专利名称：空气调节系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种空气调节系统。
背景技术：
现代建筑物的玻璃通常占有很大的面积，而且要求内部的温度范围很宽，这种建筑物内外都产生热负载。为了在人员密集和设备密度很高的情况下能确保合适的舒适度，这种多样化的要求需要进行区域温度控制，并要求空气纯度很高。内部产生的热负载对总冷却负载或总加热负载的影响很大。主要的内部热源是电气和电子设备以及强照明度。
在设有单独的工作站或设备的大型开敞布置的场所可能要求不同温度，因此需要对局部气温进行控制。业已发现，人和设备在同一办公室内的情况越来越普通，这要求根据每平方米的瓦特数和根据季节变化两者来改变提供的热量。高新技术场所，例如计算机房或控制室通常需要进行空气调节，即使在冬天也是如此，因为设备产生的热量一般超过自然的热耗损。因此，需要能够有效控制建筑物中的各种条件的加热和空气调节系统，该系统能灵活地适用不同区域和不同季节所要求的范围。一些独立系统通常用于不同区域的气候控制，但不可能有最佳协同作用和集中控制。也可能同时需要加热和冷却，而加热和冷却运行分别要消耗大量的能量。
此外，必须将现代建筑物设计成能够使空间的格局和使用情况非常灵活。在建筑物的使用寿命范围内空间的格局和使用情况可能要改变很多次，因此重要的是确保空气调节系统能够很方便地适应这些变化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为要求进行区域温度控制并同时需要加热和冷却的建筑物提供一种既灵活又节能的空气调节系统。
本发明的建筑物空气调节系统包括一热水分配回路(circuits)、一冷水分配回路和多个终端空气调节单元。每一个终端空气调节单元包括一将空气吹送到建筑物的一空间的风扇、一与热水分配回路相连的加热盘管和/或一与冷水分配回路相连的冷却盘管。用一个环境温度控制系统控制加热盘管的加热功率和冷却盘管的冷却功率。根据本发明的一个重要方面，该系统还包括一个热能控制系统(calorific energy management system)，所述热能控制系统包括一个具有热泵循环的能量供应器，该供应器可以将热能从冷水分配回路传送到热水分配回路。在一个优选实施方式中，能量供应器还可以将热能a)从冷水分配系统传送到大气中，c)从大气传送到热水分配系统中。热能控制系统可以控制热能传递，从而在热水和冷水回路中保持预定温度范围，以便能量消耗最佳，能量消耗最佳是指例如一次消耗的总能量最小，或者是空气调节系统的能量总费用最低。
为了进一步使能量消耗最佳，该系统最好包括一个在自由冷却过程中能够将冷水分配系统的热能传送到大气中的热交换组件。
为了进一步使冷却能量的产生最佳，该系统最好包括一冷却能量缓冲罐(buffer tank)。该冷却能量缓冲罐可以临时储存剩余冷却能量，或从另一观点来看，当产生冷却能量的环境最佳时，该冷却能量缓冲罐提前产生冷却能量，这与临时需求的冷却能量无关。
为了进一步使加热能量的产生达到最佳，该系统最好包括一加热能量缓冲罐。该加热能量缓冲罐可以临时储存剩余加热能量，或从另一观点来看，当产生加热能量的环境最佳时，该冷却能量缓冲罐提前产生加热能量，这与临时需求的加热能量无关。
为了满足加热能量的最大要求，该系统最好包括一能够产生热能并能够将热能传送到热水分配系统中的热量发生器。
如果热能控制系统能够根据终端空气调节单元的冷却/加热能量需求检测每一终端空气调节单元的冷却/加热能量需求并改变冷水和热水回路温度设定值，则可进一步减少能量消耗。
如果考虑到建筑物的加热/冷却总需求、外界气候参数以及主要能量费用，热能控制系统最好能够控制热能的传送。
为了能够使空间的格局和使用情况非常灵活，热水分配回路和冷水分配回路最好包括一些按固定间隔分开的快速装配连接件，使它们通过软管分别与加热盘管和冷却盘管相连。
最好将终端空气调节单元装在一个通风的空间中，该通风空间或位于活地板(raised floor)下面，或位于吊顶(suspended ceiling)上方，其中终端空气调节单元的风扇抽吸通风空间的空气。
