CN103459944B

CN103459944B - 级联浮动中间温度热泵系统

Info

Publication number: CN103459944B
Application number: CN201280009115.6A
Authority: CN
Inventors: U·罗肯费勒; P·萨基西恩; K·卡利利
Original assignee: Rocky Research Corp
Current assignee: Rocky Research Corp
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: EP2676083A1; TW201239281A; EP2676083A4; KR101551242B1; US9239174B2; JP2014510894A; MX2013009487A; CA2826278A1; CN103459944A; TWI573969B; US20120210736A1; WO2013095688A1; CA2826278C; HK1191392A1; JP5814387B2; MX341550B; KR20140043723A

Abstract

级联热泵系统设有变速压缩机，所述变速压缩机允许对特定的热负荷有较高的系统性能系数的操作。电子控制模块可以用来动态地改变压缩机的速度以获得最大的能量效率。也可以使用变速风扇或者鼓风机。

Description

级联浮动中间温度热泵系统

背景技术

热泵经常被用来给目标空间或区域提供加热或冷却，通常是住宅或者商业建筑的室内区域。最普通类型的热泵是空气源热泵，所述空气源热泵在目标空间和另一空间中的空气之间传递和放大热量，所述另一空间通常是周围环境。对于加热、通风和空调/制冷（HVAC/R）应用，热泵经常使用蒸气压缩制冷循环，其中使用循环制冷剂作为媒介从一个空间吸收热量并且继而将热量排放到其他地方。

在单级蒸气压缩热泵系统中，制冷剂流过吸收热量并且产生蒸气的蒸发器，然后在进入冷凝器中放热之前流至提供必要的压力增加的压缩机中。然后通过使用膨胀装置，例如热膨胀装置（TXV），将制冷剂在回到蒸发器之前膨胀至低压。也经常使用风扇或者鼓风机来将加热或冷却效果传递至目标空间或者周围环境。单级蒸气压缩系统对冷气候加热应用是不实用的，原因在于在低的周围温度下制冷剂的抽吸压力低，并且很难在高的压缩比下高效地操作压缩机和压缩有较大比体积的制冷剂。

一种已知的冷气候加热方案是多级级联热泵系统，其中多个独立的蒸气压缩循环用较高级循环的蒸发器联接到彼此上，所述较高级循环的蒸发器去除了相邻较低级循环的冷凝制冷剂的热量。多级级联系统中的每个循环通常使用适合于该温度的不同的制冷剂，选择最适合于其操作条件的制冷剂。相比于单级系统，多级级联热泵系统的优势在于较低的蒸发温度、较小的压缩比和较高的压缩机容积效率。

两级级联系统已经在HVAC/R中使用了好几十年。然而，这些传统的两级级联系统具有与固有的低效问题，所述低效是由较低级中的冷凝温度和较高级中的蒸发温度的重叠造成的。这一缺点可以通过引入液体蒸气热交换器和过热降温器而得以部分地避免。然而，仍需要去持续改进具有提高的能量效率的级联热泵。

发明内容

这里描述的是热泵系统的实施例，所述热泵系统包括拥有第一压缩机、第一冷凝器、第一膨胀阀和第一蒸发器的第一级。所述系统也具有拥有第二压缩机、第二冷凝器、第二膨胀阀和第二蒸发器的第二级。第一冷凝器和第二蒸发器被定位成将热量从第一冷凝器泵送至第二蒸发器。至少第一压缩机或第二压缩机是变速压缩机。所述系统也包括构造成控制至少第一压缩机或第二压缩机的速度的电子控制模块。本领域的技术人员可以理解的是可以使用多个压缩机传送热量至多个空气处理器。尽管本发明的一个实施例在每一级中使用两个变速压缩机，本领域的技术人员可以理解的是通过使用一个变速压缩机和一个定速压缩机也可以获得所述效益中的一些。在有些实施例中，第一压缩机或第二压缩机是定速压缩机。在有些实施例中，第一压缩机和第二压缩机都是变速压缩机。在有些实施例中，第一压缩机、第二压缩机、或者两者是由变频驱动器提供动力。在有些实施例中，第一压缩机、第二压缩机、或者两者是由电子整流马达提供动力。在有些实施例中，第一膨胀阀、第二膨胀阀、或者两者是脉冲热膨胀阀。在有些实施例中，热泵系统还包括至少一个变速风扇或鼓风机。在有些实施例中，热泵系统还包括多个构造成传送温度数据至电子控制模块的温度感应器。在有些实施例中，热泵系统还包括构造成将抽吸压力数据从第一级传送至电子控制模块的压力传感器。在有些实施例中，热泵系统还包括在第一级中的第一制冷剂和在第二级中的第二制冷剂。在有些实施例中，第一制冷剂与第二制冷剂不同。在有些实施例中，热泵系统还包括拥有第三压缩机、第三冷凝器、第三膨胀阀和第三蒸发器的第三级，所述第三级构造成将热量从第二冷凝器中泵送至第三蒸发器。

