混合空气冷却系统和方法
阅读说明：本技术 混合空气冷却系统和方法 (Hybrid air cooling system and method ) 是由 克里斯托弗尔·约翰内斯·韦尔默朗 于 2020-01-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种混合空气冷却系统10,其包括用于接收主空气流14的主入口12、用于将调节空气流18供应到调节空间的主出口16以及在主入口12和主出口16之间延伸的主空气流动通道20。系统10还包括主热交换装置22,其设置在主空气流动通道20中,其适于允许主空气流14可操作地通过其中,以在主空气流14通过其中时从主空气流14中提取热能,从而形成经调节的空气流18。主热交换装置22包括利用第一冷却剂26从主空气流14中提取热能的第一间接热交换元件24,利用第二冷却剂30从主空气流14中提取热能的第二间接热交换元件28,以及利用第三冷却剂34从主空气流14中提取热能的第三直接热交换元件32。(The present invention relates to a hybrid air cooling system 10 including a primary inlet 12 for receiving a primary air stream 14, a primary outlet 16 for supplying a conditioned air stream 18 to a conditioned space, and a primary air flow passage 20 extending between the primary inlet 12 and the primary outlet 16. The system 10 further includes a primary heat exchange means 22 disposed in the primary air flow passage 20 and adapted to allow the primary air stream 14 to operatively pass therethrough to extract heat energy from the primary air stream 14 as the primary air stream 14 passes therethrough to form the conditioned air stream 18. The main heat exchange means 22 comprises a first indirect heat exchange element 24 which uses a first coolant 26 to extract thermal energy from the main air stream 14, a second indirect heat exchange element 28 which uses a second coolant 30 to extract thermal energy from the main air stream 14, and a third direct heat exchange element 32 which uses a third coolant 34 to extract thermal energy from the main air stream 14.)
技术领域
本发明涉及一种混合空气冷却系统和方法。更具体地，但非排他地，本发明涉及能够根据主要大气条件调整其运行状态的混合空气冷却系统和方法。
背景技术
包括蒸发冷却单元和制冷冷却单元的混合空气冷却系统是众所周知的并且被广泛使用，蒸发冷却单元依靠液体蒸发来冷却介质，制冷冷却单元依靠一系列热力学过程，将热量从冷介质中吸出并排出到热介质。
与制冷冷却单元相比，蒸发冷却单元在运行过程中消耗的电力明显更少，因此运行起来更经济。然而，由于蒸发冷却的工作依靠液体的蒸发，因此其在潮湿条件下无法有效运行。
