专利名称：二氧化碳热泵水加热系统的控制方法
技术领域：
本发明总体涉及一种运行热泵水加热系统的方法，更具体而言涉及一种检测和诊断热泵水加热系统运行状况的方法。
背景技术：
含氯制冷剂已经出于环境方面的考虑而停止使用了。已提出许多替换产品来取代含氯制冷剂，例如二氧化碳。二氧化碳具有低临界点，它使得大部分采用二氧化碳的空调系统部分在临界点之上运行或在大部分情况下跨临界运行。在饱和情况下(液体和蒸气均存在)，任何临界点之下的流体压力都是温度的函数。然而，当流体的温度高于临界温度时，压力变为流体密度的函数。
跨临界制冷系统采用在压缩机中经高压高温压缩的制冷剂。当制冷剂进入气体冷却器时，热量从制冷剂去除并传递至例如水等流体介质。在热泵水加热器中，在气体冷却器中被加热了的水用于加热热水槽中的水。制冷剂从气体冷却器流向膨胀阀。膨胀阀在高压和低压之间调节制冷剂流。通过膨胀阀对制冷剂进行的控制来控制制冷剂回路的流动和效率。制冷剂从膨胀阀流向蒸发器。
在蒸发器中，低压制冷剂从空气中接收热量而变得过热。来自蒸发器的过热制冷剂流入压缩机而重复该循环。
控制该系统以便依赖于当前运行状况来改变制冷剂流和水流。系统装置的劣化会不利地影响系统性能和运行成本。此外，一些情况下系统性能的变化不明显因而无法察觉。通过在优选条件下运行该系统会大大降低运行成本。此外，系统停机时间的降低也会大大降低运行成本。
因此，期望开发一种检测系统缺陷和诊断系统问题的方法来降低系统停机时间并提高运行效率。
发明内容
本发明是一种通过监测运行变化及其对系统输入的响应来检测和诊断热泵水加热系统运行状况的方法。
热泵水加热系统包括跨临界蒸气压缩回路。该蒸气压缩回路包括压缩机、气体冷却器和蒸发器。气体冷却器将热量传递至水路，继而加热热水槽中的水。通过改变流过气体冷却器的水流来对水温进行调节。较慢的水流提供更多热量吸收，导致更高的水温。水流的增加降低热量吸收，导致水温下降。
控制器控制热泵水加热系统以提供和维持水槽中理想的水温。为得到优化的运行，整个系统中的传感器不断受到监测并且对参数进行调整。该系统通过监测和对实际测量状况与基于系统输入的预测状况进行比较来检测和诊断系统问题。对问题的检测和诊断减少了系统维修和停机时间，从而提高了系统效率。
因此，本发明的检测和诊断系统运行状况的方法可降低系统停机时间并提高工作效率。
本发明的各个特征和优点对于本领域技术人员而言将从本优选实施例的下述详细描述中变得明显。随附详细说明的附图可简要作如下描述图1是二氧化碳热泵水加热器的示意图。
具体实施例方式
参见图1，热泵系统10被示意性表示出来并包括制冷剂压缩机14，该制冷剂压缩机14驱动制冷剂通过蒸气压缩回路12。优选地，用在本系统中的制冷剂是二氧化碳。因为二氧化碳具有低临界点，采用二氧化碳制冷剂的蒸气压缩回路通常跨临界运行。虽然优选采用二氧化碳，但采用其他本领域技术人员已知的制冷剂也在本发明的范围之内。蒸气压缩回路12包括压缩机14、热交换器16、膨胀阀20和蒸发器18。蒸发器18包括风扇30，所述风扇30被选择性地开动以将空气吹过蒸发器18。
水路13与蒸气压缩回路12在热交换器16处产生热接触。泵34驱动水流经水路13。在热交换器16中，流经水路13的水吸收从制冷剂释放出的热量。然后水路13中的水传递热量给水槽38中的水。
蒸气压缩回路12通过交替压缩和膨胀制冷剂而运行，以吸收热量并传递给水槽13中的水。离开压缩机14的制冷剂处于高温和高压状态。这种高温高压制冷剂流经热交换器16。在热交换器16中，制冷剂释放热量给水路13。从热交换器16出来的制冷剂继而到达膨胀阀20。该膨胀阀20控制制冷剂流从高压变为低压。优选地，膨胀阀20可变以允许制冷剂流变化从而改变运行状况。膨胀阀20可具有任何本领域技术人员已知的结构。
系统效率受到许多不同参数和环境条件的影响。例如，由于泄漏或蒸发导致的制冷剂损失会减少吸收和释放的热量。本发明的方法通过监测系统参数并基于当前系统状况和输入对实际测量参数与预测参数进行比较，来检测和诊断热泵水加热系统的系统运行状况。
