具有改进的热回收特征的热泵冷却器的制作方法

专利名称：具有改进的热回收特征的热泵冷却器的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及暖通空调与制冷(HVAC&R)系统，具体涉及能够诸如利用冷却水来执行加热和冷却功能的系统。已知各种各样的目前用于加热和冷却流体的系统，所述流体诸如水、盐水、空气等。在许多建筑HVAC&R系统中，例如，水或盐水被加热或冷却，然后循环通过建筑物，其中所述水或盐水被导向通过空气处理机，所述空气处理机吹动空气经过热交换器，以根据季节和建筑物条件来加热或冷却空气。一些这样的系统被设计仅用于冷却，而其他一些系统可用作热泵。在热泵系统中，制冷剂流过蒸发和冷凝制冷剂的热交换器的方向被换向，以允许从受控空间吸取热量(冷却模式)，或者用于将热量注入到空间中(热泵模式)。用于冷却水系统的热泵和热回收的现有技术包括许多种，每种技术都具有一些优点，但是也存在缺点。例如，水-水热泵通常在热泵模式下具有良好效率、以及对热水温度的良好控制。这样的系统总体是可用的，但是通常需要同时加热和冷却负载以实现合适运行。在仅在冷却运行下使用时，如果利用湿塔蒸发器，它们往往会沉积。带有热回收的空气冷却式冷却器也是可用的，并且具有便宜、以及在高的周围温度下高效的益处。但是，这样的系统对于水温以及可用的加热容量具有有限控制，尤其在较低的周围温度下。空气-水的热泵——一般在欧洲和亚洲更可轻易获得，在北美较少——其提供高效的加热并且对水温有较好控制。但是，这样的系统昂贵，并且不能在单个单元中提供加热和冷却。此外，经过用于在冷却和热泵模式之间切换的换向阀的压降通常非常高。其他的热泵技术可用于直接膨胀(“DX”)系统，其中制冷剂直接加热或冷却室内空气，但是存在限制其应用的问题。空气-空气热泵、地热式的热泵、以及可变的制冷剂流 (“VRF”)系统都是DX系统的例子。它们对于改进现有的具有冷却水系统的建筑物具有明显的限制。它们通常用在较小的建筑物或单层建筑中。单个系统的尺寸较小，一般小于20 吨，因此大的建筑物将需要许多系统以及非常长的制冷剂管道。这些系统的一个额外问题在于它们会允许制冷剂直接泄露到占用的空间中，这会引起环境问题，尤其对于天然制冷剂。尽管对于目前的制冷剂存在这些问题，但当使用具有增强可燃性和/或毒性的制冷剂(诸如碳氢化合物、氨和HF0-1234yf)时，这些问题显然会更加明显。需要一种能够既提供对诸如水或盐水的二次流体的加热、又提供对所述二次流体的冷却的改进的HVAC&R系统。

发明内容
本发明涉及被设计用于响应这些需要的系统和方法。所述系统可被总体设计用于许多HVAC&R应用，尤其非常适合冷却和/或加热诸如水和盐水的二次流体。根据本发明的一个典型系统可包括一个蒸发器，其被配置为使制冷剂蒸发以冷却第一流体流；一个压缩机，其联接至所述蒸发器，被配置为压缩已蒸发的制冷剂；以及一个冷凝器，其被配置为冷凝由所述压缩机压缩的制冷剂，以加热第二流体流。另一个热交换器——其可布置在受控空间(诸如建筑物)以外——被配置为接收来自所述冷凝器的制冷剂，以选择性地从所述制冷剂中提取热量或者增加热量至所述制冷剂，以及将所述制冷剂传送至所述蒸发器。第一控制阀系(valving)联接在所述冷凝器和所述热交换器之间，被配置为在系统的第一工作模式中调整从所述冷凝器到所述热交换器的制冷剂的流量。第二控制阀系联接在所述冷凝器和所述热交换器之间，被配置为在系统的第二工作模式中调整从所述热交换器到所述蒸发器的制冷剂的流量。视应用和应用的需要而定，通过合适控制所述阀系可实现许多不同的工作模式。 例如，所述系统可工作在如下模式的两个或更多个中仅冷却模式、带有部分热回收的冷却模式、带有辅助排热的热泵模式、带有完全热回收的热泵模式、带有源自热交换器的辅助热的热泵模式、仅加热模式、以及除霜模式。


图1是根据本发明的多个方面的一个示例的HVAC&R系统的图解图；图2是一个表格，示出了图1的系统的各种目前设想的工作模式，以及在各种模式下可如何控制某些部件；图3是关于本发明系统的一个替代配置的图解图；图4是关于本发明系统的另一个替代配置的图解图；图5是关于本发明系统的又一个替代配置的图解图；以及图6是关于系统的某些目前设想的工作模式的图解示意图。
