專利名稱：具有用于瞬時(shí)冷卻和加熱的模糊遺傳控制的集成熱泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過節(jié)能的集成熱泵(IHP)制冷系統(tǒng)提供可變的冷卻和加熱效應(yīng)。
背景技術(shù)：
實(shí)際上，對(duì)于所有類型的建成環(huán)境來說，空間供冷、空間供熱、以及水加熱是基本的需求。蒸汽壓縮循環(huán)是產(chǎn)生冷卻和加熱效應(yīng)的節(jié)能方法。用于冷卻和加熱的獨(dú)立的空氣調(diào)節(jié)器和熱泵各自不會(huì)生產(chǎn)出最佳的能量效率，因?yàn)閺U熱被丟棄到周圍環(huán)境中而沒有回收。
另外，可以三種不同的模式操作傳統(tǒng)的集成熱泵，即(I)冷卻和加熱模式、(II)冷卻模式、以及(III)加熱模式，以此滿足各種加熱和冷卻需求。在每種操作模式下，制冷系統(tǒng)的閥門被調(diào)整到指定的設(shè)置以此控制流過壓縮機(jī)、熱水器/冷凝器、膨脹閥、以及冷卻器/蒸發(fā)器的制冷劑流。盡管多重操作模式可用于通用熱用途，但是從一種模式到另一種模式的轉(zhuǎn)換常常需要若干切斷時(shí)間延遲以防止任何液態(tài)制冷劑倒流進(jìn)入壓縮機(jī)并導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞。因此，IHP操作將被中斷。
此外，缺少對(duì)傳統(tǒng)集成熱泵的輔助熱交換器的熱流量的自動(dòng)控制導(dǎo)致了冷卻和加熱的不穩(wěn)定供應(yīng)。當(dāng)瞬時(shí)冷卻和加熱負(fù)荷分別與制冷循環(huán)的蒸發(fā)和過熱下降/冷凝效應(yīng)不匹配時(shí)，問題就會(huì)發(fā)生。在這些情況下，多余的熱量可被存儲(chǔ)在蓄熱器中或者通過輔助熱交換器被消散到周圍環(huán)境中。有時(shí)，當(dāng)蓄熱器被完全充滿時(shí)，或者當(dāng)空間不能達(dá)到熱能存儲(chǔ)要求時(shí)，散熱是唯一的選擇。通常，輔助熱交換器內(nèi)的熱傳遞未被調(diào)節(jié)。因此，輔助熱交換器可支配整個(gè)熱流量，從而導(dǎo)致串聯(lián)的其他熱水器或冷卻器的熱量不足。
下面列示的是現(xiàn)有技術(shù)的參考文獻(xiàn)
4,598,5577/1986Robinson等人4,727,7273/1988Reedy4,776,18010/1988 Patton，Sr.等人5,095,7153/1992Dudley5,172,56412/1992 Reedy6,601,7738/2003Saitoh等人6,837,443 B2 1/2005Saitoh等人發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供針對(duì)多種建筑類型(如民用住宅、旅館、醫(yī)院、食物加工廠等等)的空間供冷、空間供熱、以及水加熱所需要的可變的瞬時(shí)冷卻和加熱。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是在無任何時(shí)間延遲切斷約束的情況下使IHP操作的任何兩種模式之間的轉(zhuǎn)換成為可能。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供可變熱交換器(VHX)的適當(dāng)控制，以使其只供應(yīng)必要的輔助熱流量以此尋求制冷循環(huán)所需要的冷卻和加熱效應(yīng)之間的平衡。
本發(fā)明的第四個(gè)目的是通過選擇最適當(dāng)?shù)牟僮髂Ｊ教峁㊣HP操作的最優(yōu)化，以使加熱和冷卻能力的供應(yīng)更好地匹配相對(duì)應(yīng)的預(yù)計(jì)能量需求分布(profiles)。
