乾燥製冷除溼系統的製作方法
2023-05-21 00:43:06
專利名稱：乾燥製冷除溼系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種空調除溼設備，尤其是一種空氣調節方法和使用乾燥劑輪技術的裝置。
背景技術：
眾所周知，傳統的空調設計不太適合於同時處理建築空間內的溼負荷和溫度負荷。典型地，建築空間中的溼負荷的主要來源是來自將外部補充空氣送入該空間的需求，其原因是該外部補充空氣通常具有比建築內所需的含溼量更高的含溼量。在傳統的空調系統中，空調單元的製冷量由此設計成在峰值溫度設計工況下符合潛熱(溼度)和顯熱(溫度)條件。當存在足夠的冷需求時，獲得了合適的除溼能力。但是，在包圍空間上的溼負荷不直接隨著溫度負荷變化。即，在早晨和夜晚時間，室外的絕對溼度近似與更高溫度的正午時段相同。在那時，在所述空間中經常沒有冷卻需要，並且由此不會進行除溼。因此，現有的空調系統對於這些狀況來說設計得較差。這些狀況有時會在建築物中導致不舒適的情況，並且能在建築物和其管道中導致黴的形成或者其它微生物的形成，引發所謂的病態建築綜合症。為了解決這些問題，ASHRAE標準草案(ASHRAE Draft Standard)62-1989推薦增加使用補充空氣量，並且推薦對風道系統中的相對溼度進行限制。如果正確地遵循該標準，實際上導致獨立於冷需求以外的對甚至增大的除溼能力的需求。
已經給出了多種方案來解決該問題。作為「能量回收通風器(ERV)」公知的一種方案利用傳統的乾燥劑塗敷焓輪將來自補充空氣流的熱量和溼氣傳遞給排出的空氣流。這些設備在減少溼負荷上是有效的，但需要排出空氣流的體積幾乎等於補充空氣流的體積，以便高效實施。由於夏季供送空氣的絕對溼度總是高於返回空氣，ERV也只能減少負荷。在未在建築中有效除溼的同時，由於進入系統的溼氣超過在排氣流中離開的溼氣，因此空間內的溼度將上升。然而，ERV的安裝和運行相對便宜。
其它現有技術的系統使用所謂的冷卻/再熱設備，其中首先將室外的空氣冷卻到對應於所需建築內露點的溫度。然後將該空氣再熱到所需的溫度，最經常的是利用天然氣加熱器進行再熱。偶爾也利用來自製冷劑冷凝器系統的熱量對被冷卻除溼的空氣流進行再熱。因為在夏季必須對空氣進行過度的冷卻，隨後對該空氣進行不經濟的加熱，這種冷卻/再熱設備相對昂貴並且效率低。
已經給出了利用乾燥劑冷卻系統的第三種現有技術，其中首先利用乾燥劑輪等對來自大氣的供送空氣進行除溼，然後利用熱交換器對該空氣進行冷卻。來自該空氣的熱量通常被傳遞給再生空氣流並且用來滿足一部分乾燥劑再生能量需求。補充空氣被直接送入空間，或者可選地利用直接或間接蒸發裝置或者通過更傳統的製冷劑型空調設備被加以冷卻。利用來自空調區域內或者外界空氣的第二空氣流使乾燥劑輪再生。在第二空氣流的溫度升高到要獲得對供送空氣流的合適除溼量所需的高水平溫度150°F至350°F之前，通常該第二空氣流用來從處理空氣收集熱量。該類型的乾燥劑冷卻系統可設計用來提供非常緊密和獨立的溼度和溫度控制，但其安裝通常比傳統的系統更昂貴。這些系統的優點在於這些系統依賴於使乾燥劑材料再生的熱量的低成本源。
授權給Meckler的美國專利3401530，Carlton的5551245以及Maeda的5761923公開了其它的混合設備，其中首先經由製冷系統對空氣進行冷卻，然後利用乾燥劑除溼。但在所有這些公開內容中都需要高再生溫度來使乾燥劑充分再生。為了獲得這些高溫，需要雙製冷劑迴路將再生溫度增大或者提升到高於140°F。在Meckler的專利中使用來自發動機的廢熱，而不是冷凝器的熱量。
授權給Northrup的美國專利4180985公開了一種使用製冷劑冷凝熱量再生乾燥劑輪或帶的設備。在該Northrup系統中，在空氣已經被乾燥之後，製冷劑迴路冷卻該空氣。
發明內容
在我們的原案申請No.08/795818中所述的發明尤其適於處理溼工況下的外界空氣並將之提供到空間中性工況，其中該溼工況例如在美國南部和東南部以及亞洲國家是典型的。該工況限定為ASHRAE舒適區工況，並且通常包括73-78°F、55-71gr/lb含溼量或者大約50％相對溼度範圍的工況。尤其是，該系統能夠處理85-95°F、130-145gr/lb含溼量之間的空氣，並使其降低到ASHRAE舒適區工況下。但是，該系統也可在這些工況以上或者以下的工況下工作，例如在65-85°F或者95°F以上、90-130gr/lb或者145-180gr/lb含溼量的工況。
與傳統的技術相比，原案申請的發明顯著優於用來從外界空氣產生室內空氣舒適區工況下的空氣的可選技術。最顯著的優點是能耗低。即，在乾燥劑輔助下處理空氣所需的能量比在前述冷卻技術中所使用的能量少25-45％。所述系統使用與旋轉的乾燥劑輪相結合的傳統製冷劑冷卻系統。該製冷劑冷卻系統包括傳統的冷卻盤管、冷凝器盤管和壓縮機。設置了用於抽吸供送空氣流的裝置，該供送空氣流優選的是一經過製冷系統的冷卻盤管以便使該氣流的溼度和溫度減小到第一預定溫度範圍的室外氣流。如此冷卻的供送空氣流然後穿過旋轉的乾燥劑輪上的一部分，從而使該氣流的含溼量減少到預定的溼度水平，並且使該氣流的溫度增高到一第二預定溫度範圍。所述溫度和溼度範圍都在舒適區內。該空氣然後被送入包圍區域。所述系統還包括通過使再生氣流穿過該乾燥劑輪而使乾燥劑輪再生的裝置，該氣流通常來自外界空氣源，經過製冷系統的冷凝器盤管，從而其溫度增大至一第三預定溫度範圍。如此被加熱的再生空氣穿過可旋轉的乾燥劑輪的另一部分以使該輪再生。