这里也描述了控制级联热泵系统的方法的实施例，所述方法包括提供具有第一压缩机、第一冷凝器和第一蒸发器的第一热泵级；提供具有第二压缩机、第二冷凝器和第二蒸发器的第二热泵级，其中第一蒸发器和第二冷凝器被定位成将热量从第一冷凝器泵送至第二蒸发器，并且其中至少第一或第二压缩机是变速压缩机；并且，控制至少第一或者第二压缩机的速度来使系统的性能系数在预定的热负荷上最大化。在有些实施例中，第一压缩机或第二压缩机是定速压缩机。在有些实施例中，第一压缩机和第二压缩机两者都是变速压缩机。在有些实施例中，控制速度包括接收来自至少一个传感器上的数据。在有些实施例中，传感器是压力或者是温度传感器。在有些实施例中，至少第一或第二压缩机的速度是通过控制到变频驱动器的电力来控制的。在有些实施例中，至少第一或者第二压缩机的速度是通过控制到电子整流马达的电力来控制的。在有些实施例中，控制级联热泵系统的方法还包括控制构造成将空气吹过第一蒸发器的风扇的速度。在有些实施例中，控制级联热泵系统的方法还包括控制构造成将空气吹过第二蒸发器的风扇的速度。在有些实施例中，控制级联热泵系统的方法还包括在第一冷凝器和第一蒸发器之间提供脉冲热膨胀阀。在有些实施例中，控制级联热泵系统的方法还包括在第二冷凝器和第二蒸发器之间提供脉冲热膨胀阀。

附图说明

图1示出具有普通的单级、单速热泵的建筑物；

图2是一个实施例的示意图，所述实施例是变速两级级联浮动中间温度热泵（CFITHP）系统；

图3是描述一个控制过程的实施例的流程图，所述控制过程动态地调节压缩机和风扇/鼓风机的速度以获得最大的整体系统效率。

具体实施方式

为了提高级联热泵系统的效率，压缩机和风扇或鼓风机可以以独立可变的速度被操作。结果，级之间的中间温度，以及因此每个循环中的温度升高，可以被连续地调节以得到最大的总体效率。

变速控制允许级联热泵系统对加热或冷却应用保持高容量和高性能系数（COP）。如这里用到的，容量指的是热泵能够释放热量至目标空间或者排放来自目标空间的热量的速度。COP是热泵能量效率的指标。对于加热，级联热泵系统的COP被定义为由系统泵送（即，传递）到目标空间的热量的量与输入到系统中的功的量之比：

{COP}_{heating} = \frac{Q_{H}}{Σ W_{i}}

这里Q_H是系统加热容量（横跨冷凝器传递到目标空间的热量），∑W_i代表输入到系统中的功的总和。对于空调/制冷，COP被定义为系统从目标空间传递的热量与输入到系统中的功的量之比：

{COP}_{cooling} = \frac{Q_{C}}{Σ W_{i}}

这里Q_C是系统冷却容量（从目标空间横跨蒸发器传递的热量），∑W_i代表输入到系统中的功的总和。

图1示出构造成加热或冷却住宅或商业建筑物的热泵系统的一般构造。热泵系统110包括至少一个压缩机120、室外蒸发器/冷凝器130、膨胀阀140和室内蒸发器/冷凝器150，它们全都是通过带有制冷剂（未示出）的管道160流体连通。风扇170和鼓风机180被示出将蒸发器/冷凝器130、150的加热或者冷却效果传递至建筑物190的室外周围环境105或室内目标空间195。图1中示出的热泵系统是单速、单级的蒸气压缩系统。

