專利名稱:空氣調(diào)節(jié)裝置及方法
本發(fā)明涉及一種空氣的冷卻、加熱及調(diào)濕的改進了的裝置和方法，以控制某一空間的空氣調(diào)節(jié)，例如住房、辦公室、飯店、醫(yī)院、工廠或倉庫等，所述裝置和方法比起熱泵中的現(xiàn)有技術(shù)來能大大地節(jié)省能量。
本文中“熱泵”是用于一般意義上的任何制冷系統(tǒng)，這種制冷系統(tǒng)能否用來進行空氣調(diào)節(jié)取決于在送風氣流中是否有冷卻裝置、濕度控制裝置或加熱裝置?！八惋L”是通過上述裝置后進入空調(diào)空間的空氣。“回風”是離開空調(diào)空間并通過上述裝置的空氣。
根據(jù)實施例，本發(fā)明能在冷卻或加熱的同時，控制空氣濕度和溫度，同時維持高通風率，以保持室內(nèi)所需要的空氣質(zhì)量和空氣運動。
建筑物中人類居住所用的空調(diào)系統(tǒng)的主要目的是提供一種可控制的舒適、衛(wèi)生的室內(nèi)環(huán)境?？照{(diào)系統(tǒng)的的其它目的是要提供建筑物內(nèi)貯存、工藝或設(shè)備運行的特殊需要。
在已給定的室內(nèi)區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)要控制的基本變量是空氣溫度、空氣濕度、空氣運動和空氣質(zhì)量。
科學家已證明，當空氣干球溫度、平均輻射溫度、濕度和空氣運動的值符合一種稱之為“舒適平衡”的確定的關(guān)系時，人就產(chǎn)生舒適感(也稱為熱接受性)。
這個平衡也包括人的活動和衣著水平的附加變量。
本發(fā)明描述的在居住空間內(nèi)控制空氣干球溫度、濕度和空氣運動，就可得到舒適室內(nèi)條件或其它所需要的條件當用于供冷，特別是用于舒適供冷時，本發(fā)明的有利特點是在較高干球溫度，同時維持減濕情況下，具有能提供較大送風量的能力，并且沒有象傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)那樣在進行同一過程時，降低了除濕能力，造成能量的浪費。在本發(fā)明的這個特點中，優(yōu)點分相互關(guān)聯(lián)的三個方面，它們是(1)提高了送風量(超過常規(guī)使用的風量)，并從而允許較高的空氣干球溫度(與通常使用的溫度相比)，同時能提供滿足上述“舒適平衡”的條件。
美國供熱、制冷與空氣調(diào)節(jié)工程師學會的ASHRAE標準55-1981中，空氣運動、空氣干球溫度與舒適感之間的關(guān)系是對于相同的舒適條件，空氣流速每增加0.275米/秒，就允許空氣干球溫度增加1°K。本發(fā)明很容易地允許在同樣舒適條件下增加2°K(即空氣流速增加0.55米/秒)。
(2)提高送風的干球溫度，造成建筑物內(nèi)外的溫度差減小，就使得通過建筑物圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量發(fā)生折減。傳熱量與這個溫度差是直接相關(guān)的，固此加熱量越低，冷卻系統(tǒng)冷卻從建筑物排出的熱量所需的能量就減少。
(3)能避免在熱帶氣候下由于提高送風溫度(高于通常所用的溫度)而經(jīng)常發(fā)生的損害建筑物內(nèi)表面的情況。當送風通過分配系統(tǒng)進入所居住的房間時，不可避免地要直接撞擊在內(nèi)墻或天花板表面上。如果這種撞擊發(fā)生在與內(nèi)部空氣混合或誘導(dǎo)內(nèi)部空氣之前從而使混合溫度高于露點溫度，那么建筑物表面會足夠冷，使?jié)駳饽Y(jié)在其表面上，由于建筑物表面沾污和質(zhì)量增加導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。
如果與此同時送風溫度具有相當?shù)偷穆饵c溫度以致減少建筑物內(nèi)表面水分的蒸汽壓時，就使水分從蒸汽壓較高的外部通過該建筑物表面被吸入。適當設(shè)置防潮材料能防止這些使建筑物損壞的問題，但造價昂貴。
由于傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)系統(tǒng)不能防止送風氣流中不必要的濕度低的狀態(tài)，因此就造成這些損壞情況。
本發(fā)明容許送風氣流有較高溫度并防止送風氣流中不必要的低濕度，這就必然會防止特別在熱帶氣候下發(fā)生的上述問題。人們也會理解到太低的濕度會引起其它職業(yè)危險，例如產(chǎn)生靜電及呼吸系統(tǒng)疾病增加。
由于許多疾病是由于室內(nèi)空氣污染造成的，最近為提供健康的環(huán)境，室內(nèi)空氣質(zhì)量已得到相當?shù)目茖W性的注意。
最近的研究不僅發(fā)現(xiàn)并定量地確定了新的室內(nèi)污染物質(zhì)及其作用，而且更精密地檢查了已有的污染物，例如來自烹調(diào)、煙產(chǎn)生的污染物和自然發(fā)生的放射性氡氣體以及致病有機物。
新的污染物主要是甲醛、含氯有機物、石棉纖維及燃燒產(chǎn)物，這些室內(nèi)產(chǎn)生的污染物中，有一些是有毒的和致癌的。
另一方面，由于公企的努力及立法旨在維持良好環(huán)境，多數(shù)環(huán)境下的室外空氣中各種污染物是少的。靠室外空氣通風，對于除去室內(nèi)產(chǎn)生的污染以及提供氧氣補充是很有效的。
