空调辅助换热单元、空调系统及控制方法和环境模拟设备与流程

本发明涉人工环境控制技术及空调技术领域，尤其涉及空调辅助换热单元、空调系统及控制方法和环境模拟设备。

背景技术：

传统的空调系统主要包括冷凝器、压缩机、蒸发器和膨胀阀，利用压缩机解决了室内(封闭空间)逆外界环境温度的热能转移问题，使得高温天气下室内可以被降温，低温天气下室内可以被升温，因此在封闭环境的温度控制方面得到了非常广泛的应用。

由于传统空调在室内利用换热器对空气温度进行调控，辅以风机，使空气快速流动，实现温度均匀，进而提高换热器的效率。在制冷时，设置的温度与实际温度的差值越大，换热器表面的温度越低，这时如果换热器表面的温度低于空气的露点温度，则会在换热器表面产生冷凝水，从而降低了空气的湿度，这种空气湿度的降低不是控制内的，导致空气湿度持续降低，给湿度的控制带来不利影响，如果环境需要高湿度，还需要加湿器提高湿度，造成了资源的浪费。提高风速虽能够改善这一问题，但风速的提高是有限的，而且带来的副作用是噪音大，甚至产生结构震动，耗电量也同时大幅升高。传统空调只采用热对流方式对空气进行制冷或制热，未采用如热传导或热辐射对特定位置进行制冷或制热，以便更高效地控制温度。

环境模拟主要指通过一种或多种技术手段，将一个指定空间内的一种或多种环境参数，约束到特定的数值。所述环境参数通常包括：空间内的空气密度(即气压参数)、空气温度及湿度、空气的组成成分(如二氧化碳浓度、沙尘密度等)、空间内的光照度、辐射强度、噪声强度，另外还有空气流速(即风速)等。通常在设计环境模拟设备时，会在其中安置空调系统，以便控制环境参数(如温度、湿度)。空气湿度的控制会有上述问题，而且风速本身就是环境模拟中的一个重要指标，某些场景是不允许高风速的，例如植物生长环境实验室中，花粉授粉阶段要求较低的风速。

因此，本领域亟需空调辅助换热单元、空调系统及控制方法和环境模拟设备。

有鉴于此，提出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供空调辅助换热单元、空调系统及控制方法和环境模拟设备，以解决上述至少一个技术问题。

具体的，本发明提供了一种空调辅助换热单元，包括：换热器、空调接入管道和空调接出管道，所述空调接入管道和空调接出管道的一端通过所述换热器连通；所述换热器上还设置有换热接入管道和换热接出管道；所述换热接入管道和换热接出管道通过所述换热器连通；所述换热接入管道或换热接出管道上设置有泵。

其中，所述空调接入管道和空调接出管道的另一端用于与空调系统的管路连通，可以与空调系统的蒸发器并联或串联，所述空调系统可以制冷或冷暖两用，所述换热接入管道和换热接出管道可以与其他换热器连通，其他换热器可以对周围物品、空气进行吸热或散热，所述泵用于对管路内的冷媒的循环提供动力。

采用上述方案，所述空调辅助换热单元通过所述换热器实现与空调系统的管路进行热交换，利用空调系统对换热接入管道、换热接出管道内的冷媒进行制冷或制热，所述冷媒可以为水或常用制冷剂，所述空调辅助换热单元为空调接入其他散热器提供基础，以便利用热传导、热辐射辅助空调系统对封闭空间温度的调控，满足低风速、高效率的温度调控。

进一步地，所述空调接入管道上设置有辅助膨胀阀。

其中，所述辅助膨胀阀可以为机械膨胀阀，也可以为电子膨胀阀，若采用电子膨胀阀，所述空调辅助换热单元还设置有控制器，所述控制器与所述电子膨胀阀电性连接。

采用上述方案，当所述空调辅助换热单元与空调系统中的蒸发器并联时，能利用辅助膨胀阀进行制冷量或制热量的控制，脱离传统空调系统中膨胀阀的控制，实现单独调控。

进一步地，所述空调辅助换热单元还包括辅助储液器，所述辅助储液器用于存放制冷剂。

优选地，所述制冷剂采用氟利昂，更优选地，所述制冷剂采用氟里昂134a(c2h2f4，r134a)。

采用上述方案，传统的单流体热交换器，即冷板多采用水作为冷媒，因为水具有更大的比热容，但氟利昂能利用相变潜热，即汽化热，在最小的质量流量下进行更多热量的运输，减少管道传输中的阻力。同时，管道中相变材料在两相状态下各点温度相同，有利于为多个单流体热交换器提供均等的换热能力。