具体实施例方式参照附图，图1示出了根据本发明的多个方面的一个示例的HVAC&R系统10。示出的系统包括一个冷凝器12和一个蒸发器14，所述冷凝器将循环制冷剂(或更通常而言，第一过程流体)冷凝，所述蒸发器将制冷剂蒸发。压缩机16将蒸发的制冷剂压缩，以使其返回冷凝器。在所述冷凝器和所述蒸发器之间还联接一个热交换器18，该热交换器接收循环的制冷剂，并且视工作模式而定，该热交换器可以从流体中吸取热量、将热量注入流体，或者用作以少量热传递来传送制冷剂的导管。在某些应用中，热交换器18将布置在温度和/或湿度受控的体积之外，诸如在建筑物外面。在这样的情况下，热交换器可被称为外部热交换器，但是所有三种热交换器的物理布置都可视具体的应用和安装情况而定。例如，一个优选的配置是将整个制冷剂回路和控制装置都放置在外部，具有类似于改型的空气冷却的涡旋或螺杆冷却器的结构和总体布置，诸如Johnson Controls YCAL、YLAA、以及YCIV型号管线。这样的配置的优点在于使现场的制冷剂管道最少化，以及使建筑物内的空间需求最小化。或者，仅热交换器18和风扇20可在外部，系统的其他部分可在建筑物内，具有类似于水冷式的涡旋或螺杆冷却器的总体结构，诸如Johnson Controls YCWL或YCWS型号管线。在示出的实施方案中，风扇20推动空气经过热交换器18的盘管。在实践中，可使用各种类型的热交换器用于冷凝器12、蒸发器14和热交换器18。这些包括常规的翅片和管设计、微通道设计、降膜蒸发器，以及更通常的，制冷剂在热交换器管(“管侧”)内循环的设计以及制冷剂在管外循环、通常在壳内(“壳侧”)循环的设计。
所述系统在控制电路的控制下工作，控制电路总体被标记为参考数字22。如下所述，该电路通常会包括一个或多个处理器，以及存储有所述处理器执行的例行程序 (routine)的支承存储器电路和/或固件。所述处理器可以是任意合适类型，包括微处理器、现场可编程门阵列、专用和通用计算机的处理器，等等。类似地，存储器可包括随机存储器、闪存、只读存储器，或任何其他合适类型。尽管没有单独表示，但所述电路还将包括用于接收感测信号的输入/输出电路，以及用于为阀系、电机等等输出控制信号的接口电路，或者所述电路与用于接收感测信号的输入/输出电路，以及用于为阀系、电机等等输出控制信号的接口电路相关联。图1中示出的系统可被执行以实现各种各样的目的，以及执行各种工作模式。如所示的，例如，蒸发器14接收二次流体流M，该二次流体流被泵沈泵送通过所述蒸发器。 类似地，另一流体流观——其在一些情况下可能是相同的二次流体——借助泵30循环通过所述冷凝器。如本领域技术人员将理解的，所述二次流体可进一步循环通过各种各样的其他设备，用于实现加热和冷却目的。例如，在一般的建筑HVAC&R应用中，所述二次流体可以是水或盐水，所述水或盐水循环通过建筑物导管，从而通过空气处理器，借助该空气处理器，建筑物空气吹动以升高和/或降低其温度。许多其他和具体的应用可利用所述二次流体。如图1中还示出的，流体控制阀系34被布置在冷凝器12和热交换器18之间的制冷剂路径中，同时流体控制阀系36被布置在热交换器18和蒸发器14之间的路径中。在一个实施方式中，所述阀系可包括致动器操作的二通阀，例如球阀，所述球阀可在控制电路22 的控制下打开和关闭，以在流体中提供相对高的压降(用作膨胀装置)、或者非常小的压降 (基本是打开的导管)。如下所述，对该阀系的打开和关闭的调节可允许该系统在各种模式下工作，并视控制阀系的位置而定，迫使所述热交换器18用作蒸发器或冷凝器。为了使热交换器的盘管作为蒸发器工作，第一控制阀系34大部分关闭以作为膨胀装置，而第二控制阀完全打开。为了将热交换器18的盘管用作冷凝器，将控制阀系的工作倒转。第二控制阀系36被调整以用作膨胀装置，同时第一控制阀系34完全打开。这样的工作模式有效地将热交换器移动至制冷剂回路的低侧。应注意，在下述的实施方案和模式中，控制电路可以获得指示所述系统的各种部件的工作状态的信号，和/或可以直接控制这些部件。例如，除了控制阀系34和36，控制电路可控制与风扇20相关的电机，以及与压缩机16和泵沈、30相关联的电机。如本领域技术人员将理解的，所述系统可包括大量可控制或可检测的参数，包括与压缩机16、以及与二次流体系统相关联的阀系或控制装置。另外，所述系统可包括用于提供信号的仪器，所述信号可被用作监控和/或控制的基础。在示出的实施方案中，例如，温度传感器38可检测流过蒸发器14的二次流体流 24的进入温度，一个类似的传感器40可检测出来的流温度。