CN101443094A

CN101443094A - 用于检测hvac系统中故障的方法

Info

Publication number: CN101443094A
Application number: CNA2005800489534A
Authority: CN
Inventors: P·康; M·法扎德; A·芬; P·萨德夫
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2005-01-04
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2009-05-27
Also published as: EP1838413A4; WO2006073815A2; US7494536B2; WO2006073815A3; EP1838413A2; JP2008531958A; US20060144232A1

Abstract

蒸发器的旁通系数用来指示何时HVAC的空气过滤器堵塞。旁通系数表示不与蒸发器直接接触而旁通的空气值。当空气过滤器堵塞时，旁通系数减小。旁通系数还可用于空气过滤器堵塞的早期检测。第一旁通系数是利用温度测量值计算的，第二旁通系数是利用空气的气流速率计算的。两个旁通系数之间的差确定误差。误差的增大指示空气过滤器被堵塞。还可以计算蒸发器的性能系数来检测空气过滤器是否堵塞。性能系数的减小指示空气过滤器被堵塞。

Description

用于检测HVAC系统中故障的方法

技术领域

本发明一般涉及一种用于检测HVAC系统中故障的方法，例如堵塞了的空气过滤器。

背景技术

HVAC系统中的故障对HVAC系统具有副作用。故障可以是传感器故障、低制冷剂充入量和空气过滤器的堵塞。空气过滤器通常被用在HVAC系统中以防止空气中悬浮的颗粒进入在冷却的区域。经过一段时间，空气过滤器会堵塞并且必须更换。如果空气过滤器堵塞，风扇功率消耗增加同时系统能力减少。另外，压缩机可能失效，设备的寿命缩短，系统不得不临时地停止使用。

在现有系统中，传感器被用来检测何时空气过滤器被堵塞。当传感器检测到空气过滤器被堵塞时，警报被触发。采用传感器来检测堵塞了的空气过滤器存在几个缺陷。其一，费用昂贵。另外，空气过滤器的设计需要改进以容纳传感器。

在HVAC系统中，其他传感器通常也用来检测进入和流出压缩机的致冷剂的压力和温度、进入和流出蒸发器的致冷剂的温度和进入蒸发器的空气的温度。

现有技术的故障检测技术通常对空气过滤器堵塞时出现的空气浓度的变化和系统的负载不敏感。因此，这些技术仅仅适用于具有恒定负载的HVAC系统，该负载由固定速度的风扇提供。

因此，本发明提供一种克服了现有技术的缺陷和缺点的、用于检测HVAC系统中故障的方法。

发明内容

蒸汽压缩系统以冷却方式工作以向一个区域提供冷空气。制冷剂在压缩机中被压缩到高压并在冷凝器中被冷却。在膨胀装置中冷却的制冷剂膨胀到低压。膨胀后，制冷剂流过蒸发器并从空气接收热量，冷却提供到该区域的空气。然后制冷剂返回到压缩机，完成循环。

空气过滤器阻碍空气中悬浮的颗粒进入要冷却区域。如果颗粒堵塞空气过滤器，进入该区域的气流速率减小。蒸发器的旁通系数用来确定何时空气过滤器被堵塞。旁通系数表示不与蒸发器直接接触而旁通的空气量。当空气过滤器堵塞时，旁通系数减小。当旁通系数减小到低于阈值时产生警报以提供空气过滤器被堵塞的警报。

旁通系数还可以提供空气过滤器堵塞的早期检测。第一旁通系数是利用温度测量值计算的，第二旁通系数是利用空气的气流速率计算的。两个旁通系数之间的差确定误差。当该误差增加时，显示空气过滤器开始堵塞。

