CN109716052A - 利用制冷剂和相变材料加热水的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于加热水的设备，其具有用于储存水的罐和空调系统，该空调系统限定制冷剂流过的制冷剂流动路径。制冷剂流动路径穿过换热器，使得制冷剂的热量供给至罐。换热器容纳相变材料。控制器控制所述加热水的设备的操作。

Description

利用制冷剂和相变材料加热水的设备和方法
背景技术
先前已经提出了使用来自空调设备的制冷剂预加热热水器罐中的水的多种设备和方法，空调设备例如是具有不可逆制冷剂回路的空调或具有可逆制冷剂回路的热泵。
发明内容
在本发明的用于加热水的设备的实施例中，第一罐限定用于储存水的第一内容积部。至少一个第二罐限定与第一内容积部相邻的第二内容积部，使得热量在第一内容积部和第二内容积部之间传递。第二内容积部与第一内容积部中的水隔离。第二内容积部包含相变材料。空调系统具有穿过第二内容积部的制冷剂路径。相变材料在第二内容积部内在所述制冷剂路径的大部分长度上围绕制冷剂路径。
在本发明的用于加热水的设备的另一个实施例中，用于储存水的第一罐限定用于储存水的第一内容积部，并具有与第一内容积部可操作地连通的热源，热源对第一内容积部中的水供热。至少一个第二罐在第一罐内延伸，并限定与第一内容积部相邻的第二内容积部，使得热量在第一内容积部和第二内容积部之间传递。第二内容积部与第一内容积部中的水隔离。第二内容积部包含相变材料。空调系统具有：空气处理器，其可致动以移动气流通过气流路径进入调节空间；制冷剂路径，其穿过气流路径并穿过第二内容积部；泵，设置在制冷剂路径中，且可致动以移动制冷剂穿过制冷剂路径；以及制冷剂，其响应于泵流过制冷剂路径。相变材料在第二内容积部内在制冷剂路径的大部分长度上围绕制冷剂路径。
在本发明的用于加热水的设备的又一实施例中，第一罐限定用于储存水的第一内容积部。至少一个第二罐围绕第一罐的外部，并限定与第一内容积部相邻的第二内容积部，使得热量在第一内容积部和第二内容积部之间传递。第二内容积部与第一容积中的水隔离。第二容积包含相变材料。空调系统具有穿过第二内容积部的制冷剂路径。相变材料在第二内容积部内在制冷剂路径的大部分长度上围绕制冷剂路径。
在本发明的用于加热水的设备的另一实施例中，第一罐限定用于储存水的第一内容积部。至少一个第二罐限定与第一内容积部相邻的第二内容积部，使得热量在第一内容积部和第二内容积部之间传递。第二内容积部与第一内容积部中的水隔离。第二内容积部包含相变材料。一导管穿过第二内容积部并延伸到第一罐和第二罐二者的外面。相变材料在第二内容积部内在导管的大部分长度上围绕该导管。
在本发明的用于加热水的方法的实施例中，提供第一罐，其限定用于储存水的第一内容积部。提供至少一个第二罐，其限定与第一内容积部相邻的第二内容积部，使得热量在第一内容积部和第二内容积部之间传递，其中第二内容积部与第一内容积部中的水隔离，且其中第二内容积部包含相变材料。提供空调系统，其具有穿过第二内容积部的制冷剂路径，其中相变材料在第二内容积部内在制冷剂路径的大部分长度上围绕制冷剂路径。制冷剂移动穿过制冷剂路径，包括穿过第二内容积部。
包含在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的一个或多个实施例。
附图说明
参考以下附图可以更好地理解本发明的各方面。附图中的部件不一定按比例绘制。本说明书中阐述了包括其最佳模式的本发明的可行的公开内容，其参考了附图，其中：
图1是根据本发明的实施例的空调系统的示意图，其中空调系统仅提供调节空间空气调节；
图2是如图1的系统的示意图，但空调系统提供调节空间空气并向热水器提供制冷剂热量；
图3是如图2的系统的示意图，但空调系统向两个热水器罐布置中的两个热水器罐中的一个提供制冷剂；
图4是根据本发明的实施例的空调系统的示意图，其中空调系统仅提供调节空间空气冷却；
图5是如图4的系统的示意图，但空调系统提供调节空间空气并向热水器提供制冷剂热量；
图6是如图4的系统的示意图，但空调系统提供调节空间空气加热且并不向热水器提供制冷剂热量；
图7是如图4的系统的示意图，但空调系统提供调节空间空气并向热水器提供制冷剂热量；
图8是根据本发明的实施例的空调系统的示意图；
图9是如图8的系统的示意图，但空调系统提供调节空间空气冷却且并不向热水器提供制冷剂热量；
图10是如图8的系统的示意图，但空调系统提供调节空间空气加热且并不向热水器提供制冷剂热量；
图11是如图8的系统的示意图，但空调系统提供调节空间空气并向热水器提供制冷剂热量；
图12是如图8的系统的示意图，但空调系统提供调节空间空气并向热水器提供制冷剂热量；
图13是如图8的系统的示意图，但空调系统向热水器提供制冷剂热量而不提供调节空间空气；
图14是根据本发明的实施例的热水器和换热器的示意图，如图1、4和8的实施例中所使用的；
图15是根据本发明的实施例的热水器和换热器的示意图，如图1、4和8的实施例中所使用的；
图16是根据本发明的实施例的热水器和换热器的示意图，如图1、4和8的实施例中所使用的；
图17是根据本发明的实施例的热水器和换热器的示意图，如图1、4和8的实施例中所使用的；
图18是根据本发明的实施例的热水器和换热器的示意图，如图1、4和8的实施例中所使用的；
图19是根据本发明的实施例的热水器和换热器的示意图，如图1、4和8的实施例中所使用的；
图20是根据本发明的实施例的热水器和换热器的示意图，如本文中图1、4和8的实施例中所使用的；以及
图21是如图14-19所示的能量储存增强的图形表示，其为由相变材料容器在水加热器中置换的水的函数。
在本说明书和附图中重复使用的附图标记旨在表示本发明的实施例的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的当前优选实施例，其一个或多个示例在附图中示出。提供每个示例是为了解释本发明，而不是限制本发明。实际上，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围或构思的情况下，可以在这些示例中进行修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用以产生另外的实施例。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等同内容的范围内的这些修改和变化。
如本文所使用的，术语“空调”设备、系统等包括可用于改变输送到调节空间的空气的温度并具有相关的制冷剂回路的设备。因此，“空调”设备或系统可以包括但不限于：(1)具有不可逆制冷剂回路的空调单元(或“空调器”)，该不可逆制冷剂回路可以用于冷却输送到调节空间的空气，或者(2)具有可逆制冷剂回路的热泵，该可逆制冷剂回路可用于加热或冷却输送到调节空间的空气。
如本文所用，涉及相对于热水器的取向的方向或位置的术语，例如但不限于“垂直”、“水平”、“上”、“下”、“上方”或“下方”是指相对于热水器在正常预期操作中的取向的方向和相对位置，如本文中图14至17所示。因此，例如，术语“垂直”和“上”指的是图14至17的透视图中的垂直取向和相对上方位置，并且从上下文中应该理解，对于以不同取向设置的热水器也是如此。
此外，本申请和所附权利要求中使用的术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文中清楚地表示，否则短语“X使采用A或B”旨在表示任何自然的包含性排列组合。也就是说，以下任何一种情况都满足短语“X采用A或B”：X采用A；X采用B；或X采用A和B。另外，本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”和“一个”通常应理解为表示“一个或多个”，除非另有说明或从上下文中清楚地指向单数形式。在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有指示，否则以下术语至少采用本文明确相关的含义。下面确定的含义不一定限制术语，而仅仅提供术语的说明性示例。“一”，“一个”和“该”的含义可以包括复数引用，并且“在...中”的含义可以包括“在...中”和“在...上”。这里使用的短语“在一个实施例中”不一定是指相同的实施例，尽管它也可以。
住宅和商业空调系统在制冷剂的连续循环中的某一点处捕获热量，并将热量传递到建筑物内部或外部的位点，这取决于系统是以冷却模式运行还是以加热模式运行(如果能够以双模式运行)。在实施本发明的一个或多个实施例的原理时，可以捕获一部分热量并用于加热建筑物的热水器中的水。热水器中的电气元件或气体燃烧器可以提供额外的热量以使水温达到热水器的高温设定温度。在2014年3月13日提交的题为“Apparatus andMethods for Heating Water with Refrigerant from Air Conditioning System”的美国申请No.14/210383中描述了一种空调系统，其具有向热水器提供热量的制冷剂路径，并且，其公开为美国公开文献2014/0260392，其全部公开内容出于所有目的并入本文。
在图1和图2中示意性地示出了体现本发明实施例的原理的空调/热水器系统10，其包括：(1)具有室外冷凝盘管单元14和室内蒸发盘管单元16的空调系统12，以及(2)相关的热水器18，其代表性地可以是燃气或电热水器。在图1中，空调系统12布置成使其仅以空气冷却模式运行；在图2中，空调系统12布置成使其以空气冷却模式运行，并且还向热水器18提供补充的、基于制冷剂的热量。空调/热水器系统10的各种功能由示意性描绘的电子控制电路20(仅在图1中示出)控制，该电子控制电路20操作整个系统10的各种随后描述的部件。
应该理解，从制冷剂流动的角度来看，空调系统包括在压缩机(即泵)、冷凝器盘管、和蒸发器盘管之间流动的制冷剂的封闭回路。在所谓的分离系统中，两个盘管中的一个设置在包围部内，该包围部接收调节空气(调节空间，例如，建筑物内部空间)，与空气处理器相关联；而另一个盘管设置在调节空间的包围部之外，在周围环境中。压缩机可以在包围部的内部或外部，例如在建筑物的内部，但通常在外壳外侧，该外壳也包围外部盘管。在仅配置为用于冷却的系统中，室外盘管是冷凝器，室内盘管是蒸发器。制冷剂从压缩机流到室外冷凝器盘管，流到室内蒸发器盘管，然后流回压缩机。室外单元包括风扇，其吸取环境空气经过冷凝器盘管而从盘管吸取热量。可以理解的是，制冷剂部分地从蒸发器处的室内空气获得该热量，因为液体制冷剂响应于盘管输入处的膨胀阀的影响而在盘管中蒸发。当系统的空气处理器风扇将建筑物的循环空气移到蒸发器盘管上，制冷剂的相从液体变为气体，制冷剂从室内空气移除能量(即，热量)，从而当空气被迫回到建筑物的调节空间时被冷却。然后，热的制冷剂气体从蒸发器盘管流到压缩机，压缩机接收气体并将其泵送回冷凝器，总而增大压力且增加热量。在空调系统作为热泵工作的实施例中，压缩机和冷凝器之间以及压缩机和蒸发器之间的制冷剂管路穿过换向阀，以便当从冷却模式切换到加热模式时，控制系统致动换向阀以将压缩机的输出引导到室内盘管，而不是室外盘管。室内盘管和室外盘管的作用与其在空气冷却模式下的作用相反，但压缩机-冷凝器-蒸发器-压缩机的顺序仍然不变。
如上所述，冷凝器冷却制冷剂，从而经由风扇移动到盘管上的气流将制冷剂(从蒸发器和压缩机)获得的热量消散到周围环境中。冷凝器中的温度降低也降低了制冷剂的体积，进而降低了其压力，但是，选择制冷剂流动路径长度和管道尺寸以及压缩机的尺寸和强度，使得在冷凝器的输出和输入处保留足够的正压和负压，以使制冷剂继续流向蒸发器并从那里返回压缩机。在本领域中应该很好理解，选择这样的系统部件和操作参数以使得能够通过流动回路进行所需的热传递和再循环制冷剂流动。虽然应该理解，下面描述的空调系统被设计成提供足够的热传递和压力以维持系统操作，但是这些变量在此不再进一步讨论。
本文所述的本发明的一个或多个实施例将冷却盘管插入制冷剂路径中，该冷却盘管在热水器罐内延伸，使得盘管经由相变材料(PCM)与罐内的水热连通，从而将热量从流动的制冷剂传递到水。冷却盘管的添加不会破坏空调系统的底层的压缩机-冷凝器(不是热水器冷却盘管)-蒸发器-压缩机序列，但是，在换热器为空调系统的冷凝器需求提供足够的冷却并且空调系统不需要空气流过冷凝器的条件下，在本公开中包括在热水器罐内使用单个盘管系统，其既用作换热器又用作空调系统冷凝器。因此，尽管本公开主要讨论具有风扇驱动的系统冷凝器和独特的热水器传热盘管系统的示例，但是应当理解，其他布置也落入本公开。相反，本公开还包括操作系统，使得制冷剂流动是热水器的唯一热源，即，使得热水器的水由盘管和PCM提供的制冷剂热量被加热，且热水器没有电加热元件、气体燃烧器或其它热源。这种布置可以是实用的，例如，在温暖气候中使用的系统中，冷却系统的使用将是相对持续的。
尽管在分体式空调系统的背景下讨论了当前描述的实施例，但是应该理解，本公开包括空调系统，其中冷凝器和蒸发器盘管可以位于相同的外壳中。