类似地，传感器42和44可检测在冷凝器12的两侧上的二次流体流观的温度。压力换能器46可检测离开压缩机16的制冷剂的排出压力，而另一换能器48可检测入口压力。为了特定目的，诸如为了计算所述压缩机16上游的制冷剂的过热量，提供了一个温度传感器50。类似地，一个压力换能器52 可检测在所述热交换器18中的制冷剂的压力，同时温度传感器M可检测其温度。另一温度传感器56可检测周围温度(例如，在热交换器周围并且循环通过所述热交换器的空气的温度)。应注意，所有的仪器都可向所述控制电路22提供信号，所述控制电路可运算、按比例度量以及处理所述信号，并基于这些输入进行计算以及做出控制决定。还应注意，在许多应用中，所述控制电路可接收大量的其他输入，诸如来自所述二次流体循环系统的温度、压力、流率等等。图2是一个表格，列出了通过合适控制所述系统的部件——尤其是使制冷剂循环进入和流出冷凝器和蒸发器之间的热交换器的阀系——实现的本发明系统的一些目前设想的工作模式。列出了七个示例的工作模式，包括1.仅冷却(户外)热交换器18作为冷凝器工作，没有二次(例如，水或盐水)流通过冷凝器。压缩机容量可基于离开的冷却流体流M (例如，盐水)的温度来控制。可控制风扇20的工作以使能量消耗最小化，同时保持足够的压力差以便流过控制阀系36。2.带有部分热回收的冷却与仅冷却模式相同，但是二次流体循环通过冷凝器。 这可包括不控制热水温度。3.带有辅助热注入的水-水热泵与带有部分热回收模式的冷却相同，除了调整风扇20的工作(容量)以保持从冷凝器离开的热二次流体(例如，水)的温度恒定。4.带有完全热回收的水-水热泵与带有部分热回收模式的冷却相同，但是控制 (“户外”)热交换器18中的制冷剂压力。这可用于最小化传递到热交换器18或从热交换器18中传递出的热量，同时保持两相流(two-phase flow)通过热交换器。所述控制阀系 34的位置可被控制为保持热交换器的制冷剂温度接近周围空气温度。控制阀系36的位置保持来自蒸发器的恒定过热量。(当对于管内蒸发过热量控制是优选的时，则对于蒸发器 14中的壳侧蒸发，基于蒸发器液体水平或者甚至是固定孔口设置的控制是优选的。)这种方法防止热交换器18注满制冷剂液体，而注满可能会导致出现低抽吸压力和其他运行问题。5.带有辅助(“户外”)热源热交换器的水-水热泵与下面讨论的仅加热模式相同，除了二次流体(例如，盐水)流过蒸发器。这种情况可伴随控制阀系和/或二次流体流控制蒸发器的冷却容量。6.仅加热(空气-水热泵)热交换器18作为蒸发器工作。风扇20正常情况下全速工作，没有二次流体流过蒸发器。压缩机容量基于二次流体流观(例如，热水)的温度。 应注意，该模式可将蒸发器的液体侧暴露于冰点以下的温度，因此如果需要该工作模式，可优选使用乙二醇溶液或其他防冻溶液。如果不需要该工作模式，在具有合适控制来保护防止出现冰冻条件的情况下，可以使用水。7.除霜热交换器18作为冷凝器工作，风扇20关掉。二次流体(例如，盐水)循环通过蒸发器。该模式加热所述热交换器18的盘管，以融化任何积聚的冰和霜。 用作图1中的控制阀系34和36的阀的一个可能类型是电机致动的球阀。所述阀系可足够大，以在制冷剂流处于蒸汽相时，提供可接受的低压降。同时，所述阀系能够在低制冷剂流条件下作为膨胀阀保持良好的控制。 在图3中示出了用于处理控制阀系的功能的另一替代方案。在示出的替代方案中，旁通阀58与膨胀阀60——诸如电膨胀阀——并联联接在制冷剂通路中。所述旁通阀58 可以是电机致动的球阀。另一选择是电磁阀、或其他能够以最小压降处理大流量的制冷剂蒸汽的阀。类似的布置设置在离开所述热交换器18的制冷剂路径中，如关于旁通阀62和膨胀阀64示出的。在相应的旁通阀58或62关闭时，膨胀阀60和64将正常工作。一个可能的例外是两相流进入膨胀阀60或64，但所述阀并不具有足够容量来处理所述流。在这样的情况下，所述旁通阀可部分打开以提供额外阀容量，但是所述膨胀阀仍用于对制冷剂流进行微控制。如果需要这一工作模式，优选电机致动的球阀或具有调节流量的能力的其他阀。使用多级电磁阀是获得容量控制的步骤的另一替代方案。图4示出了使制冷剂流体转向通过所述(“户外”)热交换器18的另一替代实施方案。应注意，附图中的实心箭头指的是处于“冷凝器模式”的流(即，当热交换器18作为冷凝器工作时)，而虚线箭头指的是处于“蒸发器模式”的流(即，当热交换器18作为蒸发器工作时)。