本發明的目的是在任何環境條件下處理外界供送空氣，並使之獲得焓值更低的實際更幹或更冷的溼度工況。
本發明的另一目的是提供一種基於乾燥劑的除溼和空氣調節的系統，該系統的製造和運行成本相對較低。
本發明的再一目的是在從返回空氣流回收熱焓的同時加熱補充空氣。
本發明的又一目的是提供一種基於乾燥劑的空氣調節和除溼系統，該系統使用單個、多個和/或可變壓縮機，所述壓縮機在產生穩定運行工況和提高能量節省的可能最高吸氣壓力下運行。
本發明的另一目的是利用來自建築物的排氣作為再生空氣源。該空氣將處於基本低於全年中一部分時間的環境空氣的絕對溼狀態下。利用該空氣並且附加來自冷凝器盤管的熱量，將對處理空氣的除溼產生更好的滲透效果(sink)。
根據本發明的一個方面，本發明的系統包括空氣調節或者製冷迴路，該迴路包含有冷凝盤管、冷卻或蒸發盤管以及壓縮機和乾燥劑輪，具有接收來自所述製冷迴路中的冷卻盤管的供送空氣的第一部分，以便選擇性地乾燥所述供送空氣。再生空氣通道在乾燥劑輪旋轉通過該再生空氣通道時，將再生空氣送入該乾燥劑輪的第二部分。根據本發明，調整該系統以在入口工況及體積的一寬範圍上從乾燥劑輪的處理部分提供一恆定的出口空氣工況。優選地，所述系統使用可變壓縮機，所述壓縮機的輸出可響應在系統中預定點上的空氣或製冷劑工況而變化。在一個實施例中，所述系統可以在從只供送新風至供送同時被冷卻和除溼的空氣的多種不同的模式下運行。另外還提供了一種用於本發明系統的特別簡單和便宜的殼體結構。
本發明的上述和其它目的、特點和優點將在下面對其示例性實施例的詳細說明中變得明了，該說明結合以下附圖加以閱讀，其中圖1、1A和1B是示意圖，示出了本發明的基礎系統的第一實施例；圖2是焓溼圖，示出了由圖1中的實施例獲得的循環；
圖3是焓溼圖，示出了利用不同的控制系統由圖1中的實施例獲得的循環；圖4是示意圖，示出了本發明的另一實施例，該實施例適於處理補充空氣和從返回空氣流中回收熱焓；圖5是焓溼圖，示出了利用圖4中的系統在單冷卻的模式下獲得的循環；圖6是焓溼圖，示出了利用圖4中的系統在單除溼的模式下獲得的循環；圖7是焓溼圖，示出了利用圖4中的系統在除溼和冷卻模式下獲得的循環；圖8是焓溼圖，示出了在焓交換模式下利用圖4中的系統獲得的循環；圖9是焓溼圖，示出了在新風交換模式下利用圖4中的系統獲得的循環；圖10是示意圖，示出了與圖1中的實施例類似、但使用兩個壓縮機的一實施例；圖11是用於圖10中的系統的蒸發器交叉曲線圖；圖12是類似於圖1的示意圖，示出了使用再生溫度控制方案的本發明的另一實施例；以及圖13是示意平面圖，示出了與圖1中的系統一同使用的殼體結構。
具體實施例方式
現在詳細參見附圖，首先參見圖1，該圖示出了根據本發明的簡化的空調除溼系統10，該系統使用製冷劑冷卻系統和旋轉的乾燥劑輪除溼系統。該系統是在我們的原案申請中公開的系統的細化。在這種情況下，該系統獲取在任何環境狀態下的空氣，並將其處理到具有低焓值的實際任何更乾燥、更冷的溼度狀態。
在系統10中，製冷劑冷卻系統包括製冷劑冷卻迴路，該迴路包含用於在連接製冷劑管線29中所承載的液體/氣體製冷劑的至少一個冷卻或者蒸發器盤管52、至少一個冷凝器盤管58和壓縮機28。在使用中，來自大氣的供送空氣由吹風機50通過管道系統51等抽取，經過製冷系統的冷卻盤管52，在該冷卻盤管處，該供送空氣的溫度降低並且被稍微除溼。從該處開始，該空氣穿過轉動的乾燥劑輪55的處理部分54，空氣在該處溫度升高並且被進一步除溼。然後將該空氣送入包圍區域或者空間57中。
除溼系統的乾燥劑輪55是公知的結構，並且在再生部分60中從管道61接收再生空氣並且通過管道62排出該再生空氣。輪55藉助於由吹風機56抽取並經過空調系統的冷凝器盤管58的外界空氣得以再生。該外界空氣流在經過冷凝器盤管時被加熱，然後被送到再生部分60以使乾燥劑再生。再生空氣由吹風機56抽入所述系統並排到大氣中。
在該實施例中，壓縮機28是可變容量的壓縮機，並且優選地是帶有滑閥的無級可調螺杆式壓縮機。本領域中已知在這種壓縮機中穿過螺杆的體積可通過調整滑閥來改變，由此改變進入螺杆的氣體體積。這樣改變了壓縮機的輸出容量。可選地，可以使用時間成比例(timeproportioned)渦旋壓縮機、變速渦旋或活塞式壓縮機來循環管線29中的製冷劑通過包括膨脹閥31的閉合系統，該膨脹閥31位於冷凝器盤管58和蒸發器或者冷卻盤管52之間。
已經發現，通過在製冷系統中使用單個非可變壓縮機，壓縮機做功比需要的要多，同時結果是超出了系統所需的設定點。通過使用所述的可變壓縮機，系統能夠調整以在入口空氣工況和體積的一個範圍內提供恆定的出口工況。即，響應一種或者多種工況對壓縮機的運行進行控制。因此，例如技術人員可以通過調整壓縮機的容量來保持離開乾燥劑輪的所需可使用和可選擇的溼度工況。