还可以计算蒸发器的性能系数来检测空气过滤器是否堵塞。性能系数的减小显示气过滤器开始堵塞。

本发明的这些及其他特征可以从以下的说明和附图最好地理解。

附图说明

对本领域技术人员来说，根据当前优选实施例的以下的详细说明，发明的各种特征和优势是显而易见的。随同详细说明的附图可如下简要地描述：

图1图示了包括传感器的蒸汽压缩系统，该传感器用来检测流过蒸汽压缩系统的空气和制冷剂的状况；

图2图示了给出在蒸汽压缩系统中检测的检测值的蒸汽压缩系统；

图3图示了曲线图，给出了当空气穿过蒸发器时在蒸发器上流动的空气的温度；和

图4图示了湿度图，给出了用来估计进入和流出蒸发器的空气的干球温度的过程。

具体实施方式

图1图示了蒸汽压缩系统20，包括压缩机22、冷凝器24、膨胀装置26和蒸发器28。制冷剂通过闭路式蒸汽压缩系统20循环。

当蒸汽压缩系统20以冷却方式工作时，制冷剂以高压高热焓流出压缩机22并流过冷凝器24。在冷凝器24中，制冷剂向流体介质，例如水或空气，排出热量，并冷凝为以低热焓高压流出冷凝器24的液体。如果流体介质是空气，采用风扇30来在冷凝器24上引导流体介质。然后冷却了的制冷剂经过膨胀装置26，制冷剂的压力下降。膨胀后，制冷剂流过蒸发器28。在蒸发器28中，制冷剂接收来自空气的热量，以高热焓低压流出蒸发器28。风扇32在蒸发器28上吹动空气，然后冷却了的空气用来冷却区域52。

当蒸汽压缩系统20以加热方式工作时，制冷剂的流动是利用四通阀(未示出)逆转的。当以加热方式工作时，冷凝器24作为蒸发器工作，蒸发器28作为冷凝器工作。

如图2所示，当监视蒸汽压缩系统20的工作时，蒸汽压缩系统20中的几个变量可以被检测或传感。变量是1)压缩机吸入温度T_suc，2)压缩机排放温度T_dis，3)压缩机吸入压力P_suc，4)压缩机排放压力P_dis，5)进入蒸发器28的制冷剂的入口温度T_2in，6)流出蒸发器28的制冷剂的出口温度T_2out，7)进入蒸发器的空气的入口温度T_1in，8)流出蒸发器的空气的出口温度T_1out，9)进入蒸发器的空气的相对湿度RH₁，和10)流出蒸发器的空气的相对湿度RH₂。

回到图1，蒸汽压缩系统20包括检测压缩机吸入温度T_suc的传感器34、检测压缩机排放温度T_dis的传感器36、检测压缩机吸入压力P_suc的传感器38、检测压缩机排放压力P_dis的传感器40、检测进入蒸发器的制冷剂的入口温度T_2in的传感器42、检测流出蒸发器的制冷剂的出口温度T_2out的传感器44和检测流入蒸发器的空气的入口温度T_1in的传感器46。传感器34、36、38、40、42、44和46都与控制器48相通。

蒸发器28的旁通系数BPF表示不与蒸发器28的线圈直接接触而旁通的空气量。旁通系数BPF取决于线圈单位长度(线圈散热片的节距)上的散热片的数目、沿气流方向在线圈中的排的数目和空气的速度。当散热片间距减小和排的数目增加时，线圈的旁通系数BPF减小。旁通系数BPF定义为：

BPF = \frac{T_{1 out} - T_{s}}{T_{1 in} - T_{s}}

当蒸发器28是冷却线圈时(公式1)

BPF = \frac{{T_{s} - T}_{1 out}}{T_{s} - T_{1 in}}

当蒸发器28是加热线圈时(公式2)

空气的饱和温度由变量T_s表示。空气的饱和温度空气T_s近似等于制冷剂的饱和温度。利用压缩机吸入压力P_suc和制冷剂属性计算制冷剂的饱和温度。制冷剂属性是取决于所使用的制冷剂类型的已知值。一般，旁通系数BPF小于0.2。