如美国公开申请No.2014/0260392中所述，缠绕在'392系统的热水器罐周围的换热器盘管通过罐壁直接向罐水供热。应当理解，热水器包括控制系统，当与容积部170中的水连通的温度传感器指示水温降至或低于低水温设定点(即阈值)时，致动作为主热源的电加热组件190或气体燃烧器，当温度传感器指示水已达到或超过高水温设定点时，停用主热源。因为系统控制热水器的操作，使得水总是处于低水温和高水温设定点之间的温度(例如，105-110℉和120℉)，且始终保持液相(即，处于32℉至212℉之间的水温)，换热器只能为水提供显热，即，为水提供能量，其改变水的温度，而不会导致水的相变。这种关系可以表达为：
供给水的热量(Qwater)＝显热
或
Qwater＝比热*质量*温度变化
假定水的比热为4.178kJ/Kg℃，水的温度变化为从70℉到120℉(或21℃到49℃)，水密度为993kg/m3，水体积为V(m3)，
则
Qwater(J)＝4.178(kJ/Kg℃*V(m3)*993(kg/m3)*(49-21)(℃)
或
Qwater(kJ)＝116165*V(m3)
这种关系也适用于供给PCM的显热。
在某些实施例中，制冷剂在约220℉的温度下流过制冷剂路径，并且在某些实施例中，通常总是高于热水器的高设定温度。因为制冷剂温度总是高于热水器水温，所以流过换热器的制冷剂总是具有为水提供能量的能力，但因为在系统运行期间水总是处于液相(即，制冷剂只能为水提供显热)，水可能没有容量接受和储存来自制冷剂流动的尽可能多的热量。因此，如本文所述的某些实施例将换热器盘管包封在相变材料(PCM)中。水/PCM组合具有比单独的水更大的容量，以在空调系统和热水器正常运行期间发生的制冷剂和水的温度下，接收和储存来自制冷剂的热量。
在所描述的实施例中，PCM在制冷剂路径的通过换热器的一定长度上围绕制冷剂路径，例如，在制冷剂路径能够为水罐提供能量的制冷剂路径总长度上的至少50％，或者，在其他实施例中，在换热器中的长度的至少75％或其至少90％。从本公开中可以理解，这里的描述“PCM围绕制冷剂路径或盘管部分”意味着相变材料完全包封盘管的可能会暴露的表面区域。在制冷剂路径是布置在盘管中的制冷剂导管的情况下，这是指相变材料完全包封盘管的外表面，或在垂直于或径向于制冷剂流动的方向上围绕导管，而不是完全球形包封。如下所述，这通常意味着制冷剂盘管从PCM容器壁偏移，该PCM容器壁将PCM体积与水体积分开。以这种方式，制冷剂盘管经由作为储热装置的PCM更有效地向水提供热量，而不是经由容器壁直接向水提供热量。然而，如上所述，本发明并不排除制冷剂盘管与内部容器或罐壁之间的所有接触，并且具体包括使制冷剂盘管的一部分接触内容积部(PCM体积)壁和盘管的被PCM围绕的剩余部分，如上所述。例如，这些实施例对于与较暖的制冷剂(例如CO2)一起使用可能是有利的。在壁和制冷剂盘管之间存在PCM的情况下，一个实施例中的量应足以使得即使当PCM处于液相时，盘管仍保持偏离壁。
在某些实施例中，在热水器的正常操作期间，PCM的相变温度处于或稍高于热水器的高水设定点温度，并且因为预期的制冷剂温度高于PCM的相变温度，在PCM的相变期间，制冷剂不仅可以为PCM提供显热，而且还可以为PCM提供潜热(或能量)。当材料的温度越过该材料的相变温度时，添加到材料的潜热的量可以描述为：材料的密度*体积*潜热容量。假设上述的显热关系，水和相变材料的总体积是V(m3)容积内的水体积V是Vw(m3)，PCM是硬脂酸，硬脂酸的潜热容量是199kJ/kg，硬脂酸的比热为2.359kJ/kg℃，硬脂酸的密度为847kg/m3，水体积和硬脂酸温度将从70℉移动到120℉(或21℃到49℃)：
Qtotal＝增加的显热(水)+增加的潜热(PCM)+增加的显热(PCM)
或
Qtotal(kJ)＝116165*Vw(m3)
+
(V-Vw)(m3)*847(kg/m3)*199(kJ/g)
+
2.359(kJ/kg℃)*(V-Vw)(m3)*847(kg/m3)*(49-21)(℃)
或
Qtotal(kJ)＝116164*Vw(m3)(kJ)
+
168553*(V-Vw)(m3)(kJ)
+
55946*(V-Vw)(m3)(kJ)
或
Qtotal(kJ)＝224499*V(m3)-108334*Vw(m3)(kJ)
例如，如果热水器罐中没有PCM体积的水的总体积是0.192立方米，那么在上面的示例中，供给水的热量(显热)是116165*0.192＝22303kJ。然而，如果相同的罐具有如本文所述的PCM容器，其中，PCM和罐水的总体积为0.192立方米，并且其中该总体积内的水体积为0.144立方米，则供给水的显热为16728kJ，供给PCM的显热为8091kJ，供给PCM的潜热为2685kJ，总热量供给为27504kJ，或者说，与使用如上所述的在没有PCM的情况下制冷剂所供给的热量相比，在使用PCM时制冷剂所供给的热量增加约22％。在下文参考图21，本公开进一步讨论了当使用PCM来置换水加热系统中的水时，在水容量损失和热容量增益之间的关系。
假设盘管被包封在PCM中并且不直接接触壁174的内侧，盘管直接向PCM供热，PCM进而通过壁174为水供热。因此，上面的示例描述了PCM在PCM和水从70℉升至120℉时从制冷剂获得的净热量。
由于在目标温度下流过换热器导管的制冷剂(同样例如约220℉)根据上述热方程向水罐内的相变材料容器中的PCM提供热量，紧紧围绕制冷剂盘管的固体PCM加热到其相变温度。由于PCM的相变温度低于制冷剂温度，制冷剂继续流过换热器使固体PCM达到其相变温度，从而当一些或所有PCM从固态变为液态时，制冷剂随后将潜热供给PCM。在紧绕盘管的PCM改变相之后，导管继续向现在为液体的PCM提供显热，PCM进而向液体材料外部的固体PCM提供热量，引起进一步的相变，直到容积部182中的全部量的PCM可改变相。制冷剂流动然后可以继续向PCM提供显热。PCM进而跨越相变材料容器壁为水提供热量。一旦当水温达到其上设定点时，加热需求结束，热水器控制系统停用热水器的主要加热源，并转移制冷剂流动使其旁通热水器，水温开始下降，但由系统保持的增加的热量减缓了温度下降，或者换言之，将水保持在期望的温度范围内更长的时间。特别是，当水和PCM达到PCM在相反方向上(即，从液体变回固体)改变相的温度时，由PCM储存的潜热可用于为水供热。
可以在本文所述的实施方案中使用的相变材料具有储存潜热的容量，并且表现出在相应的温度下从一个物理相到另一个物理相的变化(例如，从固体到液体和从液体到固体)，每个温度在热水器的低和高设定点温度之间，或者在某些实施例中，处于或略高于高设定点温度，或者在其它实施例中，固体到液体变化温度(熔化温度)处于或略高于高设定点温度，液体到固体相变温度低于高设定点温度，但PCM相变温度低于制冷剂的预期温度。可与这些实施例一起使用的相变材料的示例包括：硬脂酸或其他脂肪酸、石蜡或水合盐，但应该理解的是，可以使用具有可接受的相变特性以及诸如所需的化学和生物危害特性的其它特性的其他相变材料。
如本文所述，使用具有处于或高于热水器的高设定点温度的固-液(即能量吸收)相变温度的PCM会导致PCM供给大量的热量，即，因为PCM在或略低于热水器的高设定点从液相变为固相(即，能量供给变化)，因此，与PCM相变温度处于较低水平的情况相比，更倾向于将热水器的水维持在高设定点处或附近，尽管在本公开中使PCM相变温度处于较低水平。从本公开可以理解，PCM在相变为液体之后继续向水供给热量，并因此继续有益地向水供给所储存的热量，但处于或大约热水器的高设定点的能量供给相变的位置允许PCM在水接近其高设定点时向周围的水供给更大的热量，从而提高PCM在将水维持在或接近高设定点温度的有效性。还应该理解，可以通过基本的PCM与其他材料的混合来控制和选择相变温度。因此，应该理解，给定选定的PCM，可以将PCM调节到给定的能量供给相变温度，例如在120℉或约120℉。通常，相变温度将设定在热水器的高设定点温度或者略高于或低于热水器的高设定点温度，该温度可以是120℉并且通常在105℉和125℉之间，但在某些实施例中不低于105℉并且不高于135℉。由于理解了这种用于建立PCM相变温度的过程和混合物，因此这里不再详细描述它们，但应该理解，当混合PCM以调节其相变温度时，“PCM”应理解为包括混合的(多种)材料。
还可以基于除相变或转变温度之外或作为其附加的特性来选择相变材料。例如，相变材料接收和储存热量的能力与其潜热容量成正比，如上面的示例所示，并且PCM也可以在此基础上或依赖于潜热容量作为因素来选择。此外，在一些应用中，可能希望PCM对系统环境中的某些系统部件或部件或材料无腐蚀性。在这种情况下，例如，水合盐可能不是理想的，而在其他应用中，它们可能是理想的。更进一步地，在一些应用中，可能希望最小化PCM的固液相变温度与其液固相变温度的偏差，后者低于前者，可以被称为“过冷却”，因为冷却方向上的转变温度低于加热方向上的转变温度。在这种情况下，可以选择具有低过冷特性的PCM，或者可以混合PCM以得到该结果。
现在参照图14至18，热水器36包括由具有大致圆形截面的主体侧壁162、圆顶顶部头部164和平底壁166限定的垂直取向的大致圆柱形的罐。底壁166是环形的，在其中心限定有圆形通孔168。主体侧壁162、顶壁164和底壁166大致限定用于在其中储存水的内容积部170。壁162、头164和底板166可以由与热水器的构造相同的材料形成，例如碳钢外壁层带有玻璃或瓷釉的内表面，或是无涂层的不锈钢。然而，应该理解的是，罐结构可以以各种其他合适的布置形成，例如由聚合物材料和以单壁或双壁构造形成，并且目前描述的实施例不限于特定形式的罐壁结构或几何形状。
大致圆柱形的内部罐172通过罐底壁166的中心孔168延伸到热水器的水罐中，使得罐的水容积部170围绕内部罐172，并且由内部罐172限定的内容积部跨内部罐172的壁邻近水罐容积部170。罐172具有圆柱形侧壁174、圆顶头176和底部开口178，底部开口178由用螺栓固定到底部罐板166的盘形板180封闭，并且可以在板166和180之间提供密封剂或O形环密封件，以完成流体密封的内容积部。侧壁174和圆顶头176由玻璃或瓷釉涂层钢、无涂层的不锈钢、结构聚合物(例如，玻璃填充的聚丙烯)或其他合适的材料形成，其结构将内部的罐内容积部182与热水器罐内容积部170隔离。一个或多个支柱(未示出)可以设置在壁162和壁174和/或176之间，以提供内部罐172的进一步稳定。内容积部170与内容积部182隔离，在于形成内部罐172的结构，并且与内容积部170密封，使得容积部170中的饮用水不会越过进入内部罐内容积部182中，并且内部罐内容积部182内的相变材料不会越过由罐172的结构形成的边界进入储存在热水器罐容积部170中的水中。
制冷剂导管184穿过延伸穿过底板180的两个密封衬套(未示出)，从而延伸到内容积部182中，并在制冷剂入口48和制冷剂出口52之间形成换热器盘管38的盘管。在目前描述的实施例中，导管184由铜或铝制成，但应理解为可以由任何合适的材料构成。尽管附图示出制冷剂导管184是盘绕的，但这仅是实施例，并且导管可以布置成任何几何形状，其提供用于传导热量的所需导管表面区域。内容积部182填充有硬脂酸或其他脂肪酸、石蜡、水合盐或其他能够如上所述储存潜热的相变材料，除了容积部182的顶部的容积的一部分，其足以容纳PCM相变时PCM的体积变化。
热水器罐壁162和相变材料罐壁172是大致圆柱形的，其中每个结构在其轴向方向上是长形的，并且由每个结构包封的容积部的在轴向方向上的尺寸大于容积部的直径。在所示的实施例中，罐壁162的中心轴线与壁174的中心轴线和换热器38的盘管共线，但应该理解，可以不需要这种共线关系。形成换热器的导管完全设置为远离壁174的内表面径向向内，并且在圆顶壁176下方。由于硬脂酸或其它PCM填充腔室182，PCM通过盘管在容积部182中的整个延伸部分以及盘管在入口48和出口52之间的90％以上的长度围绕换热器盘管38，尽管如此如上所述，制冷剂管线的PCM覆盖百分比可以大于或小于90％，例如高达100％。
热水器主体搁置在支架186上，支架186可由泡沫或其他合适的材料构成。还应该理解的是，可以使用任何其他合适的支撑结构，例如包括与侧壁162和/或底壁166一体形成的结构构件。
冷水入口配件188、热水出口配件191和温度和压力释放阀(未示出)延伸穿过限定在热水器的侧壁162和/或圆顶顶部头部164中的合适的开口。如本领域应当理解的，阀排水管(未示出)可以向内延伸穿过底板166。电阻加热组件190通过侧壁162中的孔192径向向内延伸到内容积部170中。组件190包括从侧壁162向外延伸的电气配件194。电源经由电气配件194向组件190的加热元件196提供电流，并且控制板(未示出)响应于温度传感器(未示出)控制从电源向加热元件的电力施加，该温度传感器如本文所述感测容积部170中的水的温度。加热元件196从罐壁162和电气配件194朝向PCM容器172径向向内延伸并进行90度转动，使得加热元件的一部分平行于侧壁174的表面延伸，从而适应容积部170内的相变材料罐。第二加热元件也可以安装在罐壁162的上部，从而同时在容积部170的上部和下部加热水。如果上部加热组件在罐壁162中设置得足够高以越过内部罐172的顶部，则加热元件可以水平地(在图14的透视图中)延伸到罐容积中。然而，应该理解，可以使用单元件和双元件配置。
为了填充容积部182，除了板180之外，如图所示地构造热水器36，使得可以通过孔168接取内容积部182。热水器36倒置，PCM通过孔168插入容积部182，板180用螺栓固定在加热器的底部，热水器调直，并放置在块186上。