这种终端空气调节单元最好包括一个设置在例如活地板的地板单元(floor panel)下面的模块壳体(modular casing)。这种模块壳体包括一个与地板单元内的空气入口格栅相连的供气出口以及一个开口朝向通风空间的空气入口。将一个风扇装在模块壳体中，以便通过空气入口抽吸通风空间的空气，并通过地板单元内的空气入口格栅(air inlet grid)将空气吹送到位于活地板静压室(raised floor plenum)上方的建筑物区域中。还包括与热水分配系统相连的加热盘管和/或与冷水分配系统相连的冷却盘管。最好将加热盘管和冷却盘管装在模块壳体中，并位于风扇和供气出口之间。这种终端空气调节单元还可以包括一个过滤元件，将该过滤元件装在模块壳体中，在该模块壳体中的过滤元件可通过地板单元中的检修槽隙进行更换。
在另一实施方式中，这种终端空气调节单元例如包括一个装在活地板的地板单元下的模块壳体，该模块壳体包括一个供气出口和一个具有回气口及新风口的混合室，该供气出口与地板单元中的空气入口格栅相连。将一个风扇装在模块壳体中，以便抽吸混合室的空气，并通过地板单元中的空气入口格栅将空气吹送到位于活地板静压室上方的建筑物区域中。该终端空气调节单元还可以包括一个直接膨胀冷却单元，以便对供气进行冷却和除湿。装在模块壳体中的直接膨胀冷却单元可以包括一个与冷水回路相连的水冷式冷凝器以及一个装在模块壳体中的后加热盘管，该后加热盘管与热水回路相连，以便在空气除湿以后对其进行再加热。这种空气调节系统还可以包括一个能够预先对新风进行调节并能将新风供给通风空间中的新风调节单元。
应当理解的是，本发明的空气调节系统可以·只要将外部能源用作超过内部平衡的负载，就能将需要冷却的区域中的热量传送到需要加热的区域中，反之亦然；·加热和冷却系统成一体，从而减少了能量消耗和所占用的空间；·安装简单，加快了安装速度，减少了安装费用；和·使系统具有很高的灵活性，从而可以方便地适应建筑物配置的任何变化，而且所花的费用很低。
现在结合附图通过实施方式来描述本发明，附图中图1是本发明的空气调节系统总的示意图；图2是第一种终端空气调节单元的示意性剖面图；图3是第二种终端空气调节单元的示意性剖面图；图4是表示系统中能量进行交换的示意图；图5是表示单模式能量供应器的示意图；图6是表示不同控制级别的示意图；图7是表示在系统不同的运行模式期间，冷水温度和一次能量消耗与热负载的曲线图；图8是表示一月份一次能量按每小时逐步消耗的曲线图；图9是表示三月份一次能量按每小时逐步消耗的曲线图；和图10是表示供水温度按每小时变化的曲线图。
具体实施例方式
图1是表示本发明的空气调节系统总的示意图。该系统包括一个热水分配回路10和一个冷(或凉)水分配回路12，多个也称作区域终端单元的终端空气调节单元14，以及一个还称作“能量供应器”16的热/冷发生器16。
热水分配回路10和冷水分配回路12也可认为是建筑物18中的外围能量分配闭合环路。建筑物的各个区域18’、18”和18根据它们特定的需要要求冷却和/或加热能量。将整个空调系统看成具有与电能分配逻辑相同的逻辑将冷水和热水分配网络设置在建筑物18中，然后根据各自的需要，地区终端单元14利用一次分配来确保对不同区域18’、18”和18进行温度和湿度控制，而能量供应器16与系统所有构件配合保持两个能量分配环路10和12的能量级别，从而最合理地使用能量。区域终端单元14的能量分配环路(loops)10，12的所有连接件最好是快速连接件，它们与预先设置的软管结合，以确保安装的便利性。
各种终端空气调节单元14均可以使建筑物的不同区域18’、18”和18中得到有效的空气调节。这些终端空气调节单元14为其所在的各个区域18’、18”和18进行加热-冷却。最好将这些终端空气调节单元安装在活地板静压室20中，以便具有最大的灵活性，和提高空间的使用率。
图2所示的终端空气调节单元14能够进行加热和冷却。该终端空气调节单元包括一个安装在活地板系统的地板单元32下方的模块壳体30。该模块壳体30包括一个与地板单元32中的空气入口格栅36连通的供气出口34以及一个位于活地板静压室20中的空气入口38。将风扇40装在模块壳体30中，以便通过空气入口38抽吸来自活地板静压室20中的空气，并通过地板单元32中的空气入口格栅36将空气吹送到位于活地板静压室20上方的建筑物区域18’、18”和18中。将加热盘管42和冷却盘管44装在位于风扇40和供气口34之间的模块壳体30中。将过滤元件46设置在位于空气入口38和风扇40之间的模块壳体30中。该过滤元件46最好可通过地板单元32中的检修槽隙48进行更换。