级联浮动中间温度热泵

图2示出了变速两级级联浮动中间温度热泵（CFITHP）系统200的一个实施例，被示出为构造成提供热量至目标空间298。CFITHP系统200包括两个通过级联热交换器230联接到彼此的蒸气压缩系统或级200、240，其中第二级的蒸发器248中的制冷剂使用从容纳第一级220的冷凝制冷剂的冷凝器224供给的热量来蒸发。

每一级220、240都利用热力蒸气压缩循环，其中制冷剂经过压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。第一级220循环和第二级240循环分别通过点201-204和205-208来确定。从201至202，第一级220制冷剂被压缩机222压缩，升高了第一级220制冷剂的压力。从202至203，第一级220制冷剂继而通过冷凝器224从蒸气转换成饱和的或过冷液体，从而将热量Q_x释放至级联热交换器230的第二级240蒸发器部分248。在203和204之间，第一级220制冷剂穿过膨胀阀226，其降低第一级220制冷剂的压力，从而冷却第一级220制冷剂。从204至201，第一级220制冷剂经过蒸发器228，其中第一级220制冷剂从周围环境296吸收热量Q_C，使第一级220制冷剂变成饱和的或稍微过热的蒸气。

从205至206，第二级240制冷剂被压缩机242压缩，升高了第二级240制冷剂的压力。从206至207，第二级240制冷剂继而通过冷凝器244从蒸气转换为饱和的或过冷液体，从而将热量Q_H释放至目标空间298。在207和208之间，第二级240制冷剂通过膨胀阀246，其降低第二级240制冷剂的压力，从而冷却第二级240制冷剂。从208至205，第二级240制冷剂经过蒸发器248，其中第二级240制冷剂经由级联热交换器230从第一级220冷凝器224吸收热量Q_X，使第二级制冷剂变成蒸气。

级联热交换器230在第一级220冷凝器224和第二级240蒸发器248之间提供高效的热传递。级联热交换器可以是任何类型的热交换器，包括但不局限于管中管式、壳管式、板式、微通道或小型通道式以及螺旋式热交换器。

由于第二级和第一级之间在操作温度上的不同，最有效的解决方案经常是在每个级中使用不同的制冷剂。具体地，第二级240中的制冷剂应该通常比第一级220中的制冷剂具有更高的沸点。在第二级中使用较高沸点的制冷剂要求较低的压力，通常是较低的压缩比，因而，要求更少的第二级压缩机功。例如，CFITHP系统可以在第二级中使用R-134a并且在第一级中使用R-410a。R-134a的沸点比R-410a的沸点高40°F。然而，在有些实施例中，CFITHP系统在第一级使用较高沸点的制冷剂而在第二级使用较低沸点的制冷剂。例如，CFITHP系统可以在第二级使用R-410a并且在第一级使用R-134a。同样地，在有些实施例中，CFITHP系统在两个级使用相同的制冷剂。可以使用其它的制冷剂，包括但不局限于R-12、R-22、R-290、R-404a、R-407c、R-417a、R-500、R-502、R-600a、R-717和R-744。

而且，可以利用风扇或鼓风机262、264来分散来自冷凝器224/244或蒸发器228/248的加热或制冷效果。术语“风扇”和“鼓风机”在这里都是当同义词使用，以广泛地包括促使气体中，通常是空气中，的流动的任何设备。

如图2所示，CFITHP系统200构造成将热量从周围环境296泵送至目标空间298。然而，在有些实施例中，制冷剂的流动可以是逆向的，使得蒸发器228/248充当冷凝器而冷凝器224/244充当蒸发器。在这样逆流操作中，CFITHP系统200可以将热量从目标空间298泵送至周围环境296，冷却目标空间298。制冷剂流动的逆转，以及因此热传递方向的逆转，可以通过使用现有技术中已知的换向阀来实现。

如图2所示，使用单个冷凝器244将热量传递至目标空间298。然而，在有些实施例中，例如，通过将热量传递至多个空气处理器，可以使用多个冷凝器来将热量传递至目标空间298。同样地，在CFITHP系统200构造成冷却目标空间298的情况下，例如，通过将冷却传递至多个空气处理器，可以使用多个蒸发器。

图2中还示出了提供CFITHP系统200的最大效率的电子系统控制。电子控制模块（ECOM）270被示出为连接至两个分别为压缩机222、242提供动力的VFD272、274和两个分别为风扇/鼓风机262、268提供动力的VFD276、278。ECOM270还连接至传感器280、282、284、286，这些传感器将数据发送至可以用来控制系统的ECOM的。例如，传感器280可以构造成发送下列数据至ECOM：第一级抽吸压力；第一级抽吸温度；或，周围环境温度。传感器282和284可以构造成分别发送第一级冷凝器温度数据和第二级蒸发器温度数据。类似地，传感器286可以构造成发送下列数据，例如目标空间（例如，室内）温度、第二级冷凝温度或第二级冷凝压力。ECOM270也可以连接至恒温器288。由传感器发送至ECOM的其它数据可以包括压缩机速度、风扇或鼓风机速度、制冷剂体积流量和独立系统组件例如压缩机的电气特征（例如，安培数、电压和/或相位角）。传达至ECOM的信息，以及传感器和恒温器的类型、数量和位置可以根据系统的设置而变化。例如，在一个实施例中，CFITHP系统200包括构造成发送第一级抽吸压力数据的传感器和构造成发送室内（即，目标空间）温度数据的传感器。除了传感器，在有些实施例中，ECOM还可以接收来自用户输入设备290和电子存储器292的数据。在有些实施例中，用户输入设备包括用户界面。如下面还要讨论的，使用接收到的数据，ECOM270独立地并且动态地改变压缩机222、242以及风扇/鼓风机262、264的速度以获得对于给定容量的以COP测量的最大系统效率。

尽管图2中描述的实施例有两级，但有些实施例包括具有三级或更多级的级联泵系统。而且，在有些实施例中，已知的级联热泵系统构型通过用变速压缩机替换压缩机并且还提供构造成控制变速压缩机的速度的电子控制模块来改变。因而，有些实施例不局限于图2中所描述的级联系统的结构，而是通过加入如这里所描述的变速压缩机控制，涉及已知的级联系统的改进，其可以在组成部分上不同于图2中所示的系统。

同样地，尽管图2中所描述的实施例有两个变速压缩机，但在有些实施例中，只有一级使用变速压缩机，而另一级使用定速压缩机。本领域普通技术人员会理解，一些从使用两个变速压缩机中得到的优点可以通过使用一个变速压缩机和一个定速压缩机得以实现。

变速压缩机控制

在图2中所描述的实施例中，压缩机222、242由也称为变频驱动器（VFD）的变速驱动器（VSD）提供动力。这些变频驱动器（VFD）在美国专利申请号12/510139和12/510140中有描述，所述专利申请的全部内容通过参考包含于此。通过改变应用于马达的频率和/或电压，VFD改变电力马达的速度同时保持扭矩和效率。在级联热泵系统中使用VFD给压缩机222、242提供动力提供了大量效率优点。

首先，在级联热泵系统中使用VFD为压缩机提供动力允许系统调节级联热交换器中的中间温度，即，使所述中间温度“浮动”，以获得最高的整体系统COP。对于给定的目标空间温度和周围温度，系统的整体COP随着每个循环中的温度升高而变化，其依赖于级联热交换器中的中间温度。

其次，在级联热泵系统中使用VFD为压缩机提供动力还通过优化级联热交换器230中第一级220的冷凝器224和第二级240的蒸发器248之间的温度重叠来提高系统的效率。压缩机222、242中的每个的可变速度都允许CFITHP系统200独立地调整第一级220中的冷凝器温度和第二级240中的蒸发器温度以优化重叠。这允许在给定容量中的蒸发-压缩级220、240中的每一级的操作都能处于最大效率的热力“甜蜜点”。

为了使级联热交换器230在第一级220冷凝器224和第二级240蒸发器248之间提供有效的热传递，较低级冷凝器和较高级蒸发器之间的一些温度差异ΔT是必要的。由于同样的原因，第二级冷凝器和目标空间温度之间，以及第一级蒸发器和周围环境温度之间的一些ΔT也是必要的。ΔT是横跨热交换器（即，冷凝器或蒸发器）的热能（热通量）的函数。在部分负荷情况下，热通量较低，从而要求较低的ΔT。通过独立地控制冷凝器224、244和蒸发器228、248的温度，CFITHP系统200可以控制每个热交换器的ΔT到对应于最大整体系统效率的理想值，其中温度重叠被优化。

第三，使用VFD消除了开始或者停止循环的系统上的局限。例如，具有VFD的热泵系统可以以对应于温度受控制的环境的加热或冷却负荷的速度来操作压缩机。例如，如果受控的环境要求5000瓦特的加热，则可以使压缩机以对应于提供必需的5000瓦特热量的速度操作。这允许在系统中具有改善的能量效率，这是因为由于反复地启动和停止压缩机而引起的能量效率低下被避免，并且传热面将以更高的效率操作。

同样地，与压缩机不是开就是关的传统热泵系统相比，受控环境中设定点周围的温度死区大幅减小。在传统的热泵系统中，为了防止关和开之间的频繁的状态变化，控制系统的工作带有死区特征。在这样的系统中，温度的偏移对应于死区。例如，在有些系统中系统死区是4°F。如果温度设定为72°F，一旦环境的温度是72°F，压缩机被关闭。然而，因为4°F的死区，所以压缩机直到环境温度是68°F时才会被再打开。相反，在具有控制压缩机的VFD的热泵系统中，电子控制系统逐步提高和降低压缩机的速度以对环境中的温度提供精确的控制。结果，死区较小或者没有死区，并且，因此，大大地减轻温度的一致性和能量消耗之间的妥协。

作为使用VFD为压缩机提供动力的替代方案，本领域技术人员将理解和明白使用任何其它手段可变地控制压缩机速度的实施例是在本发明公开的范围内。例如，可以使用本领域熟知的电子整流马达（ECM）。ECM由电子控制电路驱动，所述电子控制电路可以为ECM提供变速控制。例如，为了给ECM提供变速控制，可以使用控制电路来减小提供给马达的电压。同时，根据提供给马达的可变电压，可以施加大体上平稳的控制电压以控制脉冲宽度调制器，所述脉冲宽度调制器产生也控制至马达的能量流的输出脉冲。

使用VFD为压缩机提供变速控制的其它替代方案包括但不局限于直流控制。在直流控制中，通过改变电枢电压或励磁电流来控制DC马达的速度。

风扇/鼓风机速度控制

在图2所描述的实施例中，CFITHP系统200也使用一个或多个风扇/鼓风机262、264。相比于压缩机，风扇和鼓风机电源要求甚至更显著地受到变速操作而不是定速操作的影响。对于处于50%负荷的单速风扇或鼓风机，能量消耗大约50%是基于运行时间。然而，在变速操作中，基于调节风扇规则，当空气流量是50%时只要求12.5%的电力。借助现代马达技术，事实上所有这种性能改进都可以实现。

压缩机和蒸发器性能也强烈地受热负荷的调制的影响。每个热交换器的有效性随着热负荷降低而增大。这具有提高蒸发器温度和降低冷凝器温度的效果，从而减小压缩机上的负荷，并因此减少其电力消耗。这样，作为改变压缩机速度的附加方案或可替代方案，电子控制系统可以改变风扇/鼓风机的速度，这也影响级联热交换器的中间温度。

如压缩机的情况一样，变速风扇或鼓风机操作可以通过使用提供变速控制的任何手段实现，包括但不局限于VFD、ECM或者直流马达控制。

对于给定系统的要求和限制，风扇和/或鼓风机的数量、布置、类型和速度控制可以有所改变。例如，在有些实施例中，CFITHP系统可以只用一个单速的室外（即，周围环境）风扇，和一个由ECM提供动力的变速的室内（即，目标空间）鼓风机。在其它的实施例中，不使用变速式的风扇/鼓风机。

电子控制系统

在一个实施例中，CFITHP系统200包括控制压缩机222、242和风扇/鼓风机262、264中的至少一个的变速操作的电子控制模块（ECOM）270。ECOM可以采用电路板的形式，但是也可以包括通用计算机，或其它任何能够接收输入、分析输入和输出控制信号的设备。

