CN1910416B - 高能量效率的热泵热水器、加热方法及温度控制器 - Google Patents

高能量效率的热泵热水器、加热方法及温度控制器 Download PDF

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Abstract

一种能量效率高的热泵热水系统，可根据两个门槛值通过解读一个或多个温度传感器的读数确定热泵是否激发。如果探测到温度下降到低于第一门槛值时使热泵激发，当探测到温度上升超过第二门槛值时使热泵去激发。门槛值可对应于两个或多个传感器的输出。使用多个温度门槛值可改进系统的温度探测能力，因此通过比已知系统更严密地与热水要求配合进行热泵操作，提高了能量效率。

Description

高能量效率的热泵热水器、加热方法及温度控制器
技术领域
本发明涉及一种热水器，具体涉及热泵热水器。 
背景技术
热水加热器可监控水温，以确定什么时候水需加热以保持选定的水温。采用热泵来加热水的加热器可根据测量的温度来激发(即启用)和去激发(即停用)热泵。如果温度下降到低于选定的门槛值(即阈值)，热泵可受激发重新加热水。当对热水的要求下降时，热泵可去激发。热泵的操作应精确遵循热水需求，以保证最大的热效率。 
水在容器中倾向于分层，热的水位于容器的顶部靠近热水出口管，冷水位于容器的底部靠近冷水入口管。热泵加热的水储存在容器的顶部，提供了可通过输出管输出的另外的水。温度计可设置在出口管，入口管和/或可将水输送到热泵的水泵，以确定是否激发热泵，但是水在容器中分层使得通过测量管的温度得到的温度读数难以精确地反映容器中水的温度。尽管可以在测量温度前通过使热泵和容器去激发使水环流以消除分层，这样将冷水送到位于容器顶部的热水，使得整个水温不希望地下降，并可能要求激发热泵，即使原来容器顶部已经有足够的热水来满足需求。因此，对容器中水的分层进行扰动被认为是不希望的。 
可以在热水出口管设置温度传感器，因为其温度反映了将输出到用户的水的温度。但是如果长时间没有对热水的需求，容器中的水温将低于出口管的水温。尽管流过出口管的水反映容器中的水温低时热泵可激发，容器中的大量水使得要等待较长时间，即觉察到温度下降的时间和水足够热可供使用的时间之间的间隔时间。此外，目前已知系统不能提供温度读数，其对容器中的未用热水的温度有足够相关 性，可精确指示热泵是否应受激发。 
希望一种系统，可提供相关的精确温度信息，以确定是否对热泵进行激发，提高能量效率。 
发明内容
本发明涉及一种高能量效率的热泵热水系统。在一个实施例中，系统根据两个门槛值解读读数，确定是否对热泵激发，其中读数基于一个或多个策略设置的温度传感器。如果检测到温度低于第一门槛值，热泵受激发，当检测到温度上升超过第二门槛值，对热泵去激发。在一可选实施例中，门槛值对应于两个或多个传感器的输出；例如，热泵可在第一传感器的读数低于第一门槛值时受激发，在第二传感器的读数超过第二门槛值时去激发。使用多个门槛值可改进系统的温度感应能力，因此通过使热泵操作比现有系统更严密地配合热水需求，提高了能量效率。 
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的热泵热水器的示意图； 
图2是根据本发明一个实施例的热泵控制过程的流程图； 
图3是根据本发明的另一实施例的热泵控制过程的的流程图。 
具体实施方式
图1是根据本发明的一个实施例的热泵热水器100的示意图。在图示的实施例中，加热器100包括水容器102，其连接热泵104。水在容器102和热泵104之间通过管路循环，管路包括容器入口管106和容器出口管108。容器入口管106输送热泵104加热的热水，储存在容器102的顶部，而容器出口管108引导容器102底部的冷水到达热泵104进行加热。 
除了在容器102和热泵104之间引导水的管路，其他管路包括连接热泵热水器100到外部系统的管路。在这个示例中，冷水容器入口 管110提供来自外部源(未显示)的冷水到容器102的底部，最终受到热泵104加热。位于容器102顶部的热水容器出口管112从容器排出热水，供使用。 
热泵104本身包括水泵114和热交换器116。热泵104可使用超临界蒸汽压缩循环，如果需要，可使用适当的制冷剂，如二氧化碳。尽管水泵114在这个实施例中显示出位于容器出口管108的路径上，水泵114还可位于容器入口管106，这未脱离本发明的范围。水泵114泵送水通过热交换器116，进行吸热。一旦泵送的水通过热交换器吸收到热量，通过容器入口管106输送到容器102储存。控制器118控制热交换器116的激发和去激发，在图示实施例中，控制器118独立控制水泵114和热交换器116的操作，如果需要，可使得水可通过水泵114循环，而热交换器116去激发。 
一个或多个温度传感器设置于加热器100，监控容器102中的水温，根据水温是否需要上升和根据热水需求激发或去激发热泵104(即激发/去激发水泵114和热交换器116)。 
为了避免容器102中水分层和因长时间不用容器102中水冷却导致的无关水温测量，容器温度传感器120设置在容器102的大致中点或位于容器102的其他希望位置。在容器102设置温度传感器120可直接测量容器中的水温，使得温度读数相关于是否操作热泵104，无须使水再循环通过热水器100。具体地，与管路106，108，110，112的水温相比，容器102的水温可提供更好的指示，是否容器中的水需要加热，即使存在容器102中不同水温的分层作用。 
容器温度传感器120向控制器118提供温度读数。在一个实施例中，控制器118用预定的第一门槛值评估温度读数，如果温度下降低于第一门槛值，激发热泵104，表示容器104水温不高，不能满足热水要求。用两个单独的门槛值评估水温提供了更精确的热水需求指示，不要求冷水再循环进入容器顶部的热水。结果是，热泵104只响应热水需求进行操作，再循环扰动分层时不操作。 
为了对热泵操作进行进一步的控制，当温度读数达到第二门槛值时，控制器118可指示热泵104去激发。温度读数可从容器温度传感器120或从另外的系统的温度传感器获得。如果容器温度传感器120根据第一和第二门槛值进行评估，如果温度下降低于第一门槛值时可简单激发热泵104，当温度达到第二门槛值时去激发。 
在另一实施例中，第二门槛值可用于评估设置在容器入口管106的容器入口温度传感器122的温度读数，温度传感器测量进入容器102顶部的储存热水的温度。然后根据系统100的加热能力和通过系统100的水流量，用该温度读数评估容器出口管108的水温，例如，可使用下面的关系式： 
加热能力＝K×水流量×(入口管温度-出口管温度) 
其中K是水的比热。使用一个传感器和计算出其他位置的估算水温使得系统使用较少的传感器。 
或者，可包括容器出口温度传感器124，其可以是靠近容器104底部的温度传感器，来直接测量容器出口管108的水温。使用两个传感器，一个靠近容器102的顶部，一个靠近容器102的底部或沿着容器出口管108，可比一个传感器提供更大的对热泵操作的控制，因为靠近容器102顶部的传感器用于决定何时热泵工作，而容器102底部附近的或位于容器出口管108的传感器可用来决定何时热泵停止工作。与传感器的具体位置无关，当水泵114工作和使水通过系统时，应当测量给定管路的水温以得到最相关的读数。 
图2显示了根据本发明的一个实施例以所述方式控制热泵的方法。在这个实施例中，容器温度传感器120监测容器温度，发送温度读数到控制器118(框200)。控制器118检查容器温度读数是否下降低于第一门槛值(框201)。如果是，热泵激发(框202)加热循环通过热泵的水。加热的水与容器104中的较冷水混合时，使得容器104的整体水温逐渐上升。然后监测流过容器入口管106的热水的温度(框204)。根据系统的加热能力和水流量，如前面的说明，将温 度读数用于计算容器出口管108的水温(框206)。温度计算的精度取决于能力和流量值与系统的实际操作特征配合的紧密程度。如果计算的容器出口管温度达到第二门槛值(框208)，表示热水温度已经满足热水要求，热泵104去激发(框210)，直到容器水温又下降到低于第一门槛值。 
或者及另外，系统可直接评估容器出口管108的温度读数。图3显示了根据本发明的另一实施例的方法。在这个实施例中，容器出口管108的水温直接由容器出口温度传感器124监测，因此可减少如前面实施例那样对容器出口管温度的评估的必要性。在这个实施例中，如果容器出口管106的温度到达第二门槛值，该方法简单地对热泵104去激发(框220)。 
因此，本发明只在需要时激发热泵104，提高了能量效率。通过测量容器中某点的水温，通过用两个门槛值评估水温，本发明避免了不必要的循环和再加热，改进了能量效率，同时能精确地响应热水需求。 
应当指出，对文中介绍的本发明的实施例进行的各种变化在实施本发明时可以采用。希望下面的权利要求限定本发明的范围，在权利要求及其等效体范围内的方法和装置包括其中。 

