专利名称：用于独立的新鲜和返回空气流的节能调节的单盘管双风扇变风量(vav)系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及采暖、通风和空气调节(HVAC)，更具体地涉及节能的冷却和通风系统。
背景技术：
空气调节，特别是在炎热气候，是冷却和除湿的迫切需求。HVAC技术人员必须寻找一种最优设计，平衡能量消耗和成本、热量舒适程度和室内空气质量(IAQ)，后面的标准是建筑物的通风效果如何的函数。尽管健康和热量舒适的问题可以通过试图消除各种室内污染源来解决，但是完全消除它们几乎不可能。从而使用新鲜空气的通风在室内环境的最终空气质量中不可避免地扮演重要角色。在炎热条件下，由于室外空气和室内空气状态之间存在大的焓差，与通风相关的冷却和除湿的高能量损耗是显然的。
由于诸如二氧化碳污染物的产生，通风不充分几乎总是导致室内空气质量的恶化。事实上，具有不良的冷却盘管的除湿性能的充分通风将更加糟糕，因为很可能导致空气分配系统和占用区域的上升的湿度水平。这种现象在潮湿的环境中被认为是“室内”污染物，其会扩散微生物污染的来源和食物。在炎热的建筑物中的高室内湿度问题来源于通风空气(新鲜空气)的高环境湿度水平，和对提供充分的通风来避免“病态建筑综合症”的需要。
对任何空调系统的基本要求是能够给建筑物的居住者提供舒适的温度和湿度条件。在稳态环境中，这是个相对简单的任务。然而在动态的室内环境中，冷却和除湿的需求随着天气和占用情况的变化而波动，设计节能的空气调节就不是一件简单的事。炎热和潮湿气候中的空调系统的最优设计更是一件艰巨的任务，在此，新鲜空气常年含有特别高的湿度水平。
在典型的冷却和除湿盘管设计中，具有入口温度和湿度的空气流流过盘管管道和散热片，同时冷却水通过盘管的管道流动。冷却水以供给温度进入盘管并以返回温度离开盘管。冷却盘管的湿度性能决定流过盘管空气的冷却和除湿。在两个不同空气流被调节的情况下，两个分离的盘管将典型地用并列的或者顺次供给的冷却水来使用。
过去曾努力通过选择流过盘管的空气速度、通过盘管的管道的冷却水速率和盘管物理几何形状的各种结构来获得节能的除湿性能。这些设计可以通过例如以下专利来示例US 4876858(Shaw)、EP00415747A2(Shaw)、US 5461877(Luminis)、KR09302466B1(Luminis)和WO09220973A1(Luminis)。一些最近的改进针对从歧管中第一盘管收集水，且然后以顺序模式将该水(在第一盘管冷却水返回的温度)注入第二盘管的管道。实质上，这样还是等于空气一侧和冷却水一侧上的两个不同的热交换盘管。
然而，这种双盘管设计的缺点也是明显的。基本的缺点是双盘管系统不是非常节能的。其次，双盘管系统造价高，因为它需要更多的元件。第三，双盘管系统占用更多的建筑空间，从而减少了建筑规划中的可用地面空间。
这样，在技术上需要改进通风和空气调节系统以克服前述不足。
发明内容
从而本发明的目的是提供单盘管双风扇HVAC系统，用于独立的新鲜空气流和循环空气流的节能调节。
正如在此体现和大致描述的，本发明提供一种通风和空气调节系统，用于独立的新鲜空气流和循环空气流的节能调节，所述系统包括用于引进一定量新鲜空气的第一入口；用于引进一定量循环空气的第二入口；用于调节新鲜空气量和循环空气量单盘管热交换器，从而产生调节过的新鲜空气的供给和调节过的循环空气的供给；用于推动所述调节过的新鲜空气到第一管道下游的第一风扇；用于推动所述调节过的循环空气到第二管道下游的第二风扇；连接所述第一管道和第二管道的下游的混合箱，所述混合箱是一个腔室，在其中所述调节过的新鲜空气的供给和所述调节过的循环空气的供给可以在通风进入室内或区域之前进行混合；以及控制系统，用于检测区域温度和区域通风需要，并根据所述区域通风需要调节所述调节过的新鲜空气的供给和根据所述区域温度调节所述调节过的循环空气的供给。
