TWI573969B - 串聯式浮動中介溫度熱幫浦系統 - Google Patents

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Description

串聯式浮動中介溫度熱幫浦系統
通常採用熱幫浦來對一目標空間或區(通常係一住宅或商業建築之室內區域)提供加熱或冷卻。最常見類型之熱幫浦係氣源式熱幫浦，其在一目標空間與另一空間(通常一周圍環境)中之空氣之間轉移並放大熱。針對加熱、通風及空氣調節/製冷(HVAC/R)應用，熱幫浦通常利用蒸汽壓縮製冷循環，其中一循環冷媒用作自一個空間吸收熱且隨後在別處排出熱之介質。
在一單級蒸汽壓縮熱幫浦系統中，冷媒流動穿過吸收熱且產生一蒸汽之一蒸發器且然後在進入一冷凝器以排出熱之前流動至提供必需壓力增加之一壓縮機。然後在返回至蒸發器之前使用諸如一熱膨脹裝置(TXV)之一膨脹裝置來使製冷膨脹至一低壓力。亦通常使用風扇或送風機來將加熱或冷卻效應轉移至目標空間或周圍環境。由於低周圍溫度下冷媒之低吸入壓力以及以高壓縮比高效地操作壓縮機及壓縮具有大比容之冷媒之困難，因此單級蒸汽壓縮系統對寒冷氣候加熱應用並不實用。
一種習知寒冷氣候加熱解決方案係一多級串聯式熱幫浦系統，其中多個單獨蒸汽壓縮循環彼此耦合，其中較高級循環之蒸發器移除緊鄰的較低級循環之冷凝冷媒之熱。一多級串聯式系統中之每一循環通常使用適合於彼溫度之一不同冷媒，其中冷媒經選擇以最適合於其操作條件。當與單級系統相比較時，多級串聯式熱幫浦系統具有一較低蒸 發溫度、較小壓縮比及較高壓縮機容積效率之優點。
二級串聯式系統已用於HVAC/R中達數十年。然而，此等傳統二級串聯式系統遭受因較低級中之冷凝溫度與較高級中之蒸發溫度的重疊所致之固有無效性。可藉由引入一液-汽熱交換器及若干過熱解除器來部分避免此缺點。然而，持續需要開發具有增加能量效率之串聯式熱幫浦系統。
本文中闡述一種熱幫浦系統之實施例，其包括具有一第一壓縮機、一第一冷凝器、一第一膨脹閥及一第一蒸發器之一第一級。該系統亦具有一第二級，該第二級具有一第二壓縮機、一第二冷凝器、一第二膨脹閥及一第二蒸發器。該第一冷凝器及該第二蒸發器經定位以將熱自該第一冷凝器泵送至該第二蒸發器。至少該第一壓縮機或該第二壓縮機係一可變速度壓縮機。該系統亦包括一電子控制模組，該電子控制模組經組態以控制至少該第一壓縮機或該第二壓縮機之速度。熟習此項技術者應理解，可使用多個冷凝器來將熱遞送至多個空氣處理器。雖然本發明之一項實施例在每一級中使用兩個可變速度壓縮機，但熟習此項技術者應理解，亦可藉由使用一個可變速度壓縮機及一個固定速度壓縮機來獲得某些益處。在某些實施例中，該第一壓縮機或該第二壓縮機係一固定速度壓縮機。在某些實施例中，該第一壓縮機及該第二壓縮機兩者皆係可變速度壓縮機。在某些實施例中，該第一壓縮機、該第二壓縮機 或兩者係由可變頻率驅動器供電。在某些實施例中，該第一壓縮機、該第二壓縮機或兩者係由電子換向馬達供電。在某些實施例中，該第一膨脹閥、該第二膨脹閥或兩者係脈動熱膨脹閥。在某些實施例中，該熱幫浦系統進一步包括至少一個可變速度風扇或送風機。在某些實施例中，該熱幫浦系統進一步包括經組態以將溫度資料發送至該電子控制模組之複數個溫度感測器。在某些實施例中，該熱幫浦系統進一步包括經組態以將吸入壓力資料自該第一級發送至該電子控制模組之一壓力感測器。在某些實施例中，該熱幫浦系統進一步包括該第一級中之一第一冷媒及該第二級中之一第二冷媒。在某些實施例中，該第一冷媒係不同於該第二冷媒。在某些實施例中，該熱幫浦系統進一步包括一第三級，該第三級具有一第三壓縮機、一第三冷凝器、一第三膨脹閥及一第三蒸發器且經組態以將熱自該第二冷凝器泵送至該第三蒸發器。
