专利名称：热能存贮空调系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及带有热能存贮器的空调系统，特别是涉及一种改进的具有热能存贮和负载调节能力的空调系统。
背景技术：
电力供应者或所谓的电力公司，在夏季和冬季的制冷和供热高峰时收费较高。例如，在天气较热的条件下，用电高峰通常在下午这段时间，而在需要供热的季节里，用电高峰可能是在清晨这段时间，这时供热系统回到正常的白天温度的设置，象电热水器等也按上述正常使用。在高峰期把用电量减到最少的所谓热能存贮系统业已开发出来。1993年5月18日发布的美国专利5,211,029(Uselton，等)和1994年5月3日发布的美国专利5,307,642(Dean)转让给了本发明的受让人，以及1993年10月26日发布的美国专利5,255,526(Fischer)描述的空调系统，使用了热能存贮罐，内装象水等相变物质。在非用电高峰期，致冷剂循环通过存贮罐中的热交换器以制冰，而在用电高峰期，致冷剂在低能耗泵作用下，在存贮罐与室内热交换器盘管或汽化器之间循环，以提供必需的制冷效果。如美国专利4,645,908(Jones)所示，热能存贮系统也可以用于制热。所谓的负载调节系统，提供了热能存贮器与蒸气压缩制冷剂循环同步工作，见于美国专利4,916,916(Fischer)。
不过，已知类型的负载调节系统不能提供两台独立的室内热交换器，使该交换器同时通过热能存贮器和蒸气压缩制冷系统制冷。另外，已知类型的负载调节系统不能利用热能存贮器和蒸气压缩制冷系统同步工作，并通过各自对应的室内热交换器共同供热和制冷。有鉴于此，作出本项发明。
发明概述本发明提供了一种独一无二的负载调节型空调系统。该系统包括一个压缩机、一个室外热交换器、双室内热交换器和一个热能存贮器。热能装置包括一个存贮罐，罐内装有如水等相变物质；一个致冷剂循环泵，用于使致冷剂在热能存贮器与一室内热交换器之间循环。
热能存贮器上可以配置加热部件，用于给罐中的相变物质加热，发挥热源和冷源的作用。该系统各部件的配置，使该系统既能为室内送热风又能送冷风，例如，在预定“负载”的条件下，它所需的电量几乎只有常规供热和制冷系统达到相同热负荷要求所需电量的一半。
该系统至少能以八种不同模式运行(四种制冷模式和四种制热模式)，不包括致冷剂流进和流出热能存贮器的两个过渡模式。在所谓非用电高峰期，该系统可以第一制冷模式运行，使致冷剂循环通过热能存贮罐以冷却相变物质，如果相变物是水，它被冷却到足以在存贮罐中产生大量的冰。在致冷回路中要配备致冷液贮存器，安在作为冷凝器的室外热交换器与存贮罐之间，用于贮存第一冷却模式中多余的致冷剂。
该系统的第二种制冷工作模式的特征是让致冷剂从压缩机中循环到作为冷凝器的室外热交换器，然后再流过作为汽化器的室内热交换器，从而以常规方式直接冷却室内空气。
该系统运行的第三种制冷模式是通过一个液体泵，使致冷剂在存贮罐与作为汽化器的一个室内空气热交换器之间循环，这样大大降低了用电要求，同时提供大约相当于本系统总制冷能力一半的制冷能力。
根据本发明的另外内容，该系统还可以第四种制冷模式工作，其中满负载制冷是这样实现的使致冷剂从压缩机流出，循环通过作为冷凝器的室外热交换器和作为汽化器的一个室内空气热交换器，而与此同步，利用致冷剂循环泵，使致冷剂循环通过包括存贮罐和另一个作为汽化器的室内空气热交换器的回路。在这种工作模式下，该系统发挥了全制冷能力，而用电量大约相当于常规蒸气压缩制冷或空调系统所需电量的一半。
另外，本发明还提供了四种供热工作模式，包括第一供热模式，其中让一个电阻加热部件--比如装到热能存贮罐中--在非用电高峰期间工作，加热存贮罐中的相变物。在第二供热工作模式中，由压缩机、冷凝器和在逆向或所谓的热泵模式下工作的一个室内热交换器直接产生热量，其中室内热交换器之一被用作冷凝器而室外热交换器发挥汽化器的功能。
在本发明提供的第三供热模式中，致冷液被热能存贮罐中的相变物加热，致冷液在泵的推动下循环通过一个室内热交换器，从而加热室内空气。另外，在本发明提供的第四供热模式中，系统能够满负载供热，其中致冷剂在压缩机和一个以热泵模式工作的室内热交换器之间循环，同时，致冷剂又同步地在热能存贮罐和另一个室内热交换器之间循环，从而提供满负载供热。
该系统所拥有的若干优点，将被那些熟悉本技术领域者认识到。特别是设计了这样一个系统，既满足了制冷要求又满足了供热要求，而所需的电量大约是常规的蒸气压缩空调系统或热泵所需电量的一半。该系统在制冷和供热工作中都能进行负载调节，以利用非高峰电力价格。通过热能存贮器和多个室内制冷负荷热交换器满足了高制冷能力要求。在类似方式中，当该系统作为热泵运转时，热能存贮罐通过一个室内热交换器提供热量，另一个室内空气热交换器也发挥冷凝器的作用，从而满足了高供热能力要求。本发明的系统可以轻易满足最大制冷和供热负载要求，而同时又大大降低了用电要求。本系统可以取代普通的使用电阻型加热部件的商业用和住宅用热泵，以满足最大供热负载需要。熟悉本技术领域者，在结合示图读过下面的详细说明后，会更加欣赏本发明的上述特征、优点及其它突出方面。