使用这个系统，优点是显著的。单个盘管能够对两个分离的空气流同时调节，而它们不在盘管的下游段混合。通过分别地处理新鲜空气流和返回空气流(利用分离的风扇，这些风扇独立且分离地控制)，系统实现对新鲜空气流最优的除湿性能(在炎热环境中这是主要的潜在冷却)和对循环空气流的最佳可感冷却性能(这是主要的可感冷却)。另一个关键优点是以相当独立的方式在空气侧和冷却水侧都使用单盘管能够获得期望的冷却和除湿性能。单盘管可以采用适当的改进安装在单个空气处理设备(AHU)中，这实质上包括安装绝热的金属板隔离物以明确地分离新鲜空气流和循环空气流。通过使用具有单冷却水供给的单盘管，不再需要在第一(新鲜空气)和第二(返回空气)盘管之间的中间返回和供给歧管。因此，该单盘管双风扇系统不仅占地面积较小而且建造、安装和操作的成本较低。
换句话说，本发明是一种用于对两个分离的空气流进行冷却和除湿的单盘管双风扇系统。可取地，新鲜和返回空气流由变风量系统推动(每个空气流一个)。新鲜空气和返回空气在分离的管道中运行，单流过单个共用的盘管，该盘管对两个空气流进行冷却和除湿。当两个空气流通过盘管时新鲜空气流和循环空气流不进行混合。新鲜空气和循环空气在被通风进入被冷却的室内或区域之前仅在混合箱下游进行混合。本发明降低占用区域的湿度以直接响应占用密度。需要强调的是只有占用密度以明显方式支配系统的除湿性能而且其它的所有热负荷分别支配系统的冷却性能。
这种新的空调系统能够将两个空气流分配给位于整个建筑物的各个混合箱(调节过的新鲜空气流和调节过的循环空气流)。通过反馈信号，本发明通过定制建筑物不同区域的通风和冷却需要来使节能最优化。从而该系统提供了具有改进能效的增强的室内空气质量(IAQ)。
本发明超过现有技术中的冷却和除湿盘管的显著优点是盘管操作相对容易，其使用单供给的冷却剂(例如，冷却水)。盘管的动态湿度性能通过调整作为改变冷却和通风需要的函数的冷却剂流动速率来实现。
本发明的其它目的和特性可通过下面的说明和附图得到体现。
本发明进一步通过实例参照
，其中图1是描绘根据本发明的一种节能单盘管双风扇HVAC系统的示意图；图2是图1所示系统的简化示意图；图3是图1所示系统的热交换盘管的等角视图；图4是湿度表，用图表方式显示了图1所示系统的优越的除湿特性。
在附图中，本发明优选的实施方式通过实例描述。应该清楚地理解的是说明书和附图仅仅是为了描述和有助于理解。他们不意味对本发明的限定。
具体实施例方式
参照图1，通常由参考数字2标记的用于在建筑物4中通风和调节空气的HVAC系统具有一个空气处理设备(AHU)5，其包括两个分离的变风量(VAV)系统6、8。第一VAV系统6从外界通过新鲜空气入口10引入新鲜空气。新鲜空气入口10具有扩散器11，用来扩大和减慢新鲜空气用于最大传热。新鲜空气首先经过新鲜空气过滤器14过滤，再被盘管20冷却和除湿。盘管20是具有单冷却水供给的热交换盘管。新鲜空气风扇22推动调节过的新鲜空气流向下游流过新鲜空气管道26到达新鲜空气VAV箱30。新鲜空气VAV箱30连接可流入新鲜空气的混合箱38。新鲜空气风门31调节调节过的新鲜空气进入混合室39内的流量，其中混合室39是混合箱38的一部分。
第二VAV系统8通过循环空气入口12从建筑物内引入循环空气。循环空气入口12具有扩散器13，以扩大并减慢循环空气用于最大传热。循环空气首先经过循环空气过滤器16过滤，再被所述盘管20冷却和除湿。该盘管20是与冷却新鲜空气的相同的热交换盘管，即使新鲜空气和循环空气在分离的管道中运行。循环空气风扇24推动调节过的循环空气流向下游通过循环空气管道28到达循环空气VAV箱32。循环空气VAV箱32连接可流入循环空气的混合箱38。循环空气风门33调节调节过的循环空气进入混合箱38的混合室39内的流量。
