空氣調節裝置及方法

專利名稱:空氣調節裝置及方法
本發明涉及一種空氣的冷卻、加熱及調濕的改進了的裝置和方法，以控制某一空間的空氣調節，例如住房、辦公室、飯店、醫院、工廠或倉庫等，所述裝置和方法比起熱泵中的現有技術來能大大地節省能量。
本文中“熱泵”是用于一般意義上的任何制冷系統，這種制冷系統能否用來進行空氣調節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。“送風”是通過上述裝置后進入空調空間的空氣。“回風”是離開空調空間并通過上述裝置的空氣。
根據實施例，本發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，以保持室內所需要的空氣質量和空氣運動。
建筑物中人類居住所用的空調系統的主要目的是提供一種可控制的舒適、衛生的室內環境。空調系統的的其它目的是要提供建筑物內貯存、工藝或設備運行的特殊需要。
在已給定的室內區域空調系統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”的確定的關系時，人就產生舒適感(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。
本發明描述的在居住空間內控制空氣干球溫度、濕度和空氣運動，就可得到舒適室內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，并且沒有象傳統的熱泵系統那樣在進行同一過程時，降低了除濕能力，造成能量的浪費。在本發明的這個特點中，優點分相互關聯的三個方面，它們是(1)提高了送風量(超過常規使用的風量)，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、制冷與空氣調節工程師學會的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，造成建筑物內外的溫度差減小，就使得通過建筑物圍護結構的傳熱量發生折減。傳熱量與這個溫度差是直接相關的，固此加熱量越低，冷卻系統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)而經常發生的損害建筑物內表面的情況。當送風通過分配系統進入所居住的房間時，不可避免地要直接撞擊在內墻或天花板表面上。如果這種撞擊發生在與內部空氣混合或誘導內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，使濕氣凝結在其表面上，由于建筑物表面沾污和質量增加導致結構破壞。
如果與此同時送風溫度具有相當低的露點溫度以致減少建筑物內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。
由于傳統的熱泵系統系統不能防止送風氣流中不必要的濕度低的狀態，因此就造成這些損壞情況。
本發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危險，例如產生靜電及呼吸系統疾病增加。
由于許多疾病是由于室內空氣污染造成的，最近為提供健康的環境，室內空氣質量已得到相當的科學性的注意。
最近的研究不僅發現并定量地確定了新的室內污染物質及其作用，而且更精密地檢查了已有的污染物，例如來自烹調、煙產生的污染物和自然發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、石棉纖維及燃燒產物，這些室內產生的污染物中，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境，多數環境下的室外空氣中各種污染物是少的。靠室外空氣通風，對于除去室內產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量。去除室內產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，否則在經濟上常常是不合算的。
這里描述的本發明極大地減少了加熱和冷卻通風空氣所需要的能量，除了應用在特殊污染環境中，避免了考慮室內空氣處理的要求。
申請人:對現有技術所知甚少，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。
本發明的目的是要顯著克服熱泵式空調系統中現有技術的缺陷，熱泵系統的這些缺陷是(a)無論加熱和冷卻，為提供足夠的通風空氣，確保可接受的健康的室內環境而導致的高能量損失。
(b)缺乏濕度控制，這在現有的空調系統中是有代表性的，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。在多數應用情況下，當環境溫度最低時，性能要求最高。
(e)水冷式熱泵在冷卻時，需要增加額外的設備，例如冷卻塔，來連續提供合適溫度的冷凝用冷卻水，這就增加了設備費用。
(f)用水源熱泵來加熱送風時也需增加設備，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，才不會使水發生凍結。
本發明是一種改進了的空調裝置和方法，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域內實現所需要的空氣狀態。
本發明包括至少下列三個熱交換器組件，組件(1)和組件(2)與(3)的每一個都有串聯關系。
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，僅利用溫度變化或者是結合水的冷凝或蒸發的溫度變化，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、旋轉式熱交換器、熱管、熱虹吸管或盤管環路系統。
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，水的蒸發就改變了上述氣流的濕度，并適當地改變溫度。
在本發明的典型實施例中，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。
尤其是本發明包括空調裝置，該空調裝置包括在一個封閉的制冷系統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空間，從空調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，例如空氣過濾等結合起來，而組成更復雜的實施例，根據需要，能同時完成上述功能中的一些或全部。對于所考慮的空調應用場合，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的空氣，而不是送從建筑物內抽取的空氣。
