CN102625896A - 住宅热泵热水器 - Google Patents

Abstract

公开了一种热泵热水器和系统及其控制方法。系统构造成加热在热泵热水器的储水罐内的水，其中，系统内的控制器在操作上连接到多个热源，包括至少一个电加热元件和热泵及传感器，以便给多个热源中的一个选择性地供能。控制器构造成处理表示罐内接近储水罐的顶部的水的温度和流出储水罐的水的流率的数据，以便自动给热源选择性地供能。控制器对热源的选择通过由用户所选的操作模式和鉴于所选的操作模式由控制器处理的数据来确定。

Description

住宅热泵热水器

技术领域

本发明的实施例涉及热水器。更具体地，本发明的实施例涉及热泵热水器。

背景技术

用于住宅热水产生和储存的广泛接受和使用的热水器是电阻热水器和储罐。热水器典型地包括罐，其限定用于保持水的腔室。水入口管道设有第一连接件，其用于与供应新鲜相对较冷的水到腔室的冷水供应管线互连。在罐内存在电阻元件，其加热罐中的水。在当前实施例中，存在至少两个电阻元件。第一电阻元件位于罐的底部附近，而第二电阻元件位于罐的顶部附近。还存在定位在罐的外部上的两个传感器，其测量在罐的顶部和底部附近接近电阻元件的位置的罐温度。当由这些传感器传感的温度降低到低于特定水平时，这些传感器闭合与对应的电阻元件相关联的触点，使得电阻元件供能。

当水供应到罐时，它通过浸入管供应，浸入管推动冷水到罐的底部并且从而推动热水通过出口管道从顶部出来，此处水是最热的。这种构造的问题中的一个在于靠近罐的顶部的传感器不能检测热水正离开和冷水正靠近底部进入该罐。下部传感器当它检测到恒温器处的温度下降时检测到冷水正进入该罐，这是具有两个传感器的主要目的。当下部传感器检测到温度下降到低于某水平时，它闭合该触点且给下部电阻元件供能直到温度到达特定的水平。但是，每次下部电阻元件加热水，热水上浮且向上到罐的顶部。例如，如果罐保持50加仑的水，而三加仑的水流到罐内，它可造成下部电阻元件被供能数分钟以便恢复该温度。如果几分钟后，汲取另外三加仑的水，下部电阻元件再次被供能另外数分钟以便恢复该温度。这使得热水上升到顶部，造成被称作累积(stacking)的问题。在连续汲取少量水的情况下，下部电阻元件每次被供能且运行直到下部传感器被所附罐的下部足够温热。当这种情况发生时，罐的顶部每次连续变得更热一些，这造成罐的顶部中的水过度加热，而这种过度加热可能潜在地导致热水不希望地被从罐中汲取。因此需要一种构造，其解决与由当前热水器上连续汲取少量水所致的累积相关联的问题。

发明内容

根据本发明的实施例，公开了一种用于控制热泵热水器(HPWH)的系统。系统构造成加热热泵热水器的储水罐内的水，其中系统内的控制器在操作上连接到热泵和成对的热电阻加热器。热泵冷凝器定位于储水罐附近以有助于从冷凝器向储水罐中的水传热。第一电阻加热器定位在储水罐内接近储水罐的底部。第二电阻加热器定位在储水罐内接近储水罐的顶部。该系统还包括温度传感器，其被定位以确定储水罐内且在储水罐的顶部附近的水温。控制器包括构造成处理表示储水罐内的水的温度读数的数据的模块。在处理温度读数时，控制器自动选择并控制热泵冷凝器和成对的电加热元件的供能。也由控制器处理表示流入和流出储水罐的水的速率、典型地以气态或蒸气态进入冷凝器的制冷剂的温度和典型地至少部分地以液态离开冷凝器的制冷剂的温度的数据。控制器响应于所处理的数据给热泵、第一电阻加热器和第二电阻加热器中的一个或更多个自动供能。

还根据本发明的实施例，公开了一种加热热泵热水器的储水罐内水的方法，该方法包括在操作上连接到加热元件和传感器的控制器选择并利用适当的加热元件来加热储水罐内的水而不过度加热水。该方法可包括将热泵的冷凝器定位于储水罐附近以与包含在罐中的水成热交换关系以向罐中的水传热；定位电加热元件以加热储水罐内的水；周期性地处理由多个传感器测量的温度读数以便自动地控制该选择以及给热泵和电加热元件中的一个或更多个供能。

还根据本发明的实施例，公开了一种用于加热热泵热水器的储水罐内水的方法和设备，其包括冷凝器构造，在冷凝器构造中冷凝器的入口部分位于罐的底部附近以将热首先传递到罐的最下部区域中的水。

还根据本发明的实施例，公开了一种用于加热热水器的储水罐内水的方法和设备，其包括：在操作上连接到加热元件的控制器，其使用单个传感器监测罐中的水温而避免上述的累积问题；以及事件流量模块，其构造成接收和处理表示由温度传感器所测量的温度读数的数据以便确定水是否正从储水罐流出。

附图说明

参考下面的附图描述了非限制性的且非穷尽的实施例，其中，除非另外规定，在所有各个附图中，相同的附图标记指示相同的部分。

图1根据本发明的实施例示意性描绘了热泵热水器的第一实施例；

图2根据本发明的实施例示意性描绘了热泵热水器的第二实施例；

图3根据本发明的实施例示意性描绘了热泵热水器的第三实施例；

图4根据本发明的实施例示意性描绘了热泵热水器的第四实施例；

图5A根据本发明的实施例示意性描绘了热泵热水器的第五实施例；

图5B根据本发明的实施例示意性描绘了热泵热水器的第六实施例；

图6是示出当该单元处于备用(standby)模式时与当存在从储水罐流出的水每分钟一加仑的流率时比较储罐的顶部附近的传感器输出的曲线图；

图7A和图7B根据本发明的实施例分别描绘了控制方块图和线路图；以及

图8A至图8E示出了热泵冷凝器和电加热元件的温度和流量模块的自动控制的过程流程。

具体实施方式

大体描述

在整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”、“一方面”或“方面”的提及意味着具体描述的特点、结构或特征可包括于本发明的至少一个实施例中。因此，这些短语的使用可指多于仅仅一个实施例或方面。此外，所描述的特点、结构或特征可在一个或更多个实施例或方面中以任何适合的方式组合。而且，对单个物品的提及可意指单个物品或多个物品，就如同对多个物品的提及可意指单个物品。

本发明的实施例利用控制器，控制器被编程以控制热泵热水器，但本发明的不是所有方面限制为热泵热水器，而是也可具有其它应用，诸如电热水器。控制器可被编程以具有预设操作模式。此外，控制器可被编程为解译各种温度和数据输入用于控制热水器的热源。而且，温度和数据输入可由控制器解译以自动地选择电加热元件和热泵中的一个或多个并给它供能(经由压缩机的供能)为了以防止由累积引起的水的过度加热的方式高效地加热水。

详细描述

以下参考附图更全面地描述各种实施例，附图形成本发明的一部分且其示出本发明的特定实施例。然而，实施例可以以许多不同的形式实施且不应被解释为限于本文提出的实施例；而是提供这些实施例使得本公开完全和完整，且将向本领域技术人员全面传达本发明的范围。因此，下文的描述不应被理解为具有限制意义。

所描述的实施例提出了热泵热水器系统的实施例，其利用一个或更多个电阻元件以及热泵或制冷密封系统来向水传递热量。通过利用制冷密封系统从周围温热环境的空气向水传热而显著地减少加热水所需的能量。在图1至图5所描述的实施例中，每个热泵热水器系统公开了各种传感器，其中的一个被定位以传感储水罐内的水温。来自该传感器的数据不仅用于传感罐中的水的温度而且在无流量计的实施例中用于间接检测流量事件的发生，即，相应地从储水罐出来的热水流量和进入储水罐的相关联的冷水流量。在某些实施例中，流量计用于直接检测流量事件的发生。被定位以传感储水罐内的水温的传感器可定位在储水罐内或者替代地定位在与罐侧壁接触的罐的外部上。