由于上述原因，各个冷却单元特别是在需要调节大面积温度的情况下往往安装在一起，以利用两种冷却单元的运行优势。根据该配置，主要依靠蒸发冷却单元向指定区域供应冷空气，并且仅在蒸发冷却单元由于通常不利的大气条件而无法充分供应冷空气时才使用制冷冷却单元。
上述混合空气冷却系统的缺点是当制冷冷却单元运行时其电力消耗显著增加。众所周知，电力服务提供商不仅根据特定时间段内的总用电量(通常以千瓦时为单位)向消费者收费，而且还根据同一时期使用的高峰载荷向消费者收费，而不考虑所需的高峰载荷的持续时间。制冷冷却单元是冷却系统峰值载荷使用的主要贡献者。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种混合空气冷却系统和方法，利用该混合空气冷却系统和方法可以克服或至少减少上述缺点，和/或该混合空气冷却系统和方法将是已知的混合空气冷却系统和方法的有用替代方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种混合空气冷却系统，其包括：
-用于接收主空气流的主入口，用于将调节空气流供应到调节空间的主出口，以及在主入口和主出口之间延伸的主空气流动通道；
-主热交换装置，其设置在主空气流动通道中并且适于允许主空气流可操作地通过其中，主热交换装置可操作以在主空气流通过时从主空气流中提取热能并因此形成来自主空气流的调节空气流，主热交换装置包括：
o第一间接热交换元件，其可操作地利用第一冷却剂从主空气流中提取热能；
o第二间接热交换元件，其可操作地利用第二冷却剂从主空气流中提取热能；以及
o第三直接热交换元件，其可操作地利用第三冷却剂从主空气流中提取热能；
-蒸发冷却单元，用于在第一冷却剂可操作地供应给第一间接热交换元件之前通过蒸发从第一冷却剂中提取热能；
-热能储存器，用于在第二冷却剂可操作地供应给第二间接热交换元件之前从第二冷却剂吸收热能；以及
-主冷却剂分配装置，用于将第三冷却剂分配到第三直接热交换元件上，因此当主空气流与第三冷却剂接触时，从主空气流中有效地提取热能，并且将来自第三冷却剂的水分吸收至主空气流。
应当理解，混合空气冷却系统可以配置成可操作地通过借助于选自包括第一间接热交换元件、第二间接热交换元件和第三直接热交换元件的组中的任何一个或多个从主空气流提取热能来在特定时间点冷却主空气流。
根据本发明的示例性实施方式，混合空气冷却系统可以配置成在第一大气条件下，通过借助于第一热交换元件和第三热交换元件中的任何一个或两者从主空气流提取热能来可操作地冷却主空气流，并且配置成在第二大气条件下，其中第一和第三热交换元件不能将主空气流冷却到期望的设定点温度，通过借助于第二间接热交换元件从主空气流提取热能来可操作地冷却主空气流。
通过第二间接热交换元件与第一和第三热交换元件中的任何一个或两者相结合，或者与第一和第三热交换元件中的任何一个或两者分开地从主空气流中提取热能。
第一大气条件设置成比第二大气条件更有利于蒸发冷却。更具体地，在第一大气条件下的空气比在第二大气条件下的空气具有更低的相对湿度。因此，在第一大气条件下的湿球压降比在第二大气条件下更大，并且湿球压降比是对系统效率的最大影响因素。
在主热交换装置下方可以设置主冷却剂储存器，用于接收和积聚从第三直接热交换元件流出的第三冷却剂。根据示例性实施方式，系统配置成可操作地将第三冷却剂从主冷却剂储存器供应到主冷却剂分配装置。
主冷却剂分配装置可以包括位于第三直接热交换元件的可操作的上端处的主歧管。
提供的蒸发冷却单元包括：
-用于接收次级空气流的次级入口，用于从冷却单元排出废气流的次级出口，以及在次级入口和次级出口之间延伸的次级空气流动通道；
-次级直接热交换元件，其设置在次级空气流动通道中并且适于允许次级空气流可操作地通过其中；以及
-次级冷却剂分配装置，用于在第二直接热交换元件上分配第一冷却剂，因此当第一冷却剂与次级空气流接触时可操作地从第一冷却剂中提取热能并且将来自第一冷却剂的水分吸收至次级空气流。
