專利名稱：控制熱泵系統中輔助熱量的方法與設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于控制一熱泵系統中輔助熱量的方法與設備，其中，將一可控加熱件與室內風扇盤管結合使用以加熱供應的空氣，并根據空氣流出該室內風扇盤管的溫度初步控制該可控加熱件，大致與在室內恒溫器(thermostat)上所感應的溫度無關。空氣流出室內風扇盤管的溫度可被直接感應、或者根據所感應的外部環境溫度來預測。
熱泵系統使用一致冷劑以便在一循環回路的相對較熱側與該回路的相對較冷側之間輸送熱能，在較熱側，一壓縮機壓縮致冷劑以升高其溫度；而在較冷側，該致冷劑被膨脹，從而使其溫度下降。由于介于致冷劑與室內以及室外空氣之間的溫差，熱能被分別加入到位于回路一側上的致冷劑內，并被從位于另一側上的致冷劑中抽出，以便將室外空氣作為一熱能源來利用。
使用在住宅加熱及冷卻中的熱泵是雙向的，其中適當的閥以及控制裝置可選擇地引導致冷劑流過室內和室外熱交換器，以便室內熱交換器位于致冷劑循環回路的熱側上用于加熱；以及位于冷側上用于冷卻。一循環風扇使室內空氣流過室內熱交換器，并流過通向室內空間的管道。返回管道從室內空間中抽出空氣，并將該空氣再帶回至室內熱交換器。一風扇同樣使周圍空氣流過室外熱交換器，并將熱量釋放到室外空氣內，或者從室外空氣中抽出可得到的熱量。
只有在相應的熱交換器處的致冷劑與空氣之間存在著充分的溫差時，這些類型的熱泵系統可運行以持續輸送熱能。對于加熱，倘若介于空氣與致冷劑之間的溫差使可得到的熱能大于運行壓縮機和相應的風扇所需的電能，則熱泵系統是有效的。溫差通常足以進行有效地冷卻，甚至在炎熱的日子里。然而，對于加熱，當室外氣溫低于大約25°F時，熱泵系統可能無法從室外空氣中抽出足夠的熱量以補償由于從建筑物到室外的熱對流、熱傳導及熱輻射而從此空間損耗的熱量。
當熱泵無法向建筑物提供足夠的熱量(即，室外溫度低于介于建筑物負載與熱泵容量之間的平衡點)時，在位于自室內熱交換器/盤管下游的供氣管內提供一輔助加熱件以提供所需的附加熱量，用以維持想要的室內氣溫。該輔助加熱的啟動一般由一室內恒溫器控制，居住者用恒溫器設置一由運行加熱系統將在該空間維持的所需溫度。
傳統的熱泵控制系統采用一種二級加熱/一級冷卻室內恒溫器。當來自恒溫器的第一次要求加熱時，使熱泵壓縮機及風扇動作，以便在室外抽取熱量，并在室內釋放熱量。熱泵將空氣施加給建筑物(一般在大約80°F)，直到室內溫度達到恒溫器的設置點(即，第一設置點)，然后停止工作。倘若建筑物的熱量損耗大于熱泵容量，這在室外溫度下降時發生，則無法由熱泵將室內氣溫升至想要的溫度。于是，室內溫度連續下降。
室內恒溫器具有一第二切換裝置，該裝置的運行溫度略低于第一切換裝置操作的想要的運行溫度。通常，當室溫降至由恒溫器所設定的第二設置點時，向輔助加熱件提供功率。該輔助加熱件提供所需的附加熱量，以便將室內溫度升至第二設置點溫度(供氣溫度一般為大約125°F)，然后，熱泵單獨工作，以便向建筑物提供熱量，直到其達到第一設置點。
然而，如美國專利5,367,601號中所述，傳統的二級加熱控制引起熱泵系統放入到建筑物中的供氣溫度大范圍的起落。該大范圍的溫度起落(例如，80°F至125°F)會令居住者感到不舒服，并且不利于熱泵系統的效率。在用以改善居住者舒適感的一次嘗試中，‘601專利提出一種控制系統，它提供一種通過感應供氣溫度，然后連續地控制輔助加熱的接通/切斷狀態所進行的對輔助加熱運行的嚴密(closer)控制。雖然此項提議在將供氣溫度維持在某一數值上有了較大進展，但是它至少具有兩個顯著缺點。