示图简介
图1是本发明所述的空调系统的第一实施例的示意图；
图2是本发明所述的空调系统的第二实施例的示意图；图3是本发明所述的空调系统的第三实施例的示意图；图4是一张简化了的方块图，用于说明本发明所述的空调系统如何控制。
本发明的最优实施例在以下叙述中，贯穿整篇说明和示图，同类部件被对应地标以相同的标号。示图不是按比例绘制的，为了简明扼要，绝大多数部件以示意图形式表示。
如图1，以示意图形式说明按本发明设计的一台改进的空调(冷/热)系统，整体标为10。该系统10能够使用商业用和住宅用制冷系统用的普通致冷液工作。系统10包括一台电动压缩机12，与压缩空气排放管14相联，从而被连接到一个通用的四通换向阀16上。压缩机12还有一个低压汽化的或气态的致冷剂流体吸口或输入管18，利用普通吸入管蓄压器20与换向阀16相联。第一致冷剂-空气热交换器22(最好装在室外)通过导管24被恰当地接到换向阀16上，另通过导管26连接到第二致冷剂-空气热交换器28上，热交换器28安在室内，与需进行空气调节的室内空间呈热交换关系。一个普通的过热控制型或恒温型热膨胀装置30和一个止回阀32以可运转方式安插在导管26中，使热交换器22在热泵工作模式下发挥汽化器的作用。安插在导管26上的第二个恒温型热膨胀装置34位于热交换器28的上游，当系统运行以冷却室内空气--例如从热交换器28上通过的空气时，此热交换器将发挥汽化器的作用。致冷液通过导管36、37和换向阀16，从热交换器28中回到压缩机。系统10的上述部分形成了第一制冷回路。
系统10还包括一个热能存贮器，由一个绝热罐40构成，能够装下如水等大量合适的相变物质42。该热能存贮器能够适用于制冷，例如，可以向水42中加入乙二醇或盐，使其冰点明显低于32°F，例如接近20°F。在与一个标准制冷系统(未标出)而不是空调系统一起工作时，汽化温度大约可以达到33°F(而不是空调系统的45°F)，这正适合于制冷。第三热交换器44浸泡在罐40里面的水42中，与致冷剂流体输送导管46相连，在第二致冷流体输送导管48和第三导管50上接入了普通的热膨胀装置52。在罐40内，导管50、热交换器44和导管48在一个合适的连接点54上相互联通。上面所述的热能存贮器还包括一个加热部件56，以适当方式安装在罐40内。加热部件56可以是一个普通的电阻加热器，以可工作方式接到电源(未标明)上。导管50被连接到导管26上，中间插接了一个致冷液贮存器60，用于贮存系统10某些工作模式中多余的致冷液。如图所示，导管63中接入一个适当的旁通型止回阀62，与导管26以及导管50相互联通。压缩机12、热交换器22、导管26和50、热交换器44以及导管46和36形成了系统10的第二制冷回路。
系统10另外还包括一个液体循环泵64，以可运转方式通过一个四通换向阀66接到导管48中，该阀在某些方面与换向阀16相似，但是，它上面设有电磁控制器67，用于转换阀位以提供流体沿下面将要描述的方向流动。四通阀66还与导管68连通，导管68与第四热交换器70(也是一个致冷剂-空气热交换器)保持联系，热交换器70安装在室内，与需进行空气调节的空间呈热交换关系，能够以常规的运行方式冷却或加热从其上面通过的空气。泵64有一个入口或吸入导管65和排出导管69，以恰当的方式连接到阀66上。热交换器70通过一个合适的连接导管72与导管36、46保持联系。如前所述，由图可见，导管36还通过连接导管37与热交换器28相联，通过导管46与罐40里的热交换器44相联。导管68上的一小段71可以包括一个毛细管膨胀装置或一个普通恒温膨胀装置，以及一个接入导管71中的旁通阀。
系统10中还配有四个通-断型电磁控制阀76、78、80和82。阀80和82接在导管50中，位于致冷液贮存器60相对的两侧，而阀76接在导管46中，在导管72到导管36、37之间。电磁阀78接在导管26中，在膨胀装置30到膨胀装置34之间。热交换器44、泵64、阀66、热交换器70和连接导管48、65、68、69、72以及46形成了第三制冷回路。
前面已有些概括性地描述了系统10可以使用的几种通用部件。压缩机12可以是通用的电动压缩机，即人们熟悉的那种用在蒸气压缩制冷或空调系统中的类型。类似地，换向阀16可以是通用型的，膨胀装置30、34和52可以是普通的过热控制膨胀装置，如图示。热交换器22可以是一个室外的致冷剂-空气热交换器--例如带有适当的热交换翅面的S形盘管，可以用一台合适的电动风扇(未标出)使空气在其表面循环。热交换器22也可以是那种与其它热源或冷源(未标出)相联的类型。热交换器28和70可以是普通的室内空气汽化器盘管型热交换器，其中靠一台合适的电风扇(未标出)使空气在其表面循环。绝热罐40可以具有压力容器用的那种普通的通用结构，安装于其内的S形盘管型热交换器44也可以是普通的通用结构。泵64的类型必须能适应泵送混合相--气相与液相--流体，而不会有损坏泵64的潜力。几种旋转叶轮型或螺旋螺杆型泵可以用作泵64。
现在，系统10的工作模式将结合表I进行说明，表I标出了系统某些部件的工作状态，包括压缩机12，加热部件56，泵64以及电磁阀76、78、80和82。