一般來說，通風的目的只是將室外空氣簡單地過濾，以使空氣達到合適的質(zhì)量。去除室內(nèi)產(chǎn)生的污染物而不是稀釋或替換它通常是困難的，需要有費用較高的化工工藝，除非在加熱和冷卻室外空氣時需要耗費過量能量，否則在經(jīng)濟上常常是不合算的。
這里描述的本發(fā)明極大地減少了加熱和冷卻通風空氣所需要的能量，除了應(yīng)用在特殊污染環(huán)境中，避免了考慮室內(nèi)空氣處理的要求。
申請人:對現(xiàn)有技術(shù)所知甚少，最接近的是美國專利3926249號，申請人格朗西。格朗西使用了熱交換器，熱交換器包括盤管，盤管含有水，通過管道和泵使水相互連通，固而可利用進排氣的溫差。格朗西也公開了在使用有循環(huán)水的熱交換器仍不能進行有效地冷卻的情況下，使用噴淋水冷卻冷凝器的方法。
本發(fā)明的目的是要顯著克服熱泵式空調(diào)系統(tǒng)中現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，熱泵系統(tǒng)的這些缺陷是(a)無論加熱和冷卻，為提供足夠的通風空氣，確?？山邮艿慕】档氖覂?nèi)環(huán)境而導(dǎo)致的高能量損失。
(b)缺乏濕度控制，這在現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)中是有代表性的，除非對冷卻后的送風實行再熱。送風再熱系統(tǒng)第一步為了減小濕度，用額外的能量來冷卻送風，使之低于所需要的干球濕度，然后第二步加入能量來加熱送風，使之達到所需要的干球濕度。這兩步都浪費能量。利用從熱泵排出的熱量的再熱系統(tǒng)安裝費用高昂，而且難以控制。低限度濕度的控制需要額外的加濕裝置來給送風加入濕蒸汽。這種裝置需要增加額外的能量，一般是直接用電加濕，固此能效很低。再熱和加濕系統(tǒng)安裝和運行費用都很高。
(c)在高峰冷卻負荷期間，風冷式熱泵中高冷凝溫度導(dǎo)致能量消耗過大和性能下降。周圍空氣溫度增加，冷卻性能降低，并且對多數(shù)使用情況，特別是熱帶氣候條件，當冷卻負荷達到最大時，周圍空氣處于最高溫度，在這樣的狀況下，能量消耗量大。
(d)在周圍空氣溫度約為6°或更低狀況下，氣源熱泵有效加熱的失效是由于在熱交換器盤管上形成了冰。這導(dǎo)致了需要提供高能耗的電加熱元件或替代的加熱裝置來補償熱泵性能的降低。在多數(shù)應(yīng)用情況下，當環(huán)境溫度最低時，性能要求最高。
(e)水冷式熱泵在冷卻時，需要增加額外的設(shè)備，例如冷卻塔，來連續(xù)提供合適溫度的冷凝用冷卻水，這就增加了設(shè)備費用。
(f)用水源熱泵來加熱送風時也需增加設(shè)備，例如貯水箱和太陽能熱交換器。不管是水流或是池塘，它們的溫度總是需要大于6℃，這樣在從它們中吸取熱量時，才不會使水發(fā)生凍結(jié)。
本發(fā)明是一種改進了的空調(diào)裝置和方法，該裝置及方法既能供熱也能供冷并包括減濕和加濕的功能，適于在封閉空間或區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)所需要的空氣狀態(tài)。
本發(fā)明包括至少下列三個熱交換器組件，組件(1)和組件(2)與(3)的每一個都有串聯(lián)關(guān)系。
組件(1)是一種空氣-空氣能量交換器，是那種在熱交換通道中或鄰近熱交換通道的兩股氣流中的任一股氣流內(nèi)，僅利用溫度變化或者是結(jié)合水的冷凝或蒸發(fā)的溫度變化，僅以顯熱形式或者以顯熱和潛熱的形式，在兩股氣流間交換焓的能量交換器，這種熱交換器可以采用固定板式熱交換器、旋轉(zhuǎn)式熱交換器、熱管、熱虹吸管或盤管環(huán)路系統(tǒng)。
組件(2)是一種空氣-致冷劑能量交換器，這種交換器以顯熱形式或以顯熱和潛熱形式在空氣流和液體、蒸汽或氣態(tài)致冷劑之間傳遞能量，致冷劑可由水、乙二醇、氨和各種鹵化化合物以及致冷劑-吸收劑材料組成。這種熱交換器可以采用光管、帶翅片的盤管及空心板。
組件(3)是一種空氣-致冷劑能量交換器，用來在兩股氣流之間進行能量交換，這種交換可以只以顯熱的形式進行，也可以將水加入到氣流和致冷劑中以顯熱和潛熱的形式進行。這種熱交換器可以采用在組件(2)中列舉的裝置。
本發(fā)明的主要特點是在如組件(1)中所述的一種能量交換器中，在稱為一次風氣流的一股空氣流和稱為二次風氣流的另一股空氣流之間首先交換焓的方法及裝置，然后使上述空氣流中的一股通過如組件(2)中所述的空氣-致冷劑能量交換器來進一步使焓值增加或減少。上述的另一股空氣流通過如組件(3)中所述的空氣-致冷劑能量交換器來進一步使焓值減少或增加。在上述的空氣流通過如組件(1)、(2)和(3)所述的能量交換器期間，可在上述的一股或另一股或兩股氣流中引入水，水的蒸發(fā)就改變了上述氣流的濕度，并適當?shù)馗淖儨囟取?br>在本發(fā)明的典型實施例中，所述的一次風氣流看作是送風，而所述的二次風氣流看作是回風。
