專利名稱：可變制冷劑流量的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種水源熱泵，尤其是一種制冷劑流量可變的的新型水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源緊缺的問題日益凸現(xiàn)，空調(diào)系統(tǒng)用電已經(jīng)成為造成電力供應(yīng)緊缺的重要因素之一。在此情況下一種節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)—水源熱泵越來越受到用戶的青睞，尤其是在辦公、餐飲、酒店等場合，水源熱泵以其卓越的節(jié)能優(yōu)勢越來越得到廣泛的應(yīng)用，但是傳統(tǒng)的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際使用中，具有很大的局限性，存在以下方面的缺點(diǎn)1.室外機(jī)距離末端設(shè)備太近，室內(nèi)噪聲大。
傳統(tǒng)水源熱泵按其結(jié)構(gòu)型式可分為整體式和分體式，整體式機(jī)組的壓縮機(jī)和蒸發(fā)器安裝在一個殼體內(nèi)；分體式的壓縮機(jī)安裝在室外機(jī)內(nèi)，但室外機(jī)不能距離末端太遠(yuǎn)，這就決定了傳統(tǒng)水源熱泵的室外機(jī)只能安裝在走廊、洗手間等地方，由于距離人居場所太近，室外側(cè)壓縮機(jī)的噪聲會對人居環(huán)境造成很大影響。
2.機(jī)組集成度不高，安裝分散。
傳統(tǒng)水源熱泵系統(tǒng)的每一個房間必需安裝一套機(jī)組，一個壓縮機(jī)或者一個制冷系統(tǒng)對應(yīng)一個房間，無法實(shí)現(xiàn)單一制冷系統(tǒng)集中供冷供熱。
3.工程安裝過于復(fù)雜，成本高。
由于傳統(tǒng)水源熱泵系統(tǒng)的每一個房間必需安裝一套機(jī)組，因此每個房間都必需連接水系統(tǒng)管道和制冷系統(tǒng)管道，對于大型的商用場合，要安裝錯綜復(fù)雜的管道系統(tǒng)，施工相當(dāng)繁瑣，對工程質(zhì)量要求很高，大大增加了工程造價(jià)。
4.壓縮機(jī)多為定速，容量不可調(diào)。
變頻和便容量技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的空調(diào)節(jié)能技術(shù)之一，但是要在傳統(tǒng)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用這種技術(shù)，就必需在每個房間的每個機(jī)組上采用變頻或變?nèi)輭嚎s機(jī)以及相應(yīng)的變頻或變?nèi)菅b置，造價(jià)很高，因此目前水源熱泵一般都為定速系統(tǒng)。
傳統(tǒng)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)安裝示意圖如


圖1所示，每個末端是一個獨(dú)立的制冷系統(tǒng)，即包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流部件等。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述的問題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)約能源、使用可靠的可變制冷劑流量的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。
本實(shí)用新型解決其問題所采用的技術(shù)方案是可變制冷劑流量的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于包括一個可變制冷劑流量的室外主機(jī)組，該室外主機(jī)組上設(shè)有控制制冷劑輸出總量的總閥；一個只需與室外主機(jī)組相連的水循環(huán)系統(tǒng)；
多個末端設(shè)備，所述末端設(shè)備通過冷媒連接管與室外主機(jī)組連接，每個末端設(shè)備分別安裝有流量控制閥；以及控制系統(tǒng)。
本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型的空調(diào)系統(tǒng)是一個制冷劑流量可變系統(tǒng)，可以根據(jù)各房間的負(fù)荷需求情況，確定壓縮機(jī)容量輸出的多少，從而改變制冷劑流量，使制冷或制熱量與負(fù)荷相匹配。與傳統(tǒng)水源熱泵相比較，本實(shí)用新型的中央空調(diào)，具有更高的季節(jié)能效比，更加節(jié)約能源。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