表I
工作模式标为号码1到8，两个暂时模式表示为过移(HM-hypermigration)和泵出(PO)。就某个部件的工作模式而言，“0”表示该部件处于关闭、断开或非通电状态，而“1”相对于某个工作模式表示该部件处于打开、接通或通电状态。
工作模式1是一个典型的在夏日或热天的非用电高峰期的工作模式，其中对相变物42进行所谓的制冰，比如使之从液态转向固态。在工作模式1中，压缩机12工作，加热部件56不工作，泵64不工作，电磁阀78关闭，电磁阀76、80和82打开。被压缩的气体致冷剂离开压缩机12，流过换向阀16和导管24，进入作为冷凝器的热交换器22。冷凝的致冷剂流经旁通阀32、导管26和50、膨胀装置52，进入作为汽化器的热交换器盘管44。当然，致冷剂离开膨胀装置52时压力减小，从而使罐40中的相变物42--比如水--得到冷却。汽化了的致冷剂通过导管46、阀76和导管36，从换向阀16中被抽回压缩机12。在此工作模式中，一些多余的液体致冷剂被贮存在贮存器60中。
工作模式2有时被称为第一级直接制冷，其特征是压缩机12运转，将高压气态致冷剂通过换向阀16和导管24输送到作为冷凝器的热交换器22中。冷凝了的致冷剂流过旁通阀32，进入热交换器28--此时作为汽化器盘管。与此相应的是，阀78打开，热膨胀装置34可以发挥作用，在液态致冷剂进入热交换器28时，使其压力减小。汽化了的致冷剂通过导管37、36和阀16回到压缩机。在直冷工作模式2中，当直冷工作模式处于稳定态阶段时，阀76、80和82关闭，泵64和加热部件56都不工作。在直冷模式2下，系统10只发挥其大约一半的总制冷能力。
第三种工作模式称为模式3，也被叫作第一级转换制冷，按下列方式实现关掉压缩机12并起动泵64，同时关闭阀76、78和80并打开阀82。四通阀66按如下设置液态致冷剂从泵64流出，流过导管68、热交换器70、导管72、导管46和热交换器44回到泵。致冷剂通过导管48和四通阀66被抽出热交换器44，通过导管65到达泵的入口。电磁阀82保持打开的时间，只要足够抽取足够的致冷剂进入热交换器44即可，以便提供充足的致冷剂以所说的方式循环。致冷剂经过热交换器70时汽化并回到热交换器44，这里低温介质42将使致冷剂再次冷凝成液态，以便泵64循环。在工作模式3下，系统10的制冷能力通常与在工作模式2下相同。不过，工作模式3的一个重要优点是使泵64运转所需的电能只相当于运转压缩机12所需电能的10-20％。在工作模式3中，热交换器70作为汽化器，热交换器44作为冷凝器。贮存容器60具有足够的存贮能力贮存支持以模式3运行所需的致冷剂。
为从工作模式2过渡到工作模式3，也叫转换冷却模式，系统10以过渡模式运行，称为过移(HM)。在一个约10tons制冷能力的系统中，过移周期通常相对时间较短，约三到五分钟。在过移模式中，热交换器44被用作冷源，大约处在32°F，或说处在相变介质42的冰点，如果此介质不是清水的话。热交换器44中的致冷流体冷凝，从而系统10中的压力降低。由于贯穿系统10其余部分的致冷流体处于高得多的压力和温度下，所以，在过移模式中，补充致冷剂被吸入热交换器44。表I给出了过移过程中所列项目的工作状态。
系统10尤其能在如下制冷负荷下工作，即它要求压缩机12、作为冷凝器的热交换器22和作为汽化器的热交换器28以与模式2相同的方式运行，与此同步，使热能存贮罐40连同作为汽化器的热交换器70和作为冷凝器的热交换器44以与模式3相同的方式运行。因此，系统10能够承受满负荷模式4工作状态。当从所谓转换制冷模式3向满负荷模式4转换时，或在有足量的冰或固态介质42的条件下起动满负荷模式4时，完成了PO模式，其中阀78和82关闭，阀76和80打开，压缩机12运转，把液体致冷剂抽入贮存容器60和热交换器22中。压缩机12直到压缩机吸口的压力达到预定值(如20psig-磅/英寸2)时才停止运转。这时，PO模式结束，系统可以模式4工作。
在模式4中，阀80关闭，阀78和82打开，阀76关闭。泵64起动，使致冷剂循环通过热交换器70和热交换器44，使从热交换器70上面通过的空气冷却。压缩机12以常规方式运转，泵激致冷剂，使之流过换向阀16、导管24、热交换器22，在流经热交换器28时，使流过热交换器28的空气冷却。表I也给出了在满负荷模式4中各部件的工作状态。当然，系统10能够在满负荷模式4下一直工作到下述情况出现为止罐40中的冰化完，或介质42--如果不是清水的话--已从固相变为液相，液体的温度开始上升，一直上升到热交换器70不再能满足负载要求的制冷量。在模式4中，热交换器28、70为同步工作的压缩机12和泵64提供了双倍的汽化容量，从而使直接制冷和转换制冷并行工作。
系统10还可实际用于为室内供热或承担与热交换器28和70相关的负荷。现在将说明系统10由热交换器28和70提供热量时的各种工作状态或模式。第一供热模式被称为模式5，在该模式下，加热部件56在非用电高峰期被用于加热相变物质或介质42，使之达到适当的温度。例如，如果物质42是清水，加热部件56可能要把水加热到180°F到190°F的温度范围。在这一工作状态下，热交换器44和与之相连的导管中的所有致冷剂都会趋于向热交换器70转移。典型地，在工作模式5中，阀76、78、80和82关闭，压缩机12和泵64处于关机状态。