当热交换器18作为蒸发器工作时，制冷剂流过膨胀阀60、流过制冷剂分配器 66、流过热交换器中的并联的制冷剂管或管组68，然后流过旁通阀62到达蒸发器14。所述分配器用作流量限制装置，以保证盘管中良好的制冷剂分配。当热交换器18作为冷凝器工作时，阀60和旁通阀62关闭。制冷剂流过旁通阀58、流过热交换器管68和分配器66，到达膨胀阀64，所述膨胀阀将液体制冷剂供入蒸发器14中。这样的配置确保液体制冷剂一直流过流量分配器66，这允许在蒸发器模式下性能提高，以及在冷凝器模式下不会有压降损失。图5示出了另一个替代实施方案，其中在冷凝器模式中，制冷剂以串流流过热交换器18，但是在蒸发器模式中，制冷剂以并流流过热交换器18。在冷凝器模式中，制冷剂流过旁通阀58、冷凝器管68、然后流过膨胀阀64。在蒸发器模式中，制冷剂流过膨胀阀60以及相关联的分配器66，到达一个通过热交换器的大约中间的位置。大约一半(或一个适当部分)的制冷剂流过所述管68，并流过旁通阀62。另一半在一个与冷凝器流相反的方向上通过所述管68，并通过另一个旁通阀70离开。图5中的配置具有多个优点1.冷凝器模式中的高速度在冷凝器模式中，制冷剂能够以相对高的速度流动， 这可提供良好的热传递。2.蒸发器模式中的低压降并流使可用的流动面积加倍，以及使流动路径的有效长度减半，这使得蒸发器模式中的压降最小化。3.共同的旁通阀在蒸发器模式中，两个旁通阀处理所述流动，而在冷凝器模式中，仅需要一个阀。由于一般的冷凝器制冷剂密度是蒸发器条件下的密度的大致两倍，因此这一设置利用一个共同的阀尺寸保持压降处于合理值。当然，其他设置可使用两个并联的旁通阀来限制压降，但是它们缺乏其他优点。4.蒸发器模式中的分配器所述分配器确保在蒸发器模式中良好的制冷剂分配。5.冷凝器模式中旁通的分配器在冷凝器模式中，制冷剂流可绕过所述分配器， 这消除了任何压降问题。对于该配置的部件和细节存在许多不同的替代方案。例如，所述冷凝器可以是一个铜焊板热交换器、具有壳侧冷凝的壳-和-管热交换器、或者具有管侧冷凝的壳-和-管热交换器。另一替代方案是空气冷却的冷凝器盘管，其可布置在向建筑物供应加热空气的管道系统中。在任何情况下，当户外盘管在冷凝器模式中工作时，合意的是选择具有相对的低制冷剂侧压降的冷凝器，以改善系统的性能。为此，优选的液体冷却冷凝器是具有壳侧冷CN 102549356 A凝的壳-和-管设计。如果使用水冷式过冷器，则其优选与处于所述阀的上游侧的膨胀阀60位于相同的管线中。该位置有效地消除了流过旁通阀58的制冷剂的压降，同时允许在膨胀阀60的工作时制冷剂高速通过所述过冷器。过冷器的优选类型是铜焊板热交换器，其接收进入冷凝器的一部分水。在具有多个水通路的冷凝器的情况下，来自过冷器的加热水优选被返回流过冷凝器的第二或随后的通路。或者，加热的水可与离开冷凝器的水结合，但是优选在温度传感器42的足够远的上游，以允许准确测量混合水的温度。尽管过冷器增加了成本和复杂性，但是它们能够提高系统效率和容量，因此视具体应用可包括过冷器。此外，尽管图1中出现的是单个冷凝器，但多个冷凝器也是一种选择。如果使用多个冷凝器，优选的流配置是串流，以防止在具有低制冷剂流量的冷凝器中出现制冷剂液体或油的不希望的积聚。对于多个冷凝器，控制空气或水的流量可以是限制热量排出的优选方式。另一种替代方案是包括一个减温器。所述减温器优选位于压缩机和冷凝器之间的排放管线中。减温器通常利用从过热的制冷剂蒸汽中提取的热能将相对少量的水加热至高温，诸如用于提供家庭用热水。减温器的优选设计类似于在现有技术的空气冷却式冷却器应用中使用的减温器。类似地，对于蒸发器具有许多不同的选择。为了简单处理回油，可以优选DX蒸发器。其他替代方案包括降膜蒸发器或满液式蒸发器。对于冷凝器，重要的是限制通过蒸发器的压降，以防止过度性能损失，尤其在空气-水热泵模式下。当优选配置冷却水或其他液体时，还可使用合适的蒸发器直接冷却空气或气体。此外，对于冷凝器，可使用多个蒸发器。 目前设想的配置是串联制冷剂流，其中带有对各个热交换器中的空气或水的控制。“户外”热交换器18的设计应同时考虑蒸发器和冷凝器的工作。与换向的热泵相比，制冷剂流总是以相同方向通过冷凝器12和蒸发器14，这允许对于盘管的两种工作模式都能够进行逆流或反向交叉流设计。目前设想的热交换器18优选是常规的圆管的板-翅片设计。盘管中的翅片应被选择以实现可接受的冷凝水的排放。