由中央处理单元(CPU)54管理的反馈控制系统，控制HVAC系统2的运行。CPU54基于来自位于建筑物4内各种位置的传感器的温度和二氧化碳(CO2)的读数计算出最优的风扇速率和风门开度。
参照图1，提供CO2传感器34用于测量空气中二氧化碳的浓度。CO2传感器34位于返回空气管道46中并且靠近返回出口44。返回空气管道46还设有测量离开房间的空气温度的温度传感器36。二氧化碳传感器34和温度传感器36通过电线55(或电缆)连接到控制系统的中央处理单元(CPU)54。CPU54计算出针对新鲜空气风门31和循环空气风门33的最优风门开度，从而最优的新鲜空气与循环空气的混合物流入混合箱38内的混合室39。CPU54还根据整个建筑物的需要来调节每个VAV系统的风扇速度以改变总体的冷却和通风。CPU54控制第一VAV系统6和第二VAV系统8。
AHU5包括位于盘管20和新鲜空气风扇22之间的新鲜空气温度传感器56，该传感器测量新鲜空气流“离管(off-coil)”的温度。AHU5还包括位于盘管20和循环空气风扇24之间的循环空气温度传感器58，该传感器测量循环空气流“离管”的温度。在AHU5中位于盘管20和新鲜空气风扇22之间还设有新鲜空气湿度传感器57。该系统主要有两种控制模式。在正常操作条件下(即当湿度处于可接受的范围时)，CPU54使用来自循环空气温度传感器的信号控制冷却剂通路21。当盘管下游的新鲜空气的湿度超过可接受的范围，CPU54使用来自新鲜空气温度传感器的温度信号控制冷却剂通路21内冷却剂的流速。
只要热交换器20下游的气流湿度在可接受的设定点界限中，热交换器20下游的循环空气的温度将在控制中起主要作用。
仍参照图1，调节过的新鲜空气和调节过的循环空气根据区域的冷却和除湿需要在混合箱38内混合。混合箱38最好作为稳流室。稳流室是一个密闭空间，其中的空气压力大于外部大气的压力。从而空气被压入混合箱38(稳流室)以减慢通过局部扩散出口40的分配。
如上面所述，混合空气通过扩散出口40进入房间42(或办公室或建筑区域)。房间42也具有返回出口44，其将房间内空气引入返回空气管道46。提供的返回风扇48有助于循环空气返回流回到第二VAV系统8。返回空气管道46分叉进入排气出口50和循环空气入口12。可控的风门52位于返回空气管道46分叉处。可以控制风门52来改变返回第二VAV系统8，即进入循环空气入口12的循环空气变化量。当大量新鲜空气进入系统时，CPU54控制风门52以减缓空气压力增大。
如图2中的简化示意图所示，HVAC系统2具有两个变风量(VAV)系统，这两个系统使用单一共用盘管20来对新鲜空气流和循环空气流冷却和除湿。换句话说，新鲜空气由第一VAV系统6过滤、调节、向下游移动，而循环空气由第二VAV系统8过滤、调节、向下游移动。然而，第一、第二VAV系统6、8共用相同的冷却和除湿盘管20。每个通过盘管管路的冷却水通道用于新鲜空气流和返回空气流。管道的通路以确保尽可能多的逆流布置的方式完成，如图3所示。如图3中还显示了两个盘管子通路20a和20b。注意到这些形成了单一整体的盘管20的一部分是很重要的。它们被安排在子通路20a和20b中，以优化逆流热传递。绝热金属片隔板(一个“公共墙”)27将新鲜空气流和循环空气分离开。隔板或公共墙27需要适当改造以同热交换器的板状散热片的一个相接，从而确保空气流在流经热交换器20时保持分离和不混合。
其它的通路布置当然也是可能。图3是发生在该系统的单盘管内的情况的示意图。它描述了整个通路配置(例如，具有四个通路)。也可以使用半通路或三分之一通路布置。在所有的通路布置中，只用单盘管20来对新鲜空气和循环空气进行冷却和除湿。通过存在用于炎热的新鲜空气的高湿度条件和盘管的冷表面之间的高驱动势(drivingpotential)这样的情况能够实现单盘管的最优除湿性能。新鲜空气通过盘管后离开的状态是典型的全饱和。