系统10能够以模式6运行，也被称为直接供热模式，可以同时以模式5运行或不以模式5运行，视选择情况定。在直接供热模式6中，压缩机12、换向阀16、热交换器22和热交换器28以普通热泵方式工作。换句话说，换向阀16按如下设置高压致冷气体从压缩机12中排出，经导管36、导管37、向流过热交换器28的介质释放热量，热交换器28此时作为冷凝器，使致冷剂冷凝，随后，致冷剂变成液体，流过止回阀62和导管26。恒温膨胀装置30在致冷剂通过作为汽化器的热交换器22时使其减压。气态致冷剂离开热交换器22，穿过换向阀16，通过导管18进入压缩机12的入口。
可以用备选供热模式7替代模式6，参见表I，其中压缩机12处于关机状态，加热部件56断电，泵64通电，以便使致冷流体在热交换器70和热交换器44之间循环。在工作模式7中，也称为第一级转换供热，系统10所需的电能只是用泵64循环致冷流体所需的电能，大约只相当于压缩机12所需电量的10％到20％。在供热模式7中，致冷流体被从热交换器70中抽出，通过导管68到达阀66，此阀的设置使导管68与泵64的入口联通。阀66的这一设置使导管48与热交换器44联通，以便液体致冷剂进入热交换器44时，被已加热的物质42汽化。热的气态致冷剂离开热交换器44，流过导管46，经导管72流过热交换器70--此时作为冷凝器，在这里气流冷凝，变回液态，并再次被泵64循环。假如罐40中可利用的贮热温度为90°F，则热能存贮器的贮冷与贮热能力比约为1.33。
系统10的最后一种工作模式，实质上就是以模式6与模式7同步工作，称为模式8，即压缩机12以热泵模式工作，向热交换器28提供热的气态致冷剂气流；泵64运转，使致冷流体循环通过罐40并以热气形式通过热交换器70。在设置系统10以模式6、7或8工作时，可能短暂的需要以过移或泵出模式运行，以便向对应于模式6、7和8的工作回路中补充足够的致冷剂。在模式8中，热交换器28、70为同步工作的压缩机12和泵64提供了双倍的冷凝容量，从而使直接供热和转换供热并行工作。
如图2所示，下面将说明按照本发明设计的空调系统的第二实施例，整体标为100。系统100与以上结合图1描述的系统10结构相似，主要区别是系统100包括一个热交换器102，在存贮罐40的外部，替代在罐40里浸泡在存贮介质中的热交换器44(图1)；一个适于泵激基本上不可压缩的液体致冷剂的泵104，替代适于泵激蒸气压缩致冷剂的泵44。另外，在系统100中，存贮介质(如去离子水)被封灌在许多容器106内，这些容器最好是些塑料球，每个球的直径约为四英寸。系统10中的隔离阀76和82，换向阀66以及电磁控制器67，在系统100中不再出现。系统100中，导管46上配有止回阀108，导管112上有一个通-断型电磁阀110，位于泵104和热交换器102之间，导管116上有一个通-断型电磁阀114，位于泵104和室内热交换器118之间，热交换器118与需制冷或供热的室内空间呈热交换关系。
与系统10相比，系统100有四条独立的致冷回路，而不是系统10中的三条；有两种不相关的致冷剂，而且其中一种不是蒸气压缩致冷剂，而不是系统10中使用的单一蒸气压缩致冷剂。系统100的第一回路由压缩机12、换向阀16、热交换器22和热交换器28组成。当系统100以模式2(直接制冷)、模式4(满负荷制冷)、模式6(直接供热)和模式8(满负荷供热)运行时，第一致冷剂--最好是蒸气压缩致冷剂，由压缩机12推动在第一回路中循环，下面将予以详细说明。系统100的第二回路由压缩机12、换向阀16、热交换器22和热交换器102组成。当系统100以模式1(制冰)运行时，压缩机12驱使第一致冷剂在热交换器22和102之间循环，后面将详细描述。
系统100的第三回路由泵104、热交换器102和罐40组成。如后面将详细描述的那样，当系统100以模式1(制冰)运行时，泵104推动第二致冷剂--最好是基本上不可压缩的液体，如醋酸钾与水的混合物--在第三回路中循环，与此同步地，第一致冷剂在第二回路中循环。第一致冷剂在热交换器102中汽化，使第二致冷剂冷却，第二致冷剂在罐40中循环，以冷却存贮介质，直到存贮介质结冰。第二致冷剂的冰点低于存贮介质。系统100的第四回路由罐40、泵104和热交换器118组成。当系统100以模式3(转换制冷)、4(满负荷制冷)、7(转换供热)和8(满负荷供热)运行时，泵104使第二致冷剂在罐40与热交换器118之间循环。
现在，系统100的工作模式将结合表II作更详细的描述，表II给出了系统100的某些部件在每个工作模式中的工作状态。
表II
<p>工作模式以数码1到8表示。相对于某个部件的工作模式，“0”表示该部件处于关闭、断开或非通电状态，而相对于某个部件的工作模式来说，“1”表示该部件处于打开、接通或通电状态。
