专利名称：使用可变容量压缩机和显热比负载匹配的节能空调系统和方法
技术领域：
本公开涉及空调系统，更具体地涉及利用可变容量压缩机和显热比(SHR)负载匹配来对在指定区域或房间内的周围环境进行有效地控制的空调系统。
背景技术：
在本部分中的描述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。可以通过当可用时减小系统压头和系统质量流量来完成在空调系统中的节能。可以使用具有可变频率驱动器(“VFD”)的压缩机来减小在特定条件下的系统压头和系统质量流量，并且因此提供切实的节能。然而，VFD是较为昂贵的部件。大多数空调系统允许将饱和冷凝温度限制为最小，以便保持稳定的系统操作。对于在冬天室外温度相对于在春夏季月份期间的周围温度显著改变的地理区域中使用的系统，特别如此。典型的HVAC(即，加热、通风、空调)系统不能同时满足干球和湿球的要求。如果仅监控干球温度以控制冷却要求，则可以从空气去除比所期望的更多的湿气。为了替换被去除的湿气，必须替换它，耗费额外的能量。类似地，如果仅使用湿球温度来满足冷却要求， 则会出现过度冷却。如果出现过度冷却，则必须耗费能量来将干球温度提高回其原始设置。
发明内容
在一个方面，本公开涉及一种空调系统，其可包括控制器；可变容量压缩机，其响应于所述控制器；蒸发器，其与所述压缩机的输入连通；以及至少一个冷却部件，其用于在所述蒸发器上方产生气流，以利用所述蒸发器产生冷却气流，所述冷却部件响应于所述控制器。所述控制器的第一输入使得用户能够提供用于被所述空调系统控制温度的封闭环境的用户确定的干球温度。所述控制器的第二输入使得用户能够提供用户选择的含湿量。 所述控制器控制所述压缩机和所述冷却部件的至少一个来改变显热比(SHR)，以根据所述用户设置的范围来保持在所述封闭环境内的干球温度和所述含湿量。在另一个方面，本公开涉及一种空调系统，其具有电子控制器和响应于所述电子控制器的、可变容量的电子控制的压缩机。蒸发器与所述压缩机的输入连通。至少一个冷却部件用于在所述蒸发器上方产生气流，以利用所述蒸发器产生冷却气流，所述冷却部件响应于所述电子控制器。所述控制器的第一输入使得用户能够提供用于被所述空调系统控制温度的封闭环境的用户确定的干球温度。所述控制器的第二输入使得用户能够提供封闭环境的用户选择的含湿量。所述控制器控制所述冷却部件和所述压缩机的输出来改变显热比(SHR)，以根据所述用户设置的范围来保持在所述封闭环境内的干球温度和所述含湿量。在另一个方面，本公开涉及一种用于控制空调系统的方法，其中，所述空调系统包括可变容量压缩机和蒸发冷却装置。所述空调系统可用于控制在封闭环境内的空气的冷却。所述方法可包括获得要在所述封闭环境内保持的用户设置的干球温度范围和用户设置的含湿量范围；监控在所述封闭环境内的空气的干球温度；以及监控在所述封闭环境中的所述空气内的所述含湿量。所述可变容量压缩机和所述蒸发冷却装置的至少一个可以被控制来改变所述空调系统的显热比(SHI )，以便分别将在所述封闭环境中的所述空气的所述干球温度和所述含湿量保持在所述用户设置的干球温度范围和所述用户选择的含湿量范围内。所述方法可包括使用控制器来接收要在所述封闭环境内保持的用户设置的干球温度范围和用户设置的含湿量范围两者的输入。所述控制器可用于监控在所述封闭环境内的空气的干球温度和与所述空气相关的所述含湿量。所述控制器可用于控制所述可变容量压缩机和所述蒸发冷却装置的至少一个以改变所述空调系统的显热比(SHI0。所述SHR可以被控制来将所述封闭环境的所述空气的所述干球温度和所述含湿量保持在所述用户设置的范围内。通过在此提供的描述，另外的应用领域将变得显然。应当明白，描述和具体示例意欲仅用于说明的目的，而不意欲限制本公开的范围。
在此描述的附图仅用于说明的目的，而不意欲以任何方式来限制本公开的范围。图1是根据本公开的系统的一个实施例的框图，所述系统用于控制在封闭环境中的温度和湿度(虽然能够存在渗透负载)，所述封闭环境例如是包含产生热量的一个或多个计算装置的计算机室；以及图2是可以被图1的系统执行来用于控制在诸如房间的封闭环境中的温度和湿度的操作的流程图。