Claims (8)

1.一种流体加热系统，包括：
热泵；
容器；
容器入口，可传输来自热泵的流体到所述容器；
容器出口，可传输来自容器的流体到所述热泵；
容器温度传感器，可测量容器中的流体温度；
容器入口温度传感器；和
控制器，可根据第一门槛值、比第一门槛值高的第二门槛值，和来自容器温度传感器的至少一个输出，来控制热泵，其中，当容器温度传感器输出下降至低于第一门槛值时，控制器激发所述热泵，
其中，基于所述容器入口温度传感器输出的值是根据容器入口温度、系统能力和流量的输出而计算出的估算容器出口温度，如果该估算容器出口温度达到第二门槛值，则所述控制器使热泵去激发。
2.根据权利要求1所述的流体加热系统，其特征在于，所述热泵使用超临界蒸汽压缩循环。
3.根据权利要求1所述的流体加热系统，其特征在于，所述热泵使用二氧化碳作为制冷剂，进行超临界蒸汽压缩循环。
4.根据权利要求1所述的流体加热系统，其特征在于，所述容器温度传感器设置在容器中点部分。
5.一种用于流体加热系统的流体加热方法，包括：
测量容器温度；和
根据第一门槛值、高于第一门槛值的第二门槛值，和至少容器温度，来控制热泵，其中当容器温度下降低于第一门槛值时，所述热泵受激发，
测量容器入口温度，其中，基于容器入口温度的值是根据容器入口温度、系统能力和流量而计算出的估算容器出口温度，如果该估算容器出口温度达到第二门槛值时，则使热泵去激发。
6.一种流体加热系统的流体温度控制器，包括：
热泵；
容器温度传感器，可测量容器中的流体温度；和
控制器，可根据第一门槛值、比第一门槛值高的第二门槛值，和至少一个容器温度传感器的输出，来控制热泵，其中当容器温度传感器输出下降低于第一门槛值时，控制器激发所述热泵；
容器入口温度传感器，其中，基于所述容器入口温度传感器输出的值是根据容器入口温度、系统能力和流量输出而计算出的估算容器出口温度，如果该估算容器出口温度达到第二门槛值，则所述控制器使热泵去激发。
7.根据权利要求6所述的流体温度控制器，其特征在于，所述热泵使用超临界蒸汽压缩循环。
8.根据权利要求7所述的流体温度控制器，其特征在于，所述热泵使用二氧化碳作为制冷剂，进行超临界蒸汽压缩循环。
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