如前所述，工作模式1是一个典型的在夏日或热天的非用电高峰期的工作模式，这里对塑料球106中的存贮介质(如去离子水)进行所谓的制冰，要它从液态转到固态。在工作模式1中，压缩机12工作，加热部件56不工作，泵104工作，电磁阀78关闭，电磁阀80打开，电磁阀110打开，电磁阀114关闭。第一致冷剂在压缩机12的作用下在第二回路中循环，与此同步，第二致冷剂在泵104的作用下在第三回路中循环。
被压缩的第一致冷剂以蒸气状态离开压缩机12，流过换向阀16和导管24，到达作为冷凝器的热交换器22。冷凝了的第一致冷剂流过旁通阀32、导管26、50和膨胀装置52，进入热交换器102的第一盘管102a。第一致冷剂实质上以蒸气状态离开热交换器102，流过导管46、止回阀108、导管36和换向阀16回到压缩机12。第二致冷剂在泵104的推动下，通过导管112和120，在热交换器102和罐40之间循环。第二致冷剂流过热交换器102的第二盘管102b，此管与盘管102a呈热交换关系。在第一和第二致冷剂流经热交换器102时，热量从第二致冷剂转移到第一致冷剂中，从而使第二致冷剂冷却，使第一致冷剂汽化。冷却的第二致冷剂流过导管112进入罐40里的散射器喷头122，由此，第二致冷剂从散射喷头122上的相互间隔开的小眼里以喷雾形式排出。冷却的第二致冷剂透过罐40而下渗，使容器106中的存贮介质冷却。系统100最好以模式1运行到存贮介质结冰为止。在以模式1工作期间，第一致冷剂改变了物相，而第二致冷剂则没有。
工作模式2，称为第一级直接制冷，实质上与上面参照图1和表I描述的相同。第一致冷剂在压缩机12的作用下在第一回路中循环。压缩机12把压缩的第一致冷剂以汽化状态通过换向阀16和导管24传送到作为冷凝器的热交换器22中。冷凝了的第一致冷剂流经旁通阀32到达热交换器28--此时用作汽化器盘管。此时阀78打开而阀80关闭。热膨胀装置34在液态第一致冷剂进入热交换器28时，使之减压。第一致冷剂在热交换器28里被汽化，使从热交换器28上面通过的气流(如进入室内空间的气流)冷却。汽化了的第一致冷剂经过导管37、36和换向阀16，回到压缩机12。在工作模式2中，泵104和加热部件56都不工作，阀110和114关闭。止回阀108防止第一致冷剂回流进导管46。在工作模式2下，系统100发挥了约一半的总制冷能力。鉴于驱动压缩机12所需要的电量，工作模式2最好限于非用电高峰期。
在工作模式3中，也叫第一级转换制冷，压缩机12停机，泵104使第二致冷剂在第四回路中循环。在这一工作模式下，第二致冷剂通过导管120，116和112，在罐40与热交换器118之间流动。第二致冷剂在透过罐40下渗过程中被存贮介质冷却，冷却了的第二致冷剂流经热交换器118时，使从热交换器118上面经过的气流(即室内提供的空气)冷却。在模式3中，阀110关闭，以防止第二致冷剂流进热交换器102中，阀114打开，让第二致冷剂流过热交换器118。
系统100在工作模式3中的制冷能力，通常与在工作模式2中的相同。不过，工作模式3的一个重要优点是驱动泵104所需的电量约相当于驱动压缩机12所需电量的10-20％。因此，工作模式3在用电高峰期具有优势。
熟悉本技术领域者将认识到系统100在工作模式2和模式3之间转换时，没有必要以过移模式(HM)，即前文结合图1描述的模式运行，因为第一和第四回路相互独立，而且每个回路都有其自有的致冷剂。特别是，在第一回路中循环的第一致冷剂，是一种蒸气压缩流体，在以模式2工作的过程中改变物相，而在第四回路中循环的第二致冷剂，是一种基本上不可压缩的液体，在以模式3工作过程中不改变物相。
在工作模式4中，第一致冷剂在第一回路中循环，同步地，第二致冷剂在第四回路中循环。工作模式4实质上是模式2和3同步运行，从而达到满负荷。在模式4中，阀80和110关闭，阀78和114打开。与在模式2中相同，压缩机12使第一致冷剂在作为冷凝器的热交换器22与作为汽化器的热交换器28之间循环，以冷却从热交换器28上面经过的气流(如进入室内的气流)。同时，泵104使第二致冷剂在罐40与热交换器118之间循环，这时，利用罐40中的存贮介质的制冷能力使第二致冷剂冷却，从而使通过热交换器118的气流(如进入室内的气流)冷却。系统100能够在满负荷模式下一直工作到下述情况出现为止封灌在容器106中的存贮介质已经改变了物相--从固态变为液态，且液体存贮介质的温度已经开始上升，一直上升到热交换器118不再能满足负载要求的制冷量。在模式4中，室内热交换器28、118为进入室内的空气提供了满负荷制冷。压缩机12和泵104同步工作，使直接制冷和转换制冷模式并行工作。
熟悉本技术领域者将认识到系统100在从模式3向模式4转换时，或在起动模式4时，没有必要以泵出(PO)模式，即前文结合图1描述的模式运行，与前文所述的没有必要运行过移(HM)模式原因相同。
系统100也可以被用来加热进入室内的空气。现在，将描述系统100由热交换器28、118提供热量时，其各种工作状态和模式。
第一供热模式称为模式5，实质上与前文结合图1描述的模式5相同。在非用电高峰期，加热部件56为罐40中的第二致冷剂加热。罐40中的第二致冷剂把封罐在容器106中的存贮介质加热到适当的温度。例如，如果存贮介质是去离子水，加热部件56可能要把水加热到180°F到190°F的温度范围。典型地，在模式5中，阀78、80、110和114关闭，压缩机12处在关机状态，泵104也处于关机状态。在模式5中，温暖的热能存贮起作用。