尤其是本發(fā)明包括空調(diào)裝置，該空調(diào)裝置包括在一個封閉的制冷系統(tǒng)中的一個熱泵和兩個熱交換器，以及包括一個空氣-空氣熱交換器，上所熱交換器都相對于空氣流串聯(lián)連接，空氣葉輪裝置輸送所述空氣流，第一熱交換器是空氣-空氣熱交換器，具有一送風通道和一回風通道，第二和第三熱交換器是該系統(tǒng)的致冷劑-空氣熱交換器，這樣在使用中，空氣葉輪裝置使一股空氣流通過第一熱交換器的送風氣流通道，然后通過第二熱交換器以及空調(diào)空間，從空調(diào)空間至少有一部分回風氣流通過所述回風氣流通道，再通過第三熱交換器排到大氣中。
在本發(fā)明的許多可能的運行工況中，其中提供了如下功能(a)不進行減濕或加濕的送風的冷卻。
(b)進行減濕的送風的冷卻。
(c)進行加濕的送風的冷卻。
(d)不進行加濕的送風的加熱。
(e)進行加濕的送風的加熱。
(a)到(e)中的每一個功能都與其它功能，例如空氣過濾等結(jié)合起來，而組成更復(fù)雜的實施例，根據(jù)需要，能同時完成上述功能中的一些或全部。對于所考慮的空調(diào)應(yīng)用場合，如果合理的話，將所述功能獨立完成也是可以的。
上述的每一種送風方式既可以從房間中抽取部分空氣(稱為再循環(huán)風)與從室外空間抽取的空氣(稱為室外新風)混合，也可以全部送室外新風或送從另一合適來源抽取的具有合適狀態(tài)的空氣，而不是送從建筑物內(nèi)抽取的空氣。
我們發(fā)現(xiàn)，全部送風都來自建筑物外面，建筑物內(nèi)的空氣不再通過空調(diào)裝置循環(huán)返回到建筑物內(nèi)的實施方式，對僅需供冷和減濕的許多空調(diào)應(yīng)用場合來說是很適宜的，在這種實施例中，空氣-空氣能量交換器組件(1)是一種叉流空氣-空氣板式交換器，能量交換器組件(2)是一種帶翅片的盤管式空氣-致冷劑熱交換器，能量交換器組件(3)也是一種帶翅片的盤管式空氣-致冷劑熱交換器，在組件(2)和(3)中，循環(huán)介質(zhì)是一種鹵化致冷劑，其中選用氟利昂12和氟利昂22較為適宜。
在這個實施例中，致冷劑通過組件(2)和(3)進行循環(huán)，循環(huán)時，壓縮機吸入已在組件(2)內(nèi)蒸發(fā)了的致冷劑的氣體，然后將該氣體壓縮并送到組件(3)，在組件(3)中致冷劑的氣體被冷凝成液態(tài)致冷劑。
然后致冷劑液體通過一個計量裝置被輸送到組件(2)，液態(tài)致冷劑先在組件(2)內(nèi)蒸發(fā)，然后再一次被吸入并通過壓縮機，在封閉的管路內(nèi)循環(huán)。
致冷劑在組件(2)內(nèi)蒸發(fā)的作用是降低了組件的表面溫度，因此當送風氣流通過組件上面時，空氣的干球溫度也隨之降低。如果表面溫度低于送風氣流的露點溫度就會發(fā)生減濕現(xiàn)象。
經(jīng)過壓縮機然后在組件(3)內(nèi)冷凝的致冷劑作用是提高組件(3)的表面溫度。從建筑物中排出的空氣流過組件(3)上面，使熱能傳入組件(3)。在氣流通過板式熱交換器組件(1)和離開組件(1)之后以及它進入組件(3)之前，用水噴淋空氣流，利用水的蒸發(fā)冷卻作用使氣流保持比熱交換器表面溫度低的溫度。
由于建筑物空間具有其受本發(fā)明的實施例的冷卻和減濕運行所控制的溫度和濕度，因此來自建筑物空間的回風與室外空氣相比處于比較低的焓值及濕球溫度狀態(tài)。回風進入組件(1)時，蒸發(fā)的水加入到回風中的過程使得回風的干球溫度更接近其濕球溫度。隨著回風通過組件(1)，由于水連續(xù)不斷地蒸發(fā)并散入到回風中，就造成與送風的溫度差，由于這一溫度差，因此當送風氣流也通過組件(1)時，形成對通風的冷卻作用。這種冷卻作用不僅可以降低送風的干球溫度，而且可以對送風減濕。
按照建筑物房間所需空調(diào)狀態(tài)，送風還需通過組件(2)進行進一步冷卻和減濕。
使蒸發(fā)散入回風的水成為來自一個收集水槽的再循環(huán)水的一部分是有利的，看成是本發(fā)明的最佳實施例中的一個組成部分。
如在本實施例中描述的，允許在組件(1)和(2)兩者或任一者中對送風的減濕所形成的水通入所述收集水槽，這也是本發(fā)明的一個組成部分，但并非主要部分。利用減濕過程所用的低焓值水來代替一般處于較高焓值的普通水源管線的水，用這種方法能量和水都能節(jié)省。實踐中還發(fā)現(xiàn)，取自減濕過程的水含有很少雜質(zhì)和鹽，這樣減少了在使用普通水源時需要控制的這些因素。
在此實施例中體現(xiàn)的本發(fā)明的另一節(jié)能優(yōu)點是，由于使用了低溫度的蒸發(fā)冷卻了的來自建筑物內(nèi)的回風，而不是建筑物外的空氣，因此冷凝致冷劑允許較低的溫度和壓力。致冷劑冷凝溫度和壓力越低，壓縮機所需要的能量就越少。
在本實施例中體現(xiàn)的本發(fā)明的另一節(jié)能優(yōu)點是，空氣-空氣能量交換器組件(1)的運行降低了進入能量交換器組件(2)之前的送風氣流的焓值。該焓值低于傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)中送風氣流的焓值，這使得在組件(2)中的蒸發(fā)致冷劑能允許相對較高的溫度和壓力。致冷劑蒸發(fā)溫度越高，壓縮機所需要的能量就越少。
本發(fā)明的另一節(jié)能優(yōu)點是能使回風氣流比送風氣流有較低的流量。已發(fā)現(xiàn)這流量不平衡的最佳值是與建筑結(jié)構(gòu)的氣密性有關(guān)。在普通建筑物，例如住宅中，實際已發(fā)現(xiàn)這種不平衡在送風與回風流量比為1.1∶1.0和1.25∶1.0之間時為最佳。應(yīng)該理解到這種不平衡使建筑物增壓，大大抵消了未經(jīng)處理的外部空氣不會需要的滲入。