我們發現，全部送風都來自建筑物外面，建筑物內的空氣不再通過空調裝置循環返回到建筑物內的實施方式，對僅需供冷和減濕的許多空調應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，循環介質是一種鹵化致冷劑，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，循環時，壓縮機吸入已在組件(2)內蒸發了的致冷劑的氣體，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)，液態致冷劑先在組件(2)內蒸發，然后再一次被吸入并通過壓縮機，在封閉的管路內循環。
致冷劑在組件(2)內蒸發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生減濕現象。
經過壓縮機然后在組件(3)內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。回風進入組件(1)時，蒸發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)，由于水連續不斷地蒸發并散入到回風中，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狀態，送風還需通過組件(2)進行進一步冷卻和減濕。
使蒸發散入回風的水成為來自一個收集水槽的再循環水的一部分是有利的，看成是本發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省。實踐中還發現，取自減濕過程的水含有很少雜質和鹽，這樣減少了在使用普通水源時需要控制的這些因素。
在此實施例中體現的本發明的另一節能優點是，由于使用了低溫度的蒸發冷卻了的來自建筑物內的回風，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。
在本實施例中體現的本發明的另一節能優點是，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。該焓值低于傳統熱泵系統中送風氣流的焓值，這使得在組件(2)中的蒸發致冷劑能允許相對較高的溫度和壓力。致冷劑蒸發溫度越高，壓縮機所需要的能量就越少。
本發明的另一節能優點是能使回風氣流比送風氣流有較低的流量。已發現這流量不平衡的最佳值是與建筑結構的氣密性有關。在普通建筑物，例如住宅中，實際已發現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。應該理解到這種不平衡使建筑物增壓，大大抵消了未經處理的外部空氣不會需要的滲入。
通過對本發明實施例的氣體狀態在溫濕圖上的變化的分析，可以看出，滲入室外空氣的結果使得組件(2)(或任何熱泵)內的蒸發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溫度。而由于水(它的汽化熱較高)在回風中蒸發的作用，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。
在本發明的這個實施例的運行中發現，本發明的進一步節能的特點是，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)中的致冷系統運行即可。由于空間內的濕度處于可接受的范圍，即使當組件(2)和(3)中的致冷系統不需要運行時，本發明仍然能保持對溫度的控制。在大多數氣候區都有特殊的時期，該時期的環境濕度很低，需要使本發明在組件(1)內作為開路循環致冷系統或間接蒸發冷卻系統來運行，而無需在組件(2)和(3)內作為閉合循環致冷系統來運行，這樣便相當多地節省了能量。傳統的熱泵系統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，這樣的系統所需能量超過一個有效的開路循環致冷系統或間接蒸發冷卻系統所需要能量的三倍。
本發明進一步節能優點是，它比傳統系統提供了更高的通風率，傳統系統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空氣。應該理解到本發明能使建筑物空氣的一部分與外部空氣混合后再循環形成送風來運行。很清楚當送風只包括再循環風時，本發明是不適用的。
在適于應用再循環的一部分建筑物空氣的場合，可以發現它也適于將室外空氣引入回風氣流中以補充組件(3)內致冷劑冷凝所需的空氣量。
在本發明的實際應用中已發現建筑物空氣的再循環很難保證最大限度節能的目的。在所描述的實施例中，根據性能試驗證明，典型應用的場合，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能超過45%，在溫帶氣候條件下總節能超過65%。
上述實施例的改型是使致冷回路在寒冷環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，回風中的水循環系統并不運行，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器運行的空氣-致冷劑能量交換器組件(3)。
在加熱工況，本發明的性能與傳統的逆循環熱泵系統相比較，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℃，低于傳統熱泵系統中冰開始形成階段的溫度。這種在結冰開始前室外空氣結霜溫度的下降在許多氣溫長時期低于7℃的地區能夠相當多地節省能量。
下面結合附圖對本發明的實施例的一些細節進行描述和解釋。其中圖1表示與第一個實施例相應的空氣調節器，該調節器處于冷卻工況;
圖2表示與第二個實施例相應的空氣調節器，它也處于冷卻工況;
圖3為空氣溫濕圖;
圖4為本發明的空調器的透視圖;
圖5為該空調器的端面圖;
圖6為該空調器的側視圖;
圖7為該空調器另一端的端面圖。
附圖中，圖1為本發明的第一個實施例的示意圖，該實施例可實現下述功能(有些功能可同時實現)，按照適當采用的下述功能可取得所需要的送風狀態。
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這種冷卻，冷卻處理可包括減濕。
d)借助于間接水蒸發的方式冷卻和減濕，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分別經控制閥(10a)和(10b)到分配器(8a)、(8b)和(9)噴淋，如此循環流動。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)(蒸發器)和(3)(冷凝器)的盤管循環。