系统100可以模式6工作，也叫直接供热模式，根据具体情况，可以同时保持以模式5运行或不这样运行。在模式6中，第一致冷剂在第一回路中循环，以实现热泵运行，但循环的方向与在模式2中的相反。压缩机12、换向阀16、热交换器22和热交换器28以普通热泵方式运行。换向阀16的设置，使第一致冷剂以高压蒸气状态从压缩机12中排出，经过导管36、37，向从热交换器28--此时作为冷凝器使第一致冷剂冷凝--上面通过的气流(如进入室内的气流)释放热量，从而加热了从热交换器28上通过的气流。冷凝了的第一致冷剂流过止回阀62和导管26。热膨胀装置30在第一致冷剂通过此时作为汽化器的热交换器22时使其减压。汽化了的第一致冷剂离开热交换器22，穿过换向阀16，通过导管18进入压缩机12。在非用电高峰期，系统100典型地以模式6运行。
在用电高峰期供热，系统100的运行最好采用模式7而非模式6。在模式7中，压缩机12处于关机状态，加热部件56被断电，泵104通电，以使第二致冷剂在热交换器118与罐40之间循环。在工作模式7中，也称为第一级转换供热，系统100所需的电能只是用泵104循环第二致冷剂所需的电能，大约只相当于运转压缩机12所需电量的10-20％。在模式7中，第二致冷剂在第四回路中循环。阀78、80和110关闭，阀114打开。第二致冷剂流过热交换器118与罐40之间的导管120、116和112。第二致冷剂从被加热了的存贮介质中获得热量，并把热能带到热交换器118里，在这里从热交换器118上面通过的气流(如进入室内的气流)被加热。
工作模式8实质上是系统100同步地以模式6和模式7工作，即压缩机12以热泵模式工作，向热交换器28提供热的气态第一致冷剂，泵104运转，使第二致冷剂在罐40与热交换器118之间循环，向热交换器118提供被加热的第二致冷剂。如上所述，无论系统100是以模式6、7还是8运行，在这之前，系统100既不必以过移模式运行，也不必以泵出模式运行。在模式8中，热交换器28、118提供了系统100的全部供热能力，因此，直接供热和转换供热并行工作。
如图3所示，下面要说明按照本发明设计的空调系统的第三实施例。系统200与以上结合图2和表II描述的系统100大致相同，但系统200包括一个第五热交换器202，浸泡在罐40里的热能存贮介质204中。存贮介质204是一种相变物质(如水)，比第二致冷剂的冰点高。在系统200中，存贮物质204不象系统100那样被封灌在容器中，而是仅局限于罐40中。系统200也能够以表II中描述的八种独立的模式运行。表II还给出了系统200的各个部件在八种不同的工作模式下的相应状态。这些状态与在系统100中的状态相同，这使得表II既适用于系统100的运行，也适用于系统200的运行。热交换器202最好是盘管，由穿过罐40的多个通路构成。系统200不包括系统100中的散射喷头122。
在工作模式1中(制冰)，当第二致冷剂多路穿过热交换器202时，第二致冷剂使存贮介质204冷却。在工作模式3和4中，当第二致冷剂多路穿过热交换器202时，被存贮介质204冷却。在工作模式7和8中，当第二致冷剂多路穿过热交换器202时，第二致冷剂被存贮介质204加热。
如图4所示，熟悉本技术领域者将会认识到系统10、100、200中的每一个都配有一个合适的控制装置，用于检测相应系统10、100、200在制冷或供热模式下的负载要求，并自动控制相应系统10、100、200的运行，以利用非高峰电价。因此，相应系统10、100、200能够在选择的模式下工作，所选模式适合供热或制冷负载要求，也适合高峰或非高峰电价。
控制装置300接受各种控制输入信号，诸如来自室内恒温器302和罐恒温器304的信号。当室内温度上升到高于或下降到低于预先设定的温度时，恒温器302指示出室内制冷或室内供热要求。罐恒温器304检测热能存贮罐中的存贮介质的温度，控制装置300运用这个输入信号控制相应系统10、100、200的各种工作模式。控制装置300也能够接受其它控制输入信号，象来自于当地公用事业设施的信号。
尽管对本发明的各种实施例在此作了详细地说明，那些熟悉本技术领域的人们还会认识到针对上面描述的实施例，可能会有各种替代例和变形例，但并不脱离本发明如后面权利要求书中所述的范围和精髓。
权利要求
