專利名稱：二氧化碳熱泵水加熱系統(tǒng)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種運(yùn)行熱泵水加熱系統(tǒng)的方法，更具體而言涉及一種檢測(cè)和診斷熱泵水加熱系統(tǒng)運(yùn)行狀況的方法。
背景技術(shù)：
含氯制冷劑已經(jīng)出于環(huán)境方面的考慮而停止使用了。已提出許多替換產(chǎn)品來取代含氯制冷劑，例如二氧化碳。二氧化碳具有低臨界點(diǎn)，它使得大部分采用二氧化碳的空調(diào)系統(tǒng)部分在臨界點(diǎn)之上運(yùn)行或在大部分情況下跨臨界運(yùn)行。在飽和情況下(液體和蒸氣均存在)，任何臨界點(diǎn)之下的流體壓力都是溫度的函數(shù)。然而，當(dāng)流體的溫度高于臨界溫度時(shí)，壓力變?yōu)榱黧w密度的函數(shù)。
跨臨界制冷系統(tǒng)采用在壓縮機(jī)中經(jīng)高壓高溫壓縮的制冷劑。當(dāng)制冷劑進(jìn)入氣體冷卻器時(shí)，熱量從制冷劑去除并傳遞至例如水等流體介質(zhì)。在熱泵水加熱器中，在氣體冷卻器中被加熱了的水用于加熱熱水槽中的水。制冷劑從氣體冷卻器流向膨脹閥。膨脹閥在高壓和低壓之間調(diào)節(jié)制冷劑流。通過膨脹閥對(duì)制冷劑進(jìn)行的控制來控制制冷劑回路的流動(dòng)和效率。制冷劑從膨脹閥流向蒸發(fā)器。
在蒸發(fā)器中，低壓制冷劑從空氣中接收熱量而變得過熱。來自蒸發(fā)器的過熱制冷劑流入壓縮機(jī)而重復(fù)該循環(huán)。
控制該系統(tǒng)以便依賴于當(dāng)前運(yùn)行狀況來改變制冷劑流和水流。系統(tǒng)裝置的劣化會(huì)不利地影響系統(tǒng)性能和運(yùn)行成本。此外，一些情況下系統(tǒng)性能的變化不明顯因而無法察覺。通過在優(yōu)選條件下運(yùn)行該系統(tǒng)會(huì)大大降低運(yùn)行成本。此外，系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間的降低也會(huì)大大降低運(yùn)行成本。
因此，期望開發(fā)一種檢測(cè)系統(tǒng)缺陷和診斷系統(tǒng)問題的方法來降低系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間并提高運(yùn)行效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種通過監(jiān)測(cè)運(yùn)行變化及其對(duì)系統(tǒng)輸入的響應(yīng)來檢測(cè)和診斷熱泵水加熱系統(tǒng)運(yùn)行狀況的方法。
熱泵水加熱系統(tǒng)包括跨臨界蒸氣壓縮回路。該蒸氣壓縮回路包括壓縮機(jī)、氣體冷卻器和蒸發(fā)器。氣體冷卻器將熱量傳遞至水路，繼而加熱熱水槽中的水。通過改變流過氣體冷卻器的水流來對(duì)水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。較慢的水流提供更多熱量吸收，導(dǎo)致更高的水溫。水流的增加降低熱量吸收，導(dǎo)致水溫下降。
控制器控制熱泵水加熱系統(tǒng)以提供和維持水槽中理想的水溫。為得到優(yōu)化的運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)中的傳感器不斷受到監(jiān)測(cè)并且對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。該系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)和對(duì)實(shí)際測(cè)量狀況與基于系統(tǒng)輸入的預(yù)測(cè)狀況進(jìn)行比較來檢測(cè)和診斷系統(tǒng)問題。對(duì)問題的檢測(cè)和診斷減少了系統(tǒng)維修和停機(jī)時(shí)間，從而提高了系統(tǒng)效率。
因此，本發(fā)明的檢測(cè)和診斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況的方法可降低系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間并提高工作效率。


本發(fā)明的各個(gè)特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將從本優(yōu)選實(shí)施例的下述詳細(xì)描述中變得明顯。隨附詳細(xì)說明的附圖可簡(jiǎn)要作如下描述圖1是二氧化碳熱泵水加熱器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，熱泵系統(tǒng)10被示意性表示出來并包括制冷劑壓縮機(jī)14，該制冷劑壓縮機(jī)14驅(qū)動(dòng)制冷劑通過蒸氣壓縮回路12。優(yōu)選地，用在本系統(tǒng)中的制冷劑是二氧化碳。因?yàn)槎趸季哂械团R界點(diǎn)，采用二氧化碳制冷劑的蒸氣壓縮回路通?？缗R界運(yùn)行。雖然優(yōu)選采用二氧化碳，但采用其他本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的制冷劑也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。蒸氣壓縮回路12包括壓縮機(jī)14、熱交換器16、膨脹閥20和蒸發(fā)器18。蒸發(fā)器18包括風(fēng)扇30，所述風(fēng)扇30被選擇性地開動(dòng)以將空氣吹過蒸發(fā)器18。
