一种用于严寒地区植物舱的温湿度独立控制系统的制作方法

1.本发明涉及一种环境控制系统，尤其是涉及一种用于严寒地区植物舱的温湿度独立控制系统。


背景技术：

2.我国北部严寒地区的植物生长是一大难题。为了满足本地蔬菜供应需求，缓解长途物流运输的困难，采用集装箱式的植物舱并提供配套的温控系统，近年来成为关注热点。
3.和气候温和地区不同，用于严寒地区植物舱内部的环境控制面临更大的难题：
①
昼夜温差、季节温差大，冬季室外温度能低至零下30℃需要供热，而夏季午时最高室外可到35℃需要制冷。
②
由于植物蒸腾作用，植物舱内常年维持较高湿负荷。同时由于要控制室内二氧化碳浓度以满足植物光合作用的生长需求，该湿负荷难以通过引入新风排除。
4.现有蒸汽压缩式制冷热泵的环控系统，利用制冷剂蒸发从空气中取热使其降温除湿，冷凝热则通过室外空气排出。例如cn 110178600 a公开有一种利用温室效应集热和风机盘管换热的智能温室及环控方法，其风机盘管中的冷热流体可由制冷热泵系统制备。但此类系统无法实现对室内温度和湿度的独立控制。此外，在冬季室外温度极低的情况下，压比极小压缩机无法正常工作，难以满足室内除湿需求。
5.现有用于常规空调系统的温湿度独立控制系统，多采用转轮固体除湿或者溶液吸附除湿的手段处理湿负荷，采用蒸汽压缩式制冷热泵系统处理显热负荷。例如cn 106958894 a公开有一种高温冷水机组处理显热负荷、溶液除湿单元处理湿负荷的温湿度独立控制空调系统。但此类系统同样难以适用严寒地区的植物舱。其一，植物舱内是否引入新风由内部二氧化碳浓度决定，无法随时引入新风同回风热湿传递带走湿负荷；其二，当室外环境温度处于零下，除湿系统内部将发生结冰。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于严寒地区植物舱的温湿度独立控制系统，解决了室内温度和湿度的独立高效控制问题。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.本技术的目的是保护一种用于严寒地区植物舱的温湿度独立控制系统，包括第一制冷剂循环流路、第二制冷剂循环流路、植物舱内空气循环流路、室外新风流路、室外空气散热流路；
9.所述第一制冷剂循环流路的蒸发器端与植物舱内空气循环流路换热式连接，实现温度调控；
10.所述第二制冷剂循环流路的蒸发器端和冷凝器端依次与植物舱内空气循环流路换热式连接，实现湿度调控；
11.所述室外新风流路与所述植物舱内空气循环流路连通，实现新风输入过程调控；
12.所述室外空气散热流路设于所述第一制冷剂循环流路的冷凝器端。
13.进一步地，所述第一制冷剂循环流路的蒸发器端、第二制冷剂循环流路的蒸发器端通过联合蒸发器相互耦合并共同与所述植物舱内空气循环流路换热式连接；
14.所述联合蒸发器包括制冷系统制冷剂蒸发换热管路和除湿系统制冷剂蒸发换热管路以及空气通道。
15.进一步地，所述植物舱内空气循环流路和室外新风流路中均设有电加热模块，实现热量补充。
16.进一步地，所述第一制冷剂循环流路、第二制冷剂循环流路、电加热模块均能够独立开启与关闭，以此实现低负荷制冷除湿模式、高负荷制冷除湿模式、低负荷制热除湿模式、高负荷制热除湿模式的切换。
17.进一步地，所述调控温度的第一制冷剂循环流路包括顺序连接的制冷系统制冷剂蒸发换热管路、制冷系统压缩机、制冷系统冷凝器的制冷剂通道和制冷系统节流元件，所述制冷系统节流元件与联合蒸发器的制冷系统制冷剂蒸发换热管路连接，构成循环。
18.进一步地，所述第二制冷剂循环流路包括顺序连接的除湿系统制冷剂蒸发换热管路、除湿系统压缩机、除湿系统冷凝器的制冷剂通道和除湿系统节流元件，所述除湿系统节流元件与联合蒸发器的除湿系统制冷剂蒸发换热管路连接，构成循环。
19.进一步地，所述植物舱内空气循环流路包括顺序连接的植物舱、联合蒸发器的空气通道、除湿系统冷凝器的空气通道、送风电加热器的空气通道和送风风机，所述送风风机排风至植物舱，构成循环。
