专利名称：用于控制热泵运行的系统和方法
用于控制热泵运行的系统和方法发明背景1. 发明领域本发明涉及制冷系统，更具体地涉及配备有辅助加热的热泵制冷 系统。2. 相关技术的说明有些热泵系统配备有辅助的气体加热装置。在这些系统的运行期 间，当环境温度降至某一水平(在特定的室内条件下)之下时，从利用 电能并以加热模式运转热泵切换到通过使用辅助气体(天然气、丙烷、 丁烷等)热、来自其它物品如油、热水和/或热空气的辅助热来加热室 内环境就变得更为经济。目前，这是通过设定在受调节(此时为被加热) 的环境中的温度调节装置来实现的，该温度调节装置在热泵运行模式 和预定环境温度下的气体加热之间切换，该预定环境温度对于常规的 70。 F+/-5° F左右的室内温度范围而言通常为20° F左右。有时，调节该标准工厂设定。当环境温度降至该预定设定之下时，则使用气 体或其它的辅助热。具有在热泵运行模式和辅助加热之间切换的预定设定的主要缺 点在于此设定不能实时地变化，因为其对应于在工厂或由用户即安装 者设立的某一预定值。此预定设定的值基于有关热泵系统运行、被加 热结构的热状态以及电力价格和气体(或其它商品)价格的经验法则知 识。甚至更糟糕的是，对于大多数的现有技术情形特别是单回路的热 泵系统而言，温度调节装置设定典型地基于将取决于室内和室外条件 (主要是用于加热系统的温度)的结构平衡点。平衡点是指室外温度，在此温度对于对应于特定室内温度的特定温度调节装置设定热泵不 提供足够热量。平衡点与加热系统优化关系不大。相反地，只是假定 在所有的环境条件下运转单回路热泵更具成本效率。实际上，气体价 格越低，则在其上从运行电动热泵切换至气体热时最经济的环境温度 就越高。因此，在其上在气和电之间的切换变得经济的环境温度直接 取决于气/电的价格比。然而，作为商品，电价和气价快速地波动。公知的是，例如，电价在24小时期间可能以IO的系数变化，因为电价在晚间的非高峰时间内可以很低而在白天时则可显著地上升。尽管通常不像电价那样 快，但气价在每日的基础上也可快速地波动。此外，在电力高需求期间，电网可能接近于其能够处理的极限运 行。因此，随着此时上升的电力成本，对于电力网运行中的供电中断 和破坏而言存在着可导致灾难性后果的危险。在这种情况下切换至气 体热或其它的辅助热将提高电网运行的安全余量。因此，需要准许在辅助气体加热和热泵系统的电运行之间响应气 价和电价的变化实时调整切换设定点的系统和方法，以使消费者最大 程度地节约并可能地防止电网过载。发明概述提供了一种空间加热系统，其包括热泵、辅助加热系统和控制器， 该控制器连接至加热系统用于控制运行才莫式之间的切换设定点。切换 设定点至少为环境温度，在该环境温度上控制器在热泵运行和辅助加 热源运行之间切换。控制器连接至信息源，该信息源提供当前的电价 和当前的辅助加热源价格中的至少一个价格。控制器响应于电价和辅 助加热源价格中的至少 一个价格的变化来改变切换设定点。还提供了 一种用于经由计算机系统来控制具有热泵和辅助加热 的加热系统的方法。该方法包括至少周期性地接收与电和辅助加热源 中至少一方面的当前价格相关的数据，并响应电价和辅助加热源价格中至少一个价格的价格变化来自动地改变切换设定点。在一个实施例中，从包括油、气体、热水和/或热空气的热源提供 丰甫助力口热。在另一个实施例中，控制器利用在各种室内和室外热力学条件(主 要是温度)下关于加热系统运行效率的信息，连同实时的电价和气价一 起来确定最佳切换设定点。在另 一 个实施例中，控制器分析这种热力学条件以及电价和气价 的趋势来在适应控制逻辑方面能动地反应，以选择用于长期时段的最 佳切换设定点，并限制切换的次数来降低循环损耗和提高可靠性。在又一个实施例中，根据关于最佳运行效率的类似标准，通过用的最佳运行的判定。在又一个实施例中，如果电网接近于过载点运行，则为了防止供 电中断而可以在网络上发出强制切换到气体加热的信号。附图简要说明
