專利名稱：控制運行于自由冷卻模式下的空調系統的方法和系統的制作方法
控制運行于自由冷卻模式下的空調系統的方法和系統
技術領域：
本發明涉及一種空調系統。更具體地說，本發明涉及控制運行于自由冷卻模式下 的空調系統的方法和系統。
背景技術：
在空調系統的通常運行期間，空調系統運行于冷卻模式中，在這種模式中，消耗能 量而運行壓縮機以壓縮和循環制冷劑，從而以已知的方式冷卻或調節例如空氣或其它二級 回路流體(例如水或乙二醇)等工作流體。然后，被調節的工作流體能夠被用于冰箱、冷凍 器、建筑物、汽車及其它具有氣候受控制的環境的空間內。但是，當外部環境溫度低時，存在如下可能，即，外部環境空氣自身可被用于提供 對工作流體的冷卻，而不用進入冷卻模式。當外部環境空氣被空調系統用以調節工作流體 時，該系統被稱為運行于自由冷卻模式下。如上所述，通常，即使當環境外部空氣溫度低時， 空調系統也運行于冷卻模式下。在這種情況下運行于冷卻模式下提供了調節工作流體的低 效率方法。相反，在這種情況下以自由冷卻模式運行空調系統是更有效的。在自由冷卻模 式下，一個或更多通風的熱交換器及泵被起動，使得循環通過空調系統的制冷劑被外部環 境空氣冷卻，然后被冷卻的制冷劑被用以冷卻工作流體。因此，本發明確定了存在對控制具有自由冷卻模式的空調系統的方法和系統的需要。
發明內容提供了一種控制運行于自由冷卻模式下的空調系統的方法。該方法包括測量靠 近冷凝器的外部環境空氣的第一溫度；測量退出蒸發器的工作流體的第二溫度；計算所述 第一溫度和所述第二溫度之間的溫度差；將所述溫度差與預設最優值比較；以及基于所述 溫度差調整所述空調系統的能量需求。提供了一種具有自由冷卻模式和冷卻模式的空調系統。該空調系統包括冷凝器， 將制冷劑布置成與環境外部空氣呈熱交換關系；第一溫度傳感器，用于測量所述環境外部 空氣的第一溫度；蒸發器，其被配置成將所述制冷劑布置成與工作流體呈熱交換關系；第 二溫度傳感器，用于在所述工作流體退出所述蒸發器時測量所述工作流體的第二溫度；制 冷劑泵，用于在所述自由冷卻模式下泵送制冷劑；控制器，用于計算所述第一溫度和所述第 二溫度之間的溫度差，所述控制器基于所述第二差調整所述空調系統的能量需求。根據如下詳細描述、附圖及所附的權利要求書，所屬技術領域的技術人員將了解 和理解本發明的上述及其它特征和優點。
圖1是根據本發明處于冷卻模式下的空調系統的示例性實施方式。圖2是根據本發明處于自由冷卻模式下的空調系統的示例性實施方式。
圖3示出運行具有自由冷卻模式和冷卻模式的空調系統的、根據本發明的方法的 示例性實施方式。圖4是示出能力相對ΔΤ_自由冷卻以及裝置效率相對ΔΤ_自由冷卻的曲線圖。
具體實施方式本發明涉及一種具有冷卻模式和自由冷卻模式的空調系統。更具體地說，本發明 涉及控制運行于自由冷卻模式下的空調系統的效率的方法。在本發明中披露了，雖然初始 外部能量對于開始空調系統10內的自由冷卻模式是必需的，但是，在自由冷卻模式期間， 隨著外部環境空氣與工作流體之間的溫度變化達到最優值，這些能量能夠被逐漸減少。因 而能夠控制空調系統的能量效率。有利地，通過改善空調系統10的能量效率，能夠減少與 運行空調系統10相關的成本。參照附圖，尤其是參照圖1和2，示出了運行于冷卻模式(圖1)和/或處于自由 冷卻模式(圖2)下的空調系統(“系統”)的示例性實施方式，所述系統整體上用附圖標記 10標出。系統10包括壓縮機12、第一閥14、第一溫度傳感器16、冷凝器18、制冷劑泵20、第 二閥22、膨脹裝置24、第二溫度傳感器26、蒸發器28、控制器30、第三閥32、制冷劑34以及 工作流體36。冷卻模式下的系統10使用壓縮機12將制冷劑34從蒸發器28泵送至冷凝器18。 但是，自由冷卻模式下的系統10使用制冷劑泵20將制冷劑泵送通過整個系統。而冷卻模 式下的系統10在運行期間不使用制冷劑泵20，自由冷卻模式下的系統在運行期間不使用 壓縮機12。參照圖1，系統10以已知的方式運行于冷卻模式下。