通過對本發(fā)明實施例的氣體狀態(tài)在溫濕圖上的變化的分析，可以看出，滲入室外空氣的結(jié)果使得組件(2)(或任何熱泵)內(nèi)的蒸發(fā)溫度需要大大低于在相反情況下(即不滲入室外空氣)的冷卻工況所需要的蒸發(fā)溫度。而由于水(它的汽化熱較高)在回風中蒸發(fā)的作用，使得本實施例由于空氣流量的不平衡造成的對性能上的影響顯得微不足道。
在本發(fā)明的這個實施例的運行中發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的進一步節(jié)能的特點是，當由離開建筑物進入組件(1)的回風代表的空間濕度高于所需要的范圍時，僅需組件(2)和(3)中的致冷系統(tǒng)運行即可。由于空間內(nèi)的濕度處于可接受的范圍，即使當組件(2)和(3)中的致冷系統(tǒng)不需要運行時，本發(fā)明仍然能保持對溫度的控制。在大多數(shù)氣候區(qū)都有特殊的時期，該時期的環(huán)境濕度很低，需要使本發(fā)明在組件(1)內(nèi)作為開路循環(huán)致冷系統(tǒng)或間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)來運行，而無需在組件(2)和(3)內(nèi)作為閉合循環(huán)致冷系統(tǒng)來運行，這樣便相當多地節(jié)省了能量。傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)無論溫度是否超過允許的范圍都需運行。且已證明當濕度處于允許的范圍時，這樣的系統(tǒng)所需能量超過一個有效的開路循環(huán)致冷系統(tǒng)或間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)所需要能量的三倍。
本發(fā)明進一步節(jié)能優(yōu)點是，它比傳統(tǒng)系統(tǒng)提供了更高的通風率，傳統(tǒng)系統(tǒng)需要相當多的額外能量消耗在通風空氣的冷卻和減濕上。
但是剛才描述的實施例并不給建筑物提供再循環(huán)空氣。應(yīng)該理解到本發(fā)明能使建筑物空氣的一部分與外部空氣混合后再循環(huán)形成送風來運行。很清楚當送風只包括再循環(huán)風時，本發(fā)明是不適用的。
在適于應(yīng)用再循環(huán)的一部分建筑物空氣的場合，可以發(fā)現(xiàn)它也適于將室外空氣引入回風氣流中以補充組件(3)內(nèi)致冷劑冷凝所需的空氣量。
在本發(fā)明的實際應(yīng)用中已發(fā)現(xiàn)建筑物空氣的再循環(huán)很難保證最大限度節(jié)能的目的。在所描述的實施例中，根據(jù)性能試驗證明，典型應(yīng)用的場合，例如向住宅供冷時，直接與普通的、市場上可買到的風冷式熱泵相比較，在熱帶氣候條件下總節(jié)能超過45%，在溫帶氣候條件下總節(jié)能超過65%。
上述實施例的改型是使致冷回路在寒冷環(huán)境條件下能逆向運行的方案，在這種實施例中包括有致冷劑閥門，該閥門使組件(2)和(3)調(diào)換功能，從而可使加熱送風變換為冷卻送風。在這個實施例的改型中，回風中的水循環(huán)系統(tǒng)并不運行，除非水能被外部熱源有效加熱。
可以看出，回風通過空氣-空氣能量交換器組件(1)時，首先將熱量排給送風，然后將更多的能量排給在這種工況下作為致冷劑蒸發(fā)器運行的空氣-致冷劑能量交換器組件(3)。
在加熱工況，本發(fā)明的性能與傳統(tǒng)的逆循環(huán)熱泵系統(tǒng)相比較，已表明在組件(3)表面上開始形成冰并降低了其熱交換性能時的室外空氣溫度為5℃，低于傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)中冰開始形成階段的溫度。這種在結(jié)冰開始前室外空氣結(jié)霜溫度的下降在許多氣溫長時期低于7℃的地區(qū)能夠相當多地節(jié)省能量。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例的一些細節(jié)進行描述和解釋。其中圖1表示與第一個實施例相應(yīng)的空氣調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器處于冷卻工況;
圖2表示與第二個實施例相應(yīng)的空氣調(diào)節(jié)器，它也處于冷卻工況;
圖3為空氣溫濕圖;
圖4為本發(fā)明的空調(diào)器的透視圖;
圖5為該空調(diào)器的端面圖;
圖6為該空調(diào)器的側(cè)視圖;
圖7為該空調(diào)器另一端的端面圖。
附圖中，圖1為本發(fā)明的第一個實施例的示意圖，該實施例可實現(xiàn)下述功能(有些功能可同時實現(xiàn))，按照適當采用的下述功能可取得所需要的送風狀態(tài)。
a)送風或者全部為室外新風，或者部分為室外新風，部分為再循環(huán)的回風。
b)排風或者全部為回風，或者部分為回風部分為新風。
c)借助了間接水蒸發(fā)的方式用回風冷卻送風，采用或不采用熱泵冷卻，用二種或其中的一種方法實現(xiàn)這種冷卻，冷卻處理可包括減濕。
