級聯(lián)浮動中間溫度熱泵系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】級聯(lián)熱泵系統(tǒng)設(shè)有變速壓縮機(jī)，所述變速壓縮機(jī)允許對特定的熱負(fù)荷有較高的系統(tǒng)性能系數(shù)的操作。電子控制模塊可以用來動態(tài)地改變壓縮機(jī)的速度以獲得最大的能量效率。也可以使用變速風(fēng)扇或者鼓風(fēng)機(jī)。
【專利說明】級聯(lián)浮動中間溫度熱泵系統(tǒng)
【背景技術(shù)】
[0001]熱泵經(jīng)常被用來給目標(biāo)空間或區(qū)域提供加熱或冷卻，通常是住宅或者商業(yè)建筑的室內(nèi)區(qū)域。最普通類型的熱泵是空氣源熱泵，所述空氣源熱泵在目標(biāo)空間和另一空間中的空氣之間傳遞和放大熱量，所述另一空間通常是周圍環(huán)境。對于加熱、通風(fēng)和空調(diào)/制冷(HVAC/R)應(yīng)用，熱泵經(jīng)常使用蒸氣壓縮制冷循環(huán)，其中使用循環(huán)制冷劑作為媒介從一個空間吸收熱量并且繼而將熱量排放到其他地方。
[0002]在單級蒸氣壓縮熱泵系統(tǒng)中，制冷劑流過吸收熱量并且產(chǎn)生蒸氣的蒸發(fā)器，然后在進(jìn)入冷凝器中放熱之前流至提供必要的壓力增加的壓縮機(jī)中。然后通過使用膨脹裝置，例如熱膨脹裝置(TXV)，將制冷劑在回到蒸發(fā)器之前膨脹至低壓。也經(jīng)常使用風(fēng)扇或者鼓風(fēng)機(jī)來將加熱或冷卻效果傳遞至目標(biāo)空間或者周圍環(huán)境。單級蒸氣壓縮系統(tǒng)對冷氣候加熱應(yīng)用是不實(shí)用的，原因在于在低的周圍溫度下制冷劑的抽吸壓力低，并且很難在高的壓縮比下高效地操作壓縮機(jī)和壓縮有較大比體積的制冷劑。
[0003]一種已知的冷氣候加熱方案是多級級聯(lián)熱泵系統(tǒng)，其中多個獨(dú)立的蒸氣壓縮循環(huán)用較高級循環(huán)的蒸發(fā)器聯(lián)接到彼此上，所述較高級循環(huán)的蒸發(fā)器去除了相鄰較低級循環(huán)的冷凝制冷劑的熱量。多級級聯(lián)系統(tǒng)中的每個循環(huán)通常使用適合于該溫度的不同的制冷劑，選擇最適合于其操作條件的制冷劑。相比于單級系統(tǒng)，多級級聯(lián)熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢在于較低的蒸發(fā)溫度、較小的壓縮比和較高的壓縮機(jī)容積效率。
[0004]兩級級聯(lián)系統(tǒng)已經(jīng)在HVAC/R中使用了好幾十年。然而，這些傳統(tǒng)的兩級級聯(lián)系統(tǒng)具有與固有的低效問題，所述低效是由較低級中的冷凝溫度和較高級中的蒸發(fā)溫度的重疊造成的。這一缺點(diǎn)可以通過引入液體蒸氣熱交換器和過熱降溫器而得以部分地避免。然而，仍需要去持續(xù)改進(jìn)具有提高的能量效率的級聯(lián)熱泵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]這里描述的是熱泵系統(tǒng)的實(shí)施例，所述熱泵系統(tǒng)包括擁有第一壓縮機(jī)、第一冷凝器、第一膨脹閥和第一蒸發(fā)器的第一級。所述系統(tǒng)也具有擁有第二壓縮機(jī)、第二冷凝器、第二膨脹閥和第二蒸發(fā)器的第二級。第一冷凝器和第二蒸發(fā)器被定位成將熱量從第一冷凝器泵送至第二蒸發(fā)器。至少第一壓縮機(jī)或第二壓縮機(jī)是變速壓縮機(jī)。所述系統(tǒng)也包括構(gòu)造成控制至少第一壓縮機(jī)或第二壓縮機(jī)的速度的電子控制模塊。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是可以使用多個壓縮機(jī)傳送熱量至多個空氣處理器。盡管本發(fā)明的一個實(shí)施例在每一級中使用兩個變速壓縮機(jī)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是通過使用一個變速壓縮機(jī)和一個定速壓縮機(jī)也可以獲得所述效益中的一些。在有些實(shí)施例中，第一壓縮機(jī)或第二壓縮機(jī)是定速壓縮機(jī)。在有些實(shí)施例中，第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)都是變速壓縮機(jī)。在有些實(shí)施例中，第一壓縮機(jī)、第二壓縮機(jī)、或者兩者是由變頻驅(qū)動器提供動力。在有些實(shí)施例中，第一壓縮機(jī)、第二壓縮機(jī)、或者兩者是由電子整流馬達(dá)提供動力。在有些實(shí)施例中，第一膨脹閥、第二膨脹閥、或者兩者是脈沖熱膨脹閥。在有些實(shí)施例中，熱泵系統(tǒng)還包括至少一個變速風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)。在有些實(shí)施例中，熱泵系統(tǒng)還包括多個構(gòu)造成傳送溫度數(shù)據(jù)至電子控制模塊的溫度感應(yīng)器。在有些實(shí)施例中，熱泵系統(tǒng)還包括構(gòu)造成將抽吸壓力數(shù)據(jù)從第一級傳送至電子控制I旲塊的壓力傳感器。在有些實(shí)施例中，熱栗系統(tǒng)還包括在弟一級中的弟一制冷劑和在第二級中的第二制冷劑。在有些實(shí)施例中，第一制冷劑與第二制冷劑不同。在有些實(shí)施例中，熱泵系統(tǒng)還包括擁有第三壓縮機(jī)、第三冷凝器、第三膨脹閥和第三蒸發(fā)器的第三級，所述第三級構(gòu)造成將熱量從第二冷凝器中泵送至第三蒸發(fā)器。