图1示出了装备有根据本发明的包括诊断系统的气体热功能的制 冷系统。发明描述图1示出了空间加热系统100，其包括热泵105、辅助气体加热 系统110和控制器115,其中，控制器115用于控制热泵105和气体 加热系统110的部件，并用于在热泵105和气体加热系统110的运行 之间切换。图1中的简图完全是示范性的；存在着许多未示出但属于 本发明范围的空间加热系统100的设计的可能的结构和变型。辅助加热系统IIO尽管主要地以气体加热系统来论述，但并不限 于气体加热。可使用其它合适的热源，包括如油、热水和/或热空气的 其它物品。热泵105包括压缩机120,其用于将压缩的制冷剂输送到制冷剂 管路122中并经过四通换向阀(four-way reversing valve) 125,该四通换 向阀125引导制冷剂以使得热泵105以加热模式或冷却模式运行。在 加热模式中，压缩的制冷剂经过室内热交换器130,在此处制冷剂凝 结并将热量释放进室内空间如建筑物或住宅中的房间内。室内风扇 135将空气吹到室内热交换器130上，以将热供应到待加热的室内空 间中。制冷剂随后前行经过膨胀装置140并经过室外热交换器145, 在此处膨胀到较低压力和温度的制冷剂蒸发并冷却室外空气，同时从 此室外空气中吸收热量。通过室外风扇150将相对冷的空气吹到室外 热交换器145上。已蒸发的制冷剂随后再次经过四通换向阀125返回 压缩机120，以重复循环。电源经由供电线路155向压缩斗几120、室 内风扇135和室外风扇150供应动力。加热系统100还包括辅助气体加热系统110，其包括气体(例如天 然气、丙烷、丁烷等)源和气体热交换器160。天然气经由气体管线165 输送至热交换器160，并由供气阀170控制。当控制器115发出气体 加热命令时，供气阀170开启，适当組成的气体和空气的混合物被引 燃并流入到气体热交换器160的管道内。当该混合物经过热交换器160 的内表面时，其释放出由空气所接收的热量且热量被供应到内部环境 中，其中空气由室内风扇135吹到在热交换器160的外表面上。废气 经由烟道出管(未示出)离开热交换器160,并且可通过烟道风扇(未示 出)来帮助克服流动阻抗。热交换器160可具有定位在内表面和外表面 上的传热和流动增强元件。这些增强技术为本领域所公知。控制器115连接热泵105的若干部件，包括压缩机120、四通换 向阀125、室内风扇135和室外风扇150、膨胀装置140和用于经由 供电线路155来分别控制压缩机120、室内风扇135和室外风扇150 的运行的开关175、 176和177。控制器115还连接供气阀170，以便 控制辅助气体加热系统110的运行。加热系统IOO还可以包括连接到控制器115上的室外温度传感器9185和室内温度传感器180，用于分别将室外环境温度数据和与供应 给室内空间的空气相关的温度数据提供给控制器115。在其它情况下， 室外温度即环境温度还可以通过使用经由因特网所接收的信息来确 定。在一个实施例中，控制器115包括温度调节装置(未示出)。温度 调节装置的功能包括基于由控制器115所提供的切换条件来在热泵 105和气体加热系统110之间切换。有时候，温度调节装置也可以替 代室内溫度传感器。切换设定点是一组运行条件，在这些运行条件中，控制器115在 热泵105的运行和辅助气体加热系统110的运行之间切换以向室内空 间供热。在很多情况下，例如对于70° F+/ -5° F的常规室内温度 范围而言，环境温度将足够地代表这组运行条件。例如，如果切换环 境温度为30° F,则用于空间加热系统100的控制器115将在由控制 器115经由温度传感器185所读取的环境温度高于30° F时运行热泵 105。当环境温度降至低于30。 F时，则空间加热系统100经由控制 器115关掉或降低(例如通过关闭其回路的一部分或利用任一种压缩 机卸载手段如变速、旁通等来对热泵卸载)热泵105的功能并激活气体 加热系统110。切换设定点可以预置，由用户设定，或像下文中所描 述的那样取决于包括当前的电价和/或气价变化的因素。控制器115优选包括计算平台，如个人电脑、大型计算机或可设 置有存储装置(未示出)、中央处理器(CPU)或微处理器装置(未示出)以 及若干I/0端口(未示出)的任何其它类型的计算平台。控制器115还 可包括显示器或用于提供信息如温度信息的其它装置。加热系统100还可以包括连接至遥控器190的界面118，用于提 供与环境温度、关于热泵系统105和气体加热系统110的性能图(类似 的信息也优选存贮在控制器115内)、切换设定点和当前的气价与电价 以及以前的气价与电价相关的信息，以及接收有关改变与气价和/或电 价变化相关的切换设定点指令。界面118还可以允许用户设定部件参数和直接控制加热装置100的部件。在一个实施例中，提供了与加热装置100相隔一定距离并包括界面的遥控器190,经过该界面，用户 可发送指令并接收来自控制器115的信息。