這種調整可以通過使用多於一個的壓縮機或者可變壓縮機來實現，所述壓縮機例如為Copeland出產的時間成比例壓縮機、或者使用同步電機的變頻壓縮機，所述電機的速度可通過改變對該電機的赫茲輸入而變化，從而導致工作輸出的變化。
上述製冷系統可被調整或者控制，以便在入口工況和體積的一個範圍內提供恆定的出口工況。允許系統用於補充空氣的應用，以滿足通風、加壓或者空氣品質的要求(例如在餐館中需要補充空氣來更換廚房排出的空氣)。這種對所輸送的補充空氣體積的控制可依賴於壓力(通過將壓力傳感器用於潔淨房間等)、CO2含量(通過使用CO2傳感器)以便控制質量，或者基於佔用情況(使用房間溫度傳感器)。這種傳感器將控制補充空氣體積，利用公知的技術控制例如吹風機50的速度或者管道51中的空氣轉向閥(未示出)。該系統利用可變壓縮機還能調整以適應由補充空氣附加導致的溫度或者溼度的變化，從而保持所需的環境條件。
根據本發明，可以將送入包圍區域或空間57的供送空氣的所需供送空氣溫度和溼度水平保持在上述ASHRAE舒適區內。從這些溫度和溼度條件可以確定相應的溼球溫度，確立在圖2中的焓溼圖上以點3表示的所需工況。該溼球溫度用作供送空氣的冷卻和乾燥的目標設定點(不管其是單獨返回空氣，還是與上述補充空氣混合)。利用壓縮機28的可變容量，冷卻盤管52的容量受控以使離開該冷卻盤管的供送空氣溫度保持在該空氣經過乾燥劑輪的處理部分54之後將獲得點3的工況的溫度。該溫度將稍微低於所需供送空氣的計算溼球溫度。因此，如圖2所示，通常具有65°F與95°FDBT之間或者以上的溫度範圍以及90-180gr/lb含溼量的供送空氣在95°F幹球溫度(「DBT」)、78.5°F溼球溫度(「WBT」)和120gr/lb含溼量下進入冷卻盤管52(圖2中的點1)。當空氣穿過盤管52，該空氣的狀態沿著圖2中的虛線從點1在相對恆定的溼度下移動，直到到達飽和狀態，然後其溼度與溫度一起沿著飽和線朝向點2降低，在點2處，該空氣在50°-68°DBT和30-88gr/lb含溼量的飽和工況下離開盤管，在此處為61°DBT和80.4gr/lb。該空氣然後進入乾燥劑輪的處理部分54。當該空氣穿過所述輪，所述空氣沿著溼球線(等焓線)的近似路線被絕熱地(等焓地)乾燥和加熱。該空氣進一步被乾燥到68-81°FDBT、50-65°FWBT、30-88gr/lb含溼量的離開工況，在此處為77°FDBT、61.5°FWBT、57gr/lb含溼量的點3。當然應該明白，壓縮機響應於在圖1中的點C處離開冷卻盤管的空氣溫度而運行，以便獲得所需的最終空氣溫度。
從點2到點3的下行線的長度取決於輪55的再生條件。根據本發明，使再生空氣溫度上升以沿著溼球線提供更長的路線，即更幹，並且該再生空氣溫度降低以提供更少的移動，即更小程度的乾燥。以這種方式可以獲得對所述輪的適合的乾燥，從而供送空氣的離開狀態(點3)將與想要的設計工況相同。
正如將要明了的，給定來自冷卻側設定點的需求容量，冷凝盤管58將需要根據在點E(圖1)處的工況，向進入該盤管的環境空氣流釋放變化數量的熱量。在點E處進入的該可變熱流將在正常條件下導致進入輪55的不受控再生溫度F。根據本發明，通過盤管58的空氣流的體積通過使用旁通或者排風扇70而改變，從而獲得了適合的進入輪55的再生溫度。為了控制進入所述輪的空氣溫度，可通過感測進入所述輪的空氣溫度並且控制風扇70以選擇性地增加或者減少由抽風機56抽吸通過盤管58的空氣體積來實現。然後任何不需要的空氣被風扇70排出到大氣中。增大氣流以降低溫度，減小氣流以升高溫度。剩餘的空氣然後被抽吸通過所述乾燥劑輪，以便提供合適的乾燥劑乾燥度，該乾燥劑乾燥度是獲得所需乾燥結果，即從圖7中的點2移動到點3所需要的。當保持所述再生溫度所需的空氣量超過再生乾燥劑總量所需的氣流時，通過排出經過盤管58的過量的空氣，而通過不使增加的氣流經歷與乾燥劑輪相關的壓力降來節省了能量。這也意味著可以使用更小的抽風機56。
該系統允許壓縮機28在獲得離開空氣狀態、即空氣離開輪55的溫度所必需的最高的吸入壓力下工作。當在這種情況下，壓縮機以可能產生想要結果的最小壓力比運行。因此，循環的性能最大化，減少了能量的損耗。
當需要獲得額外的顯熱冷卻時，可以使用二次冷卻盤管52』來進一步冷卻離開所述乾燥劑輪的空氣。可以給該盤管供送來自同一壓縮機28的製冷劑。如圖1A和1B所示，該附加的盤管52』可以放置在吹風機50的任一側上。在圖1A所示的位置，盤管52』使得供送空氣溫度在供送空氣穿過吹風機50而在空氣溫度中出現些微的升高之後降低。在圖1B所示的位置，在源自風機的溫度升高無關緊要的情況下，盤管52』位於吹風機50的上遊。由於冷卻盤管在風扇的吸入側運行得更高效，因此該情況是增加的吹風機熱量不是影響因素的優選實施例。