具體地說，控制器30與第三 閥32電連接，使得第三閥32被調整至適當的位置，使得制冷劑34能夠從蒸發器28流到壓 縮機12。如果之前系統10運行于自由冷卻模式下，則控制器30關閉制冷劑泵20，使得制 冷劑34通過第二閥22從冷凝器18流到膨脹閥24，因此繞過制冷劑泵。第二閥22是機械 止回閥。當制冷劑泵20關閉時，由于內部泵阻，制冷劑34將流過第二閥22，而不是流過制 冷劑泵。在冷卻模式下，在制冷劑泵20內具有比第二閥22更高的壓降。控制器30打開壓 縮機12。壓縮機12壓縮通過第一閥14流到冷凝器18的制冷劑34，在冷凝器18內發生制 冷劑與環境外部空氣之間的熱交換，并且制冷劑開始冷卻。在本發明的一個實施方式中，第 一閥14是止回閥。第一溫度傳感器16測量環境外部空氣的溫度。控制器30打開至少一個冷凝器風 機38和40，使得環境空氣以與制冷劑34呈熱交換關系的方式流過冷凝器，使得來自制冷劑 的熱量被轉移至環境空氣。然后，制冷劑34經過第二閥22，繞過制冷劑泵20，達到膨脹閥 24。在本發明的實施方式中，第二閥22是止回閥。當膨脹裝置24被打開時，隨著制冷劑經過膨脹裝置而達到蒸發器28，被壓縮的制 冷劑34膨脹。蒸發器28被配置成使得工作流體36流過蒸發器，使得能夠發生制冷劑34 和工作流體之間的熱交換。第二溫度傳感器26測量退出蒸發器28的工作流體36的溫度。從蒸發器28，制冷劑34經過第三閥32流到壓縮機12。在本發明的一個實施方式 中，第三閥32是三通閥。為了本發明的目的，能預料到工作流體36可以是適于允許制冷劑34和工作流體之間的熱交換的任意已知形式。例如，工作流體36可以是水或空氣。現在參照圖2，示出了運行于自由冷卻模式下的系統10。當進入自由冷卻模式時， 控制器30與系統10的多個元件電連接，所述元件中的每個被布置成適當的配置，使得該系 統能夠運行于自由冷卻模式下。例如，控制器30關閉壓縮機12并且調整第三閥32，使得制 冷劑34從蒸發器28流到冷凝器18，因此繞過了壓縮機12。控制器30打開冷凝器風機38 和40中的至少一個，使得環境空氣以與制冷劑34呈熱交換關系的方式流過冷凝器，使得來 自制冷劑的熱量被轉移到環境空氣。控制器30也打開制冷劑泵20，使得制冷劑34從冷凝 器18連續地流到制冷劑泵。制冷劑泵20將制冷劑34從冷凝器18通過膨脹閥24泵送至蒸發器28，在蒸發器 28中以與上述冷卻模式下相同的方式產生制冷劑至工作流體36的熱交換。第二溫度傳感 器26測量退出蒸發器28的工作流體36的溫度。然后，由于泵20作用而產生的自然制冷 劑移動，制冷劑流過第三閥32，繞過壓縮機12，流到蒸發器28。參照圖3，示出了運行具有冷卻模式和自由冷卻模式的系統10的方法的示例性實 施方式，并且所述方法整體上用附圖標記50示出。方法50包括自由冷卻情況確定步驟54、 可用自由冷卻能力檢查步驟56、切換步驟58、泵起動檢查步驟60、能量優化步驟64、自由冷 卻模式下運行時能力不足檢查步驟66以及泵檢查步驟68，在所述泵檢查步驟中，確定制冷 劑泵20得到緩和或產生空蝕。起初，在步驟52中，系統10或者停止，或者運行于冷卻模式下。當系統10在冷卻 模式下運行時，系統的運行如圖1中所示。優選地，方法50包括駐留在控制器30上的計算 機算法。在自由冷卻情況確定步驟54，方法50確定當前情況是否足以在自由冷卻模式下 而不是在冷卻模式下運行系統10。如果是這樣的話，則方法50確定是否有足夠的自由冷卻 能力56用于系統10運行于自由冷卻模式。如果在步驟56確定有足夠的能力使系統10運 行于自由冷卻模式，則在切換步驟58系統切換到自由冷卻模式。如前所述，當系統10在步驟58切換至自由冷卻模式時，控制器30與空調系統10 的多個部件電連接，使得每個部件均進入自由冷卻的正確位置。在起動步驟60起動制冷劑 泵20之后，以步驟62系統10開始運行于自由冷卻模式。當在步驟62系統10開始運行于 自由冷卻模式時，系統如圖2中所示運行。要開始系統10中的自由冷卻模式則需要初始外部能量。至少冷凝器18的動力風 機38和40以及動力制冷劑泵20需要初始外部能量。