圖1是背景技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的原理框圖；圖3是本實(shí)用新型的室外主機(jī)組與末端設(shè)備的電氣原理圖；圖4是本實(shí)用新型的室外主機(jī)組容量擴(kuò)充的原理框圖；圖5是本實(shí)用新型的系統(tǒng)控制示意簡圖。
具體實(shí)施方式
參照圖2、圖3、圖4和圖5，本實(shí)用新型的可變制冷劑流量的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)很好的解決了傳統(tǒng)水源熱泵的缺點(diǎn)，它主要由以下系統(tǒng)要素構(gòu)成1.一個只需要與室外主機(jī)組相連的水循環(huán)系統(tǒng)本系統(tǒng)只需要一個制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)給多個房間供冷供熱，因此只需要向室外機(jī)提供冷凝水即可，室外機(jī)可以安裝在距離水源較近的地方，不需要繁雜的水循環(huán)管路系統(tǒng)，這樣大大降低了工程施工的難度和成本，該水循環(huán)系統(tǒng)具體包括冷卻塔、膨脹水箱和水泵，所述設(shè)備通過水管與室外主機(jī)組連接。
2.一個可變制冷劑流量的室外主機(jī)組，該室外主機(jī)組上設(shè)有控制制冷劑輸出總量的總閥為實(shí)現(xiàn)單一制冷系統(tǒng)集中供冷供熱，室外主機(jī)組首先要有足夠大的容量和制冷劑流量可變。本實(shí)用新型的室外主機(jī)組可采用數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)、變頻壓縮機(jī)或者多壓縮機(jī)并聯(lián)組成的單元來實(shí)現(xiàn)變流量調(diào)節(jié)，而采用兩個或以上的室外制冷單元組成的室外主機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組容量的擴(kuò)充。另外，該總閥是電子膨脹閥。
3.各個房間不同型式的末端設(shè)備，每個末端設(shè)備分別安裝有流量控制閥本實(shí)用新型最大程度的豐富了末端設(shè)備的型式，安裝方式靈活多樣。各末端設(shè)備可采用不同大小，不同形式，如風(fēng)管式、天花嵌入式、掛墻式，各種柜式(立式，吊式)落地式，明裝或暗裝型。這樣無論任何大小和功能不同的房型，都可以適用。從主機(jī)到最遠(yuǎn)端設(shè)備可達(dá)125米，足以使房間遠(yuǎn)離室外機(jī)，降低壓縮機(jī)噪聲和電磁輻射。本實(shí)用新型的空調(diào)系統(tǒng)可以把一個主機(jī)系統(tǒng)作為子系統(tǒng)把多個子系統(tǒng)并聯(lián)成一個龐大的總系統(tǒng)，任何大型建筑物都能應(yīng)用。如大樓每屋采用一個子系統(tǒng)，而總體設(shè)置一套公共部分，如循環(huán)水，供電等，這樣本實(shí)用新型基本可適用于任何建筑物采用，其中，所述連接末端設(shè)備的流量控制閥為電子膨脹閥。
4.功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)的控制對象包括水循環(huán)系統(tǒng)、室外主機(jī)組、各末端設(shè)備等，各個末端既可以單獨(dú)控制又可以集中控制，同時還可以通過電腦控制簡單方便。
本實(shí)用新型的實(shí)施辦法如下1.制冷劑流量可變的多聯(lián)式制冷系統(tǒng)在一個空調(diào)區(qū)域內(nèi)，各末端設(shè)備不一定全部使用，在使用的各房間，也存在溫度要求不一，室內(nèi)熱負(fù)荷隨白天或夜間，上午或下午，室內(nèi)人數(shù)多少及發(fā)熱設(shè)備器具使用狀況不同，可稱之為需求量，每個房間的需求量和各房間需求量總和，是一個變量。通常情況下，普通空調(diào)的熱負(fù)荷按最大需求選樣和安裝設(shè)備，設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時，基本恒定供給冷/熱量，很難適應(yīng)需求量變化的要示，這就存在一部分能量的多余。另外，當(dāng)大多數(shù)末端設(shè)備不需要工作時，普通中央空調(diào)很難變成一臺小機(jī)器滿足極低量的要求，例如一棟大樓里晚上只有一個辦公室加班或者一個住宅內(nèi)只有1個人在臥室睡覺。這種情況很普遍，普通中央空調(diào)很難合理給出能量，往往能量偏大很多，這樣當(dāng)然很不經(jīng)濟(jì)，也不節(jié)能，浪費(fèi)能源。
本實(shí)用新型中央空調(diào)系統(tǒng)是一個制冷劑流量可變系統(tǒng)，可以根據(jù)各房間的負(fù)荷需求情況，確定壓縮機(jī)容量輸出的多少，從而改變制冷劑流量，使制冷或制熱量與負(fù)荷相匹配。與傳統(tǒng)水源熱泵相比較，本實(shí)用新型的中央空調(diào)，具有更高的季節(jié)能效比，更加節(jié)約能源。