d)借助于間接水蒸發(fā)的方式冷卻和減濕，或者用空氣洗滌法減濕。
e)從回風中回收熱能加熱送風，采用或不采用熱泵12加熱，采用或不采用電熱元件、熱水盤管或其它合適的加熱裝置加熱。
f)從回風中回收的熱加熱送風，采用或不采用水噴淋法加熱和/或加濕，采用或不采用熱泵加熱，采用或不采用電熱元件、熱水盤管或其它合適的熱源加熱。
g)過濾送風。
在回風通過熱交換器(1)的二次風通道(1b)，然后通過盤管(3)的同時，送風通過熱交換器(1)的一次風通道(1a)，然后經(jīng)過盤管(2)。
風機(4)輸送送風，風機(5)輸送回風。
泵(6)使水從水槽7分別經(jīng)控制閥(10a)和(10b)到分配器(8a)、(8b)和(9)噴淋，如此循環(huán)流動。通過放水控制閥11將水排到外部裝置或水槽(7)中。
當處在冷卻工況時(如此處所描述的一樣)，壓縮機12使制冷劑通過熱交換器(2)(蒸發(fā)器)和(3)(冷凝器)的盤管循環(huán)。
當送風離開空調(diào)器經(jīng)送風管(17)到空間空間而回風從空調(diào)空間經(jīng)回風管(18)返回時，新風(室外空氣)從下部入口(14)和上部入口(15)進入，回風從出口(16)排出。
補充水通過進水管(20)流進。排水管或溢流管未畫出。
風閥(21)用來控制返回到送風中以便再循環(huán)的回風量。通常在加熱工況中回風量是有限制的。風閥(22)用來控制引入送風中的新風量。風閥23控制通過盤管(3)的新風量。用于加熱工況時，新風量也受到限制。
供水閥(25)用來控制水，使水中的有害的固體顆粒減少到有限的濃度。
空氣過濾器(26)用來控制顆粒雜質(zhì)。
線圈(27)用于在加濕或減濕過程中對水加熱或冷卻，它可以是電加熱元件，或者是蒸汽或熱水盤管，或致冷劑冷卻(或加熱)盤管。
當致冷劑系統(tǒng)容量不夠時，例如，當新風溫度很低而引起盤管3結(jié)冰時，可用加熱器28對送風加熱。這種加熱源也可以是電源或蒸汽或熱水或其它適當?shù)臒嵩础?br>圖2是本發(fā)明的第二個實施例的示意圖，但其中下述功能也可部分地同時實現(xiàn)，根據(jù)熱帶氣候特殊要求，采用適當功能以取得所需要的送風狀態(tài)。
a)送風全部為新風。
b)排風全部為回風。
c)借助于間接水蒸發(fā)方式用回風冷卻送風，采用或不采用熱泵冷卻，用二種或一種方法實現(xiàn)這種冷卻，冷卻處理時可包括減濕。
d)過濾送風。
e)回收回風中的熱加熱送風，采用或不采用熱泵12加熱。
可以看出，圖2中的部件基本上跟圖1中的部件相似，而描述卻簡化了。圖2與圖1中相同的元件所用標記相同。
風閥(21)、(22)、(23)和(24)可用來調(diào)節(jié)空調(diào)器的再循環(huán)風量、新風量及它們的混合比。
下面就圖2中加熱運行工況作扼要說明。
風機4使送風流經(jīng)熱交換器(1)的一次風道(1a)。如果需要增加濕度，可使水通過分配器噴咀(9)噴淋到一次風中(參見圖1)。在第一個實施例中，熱交換器(2)是熱泵壓縮機(12)的蒸發(fā)器盤管，而在第二個實施例中，盤管(2)卻作為冷凝器盤管，盤管(3)作為蒸發(fā)器盤管。因此閥門的配置也跟一般的逆循環(huán)空調(diào)器中一樣，在此不一一贅述?？諝庥杀P管(2)加熱，這就降低了致冷劑溫度，改進了熱泵(12)的性能系數(shù)。被加熱的空氣通過送風管(17)到空調(diào)空間，來自空調(diào)空間的回風流經(jīng)空氣-空氣熱交換器(1)的二次風道(1b)，這就預(yù)熱了一次風氣流，而回風(依然是熱的)流經(jīng)熱交換器(3)的盤管(為蒸發(fā)器運行)的上方，這就減少了在該盤管上結(jié)冰的可能性，并提高了致冷劑溫度，從而改善了熱泵12的性能系數(shù)。如同在第一個實施例中一樣，風機5將回風通過出口(16)排到大氣中。
下面將更全面具體地描述系統(tǒng)運行的細節(jié)。
從附圖可知，將圖1或2的部件進行不同組合，可得出很多實施例，以便適于特殊氣候條件下的特殊應(yīng)用。
同時從附圖中也可知，一個空調(diào)系統(tǒng)的所有功能部件基本上可以設(shè)置在一個外殼中，也可以將部件和功能元件分別裝在幾個分開的外殼內(nèi)。
圖4、5、6、7從幾個角度表示了一個典型的空調(diào)器，它是本發(fā)明的一個實施例，在此實施例中所有組件都緊湊地組裝在一個外殼中。
在AU-PS425702和US-PS4263967中，由同一發(fā)明人作為發(fā)明主題已對最佳實施例圖1和圖2中的空氣-空氣熱交換器(1)的設(shè)計作了描述，該熱交換器內(nèi)包括很多板，相鄰板相對端上的封閉裝置將板分成多室通道，每對相鄰板之間的封閉部件每隔一端跟下一對相鄰板相連。用這些板和板端部的封閉裝置設(shè)置成的通道可使二種流動液體彼此分隔開來。允許流動液體之間通過板材料進行熱交換。
組件(1)的材料是一種能抵抗液體沖擊或本身斷裂的無毒熱塑性高強塑料。由于板相當薄，而且材料的熱阻低于在板面流動的液體膜的熱阻，跟其它形式的熱交換器比較起來，它的總傳熱效果極好。
空氣-致冷劑熱交換器(2)、(3)采用傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)形式。在這類熱交換器中，金屬翅片固定在金屬管上，翅片和管都是尺寸定型、間隔布置的，以便在液體流動阻力最小和液體與液體之間能量交換最多之間進行優(yōu)化以求得最佳平衡。