本發(fā)明的第五個(gè)目的是充分利用熱泵的加熱和冷卻效應(yīng)以此在高能效下取得減濕作用。
通過由五個(gè)主要部件壓縮機(jī)、過熱下降/冷凝熱水器、膨脹閥、冷卻器和VHX組成的集成熱泵(IHP)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)第一個(gè)目的?？衫梦鍌€(gè)三通閥使制冷劑流轉(zhuǎn)向以此形成五個(gè)不同的制冷循環(huán)，每一個(gè)代表了IHP操作的唯一模式。取決于IHP系統(tǒng)的應(yīng)用，系統(tǒng)部件能力的選擇應(yīng)當(dāng)基于臨界狀態(tài)。例如，如果臨界狀態(tài)發(fā)生在炎熱的夏季時(shí)間，則冷卻器的額定值應(yīng)當(dāng)是供給舒適環(huán)境的充足的冷卻能力。另一方面，如果臨界狀態(tài)發(fā)生在寒冷的冬季時(shí)間，則熱水器應(yīng)當(dāng)能夠供應(yīng)充足的熱水用于空間供熱和水加熱應(yīng)用?？蛇x擇其余部件用于IHP系統(tǒng)完整組合的相應(yīng)的兼容性。
尤其是，本發(fā)明提供了集成熱泵，它包含串聯(lián)的流體連接壓縮機(jī)；過熱下降/冷凝熱水器，其被開口通到雙壁熱交換器；膨脹閥；冷卻器/蒸發(fā)器；其特征在于，還包含在壓縮機(jī)下游的、用于流體相通或旁路過熱下降/冷凝熱水器的第一三通閥；在膨脹閥上游的第二三通閥；在膨脹閥下游的、用于流體相通或旁路冷卻器/蒸發(fā)器的第三三通閥；在壓縮機(jī)上游的第四三通閥；連接到第二三通閥的下游以及連接到第四三通閥的上游的第五三通閥；在制冷循環(huán)中用作熱源或吸熱裝置的可變熱交換器，其一端連接到第五三通閥并在另一端連接到線路，所述線路連接了第二和第四三通閥；其中可在五種不同模式下操作集成熱泵，以此通過所述三通閥供應(yīng)任何瞬時(shí)冷卻和加熱負(fù)荷。
為了節(jié)省空間，可省略熱能存儲(chǔ)器。
五種模式如下在冷卻和加熱模式(I)中，制冷劑順序地經(jīng)過過熱下降/冷凝熱水器、膨脹閥、冷卻器/蒸發(fā)器以及壓縮機(jī)；在高冷卻和低加熱模式(II)中，制冷劑順序地經(jīng)過過熱下降/冷凝熱水器、可變熱交換器、膨脹閥、冷卻器/蒸發(fā)器以及壓縮機(jī)；在低冷卻和高加熱模式(III)中，制冷劑順序地經(jīng)過過熱下降/冷凝熱水器、膨脹閥、冷卻器/蒸發(fā)器、可變熱交換器以及壓縮機(jī)；在只有冷卻的模式(IV)中，制冷劑順序地經(jīng)過可變熱交換器、膨脹閥、冷卻器/蒸發(fā)器以及壓縮機(jī)；在只有加熱的模式(V)中，制冷劑順序地經(jīng)過過熱下降/冷凝熱水器、膨脹閥、可變熱交換器以及壓縮機(jī)。
通過特定的制冷劑管道設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)第二個(gè)目的，在IHP操作的任何兩種模式之間的轉(zhuǎn)換期間，在所述的管道中，流向壓縮機(jī)入口的制冷劑總是處于蒸汽狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)特別注意的是當(dāng)IHP從高冷卻和低加熱模式(II)轉(zhuǎn)換至低冷卻和高加熱模式(III)、或者從高冷卻和低加熱模式(II)轉(zhuǎn)換至加熱模式(V)時(shí)的情形。這是因?yàn)楫?dāng)IHP在模式(II)下操作時(shí)，進(jìn)入VHX的制冷劑可以是飽和液體的狀態(tài)或者處于飽和液體和飽和蒸汽的混合狀態(tài)。如果IHP轉(zhuǎn)換到模式(III)或模式(V)，在VHX處的反向制冷劑流可攜帶飽和液體至壓縮機(jī)入口，導(dǎo)致對(duì)壓縮機(jī)的可能的損壞。當(dāng)IHP的冷卻和加熱操作模式(I)是作為從模式(II)至模式(III)的轉(zhuǎn)換之間的、或從模式(II)至模式(V)轉(zhuǎn)換之間的中間操作而被執(zhí)行時(shí)，這個(gè)問題就被解決了。這個(gè)中間操作僅僅持續(xù)非常短的時(shí)間段，因?yàn)閂HX內(nèi)的任何飽和液體制冷劑將迅速變?yōu)檎羝?。接著，可安全地將IHP操作轉(zhuǎn)換至模式(III)或模式(V)。