但是，本發明已經確定，由于在能量 優化步驟64模式50/控制器30監測外部環境空氣和工作流體36之間的溫度差，所以，在 自由冷卻模式期間能夠減小動力風機38和40以及制冷劑泵20起初所需要的能量。當系統10在步驟62運行于自由冷卻模式，因而方法50及控制器30不斷地監測 分別在第一溫度傳感器16和第二溫度傳感器26所測得的第一溫度和第二溫度，并計算二 者之間的差。所述差通過從第二溫度減去第一溫度而計算得到。當所計算的第一溫度和第 二溫度之間的差達到最優預定值時，在步驟64，控制器30減小由系統10消耗的外部能量的 量。在本發明的一個實施方式中，在步驟64，當所計算的第一溫度和第二溫度之間的 差達到最優預定值時，方法50/控制器30將關閉冷凝器風機38或40，或者將兩個風機均關閉。在本發明的第二實施方式中，在步驟64，當所計算的第一溫度和第二溫度之間的 差達到最優預定值時，方法50/控制器30控制冷凝器風機38或40的速度，或者控制兩個 風機的速度。在本發明的第三實施方式中，在步驟64，當第一溫度和第二溫度之間的差達到優 化預定值時，方法50/控制器30將控制制冷劑泵20的運行。控制器30通過在需要時打開 和關閉制劑泵20和/或通過控制制冷劑泵的速度來進行此控制。在另一實施方式中，當所計算的第一溫度和第二溫度之間的差達到最優預定值 時，在步驟64，方法50/控制器30控制例如泵或風機(圖1及圖2)等工作流體推進器72 的運行。控制器30通過在需要時打開或關閉工作流體推進器72和/或通過控制所述推進 器的速度來進行此控制。當系統10在步驟62運行于自由冷卻模式時，在步驟66，方法50/控制器30連續 地監測是否存在足夠的可用能力來繼續運行于自由冷卻模式下。方法50/控制器30通過 步驟68還連續地監測制冷劑泵20是否得到緩和或產生空蝕。如果或者在步驟66確定可 用能力不足和/或在步驟68確定制冷劑泵20得到緩和/產生空蝕，則在切換步驟70系統 將切換到冷卻模式。這時，系統10切換到冷卻模式并且如圖1中所示運行。現在參照圖4，示出了具有四風機冷凝器18的空調系統10能力和效率的曲線圖。 可以看出，以千瓦的形式將能力標印于左側的Y軸上，裝置效率標印于右側的Y軸上，外部 環境空氣和工作流體36之間的溫度差(以攝氏度的形式)標印在X軸上(稱為ΔΤ_自由 冷卻。C )。如在此示例中的應用，術語“充分通風”意思是所有四個冷凝器風機均全速運行， 而術語“部分通風”意思是僅兩個風機全速運行。如圖4中所示，第一溫度和第二溫度之間的最優差為約17. 5攝氏度。能力80示 出當運行于部分通風情況時系統10的能力。能力82示出當運行于完全通風情況時系統10 的能力。可以看出，當Δ Τ_自由冷卻達到17. 5攝氏度時，部分通風和完全通風空調系統的 能力之差變小。在17. 5攝氏度，以及對于更大的Δ Τ_自由冷卻值，完全和部分通風空調系 統之間的能力幾乎相同。因而，在此實施方式中，步驟64的最優預定值是17.5攝氏度。但 是，應當了解，根據系統10的一個或更多變型，最優預定值也能夠大于或小于17. 5攝氏度。效率84代表運行于完全通風情況下的系統10的效率。效率86代表運行于部分 通風情況下的系統的效率。可以看出，當Δ Τ_自由冷卻達到17. 5攝氏度時，在運行于部分 通風而不是完全通風的情況下，大大改善了系統10的效率。有利地，圖4清楚地示出，當達到了第一溫度和第二溫度之間的差的最優值時，不 僅在運行兩個或四個冷凝器風機的情況下系統10的能力保持相同，而且在運行兩個風機 而不是四個機機時很大程度上增加了系統的效率。應當注意，術語“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”等在此可用于修飾不同的元件。 除非具體說明，這些修飾語并不意味著被修飾的元件的空間、序列或分級次序。雖然參照一個或更多示例性實施方式描述了本發明，所屬技術領域的技術人員將 可了解，在不脫離本發明的范圍的情況下，可以做出多種變型，并且等同物可用以替代其中 元件。另外，在不脫離本發明的范圍的情況下，可以做出許多改型來使具體的情況或材料適 于本發明的教示。因此，意在本發明并不局限于披露為所預料到的最佳模式的具體實施方