空气过滤器50用来阻挡空气中悬浮的颗粒进入通过蒸发器28冷却的区域52。如果颗粒堵塞空气过滤器50，进入区域52的气流速率减小，造成流出蒸发器的空气的出口温度T_1out接近制冷剂的饱和温度。当这种情况出现时，旁通系数BPF接近零。因此，蒸发器28的旁通系数BPF可用于指示何时空气过滤器50堵塞。

计算的旁通系数BPF与预定的阈值相比。如果旁通系数BPF小于阈值，产生警报来指示空气过滤器50被堵塞。在一个例子中，阈值设为零。

然而，蒸发器28的旁通系数BPF还可以根据区域52的负荷要求变化。如果负荷要求是高的，需要更多的空气输送到区域52，增大旁通系数BPF。如果负荷要求是低的，需要较少的空气输送到区域52，减小旁通系数BPF。因此，不得不为最低的可能负荷要求选择阈值，使得空气过滤器50的堵塞可被可靠地检测。为了补偿负载要求的任何变化，旁通系数BPF可以是标准化的。标准化的旁通系数bpf是利用下述公式计算的：

bpf = \frac{BPF}{n}

(公式3)

其中n是风扇32的速度。风扇32的速度n与负载要求有关，因此风扇32的速度n可用于计算标准化的旁通系数bpf。当负载要求增加时，风扇32的速度n增大以传递更多的空气进入区域52。通过将旁通系数BPF除以风扇32的速度n，旁通系数BPF能调节到考虑负载要求的变化。空气过滤器50的堵塞可利用现有的传感器34、36、38、40、42、44和46确定，而无需采用用来确定空气过滤器50堵塞的传感器。于是标准化的旁通系数bpf用于检测空气过滤器50的堵塞。当标准化的旁通系数bpf低于阈值时，产生警报以显示空气过滤器50被堵塞。

然而，有时可能需要检测空气过滤器50刚刚开始堵塞，以提供空气过滤器50堵塞的早期指示并允许排定空气过滤器50更换的时间。

在早期检测的第一种方法中，旁通系数BPF通过利用温度测量和气流速率确定。两个旁通系数BPF之间的差定义了误差θ。当误差θ开始增大时，显示空气过滤器50开始堵塞。这提供了空气过滤器50开始堵塞的早期警报。

图3图示了曲线图，给出了当空气经过蒸发器28线圈的上方时空气的温度。当空气在蒸发器28的线圈长度上并沿该长度行进时，流出蒸发器的空气的温度T_1out几乎减少到空气的饱和温度T_s。

蒸发器28的热传递速率定义为：

Q＝UA×LMTD (公式4)

热传递的速率由变量Q(W)表示。变量U表示总的热传递系数(W/m²K)，变量A表示蒸发器28的线圈的表面积。对数平均温差由变量LMTD表示，其定义为：

LMTD = \frac{T_{1 in} - T_{1 out}}{\log_{e} (\frac{T_{1 in} - T_{s}}{T_{1 out} - T_{s}})}

(公式5)

公式1可插入公式5中，并且变量对数平均温差定义为：

LMTD = \frac{T_{1 in} - T_{1 out}}{\log_{e} (\frac{1}{BPF})}

(公式6)

热传递速率Q还可以使用以下公式利用气流速率(负荷要求)计算：

Q = \frac{m_{1} c_{p 1} (T_{1 in} - T_{1 out})}{SHR}

(公式7)

在这个公式中，m₁表示空气的质量流率(kg/s)，c_p1表示干空气的比热(J/kgK)和SHR表示显热比。在加热方式中，显热比SHR近似等于1。流入蒸发器的空气的入口温度T_1in和流出蒸发器的空气的出口温度T_1out用摄氏温度(℃)表示。

当在冷却方式中使用公式6时，比热c_p1应该是常量。然而，如果空气是潮湿的，比热不是常量。因此，在冷却方式中，为了补偿比热的变化，需要计算进入蒸发器的空气的等效干球温度T′_1in和流出蒸发器的空气的等效干球温度T′_1out。