當(dāng)空調(diào)安裝面積較大，單個室外單元冷量(或熱量)無法滿足需求時可以采用模塊組合的辦法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總?cè)萘康臄U(kuò)充，滿足使用要求，即把二到四臺室外機(jī)并聯(lián)，室外機(jī)組之間通過油平衡管(有時還需要?dú)馄胶夤苓B接)，每個模塊單元輸出的壓縮制冷劑匯集到總管后輸送到室內(nèi)末端設(shè)備。
2.流量分配與控制技術(shù)普通的中央空調(diào)末端設(shè)備，在運(yùn)轉(zhuǎn)中基本按照其額定的能量工作，不管房間內(nèi)或控制區(qū)域內(nèi)溫度或熱量的變化。本實(shí)用新型的空調(diào)系統(tǒng)中的末端設(shè)備通過室外容量調(diào)節(jié)和流量分配與控制技術(shù)，可以在其額定能力的20％～120％容量區(qū)間內(nèi)工作，這是一個顯著的區(qū)別。例如裝有3HP能力的一臺設(shè)備，它實(shí)際上可以在0.6-3.6HP范圍內(nèi)變化，實(shí)現(xiàn)精細(xì)的控制。例如在溫度較高時打開空調(diào)，末端設(shè)備即以最大能力輸出冷量，實(shí)現(xiàn)快速降溫；當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時，輸出冷量就會減小到一個與房間負(fù)荷相匹配的水平，從而維持房間溫度基本穩(wěn)定。
本實(shí)用新型的室外主機(jī)組通過總管道將液態(tài)高壓制冷劑輸出，各末端設(shè)備通過支管與總管相連，為實(shí)現(xiàn)對末端制冷劑流量的合理分配以及克服管道阻力帶來的容量衰減，本實(shí)用新型的每個末端設(shè)備都安裝有一個電子膨脹閥，而在主機(jī)設(shè)有總閥來控制總量，電子膨脹閥的開啟度是動態(tài)的，通過各機(jī)的檢測，訊號的傳輸經(jīng)微處理器計(jì)算，隨時指令各閥的開度，不斷地跟蹤，實(shí)現(xiàn)了這一極為復(fù)雜的過程。本實(shí)用新型的控制算法，是基于大量實(shí)驗(yàn)室對系統(tǒng)反復(fù)動態(tài)變化測試，人工調(diào)節(jié)中大量經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的積累作基礎(chǔ)，參照比例積分算法而自主開創(chuàng)的一套算法。速度快，準(zhǔn)確度高，效果十分明顯。應(yīng)屬于“專家程序”。
3.變?nèi)萘炕蛘咦冾l控制技術(shù)本實(shí)用新型的空調(diào)系統(tǒng)，壓縮機(jī)組的能力可以隨意調(diào)節(jié)，可在10％-100％范圍任意無級調(diào)節(jié)，而輸入的功率基本和輸出成正比，也就是大功率輸出消耗功率也大，小功率輸出時消耗功率也小，基本保持能效比恒定。
1>采用變?nèi)萘繅嚎s機(jī)實(shí)現(xiàn)變流量調(diào)節(jié)為了獲得這個結(jié)果，采用數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)，該機(jī)壓縮用一對渦旋盤壓縮汽體，其中特殊的上盤可以軸向移動，當(dāng)它向上移動后，相當(dāng)于兩盤空轉(zhuǎn)，沒有對汽體進(jìn)行壓縮，當(dāng)它復(fù)位時，兩盤工作，正常運(yùn)轉(zhuǎn)。動盤的移動依靠中間壓力，該壓力從排氣壓力取得，即有中間壓力時上盤會移動脫開，中間壓力撤消上盤會復(fù)位，用一個專用電磁閥控制中間壓力的有和無，即電磁閥關(guān)閉，中間壓力撤消，壓縮機(jī)工作，反之不工作。用本實(shí)用新型的“容量控制器”，采用PWM(脈沖寬度控制)方式控制電磁閥的工作，就可以使壓縮機(jī)按不同的能量級工作。如“容量控制器”指全電磁閥關(guān)1秒，開9秒，周期性循環(huán)，壓縮機(jī)會以10％能力輸出工作。指全電磁閥關(guān)8秒，開2秒周期性循環(huán)，壓縮機(jī)將以80％能力輸出工作，依此類推，可以獲得任意能量級`的輸出。為了實(shí)現(xiàn)精確的容量控制，本實(shí)用新型的控制器控制精度可以達(dá)到毫秒級，真正實(shí)現(xiàn)了無極容量調(diào)節(jié)。
當(dāng)控制電路板控制PWM電磁閥打開時，上下渦旋盤分開1mm距離，壓縮機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動，但不再壓縮，即不再有容量輸出；當(dāng)控制電路板控制PWM電磁閥關(guān)閉時，上下渦旋盤閉合，壓縮機(jī)壓縮。這樣就可以通過在給定周期時間內(nèi)控制PWM電磁閥的打開和關(guān)閉時間的比例來控制壓縮機(jī)容量輸出。