进一步地，所述泵采用氟泵。

采用上述方案，结构紧凑、噪音低、耐腐蚀。

进一步地，所述空调辅助换热单元还包括单流体热交换器，所述单流体热交换器通过管道与所述换热接入管道、换热接出管道连接。

采用上述方案，所述单流体热交换器利用热传导、热辐射对特定位置进行加热或制冷，在不提高风速的条件下，提高空调系统制冷和加热的效率。

进一步地，所述单流体热交换器为多个，通过管道并联和/或串联。

优选地，所述单流体热交换器可以为铜管嵌入式冷板、桥接式冷板、真空焊接式冷板。更优选地，所述单流体热交换器采用铜管嵌入式冷板。

采用上述方案，在制冷状态时，可以对封闭空间内发热设备进行独立制冷，在制热状态时，可以对特定位置进行独立制热，使得特定位置温控更精准；减少因热对流方式导致的制冷或制热针对性弱，温控不精准的情况。和热对流方式相比，热传导方式对空气湿度的影响更小，甚至可以忽略。

所述空调接入管道、空调接出管道的另一端设置有空调冷媒接口。

采用上述方案，便于所述空调辅助换热单元与空调系统中的管道实现快速连接。

进一步地，所述换热接入管道、换热接出管道、单流体热交换器及管路之间可拆卸连接。

其中，所述可拆卸连接可以利用螺纹，卡接等连接，也可以通过其它快速接头连接。

采用上述方案，可以根据需要针对所述单流体热交换器的连接个数、连接方式、连接位置进行特殊性设置，满足不同环境的需求。

进一步地，所述空调辅助换热单元还包括控制器，所述换热接入管道上设置有第一温度传感器，所述换热接出管道上设置有第二温度传感器，所述泵、第一温度传感器、第二温度传感器与所述控制器电性连接。

采用上述方案，所述控制器根据所述第一温度传感器、第二温度传感器测得的温度及温差控制氟泵的功率、辅助膨胀阀的开合，以控制管路内冷媒的流速及温度，控制所述单流体热交换器的换热效率，减少能源浪费以及防止结露结霜。

本发明还提供了一种空调系统，包括通过管路连接的室外换热单元、室内空气换热单元，所述室外换热单元包括冷凝器、压缩机，所述室内空气换热单元包括蒸发器、空调膨胀阀；所述空调系统还包括上述空调辅助换热单元，所述空调辅助换热单元与所述室内空气换热单元利用管路并联。

采用上述方案，包括上述空调辅助换热单元的所述空调系统包括所述空调辅助换热单元的有益效果，另外，所述空调系统用于制冷时，所述空调辅助换热单元的存在，使得所述空调系统在同等制冷量下，可以有更小的风速，同时仍能保证蒸发器表面温度高于露点温度，减少非控制除湿，使得所述空调系统更好地调控封闭空间的温度与湿度。