在一些技术区域中，例如在区域18中，通常不需要新风入口，而且不需要对空气除湿。对于某些应用来讲，终端空气调节单元14主要应当提供显热冷却(sensible cooling)。因此，终端空气调节单元必须有很高的SHR(显热比，sensible heat ratio)。但是，在有人员的场所，例如在区域18”中，还可能需要保证对空间进行除湿，并引进新风。为了实现这一功能，用一个专用单元对有关区域提供湿度控制。可以将一个除湿模块设置在地板下。所述除湿单元例如是具有串接蒸发器和冷凝器盘管的直接膨胀空气冷却式单元。用这种方法，冷却环路的温度不应当限制到潜冷(latent cooling)所要求的温度，潜冷是总的热负载的一部分。即使潜在负载很高，也需要将冷凝器的热量向外散发。为此，如果有受控制的送风区域，则可以用排出气流来达到此目的。
图3所示的终端空气调节单元14’能够进行除湿和供应新风。它的模块壳体50包括一个连接在地板56单元中的空气入口格栅54上的供气出口52，以及一个具有回气口60及新风口62的混合室58。将一个风扇64装在模块壳体50中，以便抽吸混合室58的空气，并通过地板单元56中的空气入口格栅54将空气吹送到位于活地板静压室20上方的建筑物区域18’、18”和18中。该终端空气调节单元14”还包括一个直接膨胀冷却单元66，以便对供气进行冷却和除湿。装在模块壳体中的直接膨胀冷却单元最好包括一个除湿蒸发器盘管68和一个与冷水回路12相连的水冷式冷凝器(未示出)。在除湿蒸发器盘管68的下游设置一个后加热盘管68，该后加热盘管与热水回路10相连，以便空气经直接膨胀盘管68除湿以后再被加热。应当注意的是，由于采用这种终端空气调节单元14”，冷凝热没有浪费，而是传递到热水回路10中，用到需要加热的建筑物区域18’、18”和18中。
现在再参见图1，应当注意空气调节系统还可以包括一个新风调节单元78(也称作空气更新单元78)，该新风调节单元能够对新风进行预先调节，并能够将新风供应到通风空间中。
用一个热控制系统(thermal management system)80控制能量供应器16和能源网络10，12(热环路和冷却环路)，在所有运行条件下，该热控制系统可维持两个环路10，12中的温度级别(temperature level)，并使能量消耗最小。按照终端单元14的热需求，能量供应器16根据加热环路和冷却环路10，12之间的热传输进行工作。用这种方法，因为只需要注水(topping up)，所以可在能量消耗最小的前提下维持两个环路10，12的温度级别。
为了将能量消耗量减少到最小，该系统例如依靠下面的能源1.热水分配环路10；2.冷水分配环路12；3.外部环境82；4.热泵循环；5.自由冷却系统；6.一个或多个锅炉84(如果在冬季需要充分加热)。
如果只使用显热冷却终端单元，而且如果用专门单元实现湿度控制，则在冷却环路12中就会有比较高的温度，其结果是，当用制冷剂蒸汽压缩循环制冷时，制冷系数(COP)将提高，或者可以扩大自由冷却的使用。
现在结合图4描述能量供应器的主要作用。能量供应器16的热泵循环可以将冷却环路12中获取的热量和热泵循环中吸收的能量传送给加热环路10。如果加热环路10中达到所需要的温度，则将剩余的冷凝热向外[容量无限大的冷却源(cold sink)82’]散发。即使在冬季需要冷却(例如技术区域18)时，能量供应器16也可以使用外部空气自由冷却该冷却环路12中的水。如果冷却运行期间的负载小于最大值，则可以提高冷却环路12中的温度，由此可提高系统的制冷系数(COP)，而不会对空间的温度控制造成不利影响。
通过使用热泵循环，该能量供应器16也可维持加热环路10中的温度。可以从冷却环路12中得到热能，或者如果已经达到需要的温度可从外部环境得到热能[容量无限大的热源(82′)]。如果热泵循环产生的热不足以满足建筑物18对热量的需求，还可以用一个传统锅炉84进行补充。
控制系统80可以估算各个区域中的热状态，并对数据进行处理，以便确定温度和湿度参数的变化曲线，这些曲线对于预先考虑能量供应器16的作用是必须的。此外，在系统中储存能量可以有助于使同时加热和冷却的需求更加协调，这对系统的整体效率很有好处。两个环路10，12中的温度级别随不同区域中的热负载而变化。