所述翅片还应能够处理霜冻积聚，而不会有过多问题。另一考虑是制冷剂管理。控制阀、风扇、泵等的理想工作应足以确保在每一个工作的热交换器中具有足够的制冷剂，但不会在任何位置过度积聚制冷剂。然而，在某些系统中，可能有必要增加液体接收器或收集器，以在不同工作条件下保持最佳量的制冷剂处于循环中。例如，如果在户外盘管作为冷凝器工作时系统中存在过量制冷剂，期望的是在户外盘管的出口附近放置一个接收器。另一方面，如果在加热模式中存在过量制冷剂，期望的是在冷凝器或可选的过冷器的出口上放置一个接收器。位于吸入管线上的收集器还可用于保护压缩机，以免在一些情况下出现过量的制冷剂液体。接收器和/或收集器的选择对于系统的最佳性能和可靠性会是重要的，但是不改变系统的基本功能。热交换器18的制冷剂盘管的压降可以是一个重要的考虑因素。设计目标可以是保持低压降以实现蒸发器模式中的良好性能，同时保持在冷凝器模式中的可接受的性能。此外，可使用液体-制冷剂的热交换器或直接接触的接地环路，来代替对于周围空气开放的户外热交换器。在液体-制冷剂的热交换器的情况下，液体流(诸如水或盐水) 可按照与上文所述的户外盘管的空气流类似的方式被调节。所述液体然后可流过接地环路、干燥塔、或湿冷却塔。在湿冷却塔或干冷却塔的情况下，合意的是控制塔风扇速度或空气流，以降低能量消耗以及在不同工作模式下提供更好控制。在直接接触的接地环路的情况下，工作模式稍微受限，因为无法控制在热交换器的地侧的热传递。存在许多使用与此处所述和本发明设想的发明构思相同的其他配置。例如，合意的是包括一个电或燃气的锅炉，作为具有热泵的封装件的一部分。还可包括冷水泵和热水泵以简化安装。尽管上述分析针对单制冷剂环路，但其中许多适用于具有多制冷剂环路的热泵。 通常，每个制冷剂环路的工作模式都仍是可用的，但是在相同单元中以不同模式运行制冷剂环路也会是有利的。例如，在其中建筑物同时需要少量加热和大量冷却容量的情况下，如果仅有一个制冷剂环路，热泵应运行在模式3 (带有辅助排热至热交换器18的水-水热泵)。如果存在两个制冷剂环路，合意的是使一个制冷剂环路运行在模式4 (带有完全热回收的水-水热泵)，以处理完全加热要求。同时，另一个制冷剂环路运行在模式1 (仅冷却)，以供应其余的冷却需求。这种方法的优点在于，用于模式1的冷凝温度可远小于模式3或4要求的温度，这有利于整体提高系统的能量效率。类似地，合意的是使一个环路运行在模式6 (仅加热)，另一个运行在模式4 (带有完全热回收的水-水热泵)，以代替使两个环路都运行在模式5 (带有来自户外盘管的辅助热源的水-水热泵)。另一问题是在部分负荷条件下对于多个制冷剂回路的压缩机负荷。对于分级涡旋式压缩机、可变速的螺杆式压缩机，或者具有高效的部分负荷工作的其他压缩机，合意的是使每一个回路在部分负荷下运行，而不是使一个回路在较高负荷下运行。需要进行测试和分析以形成最佳控制，从而使能量效率最大化。图6示出对于本发明的不同工作模式的示意图72，并且示出了相对于常规系统的优点。水平轴线74是冷却容量，竖直轴线76是加热容量。模式1 (仅冷却)是水平轴线上的线82，因为在该模式中没有可用的加热。常规的空气冷却的冷却器可仅沿着这条线工作。 相比较，本发明可在该矩形所示的整个条件范围下工作。模式6(仅加热)是竖直轴线上的线84。换向的空气-水热泵除了可沿着模式1的线运行，还可沿着线84运行，但是它不能同时提供加热和冷却，因此它不能在示意图的其他条件下运行。模式4 (带有完全热回收的水-水热泵)是对角线86。常规的专用水-水热泵沿着这条线工作。模式2 (带有部分热回收的冷却)对于具有热回收热交换器的常规空气冷却的冷却器是可用的。这个类型的设备可同时提供加热和冷却，如该图的右下角的三角形78所示，但存在一些限制。完全热回收不是在所有环境条件下都可用。另外，可用的加热的水温度受到冷却器中可用的冷凝条件的限制。本发明结合了常规热泵和热回收设备中可用的所有工作模式，以及额外的两个附加工作模式，从而极大提高工作范围。模式3允许本发明以受控的加热的水温度同时提供加热的水和冷却。模式5允许本发明在使用热交换器18作为辅助热源时，提供同时的加热和冷却，如该图的区域80所示。这样的分析清楚示出了本发明的改进的多功能性，这实现了节能。本发明的一个额外有益之处在于相对低的成本。其基于常规的空气冷却的冷却器。附加的水冷式冷凝器和控制阀仅是总装置成本的一小部分。