具有多种运行模式的热泵系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 为了所有目的，本申请主张2014年4月4日提出的美国临时申请No. 61/975,403 的优先权，其整体通过引用合并于此。
技术领域
[0003] 本发明主要涉及加热、通风、空气调节和制冷（HVAC&R)系统，尤其涉及具有多种 运行模式的热栗系统。
【背景技术】
[0004] HVAC&R系统的相关申请有很多。例如，民用、轻型商用、商用和工业系统被用于控 制住宅和建筑内的温度和空气质量。通常，这些系统通过执行流体被加热和被冷却的热量 循环来运行，从而为受控空间，一般是住宅或建筑的内部提供理想温度。通常，HVAC&R系统 通过在流体蒸发以吸热的热交换器和流体冷凝以放热的热交换器之间的闭合回路内循环 诸如制冷剂的流体来运行。闭合回路内流动的流体通常被构想为在系统的正常运行温度 和压力下经历相变，从而借助流体蒸发的潜热可以交换大量的热量。某些HVAC&R系统被设 计用于特殊场合，如单加热或单冷却。其它系统，如水-水热栗和逆向空气源热栗能够在 多种模式下运行，以提供理想的加热、冷却或其它应用。现在意识到的是，需要一种改进的 HVAC&R系统以提供多种加热、冷却、冷冻和热栗操作。
【发明内容】
[0005] 本发明涉及一种制冷系统，包括：压缩机管路；冷凝器管路，其通过压缩机管路的 排放端处的第一接合点连接到压缩机管路；和排放管路，其通过第一接合点连接到压缩机 管路。该制冷系统还包括：蒸发器管路，其通过压缩机管路的抽吸端处的第二接合点连接 到压缩机管路；抽吸管路，其通过第二接合点连接到压缩机管路；和盘管管路。排放管路和 抽吸管路通过盘管管路的第一端处的第三接合点连接到盘管管路，并且冷凝器管路和蒸 发器管路通过盘管管路的与第一端相反的第二端处的第四接合点连接到盘管管路。此外， 该制冷系统包括：蒸发器，其设置在蒸发器管路上且构造为能蒸发制冷剂以冷却第一流体 流；压缩机系统，其设置在压缩机管路上且构造为能压缩蒸发后的制冷剂；冷凝器，其设置 在冷凝器管路上且构造为能冷凝被压缩机系统压缩的制冷剂以加热第二流体流；和室外盘 管，其设置在盘管管路上且构造为能接收来自冷凝器或来自排放管路的制冷剂，以便选择 性地向制冷剂传递热量或从制冷剂传递热量、以及选择性地将制冷剂传递到蒸发器或抽吸 管路。而且，制冷系统包括：第一阀，其设置在排放管路上；第二阀，其设置在抽吸管路上； 第一膨胀阀，其在冷凝器管路上设置在冷凝器与第四接合点之间；第二膨胀阀，其在盘管管 路上设置在盘管与第四接合点之间；和第三膨胀阀，其在蒸发器管路上设置在第四接合点 与蒸发器之间。
[0006] 本发明还涉及一种制冷系统，包括：压缩机管路；冷凝器管路，其连接到压缩机管 路的排放端；排放管路，其连接到压缩机管路的排放端；蒸发器管路，其连接到压缩机管路 的抽吸端；和抽吸管路，其连接到压缩机管路的抽吸端。该制冷系统还包括：盘管管路，其 连接到排放管路、抽吸管路、冷凝器管路和蒸发器管路。冷凝器管路和蒸发器管路通过盘管 管路的第一端处的第一接合点连接到盘管管路。此外，该制冷系统包括：蒸发器，其设置在 蒸发器管路上且构造为能蒸发制冷剂以冷却第一流体流；压缩机系统，其设置在压缩机管 路上且构造为能压缩蒸发后的制冷剂；和冷凝器，其设置在冷凝器管路上且构造为能冷凝 被压缩机系统压缩的制冷剂以加热第二流体流。