在次级直接热交换元件下方可以设置次级冷却剂储存器，用于可操作地接收和积聚从次级直接热交换元件流出的第一冷却剂。
次级冷却剂分配装置可包括位于次级直接热交换元件上方的次级歧管。
第一间接热交换元件设置成包括一段管道，第一冷却剂可操作地流经该管道并且主空气流通过该管道上方，因此热能从主空气流传递到第一冷却剂。
优选地，该系统配置成将第一冷却剂从次级冷却剂储存器可操作地供应到第一间接热交换元件，其中热能从主空气流传递到第一冷却剂，并且进一步配置成随后将第一冷却剂从第一间接热交换元件返回到次级冷却剂分配装置。
该系统还可包括用于接收第二冷却剂并且可操作地将来自第二冷却剂的热能传递到散热器的传热装置。根据本发明的实例性实施方式，传热装置是热泵的形式并且热阱是大气。
该系统可以配置成可操作地将第二冷却剂从传热装置供应到热能储存器，其中第二冷却剂从热能储存器吸收热能，并且配置成随后将第二冷却剂返回到传热装置。
热能储存器可以包括：
-壳体，其中堆叠有多个热能储存元件，每个元件具有由柔性材料形成并填充有热能储存介质的外壳；以及
-储存冷却剂分配装置，用于将第二冷却剂分配在热能储存元件上，因此当第二冷却剂流过并与热能储存元件接触时，热能能够可操作地在第二冷却剂和热能储存元件之间传递。
第二间接热交换元件设置成包括一段管道，第二冷却剂可操作地流经该管道并且主空气流通过该管道上方，因此热能从主空气流传递到第二冷却剂。
该系统配置成使得根据其第一示例运行状态，将第二冷却剂从热能储存器可操作地供应到第二间接热交换元件，其中热能从主空气流传递到第二冷却剂。第二冷却剂随后从第二间接热交换元件返回到热能储存器，其中热能从第二冷却剂传递到热能储存器。更具体地，当第二冷却剂和热能储存元件彼此接触时，热能从第二冷却剂传递到热能储存元件。
优选地，第二冷却剂从壳体的底部区域可操作地供应到第二间接热交换元件，并且在热能从主空气流传递到第二冷却剂之后，第二冷却剂从第二间接热交换元件返回到储存器。
该系统配置成使得根据其第二示例运行状态，第二冷却剂从热能储存器可操作地供应到传热装置，在传热装置中，热能从第二冷却剂排出到热阱。第二冷却剂随后从传热装置返回到热能储存器，在热能储存器中，热能从储存器传递到第二冷却剂。更具体地，当热能储存元件和第二冷却剂彼此接触时，热能从热能储存元件传递到第二冷却剂。
优选地，热能储存元件的热能储存介质包括相变介质，例如水。
第一、第二和第三热交换元件设置为串联定位，因此主空气流在其从主入口移动到主出口时可操作地穿过第一、第二和第三热交换元件中的每一个。
主鼓风机可以位于主空气流动通道中，用于诱导主空气流。
次级鼓风机可以位于次级空气流动通道中，用于诱导次级空气流。
根据本发明的实例性实施方式，主入口、主出口、主空气流动通道和主热交换装置可以共同形成主冷却单元。主冷却单元可以一体地连接到蒸发冷却单元。
第一和第三冷却剂可以包括水。第二冷却剂可包括具有附加剂(例如降低第二冷却剂的冰点温度的防冻剂)的水。
根据本发明的第二方面，提供了一种将调节气流供应到调节空间的方法，该方法包括以下步骤：在第一大气条件下：
-通过蒸发从第一冷却剂中提取热能；
-向第一间接热交换元件供应第一冷却剂；
-在第三直接热交换元件上分配第三冷却剂；以及
-迫使主空气流通过第一和第三热交换元件，因此当空气流通过第一热交换元件时，热能从空气流传递到第一冷却剂，并且进一步当空气流与第三冷却剂接触时从空气流中提取热能并且第三冷却剂的水分被吸收至空气流，从而从主空气流形成调节的空气流；
以及在第二大气条件下：
-通过将第二冷却剂带到储存器附近，将热能从第二冷却剂传递到热能储存器，该热能储存器保持在比第二冷却剂更低的工作温度；
-向第二间接热交换元件供应第二冷却剂；以及
-迫使主空气流通过第二热交换元件，因此当第二冷却剂通过第二热交换元件时，热能从空气流传递到第二冷却剂，从而从主空气流形成调节的空气流。
在第二大气条件下，第一和第三热交换元件可能无法将主空气流冷却到期望的设定点温度。
该方法进一步提供，在第二大气条件下：
-通过蒸发从第一冷却剂中提取热能；