第一，只有當已存在來自室內恒溫器的第二次要求加熱時方可采用該輔助加熱。由于在第一級加熱期間從未給輔助加熱通電，因此這很難將供氣溫度維持在一恒定的預定值上。
第二，安裝熱泵的技術人員必須將溫度傳感器設置在建筑物管道結構的供氣管內。傳感器位置的變化會導致溫度感應精確度的變化，接著會導致控制器對輔助加熱的錯誤控制。
美國專利4,141,408號也揭示了用于控制一熱泵系統中輔助加熱的控制裝置。該專利提出采用設置在室內盤管上的諸傳感器來測量空氣流出盤管時的溫度。這些傳感器與閉合用以操作一個或者兩個輸出固定加熱件的繼電器相連。由于不存在用于在第一級加熱期間操作輔助加熱件的裝置，因此該系統無法防止供氣溫度中大范圍的起落。還不存在用于精確地控制加熱件操作的裝置，這些加熱件只是根據傳感器所感應的溫度簡單地接通和切斷。
美國專利5,332,028號也揭示了一種熱泵系統，它具有在除霜操作期間應用于供應的空氣的輔助熱量，用以避免當熱泵運行在除霜操作時的一種“冷吹”狀態。該專利提出在除霜期間根據所感應的供氣溫度來接通一輔助加熱件，并且在除霜期間必須將供氣溫度值維持在一令人舒適的數值上時，相應地在諸階段提供附加熱量。然而，該系統也需要安裝技術人員設置供氣溫度傳感器，并因此遭受上述相同的缺點。并且不存在用于精確地控制輔助加熱件以避免上述大范圍的供氣溫度起落的裝置。此外，為了始終確保一恒定的供氣溫度，在第一級加熱期間不操作輔助加熱件。
因此，本發明的一個目的在于通過精確地控制輔助加熱件將來自于一熱泵系統的供氣溫度維持在大致恒定的數值上，同時相對于位于室內盤管下游的溫度傳感器的位置避免安裝誤差的可能性。
本發明提供一種用于通過精確地控制施加給從一室內盤管流至熱泵系統的一供氣管的空氣的輔助熱量以維持一熱泵系統內大致恒定的供氣溫度的方法與設備。此類熱泵系統包括具有用于引入(initiate)由室內盤管所提供的熱量的一第一設置點和用于引入由輔助加熱裝置所提供的附加熱量的一第二設置點的一室內恒溫器。該方法包括以下步驟提供位于室內風扇盤管的下游、用于加熱從室內盤管流到供氣管的空氣的一輸出可調加熱件。一建立在微處理器上的控制器感應室外氣溫、或者感應在介于室內盤管與輸出可調加熱件之間的一位置上由室內盤管所加熱的氣流的盤管輸出溫度，然后，根據所感應的溫度可選擇地給輸出可調加熱件通電，這與室內恒溫器的第二設置點無關。倘若僅僅靠輸出可調加熱件不能協助室內盤管將供氣溫度維持在一預定的基礎溫度上，則還可采用一個或者多個輸出固定加熱件。
發明者在認識到下列情況下開始了本發明，為了將供氣溫度維持在一預定的基礎溫度上、比方說105°F，當熱泵系統僅僅運行在第一級(即，響應來自室內恒溫器的第一要求)中時，有時需要將輔助熱量添加至供應的空氣。發明者還認識到，采用輸出固定加熱件，即使是在熱泵工作的第一級中使用，也常常將過多的熱量施加給供應的空氣，由此導致了由已有系統所經歷的大范圍溫度起落問題。
本發明通過在熱泵運行的第一級期間采用一與室內盤管相結合的輸出可調加熱件克服了這個問題。給該輸出可調加熱件以動力，與室內恒溫器的第二設置點無關，在給輸出可調加熱件通電之前，不必存在來自恒溫器的對輔助熱量的要求。這樣，可在由室內盤管所施加的第一級加熱的同時給該輸出可調加熱件以動力，以便將供氣溫度維持在一大致恒定的預定的基礎溫度上(例如，105°F)。倘若對輸出可調加熱件的要求超出其輸出能力，則還可一次一個地給輸出固定加熱件通電，以便滿足建筑物負載。另外，倘若該負載使得恒溫器要求輔助熱量，則倘若必要的話，可停止輸出可調加熱件的操作，以便可將滿功率施加給滿足來自恒溫器的第二要求所需的許多的輔助加熱件(包括輸出可調加熱件)。
