CN1262795C - 工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调，解决现有工业用洁净中央空调安装维修不方便、投资与运行费用高使用不便利、不舒适等问题。本发明的室内、外控制器采集室内空气参数(温度/湿度/风量/风压/新风量)、室外环境参数和表征制冷***运行状况的状态参数，通过改变模块化室外机启动个数等手段调节室外***的功率，连续调节制冷量或制热量，并控制空调***的风机、电子膨胀阀、电磁阀和新、排风调节阀及加湿器等一切可控部件，从而保证洁净室的正压值和室内环境的舒适性，并使被控空调***稳定工作在最佳工作状态。

Description

工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调

技术领域

本发明涉及一种工业用中央空调。

背景技术

随着社会经济的发展，科学技术的进步。人们的生命价值观也发生了深刻而巨大的变化。我国政府为确保人民的生命健康从1997年7月1日起对医药(食品)等生产、加工、储运等企业推行国际通行强制性的GMP认证工作。GMP认证工作的核心技术内容是：针对不同的医疗，药品，医药器材，食品等加工，生产，储运等环节(车间，厂房等)的室内空气环境(空气洁净度，温度，湿度，新风量等)---洁净室(区)提出了明确而严格的技术的标准。原来应用于电子(精机加工)等领域的净化中央空调***技术及相关产品，已简单地应用到医药，食品等工业领域。由于GMP洁净室与电子等工业用洁净室存在着技术要求的差异和特点。此外，随着高新技术的发展，现在的洁净中央空调技术应用到医药，食品等工业洁净室领域，已显示出许多重大缺陷。现有洁净(净化)中央空调在洁净室内上方置有送风静压箱，在所述送风静压箱上方置有高效过滤器，在所述洁净室内下方置有回风管道，该回风管道与所述洁净室外的组合式净化空气处理机相连，所述组合式净化空气处理机包括回风消音管道，该回风消音管道一端与所述回风管道相连，另一端与回风机一端相连，该回风机的另一端与混合管的一端相连，该混合管的另一端与粗效过滤器相连，该粗效过滤器与表冷/加热段相连，该表冷/加热段与加湿器相连，该加湿器与二次加热段相连，该二次加热段与送风机相连，该送风机与中效过滤器相连，该中效过滤器与所述洁净室内的高效过滤器通过送风管道相连。送到洁净室的洁净低温空气，经过洁净室工作区，被污染加热升温后，通过所述回风管道被所述引风机(双风机***的回风机)，抽到所述组合式净化空气处理机，在所述混合管与新风混合，所述粗效过滤器将混合气中粒径较粗的气容胶污染物过滤，过滤后的混合气进入所述表冷/加热段进行降温。该表冷/加热段包括表冷/加热器，在夏天该表冷器内的冷水由冷水机组提供，冬天由其他热源如电、热水、蒸汽为其提供热量。比较级洁净高温的混合气通过所述表冷器与流经表冷器管内的冷水进行间接的热交换，被冷却成低温低湿混合气。该低温低湿混合气被引风机送到中效过滤器，将低温低湿的较洁净的空气中粒经较细的气容胶污染物过滤，形成较为洁净的空气，该较为洁净空气通过所述送风管道送到设置在洁净室吊顶内的高效过滤器(对粒径≥0.1μm的过滤效率高达99.999％)，经过高效过滤器处理后的低温低湿高洁净度的空气通过静压箱后，送到洁净室工作区的上方，以满足工作区对洁净度、温度、湿度、新风量的要求。粗效和中效过滤器是为减轻高效过滤器的负荷而设置。新风与回风的混合气在夏季不需所述加湿器加湿，在冬季该混合气需要所述加湿器加湿。为控制洁净室内的温度，湿度的精度，在冬季该混合气经表冷/加热段加热后，还需二次加热段加热处理。

现行洁净中央空调***存在的如下缺陷：

1、高效过滤器设置位置不当：现行的洁净中央空调***将高效过滤器设置在洁净室的吊顶内，目的是：靠近洁净区能更好地保证洁净室的洁净度，其实存在如下的问题：

(1)洁净室吊顶内施工不方便、施工调试费用高；

(2)提高洁净室的建筑物层高，增加了建筑物造价；

(3)扩大了洁净室的污染区范围，同时也增加污染物源；

(4)高效过滤器的(安装)漏风率的控制难度大，测试困难，一次安装漏风合格率低，整改费用高，周期长(完全取决于施工队伍的专业素质，管理水平和责任心)；

(5)高效过滤器更换，又需在洁净室内二次施工(甚至三次、四次……)吊顶破坏对洁净室环境造成严重污染、施工、漏风试验、整改、洁净室自净等，既浪费钱财，又影响企业正常生产。