控制器115控制切换设定点即运行条件切换组，在一个实施例中 且在最简单的情形下，该切换设定点为控制器115在热泵105的运行 和辅助气体加热系统110的运行之间切换时的环境温度。控制器115 还连接到信息源195上，该信息源195提供了当前电价和当前气价中 的至少一个价格。控制器115响应当前的电价和/或气价的变化来改变 切换设定点。信息源195可以是任何可用的气体商品价格源和电力商品价格 源，诸如包括或能使用数据库的网站，该数据库以气价和电价的当前 值实时地更新。源195应能够提供有关气价和电价实时的当前信息， 且优选能够连续地将此信息提供给控制器115。控制器115经由网络如局域网、内联网和因特网而连接至信息源。 优选的信息源为因特网网站。控制器115可通过消费者私人的或安全 的因特网连接而连接至信息源195。控制器115还可以直接连接至信 息源195,以便还可以在消费者有或者没有到因特网的直接接入的情 况下来远程地作出从电运行到气体运行的切换。在这种情况下，控制 器115将配备有内部芯片或其它装置，其无需使用消费者的因特网连 接便可接收有关电和/或气体成本的商品价格消息。控制器115至少周期性地接收当前的气价和电价，每种信息至少 来自一个信息源。在另一个实施例中，控制器115连续地接收气价和 电价。在一个实施例中，控制器115计算所接收的气价和所接收的电价 之间的比值，并且响应此比值的变化及根据加热系统105和110的性 能图来改变切换设定点。当电价相对于气价的上升时，控制器U5典 型地提高切换设定点的环境温度即切换温度，并且当电价相对于气价 的下降时降低切换温度。由于切换设定点的环境温度响应电价的下降而降低，故为了获得下降的电价的益处而在扩展的环境条件范围内使 用热泵。在另一个实施例中，控制器115基于切换设定点、电价和/或气价之间的预定数学关系来改变切换设定点。当电价上升时，控制器115可提高切换设定点的环境温度，而当电价下降时降低切换设定点的环 境温度。切换温度的改变与电价和/或气价的改变可具有线性关系，或 具有任何其它限定的关系。切换温度的改变可单独地基于气价或电 价、基于气价和电价二者和/或基于气价与电价的比值。此外，当控制器115改变切换设定点时可考虑附加因素。这些修 正因素可以包括但不限于待加热的环境温度，以及加热系统105、 110 及其部件如蒸发器、冷凝器热交换器130、 145和气体热交换器160 的大小和效率。这种校正因素可以在系统100的制造期间在工厂预编 程或上载到控制器115中。在另一个实施例中，控制器115还包括延 迟功能以防止随着切换设定点的改变而在气体和电之间快速的循环， 以进一步优化加热系统100的运行，降低循环损耗并提高系统可靠性。 在这种情况下，控制器115根据室内/室外环境条件以及电价和气价 的"历史，，趋势来适应加热系统100的运行。在另一个实施例中，控制器115可基于各种因素来改变切换设定 点，这些因素包括对环境温度在预定未来时间将会如何的预测，和/ 或电价和气价的历史趋势。在又一个实施例中，加热系统100具有用于单回路(如变速压缩机 和/或风扇、压缩机旁路等)的卸载装置或结合多个独立回路，并且在 某些环境条件下对于此系统可获得的最佳运行，其基于用于最佳运行 效率的类似标准，通过组合的热泵和气体热运行来获得。在又一个实施例中，如果电网接近于过载点运行，则为了防止供换到气体加热的信号。提供了一种用于经由计算机系统来控制具有热泵105和辅助气体12加热110的加热系统100。该方法包括至少周期性地接收至少有关电 和/或加热气体当前价格的数据，并响应电价和加热气体价格中至少一 个价格的变化来自动地改变切换设定点。在一个实施例中，该方法包 括连续地接收数据。在该方法的一个实施例中，电价和/或气价方面的变化为电价和气 价之间比值的变化。切换设定点的环境温度随着电价相对于气价的上 升而提高，且随着所述电价相对于气价的下降而降低。该方法还可包括在切换设定点、电价和/或气价之间设定预定的数 学关系。根据预定的数学关系，切换设定点的环境温度随着电价的上 升而提高，且随着电价的下降而降低。以上所述的实施例包括利用加热气体(例如天然气、丙烷、丁烷等) 的辅助加热系统。本发明不限于具有辅助气体加热的加热系统，并且 可包括利用热源或物品如油、气体加热的水或空气的辅助加热系统， 或利用非电资源的其它系统。