本發明還通過采用設置在室內空氣盤管的下游側上的一在工廠安裝好的傳感器、或者采用一室外傳感器克服了上述傳感器定位問題。在任何一種情況中，由于對安裝者而言，不必將傳感器設置在位于要加熱的建筑物的供氣管道結構中的一精確位置上，因此不會將校準誤差引入到該系統中。
通過結合本發明的一較佳實施例的附圖來閱讀下文中的詳細描述將更好地理解本發明的這些以及其它目的。
圖1是安裝有本發明的一種熱泵系統的一室內盤管部分的立體圖；圖2是安裝有本發明的一種熱泵系統的電加熱組件部分的立體圖；以及圖3是用室外溫度與供氣溫度示出了熱泵容量與建筑物負載需要量的一曲線圖。
現在請參閱圖1，如圖所示，本發明總地由標號10表示，其中裝有具有一回氣通風系統(plenum)12、一供氣通風系統13和一鼓風機電動機組件14的一室內盤管部分11，它用于將空氣抽到回氣通風系統12中、并借助供氣通風系統13再將該空氣輸送到被調節的空間內。一室內盤管16設置在該系統中，并具有流過其中進行循環的致冷劑，當該致冷劑通過該系統循環時，它冷卻或者加熱通過盤管16的空氣。在冷卻模式中，該室內盤管16用作為一蒸發器，以便從室內空氣中去除熱量；而在加熱模式中，則用作為一冷凝器，以便將熱量提供給室內空氣，在除霜模式期間，該系統從加熱模式切換至冷卻模式，以使來自于室內空氣的熱量由致冷劑輸送至室外盤管，以便于其除霜。
一電加熱組件17位于鼓風機電動機組件14的正下游。通常，在低(例如，32°F以下)室外溫度的條件下，組件17中的電阻加熱件被通電以輔助熱泵。在除霜模式期間也使用該組件，在為了室內盤管的除霜而從回氣中去除熱量的同時，加熱輸送至被調節的空間的空氣。根據本發明，在熱泵運行的第一級(即，當通常單獨使用室內盤管以提供被加熱的供應的空氣時)期間，也操作該組件。本發明的這個方面將在下文中更詳細地加以說明。
一建立在微處理器基礎上的控制器18用于根據從一室內恒溫器(圖中未示出)和一溫度傳感器19、例如一熱敏電阻等所接收的信號來控制整個熱泵系統。熱敏電阻19起到感應流出室內盤管的空氣的溫度的作用。熱敏電阻19還可用于感應室內空氣的溫度，并且在兩種情況下，在熱泵運行期間，借助于導線21將那些溫度信號提供給控制器18。
室內盤管16與一標準閉環致冷回路相連，該回路包括一壓縮機22、一四通閥23、具有一風扇26的一室外盤管24以及膨脹閥27和28。該四通閥23由控制器18可選擇地操作，以便在相應的冷卻、加熱、或者除霜模式中起作用，其中膨脹閥28起到測量流到室內盤管16的流量的作用，或者膨脹閥27起到測量流到室外盤管24的致冷劑流量的作用。控制器18可選擇地操作壓縮機22以及風扇26。
圖2中更詳細地示出了電加熱組件17，它包括借助由控制器18控制的一繼電器(圖中未示出)與一對電源導線31相連的若干電阻加熱件29。這些加熱件29向后延伸至供氣通風系統13，并由若干圖中所示的支撐桿32垂直支撐。各加熱件較佳地額定為5KW，也可采用其它的額定元件。其中一個加熱件是以低到100W的增量從0直到5KW可調。其余的元件、較佳地達三個附加元件全都較佳地確定在相同的輸出額定級上。圖2僅僅描繪了一種二件式配置。
圖3示出了室外溫度與供氣溫度的關系曲線，并包括表示熱泵容量(由熱泵系統自身的參數所決定)的曲線HPC以及表示建筑物加熱需要量(建筑物負載)的曲線BL。圖3示出了當室外溫度降低時，熱泵容量減小，而建筑物負載增加，兩者基本呈線性。平衡點即兩線的交叉點。通常，熱泵系統的第一級一般被用來服務于位于平衡點上方的室外溫度下的負載需要，而將第二級加熱(輔助加熱)添加到位于平衡點下方的室外溫度下的系統的供應的空氣。圖3中所描繪的系統的平衡點約為34°F。
為了維持一基本供氣溫度、比方說105°F(由圖3中的水平線BT表示)，本發明可選擇地控制以下式為基礎施加給輸出可調加熱件的功率kW=常數(Constant)×CFM×(T2-T1)式中T2是供應的空氣的目標基本(target base)溫度(BT)，T1是流出室內盤管的氣溫，以及CFM是流過系統(已知具有某些風扇型號以及近似具有其它風扇型號)的氣流。
(該常數簡單地確保了各種單元之中的一致性(reconciliaton)。)當在室內盤管的輸出處感應到T1時，該讀數被直接使用到上式中。然而，當感應室外溫度時，T1是通過從圖3所示的曲線中用外插法(extrapolation)所預測的。這可采用眾所周知的查尋技術完全在控制器18內完成。
根據本發明并參閱圖3，控制器定期要求傳感器19感應一溫度讀數(T1)。然后，該控制器計算出必須由輸出可調加熱件所施加的kW功率量。倘若已有來自室內恒溫器的用于第一級加熱的一要求，但是T1等于T2，則該系統將僅僅循環第一級加熱，如圖3所示曲線中的HP ONLY部分所示。然而，倘若T1小于T2，則該控制器將采用上式計算出要施加給輸出可調加熱件的功率量，然后，采用一固態繼電器來控制施加給輸出可調加熱件的功率。
現在將借助例子來說明將功率施加給輸出可調加熱件的較佳方法。比方說所計算的用于輸出可調加熱件的功率需要量為2kW，并且輸出可調加熱件的額定滿功率為5kW。這意味著需要輸出可調加熱件的滿功率的40％來將T1升至基本溫度T2(BT)。功率在固定數目的線循環、例如假定一百個線循環上被施加給輸出可調加熱件。倘若計算確定輸出可調加熱件需要40％的功率，則將功率接通至用于四十個線循環的元件，然后切斷用于六十個線循環的元件。這樣就產生了來自輸出可調加熱件的必要的2kW輸出量。只要控制器感應(通過傳感器19)到T1小于T2，就連續地重復將功率施加給可調加熱件的循環過程。
較佳地，為精確地控制供氣溫度，施加給輸出可調加熱件的功率遞增變化，比方說增量低到滿功率的2％。因此，倘若第一次感應T1需要40％的功率，但是T1在下一讀數循環中下降了，并且此刻控制器計算出需要45％的功率(即，2.25kW)來將T1升至T2，則施加給輸出可調加熱件的功率要增加5％(即，分別連續地接通四十五個線循環和切斷五十五個線循環)直到T1等于T2。雖然用本發明可實現2％的增量，或許5％滿功率的增量是處理T1波動所需的低增量。
倘若計算出的功率超過輸出可調加熱件的額定輸出量(例如，5kW)，則其中一個附加的輸出固定加熱件(例如，各為5kW)將由控制器通電，并且施加給輸出可調加熱件的功率將連續地變化以滿足超出5kW的功率要求。
輸出可調加熱件較佳地由一固態繼電器接通和切斷，而采用機電繼電器來接通和切斷其余的元件。該固態繼電器由一安裝在控制器18內的繼電器驅動器電路所驅動。該固態繼電器具有零交叉電路，只有當線循環經過零伏時，該電路接通和切斷輸出可調加熱件。這樣，一半的線循環的通/斷延遲將用于加熱件的最少時間限制到兩個線循環。在一加熱件額定為5kW并運行在一種一百線循環時間基礎上的情況下，因此最低功率輸出量將為100W。