2、***各环节烦杂、分散、独立、控制关联性差：

从大的方面划分，现行洁净中央空调***可分为四大环节(部分)：

(a)冷、热源供应部分(各种冷水机组、热水、蒸汽、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵等)

(b)洁净室外组合式净化空气处理机部分(含送、回风机)

(c)高效过滤器及送回风管道部分

(d)洁净室工作区部分。

从现在产业、技术现状看，由于各环节分散独立，控制关联性差，导致洁净室工程存在如下问题：

(1)费用高：

电控部分各自独立，不存在关联控制，造成操作烦锁、运行管理复杂、运行管理人员和费用浪费较大

(2)能耗高

洁净室内温度、湿度控制与冷、热源不直接关联控制，一方面易造成室内参数失控，另一方又造成大量的能量无效消耗，例如：冷水机组的冷冻水泵、冷却塔、冷却水泵(甚至是冷水机组)不管洁净室内的需求是多少，它们都在不停地运转无效能耗至少在20％以上。

(3)工程造价高

***四大部分除冷水机组(水泵、冷却塔等设备)洁净室外组合式净化空气处理机部分，高效过滤器为专业厂家生产供货外，整个洁净室(含吊顶、高效过滤器安装，送风口，回风口，送风管，回风管，新风管，热电厂风管，冷水管，热水管，冷却水管各种配件及组合空气处理机组安装，冷水机组安装，冷却塔安装，水泵安装等)工程现场加工，安装施工工作量大，而工厂定制化生产少。再加上***环节烦杂，利益主体过于分散，必然导致：工程差异性大，管理难度大，工程造价高。

(4)工程质量控制难度大

一般来讲：施工现场加工、安装(点、面)质量控制，比工厂定制化生产条件下的加工，安装的质量控制要困难得多，而且成本投入也要高。因此，现行洁净中央空调***(工程)不仅是费钱！费能！而且质量控制难度大。

发明内容

针对上述不足，本发明提供一种能够在工厂订制、便于现场安装维修，各部分能够关联控制、有利于保障洁净室洁净度的工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调，包括洁净室内送风静压箱和与其通过管道连接的室内组合式净化空气处理装置，所述管道包括排风管道和送风管道，所述室内组合式净化空气处理装置包括表冷/加热装置，所述表冷/加热装置包括机械部分和电子控制部分：所述机械部分包括一压缩机，该压缩机输出端通过冷媒管接四通阀的一个端口，该四通阀的另三个端口通过冷媒管分别接室外换热器一端、表冷/加热段一端和所述压缩机的输入端，所述室外换热器另一端通过冷媒管与膨胀阀的一端相连，该膨胀阀的另一端通过冷媒管与所述表冷/加热段另一端连接；与所述室外换热器对应位置设有室外风机，与所述表冷/加热段对应位置设有室内风机；所述电子控制部分包括相互连接的室外控制器和室内控制器，所述压缩机、四通阀、室外风机、膨胀阀与所述室外控制器相连接；所述室内风机与所述室内控制器连接。

所述表冷/加热段与一个或多个室外换热器连接，所述室内控制器并联有多个室外控制器。

本发明将高效过滤段设在洁净室外、工作室内，通过所述送风管道与所述洁净室内送风静压箱连接。

由于采用上述技术方案本发明具有以下技术效果：夏天所述室外控制器控制所述压缩机工作，该压缩机吸入低温低压的气态制冷剂，排出高温高压的气态制冷剂，该制冷剂在冷凝器(散热器)中被冷却，释放出制冷剂中的热量，变成高压低温的的液态制冷剂，经过电子膨胀阀变成低温低压的液态制冷剂，该液态制冷剂在蒸发器中被蒸发，吸收空气中的热量，变成低温低压的气态制冷剂，实现制冷。冬天反之实现制热。

本发明将高效过滤段设在洁净室外、工作室内，通过所述送风管道与所述洁净室内送风静压箱连接，具有以下优点：

(1)洁净室的洁净度保碍度提高了

原因有三：其一：高效过滤成为工厂定制化条件下的生产一个功能段(部件)无论是从选材加工、安装工艺，漏风检测等工作质量控制均比在工程现场(吊顶内施工)工作质量的控制要更简易、快捷、可靠。

其二：洁净室的复杂吊顶成为简单的静压送风箱的安装，不仅节省吊顶空间，同时减小洁净室周围的污染区范围，更为突出的是：洁净室的吊顶内没有其他的污染物了，无疑对洁净室的洁净度保碍更为有利。