20.进一步地，所述室外新风流路包括依次连接的新风风阀和新风电加热器空气流道，室外新风流路一侧为室外新风，中间通过新风风阀和新风电加热，由送风风机送入植物舱内，以此将特定加热温度的新风送入植物舱内；
21.所述室外空气散热流路中，室外空气流经制冷系统冷凝器，以此排除制冷系统的冷凝废热。
22.进一步地，所述制冷系统制冷剂蒸发换热管路设于除湿系统制冷剂蒸发换热管路的之前或之后。
23.进一步地，所述调控温度的第一制冷剂循环流路和调控湿度的第二制冷剂循环流路中：
①
制冷剂蒸发换热管路中流出低温低压的制冷剂气体进入压缩机，在压缩机中被压缩成高温高压的制冷剂气体；
②
压缩机排气再流经冷凝器的制冷剂通道，向流经的空气散热，冷凝成为低温高压的制冷剂液体；
③
该制冷剂液体流经节流元件，节流成为低温低压的制冷剂两相流；
④
节流后的制冷剂流经蒸发换热管路，从植物舱室内空气循环的回风中吸热，蒸发成为低温低压的制冷剂气体，继续流入压缩机，构成循环。
24.进一步地，所述植物舱内空气循环流路中，空气回风依次流经联合蒸发器、除湿系统冷凝器和送风电加热，按需完成对回风的温湿度调控处理，再经由送风风机送入室内。
25.进一步地，所述室外新风流路通过开闭风阀，用于调控植物舱内的二氧化碳浓度，以满足其呼吸作用和光合作用的不同需求。当室外新风低于8℃时，开启新风电辅热，避免低温新风冻伤植物。
26.所述植物舱的温湿度独立控制系统有低负荷制冷除湿、高负荷制冷除湿、低负荷制热除湿、高负荷制热除湿等多种运行模式。
27.进一步地，所述温湿度独立控制系统运行在低负荷制冷除湿模式下，第一制冷剂
循环流路(制冷系统)开启，第二制冷剂循环流路(除湿系统)关闭，送风电加热关闭。该模式适用于室外环境温度和室内回风温度均较高的情形，例如夏季午时，室外35℃、室内20℃的情形。在该工况下，第一制冷剂循环流路(制冷系统)的制冷剂蒸发换热管路能同时承担制冷和除湿的作用，并将室内热量借由室外冷凝器排出。
28.进一步地，所述温湿度独立控制系统运行在高负荷制冷除湿模式下，第一制冷剂循环流路(制冷系统)开启，第二制冷剂循环流路(除湿系统)开启，送风电加热关闭。该模式适用于室外环境温度较高，但室内回风温度较低的情形，例如为调节植物生长温度需求，室外35℃、而室内回风需控制在12℃的情形。在该工况下，第一制冷剂循环流路(制冷系统)能满足制冷需求，但不足以覆盖除湿需求。开启第二制冷剂循环流路(除湿系统)后，可满足全部除湿需求，并可实现对湿度的独立控制。
29.进一步地，所述温湿度独立控制系统运行在低负荷制热除湿模式下，第一制冷剂循环流路(制冷系统)关闭，第二制冷剂循环流路(除湿系统)开启，送风电加热关闭。该模式适用于室外环境温度极低(例如，零下30℃)，而室内由于植物蒸腾作用仍存在大量湿负荷的情形。此时第一制冷剂循环流路(制冷系统)在室外极低的环境温度下不允许开启，否则压缩机压比过小将引发故障。此时开启第二制冷剂循环流路(除湿系统)，除湿系统的冷凝器放置于室内空气循环流路中，植物舱内回风流经除湿系统的制冷剂蒸发换热管路被降温除湿后，再流经除湿系统的冷凝器被再热，能同时满足除湿需求和低负荷的制热需求。
30.进一步地，所述温湿度独立控制系统运行在高负荷制热除湿模式下，第一制冷剂循环流路(制冷系统)关闭，第二制冷剂循环流路(除湿系统)开启，送风电加热开启。该模式适用于室外环境温度极低(例如，零下30℃)，而室内既存在大量湿负荷又存在大量热负荷的情形。此时除第二制冷剂循环流路(除湿系统)用于植物舱回风的除湿并提供少量热量外，由送风电加热补偿剩余所需加热需求。