[0006]這里也描述了控制級聯(lián)熱泵系統(tǒng)的方法的實(shí)施例，所述方法包括提供具有第一壓縮機(jī)、第一冷凝器和第一蒸發(fā)器的第一熱泵級；提供具有第二壓縮機(jī)、第二冷凝器和第二蒸發(fā)器的第二熱泵級，其中第一蒸發(fā)器和第二冷凝器被定位成將熱量從第一冷凝器泵送至第二蒸發(fā)器，并且其中至少第一或第二壓縮機(jī)是變速壓縮機(jī)；并且，控制至少第一或者第二壓縮機(jī)的速度來使系統(tǒng)的性能系數(shù)在預(yù)定的熱負(fù)荷上最大化。在有些實(shí)施例中，第一壓縮機(jī)或第二壓縮機(jī)是定速壓縮機(jī)。在有些實(shí)施例中，第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)兩者都是變速壓縮機(jī)。在有些實(shí)施例中，控制速度包括接收來自至少一個傳感器上的數(shù)據(jù)。在有些實(shí)施例中，傳感器是壓力或者是溫度傳感器。在有些實(shí)施例中，至少第一或第二壓縮機(jī)的速度是通過控制到變頻驅(qū)動器的電力來控制的。在有些實(shí)施例中，至少第一或者第二壓縮機(jī)的速度是通過控制到電子整流馬達(dá)的電力來控制的。在有些實(shí)施例中，控制級聯(lián)熱泵系統(tǒng)的方法還包括控制構(gòu)造成將空氣吹過第一蒸發(fā)器的風(fēng)扇的速度。在有些實(shí)施例中，控制級聯(lián)熱泵系統(tǒng)的方法還包括控制構(gòu)造成將空氣吹過第二蒸發(fā)器的風(fēng)扇的速度。在有些實(shí)施例中，控制級聯(lián)熱泵系統(tǒng)的方法還包括在第一冷凝器和第一蒸發(fā)器之間提供脈沖熱膨脹閥。在有些實(shí)施例中，控制級聯(lián)熱泵系統(tǒng)的方法還包括在第二冷凝器和第二蒸發(fā)器之間提供脈沖熱膨脹閥。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1示出具有普通的單級、單速熱泵的建筑物；
[0008]圖2是一個實(shí)施例的示意圖，所述實(shí)施例是變速兩級級聯(lián)浮動中間溫度熱泵(CFITHP)系統(tǒng)；
[0009]圖3是描述一個控制過程的實(shí)施例的流程圖，所述控制過程動態(tài)地調(diào)節(jié)壓縮機(jī)和風(fēng)扇/鼓風(fēng)機(jī)的速度以獲得最大的整體系統(tǒng)效率。
【具體實(shí)施方式】
[0010]為了提高級聯(lián)熱泵系統(tǒng)的效率，壓縮機(jī)和風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)可以以獨(dú)立可變的速度被操作。結(jié)果，級之間的中間溫度，以及因此每個循環(huán)中的溫度升高，可以被連續(xù)地調(diào)節(jié)以得到最大的總體效率。
[0011]變速控制允許級聯(lián)熱泵系統(tǒng)對加熱或冷卻應(yīng)用保持高容量和高性能系數(shù)(C0P)。如這里用到的，容量指的是熱泵能夠釋放熱量至目標(biāo)空間或者排放來自目標(biāo)空間的熱量的速度。COP是熱泵能量效率的指標(biāo)。對于加熱，級聯(lián)熱泵系統(tǒng)的COP被定義為由系統(tǒng)泵送(即，傳遞)到目標(biāo)空間的熱量的量與輸入到系統(tǒng)中的功的量之比:
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[0012]
[0013]這里％是系統(tǒng)加熱容量(橫跨冷凝器傳遞到目標(biāo)空間的熱量)，Σ Wi代表輸入到系統(tǒng)中的功的總和。對于空調(diào)/制冷，COP被定義為系統(tǒng)從目標(biāo)空間傳遞的熱量與輸入到系統(tǒng)中的功的量之比:.--- Oc
[0014]
【權(quán)利要求】
1.一種熱泵系統(tǒng)，其包括: 具有第一壓縮機(jī)、第一冷凝器、第一膨脹閥和第一蒸發(fā)器的第一級； 具有第二壓縮機(jī)、第二冷凝器、第二膨脹閥和第二蒸發(fā)器的第二級，其中第一冷凝器和第二蒸發(fā)器被定位成將熱量從第一冷凝器泵送到第二蒸發(fā)器，并且其中第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)中的至少一個是變速壓縮機(jī)；和 構(gòu)造成控制第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)中的所述至少一個的速度的電子控制模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱泵系統(tǒng)，其中第一壓縮機(jī)是定速壓縮機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱泵系統(tǒng)，其中第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)兩者都是變速壓縮機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱泵系統(tǒng)，其中第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)中的所述至少一個是由變頻驅(qū)動器提供動力的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱泵系統(tǒng)，其中第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)中的所述至少一個是由電子整流馬達(dá)提供動力的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱泵系統(tǒng)，其中第一級還包括第一膨脹閥并且第二級還包括第二膨脹閥。