具体实施例方式下面的描述在本质上仅是示例性的，而不意欲限制本公开、应用或用途。应当明白，贯穿附图，对应的附图标记指示相似或对应的部分或特征。参见图1，示出根据本公开的一个实施例的空调系统10。系统10特别适合于用于对在其中诸如文件服务器的计算设备运行的、诸如房间和/或建筑物的封闭环境中的温度和湿度进行控制。系统10可以包括被电子控制器14电子地控制的数字涡旋压缩机12 ( 一种类型的可变容量压缩机)。数字涡旋压缩机12接收制冷剂，并且将制冷剂压缩为热的压缩的气态，其中，它被供给到风冷式冷凝器16内。风冷式冷凝器16位于室外环境中，因此根据其所处的地理位置而在一年的过程中经受可能显著不同的周围温度条件。例如，如果在明尼苏达对在佛罗里达的设施处使用冷凝器，则在明尼苏达有更多时间的较冷温度，这导致在压缩机的排放压力上的减小，因此对于系统10的冷却能力具有显著的影响(即，提高了冷却效果)。通常位于压缩机12的室外环境中的风冷式冷凝器16接收热制冷剂，并且将其冷凝。冷凝的制冷剂被供给到电子控制的膨胀阀18，电子控制的膨胀阀18将冷凝的制冷剂膨胀，并且将膨胀的制冷剂引导到蒸发器20。或者，可以使用与在美国专利5，177，972中公开的那些相类似的任何其他类型的“宽范围膨胀装置”，该美国专利5，177，972通过引用被包含在此。蒸发器20可以包括肋片管式盘管蒸发器或任何其他适当类型的蒸发器，诸如在工业界作为“微通道”所知的热交换器级别的蒸发器。诸如蒸发器风扇22的一个或多个电子控制的冷却装置与蒸发器20具有热交换关系，并且在产生冷却气流M的蒸发器上方产生气流。冷却气流M可以然后用于冷却诸如计算机室的受控环境或其中期望在温度和湿度上的控制的任何其他房间或封闭环境。电子控制器14也与吸入压力换能器沈的输出连通。吸入压力换能器沈用于监控数字涡旋压缩机12的吸入压力。排放压力换能器观感测在数字涡旋压缩机12的输出处的排放压力，并且向电子控制器14提供用于表示其的信号。干球设置温度范围输入30 使得用户能够选择期望的干球温度范围，并且向电子控制器14提供输入。类似地，含湿量设置范围输入32允许用户选择系统10正在被用于对其冷却的封闭环境或房间内的空气的特定含湿量范围。该特定含湿量可以是在封闭环境或房间中的空气的潮湿粒(grains of moisture)范围、露点范围或相对湿度范围的任何一个。进一步参考图1，电子控制器14也从干球温度传感器34接收输入，干球温度传感器34指示在封闭环境内的干球温度。用于测量含湿量(即，露点或相对湿度)的传感器36 向电子控制器14供给用于指示在封闭环境中的空气中的感测的含湿量的信号(S卩，露点或相对湿度)。如果所选择的含湿量类型是潮湿粒，则可以明白，因为不能直接地感测在封闭环境内的潮湿粒，所以电子控制器14将使用在封闭环境中的感测的露点或感测的相对湿度来帮助计算潮湿粒值。可以明白，系统10的提高的能量效率源自减小的室外环境温度，其减小了数字涡旋压缩机12的系统排放压力，并且允许提高蒸发器20的容量。在诸如计算机室的冷却的应用中，由系统10看到的负载在一年中几乎不变，因此，需要质量流量减小来保持系统10 的不变的容量。减小数字涡旋压缩机12质量流量减小了压缩机功耗，因此可以导致提高系统10的能量效率。系统10使用电子控制器14来改变数字涡旋压缩机和蒸发器风扇22的运行，以改变系统10的显热比(“SHR”)。显热冷却和潜热冷却被与经由输入30和32限定的设定点相对的、由传感器34感测的实际单位回风干球温度和经由传感器36感测的含湿量(S卩，露点或相对湿度)驱动。从封闭环境的露点和蒸发器20饱和吸入温度来确定单位SHR的关系。取代预定的单位SHR，可以从入口和出口空气“干球”温度和含湿量(即，所计算的潮湿粒、露点或相对湿度)来确定单位SHR。另外，可以与压缩机12吸入压力一起测量蒸发器 20风扇速度。现在参见图2的流程图100，将描述几种不同的情况以提供关于如何可以响应于在封闭环境中的不同的环境条件来控制数字涡旋压缩机12和蒸发器风扇22的说明。初始，在操作102，获得对于期望的干球温度范围和期望的含湿量(即，期望的潮湿粒范围、期望的露点范围或期望的相对湿度范围)的用户设定点。这些是从输入30和32获得的。在操作104，使用传感器36获得正在被冷却的封闭环境的含湿量。在操作106，使用传感器34来感测回风干球温度。在操作108，获得封闭环境的露点。在操作110，查询在高于经由输入30提供的用户选择的干球温度范围的干球温度上是否有提高。如果回答为“是”，则在操作112进行查询以确定是否存在高于从输入32提供的用户选择的设定点的、经由传感器36感测的含湿量(即，或感测的露点或感测的相对湿度)的偏离。如果对于查询112的回答是“否”，则可以在增大的气流和接近SHR = 1的增大的SHR下运行数字涡旋压缩机12和/或蒸发器风扇22。换句话说，可以使用系统10 的全容量来在需要时从房间去除显热，以使得回风气流的干球温度在所选择的干球温度范围内。