其三：高效过滤器的更换工作，不需要在洁净室内进行，不存在由于高效过滤器的更换而导致的二次施工对洁净室环境二次破坏和污染。

(2)工程综合造价降低了

原因有三：其一：降低了洁净室的层高，(至少可省于800mm吊顶空间)节约了土建工程造价(节省投资10％)。

其二：简化了吊顶结构和作法，节省了吊顶工程费用。

其三：高效过滤(器)由现场施工改为工厂规模生产组装，节省了多个增值服务环节，减少了环节服务成本。

(3)工程工期短了——企业投入生产的时间提前了(综合经济效益提高了)

原因有三：其一：整个***工程作业量中工厂定制化/规模化作业量比率提高了，现场施工作业量减小了，所需工程工期更短了。

其二：洁净室内无高效过滤器及繁杂的吊顶装置，自净时间缩短了，工程工期缩短了。

其三：漏风试验、测试、整改、调试等工作大部分由工厂完成(比在现场完成要简易、快捷、可靠些)工程现场所需时间缩短了。

本发明表冷/加热段针对现有技术采用各种冷水机组、热水、蒸汽、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵等，使冷、热源与室内组合式净化空气处理装置的空气过滤除湿处理高度集中，具有以下优点：

(1)更环保了——原因有三

其一：本专利技术方案中，不论是制冷、制热还是加热全是消耗清洁能源——电，不存在环境污染问题

其二：没有冷却水塔及冷却水泵，也没有冷冻水泵及其相关的水管道水***，不存在“军团菌”对环境的污染

其三：室外风机不论是单机还是组合机的噪音较低，(≤60dB(A))对周围环境影响降低了。

(2)更节能了——原因有三

其一：现有冷源(热源)***均有二次换热问题，本专利方案采用直接蒸发(冷凝)方式不存在二次换热问题，可节省(因二次换热所产生无效)能耗2％左右。

其二：现有冷源(热源)***：其辅助***有冷冻水泵、冷冻水管网、冷却塔、冷却水泵、冷却水管网。辅助能耗比重大(占冷源部分总能耗20-30％左右)，制冷负荷变化时，虽然制冷主机可适当地进行调节，其他辅助能耗一点不能省。管网能损也不少(1％左右)。

本发明没有冷却塔，没有冷却水泵，没有冷冻水泵，没有管网能损。因此，较现行的洁净中央空调方式其运行节能高达21-31％。

因此，本发明工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调的运行能耗是现有洁净中央空调***能耗的70％左右，具有巨大的节能效率。

(3)工程造价节省了——原因有三

其一：冷(热)部分的大大简化，节省了大量的现场工程量和工作量，工程造价降低了。

其二：室外风机可大规模批量生产、同时又省去了许多辅助设备和管网。冷(热)源部分工程设备的造价也降低了。

其三：本发明工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调的大量调试工作在工厂进行，比在现场调试要节省大量的人力和物力，工程造价也节省了。

(4)工程施工周期(工期)短了——原因有二

其一：新冷(热)源方案将现有的冷(热)源***大大简化和集成，使现场安装更加快捷，所需工期也就缩短了。

其二：工程现场调试工作减少，也使工程所需工期缩短了。

附图说明

图1为本发明工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调结构原理图。

图2为本发明工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调的表冷/加热装置结构示意图。

图3为表冷/加热装置室内机电子控制电路方框图。

图4为表冷/加热装置室内机电子控制电路图。

图5为表冷/加热装置室外机电子控制电路方框图。

图6为表冷/加热装置室外机电子控制电路图。

具体实施例

参照附图1，本发明工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调包括送风静压箱1和与其通过管道连接的组合式净化空气处理装置。所述管道包括排风管道和送风管道。洁净室在工作室内，所述送风静压箱1设置在洁净室的上方，所述组合式净化空气处理装置设置在洁净室外工作室内。该组合式净化空气处理装置包括依次设置的回风电动密闭门2、回风消音段3、室内回风机4、混合管5、初效过滤段6、表冷/加热段7、加湿段8、电辅助加热段9、室内送风机10、送风消音端11、中效过滤段12、高效过滤段13、送风电动密闭门14。

