專利名稱：用于控制熱泵運行的系統和方法
用于控制熱泵運行的系統和方法發明背景1. 發明領域本發明涉及制冷系統，更具體地涉及配備有輔助加熱的熱泵制冷 系統。2. 相關技術的說明有些熱泵系統配備有輔助的氣體加熱裝置。在這些系統的運行期 間，當環境溫度降至某一水平(在特定的室內條件下)之下時，從利用 電能并以加熱模式運轉熱泵切換到通過使用輔助氣體(天然氣、丙烷、 丁烷等)熱、來自其它物品如油、熱水和/或熱空氣的輔助熱來加熱室 內環境就變得更為經濟。目前，這是通過設定在受調節(此時為被加熱) 的環境中的溫度調節裝置來實現的，該溫度調節裝置在熱泵運行模式 和預定環境溫度下的氣體加熱之間切換，該預定環境溫度對于常規的 70。 F+/-5° F左右的室內溫度范圍而言通常為20° F左右。有時，調節該標準工廠設定。當環境溫度降至該預定設定之下時，則使用氣 體或其它的輔助熱。具有在熱泵運行模式和輔助加熱之間切換的預定設定的主要缺 點在于此設定不能實時地變化，因為其對應于在工廠或由用戶即安裝 者設立的某一預定值。此預定設定的值基于有關熱泵系統運行、被加 熱結構的熱狀態以及電力價格和氣體(或其它商品)價格的經驗法則知 識。甚至更糟糕的是，對于大多數的現有技術情形特別是單回路的熱 泵系統而言，溫度調節裝置設定典型地基于將取決于室內和室外條件 (主要是用于加熱系統的溫度)的結構平衡點。平衡點是指室外溫度，在此溫度對于對應于特定室內溫度的特定溫度調節裝置設定熱泵不 提供足夠熱量。平衡點與加熱系統優化關系不大。相反地，只是假定 在所有的環境條件下運轉單回路熱泵更具成本效率。實際上，氣體價 格越低，則在其上從運行電動熱泵切換至氣體熱時最經濟的環境溫度 就越高。因此，在其上在氣和電之間的切換變得經濟的環境溫度直接 取決于氣/電的價格比。然而，作為商品，電價和氣價快速地波動。公知的是，例如，電價在24小時期間可能以IO的系數變化，因為電價在晚間的非高峰時間內可以很低而在白天時則可顯著地上升。盡管通常不像電價那樣 快，但氣價在每日的基礎上也可快速地波動。此外，在電力高需求期間，電網可能接近于其能夠處理的極限運 行。因此，隨著此時上升的電力成本，對于電力網運行中的供電中斷 和破壞而言存在著可導致災難性后果的危險。在這種情況下切換至氣 體熱或其它的輔助熱將提高電網運行的安全余量。因此，需要準許在輔助氣體加熱和熱泵系統的電運行之間響應氣 價和電價的變化實時調整切換設定點的系統和方法，以使消費者最大 程度地節約并可能地防止電網過載。發明概述提供了一種空間加熱系統，其包括熱泵、輔助加熱系統和控制器， 該控制器連接至加熱系統用于控制運行才莫式之間的切換設定點。切換 設定點至少為環境溫度，在該環境溫度上控制器在熱泵運行和輔助加 熱源運行之間切換。控制器連接至信息源，該信息源提供當前的電價 和當前的輔助加熱源價格中的至少一個價格。控制器響應于電價和輔 助加熱源價格中的至少 一個價格的變化來改變切換設定點。還提供了 一種用于經由計算機系統來控制具有熱泵和輔助加熱 的加熱系統的方法。該方法包括至少周期性地接收與電和輔助加熱源 中至少一方面的當前價格相關的數據，并響應電價和輔助加熱源價格中至少一個價格的價格變化來自動地改變切換設定點。在一個實施例中，從包括油、氣體、熱水和/或熱空氣的熱源提供 豐甫助力口熱。在另一個實施例中，控制器利用在各種室內和室外熱力學條件(主 要是溫度)下關于加熱系統運行效率的信息，連同實時的電價和氣價一 起來確定最佳切換設定點。在另 一 個實施例中，控制器分析這種熱力學條件以及電價和氣價 的趨勢來在適應控制邏輯方面能動地反應，以選擇用于長期時段的最 佳切換設定點，并限制切換的次數來降低循環損耗和提高可靠性。在又一個實施例中，根據關于最佳運行效率的類似標準，通過用的最佳運行的判定。在又一個實施例中，如果電網接近于過載點運行，則為了防止供 電中斷而可以在網絡上發出強制切換到氣體加熱的信號。附圖簡要說明