图4描述了单盘管双风扇HVAC系统2的湿度性能。(湿度表显示作为温度函数的空气湿度。)为了确保合适的冷却和通风，盘管的湿度性能基于每个空气流的“离管”温度的读数进行控制。两个“离管”温度在控制盘管的动态湿度性能中起着关键作用以确保占用区域的容许的热量舒适度和室内空气质量(IAQ)。图4所示图表描述整个HVAC系统2的除湿性能。户外空气由图中状态曲线60表示。第一VAV系统(新鲜空气流)具有状态曲线62，其中离管温度和湿度绘于点64，在管(on-coil)状态绘于点66。第二VAV系统(循环空气流)具有状态曲线70，其中离管温度和湿度绘于点74，在管状态绘于点76。房间内的状态绘于点85。
通过分离通风和冷却功能，能够得到出色的节能效率。在正常操作条件下，通风需求上的改变将只调整新鲜空气风扇22而不用改变冷却剂的流速，也就是说，热交换器20的第一VAV系统6的下游的湿度差没有非正常的增加。特点是循环空气风扇24调整的区域的热负荷的变化，将调整冷却剂通路21内冷却剂流速。例如，当房间42的占用减小时，通风需求也减小。新鲜空气风扇速率相应地调整，但冷却剂通路21内的流速保持不变。因为被冷却的空气主要是循环空气，所以房间42内的温度将由此降低。在返回空气管道46内的温度传感器36检测到该温度的变化，相应地调整风门和风扇速率。当温度和湿度水平开始上升超出容许限制时，CPU54使用来自新鲜空气温度传感器的信号以控制冷却剂通路21内的流速。
尽管因为它们进一步减少了能量消耗所以变风量系统是首选的，但是单盘管双风扇系统也可以用一对定风量(CAV)系统或包含一个VAV系统和一个CAV系统的混合系统。如果混合系统被适当执行，最佳操作模式将用CAV系统驱动其负荷特性几乎恒定的空气流，用VAV系统驱动其负荷特性遵循波动模式的空气流。这样给设计提供了最大的适应性，并且在操作过程中将节能潜力最大化。
本发明的HVAC系统的优越性能由新加坡国立大学建筑系室内空气质量(IAQ)室所进行的各种实验证实。下面表中给出的七个实验代表了稳定状态下变风量风扇的不同操作点。
表1两室(房间1和房间2)中模拟的实验状态和模拟的风扇操作特性在上表1中列出的是不同的实验，实验中的热量和通风负荷特性为基本或者高。基本负荷对应于真空或接近真空的状态，为此仅需要最小的冷却和通风。典型地，基本负荷需要风扇以其最大速率的30％运行。高通风负荷通过房间1内具有八位居住者来模拟，高热负荷通过房间1内增加的发热光源来模拟。为了性能确认试验的目的，单盘管双风扇系统被设计和构造成下表2所示的特性和几何形状。
表2盘管构造和物理几何形状尽管单盘管双风扇系统使用单盘管，在新鲜空气流中的盘管部分的传热特性不必与在循环空气流中的盘管部分的传热特性一样。例如，在新鲜空气流中的盘管部分可以具有与在循环空气流中盘管部分不同的有效总表面积。作为选择，在新鲜空气流中的盘管部分能具有比循环空气流中盘管部分更小的散热片密度。(较小的散热片密度有利于除湿而较大的散热片密度更有利于可感的冷却。)单盘管的两部分的有效表面积的差别是设计的关键，这将决定相对总的期望冷却容量该单盘管的整个尺寸。从而能够设计出模块化尺寸(modular sizes)的盘管，该盘管能够选择可感和潜在的冷却需求的各种组合，这些冷却需求是典型的不同气候条件和变化的居住水平。
所有七组实验执行的湿度分析如下表3所示。
表3湿度分析表3显示了单盘管系统对各种热和通风负荷的动态响应。实验2b和4b显示了当房间1需要高通风时盘管的稳态操作状态。循环空气流中在管状态(在表3中以“R/A在管”标识)代表着两个房间内的环境状态。需要高通风的房间1，在实验2b和4b中分别具有相对湿度67％和65％。在实验2b中使用循环空气的“离管”温度，在实验4b中使用新鲜空气的“离管”温度。在高通风负荷条件下，使用新鲜空气的“离管”温度来控制经过盘管的冷却水流速是合理的，这在炎热气候条件下是典型的。
