级联浮动中间温度热泵系统的制作方法
【专利摘要】级联热泵系统设有变速压缩机，所述变速压缩机允许对特定的热负荷有较高的系统性能系数的操作。电子控制模块可以用来动态地改变压缩机的速度以获得最大的能量效率。也可以使用变速风扇或者鼓风机。
【专利说明】级联浮动中间温度热泵系统
【背景技术】
[0001]热泵经常被用来给目标空间或区域提供加热或冷却，通常是住宅或者商业建筑的室内区域。最普通类型的热泵是空气源热泵，所述空气源热泵在目标空间和另一空间中的空气之间传递和放大热量，所述另一空间通常是周围环境。对于加热、通风和空调/制冷(HVAC/R)应用，热泵经常使用蒸气压缩制冷循环，其中使用循环制冷剂作为媒介从一个空间吸收热量并且继而将热量排放到其他地方。
[0002]在单级蒸气压缩热泵系统中，制冷剂流过吸收热量并且产生蒸气的蒸发器，然后在进入冷凝器中放热之前流至提供必要的压力增加的压缩机中。然后通过使用膨胀装置，例如热膨胀装置(TXV)，将制冷剂在回到蒸发器之前膨胀至低压。也经常使用风扇或者鼓风机来将加热或冷却效果传递至目标空间或者周围环境。单级蒸气压缩系统对冷气候加热应用是不实用的，原因在于在低的周围温度下制冷剂的抽吸压力低，并且很难在高的压缩比下高效地操作压缩机和压缩有较大比体积的制冷剂。
[0003]一种已知的冷气候加热方案是多级级联热泵系统，其中多个独立的蒸气压缩循环用较高级循环的蒸发器联接到彼此上，所述较高级循环的蒸发器去除了相邻较低级循环的冷凝制冷剂的热量。多级级联系统中的每个循环通常使用适合于该温度的不同的制冷剂，选择最适合于其操作条件的制冷剂。相比于单级系统，多级级联热泵系统的优势在于较低的蒸发温度、较小的压缩比和较高的压缩机容积效率。
[0004]两级级联系统已经在HVAC/R中使用了好几十年。然而，这些传统的两级级联系统具有与固有的低效问题，所述低效是由较低级中的冷凝温度和较高级中的蒸发温度的重叠造成的。这一缺点可以通过引入液体蒸气热交换器和过热降温器而得以部分地避免。然而，仍需要去持续改进具有提高的能量效率的级联热泵。
【发明内容】
[0005]这里描述的是热泵系统的实施例，所述热泵系统包括拥有第一压缩机、第一冷凝器、第一膨胀阀和第一蒸发器的第一级。所述系统也具有拥有第二压缩机、第二冷凝器、第二膨胀阀和第二蒸发器的第二级。第一冷凝器和第二蒸发器被定位成将热量从第一冷凝器泵送至第二蒸发器。至少第一压缩机或第二压缩机是变速压缩机。所述系统也包括构造成控制至少第一压缩机或第二压缩机的速度的电子控制模块。本领域的技术人员可以理解的是可以使用多个压缩机传送热量至多个空气处理器。尽管本发明的一个实施例在每一级中使用两个变速压缩机，本领域的技术人员可以理解的是通过使用一个变速压缩机和一个定速压缩机也可以获得所述效益中的一些。在有些实施例中，第一压缩机或第二压缩机是定速压缩机。在有些实施例中，第一压缩机和第二压缩机都是变速压缩机。在有些实施例中，第一压缩机、第二压缩机、或者两者是由变频驱动器提供动力。在有些实施例中，第一压缩机、第二压缩机、或者两者是由电子整流马达提供动力。在有些实施例中，第一膨胀阀、第二膨胀阀、或者两者是脉冲热膨胀阀。在有些实施例中，热泵系统还包括至少一个变速风扇或鼓风机。在有些实施例中，热泵系统还包括多个构造成传送温度数据至电子控制模块的温度感应器。在有些实施例中，热泵系统还包括构造成将抽吸压力数据从第一级传送至电子控制I旲块的压力传感器。在有些实施例中，热栗系统还包括在弟一级中的弟一制冷剂和在第二级中的第二制冷剂。在有些实施例中，第一制冷剂与第二制冷剂不同。在有些实施例中，热泵系统还包括拥有第三压缩机、第三冷凝器、第三膨胀阀和第三蒸发器的第三级，所述第三级构造成将热量从第二冷凝器中泵送至第三蒸发器。
[0006]这里也描述了控制级联热泵系统的方法的实施例，所述方法包括提供具有第一压缩机、第一冷凝器和第一蒸发器的第一热泵级；提供具有第二压缩机、第二冷凝器和第二蒸发器的第二热泵级，其中第一蒸发器和第二冷凝器被定位成将热量从第一冷凝器泵送至第二蒸发器，并且其中至少第一或第二压缩机是变速压缩机；并且，控制至少第一或者第二压缩机的速度来使系统的性能系数在预定的热负荷上最大化。在有些实施例中，第一压缩机或第二压缩机是定速压缩机。在有些实施例中，第一压缩机和第二压缩机两者都是变速压缩机。在有些实施例中，控制速度包括接收来自至少一个传感器上的数据。在有些实施例中，传感器是压力或者是温度传感器。在有些实施例中，至少第一或第二压缩机的速度是通过控制到变频驱动器的电力来控制的。在有些实施例中，至少第一或者第二压缩机的速度是通过控制到电子整流马达的电力来控制的。在有些实施例中，控制级联热泵系统的方法还包括控制构造成将空气吹过第一蒸发器的风扇的速度。在有些实施例中，控制级联热泵系统的方法还包括控制构造成将空气吹过第二蒸发器的风扇的速度。在有些实施例中，控制级联热泵系统的方法还包括在第一冷凝器和第一蒸发器之间提供脉冲热膨胀阀。在有些实施例中，控制级联热泵系统的方法还包括在第二冷凝器和第二蒸发器之间提供脉冲热膨胀阀。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1示出具有普通的单级、单速热泵的建筑物；