1.一种空调系统，包括一个制冷压缩机；一个第一热交换器，能够连接到上述压缩机上；一个第二热交换器，能够连接到上述第一热交换器和上述压缩机上，上述第二热交换器与进入室内的气流呈热交换关系；一个热能存贮器，由一个装有热能存贮介质的罐构成；一个第三热交换器，能够连接到上述压缩机、上述第一热交换器和上述罐上；一个第四热交换器，能够连接到上述罐上，上述第四热交换器与进气流呈热交换关系；一个致冷剂循环装置，能够连接到上述罐、上述第三热交换器和上述第四热交换器上；以及一个控制装置，适于有选择地控制上述压缩机和上述致冷剂循环装置运转，使致冷剂以第一工作模式流动，其中致冷剂流过上述第三热交换器和上述罐，冷却上述存贮介质；以第二工作模式流动，其中致冷剂在上述第一和第二热交换器之间流动，利用上述第二热交换器冷却进气流；以第三工作模式流动，其中致冷剂流过上述罐和上述第四热交换器，利用上述第四热交换器冷却进气流。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于上述控制装置还适于有选择地控制上述压缩机和上述致冷剂循环装置运转，使上述致冷剂同步地以上述第一和第三工作模式流动。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于上述第一热交换器是一个室外热交换器，可以用作冷凝器；上述第二和第四热交换器是室内热交换器，可以用作汽化器以冷却室内空间。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于包括流动换向装置，能够连接到上述压缩机上，改变上述第一和第二热交换器之间致冷剂的流动方向。上述控制装置适于控制上述流动换向装置，当处于上述第二工作模式时，使致冷剂在上述第一和第二热交换器之间沿一个方向流动，从而利用上述第二热交换器冷却进气流，当处于另一种工作模式时，使致冷剂在上述第一和第二热交换器之间沿相反方向流动，从而利用上述第二热交换器加热进气流。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于包括一个加热器，用于加热上述存贮介质，上述控制装置能够使致冷剂以又一个工作模式流动，其中致冷剂在上述罐和上述第四热交换器之间流动，以便提供被加热的致冷剂，通过第四热交换器加热进气流。
6.一种空调系统，包括一个压缩机，用于压缩第一致冷剂；一个第一热交换器，能够连接到上述压缩机上；一个第二热交换器，能够连接到上述第一热交换器和上述压缩机上，上述第二热交换器与进入室内的气流呈热关系，上述压缩机能够使第一致冷剂在上述第一热交换器与上述第二热交换器之间循环，从而使进气流冷却；一个热能存贮器，由一个装有热能存贮介质的罐构成；一个第三热交换器，能够连接到上述罐、上述压缩机和上述第一热交换器上，上述压缩机能够使第一致冷剂在上述第一热交换器与上述第三热交换器之间循环，从而使在上述第三热交换器中与第一致冷剂呈热交换关系的第二致冷剂冷却；一个第四热交换器，能够连接到上述第三热交换器上，上述第四热交换器与进气流呈热关系；一个致冷剂循环装置，用于使第二致冷剂在上述第三热交换器和上述罐之间循环，从而使存贮介质冷却，上述致冷剂循环装置还能使第二致冷剂在上述第三热交换器和上述第四热交换器之间循环，从而冷却进气流；一个控制装置，适于控制第一致冷剂流过第一回路--由上述压缩机、上述第一热交换器和上述第二热交换器组成；第二回路--由上述压缩机、上述第一热交换器和上述第三热交换器组成；上述流动控制装置适于控制第二致冷剂流过第三回路--由上述第三热交换器、上述致冷剂循环装置和上述罐组成；第四回路--由上述第三热交换器、上述致冷剂循环装置和上述第四热交换器组成；上述系统可以有选择地工作于第一工作模式，其中第一致冷剂流过上述第二回路而第二致冷剂流过上述第三回路，以便冷却存贮介质；第二工作模式，其中第一致冷剂流过上述第一回路，利用上述第二热交换器冷却进气流；第三工作模式，其中第二致冷剂流过上述第四回路，利用上述第四热交换器冷却进气流；以及第四工作模式，其中第一致冷剂流过上述第一回路，第二致冷剂流过上述第四回路，利用上述第二热交换器和上述第四热交换器冷却进气流；
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于第一致冷剂是一种可压缩的相变流体，而第二致冷剂是一种基本上不能压缩的液体。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于存贮介质是水，第二致冷剂是一种液体，其冰点比存贮介质的低。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于存贮介质是去离子水，封灌在上述罐内的许多容器内。
10.如权利要求6所述的系统，其特征在于上述第三热交换器在上述罐的外面，所述系统还包括一个第五热交换器，浸泡在上述罐内的上述存贮介质中，以实现上述第二致冷剂与上述存贮介质之间的热交换。
11.如权利要求6所述的系统，其特征在于还包括流动换向装置，能够连接到上述压缩机上，改变第一致冷剂在上述第一回路中的流动方向使第一致冷剂在流过上述第一回路时，沿一个方向流动，以便向上述第二热交换器提供加热了的第一致冷剂，利用上述第二热交换器加热进气流；使第一致冷剂在流过上述第一回路时，沿相反方向流动，以便向上述第二热交换器提供冷却的第一致冷剂，利用上述第二热交换器冷却进气流。
12.如权利要求6所述的系统，其特征在于还包括一个加热装置，用于加热上述存贮介质，以便在第二致冷剂流过上述第四回路时，提供上述第四回路中的加热的第二致冷剂，从而利用上述第四热交换器加热进气流。
13.如权利要求6所述的系统，其特征在于还包括至少一个隔离阀，安插在所述系统中，用于把上述第三回路与上述第四回路隔离开。