进一步地，所述室外换热单元还包括第一风扇，所述第一风扇与所述冷凝器相对设置。

进一步地，所述室内空气换热单元还包括第二风扇，所述第二风扇与所述蒸发器相对设置。

进一步地，所述室外换热单元还包括空调储液器，所述空调储液器也存储有制冷剂。

其中，所述制冷剂为氟利昂。

进一步地，所述空调系统的蒸发器上设置有第三温度传感器，所述温度传感器与控制器电性连接。

采用上述方案，及时发现所述蒸发器表面温度是否低于空气的露点温度，以便进行控制风扇、压缩机或膨胀阀。

本发明另一方面还提供了一种上述空调系统的控制方法，包括以下步骤：

获取换热接入管道的温度t1，获取房间空气温度的设定温度t0；

判断dt＝|t1-t0|的值，控制辅助膨胀阀的开度：制冷时辅助膨胀阀的开度与dt成正相关；制热时辅助膨胀阀的开度与dt成负相关。

进一步地，所述判断dt＝|t1-t0|的值，控制辅助膨胀阀的开度：制冷时辅助膨胀阀的开度与dt成正相关；制热时辅助膨胀阀的开度与dt成负相关包括以下步骤：

设置上限阈值，当dt的值超过上限阈值时，所述辅助膨胀阀的开度按上限阈值进行开合。

采用上述方案，防止温差过大时，辅助膨胀阀开启过大，使换热量过大，或是超出辅助膨胀阀的开合上限。

进一步地，所述判断dt＝|t1-t0|的值，控制辅助膨胀阀的开度：制冷时辅助膨胀阀的开度与dt成正相关；制热时辅助膨胀阀的开度与dt成负相关包括以下步骤：

设置下限阈值，当dt的值低于下限阈值时，所述辅助膨胀阀的开度按下限阈值进行开合。

采用上述方案，防止温差过小时，辅助膨胀阀开启过小，使换热量过小，在冷媒传输过程中流失，未在所述单流体热交换器进行热交换。

具体地，所述判断dt＝|t1-t0|的值，控制辅助膨胀阀的开度：制冷时辅助膨胀阀的开度与dt成正相关；制热时辅助膨胀阀的开度与dt成负相关包括以下步骤：

每隔一个时间周期，依据dt值进行一次膨胀阀开度调整：

如果下限阈值≤dt≤上限阈值，膨胀阀调整量＝(dt*a)％；

如果dt>上限阈值，膨胀阀开度增加现有开度的(上限阈值*a)％；

如果dt<下限阈值，膨胀阀开度缩减到现有开度的(下限阈值*a)％，其中a为提前设置的系数。

其中，但不仅限于上述算法，本领域技术人员可采用自控领域常见的控温算法，如pid算法。

在本发明的一个优选实施方式中，所述空调系统的控制方法还包括以下步骤：

s110.获取空气的露点温度和蒸发器表面温度；

s120.判断蒸发器表面温度是否高于空气的露点温度，若是，关闭空调辅助换热单元的泵；若否，启动空调辅助换热单元的泵。

采用上述方案，当蒸发器表面的温度降到露点温度及以下时，开启所述空调辅助换热单元，分担所述室内空气换热单元的换热量，防止蒸发器表面出现冷凝水，非控制地降低空气湿度；当蒸发器表面温度高于露点温度时，此时不会凝结冷凝水，降低空气湿度，可以关闭所述空调辅助换热单元，以节约能源。

本发明还提供了一种环境模拟设备，包括上述空调系统。由于所述空调系统具有上述技术效果，具有所述空调系统的环境模拟设备也应具有相应的技术效果，实现低风速下换热效率最大化。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、通过所述空调辅助换热单元，为空调接入其他散热器提供基础，以便利用热传导、热辐射辅助空调系统对封闭空间温度的调控，满足低风速、高效率的温度调控；

2、通过所述单流体热交换器，利用热传导、热辐射对特定位置进行加热或制冷，在不提高风速的条件下，提高空调系统制冷和加热的效率；

3、通过所述辅助膨胀阀，进行所述空调辅助换热单元制冷量或制热量的控制，脱离传统空调系统中膨胀阀的控制，实现单独调控；

4、通过采用氟利昂作为冷媒，能利用相变潜热，即汽化热，在最小的质量流量下进行更多热量的运输，减少管道传输中的阻力，并且能为多个单流体热交换器提供均等的换热能力；

5、通过所述第一温度传感器、第二温度传感器对制冷需要进行测量，自动化控制所述辅助膨胀阀，实现总换热量在所述空调辅助换热单元与室内空气换热单元之间的分配，以减少风速对换热效率的限制；

6、通过所述空调辅助换热单元，使得所述空调系统在制冷时，避免蒸发器出现冷凝水，非控制地降低空气湿度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明空调辅助换热单元一种实施方式的示意图；

图2为本发明空调系统一种实施方式的示意图；

图3为本发明环境模拟设备一种实施方式的示意图。

附图标记说明

通过上述附图标记说明，结合本发明的实施例，可以更加清楚的理解和说明本发明的技术方案。

100、空调辅助换热单元；101、换热器；102、空调接入管道；103、空调接出管道；104、换热接入管道；105、换热接出管道；106、泵；107、辅助膨胀阀；108、单流体热交换器；109、辅助储液器；

200、室外换热单元；201、冷凝器；202、压缩机；203、第一风扇；204、空调储液器；

300、室内空气换热单元；301、蒸发器；302、空调膨胀阀；303、第二风扇；

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

参考图1和图2，具体的，本发明提供了一种空调辅助换热单元100，包括：换热器101、空调接入管道102和空调接出管道103，所述空调接入管道102和空调接出管道103的一端通过所述换热器101连通；所述换热器101上还设置有换热接入管道104和换热接出管道105；所述换热接入管道104和换热接出管道105通过所述换热器101连通；所述换热接入管道104或换热接出管道105上设置有泵106。

其中，参考图2，所述空调接入管道102和空调接出管道103的另一端用于与空调系统的管路连通，可以与空调系统的蒸发器301并联或串联，所述空调系统可以制冷或冷暖两用，所述换热接入管道104和换热接出管道105可以与其他换热器,连通，其他换热器可以对周围物品、空气进行吸热或散热，所述泵106用于对管路内的冷媒的循环提供动力。

