利用热能存储的节能循环的制作方法

发明领域

本文所公开的主题涉及空调系统，并且具体地涉及一种利用相变材料存储热能的空调系统。

背景技术：

一些空调系统采用相变材料来改进系统的容量和/或性能。示例性空调系统可包括能量存储系统，所述能量存储系统在能量成本相对低时(例如，在非高峰时间期间)冻结相变材料。然后，相变材料用于吸收在其他运行模式期间的热能，以改进空调系统的效率和/或容量。

发明简述

一方面，提供了一种空调系统。所述空调系统包括：制冷回路，所述制冷回路具有制冷剂和节能器回路；以及过冷回路，所述过冷回路热联接到制冷回路，所述过冷回路包括热能存储(tes)单元和与制冷剂进行热交换的相变材料(pcm)。

另一方面，提供了一种运行空调系统的方法。所述方法包括运行制冷回路以冷却制冷剂的第一部分、在节能器回路中冷却制冷剂的第二部分以及运行热联接到制冷回路的过冷回路。过冷回路包括热能存储(tes)单元和与制冷剂的第一部分进行热交换的相变材料(pcm)。

附图简述

在本说明书的结论处的权利要求书中具体指出并明确要求保护被认为是本发明的主题。根据下面结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征及优点是显而易见的，在附图中：

图1是示例性空调系统的示意图；并且

图2是另一个示例性空调系统的示意图。

发明详述

图1示出了示例性空调系统10，其通常包括制冷单元或回路20、热交换单元或回路30以及过冷单元或回路40。

制冷回路20通常包括压缩机50、冷凝器52、过冷器/节能器热交换器54、膨胀装置56、膨胀装置58以及蒸发器60。冷凝器52被布置来通过排出管线62从压缩机50接收蒸气状态的高压制冷剂。通常，冷凝器52中的制冷剂使用冷却水、空气等冷却，所述冷却水、空气等带走冷凝的热量。制冷剂在冷凝器52中冷凝，并且第一部分通过管线64供应到热交换器54以在其中冷却。冷凝的制冷剂的第二部分在膨胀装置56中降低了温度和压力，并且通过节能器管线66供应到热交换器54，以用于冷却冷凝的制冷剂的第一部分。冷凝的制冷剂的升温的第二部分然后返回到压缩机50的节能器口。

在预定时间期间，制冷剂的第一部分在热交换器54内接受来自过冷回路40和/或管线66中的膨胀制冷剂的补充冷却(例如，过冷)，如本文更详细地描述的。冷却的制冷剂然后通过管道线68供应到蒸发器60。在示例性实施方案中，热交换器54充当制冷回路20的过冷热交换器和/或节能器热交换器。然而，热交换器54可以是一个或多个热交换器。

膨胀装置58(例如，膨胀阀)安装在管道线68内，并且用来将液体制冷剂向下节流到较低的压力，并调节通过系统的制冷剂流。由于膨胀过程，制冷剂的温度和压力在进入蒸发器60之前降低。

在蒸发器60中，制冷剂与热交换回路30形成热传递关系，所述热交换回路30使诸如水的热传递介质循环。处于较低压力下的制冷剂从热传递介质吸收热量，并且制冷剂随后被蒸发。制冷剂蒸气然后通过压缩机入口管线70从蒸发器60抽出，并被压缩以再次开始循环。

热交换器回路30在蒸发器60、服务空间32(例如，建筑物)与热能存储(tes)单元42之间交换热能。热交换器回路30包括供应管线34、回流管线36和旁路管线38。如本领域中已知的，供应泵(未示出)将通过蒸发器60冷却的水(例如，约45°f)供应到服务空间32，在所述服务空间32中，风扇抽吸空气通过盘管以使空间变冷。冷却的回水(例如，约55°f)通过返回管线36传送，其中所述冷却的回水可通过旁路管线38引导回蒸发器60，或者引导到tes单元42以进行存储和/或冷却。

过冷回路40包括tes单元42、供应管线44、泵46和返回管线48。在示例性实施方案中，tes单元42利用一定量的相变材料(pcm)来存储热能。泵46通过管线44将冷却的pcm浆料供应到热交换器54，以使穿过其中的制冷剂的第一部分过冷。pcm可以是具有转变温度的有机蜡材料，所述转变温度高于典型夜间温度，或超过约32°f，并低于典型日间环境空气。pcm的较高的转变温度(当与典型的水/冰系统相比时)使得系统10在填充(即，冷却)pcm时更有效地运行。然而，pcm可以是使系统10能够如本文所述地起作用的任何合适的材料。例如，pcm可包括脂肪酸、石蜡或有机盐溶液。此外，过冷回路40可使用水或盐水(例如，氨、乙二醇溶液)作为热交换流体。尽管未示出，但是返回管线48可包括用于冷却返回到tes单元42的pcm的一个或多个热交换器(未示出)。

除了介质的显热容量(sensiblecapacity)之外，tes单元42和pcm还能够利用相变的焓。tes单元42与空调系统(例如，冷却器系统)结合使用，以通过在不同时间填充和排出pcm来成倍改变对能量的使用。例如，当通常不需要冷却器来冷却空间32时，pcm可在夜晚期间通过热交换器回路30进行再填充。在白天期间，tes单元42被排出以帮助冷却器向空间32提供冷却。