而且，该制冷系统包括：室外盘管，其设置 在盘管管路上且构造为能接收来自冷凝器或来自排放管路的制冷剂，以便选择性地向制冷 剂传递热量或从制冷剂传递热量、以及选择性地将制冷剂传递到蒸发器或抽吸管路。该制 冷系统还包括：第一阀，其设置在排放管路上且构造为能使得或防止来自压缩机系统的压 缩后的制冷剂流向盘管；和第二阀，其设置在抽吸管路上且构造为能使得或防止来自盘管 的制冷剂流向压缩机系统。此外，该制冷系统包括：第一膨胀阀，其在冷凝器管路上设置在 冷凝器与第一接合点之间且构造为能使得或防止制冷剂流经冷凝器；第二膨胀阀，其在盘 管管路上设置在盘管与第一接合点之间且构造为能使得或防止制冷剂流经盘管；和第三膨 胀阀，其在蒸发器管路上设置在第一接合点与蒸发器之间且构造为能使得或防止制冷剂流 经蒸发器。
[0007] 本实施例还涉及一种在制冷系统内循环制冷剂的方法。该制冷系统包括：蒸发器， 其设置在蒸发器管路上且构造为能蒸发制冷剂，以冷却由蒸发器栗引向冷却负荷的第一流 体流；压缩机系统，其设置在压缩机管路上且构造为能压缩蒸发后的制冷剂；冷凝器，其设 置在冷凝器管路上且构造为能冷凝被压缩机系统压缩的制冷剂，以加热由冷凝器栗引向加 热负荷的第二流体流；和室外盘管，其设置在盘管管路上且构造为接收来自冷凝器或来自 压缩机系统的制冷剂，以便借助由风扇吹过盘管的环境空气选择性地向制冷剂传递热量或 从制冷剂传递热量、以及将制冷剂传递到蒸发器或压缩机系统。该制冷系统还包括：第一 阀，其设置在排放管路上且构造为能使得或防止来自压缩机系统的压缩后的制冷剂流向盘 管；第二阀，其设置在抽吸管路上且构造为能使得或防止来自盘管的制冷剂流向压缩机系 统；第一膨胀阀，其在冷凝器管路上设置在冷凝器的出口侧；第二膨胀阀，其设置在盘管管 路上且构造为能使得或防止制冷剂流经盘管；和第三膨胀阀，其在蒸发器管路上设置在蒸 发器的入口侧。该方法还包括：至少部分基于加热设定值、冷却设定值、第一流体流的测量 温度、第二流体流的测量温度和环境空气的测量温度由控制器确定热栗的运行模式。另外， 该方法包括：基于确定的运行模式由控制器控制第一阀、第二阀、第一膨胀阀、第二膨胀阀、 第三膨胀阀、风扇、冷凝器栗和蒸发器栗。控制器构造为当冷却设定值小于第一流体流的测 量温度且加热设定值小于或等于第二流体流的测量温度时，确定运行模式为"单冷却"。控 制器构造为当冷却设定值比第一流体流的测量温度小大约临界温度量且加热设定值比第 二流体流的测量温度大大约临界温度量时，确定运行模式为"100%热回收"。控制器构造为 当冷却设定值比第一流体流的测量温度小第一温度量且加热设定值比第二流体流的测量 温度大小于第一温度量的第二温度量时，确定运行模式为"冷却加热回收"。控制器构造为 当冷却设定值大于或等于第一流体流的测量温度且加热设定值大于第二流体流的测量温 度时，确定运行模式为"单加热"。控制器构造为当环境空气的测量温度小于临界室外温度 时，确定运行模式为"除霜"。控制器构造为当冷却设定值比第一流体流的测量温度小第一 温度量且加热设定值比第二流体流的测量温度大大于第一温度量的第二温度量时，确定运 行模式为"加热加有限冷却"。
【附图说明】
[0008] 图1是根据本技术的一个实施例的商用加热、通风、空气调节和制冷（HVAC&R)系 统的透视剖视图，其包括在多个模式下运行的热栗；
[0009] 图2是根据本技术的一个实施例的构造为在多个模式下运行的热栗系统的概略 示图；
[0010] 图3是根据本技术的一个实施例的构造为在多个模式下运行的热栗系统的概略 示图；
[0011] 图4是根据本技术的一个实施例的构造为在多个模式下运行的热栗系统的概略 示图；