在圖3中與熱泵容量線平行的局部線F1、F2和F3示出了接通固定5kW加熱件的作用。三角形陰影區域R1表示通過如上所述對輸出可調加熱件提供功率所得到的附加容量。三角形陰影區域R2表示一第一附加固定5kW加熱件由控制器通電的同時、對輸出可調加熱件提供功率所得到的附加容量。這些區域R1和R2由BT溫度線(圖3中為105°F)所限制。BT線與BL和HPC線的交點限定了室外溫度的范圍，輸出可調加熱件(區域R1)以及、倘若必要的話、其中一個附加的輸出固定加熱件(區域R2)在該范圍中與由室內盤管所提供的第一級加熱一起進行循環地通電。在BT線與BL線的交點的左側，熱泵容量低，以至于為了滿足建筑物負載要求，系統連續地運行室內盤管，并循環多個加熱件(包括輸出可調加熱件，如陰影區域R3、R4和R5所示)。
根據本發明，無論是在第一還是第二級加熱期間，通過將一輸出可調加熱件與諸附加的輸出固定加熱件結合起來使用，可將供氣溫度維持在一大致恒定的溫度上。
因此，通過采用一位于室內盤管下游側上的在工廠安裝好的溫度傳感器或者一流行的室外溫度傳感器可避免由安裝者產生誤差的可能。
權利要求
1．一種控制施加給從一室內盤管流到一熱泵系統的一供氣管的氣流的輔助熱量的方法，所述類型的所述熱泵系統包括具有用于引入由所述室內盤管所提供的熱量的一第一設置點和用于引入由輔助加熱裝置所提供的附加熱量的一第二設置點的一室內恒溫器，所述方法的特點在于下列步驟提供位于所述室內盤管的下游、用于加熱從室內盤管流到所述供氣管的空氣的輔助加熱裝置，所述輔助加熱裝置包括一輸出可調加熱件；在介于室內盤管與所述輸出可調加熱件之間的一位置上確定由室內盤管所加熱的氣流的盤管輸出溫度；以及根據所述盤管輸出溫度可選擇地給輸出可調加熱件通電，這與室內恒溫器的所述第二設置點無關。
2．如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述盤管輸出溫度是由設置在所述室內盤管與所述輸出可調加熱件之間的溫度感應裝置所確定的。
3．如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述盤管輸出溫度是通過根據一來自于室外溫度感應裝置的讀數進行預測所確定的。
4．如權利要求1所述的方法，其特征在于，當所述盤管溫度下降到所述供氣的一預定的基礎溫度以下時，所述輸出可調加熱件被通電。
5．如權利要求4所述的方法，其特征在于，其特點還在于下列步驟計算出以所述盤管輸出溫度為基礎的要施加給所述輸出可調加熱件的功率量，然后可選擇地給輸出可調加熱件通電，以便將所述供氣溫度升至所述基礎溫度。
6．如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述輸出可調加熱件具有一最大輸出量，計算出要施加給輸出可調加熱件的所述功率量作為所述最大量的第一百分比，并且為了以時間為基礎的百分比在數值上等同于所述第一百分比將功率循環地施加給輸出可調加熱件。
7．如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述輸出可調加熱件具有一最大輸出量，以計算步驟中所算得的功率量為基礎遞增地改變施加給輸出可調加熱件的功率量。