参照附图2本发明工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调的包括表冷/加热装置，包括机械部分和电子控制部分：所述机械部分包括一压缩机15，该压缩机15输出端通过冷媒管接四通阀16的一个端口，该四通阀16的另三个端口通过冷媒管分别接室外换热器17一端、表冷/加热段7一端和所述压缩机15的输入端，所述室外换热器17另一端通过冷媒管与膨胀阀19的一端相连，该膨胀阀19的另一端通过冷媒管与所述表冷/加热段7另一端连接；与所述室外换热器17对应位置设有室外风机20，与所述表冷/加热段7对应位置设有室内风机21；所述电子控制部分包括相互连接的室外控制器22和室内控制器23，所述压缩机15、四通阀16、室外风机20、膨胀阀19与所述室外控制器22相连接；所述室内风机21与所述室内控制器23连接。参照图1，所述室内控制器23并联有多个室外控制器22，所述表冷/加热段7与多个所述室外换热器17连接，实现多台室外机拖动一台室内机。

参照附图3、图4与所述室内控制器23相连的排风管道温度传感器T2、送风管道温度传感器T1和蒸发器传感器T3。L1、L2、L3均为故障显示灯。K1、K2、K3为应急灯。U2为可擦除存储体。室内控制器23的型号为68HC08MP16，U3为电源电压检测，U4为电源模块，U5为与所述室外控制器联系的通讯收/发模块。

参照附图5、6室外温度传感器T11、压缩机排气温度传感器T12、压缩机吸气温度传感器T13与所述室外控制器22连接。电子膨胀阀M1、室外风机M2、四通阀M3、压缩机M4与所述室外控制器22连接。U6为可擦除存储体。U5为与所述室外控制器联系的通讯收/发模块。P1为高压开关，P2为低压开关。为三相错序检测电路。室外控制器的型号为MC68HC908MR32。

本发明工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调是随环境温度、室内负荷的不断变化，通过其室内、外控制器适时地调节空调的容量，消除其影响的一种柔性空调***。其工作原理是：由室内、外控制器采集室内舒适性参数(温度/湿度/风量/风压/新风量)、室外环境参数和表征制冷***运行状况的状态参数，根据***运行优化准则和用户现场设定的控制准则，通过改变室外机启动个数等手段调节室外***的功率，连续调节制冷量或制热量，并控制空调***的风扇、电子膨胀阀、风向调节板及电磁阀等一切可控部件，从而保证室内环境的舒适性，并使被控空调***稳定工作在最佳工作状态。

现有工业用中央空调由于***采用水为二次冷媒的方式，存在***耗能大，***控制惯性大的缺点。在室内舒适性方面：①压缩机的启停控制是根据设定室温和上下偏差来实现的，所以室内温度不可能保持恒定，只能在设定温度上下波动，用户在波动的温度环境中会感到时冷时热，很不舒适；②当房间热负荷较大时，空调器从启动开始，需要经历较长一段时间才能达到设定温度，所以室内不舒适时间较长；③由于***使用大排量压缩机组成，压缩机的频繁启停及室内风速切换都会有较大的***脉动。在能耗方面：①压缩机启停运行不仅会降低其使用寿命，而且使制冷***存在着较大的不可逆损失。由于房间的地理位置、大小、方位和建筑材料不同，其热负荷也不相同，当负荷越小，压缩机的启停频率越高，压缩机及整机效率也越低；②传统空调***采用启停控制，其季节能效比得不到根本地改善；③压缩机在启动时，其启动电流是运转电流的5至7倍，对室内设备及区域电网都会有影响。本发明工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调采用多拖一控制技术，能从根本上改善传统空调***存在的缺陷。由于多拖一空调***根据室温/湿度/风量/风压与设定值的差值及差值的变化情况，采用室内、外控制器控制压缩机的启停及其个数和风扇电机的转速，可连续改变***中制冷剂的流量和换热器风量，

本发明工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调降低了***的造价，提高了***的可靠性，降低了***的运行费用。本发明工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调，按工程产品的特点，设计成半定制方式。即：主机的主要功能已经在工厂设置完成，部分功能参数在工程现场设定。GMP控制***采用“面向对象”的概念，其控制机(机体控制器)的每个I/O模块均以CPU为核心，集软件，硬件为一体，能执行满足工程需要的专门测量和控制任务。它与专门的传感器、执行器连接，完成全套测量或控制操作及相应的数据处理与分析。例如，温度测量模块，除直接测量温度、湿度外，还由此计算出空气的相对湿度。它还利用卡门滤波技术对所测数据进行处理，保证最终送出参数的正确性和可靠性。在发现传感器出现故障时，它还可以立即报警。又例如，风机/压缩机控制模块，它不断地全方位监测电机运行状态，并根据所接受的命令结合电机当时的运行状态的分析对风机/压缩机进行启动、停止、降压启动等控制。在发现风机/压缩机出现故障时，该模块自动报警。这样，每个I/O模块直接对应一个或几个物理设备，再不需要使用者对通用的输入输出通道进行二次开发与组态。尽管每个I/O模块变成了测控某对象的专用模块，但只要按需要根据实际的被控对象将多个I/O模块拼起来，即可满足不同的特殊要求。况且每一个I/O模块的测控方式及各类测控参数均可由用户灵活地修改，使得批量生产的每一种专用模块具有相当的应用灵活性。这样，硬件软件产品的通用性与各测控对象的特殊性之间的矛盾得到有机的统一。