圖1示出了裝備有根據本發明的包括診斷系統的氣體熱功能的制 冷系統。發明描述圖1示出了空間加熱系統100，其包括熱泵105、輔助氣體加熱 系統110和控制器115,其中，控制器115用于控制熱泵105和氣體 加熱系統110的部件，并用于在熱泵105和氣體加熱系統110的運行 之間切換。圖1中的簡圖完全是示范性的；存在著許多未示出但屬于 本發明范圍的空間加熱系統100的設計的可能的結構和變型。輔助加熱系統IIO盡管主要地以氣體加熱系統來論述，但并不限 于氣體加熱。可使用其它合適的熱源，包括如油、熱水和/或熱空氣的 其它物品。熱泵105包括壓縮機120,其用于將壓縮的制冷劑輸送到制冷劑 管路122中并經過四通換向閥(four-way reversing valve) 125,該四通換 向閥125引導制冷劑以使得熱泵105以加熱模式或冷卻模式運行。在 加熱模式中，壓縮的制冷劑經過室內熱交換器130,在此處制冷劑凝 結并將熱量釋放進室內空間如建筑物或住宅中的房間內。室內風扇 135將空氣吹到室內熱交換器130上，以將熱供應到待加熱的室內空 間中。制冷劑隨后前行經過膨脹裝置140并經過室外熱交換器145, 在此處膨脹到較低壓力和溫度的制冷劑蒸發并冷卻室外空氣，同時從 此室外空氣中吸收熱量。通過室外風扇150將相對冷的空氣吹到室外 熱交換器145上。已蒸發的制冷劑隨后再次經過四通換向閥125返回 壓縮機120，以重復循環。電源經由供電線路155向壓縮斗幾120、室 內風扇135和室外風扇150供應動力。加熱系統100還包括輔助氣體加熱系統110，其包括氣體(例如天 然氣、丙烷、丁烷等)源和氣體熱交換器160。天然氣經由氣體管線165 輸送至熱交換器160，并由供氣閥170控制。當控制器115發出氣體 加熱命令時，供氣閥170開啟，適當組成的氣體和空氣的混合物被引 燃并流入到氣體熱交換器160的管道內。當該混合物經過熱交換器160 的內表面時，其釋放出由空氣所接收的熱量且熱量被供應到內部環境 中，其中空氣由室內風扇135吹到在熱交換器160的外表面上。廢氣 經由煙道出管(未示出)離開熱交換器160,并且可通過煙道風扇(未示 出)來幫助克服流動阻抗。熱交換器160可具有定位在內表面和外表面 上的傳熱和流動增強元件。這些增強技術為本領域所公知。控制器115連接熱泵105的若干部件，包括壓縮機120、四通換 向閥125、室內風扇135和室外風扇150、膨脹裝置140和用于經由 供電線路155來分別控制壓縮機120、室內風扇135和室外風扇150 的運行的開關175、 176和177。控制器115還連接供氣閥170，以便 控制輔助氣體加熱系統110的運行。加熱系統IOO還可以包括連接到控制器115上的室外溫度傳感器9185和室內溫度傳感器180，用于分別將室外環境溫度數據和與供應 給室內空間的空氣相關的溫度數據提供給控制器115。在其它情況下， 室外溫度即環境溫度還可以通過使用經由因特網所接收的信息來確 定。在一個實施例中，控制器115包括溫度調節裝置(未示出)。溫度 調節裝置的功能包括基于由控制器115所提供的切換條件來在熱泵 105和氣體加熱系統110之間切換。有時候，溫度調節裝置也可以替 代室內溫度傳感器。切換設定點是一組運行條件，在這些運行條件中，控制器115在 熱泵105的運行和輔助氣體加熱系統110的運行之間切換以向室內空 間供熱。