8．如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述輔助加熱裝置還包括至少一輸出固定加熱件，當在所述計算步驟期間所算得的功率量超出預定數值時，除了給所述輸出可調加熱件通電之外，還給所述輸出固定加熱件通電。
9．一種熱泵系統，其中具有相關風扇的室外和室內熱交換盤管；一壓縮機；一膨脹裝置；為在加熱、冷卻以及除霜運行模式之間進行選擇使致冷劑流動轉向的裝置；用于加熱從所述室內盤管流到一供氣管的氣流的輔助加熱裝置，所述輔助加熱裝置包括一輸出可調加熱件；具有用于引入由室內盤管所提供的熱量的一第一設置點和用于引入由輔助加熱裝置所提供的附加熱量的一第二設置點的一室內恒溫器；用于在介于室內盤管與輔助加熱裝置之間的一位置上確定由室內盤管所加熱的氣流的盤管輸出溫度的裝置；以及用于根據所述盤管輸出溫度可選擇地給所述輸出可調加熱件通電、而這與所述室內恒溫器的所述第二設置點無關的控制裝置。
10．如權利要求9所述的熱泵系統，其特征在于，所述用于確定所述盤管輸出溫度的裝置的特點在于設置在所述室內盤管與所述輸出可調加熱件之間的溫度感應裝置。
11．如權利要求9所述的熱泵系統，其特征在于，所述用于確定所述盤管輸出溫度的裝置的特點在于室外溫度感應裝置，并且盤管輸出溫度是根據一來自于室外溫度感應裝置的讀數所預測的。
12．如權利要求9所述的熱泵系統，其特征在于，當所述盤管輸出溫度下降到所述供氣的一預定的基礎溫度以下時，所述輸出可調加熱件被通電。
13．如權利要求12所述的熱泵系統，其特征在于，用于計算出以所述盤管輸出溫度為基礎的要施加給所述輸出可調加熱件的功率量的裝置，并且所述控制裝置可選擇地給輸出可調加熱件通電，以便將所述供氣溫度升至所述基礎溫度。
14．如權利要求13所述的熱泵系統，其特征在于，所述輸出可調加熱件具有一最大輸出量，所述計算裝置計算出要施加給輸出可調加熱件的功率量作為所述最大量的第一百分比，并且所述控制裝置為了以時間為基礎的百分比在數值上等同于所述第一百分比將功率循環地施加給輸出可調加熱件。
15．如權利要求13所述的熱泵系統，其特征在于，所述輸出可調加熱件具有一最大輸出量，并且所述控制裝置根據由所述計算裝置所算得的功率量遞增地變化施加給輸出可調加熱件的功率量。
16．如權利要求13所述的熱泵系統，其特征在于，所述輔助加熱裝置的特點還在于至少一輸出固定加熱件，當由所述計算裝置所算得的功率量超出一預定數值時，除了給所述輸出可調加熱件通電之外，所述控制裝置還給所述輸出固定加熱件通電。
17．如權利要求10所述的熱泵系統，其特征在于，所述溫度感應裝置是靠近與所述室內盤管相關的所述風扇設置的一熱敏電阻。
全文摘要
一種用于控制添加至從一室內盤管流到包括具有引入由室內盤管提供的熱量的第一設置點和引入由輔助加熱裝置提供的附加熱量的第二設置點的一室內恒溫器的一熱泵系統的一供氣管的氣流的輔助熱量的方法與設備。輔助加熱件包括加熱從室內盤管流到供氣管的空氣的一輸出可調加熱件。在介于室內盤管與輔助加熱裝置間的一位置上確定由室內盤管加熱的氣流輸出溫度。根據該溫度可選擇地給輸出可調加熱件通電,這與室內恒溫器的第二設置點無關。
文檔編號G05D23/19GK1224144SQ99101369
公開日1999年7月28日 申請日期1999年1月22日 優先權日1998年1月23日
發明者蒂莫西J·佩里, 梁紅梅, 拉里J·伯克哈特, 內森D·賴特, 小雷蒙德A·拉斯特, 路易斯J·沙利文 申請人:運載器有限公司