表示储水罐内的水温和流量事件的发生的数据被传输到控制器进行处理。控制器在操作上连接到电阻加热器和热泵且包括模块，模块有助于响应于接收到的表示储水罐内的水温和水流量事件的发生的数据而自动选择热泵和电阻加热器中的至少一个且给它供能。

现参看附图，图1根据本发明的第一实施例示意性描绘了热泵热水器100。该热泵系统包括蒸发器102、压缩机130、冷凝器108、节流装置106和至少一个风扇104。冷凝器108装配成与储水罐120中的水处于热交换关系。在热泵循环的操作期间，制冷剂作为以过热蒸气和/或高品质蒸气混合物形式的流体离开蒸发器102。在离开蒸发器102时，制冷剂进入压缩机103，此处压力和温度增加。在压缩机130中温度和压力增加使得制冷剂变成过热蒸气。来自压缩机130的过热蒸气进入冷凝器108。当在冷凝器108中时，过热蒸气将能量传给储罐120内的水。在将能量传给储罐120内的水时，制冷剂变成饱和液体和/或高品质液体蒸气混合物。此高品质/饱和液体蒸气混合物离开冷凝器108且穿过节流装置106。在离开节流装置106时，制冷剂的压力和温度降低，此时，制冷剂进入蒸发器102且循环自身重复。

热泵热水器100包括用于允许冷水进入热泵热水器100的水入口管线112，此处它经由浸入管110被导向至罐120的底部。热泵热水器100还具有放置于储水罐120的顶部和底部附近的电加热元件122和124以加热水。在本文所述的实施例中，加热元件被示出突入罐的内部，然而也可类似地采用提供来定位上部元件和下部元件以分别加热在罐的上部区域和下部区域中的水的其它构造。热水在罐120的顶部附近在出口114处离开热泵热水器且流到住宅或需要热水的其它场所。热泵热水器100具有温度传感器126，其被定位以传感罐的上部区域中的水的温度且也可具有放置于各个位置的附加的温度传感器用于传感其它温度，诸如热泵冷凝器入口和出口温度、环境温度等。

在图1所示的第一实施例中，单个水温传感器126定位朝向罐120的上端。热泵冷凝器108定位成与储水罐120成热交换布置以使热能够从冷凝器传给储罐中的水。该系统包括控制器152，其装备有微处理器，微处理器被编程以包括水温和流量模块，其在操作上连接到热泵热水器且构造成接收表示由单个传感器126测量的温度读数的数据。由控制器152接收的温度读数由水温和流量模块处理以确定罐120中的水的温度。控制器152内的水温和流量模块还构造成处理表示由单个传感器126测量的温度读数的数据以确定储水罐120中的水的温度变化率。响应于所传感的水温和储水罐120中的水的温度的变化率，控制器152确定压缩机130、上部电阻加热器122和下部电阻加热器124中的哪个应被供能和供能多久，以便加热储水罐120内的水。控制器152和存储于其中的水温和流量模块，以及单个传感器126，在操作上构造成有效地响应于引起较小的温度变化的从储水罐汲取的少量水，从而消除对于定位在储水罐120的下部中的第二传感器的需要。该温度变化率的信息也可用于代替流量计来检测从罐中汲取的水的近似流率，例如通过比较所检测的温度变化率与查找表且从最接近所检测的温度变化率的表选择相关联的流率，查找表包括成组的经验上确定的温度变化率/流率关系。

该系统也可被编程以确定短时段中使用多少水以便使用该信息来确定加热添加到储水罐120的未加热水的最高效的方式。

如图2所示，第二实施例包括定位于水入口管线212中的流量计216。流量计216将表示流入储水罐220的水量的数据传输给控制器252内的水温和流量模块。在短时段从储水罐220移除大量水的情况下，单个传感器226可能不以有助于控制器252立即识别到大量水被从储水罐220移除的速度读取水温变化。当从储水罐220移除大量水时，可能需要替代的和/或附加的加热元件供能以便以最高效和及时的方式加热水。控制器252处理从流量计216接收的表示进入储水罐220的水的流率的数据以及从单个传感器226接收的数据以便确定压缩机230、上部电阻加热器222和下部电阻加热器224中的哪个应被供能以便加热储水罐220内的水。

图2所示的实施例还包括水入口管线212中的第二温度传感器228以便传感通过水入口管线212流入储水罐220的水的温度。控制器252处理表示通过水入口管线212流入储水罐220的水的温度的数据以便在流入储水罐的水与已在储水罐内的热水混合时确定储水罐220内的水的预计温度。预计从流入储水罐220的未加热的水与已在储水罐220内的热水的混合所得温度的能力允许控制器252预先且自动地确定压缩机230、上部电阻加热器224和下部电阻加热器224中的哪个需要被供能以便加热储水罐220内的水。如图所示，热泵热水器还包括外部的温度传感器232，其构造成向控制器252传输表示储水罐220周围空气的温度的数据以进行处理。控制器252处理表示储水罐220周围空气的温度的数据以便在压缩机230被供能以加热储水罐220内的水时确定热泵系统的效率。

在图1和图2相应示出的第一实施例和第二实施例中，因为使用热敏电阻器来传感温度，而不是使用在工业中常用的双金属传感器，所以系统控制器152/252可检测小的温度变化。控制器152/252内的水温和流量模块处理由温度传感器126/226传输的温度读数以检测由传感器126/226所测量的温度随时间的变化率。例如，如果储水罐120/220充满被加热到先前限定的温度的水且然后用户汲取少量的水，诸如三加仑至五加仑，那么温度传感器126/226将检测到水温的某些但并非显著的变化。可能区分由从储水罐120/220汲取水造成的温度变化与由HPWH系统处于备用模式且没有水被汲取所致的温度变化，这是因为水温和流量模块监测由温度传感器126/226所测量的水温随时间的下降。在备用模式中，由温度传感器126/226所测量的温度的下降是非常缓慢的下降。只要一汲取水，即使以低的流率，由温度传感器126/226所测量的下降的速率比在不汲取水时由传感器126/226所测量的下降更快。因此，由传感器126/226所测量的水温随时间的快速下降向控制器152指示发生流量事件。在诸如图1的实施例中，其并不包括直接测量流量的流量计，由控制器152基于储水罐内水温随时间变化的速度来确定流量事件。

在检测到流量事件时，控制器152可决定给下部加热元件或压缩机供能且可向水传热使温度回到设定值温度(如由传感器126检测)所需的时间。这允许下部加热元件或压缩机在检测到流量事件时被供能且加热罐的下部中的水而不造成储水罐的顶部中的水被过度加热。通过利用上部传感器126来控制下部加热元件124或压缩机，以此方式，连续的少量抽水将不会导致储水罐120顶部中的水由于累积而被过度加热。

仍参看图2的实施例，温度传感器还放置于压缩机230的出口处(如由附图标记234所示)以传感离开压缩机的过热蒸气的温度，其基本上也为进入冷凝器208的蒸气的温度。温度传感器236也放置于冷凝器208的出口处以便测量离开冷凝器208的制冷剂的温度。温度传感器234和236允许系统控制器252估算由冷凝器208传输到储水罐内的水的能量。表示由温度传感器234和236所测量的冷凝器上温度的降低的数据被传输到控制器252且与先前所述的温度数据一起被处理以自动地确定是否需要启动附加加热元件222或224以便加热储水罐220内的水。类似地，温度传感器242和244相应用于测量蒸发器的入口温度和出口温度以监测蒸发器“过热”。当操作适当时，出口温度与入口温度之间的温差应为大约10℉。为了密封的系统的高效操作和为了避免由于制冷剂未完全蒸发而对压缩机造成的潜在的损坏，控制器252构造成如果出口温度与入口温度之间的温差小于5℉则关掉该密封系统。而且，如果温差太高，可生成信号以告知用户低效操作。

系统控制器252在操作上连接到热泵热水器200且构造成接收表示由温度传感器226、236、232、234、242和244所测量的温度读数的数据。在热泵热水器200的操作期间，电加热元件222和224和压缩机230中的任一个也可在给定时间操作。通常，压缩机230和电加热元件222及224并不同时操作。然而，设想电加热元件222或224中的一个和压缩机230可同时操作。尽管设想电加热元件222及224和压缩机230可在给定时间操作，但是两个加热元件222和224同时操作可能需要特殊电气考虑(例如，更大的断路器、专用电路等)来适应增加的电流汲取(draw)。因此，在示范性实施例中，避免两个加热元件同时供能。