31.所述用于严寒地区植物舱的温湿度独立控制系统中，将第一制冷剂循环流路(制冷系统)和第二制冷剂循环流路(除湿系统)的蒸发换热管路作为联合的整体，例如在常见的翅片管换热器中，二者的翅片共用。当制冷系统和除湿系统一同开启，二者蒸发温度相近，不会产生温度干扰的影响。当低负荷制冷除湿模式下仅开启制冷系统，或制热模式下仅开启除湿系统时，单一系统的蒸发换热管路相当于拥有更大的翅片面积，可提升换热器传热效率，进而提升系统能效。
32.所述用于严寒地区植物舱的温湿度独立控制系统中，实施中优选的，第一制冷剂循环流路(制冷系统)的压缩机采用变频压缩机，调节转速实现室内温度的精确控制。第二制冷剂循环流路(除湿系统)的压缩机采用定频压缩机，有效控制成本的同时也可保证湿度控制效果。
33.所述用于严寒地区植物舱的温湿度独立控制系统中，在翅片共用的联合蒸发器中，第二制冷剂循环流路(除湿系统)的制冷剂换热管路放置在第一制冷剂循环流路(制冷系统)的制冷剂换热管路之前，即植物舱回风先流经除湿系统的制冷剂蒸发换热管路。该布置可以在高负荷制冷除湿模式下，在保障整体除湿量的同时，使除湿系统和制冷系统的蒸发温度不至于过低(低于进风露点和冰点将结霜)。由于除湿系统的压缩机为定频压缩机，该布置可提升除湿系统蒸发换热管路的进风温度，降低其结霜风险。制冷系统则可通过合理控制变频压缩机转速降低结霜风险。
34.作为本发明的一种实施方式，在翅片共用的联合蒸发器中，将第一制冷剂循环流路(制冷系统)的制冷剂换热管路放置于第二制冷剂循环流路(除湿系统)的制冷剂换热管路之前，即植物舱回风先流经制冷系统的制冷剂蒸发换热管路。该实施方式中，制冷系统和除湿系统的压缩机均选用变频压缩机，避免蒸发器结霜。该布置适用于植物舱室内回风温度始终较高、湿负荷较大的需求，通过制冷系统蒸发换热管路进行预冷后，回风再流经除湿系统的蒸发换热管路可提升除湿量。
35.本发明通过集成蒸汽压缩式的制冷系统和除湿系统，可实现对严寒地区植物舱内部环境的温湿度独立控制，并通过各系统的独立和联合运行可实现多种运行模式。与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
36.1.和蒸汽压缩式制冷热泵的环境温控系统相比，本发明集成有一套蒸汽压缩式的除湿系统，可实现对湿度的单独精确控制，且独立于外部环境。尤其在室外环境温度极低、传统制冷热泵系统无法开机的情况下，本技术方案中的除湿系统仍可开机运行，满足植物舱内除湿需求。
37.2.和常规空调系统的温湿度独立控制系统相比，本发明的除湿系统不依赖于外部新风的引入，不存在室外环境温度过低导致除湿模块结冰难以运行的问题。相反，在室外环境温度极低时，由于除湿系统的冷凝器位于植物舱内散热，还能满足部分供热需求。
38.3.本发明的制冷系统和除湿系统均采用蒸汽压缩式制冷剂系统，可共用蒸发器翅片。在一同开启时，蒸发温度相近，不会产生温度干扰的影响；在单独开启时，可以获得更大的换热面积，提升蒸发传热效率，进而提升系统能效。
39.4.本发明的制冷系统和除湿系统均采用结构紧凑的蒸汽压缩式制冷剂系统，可以减小占地面积和安装空间，便于配套小型集装箱式的植物舱。
附图说明
40.图1为本发明实施例1的原理示意图。
41.图2为本发明实施例2的原理示意图。
42.图中：1、植物舱，2、送风风机，3、联合蒸发器，3
‑
1、制冷系统制冷剂蒸发换热管路，3
‑
2、除湿系统制冷剂蒸发换热管路，4、制冷系统压缩机，5、制冷系统冷凝器，6、制冷系统节流元件，8、除湿系统压缩机，9、除湿系统冷凝器，10、除湿系统节流元件，11、送风电加热器，12、新风电加热器，13、新风风阀。
具体实施方式
43.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
44.实施例1
45.本发明用于严寒地区植物舱的温湿度独立控制系统(参见图1)，包括调控温度的第一制冷剂循环流路(制冷系统)、调控湿度的第二制冷剂循环流路(除湿系统)、植物舱内空气循环流路、室外新风流路、室外空气散热流路。