图3是描述一个具体的控制过程的流程图，通过这一控制过程ECOM270动态地改变压缩机222、242和风扇/鼓风机262、264中的一个或多个的速度以获得以COP测量的最大整体系统效率。首先，在步骤310，ECOM输入用于系统控制的数据。在有些实施例中，这些数据包括但不局限于目标空间（例如，室内的）温度、周围温度、第一级冷凝器温度、第二级蒸发器温度、系统部件的电特性（例如，安培数、电压和/或相位角）、压缩机速度和风扇/或鼓风机速度。在一个实施例中，用于优化热泵操作的数据包括第一级抽吸压力和室内的（即，目标空间）温度。可以提供第一级抽吸温度或室外的（即，周围的）温度作为第一级抽吸压力的替代方案。而且，可以提供第二级冷凝温度或第二级冷凝压力作为室内温度的替代方案。用于系统控制的其它数据可以包括，例如，所使用的制冷剂的热物理性质，和压缩机以及风扇/鼓风机的效率曲线。这些数据中的有些可以由系统内一个或多个传感器280、282、284、286输入，而其它可以由其它来源输入，包括但不局限于，例如，从电子存储器292、恒温器288或用户输入设备290输入。

接下来，在控制过程的步骤320，ECOM270确定系统的热负荷。在一个实施例中，热负荷是预定的，可以由用户输入提供或者来自电子存储器。在另一个实施例中，ECOM使用当前提供的系统容量作为热负荷。在其它的实施例中，ECOM基于室内温度和理想温度之间的差异来确定热负荷。在另一个实施例中，第二级需要来自恒温器288的空间调节用于增大容量直到第二级的需求得到缓和。在确定热负荷中，目的是为了提供保持目标空间298处于理想温度的热通量。理想温度可以例如通过恒温器288、用户输入设备290、电子存储卡292或者任何其它来源来提供。在有些实施例中，为了确定热负荷，ECOM随时间监控目标空间温度。在一个实施例中，输入室内温度，然后计算出室内温度的时间变化速率以确定温度vs.时间，以便增大或减小热泵容量。所提供的容量直接影响室内温度变化的速度。因此，ECOM可以设定热负荷以对应于室内温度变化的目标速率。室内温度变化的目标速率可以受到多个因素的影响，包括但不局限于能量效率、舒适性、噪声等级、用户输入、时间和/或传感器输入。在一个实施例中，例如，给出一系列之前的室内温度数据，通过使用外推法或者线性回归法，ECOM预测系统的未来需求负荷。ECOM于是可以确定热负荷以满足未来需求负荷而不是即时需求负荷。

接下来，在控制过程的步骤330，ECOM270确定获得对于所述热负荷的最大系统COP的理想的压缩机速度和风扇/鼓风机速度。ECOM使用优化过程来确定对于热负荷的最有效率的较低循环和较高循环温度升高的组合，以及由此确定理想的压缩机和风扇/鼓风机速度。优化过程考虑到许多影响效率的因素，包括但不局限于：压缩机容量和不同的抽吸温度/压力的效率曲线；到目标空间的热排放/输送的风扇/鼓风机效率曲线；和横跨每个热交换器的有效热通量所需的温度重叠。优化过程确定最有效率的第一循环和第二循环温度升高，和获得所述理想的温度升高所需的对应的理想的压缩机和风扇/鼓风机速度。具有本领域普通技术人员将理解怎样开发这样的优化过程，其可以例如通过利用理论、经验数据或两者的结合得出。

例如，在有些实施例中，优化过程通过计算对于潜在温度升高范围的热负荷处的系统COP并且继而选择对应于最高整体系统COP的温度升高来确定理想的压缩机和风扇/鼓风机速度。然后，优化过程确定对应于所选的温度升高的理想的压缩机速度和风扇/鼓风机速度。ECOM可以从为获得每一组潜在的温度升高压缩机和风扇/鼓风机所需的功来计算出系统的COP。压缩机和风扇/鼓风机所需的功可以由压缩机和风扇/鼓风机效率曲线确定。优化过程也考虑到对于横跨每一个热交换器的有效热通量所需的温度重叠。尽管这个例子描述的是确定压缩机和风扇/鼓风机的理想速度，但在有些实施例中，只确定理想的压缩机速度。

接下来，在控制过程的步骤340中，为了到达满足热负荷的最大系统COP，ECOM270将压缩机速度和风扇/鼓风机速度调节至它们的理想速度。为此，ECOM发送数据（例如，信号）给每一个控制器272、274、276和278来增大、减小或者保持必要的与优化过程确定的理想速度相匹配的速度。在有些实施例中，ECOM270通过测量实际输送的系统容量和功输入并且将这些值与优化过程确定的值相比来验证系统COP已经最大化。在其它的实施例中，ECOM验证输送的系统容量满足热负荷。如果ECOM确定COP没有最大化或者没有满足热负荷，则ECOM可以做出校正调节。这些校正调节可以包括，例如，增大或者减小一个或多个压缩机和/或风扇/鼓风机的速度。ECOM也可以调节其用于优化过程的数据以反映实际的测量条件。