现参看图3，图3根据本发明的实施例示意性描绘了热泵热水器300。热泵系统包括蒸发器302、压缩机330、冷凝器308、节流装置306和至少一个风扇304。在热泵循环的操作期间，制冷剂作为过热蒸气和/或高品质蒸气混合物离开蒸发器302。热泵热水器300可具有放置于各个位置的传感器。在图3的实施例中，温度传感器328放置于罐320中靠近上部加热元件322。温度传感器328定位于罐内、连接到杆340，允许直接传感水温而不是通过测量罐壁温度并推断水温。将温度传感器328定位于储水罐320内改进了响应时间和所传感的水温的准确度。温度传感器334放置于压缩机330的出口处以测量压缩机排放温度从而保护压缩机避免过度加热。提供温度传感器332以测量环境温度。此外，温度传感器336和338分别测量蒸发器302入口和出口温度。热泵热水器300的此实施例还具有相应放置于储水罐320的顶部和底部附近的电加热元件322和324。

HPWH系统300包括控制器352，其在操作上构造成接收表示由温度传感器328、332、334、336和338所测量的温度读数的数据。来自传感器332、336和338的数据由控制器352以如关于图2的实施例中其对应部分所描述的相同方式使用。控制器352构造成处理压缩机排放数据且如果所传感的温度超过被选择以防止压缩机过度加热的预定参考温度则关掉该压缩机。例如，在示范性实施例中，使用240℉的参考温度。热泵热水器300包括用于允许冷水进入热泵热水器300的入口312，此处它经由浸入管310被导向至罐320的底部。热水在罐320的顶部附近在出口314处离开热泵热水器且流到住宅或需要热水的其它场所。热泵热水器300还包括流量计316用于测量进入储水罐320的水量和流率。流量计316测量在给定时间间隔内流入储水罐320的总水量。例如，流量计316可确定在给定月份业主可能使用了1000加仑的热水。温度传感器328、332、334、336和338构造成向控制器352传输表示所测量的温度的数据以进行处理。控制器352处理此温度数据和流率数据以自动地确定压缩机330、上部加热电阻加热器322和下部电阻加热器324中哪个应被供能以便加热储水罐320内的水。

现参看图4，图4根据本发明的实施例示意性描绘了热泵热水器400。该热泵系统的构造类似于图3所示的构造，除了冷凝器408，基本上覆盖水罐420侧壁，有助于通过包裹于储水罐420的外部的冷凝器向储水罐内的水提供更多热的能力。

现参看图5A至图5B，图5A根据本发明的实施例示意性描绘了热泵热水器500。该热泵系统的构造类似于图1所示的构造，除了冷凝器508，包括：柱形部分，其至少部分地覆盖水罐520的侧壁；和底部部分，其至少部分地覆盖底壁518，有助于通过冷凝器508的底部部分从冷凝器向储水罐内最冷的水提供更多热的能力。在图5A所示的实施例中，冷凝器508的底部部分以螺旋盘管构造与底壁518接触。设想到与底壁518接触的冷凝器508的底部部分可为替代的构造，只要该替代的构造允许与底壁518接触的增加的表面积。该热泵系统包括：蒸发器502；压缩机530；冷凝器508；节流装置506；至少一个风扇504；以及，相应放置于储水罐520的顶部和底部的电加热元件522和524。热敏电阻526靠近上部加热元件522放置于罐520中。

热泵热水器500包括允许冷水进入热泵热水器500的入口512，此处它经由浸入管510被导向至罐520的底部。热水在流出口514处在罐520的顶部附近离开热泵热水器且流到住宅或需要热水的其它场所。温度传感器526构造成向控制器552传输表示所测量的温度的数据以进行处理。控制器552处理表示储水罐520内的水的温度的数据以便确定压缩机530、上部电阻加热器522和下部电阻加热器524中的哪个应被供能以便加热储水罐520内的水。

图5A和图5B还示出热泵热水器系统500，其中冷凝器508在操作上连接到压缩机530以有助于从压缩机530向冷凝器508传递过热制的冷剂蒸气，使得处于最热状态的过热的制冷剂蒸气最初通过靠近储水罐520的底部的冷凝器508的入口部引导。使过热的制冷剂蒸气通过冷凝器508过渡使得制冷剂蒸气首先向储水罐520的下部传热，允许过热的制冷剂蒸气向储水罐520内在其最冷点的水传热。图1至图4所示的实施例以从顶部到底部的方式从压缩机503向冷凝器508传输过热的制冷剂蒸气，由此在最热状态的过热的制冷剂蒸气首先接合储水罐520的上部和中部。在这些实施例中，在储水罐最下部的水由冷凝器508内的过热的制冷剂蒸气加热，制冷剂蒸气已循环通过冷凝器508且已从储水罐520的上部移除了热。图5A和图5B中所示的实施例构造成有助于启动从经过冷凝器508的过热蒸气向储水罐520内最冷的水传热。更具体地，在图5A的实施例中，过热的制冷剂蒸气起始进入且流经冷凝器508的底部且然后在柱形部分的最低点进入冷凝器的柱形部分，且从那里逐渐向上流经围绕水罐的侧壁的柱形螺旋且在储水罐520的顶部附近离开冷凝器508。相对于现有技术的典型的更传统的顶部到底部冷凝器布置，结果是储水罐520中相对较低的温度梯度。例如，与传统的热泵热水器构造大约15℉至30℉的梯度和对于传统的电热水器从下部元件到罐的顶部大约10℉的梯度相比，在图5A的示范性实施例的构造中，可实现罐中大约1℉至3℉的温度梯度。如果从电热水器中下部元件下方的区域到罐的顶部测量，梯度可更接近50℉至60℉。这意味着在示范性实施例中，整罐520的水被加热到设定值温度，而不是仅储水罐520的顶部中的水。这种构造非常有效地减小罐中的温度梯度。然而，在某些相对罕见的情况下易于出现潜在的制冷剂迁移问题。如果进来的水特别冷，例如35℉至40℉且迅速地汲取足够水使得冷凝器盘管的至少一半但并非基本上全部暴露于进来的冷水，冷凝器中的制冷剂将倾向于迁移到冷凝器最冷的部分，其为在罐的底部下方延伸的部分而不是循环向上通过围绕罐侧壁的冷凝器部分，导致不足的制冷剂返回压缩机用于密封的系统的高效操作。例如，在50加仑储罐中，汲取大约近似20加仑水可造成这种情况。在图5B所示的实施例中避免这种弱点，其包括“回流”冷凝器设计构件。在图5B所示的设计中，蒸气流首先进入冷凝器508的柱形部分。到冷凝器的此部分的入口位于柱形部分的最低点509处。蒸气向上流过包裹水罐的冷凝器盘管508的部分且然后向下流至且通过在罐518的底部上的底部部分507，在罐的底部离开冷凝器。这种布置还使热的制冷剂蒸气最初暴露于靠近底部的罐的最冷部分。然而，通过在进入底部部分之前在柱形部分向上行进，冷凝器的最冷部现在靠近冷凝器的出口，而压缩机能够使制冷剂循环通过冷凝器且从冷凝器出来，从而避免了制冷剂迁移问题。

在图1至图5中所公开的热泵热水器的实施例中的每一个具有四种操作模式。电模式、热泵模块、混合模式和高需求模式。电模式仅使用电阻加热器操作。热泵模式仅使用由压缩机驱动的密封的系统来加热水。混合模式使用由压缩机驱动的密封的系统作为用于加热水的主要能源，还使用上部电元件以使能够从造成罐中相对低的温度状态的事件更迅速恢复，诸如当填充空的或基本上空的罐时，或者在相对短的时间汲取相对大量的热水之后。如同混合模式，高需求模式选择性地使用密封的系统和上部电元件，它还选择性地使用下部加热元件以使能够在延长的时间以较高速率汲取特别大量水时迅速恢复。