46.调控温度的第一制冷剂循环流路，包括顺序连接的联合蒸发器3的制冷系统制冷剂蒸发换热管路3
‑
1、制冷系统压缩机4、制冷系统冷凝器5的制冷剂通道和制冷系统节流元件6，所述制冷系统节流元件6与联合蒸发器3的制冷系统制冷剂蒸发换热管路3
‑
1连接，构
成循环。
47.调控湿度的第二制冷剂循环流路，包括顺序连接的联合蒸发器3的除湿系统制冷剂蒸发换热管路3
‑
2、除湿系统压缩机8、除湿系统冷凝器9的制冷剂通道和除湿系统节流元件10，所述除湿系统节流元件10与联合蒸发器3的除湿系统制冷剂蒸发换热管路3
‑
2连接，构成循环。
48.植物舱内空气循环流路，包括顺序连接的植物舱1、联合蒸发器3的空气通道、除湿系统冷凝器9的空气通道、送风电加热器11的空气通道和送风风机2，所述送风风机2排风至植物舱1，构成循环。
49.室外新风流路，一侧为室外新风，中间通过新风风阀13和新风电加热器12，由送风风机2送入植物舱内。
50.室外空气散热流路中，室外空气流经制冷系统冷凝器5，排除制冷系统的冷凝废热。
51.本实施例中温湿度独立控制系统的工作流程为：
52.调控温度的第一制冷剂循环流路中：
①
联合蒸发器3的制冷系统制冷剂蒸发换热管路3
‑
1中流出低温低压的制冷剂气体进入制冷系统压缩机4，在制冷系统压缩机4中被压缩成高温高压的制冷剂气体；
②
制冷系统压缩机4排气再流经制冷系统冷凝器5的制冷剂通道，向流经的室外空气散热，冷凝成为低温高压的制冷剂液体；
③
该制冷剂液体流经制冷系统节流元件6，节流成为低温低压的制冷剂两相流；
④
节流后的制冷剂流经联合蒸发器3的制冷系统制冷剂蒸发换热管路3
‑
1，从植物舱1室内空气循环的回风中吸热，蒸发成为低温低压的制冷剂气体，继续流入制冷系统压缩机4，构成循环。
53.调控湿度的第二制冷剂循环流路中：
①
联合蒸发器3的除湿系统制冷剂蒸发换热管路3
‑
2中流出低温低压的制冷剂气体进入除湿系统压缩机8，在除湿系统压缩机8中被压缩成高温高压的制冷剂气体；
②
除湿系统压缩机8排气再流经除湿系统冷凝器9的制冷剂通道，向流经的植物舱1室内循环流路的空气散热，冷凝成为低温高压的制冷剂液体；
③
该制冷剂液体流经除湿系统节流元件10，节流成为低温低压的制冷剂两相流；
④
节流后的制冷剂流经联合蒸发器3的除湿系统制冷剂蒸发换热管路3
‑
2，从植物舱1室内空气循环的回风中吸热，蒸发成为低温低压的制冷剂气体，继续流入除湿系统压缩机8，构成循环。
54.植物舱内空气循环流路中，空气回风依次流经联合蒸发器3、除湿系统冷凝器9和送风电加热器11，按需完成对回风的温湿度调控处理，再经由送风风机2送入室内。
55.室外新风流路中，通过开闭风阀13，用于调控植物舱1内的二氧化碳浓度，以满足其呼吸作用和光合作用的不同需求。当室外新风低于8℃时，开启新风电加热器12，避免低温新风冻伤植物。
56.本实施例中植物舱的温湿度独立控制系统，有低负荷制冷除湿、高负荷制冷除湿、低负荷制热除湿、高负荷制热除湿等多种运行模式：
57.温湿度独立控制系统运行在低负荷制冷除湿模式下，第一制冷剂循环流路(制冷系统)开启，第二制冷剂循环流路(除湿系统)关闭，送风电加热器11关闭。该模式适用于室外环境温度和室内回风温度均较高的情形，例如夏季午时，室外35℃、室内20℃的情形。在该工况下，第一制冷剂循环流路(制冷系统)的蒸发换热管路3
‑
1能同时承担制冷和除湿的作用，并将室内热量借由室外冷凝器排出。
58.温湿度独立控制系统运行在高负荷制冷除湿模式下，第一制冷剂循环流路(制冷系统)开启，第二制冷剂循环流路(除湿系统)开启，送风电加热器11关闭。该模式适用于室外环境温度较高，但室内回风温度较低的情形，例如为调节植物生长温度需求，室外35℃、而室内回风需控制在12℃的情形。在该工况下，第一制冷剂循环流路(制冷系统)能满足制冷需求，但不足以覆盖除湿需求。开启第二制冷剂循环流路(除湿系统)后，可满足全部除湿需求，并可实现对湿度的独立控制。