与专用的水-水热泵不同，本发明可将热量排放到周围空气中，而不需要任何附加设备，这降低了安装成本。一个附加的有益之处在于，在温暖的气候下，可降低或省去用于加热锅炉的成本，因为该功能包括在本系统中。另一个优势在于安装简单。本发明有效地提供了一个加热和冷却设施，而不需要大的设备室、冷却塔等。对于加热和冷却功能的控制集成在封装件中，这进一步降低了对顾客而言的复杂度。与常规的换向热泵相比，本发明具有许多涉及控制阀的优点。所述换向热泵需要换向阀，其通常是四通阀。或者，可使用两个三通阀、或四个二通阀来实现换向阀功能。无论如何，这样的换向阀必须能够处理在加热和冷却模式中的全部吸入流体积，这会形成大的性能损失或成本损失。相比较，本发明使用两个或三个二通阀，其中一个能够只监视排出的气体体积。在所有正常的工作模式中，所述阀中的至少一个关闭或用作膨胀阀，这有效地消除了由于通过阀的制冷剂压降形成的任何性能损失。例如，在冷却模式中，仅通过图4或5中的旁通阀 58的高侧压降影响了性能。相比较，换向热泵具有与通过压缩机的吸入侧的四通阀的大的压降相关联的附加损失。本发明的一个额外优点在于消除了吸入气流和排放气流之间的热传递，这在常规的换向阀中有时是个问题。因此，本发明降低了流动要求，减小了控制阀系的性能损失，这使阀成本降低和/或改进了系统性能。简而言之，优点包括非常多功能的工作；高能效；低安装成本；对于顾客而言的简便性；降低的阀成本和压降。尽管仅示出和描述了本发明的某些特征和实施方案，但本领域技术人员将想到许多改型和变化(例如，尺寸变化、维度、结构、形状、各种元件的比例、参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、使用的材料、取向等)，而不实质偏离权利要求中所述的主题的新颖教导和优点。根据替代实施方案，可改变或重新排列任意过程或方法步骤的次序或顺序。因此， 应理解，所附的权利要求意在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这样的改型和变化。此夕卜，为了提供对示例实施方案的准确描述，可能未说明实际应用的所有特征(即，那些与实践本发明的目前设想的最佳方式无关的、或者与使所要求的本发明能够实现无关的)。应理解，在任何这样的实际应用的研发中，如在任何工程或设计项目中，可作出许多具体的实施决定。这样的研发努力会是复杂且耗时的，但本领域技术人员在本公开文本的教导下，不需要过度实验，这将变成不过是设计、制造和生产的例行任务。
权利要求
1.一种加热和冷却系统，包括一个蒸发器，其被配置为使制冷剂蒸发以冷却第一流体流；一个压缩机，其联接至所述蒸发器，被配置为压缩已蒸发的制冷剂；一个冷凝器，其被配置为冷凝由所述压缩机压缩的制冷剂，以加热第二流体流；一个热交换器，其被配置为接收来自所述冷凝器的制冷剂，以选择性地从所述制冷剂中提取热量或者增加热量至所述制冷剂，以及将所述制冷剂传送至所述蒸发器；在所述冷凝器和所述热交换器之间的第一控制阀系，其被配置为在系统的第一工作模式中调整从所述冷凝器到所述热交换器的制冷剂的流量；以及在所述冷凝器和所述热交换器之间的第二控制阀系，其被配置为在系统的第二工作模式中调整从所述热交换器到所述蒸发器的制冷剂的流量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中视工作模式而定，所述热交换器被配置为用作蒸发器或者用作冷凝器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中在所述第一工作模式和所述第二工作模式中，所述制冷剂沿着相同方向流过所述蒸发器、所述压缩机以及所述冷凝器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一控制阀系被配置为在所述第一工作模式中用作膨胀阀，以及所述第二控制阀系被配置为在所述第二工作模式中用作膨胀阀。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一控制阀系和所述第二控制阀系中的每一个都包括一个二通阀，所述二通阀被配置为可受控地打开，以在所述制冷剂中形成期望的压降。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一控制阀系包括一个旁通阀以及一个与所述旁通阀并联的电可控的膨胀阀。