控制器在所有四种模式中进行操作以响应备用冷却，即，当不施加热和不汲取热水时由于通过绝热的罐壁的热损失罐中的水的温度的逐渐降低；且响应流量事件冷却，即，由于从罐的顶部汲取热水所致的温度降低，热水被通过浸入管进入罐的底部部分的冷水替换。当从储水罐120汲取热水时，冷水由浸入管110带入以替换被移除的水。浸入管110推动被带到储水罐120的底部的冷水。冷水开始与已在罐120中的热水混合。然而，当冷水最初进入罐120时，上部传感器126继续读取罐的上部区域中的水的温度，其通常处于设定值水平或接近设定值水平。随着时间，由于混合，由上部传感器126所测量的温度开始降低。因为系统仅使用位于罐的顶部附近的单个水温传感器，所以控制器需要能够对由此传感器所传感的小的温度变化(如果由流量事件引起)做出响应，通过开启下部热源来加热进入罐的底部部分的冷水。对于这些小的温度变化(如果由备用冷却而非流量事件冷却造成)的响应将导致不必要的短循环。

因为控制器152持续接收如由上部传感器126所测量的、表示储水罐120内的水温的数据，当水温降低时，控制器152进行操作以大致区分由于备用冷却造成的温度降低与由于流量事件造成的温度降低。控制器通过检测温度小于阈值温度来检测第一情况，阈值温度在示范性实施例中为与设定值温度的第一预定偏差。控制器通过检测流量事件发生而检测第二情况，在采用流量计的实施例中通过自流量计的输入，或者在未配备流量计的实施例中，通过处理水温数据，如将在下文中所描述，且通过检测温度小于阈值温度，阈值温度在示范性实施例中为与设定值温度的第二预定偏差，其为比第一偏差更小的偏差以便使控制器能够在检测到流量事件时对更小的温差做出响应。

在混合模式和电模式，控制器也进行操作以有效地响应所传感的罐中水的温度显著低于设定值温度的情况，诸如当最初用冷水填充罐时可能发生的或者当在相对短的时段汲取非常大量的热水时可能出现的情况。这些情况在本文中被称作冷罐情况。

出于示范性示例的目的，假定图1所示的储水罐120充满冷水且操作模式为混合。当HPWH 100通电时，上部传感器126传感储水罐120内的水的温度且传输表示水温的数据给控制器152。控制器152处理表示储水罐120内水温的数据且确定它低于限定的冷罐阈值，冷罐阈值被选择表示足够低的水温使得需要在合理时段以意图迅速加热至少在罐的顶部的水(其将被首先汲取)到至少接近设定值温度的温度的方式给热源供能。在此示范性实施例中，混合模式的冷罐阈值被设置为低于设定值30℉，例如，T-30℉，其中T为设定值温度。在示范性实施例中，可由用户从大约100℉至140℉的范围选择设定值。在示范性实施例中，例如对于预计长期不使用的用户而言，也可利用50℉的假期模式设定值。然而，设定值温度T可从更宽或更窄的范围选择，或者为预定的工厂设置值或者其可为根据实施于控制器中的温度控制算法自动选择的值。无论如何选择，设定值温度表示存储于罐中的水的所希望的或目标温度。在混合模式，在这些条件下，控制器152给上部电加热元件122供能以便加热储水罐120内的水的顶部部分直到水温到达第二混合阈值温度，第二混合阈值温度小于设定值温度，但充分接近以依赖热泵系统变成能源来加热罐的下部中的水和在合理时间内完成罐中的水温恢复到设定值温度。控制器152进行操作以继续给上部加热元件122供能直到接收表示温度在此第二阈值温度或高于此第二阈值温度的数据，此时，控制器152使上部电加热元件122断能。第二阈值被设置低于设定值温度以便补偿任何温度超调(overshoot)，温度超调可能是由于温度传感器与上部加热元件122之间的距离造成，因为当元件被供能时上部加热元件122附近的水温高于位于罐的壁上的传感器126附近的温度。当更温热的水从上部加热元件122行进到传感器126时在延迟时段期间，热仍由电加热元件122添加到水。因此，此过量热可造成水温超过设定值温度。在示范性实施例中选择此第二混合阈值温度比设定值温度小3℉，即，T-3℉。

当上部电加热元件122断能时，响应于罐的上部中的温度超过第二混合阈值，在储水罐120的下部中的水继续是冷的，这是因为在储水罐120的下部内的水不能利用上部加热元件122有效地加热。为了解决这种情况，在上部电加热元件122断能时，控制器152给压缩机130供能，驱动热的制冷剂通过围绕储水罐120的冷凝器108以加热罐的下部中的水，且继续这样做直到传感器126读取表示温度大于或等于设定值T的数据并传输该数据到控制器152。在控制器152接收并处理表示所传感的水温大于或等于设定值温度T的数据时，控制器152传输信号以使压缩机130断能且从而中止到储水罐120中的水的传热。在此混合模式示例中，在从冷罐条件恢复之后，即，已经将由传感器所传感的温度带到设定值温度，且在没有流量事件的情况下，热泵将保持断能只要罐中的温度保持高于第三混合阈值温度，第三混合阈值温度被选择充分接近设定值温度以维持罐中可接受的温度而不会过度循环以从随时间通过罐的缓慢热损失中恢复，在示范性实施例中第三混合阈值温度被设置为T-5℉。如果所传感的水温降低到低于T-5℉，则密封的系统被供能直到所传感的温度恢复到设定值温度T。通过此布置，解决由于备用冷却的热损失。

如上文简要提到的，流量事件的特征为从罐中汲取热水。更具体地，出于温度控制目的，流量事件的特征为以这种方式汲取热水使得在罐中所传感的温度的变化率超过流量事件检测阈值率。如果所传感的温度降低到低于设定值温度，控制器检查流量事件。在检测到流量事件时，比较所传感的温度与小于设定值温度的流量事件阈值温度，且如果所传感的温度变得小于此阈值温度，给密封的系统供能以恢复温度到设定值温度。选择流量事件阈值温度充分接近设定值以使该系统能够迅速响应流量事件从而最小化将罐中的水温恢复到设定值温度所需的时间。在示范性实施例中，流量事件阈值被设置为小于设定值温度1℉，即T-1℉。

在此示例中，电模式中的操作类似于混合模式，主要差别在于当需要加热罐的下部时下部电加热元件而不是密封的系统被供能。另一相关联的差别在于电模式的冷罐阈值温度被选择为T-25℉，其略微高于混合冷罐阈值温度。然而，相同的阈值温度偏差可用于两种模式，与混合模式的意图一致，以主要依靠使用密封系统其中仅有限地使用电元件来提供改进的能量效率，在混合模式中更低的阈值温度的使用导致电元件更少使用而不会显著地有损恢复时间。

再次考虑冷罐的示例来说明电模式，在检测到水温低于电模式冷罐阈值温度T-25℉时，控制器152给上部电加热元件122供能以便加热储水罐120内的水的顶部部分直到水温到达第二混合阈值温度，第二混合阈值温度小于用户设定值温度，但充分接近以依赖下部电加热元件变成能源来加热罐的下部中的水和在合理时间内完成罐中水温恢复到设定值温度。在示范性实施例中，此为T-3℉，就如在混合模式中那样。控制器152进行操作以继续给上部加热元件供能直到接收表示温度在此第二阈值温度或高于此第二阈值温度的数据，在此时，控制器152引起上部电加热元件122被断能。如在混合模式中，储水罐120的下部中的水继续变冷，因此，控制器152给下部加热元件124供能，驱动热进入储水罐120的下部中的水直到传感器126读取和传输表示超调阈值温度(其在电模式中大于设定值温度)的数据。在控制器152接收并处理表示温度等于或大于超调阈值温度的数据时，控制器152传输信号以使下部加热元件124断能从而停止向储水罐120的下部中的水传热。在电模式，使用超调阈值温度，而不是设定值温度来说明下部加热元件和温度传感器的相对位置。已在经验上确定当使用下部元件来加热罐中的水时，热倾向于向外朝向罐侧壁且然后沿着壁向上流动。由于温度传感器位于罐壁的上部，它对于壁附近的水温做出响应，壁附近的水比罐中心的水更快地加热，因此阈值温度设置为高于设定值温度的温度以允许罐中心的水到达设定值温度。在示范性示例中，超调阈值温度被设置为T+5℉。