最佳實施例的其它組件還包括風機、泵和壓縮機，它們都是用在傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中的標準組件，選擇的組件應(yīng)能獲得最佳效率和有關(guān)液體的最佳溫度和壓力。
性能的詳細說明(1)冷卻和減濕運行。
當來自室外的新風的絕對濕度及由空調(diào)空間內(nèi)活動引起的室內(nèi)絕對濕度的增加的總和等于或超過該空調(diào)空間所需的絕對濕度的設(shè)計值時，需要減濕。
不需要減濕時，圖1和圖2中的組件(1)、(6)、(8)連同組件(4)、(5)一起僅作開路循環(huán)制冷運行(圖2處在冷卻運行時)。
需要減濕時，附加組件(2)、(3)和(12)跟開路循環(huán)制冷組合在一起作為閉合循環(huán)制冷運行。如圖1和2所示。
空氣溫濕圖圖3表示出了典型的熱帶工況下冷卻運行中過程的組合，其中全部來自室外的新風的處理過程用ABCD線表示。A點為室外空氣的狀態(tài)，D點是居住空間內(nèi)部的空氣狀態(tài)，E點是進入空調(diào)器的回風的狀態(tài)。
線EFGH表示來自空調(diào)空間的回風處理過程，該過程一直進行到回風排出室外的狀態(tài)，即狀態(tài)點H為止。
在圖3中用過程線AB和FG表示熱交換器(1)的相鄰?fù)ǖ纼?nèi)的送風和回風同時在組件(1)中的處理過程。
回風在狀態(tài)點E離開回風管后，通過圖1中的回風管18進入空調(diào)器，并被由噴咀(8)噴出的循環(huán)水加濕。循環(huán)水從組件(1)再落進水收集槽(7)中?；仫L在組件(1)和槽(7)之間的空腔中以及在組件(1)的入口表面進行加濕的，這使得回風接近飽和狀態(tài)(一般在90%以上)，同時溫度降低到接近它的濕球溫度，如狀態(tài)點F處?；仫L通過組件(1)，直到它離開狀態(tài)點G之前，它繼續(xù)被加濕并接近飽和點?？窟@種方法，回風溫度總是低于在交替分隔的通道中與回風相鄰的送風的溫度。
在典型的熱帶氣候中，送風在A狀態(tài)點進入組件(1)，然后在B狀態(tài)點進入組件(2)，在C狀態(tài)點離開(2)時再次接近飽和，以便經(jīng)送風管(17)離開空調(diào)器而進入空調(diào)空間。
送風跟建筑物空間的空氣混合，吸收空調(diào)空間所產(chǎn)生的熱和水分而達到狀態(tài)點D。
過程線DE表示當空調(diào)空間中的空氣在回風管(18)處進入空調(diào)器前，在風管系統(tǒng)內(nèi)的吸熱過程。
回風在狀態(tài)點G離開組件(1)后，經(jīng)過噴咀(8a)和(8b)進入到組件(3)，噴咀(8b)用來噴淋部件(3)的表面。用這種方法，在回風通過組件(3)并在狀態(tài)點H離開組件(3)以便排出室外的情況下，由于對它不斷噴淋，可使回風保持低溫。
但應(yīng)注意a)圖3上的各種處理過程是熱帶氣候的典型情況下的處理過程，對大多數(shù)情況可以有不同的處理過程線，這些處理過程線同樣也說明給空調(diào)空間提供作為高溫熱源的新風，同時又沒有能量損失時，能大大節(jié)省能量。
b)送風與回風的質(zhì)量流量比可以達到1.2∶1.0(忽略對總性能的影響)，在建筑物內(nèi)的壓力增高的同時，就可抵消熱的室外新風的滲入。
c)圖3所說明的實例中，在減濕階段，從送風中冷凝而析出的水份被收集在水槽中，以便通過排風再循環(huán)，這就提高了總效率。這種冷凝一般約能提供60%的補償蒸發(fā)的用水。實際上由于冷凝水很純，水中的雜質(zhì)也維持在低的水平。
d)隨著回風通過組件(3)，熱從閉合循環(huán)制冷冷凝器傳到組件(3)，利用回風的熱狀態(tài)和加濕能達到的冷凝溫度比用傳統(tǒng)的風冷式系統(tǒng)利用環(huán)境空氣所能達到的冷凝溫度要低得多。
e)進入組件(2)的送風的熱狀態(tài)接近飽和，這就使得該盤管中的致冷劑的溫度比采用傳統(tǒng)的局部干燥系統(tǒng)的溫度高，其作用是阻止全濕熱交換器的熱流。
下面對上述冷卻、減濕運行的優(yōu)點作簡要說明a)在沒有能量損失的情況下，提供比傳統(tǒng)的通風量較高的通風量。
b)由于壓力增加，減少了滲入的空氣。
c)從減濕過程中收集冷凝液可減少能量損失，提高水的純度，減少用水。
d)將低冷凝溫度的致冷劑與高蒸發(fā)溫度的致冷劑混合，在制冷效果相同的情況下，可減少壓縮機的能量損耗。
這些優(yōu)點都是建立在熱力學和測濕法的基本原理的基礎(chǔ)上的。
本發(fā)明除上述優(yōu)點之外，總的好處是在濕度足夠低的期間內(nèi)，只要壓縮機工作，就能得到很有效的冷卻。
(2)加熱和加濕下面就加熱、加濕運行進行詳細描述在冷卻和減濕工況中已描述過的最佳實施例，在加熱、加濕工況中，通過幾個閥門(附圖中未畫出)改變致冷劑的流動方向，以致使作為致冷劑冷凝器的組件(2)能將熱傳給送風，使作為致冷劑蒸發(fā)器的組件(3)，在回風流經(jīng)它時，從回風中吸收熱。