本文中亦闡述控制一串聯式熱幫浦系統之方法之實施例，其包括：提供具有一第一壓縮機、一第一冷凝器及一第一蒸發器之一第一熱幫浦級；提供具有一第二壓縮機、一第二冷凝器及一第二蒸發器之一第二熱幫浦級，其中該第一冷凝器及該第二蒸發器經定位以將熱自該第一冷凝器泵送至該第二蒸發器，且其中至少該第一壓縮機或該第二壓縮機係一可變速度壓縮機；及控制至少該第一壓縮機或該第二壓縮機之速度以使該系統在一預定熱負載下之一效能係數最大化。在某些實施例中，該第一壓縮機或該第二 壓縮機係一固定速度壓縮機。在某些實施例中，該第一壓縮機及該第二壓縮機兩者皆係可變速度壓縮機。在某些實施例中，控制速度包括自至少一個感測器接收資料。在某些實施例中，該感測器係一壓力感測器或溫度感測器。在某些實施例中，藉由控制至一可變頻率驅動器之電力來控制至少該第一壓縮機或該第二壓縮機之速度。在某些實施例中，藉由控制至一電子換向馬達之電力來控制至少該第一壓縮機或該第二壓縮機之該速度。在某些實施例中，控制一串聯式熱幫浦系統之該方法進一步包括控制經組態以在該第一蒸發器上方吹送空氣之一風扇之速度。在某些實施例中，控制一串聯式熱幫浦系統之該方法進一步包括控制經組態以在該第二蒸發器上方吹送空氣之一風扇之速度。在某些實施例中，控制一串聯式熱幫浦系統之該方法進一步包括在該第一冷凝器與該第一蒸發器之間提供一脈動熱膨脹閥。在某些實施例中，控制一串聯式熱幫浦系統之該方法進一步包括在該第二冷凝器與該第二蒸發器之間提供一脈動熱膨脹閥。
為增加一串聯式熱幫浦系統之效率，可以獨立可變速度來操作壓縮機及風扇或送風機。因此，可連續調整若干級之間的中介溫度且因此每一循環中之溫度提升以產生最大化總效率。
可變速度控制允許一串聯式熱幫浦系統維持加熱或冷卻應用之一高容量及效能係數(COP)兩者。如本文中所使 用，容量係指一熱幫浦能夠釋放熱至一目標空間或自一目標空間排出熱之速率。COP係一熱幫浦之能量效率之一指示。針對加熱，一串聯式熱幫浦系統之COP係定義為由系統泵送(亦即，轉移)至目標空間之熱之量與輸入至系統中之功之量的比： 其中QH係系統加熱容量(跨越冷凝器轉移至目標空間之熱)，且ΣWi表示輸入至系統中之功之總和。針對空氣調節/製冷，COP係定義為由系統自目標空間轉移之熱與輸入至系統中之功之量的比： 其中QC係系統冷卻容量(跨越蒸發器自目標空間轉移之熱)，且ΣWi表示輸入至系統中之功之總和。
圖1圖解說明經組態以加熱或冷卻一住宅或商業建築之一熱幫浦系統之一常見組態。熱幫浦系統110包含至少一個壓縮機120、室外蒸發器/冷凝器130、膨脹閥140及室內蒸發器/冷凝器150，其全部經由攜載一冷媒(未展示)之管道160而流體連通。風扇170及送風機180係展示為將蒸發器/冷凝器130、150之加熱或冷卻效應轉移至室外周圍環境105或轉移至建築190之室內目標空間195。圖1中所繪示之熱幫浦系統係一單速、單級蒸汽壓縮系統。
串聯式浮動中介溫度熱幫浦
圖2係圖解說明係展示為經組態以提供熱至一目標空間 298之一可變速度二級串聯式浮動中介溫度熱幫浦(CFITHP)系統200之一項實施例之一圖。CFITHP系統200包含藉由一串聯式熱交換器230而彼此耦合之兩個蒸汽壓縮系統或級220、240，其中使用自第一級220之含有冷凝冷媒之冷凝器224供應之熱來使第二級之蒸發器248中之冷媒蒸發。
每一級220、240利用一熱力蒸汽壓縮循環，其中一冷媒行進穿過一壓縮機、冷凝器、膨脹閥及蒸發器。第一級220循環及第二級240循環分別由點201至204及205至208識別。自201至202，藉由壓縮機222來壓縮第一級220冷媒，從而提高第一級220冷媒之壓力。自202至203，然後藉由冷凝器224將第一級220冷媒自蒸汽轉換成一飽和或過冷液體，藉此釋放熱QX至串聯式熱交換器230之第二級240蒸發器部分248中。在203與204之間，第一級220冷媒通過膨脹閥226，該膨脹閥226減小第一級220冷媒之壓力，藉此冷卻第一級220冷媒。自204至201，第一級220冷媒行進穿過蒸發器228，其中第一級220冷媒自周圍環境296吸收熱QC，從而導致第一級220冷媒變成飽和或稍微過熱蒸汽。