在图5中示出了能量供应器的优选实施方式。最好将其看成是一个确保在不同应用时具有最大灵活性的模块单元。每一个基本模块的冷却容量例如是150kw。最多可以用十六个并联的模块单元。这样，能量供应器16非常通用，即使热负载很不相同也能进行精确控制。基本模块最好配有四台压缩机90，这些压缩机可以提供更多的容量控制步骤。从有利于噪声水平和效率出发最好选择“涡旋”技术。根据CEE2037/2建筑物空气调节系统的环境保护条例，所用的制冷剂最好是HFC R407C。冷凝器系统92最好使用两个并联的热交换器如果需要加热(热泵或热回收运行)，则采用平板热交换器式的水冷冷凝器(负载冷凝器)92′。换句话说，利用一个可逆式翅片盘管热交换器92”(散热冷凝器)将冷凝热散发到大气中。除了上面指出的用在热泵模式中的可逆式翅片盘管热交换器(散热蒸发器)以外，蒸发系统由用水和制冷剂进行热交换的铜焊的板式热交换器94构成，当系统运行时，该热交换器用作凉水器(负载蒸发器)。每一个模块装有水连接件、泵、膨胀容器和自由冷却盘管96，只要外界温度低到能够使直接冷却有效时，就可以利用一个再循环泵使水通过所述自由冷却盘管回流。可以体会到浮式冷却环路给定值(floatingcold loop set point)的有利之处。由中心控制系统80监控建筑物热环路的流量控制。
本发明的空气调节系统对于建筑物来讲特别有用，其中(1)冷却负载通常远大于加热负载；(2)鉴于内部热负载量和建筑物的隔热质量，全年都需要按冷却模式运行。
可以理解的是，按照三个级别对空气调节系统进行控制(见图6)1.小气候级别(microclimate level)100追踪每个区域(局部控制)中的空气温度和湿度的给定值。
2.成套设备级别(plant level)102将环路温度保持在给定值上。
3.系统级别(system level)104根据建筑物-成套设备的相互影响，利用适当的控制及热负载预测技术用最少的能量和低廉的成本使运行达到最佳。
小气候级别100与每个独立区域中的控制有关。用户设定空间给定值，控制模块106通过控制加热盘管或冷却盘管的三通阀维持该设定值。
成套设备级别102与能量供应器16的运行有关。该供应器监测冷却环路12的温度，测量与给定值的偏差，提供必要的冷却。对于产生冷水来讲，能量供应器16还检测外部空气温度，从而评估使用自由冷却操作的可能性。
系统级别104与在规定时间用最低的能量/成本使运行策略最佳有关。根据运行条件的变化分析、能力分级(capacity steps)以及边界参数用一种算法进行控制，以便将冷却环路12的温度给定值尽可能提高，从而使总的能量效率最高。测量加热环路10的回水温度可以确定对加热的需求，并能确定冷凝器一侧的工况(水冷或气冷)。在回收热的情况下，冷凝温度取决于生产具有足以供给加热盘管的温度的水的需求。在所分析的建筑物中，来自循环中的有益的补充热量始终能够满足热需求。该系统还能够进行某些专门控制，以便在长时间内节省最多的能量，例如储存热水或冷水，自由冷却的控制可以改变控制算法的参数，从而根据对建筑物热参数变化的分析或通过调节系统控制作用及监测系统的反应来进行能量储存。
在小气候级别100时，各个区域(有一个或多个热模块14)按照温度自动调节器的空间给定值调节加热和冷却盘管的阀门。用除湿模块单独控制湿度。
在成套设备级别时，能量供应器测量冷却环路12中的回流温度，估算需要的冷却能力(应将计算出的冷却能力与其相加，用能量储存算法确定的“模拟”冷却负载，它按第三控制级别运行)。终端模块的三通阀110，112开度的百分比(图2)按照被估算的热负载应使冷却环路中的温度增加最多。
根据这些数据，在控制级别三的一种算法根据空气调节空间中条件的变化有限地增加了供水温度的给定值，从而使能量效率最高。该算法根据额定能力和区域温度给定值的偏差，估算各区域的热负载。所述相同的算法还评估在实际设备工况时使用自由冷却的可能性。因为水温给定值的增加提高了节能性能，因此所有这些考虑都是相关的。另外，该算法还将通过制冷剂压缩产生冷量的费用与用注水锅炉(top-up boiler)加热的费用进行比较，对用自由冷却的数值进行评估，该数值与热环路的需要有关。一旦确定了冷却负载的运行条件，就可计算回收所得到的热量。对热环路的需求进行评估，此时用级别三控制可估计出以下可能性。如果接近要求，而且比可得到的热能小，则使用回收热，气冷冷凝器打破平衡。热回收对冷凝温度不利。如果接近要求，而且比可得到的热能大，则系统通过经济比较作出决定，其中估计热泵循环的一次能量比PER(Primary Energy Ratio)和锅炉效率起首要作用，用此方法产生必需的附加热量。如果与热要求不接近，就将热能储存在热环路的缓冲罐中。
在第三控制级别104时，用比前面的级别更长的时间段来评估系统的性能。其结果在于改变控制算法的参数，例如各环路的温度给定值，当实际负载与状况不符时，活化“模拟”热负载(activate“fictitious”thermal loads)，这有利于热回收，同时设定热负载，从而得到最高效率。