作為逆循環(huán)送風加熱器運行的傳統(tǒng)空氣源熱泵使室外空氣從致冷劑蒸發(fā)器的上面流過。在環(huán)境溫度低于7℃的氣候下，蒸發(fā)器表面開始結(jié)冰。結(jié)果，隨著冰的加厚而直接降低了性能系數(shù)，從通常的3.0降到2.4，也就是降低了20%。性能一直降低到冰阻止空氣運動，設(shè)備必須除霜為止。通常，為了使熱氣通過新風蒸發(fā)器，可采用恢復(fù)冷卻工況的方法除霜，或用電阻元件加熱的方法除霜。在除霜和性能降低期間，需要一些可供選擇的加熱部件，如電阻元件。因此，當加熱需求量增長時，空調(diào)空間的加熱費用將會不成比例地增加。此外，對供電量的需求也急驟增長。
綜合上面對圖2的第二個實施例的描述，在加熱工況中，當熱泵作為逆循環(huán)運行時，組件(2)作為致冷劑冷凝器運行，組件(3)作為蒸發(fā)器運行，組件(3)從離開組件(1)的回風中吸收熱。
組件(1)將熱量從回風傳給送風，回風的熱平衡是這樣來實現(xiàn)的回風的一部分熱量傳給蒸發(fā)器組件(3)，另一部分熱量傳給即將進入組件(2)的送風，然后送風進入組件(2)時，由組件(2)將熱泵系統(tǒng)的熱“泵”入送風，于是送風從送風管(17)進入建筑物內(nèi)。如果需要再循環(huán)和加濕應(yīng)當將圖1所示的噴咀(9)和風閥(21)和(23)加入圖2的簡化結(jié)構(gòu)中。在加熱工況中，不必使用噴咀(8a)。
用這種方法，外界溫度在2℃以上熱泵通?？删S持不結(jié)冰。按一般般經(jīng)驗，用傳統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)，在環(huán)境空氣的溫度約低于1℃時，形成的冰相當少，因為此時新風較為干燥。
就本發(fā)明的主題而言，當系統(tǒng)在環(huán)境條件約為2℃或低于2℃運行時，使新風跟回風混合。在這種溫度狀態(tài)下，可調(diào)節(jié)圖2中的風閥(23)和(24)。采用這種方法結(jié)冰最少。
當環(huán)境空氣約為-5℃時，在組件(1)的回風通道中，回風中的冷凝物開始結(jié)冰。但在這種環(huán)境狀態(tài)下，若只讓新風(也就是新風不與回風混合)通過蒸發(fā)器組件(3)，新風經(jīng)過干燥幾乎不形成冰。
因為蒸發(fā)溫度低，必須從-5℃的環(huán)境空氣中抽取熱量，熱泵性能下降。(注意為了獲得較高的性能系數(shù)，對于這種低溫氣候條件，可考慮采用二級熱泵系統(tǒng))。
當新風溫度和組件(11)的回風通道中的回風溫度能導(dǎo)致在這些通道中結(jié)冰時，通過加熱水槽(7)中的水很容易給系統(tǒng)除霜。不僅需要給組件(1)除霜，而且也要給組件(3)除霜。大部分熱能回收到送風及蒸發(fā)器中。
水槽(7)中的水能用電阻加熱元件加熱或用太陽能集熱板中的熱水以及跟建筑物的熱水系統(tǒng)相連的熱水加熱。
作為另一種由建筑物帶來的熱，回風通道系統(tǒng)可以跟廚房和澡堂的排氣相連，或者將來源于工業(yè)生產(chǎn)過程中的其它低品位廢熱改變方向，經(jīng)過熱泵而供給送風。這些輔助熱源進一步降低了開始在設(shè)備中結(jié)霜的環(huán)境空氣溫度，本發(fā)明在收集這些能量方面有顯著的靈活性。
本發(fā)明圖1實施例進一步的特點是該實施例是一種可對送風加濕的設(shè)備，加濕時利用水槽(7)的水通過噴咀(9)進行噴淋，水槽(7)的水如前所述的在進行除霜時被加熱。
假如所有這些熱源的熱量都不夠，就需要用組件(28)進一步補充熱，以便達到空調(diào)空間所需要的溫度。
從上面所述可知，跟傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，對于溫度長時期低于7℃的氣候下，本發(fā)明可以節(jié)省大量能量，因為在所有這些運行條件下，本發(fā)明的系統(tǒng)性能系數(shù)可以保持在比傳統(tǒng)系統(tǒng)所達到的性能系數(shù)高得多的水平。此外，本發(fā)明很容易收集利用其它廢熱，這也是它的突出優(yōu)點。
應(yīng)當注意的是，需要頻繁除霜的傳統(tǒng)氣源系統(tǒng)，由于循環(huán)效率低，損失非常大，通常損失約達15%。但因為除霜可推遲到低溫下進行，損失基本上可以避免。
圖1中，在某些運行狀態(tài)下使用風閥(21)、(22)、(23)和(24)，可以幫助選擇最佳總性能，借助于這些閥門，可使一部分再循環(huán)風返回到空調(diào)空間中。
應(yīng)當懂得，當每一個可調(diào)組件的調(diào)整都是按照最佳程序進行時，對任何情況，都可獲得高效率和全部優(yōu)點。這種程序可通過微處理機實現(xiàn)。
從已有技術(shù)中了解到，在水槽中使用恒溫器，則冷卻、熱泵冷卻和減濕處理過程跟間接蒸發(fā)過程無關(guān)，水槽中水的溫度實際上就是回風的濕球溫度。為了滿足建筑物內(nèi)空調(diào)空間的需要，采用這種方法，送風的濕度基本上可得到控制，因而與送風的干球溫度無關(guān)。
還應(yīng)知道，當送風僅包括新風，排風僅包括回風，又省掉水分配器(9)和加熱器(27)和(28)時，本發(fā)明的原理就可以最簡單冷卻工況來描述。
當送風只包括新風，排風上包括回風，省略帶閥(10a)和(10b)的水分配器(8a)、(8b)，加熱器(27)、(28)以及放水控制閥11不用室外放水時，本發(fā)明的原理能以最簡單的加熱工況來描述。