-向第一间接热交换元件供应第一冷却剂；以及
-迫使主空气流通过第一热交换元件，因此当空气流通过第一热交换元件时，热能从空气流传递到第一冷却剂。
该方法还提供，在第二大气条件下：
-将第三冷却剂分配在第三直接热交换元件上；
-迫使主空气流通过第三热交换元件，因此当空气流与第三冷却剂接触时从空气流中提取热能并且将来自第三冷却剂的水分吸收至空气流。
也提供了将来自第二冷却剂的热能传递到热阱。根据本发明的实例性实施方式，传热装置是热泵的形式并且热阱是大气。
第一大气条件设置成比第二大气条件更有利于蒸发冷却。更具体地，在第一大气条件下的空气比在第二大气条件下的空气具有更低的相对湿度。因此，在第一大气条件下的湿球压降比在第二大气条件下更大，并且湿球压降是对系统效率的最大影响因素。
下文中将更详细地描述本发明的上述和其他特征。
附图说明
下文中仅通过非限制性示例并参考附图描述本发明的一个实施方式，其中：
图1是根据本发明的混合空气冷却系统的示意性剖切透视前视图；
图2是构成图1的系统一部分的主冷却单元的示意性剖切透视后视图；
图3是使用中的主冷却单元的示意后视图；以及
图4是使用中的主冷却单元的示意性主视图。
具体实施方式
参考附图，其中相同的数字表示相同的特征，根据本发明的混合空气冷却系统在图1中总体上由参考数字10表示。
系统10包括用于接收主空气流14的主入口12(参见图4)、用于将调节的空气流18供应到调节空间(未示出)的主出口16、以及在主入口12和主出口16之间延伸的主空气流动通道20。
系统10还包括主热交换装置22，其设置在主空气流动通道20中。主热交换装置22适于允许主空气流14可操作地通过主热交换装置22，以在主空气流14通过时从主空气流14中提取热能，从而形成经调节的空气流18。主热交换装置22包括利用第一冷却剂26从主空气流14中提取热能的第一间接热交换元件24，利用第二冷却剂30从主空气流14中提取热能的第二间接热交换元件28，以及利用第三冷却剂34从主空气流14中提取热能的第三直接热交换元件32。在冷却阶段，由于主空气流14通过第一间接热交换元件24和第二间接热交换元件28，主空气流14不吸收任何额外的水分，并且在冷却阶段，由于主空气流14通过第三直接热交换元件32，主空气流14吸收一些额外的水分。这是因为当主空气流14可操作地通过第一间接热交换元件24和第二间接热交换元件28时，主空气流14不与第一冷却剂26和第二冷却剂30接触，但是当主空气流14可操作地通过第三热交换元件32时，主空气流14确实与第三冷却剂34接触。
根据所示的本发明的示例性实施方式，第一、第二和第三热交换元件24、28、32串联定位，因此当主空气流14从主入口12移动到主出口16时，主空气流14可操作地穿过这些热交换元件24、28、32中的每一个。位于主空气流动通道20中的主空气鼓风机36可操作地诱导主空气流14。
系统10还包括蒸发冷却单元38，其在第一冷却剂26可操作地提供给第一间接热交换元件24之前通过蒸发从第一冷却剂26提取热能。系统10包括热能储存器40，其在第二冷却剂30可操作地供应到第二间接热交换元件28之前，可操作地从第二冷却剂30吸收热能。
系统10还包括主冷却剂分配装置42，用于将第三冷却剂34分配到第三直接热交换元件32上，因此当主空气流14与第三冷却剂34接触时可操作地从主空气流14中提取热能，并且第三冷却剂34的水分被可操作地吸收至主空气流14。
主入口12、主出口16、主空气流动通道20和主热交换装置22共同形成主冷却单元。优选地，主冷却单元一体地连接到蒸发冷却单元38。
系统10配置成在第一大气条件下通过仅借助于第一和第三热交换元件24、32从主空气流14提取热能来可操作地冷却主空气流14，并且在第二大气条件下，由于第一和第三热交换元件24、32不能将主空气流14冷却到期望的设定点温度，通过借助于第二间接热交换元件28从主空气流14提取热能来可操作地冷却主空气流14。第一大气条件比第二大气条件更有利于蒸发冷却。因此，作为单元效率的最大影响因素的湿球压降在第一大气条件下比在第二大气条件下更大，第二大气条件需要通过第一和第三热交换元件24、32以及第二间接热交换元件28提取热能。可以设想，根据运行要求，第二热交换元件28可以单独操作或与第一和第三热交换元件24、32结合操作。