在第一预定时间期间或高于第一预定温度(例如，在白天期间)的运行中，系统10被运行来通过将存储在tes单元42中的热能传递到制冷回路20来冷却服务空间32，所述制冷回路20将冷却的制冷剂传送到蒸发器60。具体地说，制冷剂通过管线64从冷凝器52引导到热交换器54。随后由节能器管线66中的冷却的制冷剂和/或由循环通过过冷回路40的冷却的pcm来降低制冷剂的温度。来自管线64的冷却的制冷剂通过膨胀装置58膨胀，并随后用于冷却穿过蒸发器60的水。蒸发器60中的冷却的水然后通过供应管线34供应到服务空间32，在所述服务空间32中，冷却的水用于冷却气源，所述气源以选定的供应气温分布到空间32。然后，冷却的水通过返回管线36和旁路管线38引导回蒸发器60，以重复循环。

在第二预定时间期间或低于第二预定温度(例如，在夜晚期间)的运行中，系统10被运行来填充tes单元42以存储热能，所述热能可用于在第一预定时间期间提供附加冷却。在此运行中，pcm不循环通过回路40，并且旁路管线38是关闭的。当冷却的水通过管线36返回到蒸发器60时，tes单元42中的pcm通过冷却的水循环通过tes单元42(而不是通过旁路管线38)来进行冷却或再填充。另外地或可替代地，tes单元42中的pcm可通过环境空气进行冷却或再填充。

在另一种运行模式中，当冷却器中的冷却负载较低时，pcm和制冷剂的第一部分二者均由制冷剂的通过热交换器54的第二部分来进行冷却。

图2示出了示例性空调系统100，所述示例性空调系统100与系统10类似，除了制冷回路20包括单独的过冷器热交换器102和节能器热交换器104。

在第一预定时间期间或高于第一预定温度(例如，在白天的高峰时间期间)的运行中，系统100被运行来通过将存储在tes单元42中的热能传递到制冷回路20来冷却服务空间32，所述制冷回路20将冷却的制冷剂传送到蒸发器60。具体地说，制冷剂通过管线64从冷凝器52引导到热交换器102。随后由循环通过过冷回路40的冷却的pcm来降低制冷剂的温度。来自管线64的冷却的制冷剂通过膨胀装置58膨胀，并随后用于冷却穿过蒸发器60的水。蒸发器60中的冷却的水然后通过供应管线34供应到服务空间32，在所述服务空间32中，冷却的水用于冷却气源，所述气源以选定的供应气温分布到空间32。然后，冷却的水通过返回管线36引导回蒸发器60，以重复循环。此外，冷却的制冷剂可通过节能器管线66引导到节能器热交换器104，以向循环通过其中的pcm提供进一步的冷却。

在第二预定时间期间或低于第二预定温度(例如，在非高峰时间期间或在夜间)的运行中，系统100被运行来填充tes单元42以存储热能，所述热能可用于在第一预定时间期间提供附加冷却。在这种运行中，可排出先前存储的制冷容量的pcm被供应到节能器热交换器104，在所述节能器热交换器104中，所述pcm通过与来自节能器管线66中的膨胀装置56的冷却的制冷剂进行热交换来冷却。pcm被冷却或再填充，并随后存储在tes单元42中，直到在第一预定时间期间需要附加冷却。另外地或可替代地，过冷回路40可包括用于通过环境空气冷却或再填充pcm的一个或多个热交换器(未示出)。此外，根据负载状态，pcm可由膨胀的制冷剂通过热交换器104进行部分冷却，并且通过热交换器102部分地冷却来自冷凝器52的制冷剂。

此外，系统10、100可包括控制器(未示出)，所述控制器被编程来选择性地运行过冷回路40，以使存储在tes单元42中的冷却的pcm循环，从而在预定时间期间向制冷回路20提供附加或补充冷却。如本文所用的，术语控制器是指专用集成电路(asic)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共用、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述功能的其他合适部件。

本文所述的系统和方法提供了与具有利用相变材料的热能存储单元的过冷回路集成的节能空调系统。相变材料被冷却或再填充，并随后存储在热能存储单元中，直到需要补充冷却。在一个实施方案中，使用在用于调节服务空间的冷却器中循环的冷却的水对相变材料进行冷却。在另一个实施方案中，使用空调系统的节能器回路对相变材料进行冷却。通过在非高峰时间期间再填充相变材料并随后在高峰时间期间使用冷却的相变材料，可实现显著的能量和成本节约。

尽管仅结合有限数目的实施方案对本发明进行了详细描述，但应容易理解，本发明不限于此类所公开的实施方案。相反，可对本发明进行修改，以并入以上未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数目的变化、改变、替代或等同布置。另外，尽管已描述了本发明的各种实施方案，但应理解，本发明的方面可仅包括所描述的实施方案中的一些。因此，本发明不应被视为受限于前述描述，而是仅受限于所附权利要求书的范围。