2>采用變頻壓縮機(jī)為獲得變流量調(diào)節(jié)的結(jié)果，本實(shí)用新型的制冷系統(tǒng)還可以采用變頻壓縮機(jī)，通過室外機(jī)控制電路板控制變頻器，進(jìn)而控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)頻率從30Hz到130Hz之間(轉(zhuǎn)速從1800rpm到7800rpm)的變化，進(jìn)而使壓縮制冷劑的流量改變，從而實(shí)現(xiàn)變流量調(diào)節(jié)的目的。
3>采用壓縮機(jī)組并聯(lián)當(dāng)室外機(jī)組容量較大時也可以采用并聯(lián)壓縮機(jī)組的型式，根據(jù)壓縮機(jī)并聯(lián)的型式，可以獲得若干能量級，達(dá)到變流量調(diào)節(jié)的目的，但容量調(diào)節(jié)精度有限。如當(dāng)采用四臺壓縮機(jī)并聯(lián)時，可分為四個容量級，當(dāng)啟動一臺壓縮機(jī)時可以輸出25％的容量，啟動兩臺時輸出50％容量，以此類推。
4.精確的負(fù)荷計(jì)算本實(shí)用新型容量控制的基本原理是通過各室內(nèi)機(jī)上的溫度傳感器檢測室內(nèi)溫度和設(shè)定溫度的差值以及其變化率，從而計(jì)算各房間的負(fù)荷，室外機(jī)從數(shù)據(jù)總線上讀取各室內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)，將各個房間的負(fù)荷計(jì)算匯總后，根據(jù)室外環(huán)境溫度以及總負(fù)荷的情況決定壓縮機(jī)容量輸出或者轉(zhuǎn)速變化，達(dá)到制冷劑流量與負(fù)荷相匹配的目的。
因此負(fù)荷計(jì)算的基本原理是房間負(fù)荷Rbn＝F(ts，t，dt)t房間溫度ts設(shè)定溫度dt溫度變化率室外機(jī)輸出容量OUTPUT＝∑Rbn＝Rb1+Rb2+……+Rbn5.系統(tǒng)控制原理本實(shí)用新型的空調(diào)系統(tǒng)，一臺室外機(jī)可與最多達(dá)64臺末端設(shè)備相連，對于如此龐大的智能控制系統(tǒng)，各原件的協(xié)調(diào)工作尤為重要，因此主機(jī)與各末端設(shè)備、各末端設(shè)備之間的信息交流的速度和內(nèi)容對控制系統(tǒng)和維修影響很大。參照圖5，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制和用戶操作的簡便性，本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)主要從以下方面入手(1)控制參數(shù)檢測室外主機(jī)組上設(shè)置若干溫度傳感器、電流互感器、壓力檢測開關(guān)等，檢測水溫、制冷系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、運(yùn)轉(zhuǎn)電流等，并將這些參數(shù)作為計(jì)算控制壓縮機(jī)、室外風(fēng)機(jī)、室外電子膨脹閥等部件的依據(jù)。室內(nèi)機(jī)設(shè)置若干溫度傳感器，檢測房間溫度及制冷系統(tǒng)內(nèi)部有關(guān)溫度，作為負(fù)荷計(jì)算，室內(nèi)風(fēng)機(jī)、電子膨脹閥等部件的控制參數(shù)。
(2)信息傳遞本實(shí)用新型采用總線控制方式，為系統(tǒng)各單元的信息交換提供了廣闊和迅捷的平臺。室外機(jī)和各室內(nèi)機(jī)根據(jù)通訊協(xié)議將各自主要的控制參數(shù)通過數(shù)字化的通訊內(nèi)容傳遞到總線，并在通訊內(nèi)容中附加各自的機(jī)身代碼，以便于識別。這樣每個系統(tǒng)但愿就可以根據(jù)自身控制的需要讀取總線上任何一個單元的通訊內(nèi)容。
(3)人機(jī)對話方式為了方便用戶對龐大的系統(tǒng)進(jìn)行操作，本實(shí)用新型提供了方便的人機(jī)對話方式。首先，用戶可以通過有線控制器或者無線控制器對每個末端設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)操作，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，包括開關(guān)機(jī)、溫度設(shè)定、模式轉(zhuǎn)換等必要的操作；其次，可以通過集中控制器實(shí)現(xiàn)對所有末端設(shè)備的集中控制和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)與單獨(dú)控制相同的操作，而不需要到每個房間對每個末端設(shè)備進(jìn)行操作。第三，本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)還支持電腦樓宇控制，只要在電腦上安裝了本實(shí)用新型專門開發(fā)的控制軟件，就可以對整幢大樓的空調(diào)安裝情況一目了然，通過電腦即可對所有房間進(jìn)行操作和監(jiān)控。