14.一种以低耗电量在用电高峰期运行的空调系统，所述系统包括一个压缩机、一个第一热交换器和一个第二热交换器，相互连接形成一个第一回路，上述第二热交换器与进入室内空间的气流呈热交换关系；一个热能存贮装置，包括一个罐，内装热能存贮介质；一个第三热交换器，能够与上述罐、上述压缩机和上述第一热交换器相互连接，形成一个第二回路；一个致冷剂循环装置，能够与上述第三热交换器和上述罐相互连接，形成一个第三回路；一个第四热交换器，能够与上述罐和上述致冷剂循环装置相互连接，形成一个第四回路，上述第四热交换器与进气流呈热关系；以及一个控制装置，适于有选择地控制上述压缩机的运转，使第一致冷剂在上述第一回路中流动，利用上述第二热交换器冷却进气流；控制上述压缩机使第一致冷剂在上述第二回路中流动，并控制上述致冷剂循环装置使第二致冷剂在上述第三回路中流动，与第一致冷剂在上述第二回路中的流动同步，于是，第二致冷剂被第一致冷剂冷却，而存贮介质被第二致冷剂冷却；控制上述致冷剂循环装置使第二致冷剂在上述第四回路中循环，利用上述第四热交换器冷却进气流。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于上述控制装置适于控制上述压缩机和上述致冷剂循环装置同步地使第一致冷剂在上述第一回路中循环、使第二致冷剂在上述第四回路中循环，以便利用上述第二热交换器和上述第四热交换器冷却进气流。
16.如权利要求14所述的系统，其特征在于其中上述第一热交换器是一个室外热交换器，能够作为冷凝器，上述第二和第四热交换器是室内热交换器，可以作为汽化器以冷却进气流。
17.如权利要求14所述的系统，其特征在于还包括流动换向装置，能够连接到上述压缩机上，改变第一致冷剂在上述第一回路中的流动方向，使第一致冷剂在流过上述第一回路时，沿一个方向流动，以便向上述第二热交换器提供加热了的第一致冷剂，利用上述第二热交换器加热进气流；使第一致冷剂在流过上述第一回路时，沿相反方向流动，以便向上述第二热交换器提供冷却的第一致冷剂，利用上述第二热交换器冷却进气流。
18.如权利要求14所述的系统，其特征在于还包括一个加热装置，用于加热上述存贮介质，以便在第二致冷剂流过上述第四回路时，提供上述第四回路中的加热的第二致冷剂，从而利用上述第四热交换器加热进气流。
19.如权利要求14所述的系统，其特征在于还包括至少一个隔离阀，安插在所述系统中，用于把上述第三回路与上述第四回路隔离开。
20.如权利要求14所述的系统，其特征在于第一致冷剂是一种可压缩的相变流体，而第二致冷剂是一种基本上不能压缩的液体。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于存贮介质是水，第二致冷剂是液体，其冰点比存贮介质的低。
22.如权利要求20所述的系统，其特征在于存贮介质是去离子水，封灌在上述罐内的多个容器内。
23.一种操作如权利要求14所述的空调系统的方法，可以降低在用电高峰期的耗电量，上述方法包括如下步骤在非用电高峰期，使第一致冷剂在上述第二回路中循环、第二致冷剂在上述第三回路中循环，以冷却存贮介质；以及在用电高峰期，使第二致冷剂在上述第四回路中循环，利用上述第四热交换器冷却进气流。
24.如权利要求23所述的操作空调系统的方法，还包括运行上述压缩机使第一致冷剂在第一回路中循环，同时，继续使第二致冷剂在第四回路中循环，利用上述第二和第四热交换器同步冷却进气流。
25.一种操作如权利要求14所述的空调系统进行制热的方法，包括加热存贮介质并使第二致冷剂在上述第四回路中循环，以利用上述第四热交换器加热进气流。
26.如权利要求25所述的操作空调系统的方法，还包括使第一致冷剂在上述第一回路中循环，以便在第二热交换器中冷凝第一致冷剂而在上述第一热交换器中汽化第一致冷剂，从而利用上述第二热交换器加热进气流。
27.如权利要求26所述的操作空调系统的方法，包括同步地使第一致冷剂在上述第一回路中循环、第二致冷剂在上述第四回路中循环，以便利用上述第二和第四热交换器加热进气流。
全文摘要
一种蒸气压缩空调系统(100,200),能够在用电高峰期降低耗电量,其特征是四条制冷回路。第一回路包括:一台压缩机(12),一个第一热交换器(22)和一个第二热交换器(28)。第二回路包括:压缩机(12),第一热交换器(22)和第三热交换器(102)。第三回路包括:第三热交换器(102),一台致冷剂泵(104)和一套热能存贮装置。第四回路包括:热能存贮装置,致冷剂泵(104)和一个第四热交换器(118)。此第一热交换器(22)是一个室外热交换器。此第二和第四热交换器(28,118)是室内热交换器,与需要冷却或需要加热的气流呈热转换关系。第一致冷剂在压缩机(12)的作用下,在第一和第二回路中循环。第二致冷剂在第三和第四回路中循环。系统(100,200)能够以很多制冷和制热模式运行。
文档编号H02J3/28GK1203657SQ96198402
公开日1998年12月30日 申请日期1996年11月14日 优先权日1995年11月17日
发明者西奥多·C·吉勒斯 申请人:伦诺克斯工业公司