图4给出了用来确定进入蒸发器的空气的干球温度T′_1in和流出蒸发器的空气的干球温度T′_1out的湿度图。干球温度位于水平轴，湿度比位于垂直轴。

点1表示入口空气状态，点2表示出口空气状态。点1位于进入蒸发器的空气的热焓线h₁上，点2位于流出蒸发器的空气的热焓线h₂上。连接点1和点2的线能延伸以在点3处与饱和曲线RHs相交。点3表示室外空气的饱和状态。从点3引出与热焓线h₁和h₂相交的水平线。位于进入蒸发器的空气的热焓线h₁和水平线的交点的点4表示进入蒸发器的空气的等效干空气温度T′_1in，位于流出蒸发器的空气的热焓线h₂和水平线的交点的点5表示流出蒸发器的空气的等效干空气温度T′_1out。

利用由湿度图获得的等效干球温度T′_1in和T′_1out，热传递方程可改写为：

Q＝m₁c_p1(T′_1in-T_s) (公式8)

Q＝UA×LMTD (公式9)

利用公式6，对数平均温差LMTD可以计算：

LMTD = \frac{{T'}_{1 in} - {T'}_{1 out}}{\log_{e} (\frac{1}{BPF})}

(公式10)

利用公式8、9和10，旁通系数BPF可以计算：

BPF = e^{\frac{UA}{c_{P 1} m_{1}}}

(公式11)

公式11使用在蒸发器28上方经过的空气的气流速率来确定旁通系数BPF。气流速率是风扇32的速度n的函数。这个函数可以根据由厂家提供的风扇数据或由在实验室中进行的试验建立。

旁通系数还可以利用温度测量值计算。旁通系数BPF定义为：

BPF = \frac{{T'}_{1 out} - T_{S}}{{T'}_{1 in} - T_{S}}

(公式12)

利用公式11和12，误差θ或两个旁通系数BPF之间的差可以计算：

θ = | \frac{{T'}_{1 out} - T_{s}}{{T'}_{1 in} - T_{s}} - e^{\frac{UA}{c_{p 1} m_{1} (n)}} |

(公式13)

当新的空气过滤器50安装在蒸汽压缩系统20中时，误差θ接近于零。经过一段时间，当空气过滤器50变得堵塞时，风扇32的速度n和气流速率之间的关系改变。这造成用公式11计算的旁通系数BPF改变，增大了误差θ。当误差θ大于阈值时，产生警报来显示空气过滤器50很快需要更换。因此，空气过滤器50的堵塞可在早期确定。

旁通系数BPF还可以用来检测其他种类的故障。例如，故障可以是低制冷剂充入量或蒸汽压缩系统20中的传感器34、36、38、40、42、44和46之一的故障。例如，低制冷剂充入量造成值UA改变。这将影响用公式11计算的旁通系数BPF，造成当利用公式13时误差θ增大。另外，传感器34、36、38、40、42、44和46之一的故障造成用公式12计算的旁通系数BPF改变，造成当利用公式13时误差θ增大。

在早期检测的第二种方法中，计算蒸发器28的性能系数COP来确定空气过滤器50是否开始堵塞。性能系数COP定义为热传递速率Q和风扇功率P之间的比值：

COP = \frac{Q}{P}

(公式14)

热传递速率Q可以利用空气侧状态(公式9)或利用温度测量值(公式8)计算。

风扇功率P定义为：

P＝kn³ (公式15)

其中n是风扇32的速度，k是由风扇32的物理结构和系统阻力确定的常量。系统阻力包括阻力项，例如空气管道阻力、蒸发器风扇32阻力和空气过滤器50阻力。参数k可以从厂家数据估计。当空气过滤器50堵塞时，阻力增加，增大了k并造成风扇32消耗更多功率。

当空气过滤器50清洁时，性能系数COP具有大体恒定的值。然后当空气过滤器50堵塞时，参数k增大，造成性能系数COP减小。因此，性能系数COP的减小表明空气过滤器50开始堵塞。