如果在操作112的查询产生“是”的回答，则可以在提高的容量下操作系统10， 使得SHR匹配潜热负载，如在操作116所示，直到在回风气流中感测的干球温度和含湿量 (即，露点或相对湿度)都在用户选择的范围内。可以通过下述方式来实现这一点使用来自控制器14的信号在需要时调整数字涡旋压缩机12的效率和/或蒸发器风扇22的速度， 以使得感测的干球温度和含湿量(即，所计算的潮湿粒、所感测的露点或所感测的相对湿度)在用户选择的范围内。如果在操作110的查询产生“否”的回答，则在操作118查询是否已经有高于用户选择的容差范围的在含湿量(即，潮湿粒或露点或相对湿度)上的增大。如果在操作118的回答为“是”，则电子控制器14控制数字涡旋压缩机12流和/或蒸发器风扇22，使得系统 10在相同的显热冷却容量下运行，并且将SHR与潜热负载匹配，如在操作120所示。这个操作继续直到在回风气流中感测的含湿量(即，露点或相对湿度)在用户选择的范围内。压缩机吸入压力用于增强控制器14关于将单位SHR与房间潜热负载和显热负载匹配进行判定的能力。在在房间露点和压缩机饱和吸入温度之间的差量与潜热冷却量之间存在关系。 在有很少或没有差的情况下，将没有潜热冷却。当该差增大时，潜热冷却的数量将在固定的蒸发器气流下提高。压缩机排放压力测量用于控制和限制排放压力，以便提供有效和稳定的操作。系统10因此能够改变数字涡旋压缩机12和蒸发器风扇22的操作，以在必要时控制SHR以将在封闭环境内的干球温度和所选择的含湿量(即，潮湿粒或露点或相对湿度) 保持在用户选择的范围内。系统10也通过下述方式来利用在低室外周围温度下增大的蒸发器效率控制数字涡旋压缩机12和蒸发器风扇22的容量以便系统10实现最大的能量效率。虽然已经描述了各个实施例，但是本领域内的技术人员可以认识到可以在不偏离本公开的情况下进行的修改或改变。示例说明了各个实施例，并且不意欲限制本公开。因此，应从宽地解释说明书和权利要求，仅具有从相关的现有技术看来必要的限制。
权利要求
1.一种空调系统，包括 控制器；可变容量压缩机，其响应于所述控制器； 蒸发器，其与所述压缩机的输入连通；至少一个冷却部件，用于在所述蒸发器上方产生气流，以利用所述蒸发器产生冷却气流，所述冷却部件响应于所述控制器；第一输入，用于使得用户能够提供用于被所述空调系统控制温度的封闭环境的、用户确定的干球温度范围来作为对于所述控制器的输入；第二输入，用于使得用户能够提供用于所述封闭环境的用户确定的含湿量来作为对于所述控制器的输入；以及所述控制器适于根据所述用户设置的干球温度范围和所述用户设置的含湿量来控制所述压缩机和所述冷却部件的至少一个来改变显热比(SHR)，以保持在所述封闭环境内的干球温度和所感测的含湿量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述用户确定的含湿量包括潮湿粒、露点和相对湿度之一。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述冷却部件包括具有由所述控制器控制的速度的蒸发器风扇。
4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括吸入压力排放换能器，用于感测在所述压缩机的输入处的吸入压力，并且向所述控制器提供用于指示所述吸入压力的信号。
5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括排放压力换能器，用于感测在所述压缩机的输出处的排放压力，并且向所述控制器提供用于指示所述排放压力的信号。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括风冷式冷凝器，其与所述压缩机的输出连通，以从所述压缩机的所述输出接收加热的制冷剂，并且冷凝所述加热的制冷剂。
7.根据权利要求6所述的系统，进一步包括电子控制的膨胀装置，其响应于所述控制器来膨胀所冷凝的制冷剂，并且向所述冷却装置提供所膨胀的、冷凝的制冷剂。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压缩机包括电子控制的数字涡旋压缩机。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述蒸发器包括肋片管式盘管蒸发器。