继续电模式示例，从冷罐状态恢复之后，即，将传感器所传感的温度带到电模式恢复阈值温度T+5℉，在没有流量事件的情况下，下部加热元件将保持断能只要罐中的温度保持高于第三混合阈值温度，第三混合阈值温度被选择充分接近设定值温度以维持罐中可接受的温度而不会由于通过罐壁的热损失而过度循环，在示范性实施例中第三混合阈值温度被设置为T-5℉。如果所传感的水温降低到低于T-5℉，则下部加热元件被供能直到所传感的温度恢复到超调阈值温度T+5℉。如在混合模式中，在检测到流量事件时，比较所传感的温度与小于设定值温度的流量事件阈值温度，且如果所传感的温度变得小于此阈值温度，则下部加热元件被供能以恢复所传感的温度到超调阈值温度。选择流量事件阈值温度充分接近设定值以使该系统能够迅速响应流量事件从而最小化从流量事件恢复所需的时间。在示范性实施例中，流量事件阈值被设置为比消费者所选的设定值温度小1℉，即T-1℉。

如果操作模式为热泵，则上部传感器126传感储水罐120内的水温且传输表示水温的数据到控制器152。控制器152处理表示储水罐120内水温的数据且确定它低于设定值。控制器152给压缩机130供能，驱动热的制冷剂通过围绕储水罐120的冷凝器108，直到传感器126读取表示设定值温度已到达或超过的数据且将该数据传输给控制器152。在控制器152接收并处理表示设定值温度已到达或超过的数据时，控制器152传输信号以使压缩机130断能且从而停止到储水罐120中的水的传热。

操作模式中的每一个依赖流量事件的检测以响应于从罐传统地汲取热水来控制热源。在采用流量计的实施例中，离开或者进入热水器的水的实际流率被直接测量且如果它超过预定的阈值速率，则表示有流量事件且控制器相应地响应。大约每分钟2-3加仑的阈值速率应在50加仑罐中提供令人满意的结果。在未配备流量计的实施例中，使用水温数据来间接地检测流量事件的发生。图6示出表示对于50加仑热水器温度读数随时间变化的数据的示例，其中如由上部传感器126所测量，水已被加热到近似120℉。线610示出当上部加热元件122、下部加热元件124和压缩机130被断能且没有水被汲取时由上部传感器126所测量的温度读数。如线610所示，被测量的水温随时间以特征为备用热损失的速率降低，备用热损失为通过储水罐侧壁的绝缘的热损失。温度读数600的线614示出表示当以每分钟1加仑的速率从罐汲取热水时由上部传感器126所测量的温度读数的数据，而线616表示当以每分钟3加仑的速率从罐汲取热水时的温度数据。

在利用该技术的示范性实施例中，每分钟0.3℉的速率被选择为检测流量事件的阈值或参考速率。图6中的线618表示此阈值流量事件速率。如果控制器152检测到由传感器126所传感的温度以大于每分钟0.3℉的此流量事件参考速率的流率降低，那么控制器152知道发生了流量事件。在此示例中，由控制器152来接收并处理由线616所示出的表示读数的数据允许控制器152确定所传感的变化率大于表示流量事件发生的阈值或控制极限变化率。在示范性实施例中使用此阈值速率使控制器能够可靠地响应作为流量事件每分钟大约3加仑或更高的流率。然而，应理解的是此阈值速率可设置为有助于检测从水罐汲取的水的任何水平并且不限于检测以大于每分钟0.3℉的示范性的阈值速率的速率的温度降低。在示范性实施例中，控制器查找在每五秒进行检查的一分钟移动窗上0.3℉的降低以检测流量事件。如果在一分钟窗内检测到大于0.3℉的降低，则系统识别流量事件且相应地做出响应。结合用于检测流量事件的此技术的该描述，应当注意的是商业上可利用的热水器中的浸入管包括位于管的上端附近的防虹吸孔口，其可具有大约0.120英寸的直径。当冷水经由浸入管进入该罐时，进入的水的小部分通过此防虹吸孔口排到罐的上部区域。此外，商业上可利用的住宅热水器(诸如那些以GE商标在商业上可利用的)中的浸入管具有靠近浸入管的出口端的结构以将紊流引入到进入的水中，其产生流量限制。这种流量限制增加管中的背压，其增加通过防虹吸孔口排出的速率。如图1至图5所示，在示范性实施例中，防虹吸孔口(图1中的110a)在罐中大致与水温传感器126(在图1中)高度相同。冷水通过防虹吸孔口排到罐中对于上部温度传感器检测流量事件的效果较为重要。在示范性实施例中利用商业上可利用的浸入管防虹吸孔口和商业上可以以GE商标利用的电住宅热水器中采用的出口紊流结构来实现令人满意的结果。然而，可通过为优化特定储水罐构造调整孔口尺寸和/或在浸入管的出口处引入的流量限制量来调整检测的敏感性。

在包括朝向水罐顶部的上部传感器和朝向水罐底部的下部传感器的现有技术热水器系统中，上部传感器检测储水罐上部中的水的温度变化且使得上部加热元件开启直到上部传感器传感到罐的顶部部分中的水的温度被加热到限定的设定值温度。在这些系统中下部传感器检测罐的下部中的水的温度变化且使得下部加热元件开启直到下部传感器传感到水温恢复到限定的设定值温度。这种构造的问题中的一个在于连续的小流量事件将造成罐顶部中的水由于累积而过度加热。在这些现有技术系统中，每次冷水添加到储水罐的底部时，能量添加给水，这是因为下部加热元件由于所检测的温度变化而每次开启。因此，热量上升到储水罐的顶部，使得在添加附加能量时已在设置温度水平的储水罐顶部中的水过度加热。当连续发生多次小流量事件时，添加给储水罐中水的顶部中的水的附加能量开始累积且造成水的过度加热。以上文所述方式使用单个传感器解决该问题。尽管本发明的此方面的示范性实施例为包括电模式的热泵热水器，但应了解的是本发明的此方面并不限于这些实施例且例如可类似地用于仅由电加热元件加热的热水器中。

现参看图7，图7A描绘了根据本发明实施例的控制方块图。控制方块图指示在热泵热水器的操作期间可能需要的输入、处理和输出中的某些。例如，输入可包括自一个或更多个温度传感器的输入，取决于特定实施例，这里集体表示为温度传感器702。在示范性实施例中，温度传感器为热敏电阻，然而类似地可采用其它类型的温度传感器。其它输入可包括来自风扇704指示风扇速度的反馈703。而且，可从流量传感器716、浮动开关714和传导率传感器706接收输入。流量传感器716可用于监测热水使用。浮动开关714可用于监测来自蒸发器的冷凝的聚集且使得泵或其它装置启动以移除冷凝或向用户提供需要移除冷凝物的信号。传导率传感器706可用于代替浮动开关来监测冷凝物聚集或者可用于检测在热水器的基部附近的水，指示储水罐中潜在的泄露。输入还可包括来自用户接口708、时钟和/或日历表750的输入。在一个实施例中，时钟由非易失性存储器/电池/电容器供能以便维持日历钟，使得如果失去功率，用户无须重设日期/时间(在带有时钟的许多家用电器中需要重设)。这也可通过读取原子钟卫星输出等更优雅的方法来实现。也可从能量监测记账装置772来接收输入。能量监测记账装置包括由公用事业公司安装的装置，用来限制高峰需求时间的电力汲取。例如，在夏季月份，若允许电力公司有关掉诸如热水器、热泵和空调系统这样的汲取大量电力的装置的特权，通常电力公司会向消费者提供折扣。

也可通过主PCB来完成，主PCB可为微控制器或PLC控制器760等。主PCB也可调节电源770。例如，主PCB 760包括水温和流量模块，水温和流量模块处理表示由多个热敏电阻测量的温度的数据。控制系统的输出可包括供应到风扇704的功率，到压缩机730、上部加热元件720和下部加热元件118的功率。输出也可包括在用户接口708上的指示信息(未示出)。指示也可以以LCD显示器或LED灯的形式，如相应由附图标记710所示。