实验3a和实验3b的比较显示房间1的高热负荷能够通过大量的循环空气流来实现，其导致房间的湿度水平在大约70％的相对湿度。房间1和房间2的占用处于基本限度。在实验3b中通过基于循环空气的“离管”温度通过调整冷却水得到湿度水平。湿度还可以基于新鲜空气的“离管”温度来控制。基于这些实验结果，提出如下的控制策略。冷却水调节要通过需高通风的气候条件中新鲜空气流“离管”温度的反馈来实现。与此相反，冷却水调节要通过需高热负载的气候条件中循环空气流的“离管”温度反馈来实现。具有通风优势时，也可以从一种控制策略切换到另一种控制策略。当通过两种“离管”温度之一来实现冷却水调节时，通过其“离管”温度未使用的盘管的隔间的冷却水流速可以被用来改变系统的湿度性能。例如，如果循环空气流的“离管”温度用于控制冷却水流速，新鲜空气流的空气状态会动态变化。然而，在混合箱内新鲜空气与循环空气的混合物决定空间的状态。一个内在的缓冲器构筑在这种盘管的设计中。在这些实验中，可以观察到在饱和线上的2℃的缓冲器(在10℃和12℃之间)用于提供空气温度。
表3显示了单盘管双风扇系统(SCTF)的能量效率。由于新鲜空气风扇和循环空气风扇独立受控以基于各自的局部的通风和冷却需要来最优化它们各自的气流需求，所以能量被节省。从而当操作条件改变时盘管不需要提供多于所需的制冷。例如，在实验4b中，所用的新鲜空气和循环空气的总量是725立方米每小时(m3/h)。新鲜空气风扇以最大速率的100％工作，而循环空气风扇仅以最大速率的30％工作。如果使用已有技术VAV系统得到相似的室内条件，则风扇将必须以最大速率的65％工作以给房间提供相同的空气流总量。换句话说，在实验4b中可以看作65％部分负荷条件。当传统的VAV风扇以100％速度工作时，这样会转化为1115m3/h的空气流速。以简单的比例，如果65％部分负荷条件下新鲜空气量等于SCTF系统提供的量(534m3/h)，则以100％风扇速度所提供的新鲜空气应该为820m3/h。这就意味着，在100％的输出时，传统的VAV系统中传统的现有技术盘管所消耗的附加能量等于在100％输出时提供的附加新鲜空气量，在这种情况下为大约53％。与此对照，在SCTF系统的情况下，在100％输出时空气流的总量为1115m3/h。这样分解为534m3/h的新鲜空气流速和581m3/h的循环空气流速。
基于上述的湿度分析，本发明的SCTF系统预计比经常使用的现有技术中的VAV系统大致节能15％。然而该评估甚至没有包括减少风扇使用时所节约的能量。此外，SCTF系统不需要第二个水泵或第二个冷却水管。这也可以进一步节约能量。
由于本发明的精神和范围内可以进行其它的变化、修改和改进，所以优选实施方式的以上描述不以限制的方式解释。本发明的范围由附加的权利要求书和其等价物来确定。
权利要求
1.一种用于独立的新鲜和循环空气流的节能调节的通风和空气调节系统，所述系统包括(a)用于引入一定量新鲜空气的第一入口；(b)用于引入一定量循环空气的第二入口；(c)一个单盘管热交换器，用于调节新鲜空气量和循环空气量，由此产生调节过的新鲜空气供给和调节过的循环空气供给；(d)用于在第一道管中推动所述调节过的新鲜空气供给到下游的第一风扇；(e)用于在第二道管中推动所述调节过的循环空气供给到下游的第二风扇；(f)与所述第一道管和所述第二道管的下游连接的混合箱，所述混合箱作为一个腔室，在其中调节过的新鲜空气供给和调节过的循环空气供给可以在通风进入房间或区域内之前混合；和(g)一个控制系统，用于检测区域温度和区域通风需求，并用于根据所述区域通风需求调节所述调节过的新鲜空气的供给以及根据所述区域温度调节所述调节过的循环空气的供给。