[0008]图2是一个实施例的示意图，所述实施例是变速两级级联浮动中间温度热泵(CFITHP)系统；
[0009]图3是描述一个控制过程的实施例的流程图，所述控制过程动态地调节压缩机和风扇/鼓风机的速度以获得最大的整体系统效率。
【具体实施方式】
[0010]为了提高级联热泵系统的效率，压缩机和风扇或鼓风机可以以独立可变的速度被操作。结果，级之间的中间温度，以及因此每个循环中的温度升高，可以被连续地调节以得到最大的总体效率。
[0011]变速控制允许级联热泵系统对加热或冷却应用保持高容量和高性能系数(C0P)。如这里用到的，容量指的是热泵能够释放热量至目标空间或者排放来自目标空间的热量的速度。COP是热泵能量效率的指标。对于加热，级联热泵系统的COP被定义为由系统泵送(即，传递)到目标空间的热量的量与输入到系统中的功的量之比:
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[0012]
[0013]这里％是系统加热容量(横跨冷凝器传递到目标空间的热量)，Σ Wi代表输入到系统中的功的总和。对于空调/制冷，COP被定义为系统从目标空间传递的热量与输入到系统中的功的量之比:.--- Oc
[0014]
【权利要求】
1.一种热泵系统，其包括: 具有第一压缩机、第一冷凝器、第一膨胀阀和第一蒸发器的第一级； 具有第二压缩机、第二冷凝器、第二膨胀阀和第二蒸发器的第二级，其中第一冷凝器和第二蒸发器被定位成将热量从第一冷凝器泵送到第二蒸发器，并且其中第一压缩机和第二压缩机中的至少一个是变速压缩机；和 构造成控制第一压缩机和第二压缩机中的所述至少一个的速度的电子控制模块。
2.根据权利要求1所述的热泵系统，其中第一压缩机是定速压缩机。
3.根据权利要求1所述的热泵系统，其中第一压缩机和第二压缩机两者都是变速压缩机。
4.根据权利要求1所述的热泵系统，其中第一压缩机和第二压缩机中的所述至少一个是由变频驱动器提供动力的。
5.根据权利要求1所述的热泵系统，其中第一压缩机和第二压缩机中的所述至少一个是由电子整流马达提供动力的。
6.根据权利要求1所述的热泵系统，其中第一级还包括第一膨胀阀并且第二级还包括第二膨胀阀。
7.根据权利要求6所述的热泵系统，其中第一膨胀阀和第二膨胀阀是脉冲热膨胀阀。
8.根据权利要求1所述的热泵系统，还包括至少一个变速风扇或鼓风机。
9.根据权利要求1所述 的热泵系统，还包括多个构造成将温度数据传送至电子控制模块的温度传感器。
10.根据权利要求1所述的热泵系统，还包括构造成将抽吸压力数据从第一级传送至电子控制模块的压力传感器。
11.根据权利要求1所述的热泵系统，还包括在第一级中的第一制冷剂和在第二级中的第二制冷剂。
12.根据权利要求11所述的热泵系统，其中第一制冷剂与第二制冷剂不同。
13.根据权利要求1所述的热泵系统，还包括具有第三压缩机、第三冷凝器、第三膨胀阀和第三蒸发器的第三级，并且所述第三级构造成将热量从第二冷凝器泵送至第三蒸发器。
14.一种控制级联热泵系统的方法，包括: 提供具有第一压缩机、第一冷凝器和第一蒸发器的第一热泵级； 提供具有第二压缩机、第二冷凝器和第三蒸发器的第二热泵级，其中第一蒸发器和第二冷凝器被定位成将热量从第一冷凝器泵送至第二蒸发器，并且其中第一压缩机和第二压缩机中的至少一个是变速压缩机；和 控制第一压缩机和第二压缩机中的所述至少一个的速度以使系统的性能系数在预定热负荷中最大化。
15.根据权利要求14所述的方法，其中第一压缩机或第二压缩机是定速压缩机。
16.根据权利要求14所述的方法，其中第一压缩机和第二压缩机两者都是变速压缩机。
17.根据权利要求14所述的方法，其中控制速度包括接收来自至少一个传感器的数据。
18.根据权利要求17所述的方法，其中传感器是压力传感器或温度传感器。
19.根据权利要求14所述的方法，其中通过控制到变频驱动器的电力来控制第一压缩机和第二压缩机中的所述至少一个的速度。
20.根据权利要求14所述的方法，其中通过控制到电子整流马达的电力来控制第一压缩机和第二压缩机中的所述至少一个的速度。
21.根据权利要求14所述的方法，还包括控制构造成将空气吹过第一蒸发器的风扇的速度。
22.根据权利要求14所述的方法，还包括控制构造成将空气吹过第二蒸发器的风扇的速度。
23.根据权利要求14所述的方法，还包括在第一冷凝器和第一蒸发器之间提供脉冲热膨胀阀。
24.根据 权利要求23所述的方法，还包括在第二冷凝器和第二蒸发器之间提供脉冲热膨胀阀。
【文档编号】F25B7/00GK103459944SQ201280009115
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年2月15日 优先权日:2011年2月17日
【发明者】U·罗肯费勒, P·萨基西恩, K·卡利利 申请人:洛基研究公司