一个现场控制单元的功能可以划分为：测量传感器物理参数；通过计算或逻辑分析确定控制动作；指挥执行器实施这些动作；通过键盘及显示装置与本地操作者或维修人员对话；通过通讯网与其它控制单元及监控管理机交换信息。GMP机体控制***的控制单元将这些功能完全分配到相应的功能模块中实现。每个模块中硬件、软件及功能三者统一于一体。尽管这些模块都插在控制机架中，但是每一个都可以独立工作、带电插拔、即插即用。这便是“面向对象”的控制器结构设计新概念。

使用GMP控制***对一个GMP空调/新风/洁净***进行测控，首先确定测控设备，根据测控设备选择相应的I/O模块，需要通讯则再加入一个通讯模块，需要协调控制时加入一个计算模块，即构成了一台现场控制机。接线通电后，执行一步安装操作后即可工作。由于各I/O模块中已固化好专用软件，用户技术人员只须核对一下各I/O模块的默认测控方式是否符合要求，若都符合则无须额外工作；若有不符合者则简单修改一下模块的测控方式便可。需要用户技术人员进行二次开发的仅仅是编制主控模块的控制方案，以实现用户要求的特殊计算与逻辑判断。由于I/O模块具有较强的测控功能，主控模块控制方案的编制比较简单。用户编制主控模块的控制方案可以在监控管理机进行，通过通讯网将控制方案下载给计算模块。

Claims (7)

1、一种工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调，包括洁净室内送风静压箱和与其通过管道连接的室内组合式净化空气处理装置，所述管道包括排风管道和送风管道，所述室内组合式净化空气处理装置包括表冷/加热装置，其特征在于所述表冷/加热装置包括机械部分和电子控制部分：所述机械部分包括一压缩机，该压缩机输出端通过冷媒管接四通阀的一个端口，该四通阀的另三个端口通过冷媒管分别接室外换热器一端、表冷/加热段一端和所述压缩机的输入端，所述室外换热器另一端通过冷媒管与膨胀阀的一端相连，该膨胀阀的另一端通过冷媒管与所述表冷/加热段另一端连接；与所述室外换热器对应位置设有室外风机，与所述表冷/加热段对应位置设有室内风机；所述电子控制部分包括相互连接的室外控制器和室内控制器，所述压缩机、四通阀、室外风机、膨胀阀与所述室外控制器相连接；所述室内风机与所述室内控制器连接。

2、根据权利要求1所述的一种工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调，其特征在于：所述表冷/加热段与一个或多个室外换热器连接，所述室内控制器并联有多个室外控制器。

3、根据权利要求1或2所述的一种工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调，其特征在于：所述室内风机包括室内回风机和室内送风机，所述膨胀阀为电子膨胀阀。

4、根据权利要求3所述的一种工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调，其特征在于：所述室内回风机与所述洁净室内送风静压箱通过所述排风管道连接，二者之间置有回风消音段和回风电动密闭门。

5、根据权利要求4所述的一种工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调，其特征在于：所述室内回风机与所述表冷/加热装置之间依次置有混合管段、初效过滤段，所述表冷/加热装置与所述室内送风机之间依次置有加湿段、二次加热段；所述室内送风机与所述洁净室内送风静压箱之间依次置有送风消音段、中效过滤段、高效过滤段、送风电动密闭门，该送风电动密闭门通过所述送风管道与所述洁净室内送风静压箱连接。所述回风电动密闭门、回风消音段、室内回风机、混合管、初效过滤段、表冷/加热段、加湿段、电辅助加热段、室内送风机、送风消音端、中效过滤段、高效过滤段、送风电动密闭门为整装组合式关系。

6、根据权利要求1或2所述的一种工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调，其特征在于：还包括与所述室外控制器相连的室外温度传感器、压缩机排气温度传感器、压缩机吸气温度传感器。

7、根据权利要求1或2所述的一种工业用风冷直蒸式热泵洁净中央空调，其特征在于：还包括与所述室内控制器相连的排风管道温度传感器、送风管道温度传感器和蒸发器传感器。

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