通過使用能量表來監(jiān)控冷卻器、過熱下降/冷凝熱水器和VHX處的熱流量可實(shí)現(xiàn)第三個(gè)目的。對(duì)于每個(gè)設(shè)備部件，能量表測(cè)量流速、水的而不是制冷劑的入口和出口溫度，因?yàn)樵谥评溲h(huán)中制冷劑經(jīng)歷了相變。如果使用空氣冷卻的VHX，則各自對(duì)應(yīng)的能量表將測(cè)量空氣流速、入口和出口溫度?？刂扑惴ㄊ且灾饕O(shè)備部件冷卻器、過熱下降/冷凝熱水器、VHX和壓縮機(jī)之間的熱能平衡為基礎(chǔ)的。通過調(diào)節(jié)流過VHX的水或空氣獲得所期望的熱流量。
通過使用利用了模糊遺傳最優(yōu)化方案的智能控制器可實(shí)現(xiàn)第四個(gè)目的。IHP操作的不同模式的訓(xùn)練數(shù)據(jù)被用于模糊分類器系統(tǒng)，以此通過基于最優(yōu)化處理的遺傳算法生成一組模糊規(guī)則。習(xí)得的模糊規(guī)則形成了知識(shí)庫，其用來確定IHP操作的最佳模式。
通過使用干燥劑除濕輪連同IHP系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)第五個(gè)目的。通過IHP冷卻器或蒸發(fā)器，濕處理空氣首先被預(yù)冷卻以此去掉顯熱從而在無冷凝的情況下達(dá)到露點(diǎn)狀態(tài)。在更高的相對(duì)濕度下，預(yù)冷卻空氣中的濕氣可更有效地被干燥劑材料所吸收。在沒有任何潛熱的情形下，IHP系統(tǒng)的冷卻效果只用來去掉顯熱。此外，從處理空氣中提取的熱量被充分用于干燥劑材料的復(fù)原。因此，IHP除濕處理是非常節(jié)能。


圖1示出的是本發(fā)明的IHP制冷系統(tǒng)；圖2示出的是冷卻和加熱模式(I)的制冷循環(huán)；圖3示出的是高冷卻和低加熱模式(II)的制冷循環(huán)；
圖4示出的是低冷卻和高加熱模式(III)的制冷循環(huán)；圖5示出的是冷卻模式(IV)的制冷循環(huán)；圖6示出的是加熱模式(V)的制冷循環(huán)；圖7示出的是為VHX控制而安裝的熱能表；圖8示出的是用于IHP控制的基于規(guī)則的分類器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；圖9示出的是用于分類器系統(tǒng)的遺傳學(xué)習(xí)循環(huán)；圖10示出的是用于分類器系統(tǒng)的第二級(jí)訓(xùn)練；圖11為集成熱泵干燥劑除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
具體實(shí)施例方式
圖1的IHP系統(tǒng)在其最高能效時(shí)操作，此時(shí)它是在圖2所示的冷卻和加熱模式(I)下操作的。冷凝溫度超過60℃以便產(chǎn)生50℃的瞬時(shí)熱水。圖2示出了三通閥8、9、10、11和12的設(shè)置。蒸發(fā)的制冷劑大約在0℃左右，并且離開蒸發(fā)器的冷供水被維持在8℃?？捎玫睦鋮sCOP和加熱COP分別約為3和4，從而導(dǎo)致整個(gè)COP近似等于7。
當(dāng)水加熱需求下降時(shí)，比如在熱蓄水幾乎裝滿時(shí)，冷卻效應(yīng)將會(huì)因此被降低，因?yàn)樵谕暾闹评溲h(huán)中熱傳輸被保存。為了在減少加熱負(fù)荷的同時(shí)維持相同的冷卻效應(yīng)，借助于VHX 5將吸熱裝置添加到制冷循環(huán)。這個(gè)操作是圖3所示的高冷卻和低加熱模式(II)。應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)吸熱裝置以使冷卻和加熱負(fù)荷可被同時(shí)滿足。以制冷循環(huán)中的能量守恒為基礎(chǔ)可得出控制算法，inCp(To-Ti)|c+inCp(To-Ti)|wh+inCp(To-Ti)|VHX+in(hco-hci)|r=0,---(1)]]>其中， q＝每單位流體質(zhì)量的熱增量(kJkg-1)h＝焓(kJkg-1)下標(biāo)，c＝冷卻器中的水或空氣wh＝熱水器中的水