[0012] 图5是根据本技术的一个实施例的构造为在多个模式下运行的热栗系统的概略 示图；
[0013] 图6是根据本技术的一个实施例的不反向性盘管的液体分配系统的概略示图；
[0014] 图7是根据本技术的一个实施例的用在图3-5的热栗系统中的单回路冷凝器的概 略示图；
[0015] 图8是根据本技术的一个实施例的用在构造为在多个模式下运行的热栗系统中 的双回路冷凝器的概略示图；
[0016] 图9是根据本技术的一个实施例的用于向图2-5的热栗系统的冷凝器和蒸发器供 应液体的液体管路的概略示图；
[0017] 图10是根据本技术的一个实施例的用于为图3和5的热栗系统提供热能储存的 液体管路的概略示图；
[0018] 图11是根据本技术的一个实施例的构造为在多个模式下运行的热栗系统的概略 示图；
[0019] 图12是根据本技术的一个实施例的构造为在多个模式下运行的热栗系统的部 分的概略示图。 图13是图示了运行热栗的方法的流程图，包括基于测量的参数提供热栗的期望控制。 图14是图示了确定热栗的运行模式的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020] 本公开涉及加热、通风、空气调节和制冷（HVAC&R)系统，其构造为能在多个运行 模式下运行，以满足需要的加热和冷却需求。更具体地讲，本发明的实施例涉及热栗，其使 用压缩机系统、冷凝器、蒸发器和室外盘管，以应对加热、冷却、热回收、除霜和与热栗有关 的其它要求。根据制热和制冷需求，环境空气温度和其它因素，热栗可在"单冷却"模式， "100%热回收"模式，"冷却加热回收"模式，"单加热"模式，"除霜"模式，和"加热加有限冷 却"模式下运行。为了便利这些不同的运行模式，热栗目前的实施例可包括多个可控制的特 征，例如，阀，膨胀装置，盘管风扇，冷凝器栗和蒸发器栗。热栗可包括控制器，其构造为能确 定热栗的运行模式，并控制阀，膨胀装置，栗和风扇，以使得热栗运行在所需模式下。在一些 实施例中，热栗可设计成在不同运行模式下，便于制冷剂沿不同方向流经室外盘管。在其它 实施例中，在所有运行模式下，制冷剂可沿相同的方向流经盘管。热栗的一些实施例可包括 过冷器，其为栗送经过过冷器的流体提供附加的辅助加热。这些热栗装置使得单个HVAC&R 单元能够用相对简单和可靠的控制，负担一定范围的环境温度下、一定范围内的同时加热 和冷却负荷。
[0021] 图1描绘了制冷系统的示例性应用。通常，这种系统可以应用到一系列环境中，包 括HVAC&R领域内和该领域外的。制冷系统可通过蒸汽-压缩制冷，吸收式制冷或热电冷却 为数据中心，电器设备，冷冻机，冷却器，或其它环境提供冷却。然而，在目前能够想到的应 用中，制冷系统可被用在民用，商用，轻工业，工业和任何其它应用场合中，用来加热或冷却 诸如住宅，建筑，结构等的空间或场地。此外，制冷系统可用在适合的工业场合中，用作各种 流体的基础制冷和加热。
[0022] 图1图示了一种示例性的应用，在这种场合为用于可采用热交换器的建筑环境管 理的HVAC&R系统。建筑10被包含冷却机12和锅炉14的系统冷却。如所示的，冷却机12 设置在建筑10的屋顶上，锅炉14位于地下室；然而，冷却机12和锅炉14可以位于邻近建 筑的其它设备间或区域中。冷却机12是空冷或水冷设备，其执行制冷循环，以冷却水（或 其它一些传热流体）。冷却机12安置在包括制冷回路和诸如栗、阀和管路的相关装置的单 个结构中。例如，冷却机12可以是单个成套屋顶单元。锅炉14是水（或一些其它传热流 体）在其中被加热的密封容器。来自冷却机12和锅炉14的水通过管道16循环经过建筑 10。管道16通到位于每个楼层和建筑10的各个部分内的空气处理机18。