级别三的控制还确定能量供应器的运行情况(冷水温度、冷凝时水和空气之间的分流百分比(percentage split)，蒸发时水和空气之间的分流百分比)。
模拟程序的描述为了模拟整个空气调节系统，装入一个计算机程序。该程序包括全部子程序组，在主程序中每一子程序体现单个单元部件的特征。
该系统的输入参数为以下形式加热和冷却负载、外界空气温度和冷热环路中所要求的水温。该系统的输出参数为制冷循环的运行参数(各点的温度和压力)、传热流率(heat transfer flows)、电机的各种电参数以及制冷系数和热泵的性能系数(COP)。
当运行条件许可时，模拟模块还包括一个用于自由冷却的翅片盘管式热交换器。
通过仔细控制整个系统，该模拟程序最突出的就是能够实现能量节省。最佳逻辑部分可使冷却环路在尽可能以最高的回水温度下运行，加热环路在尽可能以最低的回水温度下运行，从而可适应冷却和加热负载。当具有在各区域之间热负载的大小和出现几率变化的热负载时，这些选择并不总是很容易。特别是在个别处于不利环境下的终端单元承受的是对系统非常不利的温度级别。在这种情况下，就需要估算两个回路中的流体温度是否更多地依据这些区域的平均要求(average needs)，而不仅依据少数受更多所需条件支配的要求。控制系统必须控制现有的储热，必须能够在整个时间内使负载稳定，或使注水锅炉稳定运行，或使用于自由冷却的气-水热交换器稳定运行。
下面将给出几个在这种控制原理中的不言而喻的节省势能的例子，并给出几种用于实施的基本方案。
模拟程序可以在各部件之间建立起平衡点。从根本上来讲，该程序利用蒸发器出口处的预定的蒸汽过热值(等温膨胀阀的标定函数)和冷凝器出口处的预定的液体过冷值(通常由操作人员利用满液式冷凝器设定，如果设有液体接收器或者该值等于零)识别冷凝和蒸发温度，这些温度等于压缩机、冷凝器和蒸发器控制的制冷剂质量流量的三个数值。假设膨胀装置(例如温度自动调节阀)对回路的运行没有影响，此时在该回路中阀本身能适应所述三个主要构件设定的平衡条件。用正割法(secant method)实现从不同条件向系统平衡条件的集中，从而可消除通过与第三质量流量值相比的两个制冷剂质量流量值之间的绝对差值确定的两个误差。
为了确定由包括在模拟法中的计算程序需要的制冷剂性能，根据使用NIST的算符REFPROP得到的数据表，采用一个内插子程序(interpolationsubroutine)。尽管已经将所有常见制冷剂引入相关子程序中，但该研究仅提到共沸混合制冷剂R407C。此时，在等压相变过程中，假定温度变化是焓的线性函数。
如上所述，可将所述空气调节系统看成是一个能够进行多级控制的模块系统。为了确保控制有很高的灵活性以及效率的提高，如果所存在的热负荷在空间和时间上的改变都很大，则该系统包括“n”个相同的模块，每一个模块均装有多台并列运行的压缩机90，一个板式冷凝器92’，一个板式蒸发器94，一个可逆式翅片盘管92”(即，或作为冷凝器运行，或作为蒸发器运行)，最后还有一个用于自由冷却的气冷盘管96。不必对各单台压缩机90进行容量控制，因此压缩机一直在设计条件下运行，但它是多步式(multistep)的，可根据负载将模块转换到开和关。
所述程序在特定时间根据加热/冷却的需要确定需要运行的模块的数量。如果负载没有被全部模块中的准确数量的模块负担，则该程序确定“n”个模块可以刚刚超过所需能量，而“n-1”个模块还不够需要。然后根据必须提供的平均能量计算出模块应该反复开和关的运行时间的百分比。
下面简单描述一个单一模块，该模块包括多台压缩机90，双冷凝器92’，92”，膨胀阀和双蒸发器92’，94。所述的多台压缩机包括四个密封式涡旋单元，其总的额定冷却容量是150kw。在该程序中，用一个表示压缩机运行曲线的子程序描述该构件。两个模拟蒸发器的子程序一个表示水一制冷剂热交换器，而另一个表示空气-制冷剂热交换器。前者是铜焊的不锈钢板式热交换器，用其性能曲线对其进行描述。后者模拟翅片盘管，假定两种流体在该盘管中进行理想逆流。这种模拟法是分析型的，它将热交换器分成多个预估元件(discreet elements)，它们内部的流体性能和传热系数是相同的。根据平均外表面温度，可以将一个元件看成是干式的[如果露点温度高于表面温度，则仅进行显热传递(sensible heat transfer)]，或将其看成湿式的(如果露点温度低于表面温度，则既进行传热，又发生相变)。在后一种情况下，传热势能是空气和金属之间的湿空气的焓及金属和内部流体之间的温差。也必须考虑因干翅片和湿翅片之间不同的传热方式所引起的翅片效率的变化。和蒸发器一样，必须用两个不同的冷凝器一个是水冷式(板式)的，另一个是气冷式(翅片式)的。前者利用操作人员给出的性能曲线，而第二个利用翅片盘管的分析模拟模式，并假设该盘管为逆流式。简单地用冷凝器出口和蒸发器入口之间的等焓膨胀表示膨胀阀。