在冷卻工況中，由于熱從盤管(2)中排出，盤管(2)的作用如同空氣冷卻器，盤管(3)的作用如同空氣加熱器，這與熱泵過程相一致。
在加熱工況中，由于盤管(2)吸收所需要的熱，盤管(2)的作用如同空氣加熱器，盤管(3)的作用如同空氣冷卻器，這與熱泵過程相一致。
權(quán)利要求
1.一種空調(diào)裝置，它包括位于閉合制冷系統(tǒng)中的熱泵和二個熱交換器及另一個空氣-空氣熱交換器。上述熱交換器相對于空氣氣流而言是串聯(lián)連接，用空氣葉輪裝置輸送空氣流。所述熱交換器中的第一個熱交換器是空氣-空氣換交換器，它具有送風通道和回風通道。所述熱交換器的第二和第三個熱交換器是閉合制冷系統(tǒng)中的制冷劑-空氣熱交換器。運行時，空氣葉輪裝置使空氣氣流通過第一熱交換器的送風通道，然后再通過第二熱交換器進入空調(diào)調(diào)間，從空調(diào)空間返回的回風，至少有一部分通過上述回風通道，再通過第三熱交換器，然后排到大氣中。
2.按照權(quán)利要求
1所述的空調(diào)裝置，其特征是上述第二熱交換器是閉合系統(tǒng)的蒸發(fā)器，第三熱交換器是制冷系統(tǒng)的冷凝器。
3.按照權(quán)利要求
1所述的空調(diào)裝置，其特征是所述第二熱交換器是閉合制冷系統(tǒng)的冷凝器，第三熱交換器是制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器。
4.按照上述任何一項權(quán)利要求
所述的空調(diào)裝置，其特征是所述空氣葉輪裝置包括一臺送風機和一臺回風機，送風機安裝在第一熱交換器的進氣端，以便使送風通過送風通道，來自回風通道的回風由回風機抽出。
5.按照上述任何一項權(quán)利要求
所述的空調(diào)裝置，其中還有水槽、水分配機構(gòu)和水泵，水槽位于空氣-空氣熱交換器的下方，水分配機構(gòu)包括一些位于空氣-空氣熱交換器上方的噴咀，水泵與水槽和噴咀相連，以便使水經(jīng)過空氣-空氣熱交換器的回風通道有效地噴射。
6.按照權(quán)利要求
5所述的空調(diào)裝置，有一些水分配器噴咀處在回風通道中，它們位于第三熱交換器的進氣端。
7.按照權(quán)利要求
5或權(quán)利要求
6所述的空調(diào)裝置，有一些水分配器噴咀處在送風通道中，它們位于第一熱交換器和第二熱交換器之間，上述噴咀跟水泵相連。
8.按照上述任一項權(quán)利要求
所述空調(diào)裝置，其特征在于所述送風通道具有跟送風閥相連的入口孔，該風閥位于第一熱交換器的進氣端。
9.按照權(quán)利要求
8所述的空調(diào)裝置，在上述回風和送風通道之間還有一個風閥，它可以讓來自回風通道的再循環(huán)空氣通過，而進到送風通道中。
10.一種空氣調(diào)節(jié)方法，它包括在熱泵工作致使致冷劑通過二個作用分別為蒸發(fā)器和冷凝器的致冷劑-空氣熱交換器的同時，送風通過空氣-空氣熱交換器的送風通道，再通過第二熱交換器的氣流通道而進入空調(diào)空間，而上述氣流通過上述空氣-空氣熱交換器的回風通道返回，再通過第三熱交換器而被排出，其中，第二熱交換器為熱泵閉合制冷系統(tǒng)的致冷劑-空氣熱交換器，送風和回風在空氣-空氣熱交換器中進行焓交換，第三熱交換器是上述閉合系統(tǒng)的另一個致冷劑-空氣熱交換器。
11.按照權(quán)利要求
10所述的空調(diào)方法，它包括通過上述第一致冷劑-空氣熱交換器作為閉合制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器運行來實現(xiàn)減濕和冷卻。
12.按照權(quán)利要求
11所述的空調(diào)方法，它包括用噴出的水，通過回風通道道進到空氣-空氣熱交換器下方的水槽中來冷卻回風通道中的回風，此回風來自空氣-空氣熱交換器的回風通道。
13.按照權(quán)利要求
12所述的空調(diào)方法，它包括從空氣中減濕而凝結(jié)的水再進入水槽。
14.按照權(quán)利要求
10所述的空調(diào)方法，它包括當熱交換器以冷凝器方式運行時，將送風通過致冷劑-空氣熱交換器的送風通道和致冷系統(tǒng)的第一熱交換器，來加熱送風。
15.按照權(quán)利要求
13所述的空調(diào)方法，它包括送風處在空氣-空氣熱交換器和第一致冷劑-空氣熱交換器之間的送風通道時，將水噴淋到送風中，使送風加濕。
16.參見附圖，如附圖中所描述和說明的空調(diào)裝置。一種空調(diào)方法
專利摘要
一種空調(diào)器，其送風先經(jīng)過空氣-空氣熱交換器(1)的送風通道，然后經(jīng)過第一致冷劑-空氣熱交換器(2)的上方進入空調(diào)空間，從空調(diào)空間返回的回風通過空氣-空氣熱交換器(1)，再通過第二致冷劑-空氣熱交換器(3)，然后排入大氣中。上述二個致冷劑熱交換器是閉合致冷系統(tǒng)的冷凝器和蒸發(fā)器。該致冷系統(tǒng)由熱泵壓縮機(12)驅(qū)動。
文檔編號F24F3/147GK86106807SQ86106807
公開日1987年4月29日 申請日期1986年8月29日
發(fā)明者約翰·萊斯利·格拉哈姆·麥克納布 申請人:德里康空氣控股有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan