CN1224144A - 控制热泵系统中辅助热量的方法与设备 - Google Patents

Abstract

一种用于控制添加至从一室内盘管流到包括具有引入由室内盘管提供的热量的第一设置点和引入由辅助加热装置提供的附加热量的第二设置点的一室内恒温器的一热泵系统的一供气管的气流的辅助热量的方法与设备。辅助加热件包括加热从室内盘管流到供气管的空气的一输出可调加热件。在介于室内盘管与辅助加热装置间的一位置上确定由室内盘管加热的气流输出温度。根据该温度可选择地给输出可调加热件通电,这与室内恒温器的第二设置点无关。

Description

控制热泵系统中辅助热量的方法与设备

本发明涉及一种用于控制一热泵系统中辅助热量的方法与设备，其中，将一可控加热件与室内风扇盘管结合使用以加热供应的空气，并根据空气流出该室内风扇盘管的温度初步控制该可控加热件，大致与在室内恒温器(thermostat)上所感应的温度无关。空气流出室内风扇盘管的温度可被直接感应、或者根据所感应的外部环境温度来预测。

热泵系统使用一致冷剂以便在一循环回路的相对较热侧与该回路的相对较冷侧之间输送热能，在较热侧，一压缩机压缩致冷剂以升高其温度；而在较冷侧，该致冷剂被膨胀，从而使其温度下降。由于介于致冷剂与室内以及室外空气之间的温差，热能被分别加入到位于回路一侧上的致冷剂内，并被从位于另一侧上的致冷剂中抽出，以便将室外空气作为一热能源来利用。

使用在住宅加热及冷却中的热泵是双向的，其中适当的阀以及控制装置可选择地引导致冷剂流过室内和室外热交换器，以便室内热交换器位于致冷剂循环回路的热侧上用于加热；以及位于冷侧上用于冷却。一循环风扇使室内空气流过室内热交换器，并流过通向室内空间的管道。返回管道从室内空间中抽出空气，并将该空气再带回至室内热交换器。一风扇同样使周围空气流过室外热交换器，并将热量释放到室外空气内，或者从室外空气中抽出可得到的热量。

只有在相应的热交换器处的致冷剂与空气之间存在着充分的温差时，这些类型的热泵系统可运行以持续输送热能。对于加热，倘若介于空气与致冷剂之间的温差使可得到的热能大于运行压缩机和相应的风扇所需的电能，则热泵系统是有效的。温差通常足以进行有效地冷却，甚至在炎热的日子里。然而，对于加热，当室外气温低于大约25°F时，热泵系统可能无法从室外空气中抽出足够的热量以补偿由于从建筑物到室外的热对流、热传导及热辐射而从此空间损耗的热量。

当热泵无法向建筑物提供足够的热量(即，室外温度低于介于建筑物负载与热泵容量之间的平衡点)时，在位于自室内热交换器/盘管下游的供气管内提供一辅助加热件以提供所需的附加热量，用以维持想要的室内气温。该辅助加热的启动一般由一室内恒温器控制，居住者用恒温器设置一由运行加热系统将在该空间维持的所需温度。

传统的热泵控制系统采用一种二级加热/一级冷却室内恒温器。当来自恒温器的第一次要求加热时，使热泵压缩机及风扇动作，以便在室外抽取热量，并在室内释放热量。热泵将空气施加给建筑物(一般在大约80°F)，直到室内温度达到恒温器的设置点(即，第一设置点)，然后停止工作。倘若建筑物的热量损耗大于热泵容量，这在室外温度下降时发生，则无法由热泵将室内气温升至想要的温度。于是，室内温度连续下降。

室内恒温器具有一第二切换装置，该装置的运行温度略低于第一切换装置操作的想要的运行温度。通常，当室温降至由恒温器所设定的第二设置点时，向辅助加热件提供功率。该辅助加热件提供所需的附加热量，以便将室内温度升至第二设置点温度(供气温度一般为大约125°F)，然后，热泵单独工作，以便向建筑物提供热量，直到其达到第一设置点。

然而，如美国专利5,367,601号中所述，传统的二级加热控制引起热泵系统放入到建筑物中的供气温度大范围的起落。该大范围的温度起落(例如，80°F至125°F)会令居住者感到不舒服，并且不利于热泵系统的效率。在用以改善居住者舒适感的一次尝试中，‘601专利提出一种控制系统，它提供一种通过感应供气温度，然后连续地控制辅助加热的接通/切断状态所进行的对辅助加热运行的严密(closer)控制。虽然此项提议在将供气温度维持在某一数值上有了较大进展，但是它至少具有两个显著缺点。

第一，只有当已存在来自室内恒温器的第二次要求加热时方可采用该辅助加热。由于在第一级加热期间从未给辅助加热通电，因此这很难将供气温度维持在一恒定的预定值上。

第二，安装热泵的技术人员必须将温度传感器设置在建筑物管道结构的供气管内。传感器位置的变化会导致温度感应精确度的变化，接着会导致控制器对辅助加热的错误控制。

美国专利4,141,408号也揭示了用于控制一热泵系统中辅助加热的控制装置。该专利提出采用设置在室内盘管上的诸传感器来测量空气流出盘管时的温度。这些传感器与闭合用以操作一个或者两个输出固定加热件的继电器相连。由于不存在用于在第一级加热期间操作辅助加热件的装置，因此该系统无法防止供气温度中大范围的起落。还不存在用于精确地控制加热件操作的装置，这些加热件只是根据传感器所感应的温度简单地接通和切断。

美国专利5,332,028号也揭示了一种热泵系统，它具有在除霜操作期间应用于供应的空气的辅助热量，用以避免当热泵运行在除霜操作时的一种“冷吹”状态。该专利提出在除霜期间根据所感应的供气温度来接通一辅助加热件，并且在除霜期间必须将供气温度值维持在一令人舒适的数值上时，相应地在诸阶段提供附加热量。然而，该系统也需要安装技术人员设置供气温度传感器，并因此遭受上述相同的缺点。并且不存在用于精确地控制辅助加热件以避免上述大范围的供气温度起落的装置。此外，为了始终确保一恒定的供气温度，在第一级加热期间不操作辅助加热件。

因此，本发明的一个目的在于通过精确地控制辅助加热件将来自于一热泵系统的供气温度维持在大致恒定的数值上，同时相对于位于室内盘管下游的温度传感器的位置避免安装误差的可能性。

本发明提供一种用于通过精确地控制施加给从一室内盘管流至热泵系统的一供气管的空气的辅助热量以维持一热泵系统内大致恒定的供气温度的方法与设备。此类热泵系统包括具有用于引入(initiate)由室内盘管所提供的热量的一第一设置点和用于引入由辅助加热装置所提供的附加热量的一第二设置点的一室内恒温器。该方法包括以下步骤：提供位于室内风扇盘管的下游、用于加热从室内盘管流到供气管的空气的一输出可调加热件。一建立在微处理器上的控制器感应室外气温、或者感应在介于室内盘管与输出可调加热件之间的一位置上由室内盘管所加热的气流的盘管输出温度，然后，根据所感应的温度可选择地给输出可调加热件通电，这与室内恒温器的第二设置点无关。倘若仅仅靠输出可调加热件不能协助室内盘管将供气温度维持在一预定的基础温度上，则还可采用一个或者多个输出固定加热件。

发明者在认识到下列情况下开始了本发明，为了将供气温度维持在一预定的基础温度上、比方说105°F，当热泵系统仅仅运行在第一级(即，响应来自室内恒温器的第一要求)中时，有时需要将辅助热量添加至供应的空气。发明者还认识到，采用输出固定加热件，即使是在热泵工作的第一级中使用，也常常将过多的热量施加给供应的空气，由此导致了由已有系统所经历的大范围温度起落问题。

本发明通过在热泵运行的第一级期间采用一与室内盘管相结合的输出可调加热件克服了这个问题。给该输出可调加热件以动力，与室内恒温器的第二设置点无关，在给输出可调加热件通电之前，不必存在来自恒温器的对辅助热量的要求。这样，可在由室内盘管所施加的第一级加热的同时给该输出可调加热件以动力，以便将供气温度维持在一大致恒定的预定的基础温度上(例如，105°F)。倘若对输出可调加热件的要求超出其输出能力，则还可一次一个地给输出固定加热件通电，以便满足建筑物负载。另外，倘若该负载使得恒温器要求辅助热量，则倘若必要的话，可停止输出可调加热件的操作，以便可将满功率施加给满足来自恒温器的第二要求所需的许多的辅助加热件(包括输出可调加热件)。

本发明还通过采用设置在室内空气盘管的下游侧上的一在工厂安装好的传感器、或者采用一室外传感器克服了上述传感器定位问题。在任何一种情况中，由于对安装者而言，不必将传感器设置在位于要加热的建筑物的供气管道结构中的一精确位置上，因此不会将校准误差引入到该系统中。

通过结合本发明的一较佳实施例的附图来阅读下文中的详细描述将更好地理解本发明的这些以及其它目的。

图1是安装有本发明的一种热泵系统的一室内盘管部分的立体图；

图2是安装有本发明的一种热泵系统的电加热组件部分的立体图；以及

图3是用室外温度与供气温度示出了热泵容量与建筑物负载需要量的一曲线图。

现在请参阅图1，如图所示，本发明总地由标号10表示，其中装有具有一回气通风系统(plenum)12、一供气通风系统13和一鼓风机电动机组件14的一室内盘管部分11，它用于将空气抽到回气通风系统12中、并借助供气通风系统13再将该空气输送到被调节的空间内。一室内盘管16设置在该系统中，并具有流过其中进行循环的致冷剂，当该致冷剂通过该系统循环时，它冷却或者加热通过盘管16的空气。在冷却模式中，该室内盘管16用作为一蒸发器，以便从室内空气中去除热量；而在加热模式中，则用作为一冷凝器，以便将热量提供给室内空气，在除霜模式期间，该系统从加热模式切换至冷却模式，以使来自于室内空气的热量由致冷剂输送至室外盘管，以便于其除霜。

一电加热组件17位于鼓风机电动机组件14的正下游。通常，在低(例如，32°F以下)室外温度的条件下，组件17中的电阻加热件被通电以辅助热泵。在除霜模式期间也使用该组件，在为了室内盘管的除霜而从回气中去除热量的同时，加热输送至被调节的空间的空气。根据本发明，在热泵运行的第一级(即，当通常单独使用室内盘管以提供被加热的供应的空气时)期间，也操作该组件。本发明的这个方面将在下文中更详细地加以说明。

一建立在微处理器基础上的控制器18用于根据从一室内恒温器(图中未示出)和一温度传感器19、例如一热敏电阻等所接收的信号来控制整个热泵系统。热敏电阻19起到感应流出室内盘管的空气的温度的作用。热敏电阻19还可用于感应室内空气的温度，并且在两种情况下，在热泵运行期间，借助于导线21将那些温度信号提供给控制器18。

室内盘管16与一标准闭环致冷回路相连，该回路包括一压缩机22、一四通阀23、具有一风扇26的一室外盘管24以及膨胀阀27和28。该四通阀23由控制器18可选择地操作，以便在相应的冷却、加热、或者除霜模式中起作用，其中膨胀阀28起到测量流到室内盘管16的流量的作用，或者膨胀阀27起到测量流到室外盘管24的致冷剂流量的作用。控制器18可选择地操作压缩机22以及风扇26。

图2中更详细地示出了电加热组件17，它包括借助由控制器18控制的一继电器(图中未示出)与一对电源导线31相连的若干电阻加热件29。这些加热件29向后延伸至供气通风系统13，并由若干图中所示的支撑杆32垂直支撑。各加热件较佳地额定为5KW，也可采用其它的额定元件。其中一个加热件是以低到100W的增量从0直到5KW可调。其余的元件、较佳地达三个附加元件全都较佳地确定在相同的输出额定级上。图2仅仅描绘了一种二件式配置。

图3示出了室外温度与供气温度的关系曲线，并包括表示热泵容量(由热泵系统自身的参数所决定)的曲线HPC以及表示建筑物加热需要量(建筑物负载)的曲线BL。图3示出了当室外温度降低时，热泵容量减小，而建筑物负载增加，两者基本呈线性。平衡点即两线的交叉点。通常，热泵系统的第一级一般被用来服务于位于平衡点上方的室外温度下的负载需要，而将第二级加热(辅助加热)添加到位于平衡点下方的室外温度下的系统的供应的空气。图3中所描绘的系统的平衡点约为34°F。

为了维持一基本供气温度、比方说105°F(由图3中的水平线BT表示)，本发明可选择地控制以下式为基础施加给输出可调加热件的功率：

       kW=常数(Constant)×CFM×(T2-T1)

式中：T2是供应的空气的目标基本(target base)温度(BT)，

       T1是流出室内盘管的气温，以及

       CFM是流过系统(已知具有某些风扇型号以及近似具有其它风扇型

       号)的气流。

(该常数简单地确保了各种单元之中的一致性(reconciliaton)。)当在室内盘管的输出处感应到T1时，该读数被直接使用到上式中。然而，当感应室外温度时，T1是通过从图3所示的曲线中用外插法(extrapolation)所预测的。这可采用众所周知的查寻技术完全在控制器18内完成。

根据本发明并参阅图3，控制器定期要求传感器19感应一温度读数(T1)。然后，该控制器计算出必须由输出可调加热件所施加的kW功率量。倘若已有来自室内恒温器的用于第一级加热的一要求，但是T1等于T2，则该系统将仅仅循环第一级加热，如图3所示曲线中的HP ONLY部分所示。然而，倘若T1小于T2，则该控制器将采用上式计算出要施加给输出可调加热件的功率量，然后，采用一固态继电器来控制施加给输出可调加热件的功率。

现在将借助例子来说明将功率施加给输出可调加热件的较佳方法。比方说所计算的用于输出可调加热件的功率需要量为2kW，并且输出可调加热件的额定满功率为5kW。这意味着需要输出可调加热件的满功率的40％来将T1升至基本温度T2(BT)。功率在固定数目的线循环、例如假定一百个线循环上被施加给输出可调加热件。倘若计算确定输出可调加热件需要40％的功率，则将功率接通至用于四十个线循环的元件，然后切断用于六十个线循环的元件。这样就产生了来自输出可调加热件的必要的2kW输出量。只要控制器感应(通过传感器19)到T1小于T2，就连续地重复将功率施加给可调加热件的循环过程。

较佳地，为精确地控制供气温度，施加给输出可调加热件的功率递增变化，比方说增量低到满功率的2％。因此，倘若第一次感应T1需要40％的功率，但是T1在下一读数循环中下降了，并且此刻控制器计算出需要45％的功率(即，2.25kW)来将T1升至T2，则施加给输出可调加热件的功率要增加5％(即，分别连续地接通四十五个线循环和切断五十五个线循环)直到T1等于T2。虽然用本发明可实现2％的增量，或许5％满功率的增量是处理T1波动所需的低增量。

倘若计算出的功率超过输出可调加热件的额定输出量(例如，5kW)，则其中一个附加的输出固定加热件(例如，各为5kW)将由控制器通电，并且施加给输出可调加热件的功率将连续地变化以满足超出5kW的功率要求。

输出可调加热件较佳地由一固态继电器接通和切断，而采用机电继电器来接通和切断其余的元件。该固态继电器由一安装在控制器18内的继电器驱动器电路所驱动。该固态继电器具有零交叉电路，只有当线循环经过零伏时，该电路接通和切断输出可调加热件。这样，一半的线循环的通/断延迟将用于加热件的最少时间限制到两个线循环。在一加热件额定为5kW并运行在一种一百线循环时间基础上的情况下，因此最低功率输出量将为100W。

在图3中与热泵容量线平行的局部线F1、F2和F3示出了接通固定5kW加热件的作用。三角形阴影区域R1表示通过如上所述对输出可调加热件提供功率所得到的附加容量。三角形阴影区域R2表示一第一附加固定5kW加热件由控制器通电的同时、对输出可调加热件提供功率所得到的附加容量。这些区域R1和R2由BT温度线(图3中为105°F)所限制。BT线与BL和HPC线的交点限定了室外温度的范围，输出可调加热件(区域R1)以及、倘若必要的话、其中一个附加的输出固定加热件(区域R2)在该范围中与由室内盘管所提供的第一级加热一起进行循环地通电。在BT线与BL线的交点的左侧，热泵容量低，以至于为了满足建筑物负载要求，系统连续地运行室内盘管，并循环多个加热件(包括输出可调加热件，如阴影区域R3、R4和R5所示)。

根据本发明，无论是在第一还是第二级加热期间，通过将一输出可调加热件与诸附加的输出固定加热件结合起来使用，可将供气温度维持在一大致恒定的温度上。

因此，通过采用一位于室内盘管下游侧上的在工厂安装好的温度传感器或者一流行的室外温度传感器可避免由安装者产生误差的可能。

Claims (17)

1．一种控制施加给从一室内盘管流到一热泵系统的一供气管的气流的辅助热量的方法，所述类型的所述热泵系统包括具有用于引入由所述室内盘管所提供的热量的一第一设置点和用于引入由辅助加热装置所提供的附加热量的一第二设置点的一室内恒温器，所述方法的特点在于下列步骤：