图7B是图1的示范性实施例的表示性电路图。用于热泵热水器100的功率输入可为标准住宅电力。例如，电源可为以60Hz操作的240伏交流(VAC)电路。这通常由三线组成：两个120VAC输入和一个接地(即，无中性线)。开关模式电源224被以传统的整流电路的形式提供以提供12伏直流电源用于风扇104和继电器驱动器和其它电子控制器需要。系统操作也受到主控制器152控制。主控制器152接收输入，诸如从传感器126的输入。此外，主控制器152接收从风扇104的反馈输入且控制风扇104操作，如由附图标记154和156所示。在示范性实施例中，风扇104为变速直流风扇。然而，类似地也可采用交流风扇。风扇104的操作包括监测和控制风扇速度，且通过来自信号发生器158的脉冲宽度调制脉冲提供功率给风扇104来操作。在一个实施例中，经由建到风扇内的转速计反馈来监测风扇速度。用于本实施例的风扇可为磁体/霍尔效应传感器设计。当风扇旋转时，磁体经过霍尔效应传感器附近，导致脉冲信号输出。所生成的脉冲的频率被分析且用于计算风扇的旋转速度。尽管在上述实施例中给出了监测风扇速度的具体方法，但是设想到可以以多种不同方式来监测风扇速度。主控制器152还构造成识别风扇故障，诸如烧坏马达、过度绕组温度、振动、不足的风扇速度等。使用上文所述的转速计反馈，可将发送到风扇的信号与速度反馈进行比较。例如，如果给出50％输入，预计的是转速计反馈应指示最大RPM的近似50％。而且，如果信号传输到风扇以有助于在任何速度操作且并无指示风扇旋转的反馈，则这可被理解为风扇失效。

主控制器152还包括用于控制上部加热元件122的继电器212、用于控制下部加热元件124的继电器214和用于控制压缩机130的继电器216。继电器212-216级联使得热源中的仅仅一个在任何一次被供能。级联的继电器通过热断路开关218的触点1和2联接到电源线L1。类似地，电路通过开关218的触点3和4联接到电源线L2。开关218为传统的热断路开关，其安装到罐120的壁上以对罐壁的温度做出响应。如果罐壁过度加热到超过断路阈值温度的温度，断路阈值温度在示范性实施例中为170℉，则将触点1联接到触点2的开关元件打开，切断到L1的连接，且联接触点3和触点4的开关元件打开，切断到L2的连接，从而限制罐的温度。继电器220将断路开关218的触点3联接到L2，以在该系统处于切断状态时在交流电源与功率控制电路之间提供双断。而当该系统开启且继电器220处于其常开状态时，控制器152切换继电器220以将L2联接到开关218的触点4。再次参看继电器212-216的级联布置，继电器212的端子c连接到开关218的触点2。其常开触点连接到上部加热元件122，而其常闭触点连接到继电器214的端子c。继电器214的常开触点连接到下部加热元件124，而其常闭触点连接到继电器216的端子c。继电器216的常开触点通过排放压力切断开关222连接到压缩机130。切断开关222为传统的压力开关，其以传统方式用于保护密封的系统免于过度的压力。通过此布置，为了给上部元件122供能，控制器152将继电器212切换到其常开状态，从而跨过L1与L2连接加热元件122。当继电器212处于此状态时，L1仅可连接到加热元件122。为了给下部加热元件124供能，控制器152切换继电器212到其常闭状态且继电器214到其常开状态。这跨过L1和L2连接加热元件124。当继电器212处于其常闭状态而继电器214处于其常开状态时，L1仅可连接到下部元件124。为了给压缩机130供能，控制器152切换继电器212和214到其常闭状态而切换继电器216到其常开状态。这跨过L1和L2串联压力开关222与压缩机130。主控制器152还接受来自用户接口202的输入，如由附图标记230所示。主控制器152还可包括集成的定时器，其被构造为热泵热水器电子控制装置的部分，向用户提供控制和编程热泵热水器的加热活动的能力，从而在无需加热水时节省能量。

在图7B所示的实施例的电路构造中，在热泵热水器100的操作期间，仅热源即加热元件122和124和压缩机130中的一个可在任何给定时间操作。这限制了电负荷。然而，设想到在替代构造中，加热元件122或124中的一个和压缩机130可同时操作。而且，设想到在替代构造中，加热元件122及124和压缩机130都可同时操作。然而，加热元件122和124的同时操作可能需要特殊的电考虑(例如，更大的断路器、专用电路等)以适应增加的电流汲取。尽管如此，设想到加热元件122和124的操作可在相同时间发生。具有附加的传感器和其它输入的类似电路可用于图2至图5的实施例。

图8是在HPWH的操作期间控制器内的水温和流量模块内的过程流程的说明。如图所示，在系统被供能792之后，确定储水罐是否是满的794。确定储水罐是否充满的方法由控制器启动多个步骤来执行。首先，与储水罐的外部接触的冷凝器被启动限定的时段且加热储水罐的外壁。如果罐是空的，储水罐将开始以比罐中有水时更快的速率升温。控制器有助于通过定位充分靠近储水罐壁的传感器来监测外壁的温度。在示范性实施例中，传感器126用于此目的，然而，类似地可采用单独的温度传感器。如果罐是满的或至少具有处于可接受水位的水，那么温度的升高将不超过限定的限度。如果由传感器测量的温度升高到高于此限度，其指示储水罐是空的或罐内的水位低于所希望的水位。如果储水罐是不满的，则控制器内的水温和流量模块有助于启动显示器示出罐是干的或不满的796。该系统暂停进一步操作直到罐被充分充满直到满足罐充满测试。在储水罐充满水后，询问储水罐是否是满的794将得到肯定的答案。接下来，该系统确定适当的操作模式。示范性实施例具有四种操作模式，标准电模式、热泵模式、混合模式和高需求模式，高需求模式由电元件与热泵的使用的组合组成。该系统允许使用先前使用中的操作模式798或者操作者可选择操作模式802。在操作期间，水温和流量模块必须首先验证操作者所选的操作模式。作为验证过程的一部分，在804控制器首先询问操作模式是否为标准电模式。如果操作模式不是标准电模式，则控制器接下来在806询问操作模式是否为热泵模式。如果操作模式不是热泵模式，控制器接下来在807询问操作模式是否为高要求模式。如果不是高需求模式，水温和流量模块在808默认将系统切换到混合模式。

当选定的操作模式为标准电模式时，控制器实施标准电模式810(图8B)。在此模式中，温度和水流量模块从传感器126获得水温数据T2(812)。温度和水温模块构造成首先检查由T2的值所表示的冷罐状态(814)，T2值指示小于电模式冷罐阈值温度T-25℉的水温，其中T为设定值。如果T2小于T-25℉，那么上部加热元件122被供能而下部元件被断能(若在检测到冷罐状态时其刚好已被供能)(816)。既然模块构造成给予冷罐状态优先权，且在示范性实施例中，两个电元件不能在相同时间被供能，如果在检测到冷罐状态时下部元件已被供能以满足另一状态，则需要使下部元件124断能。加热元件122将继续被供能直到T2升高到设定值的3℉内(818)。当T2超过T-3℉时，上部元件122被断能(820)而下部元件124被供能(822)。这种操作状态将继续直到T2超过高于设定值5℉的超调阈值，即，T2大于T+5℉或者除非被检测到另一冷罐状态打断，在此时，下部加热元件被断能且模块继续监测T2(810)。

再次返回814，如果T2不小于T-25℉，则温度和水流量模块接下来检查以通过确定所传感的水温是否小于T-5℉来确定是否由于备用冷却而需要热量(824)。如果是肯定的，那么下部加热元件124被供能且保持被供能直到到达T+5℉的超调阈值温度(822)或者检测到冷罐状态(814)。