模拟试验图7表示在一系列完整的实验中空气调节系统在外部温度为10℃时的性能。当然，并不一定要按照这种假设，而可进行选择以解释系统的势能。该图的横轴表示冷却需求和能力之间的比，从而观察冷却负载从最大值变到最小时不同参数的改变。纵轴刻度的一侧表示所述区域的供水温度值和回水温度值，另一侧表示压缩机需要的功率。该功率按照一次能量进行估算，以便在传统系统和为冬季加热而使用部分或全部冷凝器回收热的系统之间直接进行比较。根据具有总热效率的传统热电系统计算一次功率(在图中为“PeP”)，它包括0.33的分配损失。当系统在冬季运行时，为了满足热负载，可以用一个注水锅炉。在这种情况下，在计算一次能量时要考虑锅炉的消耗，同时假定锅炉效率为0.9。
设计的内部空气温度是24℃。根据两种不同的控制假设计算水温。在第一种假设中，对系统进行分步控制，并在温度为7℃低于控制温度时向冷却环路供给冷水。在部分负载时，用终端热交换器的冷流体旁通方法实现各区域中冷却能力的控制。下文将这类控制看成是恒定设定值(constant set-point)。只要冷却负载低于额定值，第二种运行假设就可以使向各区域提供的温度与传统值的7℃相比有所增加，该控制策略预测可将这种增加提高到最大值，在该最大值冷却负载仍然与热交换器的有效运行相符。在部分负载运行期间，由于蒸发压力随冷水温度的升高而增大，所以使COP增加。下文将这种控制称之为可变设定值(Variable set-point)。
该程序清楚地显示了当系统按部分负载运行时可变设定值状态的优点。当冷却需求减少时，供给各区域的水温升高，由此，在负载为零之前，蒸发温度等于空气温度。当然，在恒定设定值的状态下不会出现这种情况，此时的供给温度保持在7℃，与负载的任何下降无关。
蒸发温度增加导致COP增加，这使得全天消耗的一次能量必然减少。这可以参见图7，在该图中，在恒定设定值的情况中，它随冷却能力线性变化，如果是可变的设定值，它将减少。显然，最多的能量节省大约是热负载的50％，消耗的能量与负载为100％和负载为0％时相同。
在图7中，一次能量消耗曲线表示它考虑了自由冷却运行的可能性。当外界温度低到足以能代替机械冷却方法的冷源时，将发生自由冷却。显然，用可变设定值控制就可以非常方便地实现自由冷却，这是因为在部分负载的情况下，来自冷却环路的回水温度大大提高意味着在自由冷却盘管中有非常大的热传递。
对于少于40％的部分负载来讲，与下降到零的一次能量消耗的快速下降相对应的是自由冷却过程的活化(activation)相当明显。应注意的是，即使冷却系统按多步式运行，图7的曲线图上各线也是连续的，这是因为在系统循环时这些线是根据平均值得到的。此外，每当同时出现冷却和加热需要时，重要的就是结合可能的自由冷却，根据恒定或可变设定值的控制逻辑，通过取冷凝热的平均值来监视系统可能的运行。这可以是冬季和季中的情况。为了考虑这一效果，有另外两种运行模式。它们均将冷凝器的热回收与改变供水温度的可能性结合起来。第一种控制策略假设系统模块用两个并联的冷凝器92，92’工作。在板式冷凝器92’中，回收必需的热量，从而用供应给区域终端的温度为45℃的热水满足热负载，而在翅片式盘管冷凝器92”中，将多余的冷凝器热散出。即使模块不足以满足加热要求，也可以使用具有总回收热的板式热交换器92’，而另一个模块开始运行时进行部分回收。在下面的实施方式中采用的负载曲线中，这种偶然性不会出现。下文称这种方法为“连续回收”。
在热回收的第二种方法中，按照回收模式运行的一个或多个模块总是满容量工作，也就是说即使回收的热少于冷凝热，也要将冷凝器热量全部收到板式热交换器92’中。因此这种回收方法要求模块间歇运行。在模拟时，这与稳态运行时的情况一样，这是因为假定系统热惰性很高，因而，因循环引起的温度变化可忽略不计。当不需要模块供热时，它用气冷冷凝器正常运行。下文将这种方法称之为“间歇回收”。显然，与连续回收相比这种方法必然节省能量，在这种方法中，由于与水冷冷凝器相等的气冷冷凝器的冷凝温度升高，所以它避免了能量浪费。
现在结合建筑物的典型负载曲线研究空气调节系统在上述运行模式中的性能。
为了进行完整的分析，要求研究系统在各个季节的性能。表1中示出了经选择的特征负载曲线。
表1负载曲线