提供位于所述室内盘管的下游、用于加热从室内盘管流到所述供气管的空气的辅助加热装置，所述辅助加热装置包括一输出可调加热件；

在介于室内盘管与所述输出可调加热件之间的一位置上确定由室内盘管所加热的气流的盘管输出温度；以及

根据所述盘管输出温度可选择地给输出可调加热件通电，这与室内恒温器的所述第二设置点无关。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述盘管输出温度是由设置在所述室内盘管与所述输出可调加热件之间的温度感应装置所确定的。

3．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述盘管输出温度是通过根据一来自于室外温度感应装置的读数进行预测所确定的。

4．如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述盘管温度下降到所述供气的一预定的基础温度以下时，所述输出可调加热件被通电。

5．如权利要求4所述的方法，其特征在于，其特点还在于下列步骤：计算出以所述盘管输出温度为基础的要施加给所述输出可调加热件的功率量，然后可选择地给输出可调加热件通电，以便将所述供气温度升至所述基础温度。

6．如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述输出可调加热件具有一最大输出量，计算出要施加给输出可调加热件的所述功率量作为所述最大量的第一百分比，并且为了以时间为基础的百分比在数值上等同于所述第一百分比将功率循环地施加给输出可调加热件。

7．如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述输出可调加热件具有一最大输出量，以计算步骤中所算得的功率量为基础递增地改变施加给输出可调加热件的功率量。

8．如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述辅助加热装置还包括至少一输出固定加热件，当在所述计算步骤期间所算得的功率量超出预定数值时，除了给所述输出可调加热件通电之外，还给所述输出固定加热件通电。

9．一种热泵系统，其中：

具有相关风扇的室外和室内热交换盘管；

一压缩机；

一膨胀装置；

为在加热、冷却以及除霜运行模式之间进行选择使致冷剂流动转向的装置；

用于加热从所述室内盘管流到一供气管的气流的辅助加热装置，所述辅助加热装置包括一输出可调加热件；

具有用于引入由室内盘管所提供的热量的一第一设置点和用于引入由辅助加热装置所提供的附加热量的一第二设置点的一室内恒温器；

用于在介于室内盘管与辅助加热装置之间的一位置上确定由室内盘管所加热的气流的盘管输出温度的装置；以及

用于根据所述盘管输出温度可选择地给所述输出可调加热件通电、而这与所述室内恒温器的所述第二设置点无关的控制装置。

10．如权利要求9所述的热泵系统，其特征在于，所述用于确定所述盘管输出温度的装置的特点在于设置在所述室内盘管与所述输出可调加热件之间的温度感应装置。

11．如权利要求9所述的热泵系统，其特征在于，所述用于确定所述盘管输出温度的装置的特点在于室外温度感应装置，并且盘管输出温度是根据一来自于室外温度感应装置的读数所预测的。

12．如权利要求9所述的热泵系统，其特征在于，当所述盘管输出温度下降到所述供气的一预定的基础温度以下时，所述输出可调加热件被通电。

13．如权利要求12所述的热泵系统，其特征在于，用于计算出以所述盘管输出温度为基础的要施加给所述输出可调加热件的功率量的装置，并且所述控制装置可选择地给输出可调加热件通电，以便将所述供气温度升至所述基础温度。

14．如权利要求13所述的热泵系统，其特征在于，所述输出可调加热件具有一最大输出量，所述计算装置计算出要施加给输出可调加热件的功率量作为所述最大量的第一百分比，并且所述控制装置为了以时间为基础的百分比在数值上等同于所述第一百分比将功率循环地施加给输出可调加热件。

15．如权利要求13所述的热泵系统，其特征在于，所述输出可调加热件具有一最大输出量，并且所述控制装置根据由所述计算装置所算得的功率量递增地变化施加给输出可调加热件的功率量。

16．如权利要求13所述的热泵系统，其特征在于，所述辅助加热装置的特点还在于至少一输出固定加热件，当由所述计算装置所算得的功率量超出一预定数值时，除了给所述输出可调加热件通电之外，所述控制装置还给所述输出固定加热件通电。

17．如权利要求10所述的热泵系统，其特征在于，所述温度感应装置是靠近与所述室内盘管相关的所述风扇设置的一热敏电阻。

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