图15示出了本发明的另一实施例，其中相变罐容积部与水罐内容积部相邻。热水器36同样包括大致圆柱形的侧壁162和环形的底板/壁166，其限定开口168，开口168由法兰板180封闭，通过该开口168，在制冷剂入口点48和出口点52之间，形成换热器38和盘管184的制冷剂管道通过板180中的密封衬套。相变容器或罐172包括大致圆柱形的基部196和多个(图15中仅示出两个)平行的大致圆柱形的部分198a和198b，其从大致圆柱形的部分196的顶部延伸穿过罐内容积部170的上部到上壁板164。壁174限定了部分196、198a和198b中的每一个，使得这三个部分限定了包封相变材料的连续容积部182。此外，壁174是连续的，并且在密封连接处与底板166和顶板164相遇，使得容积部170和容积部182彼此隔离，如上面参照图14所讨论的。密封板200a和200b闭合并密封板164的上侧上的管状圆柱形部分198a和198b的开口端。密封板可以是可移除的，例如通过与管状部分198a和198b的螺纹接合，以允许在水罐的上端用相变材料填充容积部182。与图14的实施例中的顶板164的圆顶形状相比，图15的实施例中的板164大致是平面的，但是可移除的半圆顶帽202可以设置在板164上，或者板164和圆顶帽202可以彼此一体地形成并固定到侧壁162。提供足够数量的管状圆柱形部分，其直径足够，使得图15的布置限定了比图14的实施例中的相变材料容器172的更大的表面积，从而在容积部182中的相变材料和容积部170中的水之间提供了更大的热传递路径。另外，由于管状部分198a和198b(和其他部分)在顶板164中的对应的孔中的接合，在该布置中可能不需要稳定支柱。在所示的实施例中，盘管184完全包含在下腔室部分196内，但是在其他实施例中，导管可以至少部分地延伸到部分198a和198b中的一个或两个中。
尽管未在图15中示出，但是热水器36可以在罐的下部包括加热元件组件，类似于图14中所示的实施例。如在前面的实施例中那样，加热元件可以弯曲并垂直延伸，以避开内部PCM罐。与前面的实施例一样，该实施例也可以包括第二加热元件组件，但由于内部PCM罐在图15的实施例中延伸整个垂直长度，上部加热元件也可弯曲至垂直取向以与PCM罐纵向轴线/多个轴线平行。
在图16所示的实施例中，热水器36同样包括具有大致圆柱形主体162的罐、大致平面的顶板164和大致平面的底板166。相变材料容器172同样限定邻近内热水器罐容积部的内容积部，并且包括两个(或更多个)分立的大致圆柱形的管状部分198a和198b，其延伸穿过底板166中的相应的孔168a和168b与平面顶板164中的相应的孔204a和204b之间的罐内容积部170。每个管198a和198b的直径小于罐壁162的直径，使得容积部170中的水完全包封每个部分198a和198b。部分198a和198b的下开口端由相应的端板180a和180b盖住，而开口顶端由相应的顶板200a和200b封闭。PCM容器壁174在每个部分198a和198b上是连续的，并且在密封连接处接合板孔168a、168b、204a和204b，使得PCM容器内容积部182与水罐内容积部170隔离。顶板200a和200b可以可移除地(例如，螺纹地)接合部分198a和198b的开口顶端，使得相应的容器部分可以从罐的顶部进行填充。制冷剂导管形成两个盘管184，其在换热器138的制冷剂入口点48和制冷剂出口点52之间延伸，在部分198a和198b中限定相应的盘管。从入口点48开始，制冷剂盘管延伸穿过底板180a中的密封衬套(未示出)，在容器部分198a内形成盘管，通过板180a中的第二密封衬套(未示出)离开该部分，并且在到达出口点52之前，穿过板180b中的第二组密封衬套(未示出)以在部分198b中形成类似的盘管。由于存在足够数量的管，图16的实施例提供了增加的热传导表面积，类似于图15的实施例，还提供了盘管184和相变材料之间的更直接的相互作用，如图14的实施例中那样。在替代布置中，管部分198a和198b中的相应的盘管不是同一制冷剂路径的部分，而是分开的制冷剂路径的部分，其每一个都是具有其自身的如上所述的压缩机、蒸发器和冷凝器的单独的空调系统的部分。
尽管未在图16中示出，但是热水器36可以在罐的下部包括加热元件组件，类似于图14中所示的实施例并且关于图15所讨论的。如在前面的实施例中那样，加热元件可以弯曲并垂直延伸，以避开内部PCM罐。该实施例还可以包括第二加热元件组件，该第二加热元件组件还具有加热元件，该加热元件从水平弯曲成垂直以与PCM罐纵向轴线/多个轴线平行。
在图17所示的实施例中，水罐36同样包括具有大致圆柱形的侧壁162和圆顶顶壁164(其与底壁166一起限定内容积部170)的罐。在该实施例中，相变材料容器或罐172从顶部延伸到热水器罐中，穿过通过顶板164的顶部形成的圆形孔206，但是同样，这两个容积部经由相变材料罐壁彼此相邻。侧壁174可以经由侧壁174和顶板164之间的螺纹或其他密封连接件固定到孔206中。大致圆柱形的管状侧壁174的开口顶端在整体形成的法兰208处终止，法兰208具有穿过其中的中心孔，以允许PCM进入容积部182。可移除的顶部法兰210密封地固定到底部法兰208，以密封地封闭PCM容器172的内容积部部182。制冷剂导管在制冷剂入口点48和制冷剂出口点52之间延伸，在它们之间形成制冷剂盘管184。在移除顶板208的情况下，PCM可以设置在容器172内，使得它完全包围在点48和52之间的长度的90％以上形成盘管184的制冷剂导管。导管穿过顶板210延伸穿过密封衬套(未示出)。图17中所示的布置提供了可顶部填充的容器的优点，并允许使用具有水平对齐的加热元件196的加热组件190，如图所示。可以提供支柱(未示出)以进一步稳定PCM容器，例如从底壁166到PCM罐的面向底部的部分。
第二加热元件可以设置在罐的顶部，延伸通过罐侧壁162。加热元件可以从水平弯曲到垂直(上下)对齐以与内部罐172的轴线平行，以避免与内部罐壁接触。在又一实施例中，省略了(多个)电加热元件组件，并且在底板166下方的燃烧室中提供气体燃烧器组件，排气通道围绕内部罐172的一侧或者通过罐172布线。
图18示出了另一实施例，其也使用标准的线性加热元件组件190。加热器36同样包括具有大致圆柱形的罐侧壁162的罐，但是在该实施例中，罐被对齐为使其纵向轴线平行于地表面212，使其轴线相对于地表面且在其他图的背景下是水平的。PCM罐172固定到底板166并通过底板166安装，如上面参照图14所述。可以在壁162和内部罐172的远端之间提供一个或多个支柱(未示出)。加热元件组件190还通过板166中的孔固定，使得加热元件196平行于相变材料容器172并在其下方地延伸到容积部170中。一对支撑腿186将侧壁162支撑于地表面212上。应该理解的是，加热元件可以向上延伸穿过垂直取向的罐的侧壁，例如图14-17中所示的那些，特别是当罐的侧壁安装到墙壁或立柱时，使得罐底易于接取。
在进一步的实施例中，其示例在图19中示出，PCM容器与燃气热水器一起使用。图19中所示的热水器的内部罐形成为壁174，壁174在其顶部具有开口端175，使得壁174在整体形成的法兰195处终止。可移除的顶部法兰193密封地固定到底部法兰195，以密封地封闭PCM容器172的内容积部182。底部法兰195和顶部法兰193限定了对应的中心孔，其接收燃气热水器36的烟道177，顶部法兰193的孔以密封接合的方式如此进行。制冷剂导管在制冷剂入口点48和制冷剂出口点52之间延伸，在它们之间形成制冷剂盘管184。在移除顶部法兰193的情况下，PCM可以设置在容器172内，使得它完全包围在点48和52之间的长度的90％以上(或小于90％)形成盘管184的制冷剂导管。导管穿过顶部法兰193延伸穿过密封衬套(未示出)。底部孔179密封地接合烟道177以将内容积部182与水内容积部170隔离。罐36和172之间的支柱(未示出)可以稳定罐36内的罐172。
外部气体管线183向燃烧器箱187中的燃烧器185提供气体，使得燃烧器185点燃进入的气体以在燃烧器箱187中产生热量。替代地，燃烧器185可以设置在分立的燃烧器箱中，该燃烧器箱设置在水罐的底壁下方，烟道通过该底壁延伸。以189表示的热烟道气体通过烟道177上升并越过挡板翅片189，从而通过与烟道壁直接接触并通过与挡板189接触而将热量传递到烟道177的壁，挡板189将热量传递到烟道壁。因此，除了来自制冷剂导管的热量之外，来自气体烟道的热量也被传递到容积部182中的PCM。
在又一实施例中，并参考图20，换热器38形成为缠绕在热水器36周围的盘管。换热器被包封在圆柱形外壁内，该外壁形成限定封闭容积部的罐，例如使得罐36的外壁形成外罐的内表面。在该实施例中，相变罐内容积部同样与热水器罐内容积部相邻，但在该实施例中，通过热水器罐壁而不是通过相变材料罐壁相邻。换热器38的盘管在径向方向上(相对于圆柱形罐的纵向轴线)偏离罐的外表面，使得封闭容积部内的相变材料完全包围换热器盘管。
更具体地，热水器36包括由具有大致圆形截面的主体侧壁162、圆顶顶部头部164和平面底壁166限定的垂直取向的大致圆柱形的罐。底壁166是连续的，没有圆形通孔。主体侧壁162、顶壁164和底壁166大致限定用于在其中储存水的内容积部170。大致圆柱形的外部罐172围绕热水器的水罐延伸，使得外部罐172的内容积部182围绕水罐容积部170，并且使得外部罐的内容积部182跨越水罐壁162与水罐容积部170相邻。罐172具有圆柱形侧壁174、环形底部175和环形顶板176，在PCM通过由壁176填充的顶部开口插入到容积部182中之后，环形顶板176可以通过例如焊接、铆钉、粘合剂或其他方式固定在壁174和壁162之间。容积部170由于形成外部罐172的结构与容积部182隔离，并通过罐壁162的结构与容积部170密封，使得容积部170中的饮用水不会进入容积部182，并且容积部182内的相变材料不会越过由壁162形成的边界进入储存在热水器罐容积部170中的水中。
制冷剂导管184延伸穿过两个穿过顶壁176和底壁175的密封衬套(未示出)，从而延伸到容积部182中，并在制冷剂入口48和制冷剂出口52之间形成换热器盘管38的盘管。尽管图20示出制冷剂导管184是在容积部182内是盘绕的，但这仅是实施例，导管可以布置成任何几何形状，以提供用于传导热量的所需导管表面积。容积部182填充有硬脂酸或其他脂肪酸、石蜡、水合盐或其他能够如上所述储存潜热的相变材料，除了容积部182的顶部的一部分之外，其足以容纳PCM相变时PCM的体积变化。
形成换热器38的导管从形成罐172的内表面的壁162的外表面径向向外并在顶壁176下方设置。由于硬脂酸或其它PCM填充容积部182，PCM通过盘管在容积部182中的整个延伸部分且在入口48和出口52之间盘管的长度的90％以上的长度围绕换热器盘管38，尽管如此如上所述，制冷剂管线的PCM覆盖百分比可以大于或小于90％，例如高达100％。
冷水入口配件188、热水出口配件191和温度和压力释放阀(未示出)延伸穿过限定在热水器的侧壁162和/或顶部头部164中的合适的开口。如本领域应当理解的，阀排水管(未示出)可以向内延伸穿过底壁166。电阻加热组件190通过侧壁162中的孔192径向向内延伸到罐内容积部170中。组件190包括从侧壁162向外延伸的电气配件194。电源经由电气配件194向组件190的加热元件196提供电流，并且控制板(未示出)响应于温度传感器(未示出)控制从电源向加热元件的电力施加，该温度传感器如本文所述感测容积部170中的水的温度。第二加热元件也可以安装在罐壁162的上部，从而同时在容积部170的上部和下部加热水。另外，如图20所示的实施例可以与燃气热水器一起使用，例如上面参考图19所讨论的。
从图14-20所示的实施例中显而易见的是，相变材料容器置换了在相变材料罐不存在时存在于内容积部170中的一定体积的水。因为相变材料能够比水储存更多的热量，所以本文所述的布置能够比相同体积的仅含水的热水器罐储存更大的能量，其中增加的热量的储存容量随着相变材料容器占据的罐体积的比例增加而增加(假设PCM是硬脂酸，如上述实施例中所述)。图21中提供的曲线图说明了这种效应，其显示了能量储存容量的增加百分比(与相同体积的仅含水的罐相比)，其作为由相变材料置换的罐水储存体积的百分比的函数。示出了两条线，区别在于在不同温度变化下实现的热储存效果。线214显示对于从70℉至120℉的水温变化的增强的能量储存。线216显示水从100℉加热到120℉时的能量存储增强。也就是说，作为由PCM置换的加热器中的水的百分比的函数，线214示出了在基于PCM的实施例中由给定的制冷剂流动通过的制冷剂导管到热水器(无论是直接到PCM还是通过PCM间接地到水)传递的热量的百分比增加，如图14-20所示，与直接传递到没有PCM内部容器并且制冷剂导管缠绕在仅含水的罐的外部的相同的罐的水的热量相比，水温从70℉升至120℉。线216提供了相同的信息，水温从100℉升高到120℉。从图21中可以明显看出，从100℉升至120℉时，增加得更大，因为当较低的70℉的起点上升时，仅含水的罐具有更大的容量来储存能量。
因为相变材料对水的置换减少了可用于热水器所在的设施的水量，所以在给定的情况下，可以按照需要平衡增加的储热容量和降低的储水容量这些抵消标准。在一个实施例中，例如，相变材料容器在内部罐容积部中置换约25％的水。
返回到图1，控制系统20可以包括可编程逻辑控制器(PLC)，它被编程为限定可由PLC执行的指令，并作为通用系统控制器运行。例如，PLC与室外单元14一起被容置，PLC与本文所述的部件通信，并且控制它们的致动和操作(经由适当的电气连接、继电器、电源和其他机电连接，如本领域中应理解的)，这些部件包括但不限于压缩机、室外盘管风扇、室内盘管风扇和所有电控阀。由此，控制系统与空调系统通信并控制空调系统，包括制冷剂流动路径内的阀系统，其与压缩机(也由控制系统控制)一起控制制冷剂流动。控制系统20与室外单元14、室内单元16和热水器18中的每一个之间(以及控制系统70与室外单元64、室内单元66和热水器68中的每一个之间，控制系统120与室外单元114、室内单元116和热水器138中的每一个之间)的连接的引述包括这种通信和控制。这种通信还可以包括控制系统和室外单元处的温度传感器之间的通信，温度传感器向控制系统提供与室外单元的周围环境的温度相对应的信号。此外，控制系统20从建筑物的调节空间中的一个或多个恒温器接收输入信号，其提供关于是否启用空调系统、停用空调系统、致动空气处理器风扇、以空气冷却模式操作系统，以及以空气加热模式操作系统(在这种情况下，空调系统是热泵)的指令。位于调节空间中且包括温度传感器的恒温器也可以向控制系统输出与调节空间的温度对应的信号。恒温器在生成这些指令时的操作应该很好理解，因此在此不再进一步讨论。恒温器可以被认为是控制系统20的一部分，并且在任何情况下，通常由恒温器执行的功能可以由控制系统20共享或执行。控制器20和室内单元16之间(以及图4的控制系统70和室内单元66之间，控制系统120和室内单元116之间)之间的通信的引述包括控制系统和(多个)恒温器之间的这种通信，以及控制系统与空气处理器之间和控制系统与热水器之间的通信。控制系统响应于来自恒温器的信号以及可能来自传感器的指示系统操作参数的信号，基于空调系统编程，启用和停用空气处理器，此应该好理解。在非启用状态下，空气处理器不会强制空气进入、吸入空气或以其他方式使空气移动通过调节空间。如本文所讨论的，在某些实施例中，空调系统的致动可以指压缩机的启用以使制冷剂移动通过制冷剂路径，冷凝器风扇的启用，以及空气处理器(风扇)的启用。但是如本文所讨论的，在某些情况下，可以在不启用空气处理器的情况下致动空调系统。在这个意义上，控制系统启用空调系统，同时将空气处理器保持在非启用状态。
对控制器20/50/120和室内单元16/66/116之间的通信的引述还包括控制系统和热水器之间的通信，例如，在热水器控制器(或特别是控制系统集成了热水器控制器的功能的情况，为控制系统)与(多个)热水器温度传感器和(多个)热源之间的通信。应当理解，热水器18可以包括电子控制器(未示出)，其可以接收手动或电子指令以启用和停用热水器，并且可以响应这些指令，以及响应于预编程的设定点温度而启用和停用热水器。热水器的高低设定温度通常能够由操作员和/或在安装时进行手动或电子设置。一旦设定，热水器的控制器监测与热水器内的水热连通的一个或多个温度传感器的输出，并将水温与预定的设定点进行比较。如果热水器处于非启用状态，并且如果水罐温度高于热水器的低设定点，则热水器控制器在水罐温度达到或低于低设定点之前不起作用。此时，热水器控制器启用热水器的内部热源，其开始加热水。热水器控制器继续从一个或多个热水器温度传感器接收和监测水温信号，并保持热水器热源启用，直到控制器从一个或多个温度传感器接收到信号，表明热水器温度已经超过高设定点。热水器返回到非启用模式，直到手动启用或直到来自一个或多个温度传感器的信号指示水温再次下降到或低于低设定点时才重新启用。
然而，在当前描述的实施例中，热水器控制器将热水器温度传感器信号或对应的数据传递给控制系统20/70/120，然后控制系统20/70/120确定是否用制冷剂热量或用热水器的固有热源加热热水器，如上所述。如果或当控制系统决定操作热水器热源时，则控制系统将对应的信号发送到热水器控制器，热水器控制器启用热源。此后热水器控制器可以监测水温并在温度达到高设定点时停用热源，或者它可以继续将温度信号或数据传递给控制系统，控制系统决定何时停用热水器热源并向热水器控制器发送适当的指令信号。此外，可以省略热水器控制器，并且控制系统20/70/120与(多个)热水器温度传感器和热源控制(即，启用和停用控制)直接通信以便执行本文描述的功能。对控制器20和热水器18之间(以及控制系统70和热水器68之间，控制系统120和热水器138之间)之间的通信的引述包括控制系统和热水器控制器之间的这种通信，或者特别是控制系统集成了热水器控制器的功能的情况下，在控制系统与(多个)热水器温度传感器和(多个)热源之间。
类似地，如下所述，控制系统20和70与可变风扇控制器25和115通信，并且控制系统20和70与室外和室内单元14/64和16/66之间指示的通信反映这种通信。然而，可变风扇控制器的功能还可以完全包含在控制系统内，从而可以省略风扇控制器，并且控制系统与温度传感器27/117，或者42或46直接通信。
从本公开中可以理解，归属于控制系统20/70/120的功能可以由一程序的计算机可执行指令来体现，该程序体现在计算机可读介质上并且在一个或多个计算机上执行，例如由住宅或商业分体系统空调系统控制器或如上所述的PLC实现的。可以使用任何合适的暂时或非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质可以是例如但不限于电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、设备或装置。计算机可读介质的更具体示例包括但不限于以下：具有一个或多个电线的电连接；有形存储介质，例如便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光盘只读存储器(CD-ROM)、支持PLC的非易失性存储器，或其他光学或磁存储装置。通常，程序模块包括执行特定任务和/或实现特定抽象数据类型的例程、程序、部件、数据结构等。此外，本领域技术人员将理解，本文描述的系统/方法可以用各种控制器配置来实践，包括可编程逻辑控制器、简单逻辑电路、单处理器或多处理器系统、以及个人计算机、手持计算装置、基于微处理器或可编程的消费者或工业电子设备，等等。这些功能的各方面也可以在分布式计算环境中实施，例如在所谓的“智能家居”布置和系统中，其中任务由通过本地或广域通信网络链接附图中另外示出的部件的远程处理装置执行。在分布式计算环境中，编程模块可以位于本地和远程存储器存储装置中。因此，控制系统20可以包括计算装置，该计算装置经由硬线或无线本地或远程网络与本文描述的系统部件通信。
可以实现本文描述的功能的控制器可以包括处理单元、系统存储器和系统总线。系统总线将系统部件(包括但不限于系统存储器)联接到处理单元。处理单元可以是各种可用的可编程装置中的任何一种，包括微处理器，并且应当理解，可以采用双微处理器、多核和其他多处理器架构作为处理单元。
如所描述的，在适当的操作环境中，软件应用程序可以充当用户和/或其他计算机与电子控制系统20的基本计算机资源之间的中介。这种软件应用程序包括系统和应用程序软件中的一者或两者。系统软件可以包括用于控制和分配控制系统20的资源的操作系统。应用软件利用系统软件通过存储在系统存储器上的程序模型和数据来管理资源。
控制器还可以但不一定包括通过总线通信地联接并促进与控制系统的交互的一个或多个接口部件。举例来说，接口部件可以是端口(例如，串行、并行、PCMCIA、USC或FireWire)或接口卡等。接口部件可以接收输入并提供输出(有线或无线)。例如，可以从装置接收输入，包括但不限于指示装置，诸如鼠标、轨迹球、触控笔、触摸板、键盘、触摸屏显示器、键盘、麦克风、操纵杆、游戏手柄、卫星天线、扫描仪、相机或其他部件。输出也可以由控制系统20通过接口部件提供给输出设备。输出装置可以包括显示器(例如，阴极射线管、液晶显示器、发光二极管或等离子体)，无论是触摸屏还是其他、扬声器、打印机和其他部件。特别地，通过这种方法，控制系统20从控制系统20与之通信的各种部件接收输入并将输出引导到它们，如本文所述。
通常，控制系统从恒温器、热水器、以及可能的温度传感器、或不是恒温器或热水器的一部分其他操作参数传感器接收信号。控制器响应于恒温器信号启用或停用空调系统，以提供或停止向调节空间提供调节空气。它决定是否响应水加热信号而启用水加热源，并响应于热水器信号和运行参数信号(其可以包括恒温器信号)且在一些实例中响应于空调系统所处空调模式来决定使用哪个水加热热源。下面描述用于执行这些功能的设备及其操作方式。
首先，参见图1，室外冷凝单元14包括冷凝器盘管22、相关联的冷凝器风扇24和压缩机26。如图所示，冷凝器盘管和压缩机通过制冷剂管路28和液体制冷剂管线部分30和32联接到室内单元蒸发器盘管34和热水器18的金属罐部分36内的导热制冷管，并用作热水器18的罐热水换热器38的制冷剂。尽管示出了单个盘管，但是可以利用多个平行盘管来减少通过换热器的压降，如下所述。因此，应该理解，对换热器“盘管”或“盘管系统”的引述包括串联或并联的一个或多个盘管。
与电子控制系统20可操作地连接的是：(1)电子控制调节器阀40，相关的制冷剂温度传感器42如图所示安装在冷凝单元14内的制冷剂管路28中，(2)电子控制调节阀44，相关的制冷剂温度传感器46如图所示安装在管路32和换热器盘管38的制冷剂入口48(与之相邻)之间的制冷剂管路28中，以及(3)常开电磁阀50，其安装在换热器入口48和换热器制冷剂出口52之间的制冷剂旁通管线32a中。在另一个实施例中，阀44和50由位于制冷剂路径的流过换热器38的部分和制冷剂路径的旁通换热器的部分之间的分隔处的单个阀代替，其中单个阀选择性地通过换热器或旁通部分引导制冷剂流动。如图1所示，待加热的水经由进水管54流入热水器罐36，并且响应于加热水的需求，经由热水供应管56从罐36排出。
图1-7示出了温度传感器42、46、27、102和117。如下所述，温度传感器27和117分别由风扇控制器25和115利用，可变地驱动室外和室内盘管风扇。代替温度传感器27，温度传感器42、46和102中的每一个示出了可以放置温度传感器的其他位置，以提供温度信息来驱动室外风扇的控制。因此，这些传感器应理解为传感器27的替代，并且在传感器27存在时可省略。(多个)温度传感器(未示出)也可以设置在水罐中或水罐上，以测量罐内的水和/或PCM罐内的PCM的温度，并将这些信息输出到控制器。
此外，附图示出各种电子控制阀为常开或常闭阀，而其他阀被示为电控比例阀。如将理解的，常开或常闭阀在打开或关闭状态之间的转换，而比例阀可用于在需要时计量流体流量。在本文讨论的示例中，所有电子控制阀在完全打开和完全关闭状态之间转换，因此包含在本公开内的是，所有阀可以是非比例阀。然而，还应该理解的是，使用比例阀来计量流体流动，例如经由冷凝器旁通阀，其包含在本公开的范围内。
膨胀阀58在管线32中设置在室内盘管34的入口处。应该理解，膨胀阀接收高压下的流体输入，并且根据阀内的设定，以较低的压力输出流体。这允许进入盘管34(当用作蒸发器时)的加压制冷剂在蒸发器盘管中降低压力，并将相从液体变为气体。
在图1所示的条件下，控制系统20从热水器18中的控制器或温度传感器接收信号，其指示罐的水温高于存储在控制器系统的存储器中的热水器的低设定点。也就是说，不需要加热水。还假设控制系统20已经从建筑物的恒温器(未示出)接收到信号，该信号要求空调系统向调节空间提供冷空气。在空调系统12相应地处于仅空气冷却模式，且不需要控制系统也选择和启用水加热热源(例如，热水器的热源，或经由换热器38传递到罐36中的水的制冷剂热量)的情况下，气态制冷剂经由吸入管线30从蒸发器盘管34流到压缩机26。压缩机26向前泵送气态制冷剂，增加制冷剂的压力和温度，使现在较热的制冷剂气体流过冷凝器盘管22。控制系统20经由可变风扇速度控件25致动风扇24(以恒定速度)，从而在冷凝器盘管上推动或抽吸空气，使气态制冷剂在盘管22中冷却，从而将相从气体变为液体。这将来自制冷剂的热能抽吸到移动的空气中，从而将热量从制冷剂(并因此从调节空间)散发到周围环境中。仍然在压缩机26提供的压力下，现在液态的制冷剂从冷凝器22的输出部流动到换热器38的输入管线和包括阀50的旁通管线之间的分隔处。控制系统20保持冷凝器和压缩机之间的阀40关闭。由于不需要水加热，控制系统20保持阀44关闭，且保持阀50处于其正常完全打开位置。这阻止制冷剂流动到换热器盘管，因此离开冷凝器盘管22的液体制冷剂流过打开的电磁阀50，旁通热水器换热器38，到达膨胀阀58。当液体制冷剂进入蒸发器盘管34时，膨胀阀58降低液体制冷剂的压力。在蒸发器内，制冷剂转变为气相，从盘管34上方流动的空气吸取热能，盘管34设置在由空气处理器风扇产生的气流路径中(在图1中通过盘管34和图示的风扇的关系示意性地示出了空气流动路径)。这样冷却由空气处理器再循环的室内空气，从而冷却经调节的室内空间。从蒸发器盘管34排出的现在较暖的气态制冷剂然后经由抽吸管线30返回压缩机26，并且循环重复。