2.如权利要求1所述的通风和空气调节系统，其中所述混合箱包括与所述第一管道连接的新鲜空气隔间和与所述第二管道连接的循环空气隔间，所述新鲜空气隔间包括一个新鲜空气风门，用于允许调节过的新鲜空气进入所述混合箱内的混合室，以及所述循环空气管道包括一个循环空气风门，用于允许调节过的循环空气进入所述混合箱内的混合室。
3.如权利要求1或2所述的通风和空气调节系统，进一步包括与所述第二入口连接的返回空气管道，所述返回空气管道包括检测所述区域通风需求的二氧化碳传感器和检测所述区域温度的温度传感器，所述传感器给所述控制系统提供信号。
4.如权利要求1到3中任一项所述的通风和空气调节系统，其中所述单盘管热交换器具有在逆流设置中流动的冷却剂。
5.如权利要求1到4中任一项所述的通风和空气调节系统，进一步包括与所述第一入口连接的新鲜空气过滤器和与所述第二入口连接的循环空气过滤器。
6.如权利要求1到5中任一项所述的通风和空气调节系统，其中所述第一风扇是变风量风扇，所述第二风扇是变风量风扇。
7.如权利要求1到5中任一项所述的通风和空气调节系统，其中所述第一风扇是定风量风扇，所述第二风扇是定风量风扇。
8.如权利要求1到5中任一项所述的通风和空气调节系统，其中所述第一风扇是定风量风扇，所述第二风扇是变风量风扇。
9.如权利要求3所述的通风和空气调节系统，其中所述控制系统包括一个中央处理单元，用于处理从所述温度传感器和所述二氧化碳传感器接收的信号，由此所述中央处理单元控制所述第一风扇和所述第二风扇。
10.如权利要求9所述的通风和空气调节系统，其中所述中央处理单元还控制所述单盘管热交换器中冷却剂的流速。
11.如权利要求9或10所述的通风和空气调节系统，其中所述中央处理单元还控制排气风门以排出过量的循环空气。
12.一种用在采暖、通风和空气调节系统中的空气处理设备，所述空气处理设备包括用于调节和推动一定量新鲜空气通过第一管道的第一调节系统，和用于调节和推动一定量循环空气通过第二管道的第二调节系统，且所述第一调节系统和所述第二调节系统共用一个单热交换盘管。
13.如权利要求12所述的空气处理设备，其中所述第一调节系统是第一变风量系统，且所述第二调节系统是第二变风量系统。
14.如权利要求13所述的空气处理设备，其中所述第一变风量系统包括可由控制系统基于来自二氧化碳传感器的反馈信号控制的第一风扇，和所述第二变风量系统包括可由所述控制系统基于来自温度传感器的反馈信号控制的第二风扇。
15.如权利要求13或14所述的空气处理设备，其中所述第一变风量系统还包括一个新鲜空气过滤器，且所述第二变风量系统还包括一个循环空气过滤器。
16.如权利要求12至15所述的空气处理设备，其中所述盘管以逆流设置来布置。
17.如权利要求14所述的空气处理设备，其中所述盘管包括冷却剂，该冷却剂的流速由所述控制系统基于来自空气处理设备中放置的温度传感器的反馈信号来调整。
18.如权利要求12所述的空气处理设备，其中所述的第一调节系统是第一定风量系统，所述第二调节系统是第二定风量系统。
19.如权利要求12所述的空气处理设备，其中所述的第一调节系统是定风量系统，且所述第二调节系统是变风量系统。
全文摘要
一种HAVC系统(2)，具有两个变风量(VAV)系统(6)、(8)，第一VAV系统(6)用于推动新鲜空气，第二VAV系统(8)用于推动循环空气。新鲜空气和循环空气都由单热交换盘管(20)冷却和除湿。新鲜空气流和循环空气流独立地在分离的管道(26)、(28)运行直到空气流到达远处设置的混合箱(38)，在此处空气流混合并通入室内或建筑区域。HVAC系统使用二氧化碳(34)和温度(36)传感器以调节到建筑物各处的不同混合箱的新鲜空气和循环空气流量。
文档编号F24F3/044GK1610808SQ02826538
公开日2005年4月27日 申请日期2002年11月29日 优先权日2001年11月30日
发明者C·谢卡尔, K·W·探, K·W·D·昌, N·H·王 申请人:新加坡国立大学