作為上述控制系統的替代，也可以在不計算溼球溫度的同時，通過控制設備的冷卻側的容量來為空間提供所需的冷卻容量，即利用所需的空間溫度控制壓縮機，並使系統的冷凝側相應地調整。在這種情況下，抽吸穿過冷凝器58的空氣體積在可接受冷凝壓力範圍內受控，以獲得所需的再生溫度，並且由此還獲得了所需的再生能力。所述再生溫度增大以減小出口的含溼量，該再生溫度降低以在可接受的壓力範圍內降低乾燥能力。該系統如圖3所示，其中在95°FDBT、78.5°FWBT、120gr/lb下的環境空氣進入冷卻盤管。當該空氣穿過冷卻盤管直到飽和的50°F、64.6gr/lb的點2時，該空氣沿著虛線到達飽和曲線。該空氣然後進入乾燥劑輪的處理部分54。當該空氣穿過所述輪，該空氣沿著溼球線的近似路線被絕熱地乾燥和加熱，到達作為其離開狀態的69°FDBT、52°FWBT、30gr/lb下的點3。如上所述最小化和控制預冷卻溫度及再生溫度的結合效果獲得了位於ASHRAE舒適區中的目標離開工況。
沿著溼球線行進的長度取決於再生條件。如上所述，增大再生溫度以提供沿著該線更長的路線，或更幹，並且減小該再生溫度以產生較小程度的乾燥。在首先描述的可選的控制系統中，顯熱冷卻能力增大來使設備提供對所述空間的冷卻。
圖13示出了根據圖1的空調/除溼單元10的示意圖，其中組件標有相同的附圖標記。從中可見，單元10被包納在殼體100中，其布局使得不需要上述的管道系統51、61。殼體10是矩形盒狀結構，該結構限定出由內壁102分成增壓室部分104、106的內部增壓裝置100。乾燥劑輪可旋轉地安裝在壁102中，從而該乾燥劑輪的處理部分或者扇區54位於增壓室104中，並且其再生部分60位於增壓室106中。吹風機70位於增壓室106的一側108以通過相對側110中的孔(未示出)經過(over)和穿過(through)盤管58抽吸供送空氣。該空氣流過壓縮機28以冷卻該壓縮機，並且通過壁108中的孔被排出到大氣中。
吹風機50靠近輪55的處理部分在增壓室104中定位，位於由壁114在增壓室104中限定的副增壓室112中。吹風機50通過端壁116中的開口(未示出)經過和穿過蒸發器盤管52抽吸供送空氣，然後該供送空氣通過處理部分54進入增壓室112。供送空氣從該處通過副增壓室112的壁110中的開口(未示出)排出到通向包圍區域57的各管道系統的包圍區域中。
吹風機56鄰近乾燥劑輪的再生部分54的下遊側安裝在增壓室106中。擋板或者其它分隔或通道裝置118鄰近輪55設置在增壓室106中，並且朝向壁108延伸一段距離。如上所述，吹風機56抽取一些離開盤管58的空氣穿過乾燥劑輪的再生部分60以使該輪再生。擋板118防止離開所述輪的空氣再次流回所述輪附近。該空氣然後與由風扇70從增壓室排出到大氣的空氣混合，或者該空氣可以被單獨用管道全部或者部分地引導到供送空氣管線。
所述結構的多個優點包括具有緊湊的尺寸，不需要管道系統，冷凝器和再生風扇/吹風機的馬力減小。該結構還不需要在冷凝器迴路上使用任何防逆通風百頁(anti-back draft louver)。
本發明的另一實施例在圖4中示出。在該實施例中，系統適於處理補充空氣並且從返回空氣流中回收熱焓。返回空氣在佔用容量引發對空間補充空氣的高需求而導致提供新風的應用中通常是可獲得的，並且在所述應用中不需要大量的空氣用於為使滲透負荷最小化的空間加壓。這種類型的設計通常用於不需要將溼度控制到低於正常水平(在超市和溜冰場中需要這樣，在這些地方可以看到更低溼度工況對能量和質量的益處)的學校、劇院、舞臺和其它商業空間。而且這種大型空間使用大量的空氣，這些空氣具有相當大的熱值。
本實施例的系統80包括用於處理室外環境供送空氣流A的冷卻盤管52，該盤管52之後是乾燥劑輪55和用於將該供送空氣流輸送到空間或者包圍區域中的吹風機50。該氣流組成補充空氣。蒸發器或者冷卻盤管52與多個直膨(DX)製冷劑壓縮機迴路相連。這在圖4中以兩個盤管52、52』以及其相聯的壓縮機28、28』示出。但是應該明白，包含盤管52和壓縮機28的冷卻迴路可以包括多於兩個的可獨立運行的迴路，所述迴路包括獨立的盤管和壓縮機。
第二或者再生空氣流E被從空間82抽出，並且其數量近似等於第一空氣流A中的補償空氣的50％～100％。該空氣首先流過冷凝器盤管58，然後通過乾燥劑輪55的再生部分，並且從包圍區域排出到周邊環境中。用於該系統的製冷迴路設計成冷凝器中散出(即放棄)至空氣流的所需熱量不超過第二空氣流在其返回空氣溫度與近似130°F的最大製冷迴路冷凝溫度之間的熱量承載能力。來自盤管58的製冷劑然後用來冷卻第一(送入)空氣流。
如圖4所示，一個或更多個額外的壓縮機與供送空氣流的冷卻盤管相連。這些壓縮機的大小設計成提供額外的冷卻能力，以便使環境補充氣流從環境工況下降到57-63°F。這些額外的冷卻迴路具有自己的冷凝迴路，這些冷凝迴路將熱量直接排放到周邊環境中。這在圖4中在冷凝器58』處示出，該冷凝器處理經過該冷凝器由風扇70抽取的環境空氣。
在該實施例中，乾燥劑輪55配備有驅動馬達，其布局使得該乾燥劑輪能選擇性地在高轉速、即10-30rpm，和在低轉速、即4-30rph下旋轉。在高速模式下，乾燥劑轉子將用作熱焓交換器，並且在再生和補充空氣流之間傳遞潛熱和顯熱。在冬季，熱焓輪對補充空氣進行加熱和加溼，在夏季，該熱焓輪將進行冷卻和除溼。
本實施例的系統可以以五種不同的模式運行。如下所述，改變壓縮機和輪速狀態以適應系統滿足空間需要的性能。該系統能以五種模式中的任何一種或者其結合運行。所述主要的五種模式為單冷卻模式；單除溼模式；冷卻除溼模式；熱焓交換模式；以及新風模式。
在單冷卻模式下的該系統的運行在圖5中的焓溼圖上示出。在該模式下，乾燥劑輪55沒有運行，只有向空間提供足夠的冷卻的多個壓縮機運行。但是，由於所述輪沒有運行，冷凝器盤管58位於返回空氣線路中的壓縮機28』沒有運行。在這種方式的運行下，從圖5可見，氣流A中的環境空氣在95°FDBT、78.5°FWBT、120gr/lb的點1的狀態下進入冷卻盤管的管排中。當該空氣穿過冷卻/蒸發器盤管，該空氣沿著虛線移向，並沿著飽和曲線移動到飽和的65°F、92.8gr/lb的點2。該空氣在該點處已經被冷卻和除溼，但由於未利用所述輪除溼，不是必然到達ASHRAE舒適區。在冷凝器盤管58』中吸收的熱量被簡單地經由冷凝器和風扇70排到環境空氣流中。
圖4的系統在單除溼模式下的運行在圖6中的焓溼圖中示出。在該模式下，乾燥劑馬達以低速模式(即4-30rph)運行，用於返回空氣流E中的冷凝器盤管58的壓縮機28』運行以加熱再生空氣。包括壓縮機28和盤管58』、52的其它製冷迴路不運行。因此，從圖6可見，環境空氣A在95°FDBT、78.5°FWBT、120gr/lb的點1的工況下進入蒸發盤管的管排。當該空氣穿過盤管52、52』，該空氣在盤管52』中被冷卻，沿著圖上的虛線移向並沿著飽和線移到飽和的65°F、92.8gr/lb的點2。由於乾燥劑輪運行，因此氣流A在乾燥劑輪中得到處理，該空氣在該處沿著溼球線的近似路線被絕熱地乾燥和加熱。該空氣在79°FDBT、66°FWBT、75gr/lb的點3的工況下離開乾燥劑輪並被送入包圍空間82。
在該示例中，在典型的運行模式下，從空間82由吹風機56取得的再生空氣將處於約80°FDBT、67°FWBT的工況下，與環境空氣的供送空氣流的工況近似相同。該再生空氣(即從空間排出的空氣)穿過冷凝器盤管58，從所述盤管接收散熱，然後流過輪55以使該輪再生。在該運行狀態下，這與單獨使用環境空氣使輪再生的情況相比具有相當大的優勢，其原因在於，離開冷凝器盤管的排出空氣將具有比使用環境空氣時低的相對溼度。因此，該空氣將從所述輪上吸收更多的溼氣，並且改善乾燥劑輪的性能，使之優於單獨利用室外空氣可獲得的性能。在經過所述輪之後，該空氣被排放到大氣中。
圖4中的系統在冷卻除溼模式下的運行在圖7中的焓溼圖上示出。在該模式下，與在單除溼模式下一樣，乾燥劑輪55緩慢旋轉(4-30rph)，但由包括盤管58』、52和壓縮機28的另外的一個或多個冷卻迴路提供額外的冷卻，所述盤管58』、52和壓縮機28的運行與在單冷卻模式中一樣。在這種情況下，冷卻和除溼模式一起進行。包括盤管58、52』和壓縮機28』的第一級製冷迴路也運行並且提供再生能量源。
在這種方式下運行，供送空氣A(或者全部是環境空氣，或者是環境空氣和一些返回空氣的混合空氣)在95°FDBT、78.5°FWBT、120gr/lb的點1(圖7)進入冷卻盤管的管排。該空氣再次沿著虛線和沿著飽和線到達點2，從盤管52』排出。因為第二或者額外的多級的冷卻迴路運行，因此該空氣的工況繼續沿著飽和線在離開第二冷卻級52之後到達點3。在該點處，供送空氣流工況為飽和的57°F、69.5gr/lb。該空氣然後進入乾燥劑輪55的處理部分54，該空氣在那裡被絕熱地乾燥和加熱。該空氣沿著大體為溼球線的路線並且在74°FDBT、58°FWBT、48gr/lb的點4處離開該輪。
圖4中系統在熱焓交換模式下的運行在圖8中的焓溼圖中示出。該模式通常在室外空氣的焓值高於室內空氣的夏季使用，或者在室內焓值超過室外焓值的冬季使用。
在這種情況下，乾燥劑輪55被以高速(10-30rpm)驅動，並且所有製冷迴路都關閉。如圖8所示，在冬季，當使用具有40°FDBT、32°FWBT、12.6gr/lb點1處工況的100％的室外空氣時，該空氣經過所述輪的處理部分54將導致離開該輪的空氣的工況沿著虛線從點1移動到52.5°FDBT、44.5°FWBT、30.5gr/lb的點2處。從該點開始，傳統的加熱器80能將該空氣加熱到所需的房間溫度。從該加熱器排出的空氣將被供送到部分60以向其傳遞熱量和溼氣。
在使用82.5°FDBT、56°FWBT、42gr/lb點5處的工況下的100％室外空氣的夏季，系統將通過使空氣沿著虛線從點5朝向點6移動，即移動到剛好在ASHRAE舒適區中的80°FDBT、61.5°FWBT、42gr/lb，而以相反的方式運行。
在熱焓交換模式下以50％環境空氣和50％的返回空氣來使用圖4中的系統將導致調節進入乾燥劑輪處理部分54的空氣在圖8上從點3移動到點4。
最後，圖4實施例的新風交換運行模式在圖9中的焓溼圖上示出。在這種情況下，所有冷卻迴路和乾燥劑輪都關閉，只有吹風機開啟以恆定補充新鮮空氣。因此，系統在沒有熱回收、冷卻或除溼的情況下輸送新鮮的環境空氣。
優選地，在該實施例中使用的壓縮機也是可變類型的，以便提供更高效的運行。
本發明的另一實施例在圖10中示出。該實施例的系統類似於圖1中的系統，除了在製冷迴路中使用兩個壓縮機28。從圖11中用於兩個代表性壓縮機冷卻迴路的蒸發器交叉曲線圖可見，能有兩種系統的運行工況，這取決於是一個還是兩個壓縮機正在運行。為了使能耗使用最小化，通過增大系統的性能係數(COP)可理想地在允許獲得所需空間溼度和溫度條件的可能的最高吸氣壓力下運行系統。儘可能地運行一個壓縮機，而不是兩個壓縮機都運行，也可節省能量。
圖8示出了向右升高的兩條斜線，這兩條斜線示出了一個和兩個壓縮機相對於飽和吸氣溫度的以BTUH為單位的容量，其中壓縮機在該溫度下以100％容量運行。術語「飽和吸氣溫度」意味著離開蒸發器冷卻盤管52並進入壓縮機的製冷劑氣體的溫度。
圖11中向上並向左傾斜的三條線代表當供送空氣流在圖示三種工況下的一種工況時製冷劑氣體的吸氣溫度，並且示出了在各溫度下的壓縮機的對應容量。在兩條斜線的相交處，蒸發器和壓縮機在相同的工況下運行，因此最高效。
典型地，已經基於在製冷劑管線中檢測的各固定壓力點或者基於離開蒸發器/冷卻盤管的供送空氣的溫度，對多個壓縮機(以及可變壓縮機)進行操作以切入或者切出運行。在本發明中，利用溼度控制單元(即乾燥劑輪)，可以使用空間溼度誤差來控制壓縮機的運行。因此「誤差」指的是在房間或空間中感測的實際溼度與溼度設定點(即所需溼度水平)之間的差值。該信號然後被用於重置第二壓縮機的吸氣壓力切入點。如果所述誤差大，這意味著溼度沒有被降低，則重置動作將使吸氣切入壓力移動到更低的設置。另一方面，如果誤差小，或者所述單元快速開關循環，則重置將增大切入的吸氣壓力。以這種方式，所述單元在產生最穩定的工況和增加節能的可能的最高吸氣壓力下運行。
本發明的另一實施例在圖12中示出，該實施例也允許所述單元在冷卻或者除溼，或者同時在兩種模式下運行。
現有技術已經傳統上控制製冷系統的排出壓力(即離開蒸發器或者冷卻盤管的氣體的壓力)，以便防止在冬季出現過低的排出壓力。一種常用頭壓調整技術是降低冷凝風扇的速度，該技術產生了減小風扇運行所需能量的有利一面的效果。
對於溼度控制單元，降低風扇速度具有相同的效果，並且在低溫下有利。但是，因為在本發明中使用的冷卻應用和溼度控制單元具有在冷卻、除溼或同時兩種模式下運行的能力，因此需要在工業可接受的頭壓調整實踐上加以改動。
當不受室外高環境溫度或者冷凝器特定設計標準的限制時，理想地將壓縮機的排氣壓力保持在80°F和100°F飽和排氣溫度之間的等同狀態下。該實施例的控制系統將在冷卻模式下通過將頭壓設定點設置在該範圍內來優化冷卻性能。在更低壓比下獲得最大效率，這些更低壓比的特徵體現為更高的吸氣壓力和更低的排氣壓力。
在另一方面，乾燥劑輪溼度控制單元依賴於在供送空氣的進入相對溼度和再生空氣的相對溼度之間產生足夠的差異。這是驅動乾燥劑輪中的溼氣傳遞的動力。而且有利的是穿過(across)可能的最低壓比運行製冷系統。這意味著應該使用較高吸氣壓力和較低的冷凝壓力。本發明的系統平衡了整個單元的性能，而不顯示製冷系統或者乾燥系統的性能。
為了實現這一點，在加熱用冷凝器盤管58之後，溼度傳感器90被置於再生空氣流中。一個示例性的目標RH(相對溼度)值可以在10％至30％RH範圍內。假定離開冷卻盤管52的冷空氣達到飽和(焓溼圖上的點2)，則空間57中的空間溼度傳感器將使頭壓重置以獲得進入所述輪的特定的感測RH。所述重置將局限於將頭壓保持在工況的一預定範圍內。例如，利用R-22製冷劑，該頭壓的範圍將從168psig(90°F)至360psig(145°F)。這些通常是公知渦旋壓縮機的可接受的運行工況。這樣獲得了80°F至140°F的從冷凝器盤管或入口到所述輪的一離開空氣範圍，並且避免拉起冷凝器頭壓而伴隨著製冷系統的性能損失。因此，壓縮機將在最低頭壓下運行，而同時仍能產生目標相對溼度。該節省將是利用260psig的頭壓獲得的45°F離開空氣溫度在較低壓力下達到目標RH％，從而減少壓縮機功率輸入，同時增大製冷能力。
另一種獲得該結果的方式是通過將再生出口的差值或彈性或差值溫度用於再生入口溫度。例如，當乾燥劑輪還溼的時候，假定乾燥劑輪將具有較低的出口空氣溫度。相反地，當所述輪被完全再生，即乾燥時，所述出口空氣溫度將開始攀升。在所述輪任一側的空氣溫度能由傳統的溫度傳感器92檢測並且連續地被監測。當空氣在再生入口空氣溫度的增大引發出口空氣溫度的幾乎類似的增大時，這表明能量沒有用於從輪上去除溼氣，因此應該通過合適地控制壓縮來減小頭壓。
可選地，所述控制可被設定成穿過所述輪保持20°F的目標溫度差值。
所述系統通過使再生能量與負荷相匹配以降低再生溫度來減少能量損失，反過來減小了頭壓，這使製冷性能改善。
雖然已經參照附圖描述了本發明的示例性實施例，但應該明白，本發明不局限於這些確定的實施例，本領域的技術人員能夠在不脫離本發明的保護範圍和實質的情況下進行多種改變和修改。
權利要求
1.一種用於調節包圍區域的空氣的方法，包括以下步驟利用包含可變壓縮機的製冷系統冷卻供送空氣流，即通過使空氣經過冷卻盤管而降低該空氣的溫度，使這樣被冷卻的供送空氣流在增大其溫度並減小其含溼量的條件下通過旋轉的乾燥劑輪的一部分，然後將這樣處理後的空氣送入所述包圍區域；再生乾燥劑輪，即通過利用製冷系統的冷凝器盤管加熱再生空氣流，然後使加熱後的該再生空氣流通過所述旋轉的乾燥劑輪的另一部分以使輪中的乾燥劑再生；感測供送空氣流、再生空氣流和/或製冷系統的至少一個工況；以及響應該感測工況來控制壓縮機的輸出。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括如下步驟將補充空氣送入所述供送空氣，感測所述包圍區域中的空氣的至少一個工況，以及響應該感測工況控制補充空氣的供送。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括以下步驟感測進入乾燥劑輪的再生部分的再生空氣溫度，並控制通過冷凝器盤管並進入冷凝器盤管的再生部分的再生空氣的體積，從而將進入該部分的空氣溫度控制到預定的值。
4.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，包括以下步驟感測進入乾燥劑輪的再生部分的再生空氣溫度，並控制通過冷凝器盤管並進入冷凝器盤管的再生部分的再生空氣的體積，從而將進入該部分的空氣溫度控制到預定的值。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括以下步驟感測冷凝器盤管壓力並將該壓力保持在預定的壓力工況，並控制通過冷凝器盤管並進入冷凝器盤管的再生部分的再生空氣的體積，從而保持相對均勻的再生空氣溫度。
6.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，包括以下步驟感測冷凝器盤管壓力並將該壓力保持在預定的壓力工況，並控制通過冷凝器盤管並進入冷凝器盤管的再生部分的再生空氣的體積，從而保持相對均勻的再生空氣溫度。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括以下步驟感測離開乾燥劑輪的被冷卻的供送空氣的溫度，並響應該感測溫度控制壓縮機的容量，從而使離開所述輪的該冷空氣溫度保持在預定值。
8.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，包括以下步驟感測離開乾燥劑輪的被冷卻的供送空氣的溫度，並響應該感測溫度控制壓縮機的容量，從而使離開所述輪的該冷空氣溫度保持在預定值。
9.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，包括以下步驟感測離開乾燥劑輪的被冷卻的供送空氣的溫度，並響應該感測溫度控制壓縮機的容量，從而使離開所述輪的該冷空氣溫度保持在預定值。
10.一種用於調節送入包圍區域中的空氣的方法，包括以下步驟利用製冷系統冷卻盤管冷卻具有65°F-95°F之間和以上的溫度範圍、90-180gr/lb含溼量的供送空氣流，以便將該供送空氣流的含溼量和溫度減小到第一預定含溼量飽和水平和飽和溫度範圍，使這樣被冷卻並乾燥的環境供送空氣流在將其溫度增大到約68-81°F的第二預定溫度範圍、並進一步將其含溼量減小到30-80gr/lb的預定溼度水平的條件下通過旋轉的乾燥劑輪的一部分；然後將這樣被處理的空氣送入所述包圍區域；再生乾燥劑輪，即通過利用製冷系統的冷凝器盤管加熱再生空氣流以使該再生空氣流的溫度增大到105°F-135°F的預定溫度範圍，然後使該被加熱的再生空氣流通過所述旋轉的乾燥劑輪的另一部分以使輪中的乾燥劑再生；感測供送空氣流、再生空氣流和/或製冷系統的至少一個工況；以及響應該感測工況來控制壓縮機的輸出。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，包括如下步驟將補充空氣送入所述供送空氣，感測所述包圍區域中的空氣的至少一個工況，以及響應該感測工況控制補充空氣的供送。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，包括以下步驟感測進入乾燥劑輪的再生部分的再生空氣溫度，並控制通過冷凝器盤管並進入冷凝器盤管的再生部分的再生空氣的體積，從而將進入該部分的空氣溫度控制到預定的值。
13.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，包括以下步驟感測離開乾燥劑輪的被冷卻的供送空氣的溫度，並響應該感測溫度控制壓縮機的容量，從而使離開所述輪的該冷空氣溫度保持在預定值。
14.如權利要求12所述的方法，其特徵在於，包括以下步驟感測冷凝器盤管壓力並將該壓力保持在預定的壓力工況，並控制通過冷凝器盤管並進入冷凝器盤管的再生部分的再生空氣的體積，從而保持相對均勻的再生空氣溫度。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，包括以下步驟感測離開乾燥劑輪的被冷卻的供送空氣的溫度，並響應該感測溫度控制壓縮機的容量，從而使離開所述輪的該冷空氣溫度保持在預定值。