自205至206，藉由壓縮機242來壓縮第二級240冷媒，從而提高第二級240冷媒之壓力。自206至207，然後藉由冷凝器244將第二級240冷媒自一蒸汽轉換成一飽和或過冷液體，藉此釋放熱QH至目標空間298中。在207與208之間，第二級240冷媒通過膨脹閥246，該膨脹閥246減小第二級240冷媒之壓力，藉此冷卻第二級240冷媒。自208至205， 第二級240冷媒行進穿過蒸發器248，其中第二級240冷媒經由串聯式熱交換器230自第一級220冷凝器224吸收熱QX，從而導致第二級240冷媒變成蒸汽。
串聯式熱交換器230在第一級220冷凝器224與第二級240蒸發器248之間提供高效熱轉移。串聯式熱交換器可係任一類型之熱交換器，其包含(但不限於)管中管式、管殼式、板式、微通道或迷你通道式及螺旋式熱交換器。
由於第二級與第一級之間的操作溫度之差異，最高效解決方案通常係在每一級中使用不同冷媒。特定而言，第二級240中之冷媒應通常具有高於第一級220中之冷媒之一沸點。第二級中之較高沸點冷媒之使用需要較小壓力、通常一較低壓縮比且因此較少第二級壓縮機功。舉例而言，CFITHP系統可在第二級中使用R-134a且在第一級中使用R-410a。R-134a之沸點係高於R-410a之沸點40℉。然而，在某些實施例中，CFITHP系統在第一級中使用一較高沸點冷媒且在第二級中使用一較低沸點冷媒。舉例而言，CFITHP系統可在第二級中使用R-410a且在第一級中使用R-134a。同樣地，在某些實施例中，CFITHP系統在兩個級中使用相同冷媒。可使用其他冷媒，其包含(但不限於)R-12、R-22、R-290、R-404a、R-407c、R-417a、R-500、R-502、R-600a、R-717及R-744。
此外，可利用風扇或送風機262、264來分佈來自冷凝器224/244或蒸發器228/248之加熱或冷卻效應。術語「風扇」及「送風機」兩者在本文中同義地使用以廣泛包含引 起一氣體(通常係空氣)內之流動之任一裝置。
如圖2中所示，CFITHP系統200經組態以自周圍環境296泵送熱至一目標空間298。然而，在某些實施例中，冷媒流動可係反向的，從而導致蒸發器228/248充當冷凝器且冷凝器224/244充當蒸發器。在此一反向流動操作中，CFITHP系統200將自目標空間298泵送熱至周圍環境296，從而冷卻目標空間298。冷媒流動之反向且因此熱轉移之方向之反向可使用此項技術中所習知之換向閥來達成。
如圖2中所示，使用一單個冷凝器244來將熱遞送至目標空間298。然而，在某些實施例中，可使用多個冷凝器來將熱遞送至目標空間298，舉例而言，藉由將熱遞送至多個空氣處理器。同樣地，在CFITHP系統200經組態以冷卻目標空間298之情況下，可(舉例而言)藉由將冷卻遞送至多個空氣處理器來使用多個蒸發器。
圖2中進一步展示提供CFITHP系統200之最大化效率之電子系統控制。一電子控制模組(ECOM)270係展示為連接至分別供電壓縮機222、242之兩個控制器(VFD)272、274，及分別供電風扇/送風機262、268之兩個控制器(VFD)276、278。ECOM 270進一步連接至感測器280、282、284、286，該等感測器將可用於控制系統之資料發送至ECOM。舉例而言，感測器280可經組態以將以下資料發送至ECOM：第一級吸入壓力；第一級吸入溫度；或周圍環境溫度。感測器282及284可經組態以分別發送第一級冷凝器溫度資料及第二級蒸發器溫度資料。類似地，感測 器286可經組態以發送以下資料，舉例而言，目標空間(例如，室內)溫度、第二級冷凝溫度或第二級冷凝壓力。ECOM 270亦可連接至一恒溫器288。可由感測器發送至ECOM之其他資料可包含壓縮機速度、風扇或送風機速度、冷媒體積流動速率及個別系統組件(諸如壓縮機)之電特性(例如，安培數、電壓及/或相位角)。傳送至ECOM之資訊以及感測器及恒溫器之類型、數目及位置可相依於系統之配置而改變。舉例而言，在一項實施例中，CFITHP系統200包含經組態以發送第一級吸入壓力資料之一感測器及經組態以發送室內(亦即，目標空間)溫度資料之一感測器。除感測器外，在某些實施例中，ECOM亦可進一步接收來自一使用者輸入裝置290及一電子記憶體292之資料。在某些實施例中，使用者輸入裝置包含一使用者介面。如下文進一步論述，使用所接收資料，ECOM 270獨立且動態地改變壓縮機222、242及風扇/送風機262、264之速度以達成藉由COP所量測之針對一既定容量之最大化系統效率。
