷效果。在優(yōu)選形式中，本發(fā)明的系統(tǒng)包括亞冷卻熱交換器(sub-cool heat exchanger)，以將熱量排散到局部環(huán)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(yù)冷卻介質(zhì)或漸進(jìn)性間接絕熱冷卻過程，以及用于使空氣移動(dòng)通過冷凝器的風(fēng)扇、制冷劑溫度傳感器和用于對(duì)風(fēng)扇的質(zhì)量流率進(jìn)行調(diào)節(jié)的可變性能驅(qū)動(dòng)器。

本發(fā)明的系統(tǒng)的制冷效果可以通過從潛熱冷卻負(fù)荷回收能量以使排散熱量過度冷卻(super cool)以接近蒸發(fā)器工作溫度而進(jìn)一步增強(qiáng)。進(jìn)入蒸發(fā)器的液體制冷劑的溫度的降低增強(qiáng)了潛在的制冷效果，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)質(zhì)量流率降低。在這方面，本發(fā)明的系統(tǒng)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(guān)聯(lián)的能量的系統(tǒng)，優(yōu)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(jí)段的除濕蒸發(fā)器收集的冷凝物而使液體制冷劑過度冷卻。

因此，本發(fā)明的系統(tǒng)理想地提供三級(jí)式熱排散過程，其包括環(huán)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(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)制冷劑質(zhì)量流率的增強(qiáng)的制冷效果。使用這種三級(jí)式熱排散過程有助于提高從亞冷卻液體低壓轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱氣體的制冷效果潛力的利用，其中，該三級(jí)式熱排散過程包括由空間濕度傳感器確定的由系統(tǒng)潛熱冷卻負(fù)荷引起的過度冷卻、以及消除壓縮機(jī)吸入條件與制冷劑流率的直接管理之間的關(guān)系。

此外，通過優(yōu)選使用負(fù)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(fā)器溫度和吸入過熱，在減小壓縮比率的情況下看到了所導(dǎo)致的制冷效果的增加。這降低了進(jìn)行制冷劑壓縮所需的能量，從而提高壓縮機(jī)的制冷性能系數(shù)。

在轉(zhuǎn)向根據(jù)上述廣義描述的直接膨脹式空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方式的更詳細(xì)描述之前，因此將理解，本發(fā)明的系統(tǒng)提供對(duì)調(diào)節(jié)空間的冷卻，該調(diào)節(jié)空間管理干球溫度和水分含量，以提高居住者舒適度。

在上述一種優(yōu)選形式中，系統(tǒng)理想地利用環(huán)境干球、環(huán)境蒸氣壓力和回收空間潛熱冷卻以降低與低壓膨脹相關(guān)的冷凝溫度，從而延長壓縮機(jī)質(zhì)量流率的制冷效果。

在上述另一優(yōu)選形式中，系統(tǒng)替代性地或附加地利用液體接收器來從可變熱負(fù)荷要求中分離壓縮機(jī)質(zhì)量流，從而降低壓縮機(jī)排放壓力并且允許提高在蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑氣體過熱的利用。

在上述又一優(yōu)選形式中，系統(tǒng)替代性地或附加地利用兩級(jí)式壓縮機(jī)油分離過程以增強(qiáng)冷凝器和蒸發(fā)器的熱傳遞，并且替代地或另外地利用環(huán)境和調(diào)節(jié)空間傳感器來調(diào)節(jié)室外用于舒適的空氣的引入速率和供給空氣循環(huán)的速率以向空間輸送冷卻。

在根據(jù)本發(fā)明的直接膨脹式空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中采用這些優(yōu)選形式中的一些形式或全部形式減少了與為調(diào)節(jié)空間的居住者提供所需水平的舒適性和舒適性(特別是關(guān)于通風(fēng))相關(guān)聯(lián)的能量消耗。

附圖說明

已經(jīng)簡(jiǎn)要描述了本發(fā)明涉及的一般概念，現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明的直接膨脹式空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方式。然而，應(yīng)當(dāng)理解，以下描述并不限制上述描述的一般性。

具體實(shí)施方式

在附圖中，圖1是根據(jù)本發(fā)明的直接膨脹式空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)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(xì)的解釋(在表中)。

一般來說，圖1的流程圖中所示的是直接膨脹式空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中，來自調(diào)節(jié)空間O的返回空氣Y與室外空氣X(用于通風(fēng))分別地(并且因此并行地)進(jìn)行濕度處理以實(shí)現(xiàn)潛熱冷卻和顯熱冷卻的獨(dú)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(diào)節(jié)空間O的單個(gè)調(diào)節(jié)空間供給空氣流Z。

對(duì)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(shí)施方式中表示的返回空氣顯熱冷卻處理級(jí)段中由置于返回空氣流Y中的顯熱蒸發(fā)器H進(jìn)行。對(duì)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(shí)施方式中表示的室外空氣潛熱冷卻處理級(jí)段中通過置于室外空氣流X中的除濕蒸發(fā)器G進(jìn)行。

如將在優(yōu)選實(shí)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(fā)器G的熱容量響應(yīng)于期望的調(diào)節(jié)空間濕度設(shè)定點(diǎn)以及來自該設(shè)定點(diǎn)的負(fù)荷驅(qū)動(dòng)變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，顯熱蒸發(fā)器H的熱容量響應(yīng)于期望的調(diào)節(jié)空間干球溫度設(shè)定點(diǎn)，以及來自該設(shè)定點(diǎn)的負(fù)荷驅(qū)動(dòng)變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

下表(表1)提供了對(duì)圖1的流程圖中所示的各種元件的更詳細(xì)的解釋：

表1-圖1中部件的識(shí)別

應(yīng)當(dāng)理解，上面的表1描述了構(gòu)成優(yōu)選實(shí)施方式的物理形式的不同的空氣調(diào)節(jié)部件。下表(表2)描述了形成優(yōu)選實(shí)施方式的控制的基礎(chǔ)的邏輯算法。

【表2開始于第12頁】

表2-用于控制圖1中的部件的邏輯算法

從表1和表2可以理解，使用蒸發(fā)器來單獨(dú)管理空間干球和空間濕度增強(qiáng)了居住者舒適性，而響應(yīng)于空間負(fù)荷條件使用控制算法調(diào)節(jié)通入到蒸發(fā)器的液體制冷劑增大了蒸發(fā)器熱傳遞能力的利用，以增強(qiáng)循環(huán)制冷劑質(zhì)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(yōu)選使用增強(qiáng)了循環(huán)制冷劑質(zhì)量流的制冷效果并且降低了壓縮機(jī)排出壓力，并且液體制冷劑感測(cè)的優(yōu)選使用消除壓縮機(jī)排出壓力與壓縮機(jī)吸入壓力的體積依賴性。

結(jié)合液體制冷劑計(jì)量閥和吸入氣體設(shè)定點(diǎn)管理的優(yōu)選使用，采用以所述方式配置的這些部件使得蒸發(fā)器能夠在更高的飽和溫度下操作，從而降低用于產(chǎn)生增強(qiáng)的制冷效果的壓縮機(jī)壓力提升要求。

此外，為提供通風(fēng)舒適性和空間舒適性，響應(yīng)于反饋信號(hào)的室外空氣流量和供給空氣流量的體積計(jì)算的優(yōu)選使用減少熱負(fù)荷和空氣循環(huán)能量消耗。

本領(lǐng)域技術(shù)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(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明包括所有這樣的變化和修改。本發(fā)明還包括單獨(dú)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(gè)或更多個(gè)的任意組合和所有組合。