16.一種空氣調節和除溼系統，包括封閉的殼體，所述殼體具有將該殼體分成獨立的第一和第二空氣增壓室的壁；位於所述殼體中的製冷迴路，該迴路包括位於第一增壓室中的蒸發器盤管、在第二室中串聯的冷凝器盤管、至少一個製冷劑壓縮機和冷凝器風扇，由此冷凝器風扇經過冷凝器盤管從殼體外部穿過第二增壓室抽吸供送空氣，並將該供送空氣排出到所述殼體外；以及位於殼體中的除溼系統，該除溼系統包括乾燥劑輪，該輪可旋轉地安裝在殼體中以在橫斷垂直於所述中央壁的平面中旋轉，從而用作處理部分的所述輪的一個部分位於第一增壓室中，用作處理部分的所述輪的第二部分位於第一增壓室中，用作再生部分的所述輪的第二部分位於第二增壓室中；在所述第一增壓室中鄰近輪的一側定位的供送/處理風扇以及位於所述第一增壓室中的副分隔壁，該副分隔壁從靠近輪的所述一側延伸以在所述第一增壓室中劃分出副增壓室，從而處理風扇使供送/處理空氣流通過輪的處理部分進入所述副增壓室而被抽入第一增壓室中，然後將這樣冷卻和乾燥的供送/處理空氣送入一包圍區域；第二增壓室中的所述乾燥劑輪部分位於流過冷凝器盤管的空氣的下遊，位於所述第二增壓室中的一再生風機鄰近乾燥劑輪的下遊側，位於第二腔室中的擋板裝置從所述乾燥劑輪開始在其下遊朝向所述殼體的一側壁延伸，以便當再生風扇通過所述輪抽吸離開冷凝器盤管的空氣而使所述輪再生時，防止離開所述輪的空氣朝向冷凝器盤管或者所述輪的入口側倒流。
17.一種用於對包圍空間的空氣進行選擇加熱、冷卻和除溼的設備，包括基於乾燥劑輪的除溼系統和至少一個製冷迴路，所述乾燥劑輪除溼系統包括具有處理部分和再生部分的乾燥劑輪、用於通過所述輪的再生部分從所述空間抽吸空氣的吹風機，所述製冷迴路包括第一迴路，該第一迴路包括在從所述包圍空間流向所述再生部分的再生空氣的通路上位於所述包圍空間和所述輪的再生部分之間的冷凝器盤管，蒸發器盤管，用於經過蒸發器盤管、通過乾燥劑輪的處理部分向包圍空間抽吸供送空氣的吹風機裝置，以及用於在冷凝器和蒸發器盤管之間的迴路中移動製冷劑的壓縮機；以及第二製冷迴路，包括冷凝器盤管、用於經過該冷凝器盤管抽吸環境空氣並將該空氣排出到大氣的吹風機裝置、在乾燥劑輪上遊的所述第一再生系統中位於供送空氣流中的蒸發器盤管、以及用於在其相聯的盤管之間移動製冷劑的壓縮機，因此只有所述第一製冷系統的運行單實現冷卻；只有基於乾燥劑輪的系統和第一製冷迴路的運行單實現除溼；基於乾燥劑輪的系統以及第一和第二製冷系統的運行實現冷卻和除溼；基於乾燥劑輪的系統的運行單實現再生空氣流與供送空氣流之間的熱焓交換；乾燥劑輪系統和製冷迴路均不運行，只有所述吹風機的運行單實現新風循環。
18.一種用於對包圍空間的空氣進行選擇加熱、冷卻和除溼的設備，包括基於乾燥劑輪的除溼系統和至少兩個製冷迴路，所述乾燥劑輪除溼系統包括具有處理部分和再生部分的乾燥劑輪、用於通過所述輪的再生部分從所述空間抽吸空氣的吹風機，所述製冷迴路包括第一迴路，該第一迴路包括在從所述包圍空間流向所述再生部分的再生空氣的通路上位於所述包圍空間和所述輪的再生部分之間的冷凝器盤管，蒸發器盤管，用於經過蒸發器盤管、通過乾燥劑輪的處理部分向包圍空間抽吸供送空氣的吹風機裝置，以及用於在冷凝器盤管和蒸發器盤管之間的迴路中移動製冷劑的壓縮機；以及至少一個第二製冷迴路，包括冷凝器盤管、用於經過該冷凝器盤管抽吸環境空氣並將該空氣排出到大氣的吹風機裝置、在乾燥劑輪上遊的所述第一再生系統中位於供送空氣流中的蒸發器盤管、以及用於在其相聯的盤管之間移動製冷劑的壓縮機，因此只有所述第一製冷系統的運行單實現冷卻；只有基於乾燥劑輪的系統和第一製冷迴路的運行單實現除溼；基於乾燥劑輪的系統以及第一和第二製冷系統的運行實現冷卻和除溼；基於乾燥劑輪的系統的運行單實現再生空氣流與供送空氣流之間的熱焓交換；乾燥劑輪系統和製冷迴路均不運行，只有所述吹風機的運行單實現新風循環。
19.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括以下步驟在製冷系統中使用至少兩個壓縮機，並響應包圍區域中的實際溼度與預定溼度設定點之間的差值來選擇性地操作所述壓縮機中的一個或者兩個。
全文摘要
一種用於調節包圍區域的空氣的方法，包括利用包含可變壓縮機的製冷系統冷卻供送空氣流，即通過使空氣經過一冷卻盤管而降低該空氣的溫度；使這樣被冷卻的供送空氣流在增大其溫度並減小其含溼量的條件下通過旋轉的乾燥劑輪，然後將這樣被處理後的空氣送入所述包圍區域。通過利用製冷系統的冷凝器盤管加熱再生空氣流，然後使該再生空氣流通過所述旋轉的乾燥劑輪的另一部分而使該乾燥劑輪再生。感測供送空氣流、再生空氣流和/或製冷系統的至少一個工況，並且響應該感測工況來控制壓縮機的輸出。
文檔編號F24F13/22GK1714259SQ03825603
公開日2005年12月28日 申請日期2003年6月9日 優先權日2002年12月12日
發明者保羅·A·丁納吉, 凱文·H·揚 申請人:蒙特斯公司