VHX＝可變熱交換器中的水或空氣r＝制冷劑co＝壓縮機(jī)的出口ci＝壓縮機(jī)的入口通過方程(1)可獲得VHX需要的熱流量和精確的流速。如圖7所示，熱能表13由兩個(gè)熱電偶14和15以及一個(gè)流量表16組成。冷卻器、熱水器、VHX以及壓縮機(jī)中的每一個(gè)被裝配了熱能表用來測(cè)量方程(1)中的參數(shù)。
在對(duì)水加熱的要求相對(duì)高于對(duì)冷卻的要求時(shí)，對(duì)于加熱應(yīng)用的吸收的熱量VHX將充當(dāng)額外的蒸發(fā)器。在如圖4所示的這個(gè)高冷卻和低加熱模式(III)中，以前面段落所述的相同的方式調(diào)節(jié)VHX。
如果只需要冷卻，則VHX將作為如圖5的模式(IV)中的冷凝器來操作。制冷劑將在40℃左右被冷凝以此向周圍環(huán)境排泄熱量。隔離熱水器的制冷電路以此防止從熱水到制冷劑的任何不想要的熱傳遞。
如果只需要加熱，則VHX將作為如圖6的模式(V)中的蒸發(fā)器來操作。制冷劑將在10℃左右蒸發(fā)以此從周圍環(huán)境中獲取熱量。隔離冷卻器的制冷電路以此防止從制冷劑到冷水或冷卻空氣的任何不想要的熱傳遞。
在不同時(shí)刻對(duì)IHP的不同操作模式的選擇由基于模糊規(guī)則的分類器系統(tǒng)來確定，基于模糊規(guī)則的分類器系統(tǒng)是利用適當(dāng)?shù)碾x線訓(xùn)練數(shù)據(jù)在兩級(jí)遺傳算法優(yōu)化器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。圖8示出了分類器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，圖9示出了用于分類器系統(tǒng)的遺傳學(xué)習(xí)循環(huán)。
最初，應(yīng)用第一級(jí)遺傳學(xué)習(xí)算法。如果訓(xùn)練結(jié)果不完全令人滿意，則可進(jìn)行第二級(jí)學(xué)習(xí)，如圖10所示，其中由于使用了減少的操作模式數(shù)而使分類可被精煉。
除了加熱和冷卻應(yīng)用，IHP系統(tǒng)還可有效地支持節(jié)能的干燥劑除濕。圖11示出了IHP干燥劑除濕系統(tǒng)。濕空氣20首先被IHP冷卻器或蒸發(fā)器18預(yù)冷卻，以此去掉顯熱從而在無冷凝的情況下達(dá)到露點(diǎn)狀態(tài)。接著，在露點(diǎn)溫度下的預(yù)冷卻空氣21經(jīng)過干燥劑輪17并且作為除濕空氣21而退出。通過IHP冷卻器或蒸發(fā)器18從濕空氣20中提取的熱量被用來加熱IHP加熱器或冷凝器19處的復(fù)原空氣23。經(jīng)過干燥劑輪17的熱空氣24將逐出干燥劑材料中的濕氣。最后，濕熱空氣25被排到外部環(huán)境中。
權(quán)利要求
1.一種集成熱泵，串聯(lián)流體連接地包含壓縮機(jī)(1)；過熱下降/冷凝熱水器(2)，其被開口通到雙壁熱交換器；膨脹閥(3)；冷卻器/蒸發(fā)器(4)；其特征在于，還包含第一三通閥(8)，位于所述壓縮機(jī)(1)的下游，用于流體相通或旁路所述過熱下降/冷凝熱水器(2)；第二三通閥(9)，位于所述膨脹閥(3)的上游；第三三通閥(10)，位于所述膨脹閥(3)的下游，用于流體相通或旁路所述冷卻器/蒸發(fā)器(4)；第四三通閥(12)，位于所述壓縮機(jī)(1)的上游；第五三通閥(11)，連接到所述第二三通閥(9)的下游以及連接到所述第四三通閥(12)的上游；可變熱交換器(5)，在所述制冷循環(huán)中用作熱源或吸熱裝置，其一端連接到所述第五三通閥(11)并在另一端連接到線路，所述線路連接所述第二和第四三通閥(9、12)；其中所述集成熱泵可以五種不同模式操作，以此通過所述三通閥(8、9、10、11、12)提供任何瞬時(shí)冷卻和加熱負(fù)荷。