本方法监测系统10中的制冷剂量以检测制冷剂减少到期望值以下的情况。制冷剂的量或填充通过测量蒸发器18与压缩机14之间的制冷剂压力和温度进行监测。温度传感器28和压力传感器26设置在压缩机14和蒸发器18之间的蒸气压缩回路12中。虽然压力和温度传感器26、28设置在蒸发器18和压缩机之间，但受益于本发明的本领域技术人员将可以理解，可在蒸气压缩回路12中的其他位置对制冷剂温度和压力进行监测。
如果制冷剂处于饱和状态，则制冷剂的压力和温度直接相关。因此，对饱和状态下的制冷剂压力进行的测量和监测提供对制冷剂温度的认识。然而，当制冷剂不处于饱和状态时，这种关系不再成立，需要进行直接的温度测量。
一些情况下，对应于制冷剂压力的饱和温度与制冷剂的实际温度有很大不同。这种情况在本领域中被叫做过热状况。当实际温度大于对应给定制冷剂压力的饱和温度时，出现过热状况。过热状况是系统中制冷剂损失的证据。
该系统对由温度传感器28提供的实际温度和对应由压力传感器26提供的制冷剂压力的预测温度进行比较。预测温度作为环境条件(通常是空气和水的温度)的函数进行计算，例如通过使用查找表凭经验确定。环境条件必须由适当的传感器来感测。实际温度与预测温度之间超出预定范围的差值表明制冷剂损失。响应于检测到的低制冷剂状况，控制器46起动提示符47以警告这一问题。此外，控制器46也可关闭系统10以提示维修。
压缩机14和蒸发器18之间的温度传感器28和压力传感器26还用于确定风扇30是否存在故障。如果风扇30正常工作，将以可预见的方式从蒸发器18中的空气吸收热量。制冷剂温度应该会以可预见的方式对风扇30的开动和蒸发器18上的相应气流作出响应。
如果预测制冷剂温度与温度传感器28监测到的实际测量温度之间的差值大于期望值，则表明风扇30出现问题。如果制冷剂的温度和压力相符，但不表现为风扇30的给定运行状况下的预测水平，则表明风扇30存在问题。基于风扇30故障的显现，控制器46将提供提示符以警告和指示对问题源头进行维修。
由系统10监测的状况的另一实例包括对膨胀阀20的监测。膨胀阀20工作以改变通过蒸气压缩回路12的制冷剂流。如果膨胀阀20不正常工作，则制冷剂流将不会按预期做出反应。膨胀阀20的不良运行会导致蒸气压缩回路12中高低压之间的差值超出理想的范围。此外，理想范围由经验确定，并且是环境条件的函数。设置在压缩机14与热交换器16之间的压力传感器22监测制冷剂压力。压缩机14与热交换器16之间的制冷剂压力应与膨胀阀20的设定相符。
如果膨胀阀20的给定输入下压缩机14和热交换器16之间的预期压力与实际压力的差值超出理想范围，则表明膨胀阀20可能出现了问题。膨胀阀20的开动引起压缩机14与热交换器16之间的预期制冷剂压力。响应于预期和实际制冷剂压力之间的差值超出理想范围这一情况而指出故障。响应于膨胀阀故障的指出，控制器46起动提示符以警告和指明对故障的注意。
由系统监测的另一状况是水泵速度。水泵34调节经过水路13的水流以维持水槽38中的水温。水泵34的故障或热交换器16的劣化会降低系统10的效率。温度传感器32监测水路13中的水温。水泵34的速度与预测的水温增加相符。对给定水泵速度下的预测水温与由温度传感器32测量的实际温度值进行比较。速度传感器36监测泵速。传感器36提供用于预测预期水温范围的泵速信息。传感器36可以是任何本领域技术人员已知的类型。如果水温的实际值与预期值之间的差值大于预定范围，则故障被检测出来，从而或是系统被关闭或是显示出故障状况。如上所述，该预定范围依赖于环境条件。
对于导致实际与预测水温之间产生差异的原因，存在以下几种可能。一种可能的原因是泵34可能不是以泵34的给定输入下的足够速度旋转。众所周知，该泵34优选由电动机驱动。供给至电动机的电流支配泵34的速度。供给至电动机的电流能被测量出来，以表明可与由速度传感器36测量出的实际泵速做比较的预期泵速。此外，由电动机吸入的电流与给定泵速相关联。由速度传感器36测量的泵速与预测水温相关联。预测与实际水温之间的差值使得控制器46指出系统10中的故障。
导致预测水温与实际水温之间产生差异的另一原因是钙堆积在热交换器16上。热交换器16中的冷凝会导致钙堆积，使蒸气压缩回路12与水路13之间的热量传递劣化。钙使热传递劣化，导致实际水温不像预期的那样响应于泵速的变化而变化。此外，这种情况下，控制器46将起动警报以提示系统10的维修。
本发明的热泵热水加热系统检测和诊断运行状况以提高可靠性，检测系统劣化情况，减少系统维修，提高整个系统的效率。
前述描述是示例性的且不仅是具体说明。本发明已经以举例的方式进行了描述，并且应当理解的是所用术语的本质是描述性的而非限制性的。本发明的许多修改和改变都可能在上述教导之下做出。本发明的优选实施例已经公开，然而，本领域普通技术人员将意识到特定的修改也在本发明的范围之内。可以理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以不像具体描述的那样实践。因此应理解为由下列权利要求确定本发明的范围和内容。
权利要求
1.一种检测热泵运行状况的方法，包括以下步骤a)用压缩机装置压缩制冷剂；b)通过与流体介质进行热交换来冷却该制冷剂；c)在膨胀装置中将所述制冷剂膨胀至低压；d)在热交换器中蒸发所述制冷剂；e)监测运行状况；f)将所述监测到的运行状况与预测运行状况做比较；以及g)响应于监测到的运行状况与预测运行状况的相差量，来确定故障状况。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述制冷剂是二氧化碳。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述热泵与水加热器进行热交换。
4.如权利要求1所述的方法，其中在所述压缩机与所述热交换器之间监测第一压力。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述步骤g)包括响应于所述膨胀装置的开动未伴随有该第一压力的相应变化，确定故障状况。
6.如权利要求1所述的方法，其中在蒸发器与压缩机之间监测第二压力，并且在所述压缩机与所述蒸发器之间监测所述制冷剂的温度。
7.如权利要求6所述的方法，其中响应于基于所述第二压力的预测温度不符合实际监测温度，确定制冷剂产生了损失。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述蒸发器包括用于将空气吹过所述蒸发器的风扇，响应于实际温度与预期温度不同，确定所述风扇产生了故障。
9.如权利要求1所述的方法，包括设置在水路中的第二温度传感器，用以测量进入所述蒸发器的水温。
10.如权利要求9所述的方法，其中响应于所述温度低于预测温度，检测出所述水泵存在故障。
11.如权利要求9所述的方法，包括监测泵速的传感器，并且响应于基于水泵流量的预测水温与实际水温之间存在预定差值，确定所述热交换器产生了钙化。
12.如权利要求1所述的方法，其中响应于检测到过热状况，确定制冷剂产生了损失，其中所述过热状况是指对应于压力的预测温度与实际温度不同。
全文摘要
本发明是一种检测和诊断热泵水加热系统运行状况的方法，包括监测系统运行状况并将实际运行状况与预测运行状况做比较的步骤。预测运行状况基于给定系统输入电流下的预期压力和温度。制冷剂压力和温度的实际与预期值之间的差值超出理想范围，则表明系统出现故障。系统控制器起动提示符以发出警告，告知需要维修并指出潜在原因。
文档编号G01K13/00GK1965201SQ200580018557
公开日2007年5月16日 申请日期2005年5月31日 优先权日2004年6月7日
发明者T·西内尔, Y·陈, B·埃森霍维尔, J·康查, Y·K·朴, L·张, J·尼特, N·蓬迪克-卡索 申请人:开利公司