在很多情況下，例如對于70° F+/ -5° F的常規室內溫度 范圍而言，環境溫度將足夠地代表這組運行條件。例如，如果切換環 境溫度為30° F,則用于空間加熱系統100的控制器115將在由控制 器115經由溫度傳感器185所讀取的環境溫度高于30° F時運行熱泵 105。當環境溫度降至低于30。 F時，則空間加熱系統100經由控制 器115關掉或降低(例如通過關閉其回路的一部分或利用任一種壓縮 機卸載手段如變速、旁通等來對熱泵卸載)熱泵105的功能并激活氣體 加熱系統110。切換設定點可以預置，由用戶設定，或像下文中所描 述的那樣取決于包括當前的電價和/或氣價變化的因素。控制器115優選包括計算平臺，如個人電腦、大型計算機或可設 置有存儲裝置(未示出)、中央處理器(CPU)或微處理器裝置(未示出)以 及若干I/0端口(未示出)的任何其它類型的計算平臺。控制器115還 可包括顯示器或用于提供信息如溫度信息的其它裝置。加熱系統100還可以包括連接至遙控器190的界面118，用于提 供與環境溫度、關于熱泵系統105和氣體加熱系統110的性能圖(類似 的信息也優選存貯在控制器115內)、切換設定點和當前的氣價與電價 以及以前的氣價與電價相關的信息，以及接收有關改變與氣價和/或電 價變化相關的切換設定點指令。界面118還可以允許用戶設定部件參數和直接控制加熱裝置100的部件。在一個實施例中，提供了與加熱裝置100相隔一定距離并包括界面的遙控器190,經過該界面，用戶 可發送指令并接收來自控制器115的信息。控制器115控制切換設定點即運行條件切換組，在一個實施例中 且在最簡單的情形下，該切換設定點為控制器115在熱泵105的運行 和輔助氣體加熱系統110的運行之間切換時的環境溫度。控制器115 還連接到信息源195上，該信息源195提供了當前電價和當前氣價中 的至少一個價格。控制器115響應當前的電價和/或氣價的變化來改變 切換設定點。信息源195可以是任何可用的氣體商品價格源和電力商品價格 源，諸如包括或能使用數據庫的網站，該數據庫以氣價和電價的當前 值實時地更新。源195應能夠提供有關氣價和電價實時的當前信息， 且優選能夠連續地將此信息提供給控制器115。控制器115經由網絡如局域網、內聯網和因特網而連接至信息源。 優選的信息源為因特網網站。控制器115可通過消費者私人的或安全 的因特網連接而連接至信息源195。控制器115還可以直接連接至信 息源195,以便還可以在消費者有或者沒有到因特網的直接接入的情 況下來遠程地作出從電運行到氣體運行的切換。在這種情況下，控制 器115將配備有內部芯片或其它裝置，其無需使用消費者的因特網連 接便可接收有關電和/或氣體成本的商品價格消息。控制器115至少周期性地接收當前的氣價和電價，每種信息至少 來自一個信息源。在另一個實施例中，控制器115連續地接收氣價和 電價。在一個實施例中，控制器115計算所接收的氣價和所接收的電價 之間的比值，并且響應此比值的變化及根據加熱系統105和110的性 能圖來改變切換設定點。當電價相對于氣價的上升時，控制器U5典 型地提高切換設定點的環境溫度即切換溫度，并且當電價相對于氣價 的下降時降低切換溫度。由于切換設定點的環境溫度響應電價的下降而降低，故為了獲得下降的電價的益處而在擴展的環境條件范圍內使 用熱泵。在另一個實施例中，控制器115基于切換設定點、電價和/或氣價之間的預定數學關系來改變切換設定點。當電價上升時，控制器115可提高切換設定點的環境溫度，而當電價下降時降低切換設定點的環 境溫度。切換溫度的改變與電價和/或氣價的改變可具有線性關系，或 具有任何其它限定的關系。切換溫度的改變可單獨地基于氣價或電 價、基于氣價和電價二者和/或基于氣價與電價的比值。此外，當控制器115改變切換設定點時可考慮附加因素。這些修 正因素可以包括但不限于待加熱的環境溫度，以及加熱系統105、 110 及其部件如蒸發器、冷凝器熱交換器130、 145和氣體熱交換器160 的大小和效率。這種校正因素可以在系統100的制造期間在工廠預編 程或上載到控制器115中。在另一個實施例中，控制器115還包括延 遲功能以防止隨著切換設定點的改變而在氣體和電之間快速的循環， 以進一步優化加熱系統100的運行，降低循環損耗并提高系統可靠性。 在這種情況下，控制器115根據室內/室外環境條件以及電價和氣價 的"歷史，，趨勢來適應加熱系統100的運行。在另一個實施例中，控制器115可基于各種因素來改變切換設定 點，這些因素包括對環境溫度在預定未來時間將會如何的預測，和/ 或電價和氣價的歷史趨勢。在又一個實施例中，加熱系統100具有用于單回路(如變速壓縮機 和/或風扇、壓縮機旁路等)的卸載裝置或結合多個獨立回路，并且在 某些環境條件下對于此系統可獲得的最佳運行，其基于用于最佳運行 效率的類似標準，通過組合的熱泵和氣體熱運行來獲得。在又一個實施例中，如果電網接近于過載點運行，則為了防止供換到氣體加熱的信號。提供了一種用于經由計算機系統來控制具有熱泵105和輔助氣體12加熱110的加熱系統100。該方法包括至少周期性地接收至少有關電 和/或加熱氣體當前價格的數據，并響應電價和加熱氣體價格中至少一 個價格的變化來自動地改變切換設定點。在一個實施例中，該方法包 括連續地接收數據。在該方法的一個實施例中，電價和/或氣價方面的變化為電價和氣 價之間比值的變化。切換設定點的環境溫度隨著電價相對于氣價的上 升而提高，且隨著所述電價相對于氣價的下降而降低。該方法還可包括在切換設定點、電價和/或氣價之間設定預定的數 學關系。根據預定的數學關系，切換設定點的環境溫度隨著電價的上 升而提高，且隨著電價的下降而降低。以上所述的實施例包括利用加熱氣體(例如天然氣、丙烷、丁烷等) 的輔助加熱系統。本發明不限于具有輔助氣體加熱的加熱系統，并且 可包括利用熱源或物品如油、氣體加熱的水或空氣的輔助加熱系統， 或利用非電資源的其它系統。本發明基于時間的具體情況下的熱源價格和電價、或基于這些價 格的趨勢分析，優選是通過在信息網絡如因特網上獲得此類信息，來 調整和優化配備有輔助熱功能的熱泵系統的切換設定點。在一個實施 例中，輔助加熱功能為氣體加熱功能。在熱泵模式和氣體加熱模式之 間的最佳切換設定點主要取決于室內和室外的熱力學條件、氣價與電 價的比值以及兩種運行模式中加熱系統的熱效率。 一般而言，此系統 和方法通過在氣價相對于電價下跌時利用輔助氣體加熱，或在氣價相 對于電價上漲時限制使用輔助氣體加熱來降低運行成本。根據上述因 素，系統控制器確定哪種運行模式最為經濟。另外，如果控制器的自 適應邏輯考慮了電價和氣價以及室內/室外溫度概況的"歷史"趨勢， 則此信息隨后可進一步有助于增強運行效率、限制切換循環次數、降 低循環損耗和提高系統可靠性。隨著越來越多的住宅和商業建筑配備有一體地連接至定位在建 筑結構內的各種電子器件如壁式溫度調節裝置的因特網能力，在其中可在因特網上遠程地調整溫度設定，該系統和方法變得愈加恰當和實 際。通過基于電價和氣價的波動而在電力和加熱氣體供應之間實時地 切換，本發明的系統和方法使消費者的節約最大化。備選方案、組合和修改。本發明意圖包括屬于所附權利要求范圍內的 所有的這種備選方案、修改和變型。
權利要求