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述第二控制阀系包括一个旁通阀以及一个与所述旁通阀并联的电可控的膨胀阀。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述第二控制阀系的所述旁通阀流体联接至所述热交换器与所述第一控制阀系的电可控的膨胀阀相对的流体流侧。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一控制阀系和所述第二控制阀系的所述旁通阀和所述电可控的膨胀阀是可控的，以在所述第一工作模式和所述第二工作模式中改变所述制冷剂流过所述热交换器的方向。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一流体流和第二流体流包括水和/或盐水。
11.根据权利要求1所述的系统，包括控制电路，所述控制电路联接至所述第一控制阀系和所述第二控制阀系，并被配置为调整所述第一控制阀系和所述第二控制阀系的打开和关闭，以使系统工作在所述第一模式和所述第二模式中。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一控制模式包括打开所述第一控制阀系以使制冷剂压降最小化，同时使第二控制阀系用作膨胀阀以提供大的压降，所述第二控制模式包括使第一控制阀系用作膨胀阀以提供大的压降，同时打开所述第二控制阀系以使压降最小化，由此所述热交换器在所述第一工作模式中用作冷凝器，并在所述第二工作模式中用作蒸发器。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一工作模式和所述第二工作模式选自如下组的模式仅冷却模式、带有部分热回收的冷却模式、带有辅助排热的热泵模式、带有完全热回收的热泵模式、带有源自热交换器的辅助热的热泵模式、仅加热模式、以及除霜模式。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述系统被配置为在所述组中的两个以上的模式下工作。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述模式中的一个是仅冷却模式，在该仅冷却模式中，所述热交换器作为冷凝器工作，没有第二流体流通过所述冷凝器。
16.根据权利要求15所述的系统，其中在所述仅冷却模式中，压缩机容量基于所述第一流体流的温度来控制。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述系统包括一个风扇，用于推动空气经过所述热交换器，所述风扇被控制以最小化能量消耗，同时保持通过所述第二控制阀系的足够压差。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述模式中的一个是带有部分热回收的冷却模式，在该带有部分热回收的冷却模式中，所述热交换器作为冷凝器工作，第二流体流通过所述冷凝器。
19.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括一个风扇，用于推动空气经过所述热交换器，并且所述模式中的一个是带有辅助排热的水-水热泵模式，以及调整所述风扇的工作以保持来自冷凝器中的第二流体流的温度处于期望的水平。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述模式包括完全热回收，其中控制所述热交换器中的制冷剂的压力。
21.根据权利要求20所述的系统，其中控制所述第一控制阀系，以保持所述热交换器中的制冷剂的温度接近周围空气温度。
22.根据权利要求21所述的系统，其中控制所述第二控制阀系，以保持来自所述蒸发器的总体恒定的过热量。
23.根据权利要求1所述的系统，其中所述模式中的一个包括仅加热模式，没有第二流体流通过所述冷凝器。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述系统包括一个风扇，用于推动空气经过所述热交换器，且所述风扇基本以全容量工作。
25.根据权利要求M所述的系统，其中基于所述第二流体流的温度来控制所述压缩机的容量。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述模式包括所述第一流体流通过所述蒸发ο