7式，而是本發明將包括落入所附權利要求書的范圍內的所有實施方式。
權利要求
一種控制運行于自由冷卻模式下的空調系統的方法，包括測量靠近冷凝器的外部環境空氣的第一溫度；測量退出蒸發器的工作流體的第二溫度；計算所述第一溫度和所述第二溫度之間的溫度差；將所述溫度差與預設最優值比較；以及基于所述溫度差調整所述空調系統的能量需求。
2.如權利要求1所述的方法，其中，測量所述第一溫度包括控制第一溫度傳感器以確 定所述第一溫度，并且測量所述第二溫度包括控制第二溫度傳感器以確定所述第二溫度。
3.如權利要求1所述的方法，其中，調整所述能量需求包括在所述自由冷卻模式期間 間斷地關閉和打開至少一個冷凝器風機。
4.如權利要求1所述的方法，其中，調整所述能量需求包括在所述自由冷卻模式期間 改變至少一個冷凝器風機的速度。
5.如權利要求1所述的方法，其中，調整所述能量需求包括在所述自由冷卻模式期間 間斷地關閉和打開制冷劑泵。
6.如權利要求1所述的方法，其中，調整所述能量需求包括在所述自由冷卻模式期間 調整制冷劑泵的速度。
7.如權利要求1所述的方法，其中，調整所述能量需求包括在所述自由冷卻模式期間 間斷地關閉和打開工作流體推進器。
8.如權利要求1所述的方法，其中，調整所述能量需求包括在所述自由冷卻模式期間 調整工作流體推進器的速度。
9.如權利要求1所述的方法，其中，所述預設最優值約為17.5攝氏度。
10.如權利要求1所述的方法，其中，所述計算和比較步驟通過駐留在所述空調系統的 控制器上的軟件程序執行。
11.一種具有自由冷卻模式和冷卻模式的空調系統，包括 冷凝器，將制冷劑布置成與環境外部空氣呈熱交換關系； 第一溫度傳感器，用于測量所述環境外部空氣的第一溫度；蒸發器，其被配置成將所述制冷劑布置成與工作流體呈熱交換關系； 第二溫度傳感器，用于在所述工作流體退出所述蒸發器時測量所述工作流體的第二溫度；制冷劑泵，用于在所述自由冷卻模式下泵送制冷劑；控制器，用于計算所述第一溫度和所述第二溫度之間的溫度差，所述控制器基于所述 第二差調整所述空調系統的能量需求。
12.如權利要求11所述的空調系統，進一步包括多個冷凝器風機，用于使所述環境外 部空氣循環通過所述冷凝器。
13.如權利要求12所述的空調系統，其中，所述控制器通過在所述自由冷卻模式期間 間斷地關閉或打開所述多個冷凝器風機中的至少一個來調整所述能量需求。
14.如權利要求12所述的空調系統，其中，所述控制器通過在所述自由冷卻模式下改 變所述多個冷凝器風機中的至少一個的速度來調整所述能量需求。
15.如權利要求11所述的空調系統，其中，所述控制器通過在所述自由冷卻模式期間間斷地關閉或打開制冷劑泵來調整所述能量需求。
16.如權利要求11所述的空調系統，其中，所述控制器通過在所述自由冷卻模式期間 改變所述制冷劑泵的速度來調整所述能量需求。
17.如權利要求11所述的空調系統，進一步包括工作流體推進器，用于使所述工作流 體運動經過所述蒸發器。
18.如權利要求17所述的空調系統，其中，所述控制器通過在所述自由冷卻模式期間 間斷地關閉或打開所述工作流體推進器來調整所述能量需求。
19.如權利要求17所述的空調系統，其中，所述控制器通過在所述自由冷卻模式期間 改變所述工作流體推進器的速度來調整所述能量需求。全文摘要
一種控制運行于自由冷卻模式下的空調系統的方法，包括測量靠近冷凝器的外部環境空氣的第一溫度；測量退出蒸發器的工作流體的第二溫度；計算所述第一溫度和所述第二溫度之間的溫度差；將所述溫度差與預設最優值比較；以及基于所述溫度差調整所述空調系統的能量需求。
文檔編號F25D17/02GK101918776SQ200680056921
公開日2010年12月15日 申請日期2006年12月27日 優先權日2006年12月27日
發明者J·-P·古, J·謝塞, P·德佩奇 申請人:開利公司