以上控制功能的實(shí)現(xiàn)主要是因?yàn)楸緦?shí)用新型使用了總線通訊的方式，這是與傳統(tǒng)空調(diào)主要的區(qū)別之一。
總之，本實(shí)用新型的中央空調(diào)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)水源熱泵相比具有重大技術(shù)突破，具有以下優(yōu)點(diǎn)一、新能源的利用上繼承了傳統(tǒng)水源熱泵的優(yōu)點(diǎn)，可以很好的利用可再生能源；二、很好的解決了容量輸出與負(fù)荷的匹配問題，更加節(jié)約能源；
三、大大降低了傳統(tǒng)水源熱泵的工程施工難度和成本，克服了傳統(tǒng)水源熱泵的主要缺點(diǎn)；四、克服了傳統(tǒng)水源熱泵室內(nèi)噪聲大的缺點(diǎn)，使人居環(huán)境更加舒適；系統(tǒng)高度集成可靠，控制方式更加簡單方便，更適合樓宇控制。
當(dāng)然，本實(shí)用新型創(chuàng)造并不局限于上述實(shí)施方式，只要其以基本相同的手段達(dá)到本實(shí)用新型的技術(shù)效果，都應(yīng)屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.可變制冷劑流量的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于包括一個可變制冷劑流量的室外主機(jī)組，該室外主機(jī)組上設(shè)有控制制冷劑輸出總量的總閥；一個只需與室外主機(jī)組相連的水循環(huán)系統(tǒng)；多個末端設(shè)備，所述末端設(shè)備通過冷媒連接管與室外主機(jī)組連接，每個末端設(shè)備分別安裝有流量控制閥；以及控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變制冷劑流量的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述的室外主機(jī)組中包括數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變制冷劑流量的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述的室外主機(jī)組中包括變頻壓縮機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變制冷劑流量的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述的室外主機(jī)組中包括由多個壓縮機(jī)并聯(lián)組成的單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變制冷劑流量的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述的總閥為電子膨脹閥；所述連接末端設(shè)備的流量控制閥為電子膨脹閥。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變制冷劑流量的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述可變制冷劑流量的室外主機(jī)組是由兩個或以上的室外制冷單元組成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種可變制冷劑流量的水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)；其包括一個可變制冷劑流量的室外主機(jī)組，該室外主機(jī)組上設(shè)有控制制冷劑輸出總量的總閥；一個只需與室外主機(jī)組相連的水循環(huán)系統(tǒng)；多個末端設(shè)備，所述末端設(shè)備通過冷媒連接管與室外主機(jī)組連接，每個末端設(shè)備分別安裝有流量控制閥；以及控制系統(tǒng)；本系統(tǒng)可以根據(jù)各房間的負(fù)荷需求情況，確定壓縮機(jī)容量輸出的多少，從而改變制冷劑流量，使制冷或制熱量與負(fù)荷相匹配，與傳統(tǒng)水源熱泵相比較，具有更高的季節(jié)能效比，更加節(jié)約能源。
文檔編號F24F11/00GK2890779SQ20062005784
公開日2007年4月18日 申請日期2006年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月14日
發(fā)明者韓本強(qiáng), 宋超杰 申請人:韓本強(qiáng), 宋超杰