在步骤340之后，ECOM270在循环回到步骤310之前等待预定量的时间。预定的时间可以包括，例如，0.01秒、0.05秒、0.1秒、0.02秒、0.5秒、1秒、2秒、5秒、10秒、30秒、1分钟、2分钟、10分钟、1小时、1天、或者任何低于、高于或在上述值之间的值。在有些实施例中，控制过程是立即重复的，而没有等待预定量的时间。在有些实施例中，控制过程是在除了经过特定量的时间之外的事件发生时重复的，所述事件包括，例如，用户输入、时间、日期或者传感器输入。

在有些实施例中，确定热负荷的步骤和确定理想系统条件的步骤同时进行。例如，热负荷以及相应的目标空间温度变化速率可以作为系统COP的函数而确定。例如，如果较高的热负荷在提高目标空间温度到理想温度上更有效率，那么热负荷可以被设定在较高的值以获得提高的能量效率。有些考虑因素，例如最大化系统容量、舒适性、最小温度变化速率和噪声，例如，仍然可以给这个实施例中的热负荷确定提供限制。

用于获得最大整体系统效率的这一方法可以由人类操作者执行；然而，ECOM270的使用提供更快、更准确的系统调节。

脉冲制冷剂流量控制

在CFITHP系统200的一个实施例中，如其全部内容通过参考包含于此的美国专利5,675,982、6,843,064和5,718,125中所描述的，膨胀阀226、246包括脉冲热膨胀阀（PTXV）。

不像传统的热膨胀阀（TXV），PTXV脉动来调节制冷剂的流量。PTXV的使用带来各种优点。传统的TXV通常在±7°F的范围内调节制冷剂过热，而PTXV允许接近±0.5°F的精确的过热调节。这样，PTXV通过充分利用蒸发器的表面面积来增加热泵的COP。同样地，PTXV通过减少潜在的溢流来保护压缩机，如果制冷剂在进入压缩机之前还没有充分地蒸发，则可能发生所述溢流。PTXV对改变的流量和压力条件也有更迅速的反应。脉冲效果也增加蒸发器和冷凝器中的热传递，因为液体脉冲打破了这些热交换器中的热和流体力学的界限，从而增加了热交换器的效力。

PTXV的使用是有益的还因为CFITHP系统利用变化的压缩机速度，这导致到冷凝器和蒸发器的可变的制冷剂流量。传统的TXV通常在反应上太过迟缓并且可能不能够处理或者利用变化的制冷剂流量和搜寻溢流，从而降低了蒸发器效率和系统性能。为了获得这样的可变制冷剂流量的理想优势，根据这个实施例，使用PTXV来以全部制冷剂流量产生整个范围的蒸发器过热控制而不使蒸发器挨饿或者溢流。这样的制冷剂控制在由可变压缩机速度造成的较低制冷剂流量处尤其重要。传统的膨胀设备被设计成以全部流量操作而在较低的流量处缺乏效率，并且波动的流量再次使蒸发器挨饿和/或溢流。PTXV能够在宽广的容量范围内操作，带来高极限负荷比，包括但不局限于1.5:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1。极限负荷比被定义为最大的受控制冷剂流量与最小的受控制冷剂流量之比。PTXV可以是如美国专利5,675,982和6,843,064中所描述的机械阀，或者是美国专利5,718,125中所描述的那种类型的电子操作阀。这样的阀操作来在整个可变制冷剂流量范围上控制从压缩机和冷凝器到蒸发器的制冷剂流量。

工作示例

例1：计算机仿真

为了研究如上描述的系统的节能效益，使用了美国国家标准和技术研究院制作的软件“Cycle_D第四版”。

研究了三种情况：（1）使用R-410a的单速、单级热泵；（2）具有在较低级中的R-410a和在较高级中的R-134a的单速两级级联热泵；（3）具有在较低级中的R-410a和在较高级中的R-134a的变速两级CFITHP。结果总结在下面的表格中。

计算机仿真结果

如示，给定相同的蒸发器温度、冷凝器温度和大体上相同的加热容量，相比于单速单级系统和单速两级级联系统，CFITHP系统提供了最高的COP_heating。CFITHP系统3.2的COP_heating比单速两级级联系统高出12.3%，并且比单速单级系统高出23%。