返回至824，如果所传感的温度不小于T-5℉，则温度和水流量模块接下来检查以通过首先将所传感的温度T2与设定值温度T进行比较来确定是否由于流量事件而需要热量(826)。如果T2不小于T，则无需对热源供能且系统继续监测T2(812)。如果T2小于T，模块接下来查找流量事件的发生(828)。如之前所描述，这在某些实施例中从流量计的输出来确定且在其它实施例中从温度变化率数据来确定。如果并未检测到流量事件，则模块继续监测T2(812)。如果检测到流量事件，则模块确定T2是否小于设定值减去1℉(830)。如果不是，则模块继续监测T2(810)。如果T2小于T-1℉，那么下部元件被供能且保持被供能直到T2等于或超过超调阈值T+5℉(822)，除非被检测到冷罐状态所中断(814)。

当选定的操作模式为热泵模式时，模块实施热泵模式(832)(图8C)。在热泵模式中，仅压缩机驱动的密封的系统用于加热水。该模块并不构造成检测此模式中的冷罐状态并对此做出响应，因此模块监测T2(834)，首先检查以通过确定所传感的水温是否小于T-5℉来确定是否由于备用冷却而需要热量(836)。如果是肯定的，那么密封系统被供能且保持被供能直到到达了用户选定的设定值温度(838)。

返回至836，如果所传感的温度不小于T-5℉，则温度和水流量模块接下来检查以通过首先将所传感的温度T2与设定值温度T进行比较来确定是否由于流量事件而需要热量(840)。如果T2不小于T，无需热源的供能且系统继续监测T2(834)。如果T2小于T，则模块接下来查找流量事件的发生(842)。如果未检测到流量事件，则模块继续监测T2(834)，如果检测到流量事件，那么模块确定T2是否小于设定值减去1℉(844)。如果不是，则模块继续监测T2(834)。如果T2小于T-1℉，那么密封的系统被供能且保持被供能直到T2等于或超过用户选定的设定值温度。(838)。

当选定的操作模式为混合模式时，模块实施混合模式(846)(图8D)。在此模式中，温度和水流量模块从传感器126获得水温数据T2(848)。如在标准电模式中，温度和水流量模块构造成首先检查由T2值所表示的冷罐状态(850)，T2指示低于电冷罐阈值温度的水温。然而，在示范性实施例中，如之前所述，混合冷罐阈值温度为T-30℉，其小于电冷罐阈值温度。如果T2小于T-30℉，那么上部加热元件122被供能。加热元件122将继续被供能直到T2升高到设定值的3℉内(854)。当T2超过T-3℉时，上部元件122断能(856)且启动密封的系统的操作(858)。密封的系统将继续运行直到T2等于或超过设定值温度(除非被检测到另一冷罐状态所中断)，在此时，密封的系统断能而模块继续监测T2(848)。

再次返回到850，如果T2不小于T-30℉，温度和水流量模块接下来检查以通过确定所传感的水温是否小于T-5℉来确定是否由于备用冷却而需要热量(860)。如果是肯定的，那么启动密封的系统的操作且密封的系统继续运行直到到达或超过设定值温度T(858)(除非被检测到另一冷罐状态所中断)，在此时，密封的系统断能而模块继续监测T2(848)。

返回至860，如果所传感的温度不小于T-5℉，那么温度和水流量模块接下来检查以通过首先将所传感的温度T2与设定值温度T进行比较来确定是否由于流量事件而需要热量(862)。如果T2不小于T，则无需热源的供能且系统继续监测T2(848)。如果T2小于T，则模块接下来查找流量事件的发生(864)。如果并未检测到流量事件，则模块继续监测T2(848)。如果检测到流量事件，则模块确定T2是否小于设定值减去1℉(866)。如果不是，则模块继续监测T2(848)。如果T2小于T-1℉，那么启动密封的系统的操作且继续运行直到T2等于或超过设定值温度T(858)(除非被检测到另一冷罐状态所中断)，在此时，密封的系统断能而模块继续监测T2(848)。

高需求模式为混合模式的变型，提供这种模式以对于高于典型的热水使用状态做出响应，诸如在具有高流量淋浴头的家庭中可能会发生，例如，与每分钟2加仑流量的更典型的淋浴头相比，流率大约每分钟5加仑。在高需求模式中，该系统使用热泵来恢复备用损失和少量汲取，如在混合模式中那样。然而，如果检测到大流量事件，例如水温在10分钟内降低3℉，那么该系统使用下部电元件来恢复。此外，以类似于混合模式的方式，但阈值更高，上部加热元件用于恢复罐的顶部部分中的水温且然后下部元件用于恢复罐下部中的水温。如在本文中先前所述，该系统构造成通过检测在一分钟时段大约0.3℉的温度变化率来检测“流量事件”，使用一分钟移动窗，每五秒钟进行检查。为了检测“大流量事件”，该系统查找十分钟时段3℉的温度变化，使用十分钟移动窗，也每五秒钟进行检查，然而，每三十秒可足够。

当选定的操作模式为高需求模式时，模块实施高需求模式(870)(图8E)。在此模式中，温度和水流量模块从传感器126获得水温数据T2(872)。如在混合和标准电模式中那样，温度和水流量模块构造成首先检查由T2值所表示的冷罐状态(874)，T2指示小于冷罐阈值温度的水温。然而，在示范性实施例中，如之前所述，混合冷罐阈值温度为T-20℉，其大于电或混合冷罐阈值温度。这允许对冷罐状态更快响应，这是因为高需求模式意图用于冷罐状态可能更频繁的情况。如果T2小于T-20℉，那么上部加热元件122被供能而下部元件被断能(如果在检测到冷罐状态时下部元件刚好已被供能)(876)。加热元件122将继续被供能直到T2升高到设置值的3℉内(878)。当T2超过T-3℉，上部元件122断能而下部元件被供能(880)。如在电模式中那样，这种操作状态将继续直到T2超过高于设定值5℉的超调阈值，即，T2大于T+5℉或者除非被检测到另一冷罐状态所中断，在此时，下部加热元件124被断能而模块继续监测T2(872)

再次返回到874，如果T2不小于T-20℉，则温度和水流量模块接下来检查以通过确定所传感的水温是否小于T-5℉来确定是否由于备用冷却而需要热量(884)。如果是肯定的，那么启动密封的系统的操作且密封的系统继续运行直到到达或超过设定值温度T(886)(除非被检测到另一冷罐状态或大流量事件所中断)，在此时，密封的系统断能而模块继续监测T2(872)。

返回至884，如果所传感的温度不小于T-5℉，则温度和水流量模块接下来检查以通过将所传感的温度T2与设定值温度T进行比较来确定是否由于流量事件而需要热量(888)。如果T2不小于T，则无需热源的供能且系统继续监测T2(848)。如果T2小于T，则该模块接下来查找流量事件的发生(890)。如果并未检测到流量事件，则模块继续监测T2(872)。如果检测到流量事件，则该模块确定T2是否小于设定值减去1℉(892)。如果不是，模块继续监测T2(848)。如果T2小于T-1℉，那么启动密封的系统的操作且密封系统继续运行直到T2等于或超过设定值温度T(858)(除非被检测到另一冷罐状态或大流量事件所中断)，在此时，密封系统断能而模块继续监测T2(848)。

返回至872，如果在高需求模式的操作期间的任何时间，除非该系统处于对冷罐状态响应的过程中，否则优先检测大流量事件的发生(894)。如果检测到大流量事件，即，如果控制器检测到在运行十分钟窗中由传感器126传感的3℉或更高的水罐温度的降低，则下部加热元件被供能(896)且保持被供能直到T2超过高于设定值5℉的超调阈值，即，T2大于T+5℉或者除非被检测到另一冷罐状态所中断，在此时，下部加热元件124断能而模块继续监测T2(872)。

该文字描述使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且也使本领域技术人员能够做出和使用本发明。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (24)

1.一种热泵热水器，其包括：

储水罐；

热泵，其包括密封的系统，所述密封的系统包括：压缩机、蒸发器、冷凝器以及制冷剂，其构造成使制冷剂流从压缩机到冷凝器到蒸发器然后回到所述压缩机，其中所述冷凝器被定位成与所述储水罐处于热交换关系用于加热所述罐的内含物；