1.一種用于經由計算機系統來控制具有熱泵(105)以及輔助加熱(110)的加熱系統(100)的方法，包括至少周期性地接收有關電以及所述輔助加熱(110)源中至少一個的當前價格的數據；響應所述電價以及所述輔助加熱(110)的所述源價格中至少一個的價格變化來自動地改變切換設定點，其中，所述切換設定點至少為環境溫度，在所述環境溫度上所述加熱系統(100)在所述熱泵(105)的運行以及所述輔助加熱(110)的運行之間切換。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述輔助加熱(IIO) 從由以下熱源組成的組中選出的熱源^是供油、氣體、熱水和熱空氣。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述電價以及所 述熱源的所述價格中至少 一 個的所述變化為所述熱源的所述價格和 所述電價之間比值的變化。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述切換設定點 環境溫度隨著所述電價相對于所述熱源的所述價格的上升而提高，并 且其中，所述切換設定點環境溫度隨著所述電價相對于所述熱源的所 述價格的下降而降低。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，改變所述切換設至少基于所述切換設定點環境溫度和所述電價以及所述熱源的 所述價格中的至少 一個之間的預定數學關系來改變所述切換設定點 環境溫度；根據所述熱泵(105)的運行以及所述輔助加熱(110)的運行中的至 少 一個的性能圖來改變所述切換設定點；響應從由以下特性組成的組中選出的至少 一 個特性的趨勢來改 變所述切換設定點電價、所述輔助加熱(110)的所述源價格、環境溫度、室內溫度及其任何組合；和在預定未來時間所述環境溫度將會如何的預測、電價以及氣價的歷史 趨勢及其組合。
6. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括連 續地接收所述數據。
7. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述系統(100)由 以下系統組成的組中選出單回路系統，其中，所述系統(100)包括卸載裝置，其中在所述熱 泵(105)的運行以及所述輔助加熱(110)的運行之間的切換包括卸載所 述熱泵(105)，和具有多個獨立回路的多回路系統，其中，所述切換包括關閉所述熱泵(105)的至少一個回^各。
8. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 響應于顯示電網中潛在過載的信號來自動地從所述熱泵(105)的運行 切換到所述輔助加熱(110)的運行。
9. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 經由因特網來接收環境溫度信息。
10. —種加熱系統(IOO),包括 熱泵(105); 輔助加熱系統(110);控制器(115)，其連接至所述加熱系統(100),用于控制切換設定點， 其中，所述切換設定點至少為環境溫度，在所述環境溫度上所述控制 器(115)在所述熱泵(105)的運行以及所述輔助加熱(110)源的運行之間 切換，其中，所述控制器(115)連接至信息源(195)，所述信息源(195)提 供當前電價以及所述輔助加熱(110)的所述源的當前價格中的至少一 個，和其中，所述控制器(115)響應于所述電價以及所述輔助加熱(110)的所述源的所述價格中的至少一個的改變來改變所述切換設定點。
11. 根據權利要求15所述的系統，其特征在于，所述輔助加熱(l 10) 從由以下熱源組成的組中選出的熱源提供油、氣體、熱水和熱空氣。