水路13與蒸氣壓縮回路12在熱交換器16處產(chǎn)生熱接觸。泵34驅(qū)動(dòng)水流經(jīng)水路13。在熱交換器16中，流經(jīng)水路13的水吸收從制冷劑釋放出的熱量。然后水路13中的水傳遞熱量給水槽38中的水。
蒸氣壓縮回路12通過交替壓縮和膨脹制冷劑而運(yùn)行，以吸收熱量并傳遞給水槽13中的水。離開壓縮機(jī)14的制冷劑處于高溫和高壓狀態(tài)。這種高溫高壓制冷劑流經(jīng)熱交換器16。在熱交換器16中，制冷劑釋放熱量給水路13。從熱交換器16出來的制冷劑繼而到達(dá)膨脹閥20。該膨脹閥20控制制冷劑流從高壓變?yōu)榈蛪?。?yōu)選地，膨脹閥20可變以允許制冷劑流變化從而改變運(yùn)行狀況。膨脹閥20可具有任何本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)效率受到許多不同參數(shù)和環(huán)境條件的影響。例如，由于泄漏或蒸發(fā)導(dǎo)致的制冷劑損失會(huì)減少吸收和釋放的熱量。本發(fā)明的方法通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)并基于當(dāng)前系統(tǒng)狀況和輸入對(duì)實(shí)際測(cè)量參數(shù)與預(yù)測(cè)參數(shù)進(jìn)行比較，來檢測(cè)和診斷熱泵水加熱系統(tǒng)的系統(tǒng)運(yùn)行狀況。
本方法監(jiān)測(cè)系統(tǒng)10中的制冷劑量以檢測(cè)制冷劑減少到期望值以下的情況。制冷劑的量或填充通過測(cè)量蒸發(fā)器18與壓縮機(jī)14之間的制冷劑壓力和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。溫度傳感器28和壓力傳感器26設(shè)置在壓縮機(jī)14和蒸發(fā)器18之間的蒸氣壓縮回路12中。雖然壓力和溫度傳感器26、28設(shè)置在蒸發(fā)器18和壓縮機(jī)之間，但受益于本發(fā)明的本領(lǐng)域技術(shù)人員將可以理解，可在蒸氣壓縮回路12中的其他位置對(duì)制冷劑溫度和壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
如果制冷劑處于飽和狀態(tài)，則制冷劑的壓力和溫度直接相關(guān)。因此，對(duì)飽和狀態(tài)下的制冷劑壓力進(jìn)行的測(cè)量和監(jiān)測(cè)提供對(duì)制冷劑溫度的認(rèn)識(shí)。然而，當(dāng)制冷劑不處于飽和狀態(tài)時(shí)，這種關(guān)系不再成立，需要進(jìn)行直接的溫度測(cè)量。
一些情況下，對(duì)應(yīng)于制冷劑壓力的飽和溫度與制冷劑的實(shí)際溫度有很大不同。這種情況在本領(lǐng)域中被叫做過熱狀況。當(dāng)實(shí)際溫度大于對(duì)應(yīng)給定制冷劑壓力的飽和溫度時(shí)，出現(xiàn)過熱狀況。過熱狀況是系統(tǒng)中制冷劑損失的證據(jù)。
該系統(tǒng)對(duì)由溫度傳感器28提供的實(shí)際溫度和對(duì)應(yīng)由壓力傳感器26提供的制冷劑壓力的預(yù)測(cè)溫度進(jìn)行比較。預(yù)測(cè)溫度作為環(huán)境條件(通常是空氣和水的溫度)的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，例如通過使用查找表憑經(jīng)驗(yàn)確定。環(huán)境條件必須由適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽砀袦y(cè)。實(shí)際溫度與預(yù)測(cè)溫度之間超出預(yù)定范圍的差值表明制冷劑損失。響應(yīng)于檢測(cè)到的低制冷劑狀況，控制器46起動(dòng)提示符47以警告這一問題。此外，控制器46也可關(guān)閉系統(tǒng)10以提示維修。
壓縮機(jī)14和蒸發(fā)器18之間的溫度傳感器28和壓力傳感器26還用于確定風(fēng)扇30是否存在故障。如果風(fēng)扇30正常工作，將以可預(yù)見的方式從蒸發(fā)器18中的空氣吸收熱量。制冷劑溫度應(yīng)該會(huì)以可預(yù)見的方式對(duì)風(fēng)扇30的開動(dòng)和蒸發(fā)器18上的相應(yīng)氣流作出響應(yīng)。