27.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括一个风扇，用于推动空气流经过所述热交换器，以及所述模式包括除霜模式，在该除霜模式中，所述风扇被关掉，第一流体流通过所述蒸发器以融化所述热交换器中积聚的冰和霜。
28.一种加热和冷却系统，包括一个蒸发器，其被配置为使制冷剂蒸发以将水或盐水流冷却；一个压缩机，其联接至所述蒸发器，被配置为压缩已蒸发的制冷剂；一个冷凝器，其被配置为冷凝由所述压缩机压缩的制冷剂，以加热水或盐水；一个外部的热交换器，其被配置为接收来自所述冷凝器的制冷剂，以选择性地从所述制冷剂中提取热量或者增加热量至所述制冷剂，以及将所述制冷剂传送至所述蒸发器；在所述冷凝器和所述热交换器之间的第一控制阀系，其被配置为在系统的第一工作模式中调整从所述冷凝器到所述热交换器的制冷剂的流量；在所述冷凝器和所述热交换器之间的第二控制阀系，其被配置为在系统的第二工作模式中调整从所述热交换器到所述蒸发器的制冷剂的流量；以及控制电路，其联接至所述第一控制阀系和所述第二控制阀系，被配置为调整所述第一控制阀系和第二控制阀系的打开和关闭，以使系统工作在至少所述第一模式和所述第二模式中。
29.根据权利要求观所述的系统，其中所述控制电路被配置为调整所述第一控制阀系和所述第二控制阀系，以使系统工作在如下模式的至少两个模式中仅冷却模式、带有部分热回收的冷却模式、带有辅助排热的热泵模式、带有完全热回收的热泵模式、带有源自热交换器的辅助热的热泵模式、仅加热模式、以及除霜模式。
30.根据权利要求四所述的系统，其中在所述第一工作模式和所述第二工作模式中， 所述制冷剂沿着相同方向流过所述蒸发器、所述压缩机以及所述冷凝器。
31.根据权利要求四所述的系统，其中所述第一控制阀系被配置为在所述第一工作模式中用作膨胀阀，以及所述第二控制阀系被配置为在所述第二工作模式中用作膨胀阀。
32.一种加热和冷却系统，包括一个蒸发器，其被配置为使制冷剂蒸发以将水或盐水流冷却； 一个压缩机，其联接至所述蒸发器，被配置为压缩已蒸发的制冷剂； 一个冷凝器，其被配置为冷凝由所述压缩机压缩的制冷剂，以加热水或盐水； 一个外部的热交换器，其被配置为接收来自所述冷凝器的制冷剂，以选择性地从所述制冷剂中提取热量或者增加热量至所述制冷剂，以及将所述制冷剂传送至所述蒸发器；在所述冷凝器和所述热交换器之间的第一控制阀系，其被配置为在系统的第一工作模式中调整从所述冷凝器到所述热交换器的制冷剂的流量；在所述冷凝器和所述热交换器之间的第二控制阀系，其被配置为在系统的第二工作模式中调整从所述热交换器到所述蒸发器的制冷剂的流量；以及控制电路，其联接至所述第一控制阀系和所述第二控制阀系，被配置为调整所述第一控制阀系和第二控制阀系的打开和关闭，以使系统工作在至少所述第一模式和所述第二模式中；其中在所述第一工作模式和所述第二工作模式中，所述制冷剂沿着相同方向流过所述蒸发器、所述压缩机以及所述冷凝器。
33.根据权利要求32所述的系统，其中所述控制电路被配置为调整所述第一控制阀系和所述第二控制阀系，以使所述系统运行在如下模式的至少两个模式中仅冷却模式、带有部分热回收的冷却模式、带有辅助排热的热泵模式、带有完全热回收的热泵模式、带有源自热交换器的辅助热的热泵模式、仅加热模式、以及除霜模式。
全文摘要
一种加热和冷却系统，包括一个蒸发器(14)、一个压缩机(16)、以及一个冷凝器(12)。一个热交换器(18)——其可以是户外的热交换器——被配置为接收来自所述冷凝器的制冷剂，以选择性地从所述制冷剂中提取热量或者增加热量至所述制冷剂，以及将所述制冷剂传送至所述蒸发器。布置在所述冷凝器和所述热交换器之间的第一控制阀系(34)被配置为在第一工作模式中调整从所述冷凝器到所述热交换器的制冷剂的流量。布置在热交换器和所述蒸发器之间的第二控制阀系(36)被配置为在第二工作模式中调整从所述热交换器到所述蒸发器的制冷剂的流量。通过适当控制所述阀系和其他系统部件，可使所述系统在多种模式中工作。
文档编号F25B41/04GK102549356SQ201080035443
公开日2012年7月4日 申请日期2010年8月12日 优先权日2009年8月17日
发明者D·A·克斯特, I·M·卡斯普, S·库兰卡拉, W·L·卡普卡 申请人:江森自控科技公司