本发明基于时间的具体情况下的热源价格和电价、或基于这些价 格的趋势分析，优选是通过在信息网络如因特网上获得此类信息，来 调整和优化配备有辅助热功能的热泵系统的切换设定点。在一个实施 例中，辅助加热功能为气体加热功能。在热泵模式和气体加热模式之 间的最佳切换设定点主要取决于室内和室外的热力学条件、气价与电 价的比值以及两种运行模式中加热系统的热效率。 一般而言，此系统 和方法通过在气价相对于电价下跌时利用辅助气体加热，或在气价相 对于电价上涨时限制使用辅助气体加热来降低运行成本。根据上述因 素，系统控制器确定哪种运行模式最为经济。另外，如果控制器的自 适应逻辑考虑了电价和气价以及室内/室外温度概况的"历史"趋势， 则此信息随后可进一步有助于增强运行效率、限制切换循环次数、降 低循环损耗和提高系统可靠性。随着越来越多的住宅和商业建筑配备有一体地连接至定位在建 筑结构内的各种电子器件如壁式温度调节装置的因特网能力，在其中可在因特网上远程地调整温度设定，该系统和方法变得愈加恰当和实 际。通过基于电价和气价的波动而在电力和加热气体供应之间实时地 切换，本发明的系统和方法使消费者的节约最大化。备选方案、组合和修改。本发明意图包括属于所附权利要求范围内的 所有的这种备选方案、修改和变型。
权利要求
1.一种用于经由计算机系统来控制具有热泵(105)以及辅助加热(110)的加热系统(100)的方法，包括至少周期性地接收有关电以及所述辅助加热(110)源中至少一个的当前价格的数据；响应所述电价以及所述辅助加热(110)的所述源价格中至少一个的价格变化来自动地改变切换设定点，其中，所述切换设定点至少为环境温度，在所述环境温度上所述加热系统(100)在所述热泵(105)的运行以及所述辅助加热(110)的运行之间切换。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辅助加热(IIO) 从由以下热源组成的组中选出的热源^是供油、气体、热水和热空气。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电价以及所 述热源的所述价格中至少 一 个的所述变化为所述热源的所述价格和 所述电价之间比值的变化。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切换设定点 环境温度随着所述电价相对于所述热源的所述价格的上升而提高，并 且其中，所述切换设定点环境温度随着所述电价相对于所述热源的所 述价格的下降而降低。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，改变所述切换设至少基于所述切换设定点环境温度和所述电价以及所述热源的 所述价格中的至少 一个之间的预定数学关系来改变所述切换设定点 环境温度；根据所述热泵(105)的运行以及所述辅助加热(110)的运行中的至 少 一个的性能图来改变所述切换设定点；响应从由以下特性组成的组中选出的至少 一 个特性的趋势来改 变所述切换设定点电价、所述辅助加热(110)的所述源价格、环境温度、室内温度及其任何组合；和在预定未来时间所述环境温度将会如何的预测、电价以及气价的历史 趋势及其组合。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括连 续地接收所述数据。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统(100)由 以下系统组成的组中选出单回路系统，其中，所述系统(100)包括卸载装置，其中在所述热 泵(105)的运行以及所述辅助加热(110)的运行之间的切换包括卸载所 述热泵(105)，和具有多个独立回路的多回路系统，其中，所述切换包括关闭所述热泵(105)的至少一个回^各。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 响应于显示电网中潜在过载的信号来自动地从所述热泵(105)的运行 切换到所述辅助加热(110)的运行。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 经由因特网来接收环境温度信息。