转到图2和图3，蒸发冷却单元38包括用于接收次级空气流46的次级入口44(在该实例性实施方式中为两个相对的次级入口44)，用于从冷却单元38排出废气流50的次级出口48，以及在次级入口44和次级出口48之间延伸的次级空气流动通道52。位于次级空气流动通道52中的次级空气鼓风机54可操作地引入次级空气流46。
蒸发冷却单元38还包括设置在次级空气流动通道52中并且适于允许次级空气流46可操作地通过其中的次级直接热交换元件56，在该示例实施方式中为两个相对的热交换元件56，每个热交换元件56位于次级入口44中的一个的附近。
呈次级歧管形式的次级冷却剂分配装置58位于元件56中的每一个的上方，用于将第一冷却剂分配到每个次级直接热交换元件56上。当第一冷却剂26与次级空气流46接触时，通过蒸发冷却从第一冷却剂26可操作地提取热能，并且来自第一冷却剂26的水分被吸收至次级空气流46。需要向第一冷却剂26施加热能以将其从液体变为蒸气，当相变发生时，热量从第一冷却剂26损失，这导致第一冷却剂26的冷却。
如图所示，次级冷却剂储存器60位于次级热交换元件56中的每一个的下方，用于可操作地接收和积聚从次级直接热交换元件56流出的冷却的第一冷却剂26。第一冷却剂26通常通过至少一个液体循环泵和相关管道(未示出)从次级冷却剂储存器60通过第一间接热交换元件24可操作地供应到次级冷却剂分配装置58。
第一间接热交换元件24包括一段管道，第一冷却剂26可操作地流过该管道并且主空气流14从该管道上通过，因此热能从主空气流14传递到第一冷却剂26，从而冷却主空气流14。第一冷却剂26从次级冷却剂储存器60可操作地供应到第一间接热交换元件24，其中热能从主空气流14传递到第一冷却剂26，随后从第一间接热交换元件24返回到次级冷却剂分配装置58，随后返回到次级直接热交换元件56，用于冷却。
设置传热装置62，用于将热能从第二冷却剂30传递到热阱。在本发明的该示例性实施方式中，传热装置62是热泵的形式并且热阱是大气空气。
热能储存器40包括绝缘壳体64，其中堆叠有多个热能储存元件66，每个元件66具有由柔性材料形成并填充有以相变介质(例如水)的形式存在的热能储存介质(未示出)的外壳。储存器40还包括以储存歧管形式的储存冷却剂分配装置68，用于将第二冷却剂30分配到热能储存元件66上，因此当第二冷却剂30流过热能储存元件66时，热能可操作地允许在第二冷却剂30和热能储存元件66之间传递。
第二间接热交换元件28包括一段管道，第二冷却剂30可操作地流经该管道并且主空气流14在该管道上通过，由此热能从主空气流14传递到第二冷却剂30。
根据系统10的第一示例操作状态，由于需要借助于第二间接热交换元件28从主空气流14中提取热能，以便将空气流14冷却到期望的设定点温度，第二冷却剂30通过管道70从例如热能储存器40的下部底部区域可操作地供应到第二间接热交换元件28。为了实现相同的目的，安装在管道70上的阀门72A、72C和72E需要处于打开构造，从而允许第二冷却剂30可操作地通过它们，并且同样安装在管道70上的阀门72B和72D需要处于关闭构造，从而防止第二冷却剂30可操作地通过它们。
在第二间接热交换元件28处，热能从主空气流14传递到第二冷却剂30，第二冷却剂30随后通过储存冷却剂分配装置68从第二间接热交换元件28返回到热能储存器40，在储存冷却剂分配装置68中热能从第二冷却剂30传递到储存器40。更具体地，当第二冷却剂30和热能储存元件66彼此接触时，热能从第二冷却剂30传递到热能储存元件66。
此外，根据系统10的第二示例操作状态，由于不需要借助于第二间接热交换元件28从主空气流14提取热能以将空气流14冷却到期望的设定点温度，并且热能储存元件66需要被冷却(充电)，第二冷却剂30通过管道70从热能储存器40(的下部底部区域)可操作地供应到传热装置62。为了实现相同的目的，阀门72A和72D需要处于关闭构造，从而防止第二冷却剂30可操作地通过它们并因此通过第二间接热交换元件28，并且阀门72B、72C和72E需要处于打开构造，从而允许第二冷却剂30可操作地通过它们。