如果預(yù)測(cè)制冷劑溫度與溫度傳感器28監(jiān)測(cè)到的實(shí)際測(cè)量溫度之間的差值大于期望值，則表明風(fēng)扇30出現(xiàn)問題。如果制冷劑的溫度和壓力相符，但不表現(xiàn)為風(fēng)扇30的給定運(yùn)行狀況下的預(yù)測(cè)水平，則表明風(fēng)扇30存在問題?；陲L(fēng)扇30故障的顯現(xiàn)，控制器46將提供提示符以警告和指示對(duì)問題源頭進(jìn)行維修。
由系統(tǒng)10監(jiān)測(cè)的狀況的另一實(shí)例包括對(duì)膨脹閥20的監(jiān)測(cè)。膨脹閥20工作以改變通過蒸氣壓縮回路12的制冷劑流。如果膨脹閥20不正常工作，則制冷劑流將不會(huì)按預(yù)期做出反應(yīng)。膨脹閥20的不良運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致蒸氣壓縮回路12中高低壓之間的差值超出理想的范圍。此外，理想范圍由經(jīng)驗(yàn)確定，并且是環(huán)境條件的函數(shù)。設(shè)置在壓縮機(jī)14與熱交換器16之間的壓力傳感器22監(jiān)測(cè)制冷劑壓力。壓縮機(jī)14與熱交換器16之間的制冷劑壓力應(yīng)與膨脹閥20的設(shè)定相符。
如果膨脹閥20的給定輸入下壓縮機(jī)14和熱交換器16之間的預(yù)期壓力與實(shí)際壓力的差值超出理想范圍，則表明膨脹閥20可能出現(xiàn)了問題。膨脹閥20的開動(dòng)引起壓縮機(jī)14與熱交換器16之間的預(yù)期制冷劑壓力。響應(yīng)于預(yù)期和實(shí)際制冷劑壓力之間的差值超出理想范圍這一情況而指出故障。響應(yīng)于膨脹閥故障的指出，控制器46起動(dòng)提示符以警告和指明對(duì)故障的注意。
由系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的另一狀況是水泵速度。水泵34調(diào)節(jié)經(jīng)過水路13的水流以維持水槽38中的水溫。水泵34的故障或熱交換器16的劣化會(huì)降低系統(tǒng)10的效率。溫度傳感器32監(jiān)測(cè)水路13中的水溫。水泵34的速度與預(yù)測(cè)的水溫增加相符。對(duì)給定水泵速度下的預(yù)測(cè)水溫與由溫度傳感器32測(cè)量的實(shí)際溫度值進(jìn)行比較。速度傳感器36監(jiān)測(cè)泵速。傳感器36提供用于預(yù)測(cè)預(yù)期水溫范圍的泵速信息。傳感器36可以是任何本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的類型。如果水溫的實(shí)際值與預(yù)期值之間的差值大于預(yù)定范圍，則故障被檢測(cè)出來，從而或是系統(tǒng)被關(guān)閉或是顯示出故障狀況。如上所述，該預(yù)定范圍依賴于環(huán)境條件。
對(duì)于導(dǎo)致實(shí)際與預(yù)測(cè)水溫之間產(chǎn)生差異的原因，存在以下幾種可能。一種可能的原因是泵34可能不是以泵34的給定輸入下的足夠速度旋轉(zhuǎn)。眾所周知，該泵34優(yōu)選由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。供給至電動(dòng)機(jī)的電流支配泵34的速度。供給至電動(dòng)機(jī)的電流能被測(cè)量出來，以表明可與由速度傳感器36測(cè)量出的實(shí)際泵速做比較的預(yù)期泵速。此外，由電動(dòng)機(jī)吸入的電流與給定泵速相關(guān)聯(lián)。由速度傳感器36測(cè)量的泵速與預(yù)測(cè)水溫相關(guān)聯(lián)。預(yù)測(cè)與實(shí)際水溫之間的差值使得控制器46指出系統(tǒng)10中的故障。
導(dǎo)致預(yù)測(cè)水溫與實(shí)際水溫之間產(chǎn)生差異的另一原因是鈣堆積在熱交換器16上。熱交換器16中的冷凝會(huì)導(dǎo)致鈣堆積，使蒸氣壓縮回路12與水路13之間的熱量傳遞劣化。鈣使熱傳遞劣化，導(dǎo)致實(shí)際水溫不像預(yù)期的那樣響應(yīng)于泵速的變化而變化。此外，這種情況下，控制器46將起動(dòng)警報(bào)以提示系統(tǒng)10的維修。
本發(fā)明的熱泵熱水加熱系統(tǒng)檢測(cè)和診斷運(yùn)行狀況以提高可靠性，檢測(cè)系統(tǒng)劣化情況，減少系統(tǒng)維修，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。