采用上述方案，所述空调辅助换热单元100通过所述换热器101实现与空调系统的管路进行热交换，利用空调系统对换热接入管道104、换热接出管道105内的冷媒进行制冷或制热，所述冷媒可以为水或常用制冷剂，所述空调辅助换热单元100为空调接入其他散热器提供基础，以便利用热传导、热辐射辅助空调系统对封闭空间温度的调控，满足低风速、高效率的温度调控。

在本发明的一个优选实施方式中，所述空调接入管道102上设置有辅助膨胀阀107。

其中，所述辅助膨胀阀107可以为机械膨胀阀，也可以为电子膨胀阀，若采用电子膨胀阀，所述空调辅助换热单元100还设置有控制器，所述控制器与所述电子膨胀阀电性连接。

采用上述方案，当所述空调辅助换热单元100与空调系统中的蒸发器301并联时，能利用辅助膨胀阀107进行制冷量的控制，脱离传统空调系统中膨胀阀的控制，实现单独调控。

在本发明的一个优选实施方式中，所述空调辅助换热单元100还包括辅助储液器109，所述辅助储液器109用于存放制冷剂。

在本发明的一个优选实施方式中，所述制冷剂采用氟利昂，在本发明的一个优选实施方式中，所述制冷剂采用氟里昂134a(c2h2f4，r134a)。

采用上述方案，传统的单流体热交换器108，即冷板，多采用水作为冷媒，因为水具有更大的比热容，但氟利昂能利用相变潜热，即汽化热，在最小的质量流量下进行更多热量的运输，在接近室温状态下能以最小的温差为多个冷板提供均等的换热能力，同时减少管道传输中与室内空气的热交换。

在本发明的一个优选实施方式中，所述泵106采用氟泵。

采用上述方案，结构紧凑、噪音低、耐腐蚀。

在本发明的一个优选实施方式中，所述空调辅助换热单元100还包括单流体热交换器108，所述单流体热交换器108通过管道与所述换热接入管道104、换热接出管道105连接。

采用上述方案，所述单流体热交换器108利用热传导、热辐射对特定位置进行加热或制冷，在不提高风速的条件下，提高空调系统制冷和加热的效率。

在本发明的一个优选实施方式中，所述单流体热交换器108为多个，通过管道并联和/或串联。

在本发明的一个优选实施方式中，所述单流体热交换器108可以为铜管嵌入式冷板、桥接式冷板、真空焊接式冷板。在本发明的一个优选实施方式中，所述单流体热交换器108采用铜管嵌入式冷板。

采用上述方案，在制冷状态时，可以对封闭空间内发热设备进行独立制冷，在制热状态时，可以对特定位置进行独立制热，使得特定位置温控更精准；减少因热对流方式导致的制冷或制热针对性弱，温控不精准的情况。

所述空调接入管道102、空调接出管道103的另一端设置有空调冷媒接口。

采用上述方案，便于所述空调辅助换热单元100与空调系统中的管道实现快速连接。

在本发明的一个优选实施方式中，所述换热接入管道104、换热接出管道105、单流体热交换器108及管路之间可拆卸连接。

其中，所述可拆卸连接可以利用螺纹，卡接等连接，也可以通过其它快速接头连接。

采用上述方案，可以根据需要绝对所述单流体热交换器108的连接个数、连接方式、连接位置进行特殊性设置，满足不同环境的需求。

在本发明的一个优选实施方式中，所述空调辅助换热单元100还包括控制器，所述换热接入管道104上设置有第一温度传感器，所述换热接出管道105上设置有第二温度传感器，所述泵106、第一温度传感器、第二温度传感器与所述控制器电性连接。

采用上述方案，所述控制器根据所述第一温度传感器、第二温度传感器测得的温度及温差控制氟泵106的功率、辅助膨胀阀107的开合，以控制管路内冷媒的流速，控制所述单流体热交换器108的换热效率，减少能源浪费以及防止结露结霜。

参考图2，本发明还提供了一种空调系统，包括通过管路连接的室外换热单元200、室内空气换热单元300，所述室外换热单元200包括冷凝器201、压缩机202，所述室内空气换热单元300包括蒸发器301、空调膨胀阀302；所述空调系统还包括上述空调辅助换热单元100，所述空调辅助换热单元100与所述室内空气换热单元300利用管路并联。

采用上述方案，包括上述空调辅助换热单元100的所述空调系统包括所述空调辅助换热单元100的有益效果，另外，所述空调系统用于制冷时，所述空调辅助换热单元100的存在，使得所述空调系统在同等制冷量下，所述室内空气换热单元300只需要负担很小的换热量，即使采用更小的风速，换热温差也会表现出很小的数值，因此保证了蒸发器301表面温度尽可能接近室温，高于露点温度，避免了非控制除湿，使得所述空调系统更好地调控封闭空间的温度与湿度。