當送風離開空調器經送風管(17)到空間空間而回風從空調空間經回風管(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。
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。
當致冷劑系統容量不夠時，例如，當新風溫度很低而引起盤管3結冰時，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的熱源。
圖2是本發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，根據熱帶氣候特殊要求，采用適當功能以取得所需要的送風狀態。
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)可用來調節空調器的再循環風量、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)作為蒸發器盤管。因此閥門的配置也跟一般的逆循環空調器中一樣，在此不一一贅述。空氣由盤管(2)加熱，這就降低了致冷劑溫度，改進了熱泵(12)的性能系數。被加熱的空氣通過送風管(17)到空調空間，來自空調空間的回風流經空氣-空氣熱交換器(1)的二次風道(1b)，這就預熱了一次風氣流，而回風(依然是熱的)流經熱交換器(3)的盤管(為蒸發器運行)的上方，這就減少了在該盤管上結冰的可能性，并提高了致冷劑溫度，從而改善了熱泵12的性能系數。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運行的細節。
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用。
同時從附圖中也可知，一個空調系統的所有功能部件基本上可以設置在一個外殼中，也可以將部件和功能元件分別裝在幾個分開的外殼內。
圖4、5、6、7從幾個角度表示了一個典型的空調器，它是本發明的一個實施例，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，由同一發明人作為發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)的設計作了描述，該熱交換器內包括很多板，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)采用傳統空調系統中的結構形式。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，它們都是用在傳統空調系統中的標準組件，選擇的組件應能獲得最佳效率和有關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空間內活動引起的室內絕對濕度的增加的總和等于或超過該空調空間所需的絕對濕度的設計值時，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)跟開路循環制冷組合在一起作為閉合循環制冷運行。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，D點是居住空間內部的空氣狀態，E點是進入空調器的回風的狀態。
線EFGH表示來自空調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，即狀態點H為止。
在圖3中用過程線AB和FG表示熱交換器(1)的相鄰通道內的送風和回風同時在組件(1)中的處理過程。
回風在狀態點E離開回風管后，通過圖1中的回風管18進入空調器，并被由噴咀(8)噴出的循環水加濕。循環水從組件(1)再落進水收集槽(7)中。回風在組件(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(一般在90%以上)，同時溫度降低到接近它的濕球溫度，如狀態點F處。回風通過組件(1)，直到它離開狀態點G之前，它繼續被加濕并接近飽和點。靠這種方法，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狀態點進入組件(1)，然后在B狀態點進入組件(2)，在C狀態點離開(2)時再次接近飽和，以便經送風管(17)離開空調器而進入空調空間。
送風跟建筑物空間的空氣混合，吸收空調空間所產生的熱和水分而達到狀態點D。
過程線DE表示當空調空間中的空氣在回風管(18)處進入空調器前，在風管系統內的吸熱過程。
回風在狀態點G離開組件(1)后，經過噴咀(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，能大大節省能量。
b)送風與回風的質量流量比可以達到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，這就提高了總效率。這種冷凝一般約能提供60%的補償蒸發的用水。實際上由于冷凝水很純，水中的雜質也維持在低的水平。
d)隨著回風通過組件(3)，熱從閉合循環制冷冷凝器傳到組件(3)，利用回風的熱狀態和加濕能達到的冷凝溫度比用傳統的風冷式系統利用環境空氣所能達到的冷凝溫度要低得多。
e)進入組件(2)的送風的熱狀態接近飽和，這就使得該盤管中的致冷劑的溫度比采用傳統的局部干燥系統的溫度高，其作用是阻止全濕熱交換器的熱流。
下面對上述冷卻、減濕運行的優點作簡要說明a)在沒有能量損失的情況下，提供比傳統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。
這些優點都是建立在熱力學和測濕法的基本原理的基礎上的。
本發明除上述優點之外，總的好處是在濕度足夠低的期間內，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，使作為致冷劑蒸發器的組件(3)，在回風流經它時，從回風中吸收熱。