如上所述，控制系统20响应于从热水器控制器或从罐36处的温度传感器接收到温度信息来控制换热器38的操作。应该理解，热水器18通常在低温和高温设定点之间操作。在当前描述的第一实施例中，控制系统20(而不是热水器的独立控制器)，在热水器水温低于热水器的低设定点时，响应热水器水温，在热水器的固有热源和换热器38之间进行选择，根据哪种热源导致更高的整体系统效率，作为向热水器增加热量的装置。下面将更详细地讨论该决定的基础。
在第二示例实施例中，热水器水温低于热水器的低设定点，控制系统(例如，控制器)20致动热水器的固有热源，并检查系统10的空调系统的状态。如果空调系统是启用的，则控制系统还关闭阀50并打开阀44，使得制冷剂被引导到热水器的内部PCM罐，从而为PCM提供热量。如果空调系统是不启用的，则控制器仅依赖于热水器的固有热源。控制系统(例如控制器)继续致动固有热源直到水罐水达到其高设定点，此时控制器停用固有热源。如果在一些实施例中空调系统在低和高设定点之间的时段期间启用，则控制系统打开阀44并关闭阀50，使得制冷剂向PCM提供热量，此时，(a)空调系统保持高于且(b)水罐水温低于其高设定点，如果任一条件不再成立，则控制系统关闭阀44并打开阀50。
现在转向图2，当热水器18需要制冷剂热量时(通过比较来自罐36的底部中的未示出的温度传感器的温度信号的值与存储的水罐低设定点)，控制系统20(图1)适当地定位与其连接的各种先前描述的阀40、44和50，使得制冷剂从室外单元经过管路28而穿过换热器38，将制冷剂热量添加到罐36中的水中，然后流入蒸发器盘管34。当控制系统20检测到加热责任应该从换热器转移到热水器热源，或者热水器18不再需要制冷剂热量时，要么是因为水罐水温已达到高设定点，要么是因为其他实施例中的条件如下所述地触发制冷剂停用，它将空调系统12返回到其仅空气冷却模式，如关于图1所讨论的，其中，经过管路28的所有制冷剂流动旁通热水器盘管换热器38。
关于制冷剂加热PCM的启用仅基于空调系统启用和热水需求的实施例或制冷剂加热启用附加地基于系统效率的实施例，当控制系统从温度传感器接收到指示需要水加热的信号时，并且当空调系统12以其他方式处于操作模式以向调节空间提供调节空气时，控制系统20将风扇速度控制器25从全速(风扇24在仅空气冷却模式期间以此速度操作)切换到变速模式(其中风扇速度控制器25响应于温度传感器27控制风扇24的速度，如下所述)，打开阀44，关闭阀50，并打开阀40。通过打开阀44和关闭阀50，控制系统引导全部的制冷剂流动通过换热器38。然而，冷凝器盘管仅接收从压缩机26输出的制冷剂流动的一部分。通过打开阀40并允许一些制冷剂流动旁通冷凝器，从冷凝器22和阀40流动到换热器28的制冷剂包含较冷的液体和较热的气态制冷剂。也就是说，制冷剂流动包括热的气态制冷剂，如果不是旁通阀40转向盘管38，将会在盘管22中冷却和冷凝，此时，盘管38进而冷却制冷剂，冷凝到达换热器的双相制冷剂流动的气态制冷剂组分，并将移除的热量传递给热水器罐36内的水。因此，换热器38可以被认为是整个冷凝器的子冷凝器或子冷却器，因为它完成了由冷凝器盘管22开始的冷凝功能。
因此，阀40有效地将热量从压缩机输出部转移到换热器(否则其将会被冷凝器移除)。阀所转移的热量由阀40和盘管22之间的制冷剂流动的平衡限定。这种平衡进而由风扇24的速度限定。流过阀40的旁通制冷剂比流过冷凝器盘管22的冷凝的制冷剂更温暖。应该理解，冷却的、冷凝的制冷剂比通过旁通阀40的热的气态制冷剂流过冷凝器盘管的阻力小，即使旁通阀路径的长度短得多。因此，如果当冷凝器22以其满容量运行时，阀40打开至其完全打开状态，则来自压缩机26的大部分制冷剂将流过冷凝器而不是旁通阀，从而输送相对少量的额外的、转移的热量到换热器。为了增加朝向旁通阀40的制冷剂流动平衡，可变风扇控制器25在需要水加热时降低风扇24的速度。这降低了空气在冷凝器盘管上流动的速率，从而降低了冷凝器盘管中制冷剂冷却的速率，并相应地增加了制冷剂流动的阻力。这进而增加了通过旁通阀的制冷剂流动，并增加了供给换热器的热量。
在系统设定时，控制系统50将目标温度下载到风扇控制器25。当在系统操作中，控制器25从控制器20接收到指示水加热模式已经开始的信号时，风扇控制器25停止全速风扇操作并将温度传感器27的输出与目标温度进行比较。如果传感器27的温度高于目标温度，则控制器25增加风扇24的速度，从而以更高的速率将空气吸过(并冷却)盘管中的制冷剂，并减少流过阀40的热旁通制冷剂的量。如果传感器27的温度低于目标温度，则控制器25降低风扇24的速度，从而减少从制冷剂移除的热量，并增加其流动阻力，从而允许更多的热气态制冷剂旁通冷凝器盘管。因此，目标温度表示冷凝器/旁通组合向换热器提供制冷剂的温度。目标温度优选不超过压缩机26输出气态制冷剂的温度或低于罐36中的水的温度。在另一个实施例中，不使用目标温度，省略旁通阀40，并且风扇25以恒定速度操作。
目标温度的选择可以取决于系统换热器38的配置，其冷却流过其盘管(朝向与水加热器罐中的水的温度相等的最低温度)的制冷剂，但是从制冷器移除热量，其速率低于冷凝器的热量移除速率。如果离开室外单元14的制冷剂的目标温度太高，则制冷剂流动路径内保留的余热(由于换热器未能移除热量)增加了流动路径压力，因此，压缩机26完成的功不会在热水器或调节空气处抵消传热增益，从而降低了系统效率。另一方面，将目标温度设定得太低会降低换热器将热量传递给热水器罐的能力。在这些边界内选择目标温度的一种方法是在预安装校准过程中操作系统，在可能的温度范围内测试系统的各种目标温度的效率和热传递，并选择目标温度，以平衡这些考虑因素与用户的偏好。在一个实施例中，目标温度被设定为最高温度，从该最高温度，换热器38可以在热水器的高低设定点之间的罐的水/PCM温度范围内的任何点处成功地使制冷剂达到与PCM温度平衡。由于换热器的传热能力在其他罐水温度下较低，因此当该罐的水温从该最高点移动时，该目标的选择导致一些余热保留在制冷剂流动路径中，但这种成本可以接受，以使换热器具有最大的传热能力。在另一实施例中，控制系统20下载对应于在校准时确定的变化的热水器温度的一系列温度目标，并且当热水器水温度改变时，控制器25响应于来自控制系统的温度数据连续地更新目标温度。在又一实施例中，控制系统最初下载目标温度，其等于高于当前罐水温度的预定温度增量。当罐水温度升高时，控制系统将目标温度提高到最高目标温度。在系统配置中选择预定增量，并且可以根据需要进行设定。
当控制系统从热水器温度传感器(直接或通过热水器控制器)接收到指示需要水加热的信号时，控制系统20首先确定空调系统目前存在的空调模式(即，向调节空间提供调节空气，或者不向调节空间提供调节空气，并且如果在系统既加热又冷却的实施例中提供调节空气，则是在空气加热还是空气冷却配置中)。如下所述，在一些实施例中，控制系统20可以具有用于其空调操作模式中的一些或全部的校准数据集，其表示当依赖制冷剂换热器或者依赖热水器的固有热源时的系统效率的比较。如果控制系统没有用于其当前空调模式的数据集，则它启用热水器热源并依赖该热源来完全加热水，而不使用换热器，或者在其他实施例中同时启用固有热源。如果它具有用于当前空调模式的数据集，则控制系统识别：(1)从与控制系统通信的室外单元14处的温度传感器检测到的环境空气温度，(2)室内恒温器检测到的室内空气温度，和(3)由罐温传感器检测到的水罐温度。控制系统将该输入数据应用于依赖于空调模式的数据集，在给定由输入数据表示的特定操作参数值的情况下，该数据集提供表示当依赖制冷剂换热器时和替代地当依赖热水器的固有热源时的系统效率(在这些参数值下)的比较的比率值。基于该比较，控制系统20在两个加热选项之间进行选择，相应地设定系统阀，并向热水器提供相应的控制信号。利用所选择的热源继续加热水，但控制系统反复监测这三个输入变量，并相应地基于数据集重新评估效率比较。如果由这些变化的变量产生的热源的选择从当前启用的热源变为另一个，并且如果该条件在一段预定的时间内持续不间断，例如，一分钟，则控制系统停用当前启用的热源并启用另一个热源。控制系统继续监测变量，并继续监测所选热源的持续预定时间段的变化，并且如果该条件发生则改变热源。以这种方式，在热水器达到其高设定点之前，随着条件的变化，热源的选择可以多次改变。当控制系统检测到热水器已经达到高设定点时，控制系统停用当时启用的热源，并且在接收到指示罐的水温已降至热水器的低设定点以下的水温信号(此时循环重复)之前不会重新启用热源信号。在另一个实施例中，控制系统总是假设制冷剂换热器的使用在低热水器温度下更有效，因此总是最初使用换热器。
数据集表示两个条件之间的系统效率的比较：(1)当制冷剂换热器启用且热水器热源不启用时的空调系统和热水器操作，以及(2)当制冷剂换热器不启用且热水器热源启用时的空调系统和热水器操作。对于每种情况，整体系统效率可以定义为系统的性能系数或COP。COP可以描述为提供给调节空气的加热或冷却能量(BTU/小时或瓦特)加上移入热水器水中的加热能量(BTU/小时或瓦特)除以为向调节空气和热水器水提供这种能量而由空调系统和热水器消耗的能量(BTU/小时或瓦特)的比率。
如在本领域中应理解的，输入到水和调节空气的能量以及消耗的能量可取决于空调和水加热系统的电气和机械配置。然而，对于给定系统，该考虑是常数并且可以适应如本文所述的校准过程。但是，相关参数可能会有所不同：
·选择水热源，即，制冷剂换热器或热水器的固有热源；
·空调模式，即，(1)空气冷却，(2)空气加热，或(3)不启用(既不是空气冷却也不是空气加热)；
·室外环境温度；
·水罐水(和PCM)温度；以及
·室外温度。
为了校准系统，空调和水加热系统(例如，如图1-3、图4-7或图8-13所示)在可以控制定义变量的条件下构造和安装。室外单元可操作地安装在可以操作室外单元并改变环境温度的位置。室内单元安装在与室外单元分开的位置，在该位置可以改变室内单元(调节空间)环境温度。热水器设置在可以独立于室外单元和室内单元环境温度来控制热水器水温的位置。
然后，针对前两个变量的每个可能组合校准每个系统。首先考虑参照图1-3描述的系统。从本文的讨论中可以明显看出，该系统不具有空气加热模式，并且在其非启用模式中，系统阀不可配置为允许使用制冷剂换热器。因此，该系统可以仅在其制冷模式下在制冷剂换热器和热水器热源之间选择性地操作。因此，数据集将仅针对空气冷却模式存在，并且系统仅在以下两个条件下才需要效率校准：
·制冷剂换热器的运行和空气冷却空间调节；以及
·热水器热源的运行和空气冷却空间调节。
关于图4-7和图8-13描述的每个系统可以在制冷剂换热器和热水器热源之间选择性地在其三种空调模式中操作，因此可以在以下六个条件下校准：
·制冷剂换热器的运行和空气冷却空间调节；
·热水器热源的运行和空气冷却空间调节；
·制冷剂换热器的运行和空气加热空间调节；
·热水器热源的运行和空气加热空间调节；
·制冷剂换热器的运行和空气调节不启用；以及
·热水器热源的运行和空气调节不启用。
然后，假设给定系统在这样的校准环境中组装，并且如上所述在其每个可能的条件下顺序地操作。在每种情况下，五个COP相关变量中的两个是固定的，其余三个变量(室外环境温度、水罐水/PCM温度，以及室内(调节空间)温度)可以在校准环境中受控。特别地，每个变量可以在合理预期地在系统使用中发生的相应的值范围内变化。给定三个变量，并给定每个变量的相应预期范围，系统在校准环境中操作，同时改变三个变量并测量或估计系统COP的分量。也就是说，对于三个变量在其假设的操作范围上的组合，系统确定并记录系统COP。对于给定系统，得到的数据集被存储或以其他方式可由控制系统20/70/120访问。因此，在针对给定系统完成每个双变量(选定的热水器热源/空调模式)配置的校准过程之后，对于每个配置，控制系统具有COP数据集，从该COP数据集，可以通过了解三个定义变量(室外环境空气、水罐水温和室内温度)的值来定义COP。
在给定系统的操作中，控制系统总是知道系统的空调模式，并且它从相应的传感器接收三个定义变量的值。如上所述，室外单元处的温度传感器提供室外环境温度。系统恒温器提供室内温度，且热水器温度传感器提供水/PCM温度。然后，假设系统在三种空调模式之一中运行，并且控制系统从热水器温度系统接收指示需要水加热的信号。校准完成后，控制系统为每个可能的操作条件设定数据集，对应于所选的热水器热源和空调模式。如果系统在其中存在COP数据集的空调模式之一中操作(例如，对于图4-7和8-13的系统的三种空调模式中的任何一种，但对于图1和2的系统只有空气冷却模式)，控制系统取回对应于该空调模式的两个数据集(一个用于制冷剂热交换，一个用于热水器水源)，从相应的传感器输入检测实际的定义变量值，并确定由两个数据集中的每一个的三个变量定义的COP值。如果使用制冷剂换热器的系统的COP与使用热水器热源的系统的COP之比等于或大于1.0，则控制系统启用制冷剂换热器(即关于图1的实施例，打开阀44，关闭阀50，打开阀40，并指示控制器25控制风扇24的速度以保持目标制冷剂水平)并且停用热水器热源，否则如果比率小于1.0，则控制系统停用制冷剂换热器并启用热水器热源。控制系统持续监测三个定义变量。只要热水器水温低于热水器的高设定点，控制系统就会反复(例如，每十秒钟)测量三个变量并重新计算比率。如果比率改变状态(即移动跨越1.0设定点，从而指示热水器热源从当前启用的源的变化)并且在改变的状态下持续超过预定的时间段，例如，一分钟，则控制系统停用当前启用的热水器热源并启用其他热水器热源。此后，控制系统继续重复读取定义变量值，重新确定比率，并且如果由持续比率如此指示则改变水热源。这个过程一直持续到热水器温度达到高设定点，此时控制系统停用热水器热源，并且不再采取水加热动作，直到水温信号指示热水器水温已再次下降到或低于热水器的低设定点，此时循环重复。
在另一实施例中，控制系统基于如上所述的系统COP比较来选择热水器热源，但具有额外的限制，即使COP比较继续有利于选择制冷剂换热器，如果该选择持续存在至少预定的一段时间，例如三十分钟，控制系统将启用热水器热源并停用制冷剂换热器，此后允许热水器热源将热水器水加热到热水器的高设定点，而不考虑比较的系统效率。由于制冷剂换热器通常不能单独使热水器达到其最终的高设定点，因此，在换热器不能使水达到最终设定点的条件下，对过程的这种修改防止了对制冷剂换热器的系统奉献。
应当理解，热源选择过程的变化包含在本公开中。例如，应该理解，鉴于本公开，当热水器水温低时，使用制冷剂换热器比使用热水器热源更有效。在较低的温度下，热水器比在较高的温度下从流过换热器的制冷剂吸取更多的热量，从而减小换热器盘管向制冷剂流动提供的阻力并降低系统压力。由于当控制系统启用水加热时热水器水温始终处于热水器低设定点，在一个实施例中，控制系统默认在循环开始时进行制冷剂换热器的操作，而不参考COP比较(假设针对现有的空调模式数据存在数据集)。此后，控制系统如上所述连续监测COP比较，并且当比率下降到1.0以下并且持续低于该水平至少预定的时间段时切换到热水器热源。此外，认识到一旦COP比较将热源转换为热水器热源，随后的COP比较将可能会继续选择热水器热源的可能性，则然后一旦控制系统切换到热水器热源，控制系统就不再检查COP，而是通过水加热的结束保持热水器热源的启用。在该实施例中，控制系统可以在切换到热水器热源之后继续监测热水器温度，或者替代地，放弃热水器控制器对热水器加热循环的控制以完成循环，如上所述。
鉴于本公开将理解，可以使用各种方法来确定系统校准期间COP计算的分量。为了确定实际移入热水器水系统的能量，控制系统20可以在预定的时间段内存储从热水器的(多个)温度传感器(至少一个与PCM罐相邻)接收的水和PCM温度值，从而确定水和PCM温度的实际变化。由于控制系统也知道热水器中的水和PCM的体积，控制系统可以确定相应的BTU/小时并将该数量转换为瓦特。
如本领域应当理解的，精确确定移入或移出调节空气的实际能量涉及确定预定时间段内的焓变化。虽然已知进行这种测量的方法，但它们也可能不可用或不实用。但是，由于控制系统可以确定空气处理器风扇是否在预定的时间段内是启用的，并且由于控制系统知道空气处理器的容量，控制系统可以估算空气处理器已经移动到调节空间中的空气的体积。控制系统还根据恒温器信号测量调节空间温度，并基于调节空间的温度变化和预定时间内移入调节空间的估算的空气的体积，控制系统可以估算在此时间段内的BTU/小时，精确度约在10％内。同样，控制系统可以将此数目转换为瓦特。
当然，在某些情况下，COP计算的某些分量不存在。例如，在空调模式不启用的情况下，没有能量移入或移出调节空间。COP计算的分母是系统在供给由分子表示的能量时消耗的能量。这进而是压缩机、盘管风扇和热水器在预定时间内使用的能量。考虑到压缩机的性能曲线，可以通过瓦特表或通过连续测量压缩机吸气压力、排气压力和吸气温度来在校准中直接测量压缩机功率利用率。风扇功率可以通过瓦特表测量，但可以基于实验室测试进行估算或假设。
图3中示意性示出的整个空调/热水器回路10a与上面关于图1和2描述的系统10相同，除了：(1)附加的热水器18a，其具有与之相关的电或气体加热设备，但没有相关的盘管的制冷剂到PCM到水的换热器的设备，其与先前描述的热水器18串联连接，使得经由管56离开热水器18的水流过附加的热水器18a，然后通过热水出口管56a将热水器18从其中排出，以及(2)热水器18不具有电或气体加热，而是仅经由其管道换热器部分38接收制冷剂热量，因此仅作为水预热装置。热水器18a可以对应于如图1和2所示的热水器18的容量，其例如是四十到五十加仑的电或气体热水器。图3的热水器18可以具有更大、更小或类似的容量。
当水罐水温低时，图3中所示的配置强调了制冷剂流动换热器的优点。两罐配置允许在空调系统12运行时(在冷却或加热模式下)在热水需求很少或没有需求的情况下存储热水，从而在对热水的需求高的时间段期间提供额外的低成本热水容量。与上面参照图1和图2描述的单罐布置相比，它还提高了空调系统的效率，因为在对热水需求很少的时间段期间，预热罐18(图3)中的水通常比主罐中的水温度低。
系统不使用效率的比较来控制何时致动和停止致动图3中所示的水加热换热器38。由于制冷剂换热器不接近由热水器热源加热的相同热水器，因此上面关于图1和2(以及下面关于图4-7和8-13)描述的效率比较是不适用的。相反，热水器18a在其独立的热源下加热，并且空调系统致动制冷剂换热器直到预热罐18的预定设定点温度。设定点设定为低于压缩机输出温度的温度的水平，但操作员可以以其他方式进行选择。预热罐也可以与下面参照图4-7和8-13描述的空调系统一起使用。
在图4-7中示意性地示出了体现本发明的一个或多个原理的空调系统60，并且包括(1)具有室外盘管单元64和室内盘管单元66的热泵系统62，以及(2)相关的热水器68，其代表性地可以是燃气或电热水器。在图4中，热泵62处于仅空气冷却模式。在图5中，热泵62处于空气冷却模式，并且还向热水器68提供补充的基于制冷剂的水预热。在图6中，热泵62处于仅空气加热模式。在图7中，热泵62处于空气加热模式，并且还向热水器68提供补充的基于制冷剂的水预热。空调系统60的各种功能由示意性描绘的电子控制电路70(仅在图4中示出)控制，该电子控制电路20操作系统60的各种随后描述的部件。
如图4-7所示，室外盘管单元64包括盘管72和相关的风扇74，以及压缩机76。如图所示，盘管72和压缩机76通过具有管线部分80和82的制冷剂管路78联接到分配在PCM填充的体积内或围绕热水器68的金属罐部分86的导热铜管或铝管，如上面参照图14-19所述，并且用作用于热水器68的制冷剂到PCM到罐水的换热器88。
室外单元64具有换向阀90、电子控制调节阀92、膨胀阀94和止回阀93(其可被视为膨胀阀的固有止回阀)，其如图所示连接在管路78中并可操作地连接到电子控制系统70。室内盘管单元66具有常闭电磁阀98和常闭电磁阀100，其如图所示跨越止回阀109连接在管道回路78中并可操作地连接到电子控制系统70。室内单元还具有膨胀阀110，并且阀100/109/110组件可以由平行膨胀/止回阀代替，如93/94所示。热水器68具有制冷剂管线中的温度传感器102、电子控制调节器阀或常闭电磁阀104、常开电磁阀106和常闭电磁阀108，其如图所示连接在管道回路78中并可操作地连接到电子控制系统70，以及(多个)温度传感器(未示出)，其定位成感测热水器中的水温和PCM温度。
现在转向图4，在空调系统60处于仅空气冷却模式的情况下，电子控制系统70将先前描述的阀部件设置在管路78中，使得压缩机76使从其排出的制冷剂流动，经由管路78的管道部分80，依次通过冷凝器盘管72到热水器68、蒸发器盘管84，并返回压缩机。更具体地，当热气态制冷剂在输出管线91上从压缩机76流出时，控制系统70保持电磁阀92关闭，使得所有压缩机的输出制冷剂流到换向阀90。控制系统70设定换向阀90以将气态制冷剂流动从管线91引导至管道部分80，从而引导至冷凝器盘管72。由于没有制冷剂在该模式下通过阀92旁通冷凝器盘管，所以来自压缩机的所有热制冷剂在盘管72中冷凝并从那里经由止回阀93流出该室外单元并流到室内热水器。
在热水器处，控制系统70保持电磁阀104关闭并且保持电磁阀106打开，并且制冷剂通过打开的电磁阀106旁通换热器88。然后液体制冷剂流过管道部分80，通过止回阀109和膨胀阀110(控制系统保持电磁阀100、98和108关闭，并且止回阀111阻挡图4的视图中的从左到右的流动)并进入蒸发器盘管84。如上所述，膨胀阀降低液体制冷剂的压力，允许制冷剂在蒸发器盘管中从液体变为气体，并且由于空气处理器风扇而从盘管84上流动的空气中吸取所需的热能，从而冷却调节空间中的空气。同样如上所述，由制冷剂管线中的压缩机76供给的正压和负压足以使得现在气态的制冷剂在管线82上通过换向阀90流回压缩机76，换向阀90将输入管线82流体连接到压缩机输入管线95。
参考图5，当热水器68的温度传感器(未示出)将输出信号发送到电子控制系统70时，其指示罐68中水的水温已达到或低于热水器的低设定点温度(存储在电子控制系统70的存储器中)，且如果COP比较有利于制冷剂换热器，则控制系统重新定位热水器调节器阀104和常开电磁阀106，使得制冷剂流过换热器88并返回到管部分80，从而将制冷剂热量添加到罐水、到膨胀阀110。阀104、106和92的设定与阀44、50和40的设定相同，如上面参考图2所讨论的。此外，当制冷剂流过它们相应的相对的止回阀时，阀108和100保持关闭，且阀98保持关闭。流过盘管84的制冷剂将相变为气体，如上面关于图4所讨论的，并且气态制冷剂经由管道82和95返回压缩机76。
尽管未在图5中示出，但是风扇74由可变风扇速度控制器(参见图2)控制，该可变风扇速度控制器进而响应于水加热模式中的预编程目标温度来控制速度，使得从盘管72和旁通阀92流出的制冷剂在管道80中保持所需的目标温度，如上面关于图1和2的实施例所述。可以如上所述选择目标温度。
类似于上面关于图1和2讨论的实施例的操作，控制系统70可以基于COP比较来选择水加热源(例如，在存在用于该实施例的空调模式的数据集的情况下)或者可以默认选择制冷剂换热器以在控制系统从热水器接收到指示需要加热水的温度信号时加热热水器。不管所选择的方法或热源如何，控制系统此后连续地重新评估COP比较并在基于此在两个交替的水加热源之间进行选择，如上所述。
应当理解，基于操作员对系统的控制或自动控制，控制系统可以在调节空间的空气冷却和调节空间的空气加热之间改变系统的操作模式(或从启动时从一种模式致动到另一种模式)，或者到非启用模式。当控制系统进入空气加热模式时，现在参见图6，控制系统改变转向阀90，使得从压缩机流过管道91的制冷剂流过阀门90到达连接到室内盘管84的管道82。阀98保持关闭。盘管84，其从压缩机76接收热气态制冷剂，现在用作冷凝器，冷却制冷剂，使其相变回液体。离开盘管84，液体制冷剂通过其内部止回阀旁通膨胀阀110，并在止回阀109周围流过现在打开的电磁阀100。控制系统70保持阀106打开，阀104和108关闭。由于止回阀111和关闭的阀108否则会阻止制冷剂流入换热器88，因此来自盘管84的制冷剂流过阀106并通过管80流到室外单元64。控制系统保持阀92关闭。因此，来自室内单元的所有制冷剂流过膨胀阀94并进入室外盘管72。膨胀阀94(当系统在空气冷却模式下运行时被其内部止回阀93旁通)降低了制冷剂的压力，使得盘管72充当蒸发器，由于风扇74的操作，其从通过盘管的空气中吸收热量。现在较暖的制冷剂从盘管72流到膨胀阀90，膨胀阀90将制冷剂流动引导到压缩机的输入管线95。
现在参考图7，如果电子控制系统70从水罐86处的温度传感器接收到信号，其指示罐的水温已经达到或低于热水器的低设定点，同时系统60以空气加热模式运行，则控制系统70决定是否启用换热器或热水器热源，例如，基于如上所述的数据集/COP比较，或者默认设定为换热器，然后是数据集/COP比较。假设控制系统最初启用换热器，控制系统适当地调节阀104、106和108，使得到热水器68的制冷剂流动流过盘管换热器88。更具体地，控制系统70关闭阀106和阀92，并打开阀104、108、100和98。
如上所述，室内单元66包括空气处理单元，其具有在盘管84上方抽吸空气的风扇。如图7所示，单元66还包括与控制系统70连通的变速风扇控制单元115和温度传感器117，温度传感器117检测从盘管84和旁通阀98的输出组合的制冷剂流动中的制冷剂温度。如在空气冷却/水加热模式中，当系统处于空气加热/水加热模式时，换热器盘管88用作子冷却或子冷凝盘管，与系统冷凝器共享冷凝功能，两种操作模式之间的区别在于，在空气加热模式中，盘管84而不是盘管72是系统冷凝器。如在空气冷却/水加热模式中，处于空气加热/水加热模式的系统将一些热的气态制冷剂从压缩机76转移到盘管88，旁通冷凝盘管，以便为换热器供给热量。并且，如在空气冷却模式，这在空气加热模式中通过旁通冷凝器盘管的阀来实现，在这种情况下是阀98。也就是说，阀98用于空气加热/水加热模式，阀92用于空气冷却/水加热模式。
如上面关于空气冷却/水加热模式中的阀92所讨论的，在空气加热/水加热模式下阀98的打开允许热的气体制冷剂流过旁通路径，但是因为流过冷凝器盘管84的制冷剂被冷却，因此具有比热制冷剂更低的流动阻力，当空气处理器风扇以其正常速度运行时，制冷剂倾向于流过冷凝器盘管而不是通过旁通。因此，当控制系统70致动系统60以在空气加热/水加热模式下操作时，控制系统指示可变风扇速度控制器115响应于在117检测到的组合制冷剂流动的温度而可变地控制空气处理器风扇速度，以在117处将制冷剂流动保持在目标温度，该目标温度被预编程到控制器115和/或控制系统70。可以独立于空气冷却模式目标温度选择空气加热模式中的目标温度，因为系统条件可以不同。因此，当系统致动制冷剂换热器88时，空气处理器风扇通常速度减慢，从而增加了对通过冷凝器盘管的制冷剂流动的阻力并迫使更多制冷剂通过旁通阀98。旁通制冷剂保持在热的气态，使得来自阀98的气态制冷剂和来自盘管84的液体制冷剂的组合在流到换热器88时处于双相状态。
该制冷剂流过打开的阀108，围绕止回阀111，并通过换热器盘管88。这经由PCM将来自制冷剂的热量传递给水罐中的水并完成冷凝过程，使得通过打开的阀104离开盘管88的制冷剂处于完全液态。液体制冷剂继续流过管80和阀94，围绕止回阀93，流到膨胀阀113和蒸发器盘管72。从蒸发器盘管，较暖的气态制冷剂流过管道80，使阀门90转向，并输入管道95到压缩机76，并且重复循环。
控制系统70进行如上所述的COP比较以确定何时交替操作制冷剂换热器88或热水器热源。如当系统在空气冷却模式下操作时，当罐86中的水处于较低温度时，在空气加热模式中使用制冷剂换热器88通常会更高效。因此，当控制系统70从热水器温度传感器接收到热水器处于或低于其低设定点温度的信号时，控制系统70可以默认选择制冷剂换热器88的操作，并且此后连续检查效率比较以确定何时切换到热水器的操作。同样，由于风扇控制器17控制制冷剂输入到换热器的目标温度通常低于热水器的高设定点温度，这通常意味着制冷剂流动换热器充当预热器，且最后的加热是由热水器热源实现的。
鉴于本公开，还应该认识到，在制冷剂换热器88的操作期间的空气处理器风扇速度的降低对应于提供给调节空间的热量的减少，从而对应于系统效率的降低。当系统在空气冷却/水加热模式下操作时，系统不经历类似的效率降低，因为调节空气从蒸发器盘管而不是从冷凝器盘管输送到调节空间，到调节空气能量供给相对不受冷凝器周围的制冷剂旁通的影响。从上面的讨论中可以明显看出，相比在空气冷却/水加热模式中，控制系统70因此可以在空气加热/水加热模式中更早地从使用换热器88切换到使用热水器的热源。
在又一实施例中，可以从系统中省略变速风扇控制器115和传感器117，并且空气处理器风扇可以在空气加热模式下在换热器88的致动期间以正常速度操作。这避免了由风扇速度降低引起的系统效率的降低，尽管由于通过阀98导致热制冷剂转移到换热器的减少，换热器将相应地对热水器供给较少的热量，从而减少系统效率。因此可以理解，决定是否利用可变风扇速度，如果是这样，也决定在旁通阀和冷凝器盘管的输出处选择目标制冷剂温度，将影响系统效率，因此影响使用制冷剂换热器88和热水器热源之间的平衡。还将理解的是，在空气加热和空调模式中，可以通过校准特定的空调系统来做出关于使用风扇减少的决定，并且优化操作参数值。
在对上述实施例的讨论中，当空调系统以空气冷却模式或空气加热模式操作时，控制系统致动制冷剂换热器。在某些实施例中，控制系统仅在空调系统的启用模式期间启动换热器，但是在其他实施例中，当系统处于非启用模式时(即不以空气冷却模式或空气加热模式运行)，控制系统也致动制冷剂换热器。在这样的实施例中，并且例如参考图4-7的系统，如果控制系统70从热水器温度传感器接收信号，其指示热水器中的水已达到或低于加热器的低温设定点，则控制系统决定是否启用换热器或热水器热源，例如，基于如上所述的COP比较，或默认为换热器。假设决定启用换热器，控制系统布置空调系统中的阀，以便如上面参照图7所讨论的那样在空气加热/水加热模式下操作，并且以上面关于图7描述的方式操作空调系统，除了控制系统停用空气处理器风扇，使得没有空气被吸过盘管84，并且没有调节空气被提供给调节空间。相应地，可变风扇速度控制器不起作用。这倾向于迫使更大量的热制冷剂从压缩机通过旁通阀98，但制冷剂流动在此后与上面关于图7所讨论的相同。控制系统确实操作风扇24，因为需要蒸发器功能来完成制冷剂循环。由于需要蒸发器功能，控制系统不选择空气冷却装置，因为这样的布置会使调节空气被迫进入调节空间。
在这种仅水加热操作模式中，减小的冷凝器容量使得空调系统从压缩机和蒸发器之间的制冷剂移除的热量小于空调模式。增加的制冷剂热量对应于制冷剂回路中增加的流动阻力，因此对应于增加的压缩机排出压力。取决于系统配置，这可能进而降低系统效率或可能抑制压缩机的操作，使得制冷剂流动换热器的使用不会发生或仅在短时间内发生。因此，在利用仅水加热模式的实施例中，压缩机76可以是变速压缩机，使得控制系统70可以在用换热器加热水但不调节空气时降低压缩机速度。例如，典型的住宅空调系统具有容量范围为16000至60000BTU/小时的压缩机。然而，在具有水加热的非空调模式中，控制系统70将降低变速压缩机以在较低容量下操作，例如，在典型的住宅配置中大约10000BTU/小时。如在上面讨论的空调/水加热操作模式中，处于仅加热水模式的控制系统70再次基于COP比较确定是否以及何时在用制冷剂换热器加热水和用热水器热源加热水之间切换。
在上述实施例中，制冷剂换热器盘管设置在系统冷凝器的下游。然而，在下面参照图8-13讨论的实施例中，换热器盘管设置在系统冷凝器的上游，在系统冷凝器和压缩机之间。在这些实施例中，换热器盘管减少了压缩机输出的热的气态制冷剂的热量(并经由PCM将该热量传递给热水器，如上面参照图14-19所述)，但它没有将制冷剂冷凝成液相。因为换热器盘管直接从压缩机接收热制冷剂，所以不必在冷凝器周围旁通压缩机输出，或者因此降低冷凝器风扇速度以促进这种旁通流动。也就是说，无论制冷剂换热器是否启用，系统冷凝器风扇都以正常速度操作。与上面关于图1-7描述的实施例相比，这倾向于提高系统效率。然而，在某些环境中，关于图1-7描述的实施例可以更方便地安装，特别是改型现有的空调系统。
图8示意性地示出了体现本发明的实施例的原理的空调/热水器系统110。系统110包括(1)空调系统112，其具有室外盘管单元114和室内盘管单元116，以及(2)相关的热水器118，其代表性地可以是燃气或电热水器。在图8中，空调系统112被布置成使得它可以在空气加热和空气冷却模式中交替地操作，并且因此也可以被描述为热泵。空调/热水器系统110的各种功能由示意性描绘的电子控制电路120(仅在图8中示出)控制，该电子控制电路120操作整个系统110的各种随后描述的部件。
室外单元114包括室外盘管122和相关联的风扇137和压缩机126。冷凝器盘管122和压缩机126如图所示通过制冷剂管路联接，其具有：管线部分130，在盘管122和转向阀140之间通过内部单元盘管134和膨胀阀160；管线部分131，在转向阀140和压缩机126之间，经由导热铜或铝管，其设置在热水器118的金属罐部分136内或周围的PCM填充容积内，并用作热水器118的制冷剂到PCM到罐水换热器138；以及管线部分132，在转向阀140与盘管122和压缩机126中的每一个之间。
除了转向阀190之外，室外单元114还包括电子控制调节阀142、室外盘管122的输入处的膨胀阀153(当从盘管122接收流出时被旁通)、电磁阀144和154、以及止回阀161。阀门154、144、142和140与电子控制系统120电连通，电子控制系统120控制这些阀门的致动，如本文所述。
现在转到图9，在空调/热水器系统110处于仅空气冷却模式的情况下，电子控制系统120(图8)在整个管路中设置阀154、144和140，使得压缩机126使从其排出的制冷剂经由管道部分131流懂到管道回路的入口点，该管道回路包括缠绕在热水器118的罐136周围的换热器138。电子控制系统120具有闭合闭的阀154和打开的阀144，使得从压缩机126流出的热的气态制冷剂旁通换热器138并直接流到转向阀140。控制系统120已设定转向阀140，使得转向阀经由管线132将该制冷剂流动引导至室外盘管122，室外盘管122如上所述与风扇137协作以冷凝制冷剂。制冷剂经由管线130(旁通膨胀阀163)离开盘管122并经由膨胀阀160进入室内盘管134。如上所述，并且应该理解，膨胀阀160降低盘管134中的制冷剂的压力，使得盘管134用作蒸发器。与盘管134相邻的空气处理器风扇135使空气流经盘管134并进入调节空间。如上所述，制冷剂在蒸发器盘管中从液体到气体的相变从该空气中吸取热能，从而使再循环空气以冷却调节空间。现在气态和较暖的制冷剂从盘管134经管道部分130流到转向阀140，转向阀140将气态制冷剂流动经由管道部分132引导回压缩机126，并且循环重复。
参考图11，当系统在如上关于图9所述的空气冷却模式下操作时，以及当热水器118的温度传感器(未示出)向电子控制系统120输出信号(其向电子控制系统120指示热水器水已经达到或低于存储在电子控制系统中的热水器的低设定温度)时，控制系统决定是否启用换热器或热水器热源，例如，如上所述基于COP比较，或默认为换热器。假设决定启用换热器，电子控制系统关闭阀144并打开阀154，从而启用制冷剂换热器138。转向阀140保持在与关于图9所讨论的相同的设定中。在这些条件下，从压缩机126输出的热的气态制冷剂经由管道部分131流动到热水器118的换热器138，旁通阀144，并最终经由止回阀流到转向阀140。制冷剂从转向阀流到室外冷凝器盘管122，然后流到膨胀阀160，室内盘管134，转向阀140，并返回到压缩机126，如上面参照图9所讨论的。
一旦电子控制系统致动使用换热器138或热水器热源，控制系统就连续评估数据集/COP比较。如果得到的比率低于1.0，则控制系统停用最初选择的热源并启用另一个热源。如上所述，系统110(换热器138启用的情况下)通常比上面关于图2或图5描述的系统更高效，因为在空调/水加热模式中不需要降低冷凝器盘管122的风扇速度。平衡正效率效应的是压缩机和热水器之间需要更长的制冷剂管线131，但这种效应通常会被制冷剂在行进通过换热器138时所经历的冷却效应引起的效率提高而被抵消甚至克服。因此，在大多数情况下，图11中所示系统的操作导致正系统效率比率，如与系统和热水器热源彼此独立地操作相比，与上面关于图2和图5描述的系统相比，热水器罐136中的水温升得更高。另外，由于热水器直接从压缩机126接收热气态制冷剂，而不需要将引导到换热器的制冷剂温度调节到较低的目标温度，如上文关于图2和5描述的，图11中所示的换热器可以将更多的热量传递给热水器，从而在更长的温度范围内保持对系统效率的正贡献。但是，如果从压缩机流到换热器138的制冷剂不能使罐水到达热水器的高温设定点，则效率比率较最终将有利于热水器热源的操作，导致系统停用热水器的热源并启用热水器的固有热源。也就是说，在这种情况下，热水器固有的热源总是使热水器水到达最终的高设定点，且换热器138用作预热器。电子控制系统120监测压缩机12的输出处的压力，并且如果监测的压力超过预定压力(由压缩机制造商提供或通过用户选择，例如在校准过程之后)，则控制系统120可以将阀142从关闭状态切换到打开状态，允许制冷剂流动通过管道部分145，旁通换热器138和冷凝器盘管122，到达蒸发器的较低压力。在一个实施例中，并且取决于压缩机容量，控制系统120可以在压缩机输出压力达到或超过550psi时选择性地打开比例阀142。如在本公开的上下文中将理解的，这降低了系统效率，因为它将来自传递的热量转移到热水器并降低蒸发器效率，因此计量阀142以使其影响最小化。
如果控制系统120通过手动或电子控制从空气冷却改变到空气加热模式，没有水加热并且参考图10，控制系统120关闭阀154，打开阀144，并设定转向阀140以经由管线130将制冷剂流动从管线131引导到室内盘管134，并经由管线132将制冷剂流动从盘管122引导经由管线132返回压缩机126。在操作中，热的气态制冷剂从压缩机126流过管线131和打开的阀144，由于关闭的阀154而旁通换热器138。转向阀140经由管线130将气态制冷剂引导到室内盘管134。盘管134用作冷凝器盘管，当空气处理器风扇135将空气移动到盘管上并进入调节空间时，将制冷剂冷却并冷凝至液相。再循环的建筑物空气在制冷剂冷凝时从其吸取热能，从而为调节空间提供加热效果。使盘管134离开管线130(并旁通膨胀阀160)，现在液体的制冷剂通过膨胀阀163流到盘管122。膨胀阀降低了制冷剂的压力，使室外盘管122充当蒸发器，其中制冷剂相变为气体，并通过室外单元风扇137从室外环境空气中吸取热能。现在温暖的气态制冷剂从盘管122流到转向阀140，转向阀140经由管线132将制冷剂流动引导回压缩机126，并且循环重复。
现在参考图12，当电子控制系统120从热水器水温传感器(未示出)接收到指示热水器水温已经低于热水器的低设定点的信号时，当空调系统处于如上关于图10所讨论的空气加热模式，控制系统120决定是否启用换热器或热水器热源，例如基于如上所述的数据集/COP比较，或默认为换热器。假设决定启用换热器，控制系统关闭阀144并打开阀154，从而通过在制冷剂流动回路中包括换热器及其管段131的相关部分来启用换热器138。如上所述，这使得热的气态制冷剂经由管道部分131从压缩机126流到并通过换热器盘管138，然后经由止回阀161转移到转向阀140。制冷剂从转向阀140流到室内盘管134，膨胀阀163，室外盘管122，转向阀140，再回到压缩机126，如上面关于图10所讨论的那样。