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熱泵系統(tǒng)，其中第一膨脹閥和第二膨脹閥是脈沖熱膨脹閥。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱泵系統(tǒng)，還包括至少一個變速風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述 的熱泵系統(tǒng)，還包括多個構(gòu)造成將溫度數(shù)據(jù)傳送至電子控制模塊的溫度傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱泵系統(tǒng)，還包括構(gòu)造成將抽吸壓力數(shù)據(jù)從第一級傳送至電子控制模塊的壓力傳感器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱泵系統(tǒng)，還包括在第一級中的第一制冷劑和在第二級中的第二制冷劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的熱泵系統(tǒng)，其中第一制冷劑與第二制冷劑不同。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱泵系統(tǒng)，還包括具有第三壓縮機(jī)、第三冷凝器、第三膨脹閥和第三蒸發(fā)器的第三級，并且所述第三級構(gòu)造成將熱量從第二冷凝器泵送至第三蒸發(fā)器。
14.一種控制級聯(lián)熱泵系統(tǒng)的方法，包括: 提供具有第一壓縮機(jī)、第一冷凝器和第一蒸發(fā)器的第一熱泵級； 提供具有第二壓縮機(jī)、第二冷凝器和第三蒸發(fā)器的第二熱泵級，其中第一蒸發(fā)器和第二冷凝器被定位成將熱量從第一冷凝器泵送至第二蒸發(fā)器，并且其中第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)中的至少一個是變速壓縮機(jī)；和 控制第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)中的所述至少一個的速度以使系統(tǒng)的性能系數(shù)在預(yù)定熱負(fù)荷中最大化。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中第一壓縮機(jī)或第二壓縮機(jī)是定速壓縮機(jī)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)兩者都是變速壓縮機(jī)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中控制速度包括接收來自至少一個傳感器的數(shù)據(jù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中傳感器是壓力傳感器或溫度傳感器。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中通過控制到變頻驅(qū)動器的電力來控制第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)中的所述至少一個的速度。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中通過控制到電子整流馬達(dá)的電力來控制第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)中的所述至少一個的速度。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括控制構(gòu)造成將空氣吹過第一蒸發(fā)器的風(fēng)扇的速度。
22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括控制構(gòu)造成將空氣吹過第二蒸發(fā)器的風(fēng)扇的速度。
23.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括在第一冷凝器和第一蒸發(fā)器之間提供脈沖熱膨脹閥。
24.根據(jù) 權(quán)利要求23所述的方法，還包括在第二冷凝器和第二蒸發(fā)器之間提供脈沖熱膨脹閥。
【文檔編號】F25B7/00GK103459944SQ201280009115
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月17日
【發(fā)明者】U·羅肯費(fèi)勒, P·薩基西恩, K·卡利利 申請人:洛基研究公司