作為逆循環送風加熱器運行的傳統空氣源熱泵使室外空氣從致冷劑蒸發器的上面流過。在環境溫度低于7℃的氣候下，蒸發器表面開始結冰。結果，隨著冰的加厚而直接降低了性能系數，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，設備必須除霜為止。通常，為了使熱氣通過新風蒸發器，可采用恢復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，當熱泵作為逆循環運行時，組件(2)作為致冷劑冷凝器運行，組件(3)作為蒸發器運行，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的回風的一部分熱量傳給蒸發器組件(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)將熱泵系統的熱“泵”入送風，于是送風從送風管(17)進入建筑物內。如果需要再循環和加濕應當將圖1所示的噴咀(9)和風閥(21)和(23)加入圖2的簡化結構中。在加熱工況中，不必使用噴咀(8a)。
用這種方法，外界溫度在2℃以上熱泵通常可維持不結冰。按一般般經驗，用傳統的熱泵系統，在環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。
就本發明的主題而言，當系統在環境條件約為2℃或低于2℃運行時，使新風跟回風混合。在這種溫度狀態下，可調節圖2中的風閥(23)和(24)。采用這種方法結冰最少。
當環境空氣約為-5℃時，在組件(1)的回風通道中，回風中的冷凝物開始結冰。但在這種環境狀態下，若只讓新風(也就是新風不與回風混合)通過蒸發器組件(3)，新風經過干燥幾乎不形成冰。
因為蒸發溫度低，必須從-5℃的環境空氣中抽取熱量，熱泵性能下降。(注意為了獲得較高的性能系數，對于這種低溫氣候條件，可考慮采用二級熱泵系統)。
當新風溫度和組件(11)的回風通道中的回風溫度能導致在這些通道中結冰時，通過加熱水槽(7)中的水很容易給系統除霜。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，回風通道系統可以跟廚房和澡堂的排氣相連，或者將來源于工業生產過程中的其它低品位廢熱改變方向，經過熱泵而供給送風。這些輔助熱源進一步降低了開始在設備中結霜的環境空氣溫度，本發明在收集這些能量方面有顯著的靈活性。
本發明圖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，以便達到空調空間所需要的溫度。
從上面所述可知，跟傳統的空氣源熱泵相比，對于溫度長時期低于7℃的氣候下，本發明可以節省大量能量，因為在所有這些運行條件下，本發明的系統性能系數可以保持在比傳統系統所達到的性能系數高得多的水平。此外，本發明很容易收集利用其它廢熱，這也是它的突出優點。
應當注意的是，需要頻繁除霜的傳統氣源系統，由于循環效率低，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，可使一部分再循環風返回到空調空間中。
應當懂得，當每一個可調組件的調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點。這種程序可通過微處理機實現。
從已有技術中了解到，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過程無關，水槽中水的溫度實際上就是回風的濕球溫度。為了滿足建筑物內空調空間的需要，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。
還應知道，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。
權利要求
1.一種空調裝置，它包括位于閉合制冷系統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調間，從空調空間返回的回風，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.按照權利要求
1所述的空調裝置，其特征是上述第二熱交換器是閉合系統的蒸發器，第三熱交換器是制冷系統的冷凝器。
3.按照權利要求
1所述的空調裝置，其特征是所述第二熱交換器是閉合制冷系統的冷凝器，第三熱交換器是制冷系統的蒸發器。
4.按照上述任何一項權利要求
所述的空調裝置，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利要求
所述的空調裝置，其中還有水槽、水分配機構和水泵，水槽位于空氣-空氣熱交換器的下方，水分配機構包括一些位于空氣-空氣熱交換器上方的噴咀，水泵與水槽和噴咀相連，以便使水經過空氣-空氣熱交換器的回風通道有效地噴射。
6.按照權利要求
5所述的空調裝置，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.按照權利要求
5或權利要求
6所述的空調裝置，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.按照上述任一項權利要求
所述空調裝置，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.按照權利要求
8所述的空調裝置，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空氣通過，而進到送風通道中。
10.一種空氣調節方法，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的另一個致冷劑-空氣熱交換器。
11.按照權利要求
10所述的空調方法，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的蒸發器運行來實現減濕和冷卻。
12.按照權利要求
11所述的空調方法，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.按照權利要求
12所述的空調方法，它包括從空氣中減濕而凝結的水再進入水槽。
14.按照權利要求
10所述的空調方法，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的第一熱交換器，來加熱送風。
15.按照權利要求
13所述的空調方法，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裝置。一種空調方法
專利摘要
一種空調器，其送風先經過空氣-空氣熱交換器(1)的送風通道，然后經過第一致冷劑-空氣熱交換器(2)的上方進入空調空間，從空調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的冷凝器和蒸發器。該致冷系統由熱泵壓縮機(12)驅動。
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出引文BiBTeX, EndNote, RefMan