在热交换装置62处，热能从第二冷却剂30排出到热阱，并且第二冷却剂30随后经由储存冷却剂分配装置68从传热装置62返回到热能储存器40，在储存冷却剂分配装置68中热能从储存器40传递到第二冷却剂30。更具体地，当热能储存元件66和第二冷却剂30彼此接触时，热能从热能储存元件66传递到第二冷却剂30。
此外，根据系统10的第三示例操作状态，由于环境空气的温度低于受调节空间的期望温度，需要借助于第二间接热交换元件28将热能加到主空气流14，以将空气流14加热到期望的设定点温度。第二冷却剂30通过管道70从第二间接热交换元件28可操作地供应到传热装置62。为了实现同样的目的，阀门72B、72C和72E需要处于关闭构造，从而防止第二冷却剂30可操作地通过，并且阀门72A和72D需要处于打开构造，从而允许第二冷却剂30可操作地通过它们。
在热交换装置62处，热能传递到第二冷却剂30，并且冷却剂30随后从传热装置62返回到第二间接热交换元件28，其中热能从第二冷却剂30传递到空气流14。
主冷却剂储存器74设置在主热交换装置22下方，用于可操作地接收和积聚从第三直接热交换元件32流出的第三冷却剂34，以及沿第一和第二间接热交换元件24、28流下的任何冷凝物。第三冷却剂34通常通过液体循环泵和相关的管道(未示出)从主冷却剂储存器74可操作地供应到主冷却剂分配装置42，主冷却剂分配装置42呈主歧管的形式位于在第三直接热交换元件32的可操作的上端。
申请人相信，本发明提供了一种有效的解决方案，用于显著降低混合空气冷却系统的峰值载荷电力使用，无论其基于大气条件的运行状态如何。更具体地，在不利于蒸发冷却的(潮湿)大气条件下，热能储存器40形式的冷却装置可用于冷却目的，因此无需使用比同等蒸发冷却装置消耗更多电力的基于制冷剂的冷却装置。此外，例如，在电力需求低时(例如在夜间)以及在某些情况下电价也较低时，可以从热能储存器40中提取热能。因此，当可能需要将热能从主空气流14经由第二冷却剂30传递到热能储存器40时，储存器40处于低工作温度并且能够持续很长一段时间从第二冷却剂30吸收热能。
本领域技术人员将理解，本发明不限于本文所述的精确细节，并且在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以进行许多变化。例如，可以设想在第二大气条件下，第一和第三热交换元件24、32可以与第二热交换元件28相结合可操作地使用以从主空气流14提取热能。类似地，在第一大气条件下，第二热交换元件28可以与第一和第三热交换元件24相结合可操作地使用以从主空气流14中提取热能。此外，热交换元件24、28和32中的任何一个可以可操作地单独使用，或者与其余热交换元件24、28和32中的任何一个或多个结合以提取热能。此外，在本发明的示例性实施方式中，系统10可以包括用于从外部源(未示出)接收第一冷却剂26的液体入口(未示出)，外部源例如是除了蒸发冷却单元38之外或者代替蒸发冷却单元38的地下水储存器，其随后供应到第一热交换元件24，冷却剂26此后可以返回到外部源。还设想的是，在本发明的另一实施方式中，蒸发冷却单元38、管道70、传热装置62和热能储存器40中的任何一个或多个以及其相关联的组件中的任何一个或多个可以被省略，并且系统10包括用于从外部源(未示出)接收第一冷却剂26的液体入口(未示出)，外部源例如是除了蒸发冷却单元38之外或者代替蒸发冷却单元38的地下水储存器，其随后供应到第一热交换元件24，冷却剂26此后可以返回到外部源。
说明书是为了提供认为是对本发明的原理和概念方面的最有用和最容易理解的描述。就这一点而言，没有尝试比对本发明的基本理解所需更详细地示出本发明的结构细节。
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