12. 根據權利要求IO所述的系統，其特征在于，所述信息源(195) 為數據庫，所述數據庫以所述電價以及所述輔助加熱(UO)的所述源的 所述價格的當前值來實時更新。
13. 根據權利要求IO的所述系統，其特征在于，所述控制器(115) 經由由以下網絡組成的組中選出的網絡連4妻至所述信息源(195):局域 網、內聯網、因特網及其任意組合。
14. 根據權利要求IO所述的系統，其特征在于，所述信息源(195) 為因特網中周期性更新的網站。
15. 根據權利要求IO所述的系統，其特征在于，所迷系統還包 括界面(118),所述界面(118)連接至所述控制器(115),用于提供和接 收至少有關所述環境溫度、所述電價以及所述輔助加熱(110)的所述源 的所述價格中的至少 一 個的信息。
16. 根據權利要求IO所述的系統，其特征在于，所述控制器(115) 以由以下頻率組成的組中選出的頻率來接收所述電價以及所述輔助 加熱(110)的所述源的所述價格中的至少一個至少周期性地和連續 地。
17. 根據權利要求IO所述的系統，其特征在于，所述控制器(115) 連接并控制溫度調節裝置，其中，所述溫度調節裝置在所述熱泵(105)的運行以及所述加熱系統(l IO)的運行之間切換。
18. 根據權利要求IO所述的系統，其特征在于，所述控制器(115)計算所述電價和所述輔助加熱(110)的所述源的所述價格之間的 比值，并且響應所述比值的變化來改變所述切換設定點，包括所述切 換設定點環境溫度；隨著所述電價相對于所述輔助加熱(110)的所述源的所迷價格的 上升來提高所述切換設定點環境溫度，以及隨著所述電價相對于所述 輔助加熱(l IO)的所述源的所述價格的下降來降低所述切換設定點的環境溫度；基于所述切換設定點和所述電價以及所述輔助加熱(110)的所述 源的所述價格中的至少 一 個之間的預定數學關系來改變所述切換設 定點；根據所述熱泵(105)的運行以及所述輔助加熱(110)的運行中的至 少 一個的性能圖來執行所述切換設定點的改變；響應由以下特性組成的組中選出的至少一個特性的趨勢來改變 所述切換設定點電價、所述輔助加熱(110)的所述源價格、環境溫度、 室內溫度及其任一組合；和所述環境溫度在預定未來時間將會如何的預測、電價以及氣價的歷史 趨勢及其組合。
19. 根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述系統(IOO) 選自由以下系統組成的組包括卸載裝置的單回路系統，其中，在所述熱泵(105)的運行以及具有多個獨立回3各的多回路系統，其中，所述切換包括關閉所述 熱泵(105)的至少一個回^各。
20. —種用于控制加熱系統的系統或方法，其如此處此前參照附 圖的圖1所描述。
全文摘要
提供了空間加熱系統(100)，其包括熱泵(105)、輔助氣體加熱系統(110)以及連接到加熱系統(100)上的控制器(115)。控制器(115)控制切換設定點，其在最簡單的情況下為環境溫度，在該環境溫度上控制器(115)在熱泵(105)的運行以及輔助氣體加熱系統(110)的運行之間切換。控制器(115)連接到實時信息源(195)上，該實時信息源(195)提供了當前的電價以及熱源如氣體的當前價格中的至少一個，并且響應于電價以及氣價中至少一個的變化來改變切換設定點。還提供了用于控制加熱系統(100)的方法。
文檔編號F25B13/00GK101326414SQ200580052275
公開日2008年12月17日 申請日期2005年10月18日 優先權日2005年10月18日
發明者A·利夫森, M·F·塔拉斯 申請人:開利公司