在本发明的一个优选实施方式中，所述室外换热单元200还包括第一风扇203，所述第一风扇203与所述冷凝器201相对设置。

在本发明的一个优选实施方式中，所述室内空气换热单元300还包括第二风扇303，所述第二风扇303与所述蒸发器301相对设置。

在本发明的一个优选实施方式中，所述室外换热单元200还包括空调储液器204，所述空调储液器204也存储有制冷剂。

其中，所述制冷剂为氟利昂。

在本发明的一个优选实施方式中，所述空调系统的蒸发器301上设置有第三温度传感器，所述温度传感器与控制器电性连接。

采用上述方案，及时发现所述蒸发器301表面温度是否低于空气的露点温度，以便进行控制第二风扇303、压缩机202或空调膨胀阀302。

本发明另一方面还提供了一种上述空调系统的控制方法，包括以下步骤：

s210.获取换热接入管道的温度t1，获取房间空气温度的设定温度t0；

s220.判断dt＝|t1-t0|的值，控制辅助膨胀阀107的开度；制冷时辅助膨胀阀107的开度与dt成正相关；制热时辅助膨胀阀107的开度与dt成负相关。

其中，所述dt的值为t1与t0差值的绝对值，正相关是指当正差值越大,辅助膨胀阀107的开度越大。

在本发明的一个优选实施方式中，所述s220.判断dt＝|t1-t0|的值，控制辅助膨胀阀107的开度；制冷时辅助膨胀阀107的开度与dt成正相关；制热时辅助膨胀阀107的开度与dt成负相关包括以下步骤：

s221.设置上限阈值，当dt的值超过上限阈值时，所述辅助膨胀阀107的开度按上限阈值进行开合。

采用上述方案，防止温差过大时，辅助膨胀阀107开启过大，使换热量过大，或是超出辅助膨胀阀107的开合上限。

在本发明的一个优选实施方式中，所述s220.判断dt＝|t1-t0|的值，控制辅助膨胀阀107的开度；制冷时辅助膨胀阀107的开度与dt成正相关；制热时辅助膨胀阀107的开度与dt成负相关包括以下步骤：

s222.设置下限阈值，当dt的值低于下限阈值时，所述辅助膨胀阀107的开度按下限阈值进行开合。

采用上述方案，防止温差过小时，辅助膨胀阀107开启过小，使换热量过小，在冷媒传输过程中流失，未在所述单流体热交换器108进行热交换。

具体地，所述s220.判断dt＝|t1-t0|的值，控制辅助膨胀阀107的开度；制冷时辅助膨胀阀107的开度与dt成正相关；制热时辅助膨胀阀107的开度与dt成负相关包括以下步骤：

每隔5秒钟依据dt值进行一次膨胀阀开度调整：

如果-5≤dt≤10，膨胀阀调整量＝(dt*10)％；

如果dt>10，膨胀阀开度增加现有开度的100％；

如果dt<-5，膨胀阀开度缩减到现有开度的50％。

其中，但不仅限于上述算法，本领域技术人员可采用自控领域常见的控温算法，如pid算法。

在本发明的一个优选实施方式中，所述空调系统的控制方法还包括以下步骤：

s110.获取空气的露点温度和蒸发器301表面温度；

s120.判断蒸发器301表面温度是否高于空气的露点温度，若是，关闭空调辅助换热单元100的泵106；若否，启动空调辅助换热单元100的泵106。

采用上述方案，当蒸发器301表面的温度降到露点温度及以下时，开启所述空调辅助换热单元100，分担所述室内空气换热单元300的换热量，防止蒸发器301表面出现冷凝水，非控制地降低空气湿度；当蒸发器301表面温度高于露点温度时，此时不会凝结冷凝水，降低空气湿度，可以关闭所述空调辅助换热单元100，以节约能源。

参考图3，本发明还提供了一种环境模拟设备，包括上述空调系统。由于所述空调系统具有上述技术效果，具有所述空调系统的环境模拟设备也应具有相应的技术效果，实现低风速下换热效率最大化。

具体实施过程中，所述环境模拟设备可以用于植株培养，内部设置日照灯，将室外换热单元200置于环境模拟设备的外部，将空气换热单元300和空调辅助换热单元100的主要部件置于环境模拟设备的顶部，空调辅助换热单元100的单流体热交换器108可置于日照灯附近，以吸收日照灯产生的热量。

应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。