这些仅是办公室的热负载的差别，其中假设正常工作日的全天都是恒定值，在其余的日子不存在。根据季节，负载可以是冷却负载或加热负载。在七月，不管是技术区域还是办公室都只需要冷却。另外一月和三月表示冷却运行减少，办公室需要加热。为了分析不同月份的运行状况，对于有代表性的日子[x]中的Padua区域，要考虑温度和湿度曲线。
模拟结果一月在图8中，示出了对于上述四种运行工作方法的一次能量消耗随小时的变化。从恒定设定值运行到可变设定值运行，能量节省约50％。如上所述，这是因为各区域可以供应温度升高了的水，这样就使水和外界空气之间的温差明显增加，因而也就增加了可以通过自由冷却盘管进行热交换的热量。具有热回收的运行进一步提高了效率。尤其应注意的是，由于可变的设定值，连续回收只是稍微提高了性能。这可用与冷却需求相比少量加热来解释，其原因是热回收的能量增益有一部分因为高冷凝压力引起的效率损失而被抵消，用这种高冷凝压力，迫使单元运行产生温度为45℃的热水。在间歇回收的情况下，因为系统有效地使用冷凝器的热量，进而使系统效率大大提高，所以能量损失减少到最小。为了对不同控制方法的能量性能之间进行直接比较，下面在表2中示出了这三个月的每一个月的日能量消耗情况。可以看到，由于没有回收冷凝器热量，所以在可变设定值运行中吸收的一次能量节省50.7％，这是纯电能节约下来的，因而可以换算成相同百分比的经费节约。但在热回收运行模式中，一次能量节省指的是不同类型的能量(电能和热能)节省，虽然通过一次能量进行比较，但这些能量节省不能单值地换算成经费节约，因为它们取决于实施中的不同的税率。
三月和一月一样，图9示出了对于上述四种运行工作方法的一次能量消耗随小时的变化。在这种情况中可以看到，从恒定设定值运行到可变设定值运行，节省的能量要比上面的情况少，这是因为外界温度升高而使用自由冷却的可能性变小。就热回收运行来说，与其它运行模式相比，显然，一天中只在很少几个小时内连续回收使性能降低。事实上在这种情况下，加热需求要比冬天的月份中小，因此，热回收的好处不补偿单元的效率损失，其原因是冷凝压力提高了。在间歇回收运行中，因为像上面描述的那样，使用的是最高效率下的冷凝器的热量，因此这种损失不会发生。
七月在恒定设定值运行模式和可变设定值运行模式中，从一次能量消耗按小时变化的分析来看，不难得出，条件与一天内的中间时段施加的最大负载时的条件偏离更大，能量节省增加，也就是说，部分负载运行时间越长，节省的能量也越多。
这种情况体现在由图10所示的两种运行模式下的供水温度曲线，其中，在可变设定值控制方法时，水温随负载的减少而升高是很明显的。最后，表2示出了一天中的一次能量消耗情况。因为在负载最大的几小时内，系统性能与两种控制状况时相同，所以节省的能量百分比并不特别高。但节省的绝对值是很明显的。
表2-不同季节中一天的能量消耗
应注意的是，在一月和三月中，外界温度在一天中可以根据控制策略使用几小时的自由冷却运行。
权利要求
1.一种用于建筑物的空气调节系统，包括一热水分配回路；一冷水分配回路；和多个终端空气调节单元，其中每一个终端空气调节单元包括一将空气吹送到所述建筑物一个空间的风扇、一与所述热水分配回路相连的加热盘管和/或一与所述冷水分配回路相连的冷却盘管；和至少一用于控制所述加热盘管的加热功率和所述冷却盘管的冷却功率的环境温度控制系统；其特征在于该系统还包括一个热能控制系统，所述热能控制系统包括一个具有热泵循环的能量供应器，该供应器可以将热能从所述冷水分配系统传送到所述热水分配系统。
2.根据权利要求1所述的空气调节系统，其特征在于所述具有热泵循环的能量供应器还可以将热能a)从所述冷水分配系统传送到大气中；和b)从大气传送到所述热水分配系统中；其中所述热能控制系统可以控制所述热能传递，从而使能量消耗最佳。
3.根据权利要求1或2所述的空气调节系统，其特征在于使所述能量消耗最佳包括总的一次能量消耗最小，或者是所述空气调节系统的能量总费用最低。
4.根据权利要求1-3之一所述的空气调节系统，其特征在于所述热能控制系统还包括一能够将所述冷水分配系统的热能传送到大气中的气/水热交换器。
5.根据权利要求1-4之一所述的空气调节系统，其特征在于该系统还包括一能够产生热能并能将热能传送到所述热水分配系统的热发生器。
6.根据权利要求1-5之一所述的空气调节系统，其特征在于该系统还包括一冷却能量缓冲罐，其中所述热能控制系统能够从所述冷却能量缓冲罐中获取热量，然后将所述冷水分配系统中的热量传送给所述冷却能量缓冲罐。
7.根据权利要求1-6之一所述的空气调节系统，其特征在于该系统还包括一加热能量缓冲罐，其中所述热能控制系统能够将热能供给所述加热能量缓冲罐，然后将所述加热能量缓冲罐中的热量传送给所述热水分配系统。