同样，当电子控制系统120从热水器水温传感器接收到指示需要水加热的信号时，电子控制系统可以最初启用制冷剂换热器138而不是热水器的固有热源，当空调时系统在空气加热模式或空气冷却模式下操作时，通过默认或通过COP比较。图9和11示出了从仅空气冷却模式到空气冷却/水加热模式的转换，而图10和12示出了从仅空气加热模式到空气加热/水加热模式的转换。继续讨论后一转换，一旦电子控制系统致动制冷剂换热器，电子控制系统此后连续监测进行制冷剂热水器的操作且不进行热水器的热源的操作的系统效率与停用制冷剂流动换热器138且启用热水器的固有热源的系统效率的COP比较。如果该比率在系统操作时降至1.0以下，则电子控制系统停用制冷剂流动换热器138(通过关闭阀154和打开阀144)，并启用热水器的固有热源。如在此描述的所有示例中，电子控制系统120继续监测水温输出信号，并且如果比率上升到1.0以上并且持续预定时间，将切换回制冷剂流动换热器的启用。当热水器水温上升到热水器的高设定点时，热水器热源可以通过热水器上的独立于电子控制系统120的控制系统停用，或者热源可以通过控制系统120停用。如上面关于空气冷却模式所讨论的，与热水器的高设定点相比，从冷却器126流出的制冷剂的温度也是限制因素。如果压缩机的输出制冷剂温度低于热水器的高设定点，则制冷剂流动换热器138始终是预热装置。如果压缩机制冷剂输出温度高于热水器高设定点，则制冷剂流换热器138可以使热水器完全达到其高设定点。
鉴于本公开内容将显而易见的是，制冷剂流动换热器138在空气加热/水加热模式下的操作，如关于图12所述，这导致在换热器138处从制冷剂流动中移除热量，否则可能在盘管134处移除热量以供给用于调节空间的调节空气。与在空气冷却/水加热模式下的系统的操作相比，这可能导致系统效率降低，从而导致制冷剂换热器在空气加热/水加热模式下的操作的持续时间短于空气冷却/水加热模式。
阀142在该模式下由控制系统120以与上面参考图9和11所讨论的相同方式操作。
参考图13，电子控制系统120从热水器水温传感器接收指示需要水加热的信号，当系统110不处于空气加热模式或空气冷却模式时，控制系统120将阀154、144和140设定为空气加热配置，如上面关于图12所讨论的，但是不启用空气处理器风扇135，因为没有来自室内恒温器的呼叫来向调节空间提供调节空气。如关于图12所述，制冷剂流过制冷剂回路。
同样，因为制冷剂换热器138直接从压缩机126接收热制冷剂气体，所以系统向热水器供热的能力在这种操作模式下仍然很高。然而，空气处理器风扇135的停用消除了冷凝器盘管134上的相应的气流，从而降低了系统从循环的制冷剂流动中移除热量的能力。这可能不期望地增加压缩机126的输出处的压力。在压缩机126是变速压缩机的情况下，控制系统将压缩机的输出改变到较低的水平，例如，10000BTU/小时。替代地，电子控制系统120打开旁通阀142。这使得来自压缩机126的热的制冷剂气体旁通换热器138和盘管134，并直接流到盘管122以返回压缩机126。如上所述，旁通阀142的打开可能进一步降低系统效率，从而增加切换到热水器启用的可能性。
应该理解，本系统可以以各种方式操作。例如，如上所述，关于图1-13描述的每个实施例可以基于使用制冷剂换热器时的系统效率与使用热水器的热源时的系统效率的比较来操作，并且依靠这种比较作为决定是否在整个热水器的热循环中使用换热器的决定性因素。然而，在另一实施例中，不依赖于效率比较，电子控制系统在从热水器温度传感器接收到指示需要加热水的信号时，致动制冷剂换热器盘管并维持换热器盘管启用，直到温度信号达到预定点。该预定的截止点可以通过交替地利用制冷剂流动换热器和热水器热源的系统效率的测试和比较来确定。也就是说，系统在每个替代布置下并且在类似的操作条件下操作。比较系统效率，并基于比较选择温度截止。此外，如本领域应当理解的，可以在热水器中的各个点处测量温度，并且在某些实施例中，电子控制系统响应在下部罐的下部所取的水温。
更进一步地，在上述空调和水加热系统的可选构造中，电子控制调节器阀可以用固定孔电磁阀代替，并且热制冷剂到热水器制冷剂到PCM到水换热器盘管的流动可以替代地使用室外或室内风扇速度控制器通过压缩机排放(压头)压力来调节，该室外或室内风扇速度控制器进而由水加热器罐中感测的水温控制。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以实施对本发明的特定实施例的修改和变化，本发明的精神和范围在所附权利要求中更具体地阐述。另外，应该理解的是，各种实施例的各个方面可以全部或部分地互换。此外，本领域普通技术人员将理解，前面的描述仅是示例性的，并不意图限制在所附权利要求中进一步描述的本发明。

Claims (29)

1.一种加热水的设备，包括：
第一罐，其限定用于储存水的第一内容积部；
至少一个第二罐，其限定与所述第一内容积部相邻的第二内容积部，使得在所述第一内容积部和所述第二内容积部之间传递热量，其中，所述第二内容积部与所述第一内容积部中的水隔离，且其中，所述第二内容积部包含相变材料；以及
空调系统，其包括穿过所述第二内容积部的制冷剂路径，其中，所述相变材料在所述第二内容积部内在所述制冷剂路径的大部分长度上围绕所述制冷剂路径。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述空调系统包括泵、响应于所述泵流过所述制冷剂路径的制冷剂、所述制冷剂路径从中穿过的蒸发器、以及空气处理器，所述空气处理器相对于所述蒸发器设置，使得当所述空气处理器移动与所述蒸发器连通的气流时，所述蒸发器调节所述气流。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述第二罐在所述第一罐内延伸。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述第二罐在所述第一罐的外部。
5.如权利要求2所述的设备，其中，所述制冷剂路径限定封闭的流动回路，并且限定所述制冷剂路径的一平行部分，该部分与所述制冷剂路径的穿过所述第二内容积部的部分平行，使得所述平行部分在所述封闭回路中旁通所述第二内容积部，且其中，所述设备还包括设置在所述制冷剂路径内的至少一个阀，其控制通过所述制冷剂路径的制冷剂流动，且可选择性地配置为交替地引导制冷剂流动通过所述第二内容积部或通过所述平行部分。
6.如权利要求5所述的设备，还包括与所述至少一个阀可操作地连通的控制器，且包括计算机可读介质，该计算机可读介质包含程序指令，该程序指令能够由所述控制器执行的程序指令，以选择性地配置所述至少一个阀引导冷却剂在冷却剂路径中流动通过所述第二内容积部或通过所述平行部分。
7.如权利要求5所述的设备，还包括：
至少一个传感器，其输出表示系统操作参数的信号；
控制器，其与所述传感器可操作地连通以接收所述信号；以及
计算机可读介质，其包含程序指令，该程序指令能够由所述控制器执行，以控制所述至少一个阀响应于所述信号选择性地允许或阻挡冷却剂流动通过所述第二内容积部。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述传感器包括恒温器，该恒温器能够操作为检测所述调节空间的空气温度，并向所述控制器输出对应于所述温度的信号。
9.一种加热水的设备，包括：
用于储存水的第一罐，其限定用于储存水的第一内容积部，并具有与所述第一内容积部可操作地连通的热源，使得所述热源对所述第一内容积部中的水供热；
至少一个第二罐，其在所述第一罐内延伸，且限定与所述第一内容积部相邻的第二内容积部，使得在所述第一内容积部和所述第二内容积部之间传递热量，其中，所述第二内容积部与所述第一内容积部中的水隔离，且其中，所述第二内容积部包含相变材料；以及
空调系统，包括：
空气处理器，其可致动以移动气流通过气流路径进入调节空间，
制冷剂路径，其穿过所述气流路径且穿过所述第二内容积部，
泵，其设置在所述制冷剂路径中，且可致动以移动所述制冷剂通过所述制冷剂路径，以及
制冷剂，其响应于所述泵流过所述制冷剂路径，
其中，所述相变材料在所述第二内容积部内在所述制冷剂路径的大部分长度上围绕所述制冷剂路径。
10.如权利要求9所述的设备，还包括：
控制器，其与所述第一罐、所述空气处理器和所述制冷剂部分可操作地连通，以及
计算机可读介质，其包含程序指令，该程序指令能够由所述控制器执行，以响应于所述第一罐中的水的温度致动所述热源，控制所述空气处理器的致动，以及控制通过所述制冷剂路径的制冷剂流动。
11.如权利要求10所述的设备，其中，
所述制冷剂路径限定封闭回路，并且限定所述制冷剂路径的一平行部分，该平行部分与所述制冷剂路径的穿过所述第二内容积部的部分平行，使得所述平行部分在所述封闭回路中旁通所述第二内容积部，
所述空调系统包括设置在所述制冷剂路径内的多个阀，其控制通过所述制冷剂路径的制冷剂流动，且所述空调系统可选择性地配置为交替地引导制冷剂流动通过所述第二内容积部或通过所述平行部分，所述空调系统还包括恒温器，其可操作为测量所述调节空间中的环境温度，并输出对应于所述调节空间中的环境温度的信号，以及
所述控制器与所述恒温器可操作地连通以接收所述信号，并且响应于该信号，所述程序指令能够由所述控制器执行，
在第一操作模式中，致动所述空气处理器移动所述气流通过所述气流路径，致动所述泵移动所述制冷剂通过所述制冷剂路径，并配置所述阀引导所述制冷剂流动通过所述第二内容积部，且
在第二操作模式中，致动所述空气处理器移动所述气流通过所述气流路径，致动所述泵移动所述制冷剂通过所述制冷剂路径，并配置所述阀引导所述制冷剂流动通过所述平行部分。
12.如权利要求10所述的设备，其中所述第二罐是大致圆柱形的，并且在所述大致圆柱形的第二罐的轴向方向上伸长。
13.如权利要求12所述的设备，其中穿过所述第二内容积部的制冷剂路径包括形成在所述第二内容积部内的盘管中的导管，其限定所述盘管的中心轴线。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述盘管的中心轴线与所述大致圆柱形的第二罐的轴线在所述轴向方向上在所述大致圆柱形的第二罐的长度的大部分上重合。
15.如权利要求10所述的设备，其中所述第二罐包括限定所述第二内容积部的相应部分的多个子结构，且穿过所述第二内容积部的制冷剂路径包括形成在所述第二内容积部的相应部分内的相应的盘管中的导管。
16.如权利要求10所述的设备，其中所述相变材料包括硬脂酸。
17.如权利要求10所述的设备，其中所述相变材料的熔点在约150℉至约160℉的范围内。
18.如权利要求10所述的设备，还包括与所述第一内容积部连通的至少一个传感器，其输出代表所述第一内容积部中的水的温度的信号，其中，所述控制器与所述传感器可操作地连通以接收所述信号，并且所述程序指令能够由所述控制器执行以响应于所述信号致动所述热源。
19.如权利要求10所述的设备，其中所述程序指令能够由所述控制器执行以控制所述热源的致动，以控制所述第一内容积部中的水的温度朝向预定设定点温度变化，且其中所述相变材料的固相到液相的转变温度高于所述预定设定点温度。
20.如权利要求10所述的设备，其中所述相变材料包括石蜡。
21.一种加热水的设备，包括：
第一罐，其限定在所述罐内的用于储存水的第一内容积部；
至少一个第二罐，其围绕所述第一罐的外部，且限定与所述第一内容积部相邻的第二内容积部，使得热量从所述第一内容积部传递到所述第二内容积部，其中，所述第二内容积部与所述第一内容积部中的水隔离，且其中所述第二内容积部包含相变材料；以及
空调系统，其包括穿过所述第二内容积部的制冷剂路径，其中所述相变材料在所述第二内容积部内在所述制冷剂路径的大部分长度上围绕所述制冷剂路径。
22.一种加热水的设备，包括：
第一罐，其限定用于储存水的第一内容积部；
至少一个第二罐，其限定与所述第一内容积部相邻的第二内容积部，使得热量在所述第一内容积部和所述第二内容积部之间传递，其中所述第二内容积部与所述第一内容积部中的水隔离，且其中所述第二内容积部包含相变材料；以及
导管，其穿过所述第二内容积部且延伸到所述第一罐和所述第二罐二者的外侧，其中，所述相变材料在所述第二内容积部内在所述导管的大部分长度上围绕所述导管。
23.如权利要求22所述的设备，其中所述第二罐在所述第一罐内延伸。
24.如权利要求22所述的设备，其中所述第二罐是所述第一罐的外部。
25.如权利要求22所述的设备，包括至少一个电加热元件，其延伸穿过所述第一罐的壁并进入所述第一内容积部中，使得所述电加热元件设置为向所述第一内容积部内的水提供热量。
26.如权利要求22所述的设备，包括邻近所述第一罐的壁设置的气体燃烧器，使得当气体被馈送到所述燃烧器时，所述燃烧器点火为所述第一内容积部内的水供热。
27.如权利要求26所述的设备，包括烟道管，烟道管从所述壁延伸穿过所述第一内容积部。
28.如权利要求27所述的设备，其中所述烟道管延伸穿过所述第一内容积部且穿过所述第二内容积部。
29.一种加热水的方法，包括：
提供第一罐，其限定用于储存水的第一内容积部；
提供至少一个第二罐，其限定与所述第一内容积部相邻的第二内容积部，使得热量在所述第一内容积部和所述第二内容积部之间传递，其中所述第二内容积部与所述第一内容积部中的水隔离，且其中所述第二内容积部包含相变材料；
提供空调系统，其包括穿过所述第二内容积部的制冷剂路径，其中所述相变材料在所述第二内容积部内在所述制冷剂路径的大部分长度上围绕所述制冷剂路径；以及
移动制冷剂通过所述制冷剂路径，包括穿过所述第二内容积部。
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