前述描述是示例性的且不僅是具體說明。本發(fā)明已經(jīng)以舉例的方式進(jìn)行了描述，并且應(yīng)當(dāng)理解的是所用術(shù)語的本質(zhì)是描述性的而非限制性的。本發(fā)明的許多修改和改變都可能在上述教導(dǎo)之下做出。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)公開，然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識(shí)到特定的修改也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)?？梢岳斫猓谒綑?quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以不像具體描述的那樣實(shí)踐。因此應(yīng)理解為由下列權(quán)利要求確定本發(fā)明的范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)熱泵運(yùn)行狀況的方法，包括以下步驟a)用壓縮機(jī)裝置壓縮制冷劑；b)通過與流體介質(zhì)進(jìn)行熱交換來冷卻該制冷劑；c)在膨脹裝置中將所述制冷劑膨脹至低壓；d)在熱交換器中蒸發(fā)所述制冷劑；e)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀況；f)將所述監(jiān)測(cè)到的運(yùn)行狀況與預(yù)測(cè)運(yùn)行狀況做比較；以及g)響應(yīng)于監(jiān)測(cè)到的運(yùn)行狀況與預(yù)測(cè)運(yùn)行狀況的相差量，來確定故障狀況。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述制冷劑是二氧化碳。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱泵與水加熱器進(jìn)行熱交換。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述壓縮機(jī)與所述熱交換器之間監(jiān)測(cè)第一壓力。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述步驟g)包括響應(yīng)于所述膨脹裝置的開動(dòng)未伴隨有該第一壓力的相應(yīng)變化，確定故障狀況。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在蒸發(fā)器與壓縮機(jī)之間監(jiān)測(cè)第二壓力，并且在所述壓縮機(jī)與所述蒸發(fā)器之間監(jiān)測(cè)所述制冷劑的溫度。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中響應(yīng)于基于所述第二壓力的預(yù)測(cè)溫度不符合實(shí)際監(jiān)測(cè)溫度，確定制冷劑產(chǎn)生了損失。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述蒸發(fā)器包括用于將空氣吹過所述蒸發(fā)器的風(fēng)扇，響應(yīng)于實(shí)際溫度與預(yù)期溫度不同，確定所述風(fēng)扇產(chǎn)生了故障。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，包括設(shè)置在水路中的第二溫度傳感器，用以測(cè)量進(jìn)入所述蒸發(fā)器的水溫。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中響應(yīng)于所述溫度低于預(yù)測(cè)溫度，檢測(cè)出所述水泵存在故障。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，包括監(jiān)測(cè)泵速的傳感器，并且響應(yīng)于基于水泵流量的預(yù)測(cè)水溫與實(shí)際水溫之間存在預(yù)定差值，確定所述熱交換器產(chǎn)生了鈣化。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中響應(yīng)于檢測(cè)到過熱狀況，確定制冷劑產(chǎn)生了損失，其中所述過熱狀況是指對(duì)應(yīng)于壓力的預(yù)測(cè)溫度與實(shí)際溫度不同。
全文摘要
本發(fā)明是一種檢測(cè)和診斷熱泵水加熱系統(tǒng)運(yùn)行狀況的方法，包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況并將實(shí)際運(yùn)行狀況與預(yù)測(cè)運(yùn)行狀況做比較的步驟。預(yù)測(cè)運(yùn)行狀況基于給定系統(tǒng)輸入電流下的預(yù)期壓力和溫度。制冷劑壓力和溫度的實(shí)際與預(yù)期值之間的差值超出理想范圍，則表明系統(tǒng)出現(xiàn)故障。系統(tǒng)控制器起動(dòng)提示符以發(fā)出警告，告知需要維修并指出潛在原因。
文檔編號(hào)G01K13/00GK1965201SQ200580018557
公開日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2005年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月7日
發(fā)明者T·西內(nèi)爾, Y·陳, B·埃森霍維爾, J·康查, Y·K·樸, L·張, J·尼特, N·蓬迪克-卡索 申請(qǐng)人:開利公司