[0023] 空气处理机18连接到管道系统20,管道系统20适于在空气处理机18之间分配空 气，且可以从室外入口（未显示）接收空气。空气处理机18包括循环来自冷却机12的冷 水和来自锅炉14的热水以提供热空气或冷空气的热交换器。空气处理机18内的风扇，抽 吸空气，使其流经热交换器，然后将调节后的空气送往建筑10内的各个环境中，例如房间、 寓所或办公室，以将环境维持在指定温度。这里显示的包括恒温器的控制设备22可被用于 设定被调节空气的温度。控制设备22还可用于控制流过和流出空气处理器18的空气流。 当然，系统里还可包括其它设备，例如调节水的流动的控制阀，感测水、空气等的温度和压 力的压力和/或温度传感器或开关。此外，控制设备可包括与其它建筑控制或监控系统成 一体的或独立的计算机系统，甚至是远离建筑的系统。
[0024] 构造为能在多个运行模式下运行的热栗系统
[0025] 图2是具有多个运行模式的热栗30的概略示图。类似于图1的系统，热栗30可 以是通过管道16将被冷却和/被加热的水供应到建筑10的单个单元。如下文将要进一步 讨论的，热栗30可构造为在多个不同模式下运行，以提供所需的冷却、加热和其它应用。例 如，热栗30可通过相同的热栗设备提供冷却，加热，热回收和除霜中的一种或多种。控制器 32可构造为控制热栗30的多个构件，以在不同运行模式之间切换热栗30。
[0026] 热栗30包括使传热流体（例如，制冷剂）循环到热交换器的闭合回路34。制冷剂 可以是吸热和放热的任何流体。例如，制冷剂可以是氢氟碳（HFC)基的R-410A，R-407C或 R-134a，或者可以是二氧化碳（R-744)基或氨（R-717)基或氢氟烯烃（HFO)基的。热交换 器包括构造为能冷凝制冷剂的冷凝器36和构造为能蒸发制冷剂的蒸发器40。根据某些实 施例，冷凝器36可以是具有一个或多个管的壳管式热交换器，蒸发器40可以是壳管式蒸 发器，降膜式蒸发器，满液式蒸发器，或降膜和满液混合式蒸发器。热交换器便于在制冷剂 和诸如冷却水、乙二醇-水溶液、卤水等的冷却流体（或加热流体）之间热传递。借助栗给 予的动力，加热和冷却回路可将加热流体和/或冷却流体循环到图1中显示的管道16。在 某些实施例中，加热流体和冷却流体可分别循环到热负荷38和冷负荷42。这些热和冷负荷 38和42可包括研究实验室，计算机房，办公楼，医院，模塑和挤塑工厂，食品加工厂，工业设 备，机器或需要加热/冷却的任何其它环境或设备。
[0027] 除了这些热交换器，热栗30还包括压缩机系统44和盘管46。典型的压缩机系统 44可以是构造为压缩蒸发后的制冷剂的一个或多个压缩机。在图示的实施例中，盘管46是 借助风扇48在制冷剂和室外环境空气之间传热的室外盘管。风扇48可以在不同速度下运 行（例如，借助可变速电机或通过风扇级组）。当热栗30在不同模式下运行时，制冷剂可沿 不同方向被输送通过盘管46。例如，制冷剂可从压缩机系统44通过闭合回路34的排放管 路50流向盘管46。其它时候，制冷剂可通过闭合回路34的抽吸管路52 (例如，盘管46和 压缩机系统44的抽吸口之间的管道）从盘管46流向压缩机系统44。盘管46构造为接收 来自冷凝器36或排放管路50 (例如，压缩机系统44的排放口和盘管46之间的管道）的制 冷剂，以选择性地向流经的制冷剂传