前述描述仅仅是发明原理的示意。按照上述教导对本发明进行多种改进和变化是可能的。已经公开了本发明的优选实施例，然而，本领域技术人员应该承认某些变化将归入本发明的范围内。因此，可以理解在所附的权利要求范围内，发明可以不同于具体描述地实施。因此，以下的权利要求力图确定本发明的真实范围和内容。

Claims

1.一种检测蒸汽压缩系统中故障的方法，包括下列步骤：

计算蒸汽压缩系统的蒸发器的旁通系数；和

使用该旁通系数来检测蒸汽压缩系统中的故障。

2.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：

将制冷剂在压缩机中压缩到高压；

冷却制冷剂；

膨胀制冷剂；和

在蒸发器中蒸发制冷剂。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于旁通系数取决于蒸发器的散热片的数目、蒸发器中的排的数目和空气的速度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于旁通系数取决于进入蒸发器的空气的温度、流出蒸发器的空气的温度和与蒸发器中空气交换热量的制冷剂的饱和温度。

5.如权利要求1所述的方法，还包括利用过滤器过滤与蒸发器中的制冷剂交换热量的空气的步骤，其中所述故障是过滤器的堵塞。

6.如权利要求1所述的方法还包括将旁通系数与阈值比较和当旁通系数小于阈值时产生警报的步骤。

7.如权利要求1所述的方法，还包括将旁通系数标准化和利用具有速度的风扇在蒸发器上吹动空气的步骤，其中标准化步骤包括将旁通系数除以风扇速度。

8.如权利要求1所述的方法，还包括计算第一旁通系数和第二旁通系数以及确定第一旁通系数和第二旁通系数之间的差来计算系统误差的步骤。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于当系统误差大于阈值时，系统误差指示故障。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于第一旁通系数取决于进入蒸发器的空气的温度、流出蒸发器的空气的温度和制冷剂的饱和温度，第二旁通系数取决于空气的热传递速率。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于故障是低制冷剂充入量和传感器故障之一。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于蒸发器的性能系数检测该故障。

13.如权利要求12所述的方法，还包括利用风扇在蒸发器上吹动空气的步骤，其中该性能系数被定义为空气的热传递速率除以风扇功率。

14.一种检测蒸汽压缩系统中堵塞的过滤器的方法，包括下列步骤：

将制冷剂在压缩机中压缩到高压；

冷却制冷剂；

膨胀制冷剂；

在蒸发器中蒸发制冷剂；

计算蒸汽压缩系统的蒸发器的旁通系数，其中该旁通系数取决于进入蒸发器的空气的温度、流出蒸发器的空气的温度和与蒸发器中的空气交换热量的制冷剂的饱和温度；和

使用旁通系数来检测蒸汽压缩体系中的堵塞的过滤器。

15.如权利要求14所述的方法，还包括将旁通系数与阈值比较以及当旁通系数小于阈值时产生警报的步骤。

16.如权利要求14所述的方法，还包括将旁通系数标准化和利用具有速度的风扇在蒸发器上吹动空气的步骤，其中标准化的步骤包括将旁通系数除以风扇速度。

17.如权利要求14所述的方法，还包括计算额外的旁通系数和确定所述旁通系数和该额外的旁通系数之间的差以计算系统误差的步骤。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述旁通系数取决于进入蒸发器的空气的温度、流出蒸发器的空气的温度和制冷剂的饱和温度，该额外的旁通系数取决于空气的热传递速率。

19.一种检测蒸汽压缩系统中故障的方法，包括下列步骤：

计算蒸汽压缩系统的蒸发器的性能系数；和

使用性能系数来检测蒸汽压缩系统中的该故障。

20.如权利要求19所述的方法，还包括利用风扇在蒸发器上吹动空气的步骤，其中该性能系数被定义为空气的热传递速率除以风扇功率。