59.温湿度独立控制系统运行在低负荷制热除湿模式下，第一制冷剂循环流路(制冷系统)关闭，第二制冷剂循环流路(除湿系统)开启，送风电加热器11关闭。该模式适用于室外环境温度极低(例如，零下30℃)，而室内由于植物蒸腾作用仍存在大量湿负荷的情形。此时第一制冷剂循环流路(制冷系统)在室外极低的环境温度下不允许开启，否则制冷系统压缩机4压比过小将引发故障。此时开启第二制冷剂循环流路(除湿系统)，除湿系统的除湿系统冷凝器9放置于室内空气循环流路中，植物舱1内回风流经除湿系统的蒸发换热管路3
‑
2被降温除湿后，再流经除湿系统冷凝器9被再热，能同时满足除湿需求和低负荷的制热需求。
60.温湿度独立控制系统运行在高负荷制热除湿模式下，第一制冷剂循环流路(制冷系统)关闭，第二制冷剂循环流路(除湿系统)开启，送风电加热器11开启。该模式适用于室外环境温度极低(例如，零下30℃)，而室内既存在大量湿负荷又存在大量热负荷的情形。此时除第二制冷剂循环流路(除湿系统)用于植物舱1回风的除湿并提供少量热量外，由送风电加热器11补偿剩余所需加热需求。
61.本实施例中，将第一制冷剂循环流路(制冷系统)和第二制冷剂循环流路(除湿系统)的蒸发换热管路作为联合蒸发器3，例如在常见的翅片管换热器中，二者的翅片共用。当制冷系统和除湿系统一同开启，二者蒸发温度相近，不会产生温度干扰的影响。当低负荷制冷除湿模式下仅开启制冷系统，或制热模式下仅开启除湿系统时，单一系统的蒸发换热管路相当于拥有更大的翅片面积，可提升换热器传热效率，进而提升系统能效。
62.本实施例中，第一制冷剂循环流路(制冷系统)的制冷系统压缩机4采用变频压缩机，调节转速实现室内温度的精确控制。第二制冷剂循环流路(除湿系统)的除湿系统压缩机8采用定频压缩机，有效控制成本的同时也可保证湿度控制效果。
63.本实施例中，在翅片共用的联合蒸发器3中，第二制冷剂循环流路(除湿系统)的制冷剂换热管路3
‑
2放置在第一制冷剂循环流路(制冷系统)的制冷剂换热管路3
‑
1之前，即植物舱回风先流经除湿系统的制冷剂蒸发换热管路3
‑
2。该布置可以在高负荷制冷除湿模式下，在保障整体除湿量的同时，使除湿系统和制冷系统的蒸发温度不至于过低(低于进风露点和冰点将结霜)。由于除湿系统的除湿系统压缩机8为定频压缩机，该布置可提升除湿系统蒸发换热管路3
‑
2的进风温度，降低其结霜风险。制冷系统则可通过合理控制变频制冷系统压缩机4的转速降低结霜风险。
64.实施例2
65.本实施例的基本原理与实施例1类似(参见图2)，同样设置有调控温度的第一制冷剂循环流路(制冷系统)、调控湿度的第二制冷剂循环流路(除湿系统)、送风电加热器11、新风电加热器12等。
66.区别在于在翅片共用的联合蒸发器3中，将第一制冷剂循环流路(制冷系统)的制
冷剂换热管路3
‑
1放置于第二制冷剂循环流路(除湿系统)的制冷剂换热管路3
‑
2之前，即植物舱回风先流经制冷系统的制冷剂蒸发换热管路3
‑
1。该实施方式中，制冷系统的制冷系统压缩机4和除湿系统的除湿系统压缩机8均选用变频压缩机，避免联合蒸发器3结霜。该布置适用于植物舱室内回风温度始终较高、湿负荷较大的需求，通过制冷系统的蒸发换热管路3
‑
1进行预冷后，回风再流经除湿系统蒸发换热管路3
‑
2可提升除湿量。
67.上述实施例中未完整展示制冷剂循环和风道的所有部件，实施过程中，在制冷剂回路设置高压储液器、气液分离器、油分离器、过滤器、干燥器等常见制冷辅件，在植物舱的风道设置消声器，加湿器，加热器，杀菌装置等空气处理辅件，选用不同的送风喷口和回风格栅，改变风机位置，或不脱离本发明技术方案的精神增加热交换器，风机和风阀等，均不能视为对本发明进行了实质性改进，应属于本发明保护范围。
68.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。