8.根据权利要求1-7之一所述的空气调节系统，其特征在于所述热能控制系统能够检测所述各个终端空气调节单元的冷却/加热的能量需求；和根据所述终端空气调节单元的冷却/加热的能量需求改变所述冷却和加热回路温度设定值。
9.根据权利要求1-8之一所述的空气调节系统，其特征在于所述热能控制系统能够根据建筑物的加热/冷却总需求、外界气候参数以及主要能量费用控制所述热能的传送。
10.根据权利要求1-9之一所述的空气调节系统，其特征在于所述热水分配回路和冷水分配回路包括按固定间隔分开的快速装配连接件，以便使它们通过软管分别与加热盘管和冷却盘管相连。
11.根据权利要求1-10之一所述的空气调节系统，其特征在于将所述终端空气调节单元装在一个通风的空间中，该通风的空间或处于活地板之下，或处于吊顶的上方，其中所述终端空气调节单元的所述风扇抽吸所述通风空间中的空气。
12.根据权利要求11所述的空气调节系统，其特征在于所述终端空气调节单元包括一模块壳体，将该壳体设置在活地板的地板单元的下面，所述模块壳体包括一与所述地板单元中的空气入口格栅相连的供气出口以及一开口朝向所述通风的空间的空气入口；一装在所述模块壳体中的风扇，以便通过所述空气入口抽吸所述通风空间的空气，并通过所述地板单元中的所述空气入口格栅将空气吹送到位于活地板静压室上方的建筑物区域中；以及一与所述热水分配系统相连的加热盘管和/或一与所述冷水分配系统相连的冷却盘管，将所述加热盘管和冷却盘管装在所述模块壳体中，并位于所述风扇和所述供气出口之间。
13.根据权利要求12所述的空气调节系统，其特征在于所述终端空气调节单元还包括一过滤元件，将该过滤元件装在所述模块壳体中，在该模块壳体中的所述过滤元件通过所述地板单元中的检修槽隙进行更换。
14.根据权利要求12所述的空气调节系统，其特征在于一终端空气调节单元包括一装在活地板的地板单元中的模块壳体，所述模块壳体包括一个供气出口和一个具有回气口及新风口的混合室，所述供气出口与所述地板单元中的一空气入口格栅相连；一装在所述模块壳体中的风扇，以便抽吸所述混合室的空气，并通过所述地板单元中的所述空气入口格栅将空气吹送到位于活地板静压室上方的建筑物区域中；一个对供气进行冷却和除湿的直接膨胀冷却单元，将该直接膨胀冷却单元装在所述模块壳体中，该冷却单元包括一个与所述冷水回路相连的水冷式冷凝器；以及一个装在所述模块壳体中的后加热盘管，该后加热盘管与所述热水回路相连，以便对空气除湿以后对其进行再加热。
15.根据权利要求9所述的空气调节系统，其特征在于该空气调节系统还包括一能够预先对新风进行调节并将空气供应到所述通风空间中的新风调节单元。
16.根据上述任一项权利要求所述的空气调节系统，其特征在于所述能量供应器包括至少一台制冷剂压缩机；一用于所述制冷剂的水冷冷凝器，所述水冷冷凝器与所述热水分配回路相连，以便将冷凝能量传送给所述热水回路；一制冷剂蒸发器，所述蒸发器与所述冷水分配回路相连，以便从所述冷水回路获取蒸发能量；一用于所述制冷剂的气冷冷凝器，所述气冷冷凝器与所述水冷冷凝器并联连接，所述气冷冷凝器能够将多余的冷凝能量传送给大气；和一连接在所述冷水分配回路中的与所述水冷蒸发器串联连接的自由冷却盘管。
17.根据权利要求16所述的空气调节系统，其特征在于所述气冷冷凝器是一个空气/制冷剂热交换器，该热交换器还可以用作从大气中获取蒸发能量的制冷剂的蒸发器。
全文摘要
本发明公开了一种用于建筑物的空气调节系统，包括一热水分配回路(10)；一冷水分配回路(12)；和多个终端空气调节单元(14)。其中每一个终端空气调节单元(14)包括一将空气吹送到所述建筑物一个空间的风扇(40)、一与所述热水分配回路(10)相连的加热盘管(42)和/或一与所述冷水分配回路(12)相连的冷却盘管(44)。至少一个用于控制所述加热盘管的加热功率和所述冷却盘管的冷却功率的环境温度控制系统。该系统还包括一具有热泵的热能控制系统(80)，以便将热能a)从所述冷水分配系统传送到所述热水分配系统中；b)从所述冷水分配系统传送到大气中；和c)从大气传送到所述热水分配系统中。该热能控制系统(80)可以用一个三级控制系统控制热能，以便使耗能最佳。
文档编号F24F11/02GK1509394SQ02810090
公开日2004年6月30日 申请日期2002年4月19日 优先权日2001年5月16日
发明者平卡斯·卡特泽尔, 平卡斯 卡特泽尔 申请人:尤尼弗莱尔国际股份有限公司