Claims

1.一种热泵系统，其包括：

具有第一压缩机、第一冷凝器、第一膨胀阀和第一蒸发器的第一级；

具有第二压缩机、第二冷凝器、第二膨胀阀和第二蒸发器的第二级，其中第一冷凝器和第二蒸发器被定位成将热量从第一冷凝器泵送到第二蒸发器，并且其中第一压缩机和第二压缩机中的至少一个是变速压缩机；

多个传感器；和

电子控制模块，所述电子控制模块构造成：

接收来自所述多个传感器的输入，

至少部分地基于所述输入确定所述热泵系统的热负荷，

经由优化过程确定第一级和第二级之间的中间温度以便在所确定的热负荷下提高所述热泵系统的性能系数，以及

控制第一冷凝器和第二蒸发器中的一个或两者的温度以实现所确定的中间温度。

2.根据权利要求1所述的热泵系统，其中第一压缩机是定速压缩机。

3.根据权利要求1所述的热泵系统，其中第一压缩机和第二压缩机两者都是变速压缩机。

4.根据权利要求1所述的热泵系统，其中第一压缩机和第二压缩机中的所述至少一个是由变频驱动器提供动力的。

5.根据权利要求1所述的热泵系统，其中第一压缩机和第二压缩机中的所述至少一个是由电子整流马达提供动力的。

6.根据权利要求1所述的热泵系统，其中第一膨胀阀和第二膨胀阀是脉冲热膨胀阀。

7.根据权利要求1所述的热泵系统，还包括至少一个变速风扇或鼓风机。

8.根据权利要求1所述的热泵系统，其中所述多个传感器包括多个构造成将温度数据传送至电子控制模块的温度传感器。

9.根据权利要求1所述的热泵系统，其中所述多个传感器包括构造成将抽吸压力数据从第一级传送至电子控制模块的压力传感器。

10.根据权利要求1所述的热泵系统，还包括在第一级中的第一制冷剂和在第二级中的第二制冷剂。

11.根据权利要求10所述的热泵系统，其中第一制冷剂与第二制冷剂不同。

12.根据权利要求1所述的热泵系统，还包括具有第三压缩机、第三冷凝器、第三膨胀阀和第三蒸发器的第三级，并且所述第三级构造成将热量从第二冷凝器泵送至第三蒸发器。

13.一种控制级联热泵系统的方法，包括：

提供具有第一压缩机、第一冷凝器和第一蒸发器的第一热泵级；

提供具有第二压缩机、第二冷凝器和第二蒸发器的第二热泵级，其中第一冷凝器和第二蒸发器被定位成将热量从第一冷凝器泵送至第二蒸发器，并且其中第一压缩机和第二压缩机中的至少一个是变速压缩机；

提供多个传感器；

从所述多个传感器接收输入；

至少部分地基于所述输入确定所述热泵系统的热负荷；以及

至少部分地基于执行优化过程而动态地改变第一热泵级与第二热泵级之间的中间温度以在所确定的热负荷下使所述热泵系统的性能系数最大化。

14.根据权利要求13所述的方法，其中第一压缩机或第二压缩机是定速压缩机。

15.根据权利要求13所述的方法，其中第一压缩机和第二压缩机两者都是变速压缩机。

16.根据权利要求13所述的方法，其中确定所述热负荷包括从所述多个传感器中的至少一个传感器接收代表周围环境温度和目标空间温度的数据。

17.根据权利要求13所述的方法，其中从所述多个传感器接收输入包括接收压力传感器数据和温度传感器数据之一或两者。

18.根据权利要求13所述的方法，其中通过控制通到变频驱动器的电力来控制变速压缩机的速度。

19.根据权利要求13所述的方法，其中通过控制通到电子整流马达的电力来控制变速压缩机的速度。

20.根据权利要求13所述的方法，还包括控制构造成将空气吹过第一蒸发器的风扇的速度。

21.根据权利要求13所述的方法，还包括控制构造成将空气吹过第二蒸发器的风扇的速度。

22.根据权利要求13所述的方法，还包括在第一冷凝器和第一蒸发器之间提供脉冲热膨胀阀。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括在第二冷凝器和第二蒸发器之间提供脉冲热膨胀阀。