2.如權(quán)利要求1所述的集成熱泵，可省略熱能存儲(chǔ)器以便節(jié)省空間。
3.如權(quán)利要求1所述的集成熱泵，所述五種模式如下在冷卻和加熱模式(I)中，制冷劑順序地經(jīng)過所述過熱下降/冷凝熱水器(2)、所述膨脹閥(3)、所述冷卻器/蒸發(fā)器(4)以及所述壓縮機(jī)(1)；在高冷卻和低加熱模式(II)中，制冷劑順序地經(jīng)過所述過熱下降/冷凝熱水器(2)、所述可變熱交換器(5)、所述膨脹閥(3)、所述冷卻器/蒸發(fā)器(4)以及所述壓縮機(jī)(1)；在低冷卻和高加熱模式(III)中，制冷劑順序地經(jīng)過所述過熱下降/冷凝熱水器(2)、所述膨脹閥(3)、所述冷卻器/蒸發(fā)器(4)、所述可變熱交換器(5)以及所述壓縮機(jī)(1)；在只有冷卻的模式(IV)中，制冷劑順序地經(jīng)過所述可變熱交換器(5)、所述膨脹閥(3)、所述冷卻器/蒸發(fā)器(4)以及所述壓縮機(jī)(1)；以及在只有加熱的模式(V)中，制冷劑順序地經(jīng)過所述過熱下降/冷凝熱水器(2)、所述膨脹閥(3)、所述可變熱交換器(5)以及所述壓縮機(jī)(1)。
4.如權(quán)利要求1所述的集成熱泵，其使得在無時(shí)間延遲切斷需求的情況下任何兩種操作模式之間的快速轉(zhuǎn)換成為可能。
5.如權(quán)利要求1所述的集成熱泵，包含智能控制器，所述智能控制器以兩級(jí)模糊遺傳最優(yōu)化算法為基礎(chǔ)，其可被訓(xùn)練以學(xué)習(xí)模糊分類規(guī)則并用來確定最適當(dāng)?shù)腎HP操作模式，以使加熱和冷卻能力的供應(yīng)最好地匹配相對(duì)應(yīng)的預(yù)計(jì)能量需求分布。
6.如權(quán)利要求1所述的集成熱泵，包含IHP干燥劑除濕系統(tǒng)，其可有效地執(zhí)行節(jié)能的除濕處理。
全文摘要
本發(fā)明是一種新的集成熱泵(IHP)，設(shè)計(jì)來用作為用于建成環(huán)境的所有瞬時(shí)熱條件的所有解決方案。IHP系統(tǒng)可以高能效供應(yīng)用于空間供冷、空間加熱、水加熱以及其結(jié)合。操作模式包括1)冷卻和加熱；2)高冷卻和低加熱；3)低冷卻和高加熱；4)冷卻；和5)加熱。一種可變熱交換器(VHX)根據(jù)操作模式可進(jìn)行作為不是冷凝器、就是蒸發(fā)器。控制裝置和算法規(guī)則系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用于自動(dòng)調(diào)節(jié)VHX來實(shí)現(xiàn)精確輔助熱傳遞需要，以滿足瞬時(shí)冷卻和加熱負(fù)荷。本新系統(tǒng)的構(gòu)置能在任何兩模式之間以零時(shí)間延遲轉(zhuǎn)換，從而系統(tǒng)不論何時(shí)總是符合瞬時(shí)冷卻和加熱負(fù)荷。一種模糊遺傳機(jī)器學(xué)習(xí)理論已發(fā)展以促進(jìn)模式選擇來控制IHP系統(tǒng)。集成熱泵干燥劑除濕系統(tǒng)是設(shè)計(jì)來有效地除去濕氣。
文檔編號(hào)G05B13/04GK1873350SQ200610084598
公開日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2006年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者梁國熙, 林康南, 梁耀彰, 龔子游, 廖俊豪 申請(qǐng)人:香港大學(xué)