10. —种加热系统(IOO),包括 热泵(105); 辅助加热系统(110);控制器(115)，其连接至所述加热系统(100),用于控制切换设定点， 其中，所述切换设定点至少为环境温度，在所述环境溫度上所述控制 器(115)在所述热泵(105)的运行以及所述辅助加热(110)源的运行之间 切换，其中，所述控制器(115)连接至信息源(195)，所述信息源(195)提 供当前电价以及所述辅助加热(110)的所述源的当前价格中的至少一 个，和其中，所述控制器(115)响应于所述电价以及所述辅助加热(110)的所述源的所述价格中的至少一个的改变来改变所述切换设定点。
11. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述辅助加热(l 10) 从由以下热源组成的组中选出的热源提供油、气体、热水和热空气。
12. 根据权利要求IO所述的系统，其特征在于，所述信息源(195) 为数据库，所述数据库以所述电价以及所述辅助加热(UO)的所述源的 所述价格的当前值来实时更新。
13. 根据权利要求IO的所述系统，其特征在于，所述控制器(115) 经由由以下网络组成的组中选出的网络连4妻至所述信息源(195):局域 网、内联网、因特网及其任意组合。
14. 根据权利要求IO所述的系统，其特征在于，所述信息源(195) 为因特网中周期性更新的网站。
15. 根据权利要求IO所述的系统，其特征在于，所迷系统还包 括界面(118),所述界面(118)连接至所述控制器(115),用于提供和接 收至少有关所述环境温度、所述电价以及所述辅助加热(110)的所述源 的所述价格中的至少 一 个的信息。
16. 根据权利要求IO所述的系统，其特征在于，所述控制器(115) 以由以下频率组成的组中选出的频率来接收所述电价以及所述辅助 加热(110)的所述源的所述价格中的至少一个至少周期性地和连续 地。
17. 根据权利要求IO所述的系统，其特征在于，所述控制器(115) 连接并控制温度调节装置，其中，所述温度调节装置在所述热泵(105)的运行以及所述加热系统(l IO)的运行之间切换。
18. 根据权利要求IO所述的系统，其特征在于，所述控制器(115)计算所述电价和所述辅助加热(110)的所述源的所述价格之间的 比值，并且响应所述比值的变化来改变所述切换设定点，包括所述切 换设定点环境温度；随着所述电价相对于所述辅助加热(110)的所述源的所迷价格的 上升来提高所述切换设定点环境温度，以及随着所述电价相对于所述 辅助加热(l IO)的所述源的所述价格的下降来降低所述切换设定点的环境温度；基于所述切换设定点和所述电价以及所述辅助加热(110)的所述 源的所述价格中的至少 一 个之间的预定数学关系来改变所述切换设 定点；根据所述热泵(105)的运行以及所述辅助加热(110)的运行中的至 少 一个的性能图来执行所述切换设定点的改变；响应由以下特性组成的组中选出的至少一个特性的趋势来改变 所述切换设定点电价、所述辅助加热(110)的所述源价格、环境温度、 室内温度及其任一组合；和所述环境温度在预定未来时间将会如何的预测、电价以及气价的历史 趋势及其组合。
19. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述系统(IOO) 选自由以下系统组成的組包括卸载装置的单回路系统，其中，在所述热泵(105)的运行以及具有多个独立回3各的多回路系统，其中，所述切换包括关闭所述 热泵(105)的至少一个回^各。
20. —种用于控制加热系统的系统或方法，其如此处此前参照附 图的图1所描述。
全文摘要
提供了空间加热系统(100)，其包括热泵(105)、辅助气体加热系统(110)以及连接到加热系统(100)上的控制器(115)。控制器(115)控制切换设定点，其在最简单的情况下为环境温度，在该环境温度上控制器(115)在热泵(105)的运行以及辅助气体加热系统(110)的运行之间切换。控制器(115)连接到实时信息源(195)上，该实时信息源(195)提供了当前的电价以及热源如气体的当前价格中的至少一个，并且响应于电价以及气价中至少一个的变化来改变切换设定点。还提供了用于控制加热系统(100)的方法。
文档编号F25B13/00GK101326414SQ200580052275
公开日2008年12月17日 申请日期2005年10月18日 优先权日2005年10月18日
发明者A·利夫森, M·F·塔拉斯 申请人:开利公司