10.一种空调系统，包括 电子控制器；响应于所述电子控制器的、可变容量的电子控制的压缩机； 蒸发器，其与所述压缩机的输入连通；至少一个冷却部件，用于在所述蒸发器上方产生气流，以利用所述蒸发器产生冷却气流，所述冷却部件响应于所述电子控制器；第一输入，用于使得用户能够提供用于被所述空调系统控制温度的封闭环境的、用户确定的干球温度范围来作为对于所述电子控制器的输入；第二输入，用于使得用户能够提供用于所述封闭环境的用户设置的含湿量范围来作为对于所述控制器的输入；以及所述控制器适于根据所述用户设置的干球温度范围和所述用户设置的含湿量范围来控制所述冷却部件和所述压缩机的输出来改变显热比(SHR)，以保持在所述封闭环境内的干球温度和含湿量。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述用户设置的含湿量范围包括下述之一潮湿粒范围、露点范围和相对湿度范围。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述冷却部件包括蒸发器风扇，所述蒸发器风扇具有由所述电子控制器控制的风扇速度。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述蒸发器包括肋片管式盘管蒸发器。
14.根据权利要求10所述的系统，进一步包括吸入压力换能器，其与所述压缩机的输入连通，所述吸入压力换能器向所述电子控制器提供用于指示所述压缩机的吸入压力的信号。
15.根据权利要求10所述的系统，进一步包括排放压力换能器，其与所述压缩机的输出连通，并且适于向所述电子控制器提供用于表示所述排放压力的信号。
16.根据权利要求10所述的系统，进一步包括冷凝器，用于从所述压缩机接收加热的制冷剂流，并且冷凝所述加热的制冷剂流。
17.根据权利要求16所述的系统，进一步包括电子控制的膨胀装置，其响应于所述冷凝器的输出来膨胀所述加热的制冷剂流。
18.一种用于控制空调系统的方法，所述空调系统包括可变容量压缩机和蒸发冷却装置，以控制在封闭环境内的周围空气的冷却，所述方法包括获得要在所述封闭环境内保持的用户设置的干球温度范围；获得要在所述封闭环境内保持的用户设置的含湿量范围；监控在所述封闭环境内的空气的干球温度；根据所述用户设置的含湿量来监控在所述封闭环境中的所述空气内的含湿量；以及控制所述可变容量压缩机和所述蒸发冷却装置的至少一个，以改变所述空调系统的显热比(SHR)，以便分别将在所述封闭环境中的所述空气的所述干球温度和所监控的含湿量保持在所述用户设置的干球温度范围和所述用户选择的含湿量范围内。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述用户选择的含湿量范围包括下述之一用户选择的潮湿粒范围；用户选择的露点范围；以及用户选择的相对湿度范围。
20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括监控在所述可变容量压缩机的输入处的吸入压力，并且向控制器提供用于指示所述吸入压力的信号；以及使用所述控制器来控制所述可变容量压缩机的操作。
21.根据权利要求18所述的方法，进一步包括监控在所述可变容量压缩机的输出处的排放压力，并且向所述控制器提供用于指示所述排放压力的输入信号。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述控制所述可变容量压缩机和所述蒸发冷却装置的至少一个包括使用电子控制器来控制可变容量数字涡旋压缩机和蒸发器风扇。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，所述控制所述可变容量压缩机和所述蒸发冷却装置的至少一个包括使用电子控制器来控制所述可变容量压缩机和所述蒸发冷却装置两者。
全文摘要
一种空调系统，其可包括控制器；可变容量压缩机，其响应于所述控制器；蒸发器，其与所述压缩机的输入连通；以及至少一个冷却部件，其用于在蒸发器上方产生气流，以利用所述蒸发器产生冷却气流，所述冷却部件响应于所述控制器。第一输入使得用户能够提供用于封闭环境的用户确定的干球温度范围，第二输入使得用户能够提供用于封闭环境的用户确定的含湿量范围。所述控制器根据用户限定的范围来控制所述压缩机和所述冷却部件的至少一个来改变显热比(SHR)，以保持在所述封闭环境内的干球温度和含湿量。
文档编号F24F3/14GK102317694SQ201080007721
公开日2012年1月11日 申请日期2010年2月12日 优先权日2009年2月12日
发明者弗兰克·E·迪保罗, 斯蒂芬·西拉托 申请人:力博特公司