第一电阻加热器，其接近所述储水罐的上部区域定位；

第一温度传感器，其接近所述储水罐的顶部定位；以及

控制器，其在操作上连接到第一温度传感器且包括事件流量模块，其构造成接收并处理表示由所述第一温度传感器所测量的温度读数的数据以便确定水是否从所述储水罐流动，其中所述控制器在操作上连接到所述热泵和所述第一电阻加热器，所述控制器还构造成响应于由所述第一温度传感器所测量的所述温度读数来自动地选择所述热泵和所述第一电阻加热器中的至少一个且给它供能。

2.根据权利要求1所述的热泵热水器，其特征在于，所述第一温度传感器定位在储水罐侧壁的外部上。

3.根据权利要求1所述的热泵热水器，其特征在于，热泵冷凝器包裹于所述储水罐侧壁的外部，其中所述冷凝器的入口接近所述储水罐侧壁的下部定位，由此通过所述冷凝器的制冷剂流被发动接近所述储水罐侧壁的下部通过所述冷凝器。

4.根据权利要求3所述的热泵热水器，其特征在于，所述热泵冷凝器包括接近所述储水罐底壁且与所述储水罐底壁处于热交换关系布置的部分，其中在流通过包裹于所述储水罐侧壁的外部的所述冷凝器的部分之后，流通过接合所述储水罐底壁的所述热泵冷凝器的部分。

5.根据权利要求1所述的热泵热水器，其特征在于，所述热泵冷凝器包括包裹于所述储水罐侧壁外部的侧部和接近所述储水罐底壁且与所述储水罐底壁处于热交换关系布置的底部，其中所述底部包括冷凝器入口，由此所述制冷剂在流过所述侧部之前，首先流过所述冷凝器的底部。

6.根据权利要求1所述的热泵热水器，其特征在于，所述热泵热水器包括：第二电阻加热器，其定位在所述储水罐的底部附近，且其中，所述控制器内的所述事件流量模块构造成处理表示由所述第一温度传感器所测量的温度读数的信息以确定在所述第一温度传感器附近水温下降的速率，其中通过所述控制器对所述热泵、所述第一电阻加热器和所述第二电阻加热器中的至少一个供能是基于被测量的水温下降的速率来自动地选择。

7.根据权利要求1所述的热泵热水器，其特征在于，所述事件流量模块还构造成处理表示所述罐中的水温的数据以便估计流入所述储水罐的水量。

8.根据权利要求1所述的热泵热水器，其特征在于，所述热泵热水器包括流量计，其在操作上连接到所述控制器且与水入口管线相关联地定位用于测量流入所述储水罐的水量。

9.根据权利要求1所述的热泵热水器，其特征在于，所述热泵热水器包括流量计，其在操作上连接到所述控制器且与水出口管线相关联地定位用于测量从所述储水罐流出的水量。

10.根据权利要求1所述的热泵热水器，其特征在于，所述热泵热水器包括第二温度传感器，其在操作上连接到所述控制器且被定位成测量流入所述储水罐的水的温度，其中所述控制器还处理表示流入所述储水罐的水的温度的数据，其中所述控制器还构造成响应于从所述第一温度传感器和第二温度传感器所接收的信息来自动地选择所述热泵和所述至少一个电阻加热器中的至少一个且给它供能。

11.根据权利要求1所述的热泵热水器，其特征在于，所述热泵热水器包括定位在冷凝器的入口处的第二温度传感器和定位在所述冷凝器的出口处的第三温度传感器，其中所述控制器在操作上连接到所述第一温度传感器、第二温度传感器及第三温度传感器、所述热泵和所述至少一个电阻加热器，其中所述控制器构造成处理从所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器接收的信息以响应于从所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器接收的信息来选择性地自动给所述第一电阻加热器和所述热泵中的至少一个供能和断能。

12.根据权利要求1所述的热泵热水器，其特征在于，所述热泵冷凝器接近所述储水罐的侧部和底部且与所述储水罐的侧部和底部处于热交换关系定位。

13.根据权利要求2所述的热泵热水器，其特征在于，所述控制器还构造成响应于对由所述温度传感器测量的温度读数的处理和选取的操作模式来自动地选择所述热泵和所述电阻加热器中的一个且给它供能。

14.一种加热热泵热水器的储水罐内水的方法，其特征在于，控制器在操作上连接到热泵、加热元件和定位在所述储水罐的顶部附近的第一温度传感器，所述方法包括：

接收由所述第一传感器传输的温度读数；

处理由所述第一传感器传输的所述温度读数以便确定所述储水罐的顶部附近的水温降低到低于阈值温度；以及

响应于所述储水罐顶部附近的水温降低到低于阈值温度来选择所述热泵和所述电加热元件中的至少一个并给它供能。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，确定所述储水罐的顶部附近水温降低到低于阈值温度的步骤包括比较由所述第一传感器所传输的所述温度读数与所述阈值温度。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当传输的所述温度读数反映温度降低到低于第一预设水平时给下部加热元件供能；以及

当传输的所述温度读数反映温度降低到第二预设水平时给上部加热元件供能。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括当传输的所述温度读数反映温度降低到低于第二预设水平时给热泵系统下部加热元件供能。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

测量在水入口管线处进入所述储水罐的水流量；

处理表示进入所述储水罐的水流量的数据以及表示所述储水罐的顶部附近的水温降低到低于限定的设定值温度的数据；

确定定位在所述储水罐内的上部加热元件和下部加热元件中的哪个要被供能；以及

给定位在所述储水罐内的所述上部加热元件和所述下部加热元件中的一个供能。

19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，通过冷凝器管的流在所述冷凝器管接触所述储水罐侧壁的下部的点起始并且向上通过与所述储水罐侧壁的上部接触的冷凝器管流过所述冷凝器管，所述冷凝器管包裹于所述储水罐侧壁的外部且从所述储水罐侧壁的下部延伸到上部。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述冷凝器管包括回流，其中，在流通过与所述储水罐的侧壁接触的冷凝器管之后，流继续通过与所述储水罐的底壁接触的冷凝器管。

21.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述加热方法开始时发生的禁用超驰步骤，由此，所述控制器通过执行以下步骤自动地确定所述储水罐内的水位是否处于足够的水平以允许开始加热程序：

以限定的时段初始化所述热泵的冷凝器；

处理从所述传感器接收的温度读数以便确定所述储水罐的温度是否升高到超过限定的升高水平的水平，所述传感器被定位以测量所述储水罐温度；以及

在确定所述储水罐的温度超过限定的水平时，禁用所述加热程序且传输指示所述储水罐内水位不足的信号。

22.一种热泵热水器，其包括：

储水罐；

热泵，其中，热泵冷凝器定位成与所述储水罐的侧部和底部接触；

成对的电阻加热器，其中，第一电阻加热器定位在所述储水罐内接近所述储水罐的底部，而第二电阻加热器定位在所述储水罐内接近所述储水罐的顶部；

温度传感器，其被定位以确定所述储水罐内且接近所述储水罐的顶部的水温；

控制器，其构造成处理表示由所述温度传感器测量的温度读数的信息以检测所述储水罐中的水温变化，其中，响应于所述储水罐中的水温变化，所述控制器进行操作给所述热泵、所述第一电阻加热器和所述第二电阻加热器中的一个或更多个自动供能。

23.一种热水器，包括：

储水罐；

成对的电阻加热器，其中，第一电阻加热器定位在所述储水罐内接近所述储水罐的底部，而第二电阻加热器定位在所述储水罐内接近所述储水罐的顶部；

温度传感器，其被定位以确定所述储水罐内且接近所述储水罐的顶部的水温；

控制器，其在操作上连接到所述第一温度传感器且包括事件流量模块，所述事件流量模块构造成接收并处理表示由所述温度传感器所测量的温度读数的数据以便确定水是否从所述储水罐流出，其中，所述控制器在操作上连接到所述电阻加热器，所述控制器还构造成响应于由所述第一温度传感器所测量的温度读数来自动地选择所述电阻加热器中的至少一个且给它供能。

24.根据权利要求23所述的热泵热水器，其特征在于，所述控制器内的所述事件流量模块构造成处理表示由所述温度传感器所测量的温度读数的信息以确定在所述温度传感器附近水温下降的速率，其中，基于所测量的水温下降的速率由所述控制器自动地选择给所述第一电阻加热器和所述第二电阻加热器中的至少一个供能。

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