儘管圖2中所繪示之實施例具有兩個級，但某些實施例包含具有三或四級之串聯式熱幫浦系統。此外，在某些實施例中，藉由用可變速度壓縮機替換壓縮機且進一步提供經組態以控制可變速度壓縮機之速度之一電子控制模組來更改一習知串聯式熱幫浦系統組態。如此，某些實施例並不限於圖2中所繪示之串聯式系統之組織，而是針對習知串聯式系統之改良-此可在組成上不同於圖2中所繪示之系 統-藉由如本文中所闡述添加可變速度壓縮機控制。
同樣地，儘管圖2中所繪示之實施例具有兩個可變速度壓縮機，但在某些實施例中，僅一個級使用一可變速度壓縮機，而另一級使用一固定速度壓縮機。熟習此項技術者將瞭解，可藉由將一個可變速度壓縮機及一個固定速度壓縮機一起使用來實現使用兩個可變速度壓縮機獲得之益處中之某些益處。
可變速度壓縮機控制
在圖2中所繪示之實施例中，壓縮機222、242係由控制器(可變速度驅動器(VSD)(亦稱為可變頻率驅動器(VFD)))供電。此等控制器(VFD)闡述於序號為12/510139及12/510140之美國專利申請案中，該等美國專利申請案特此以全文引用之方式明確併入本文中。控制器(VFD)藉由更改施加至馬達之頻率及/或電壓而改變電馬達之速度同時維持轉矩及效率。當用於一串聯式熱幫浦系統中時，使用控制器(VFD)來供電壓縮機222、242提供眾多效率益處。
首先，在一串聯式熱幫浦系統中使用控制器(VFD)來供電壓縮機允許系統調整-亦即，「浮動」-串聯式熱交換器中之中介溫度以產生最高總系統COP。針對一既定目標空間溫度及周圍溫度，系統之總COP隨每一循環中之溫度提升而改變，每一循環中之溫度提升係相依於串聯式熱交換器中之中介溫度。
其次，在一串聯式熱幫浦系統中使用控制器(VFD)來供 電壓縮機進一步藉由使串聯式熱交換器230內之第一級220之冷凝器224與第二級240之蒸發器248之間的溫度重疊最佳化而增加系統之效率。壓縮機222、242中之每一者之可變速度允許CFITHP系統200獨立地調整第一級220中之冷凝器溫度及第二級240之蒸發器溫度以使重疊最佳化。此允許在一既定容量下以蒸汽壓縮級220、240中之每一者之最大化效率之熱力「甜蜜點(sweet spot)」操作。
針對用以在第一級220冷凝器224與第二級240蒸發器248之間提供一高效熱轉移之串聯式熱交換器230，較低級冷凝器與較高級蒸發器之間的某一溫差△T係必需的。出於相同原因，第二級冷凝器與目標空間溫度之間以及第一級蒸發器與周圍環境溫度之間的某一△T亦係必需的。△T係跨越熱交換器(亦即，冷凝器或蒸發器)移動之熱能(熱通量)之一函數。在部分負載之條件下，熱通量係較低的，藉此需要一較低△T。藉由獨立地控制冷凝器224、244及蒸發器228、248之溫度，CFITHP系統200可將每一熱交換器之△T控制為對應於最大總系統效率之一理想值，其中溫度重疊經最佳化。
第三，使用控制器(VFD)移除對欲循環接通或關斷之系統之限制。舉例而言，具有控制器(VFD)之一熱幫浦系統可以對應於使其溫度受控之環境之加熱或冷卻負載之一速度操作壓縮機。舉例而言，若受控環境需要5000瓦特之加熱，則壓縮機可以對應於提供所需5000瓦特之熱的一速度操作。此允許系統中之經改良能量效率，此乃因避免重複 開始及停止壓縮機所經歷之能量無效且熱轉移表面將以較高效率操作。
同樣地，當與其中壓縮機係接通或關斷之習用熱幫浦系統相比較時，在一受控環境中之設定點周圍的溫度死帶(temperature deadband)顯著減小。在習用熱幫浦系統中，為防止關斷與接通之間的頻繁狀態改變，控制系統工作具有一死帶特性。在此等系統中，溫度偏離對應於死帶。舉例而言，在某些系統中，系統之死帶係4℉。若溫度經設定為72℉，則一旦環境之溫度係72℉，壓縮機即關斷。然而，由於4℉之死帶，壓縮機將不再次接通直至環境之溫度係68℉為止。相比而言，在具有控制壓縮機之控制器(VFD)之一熱幫浦系統中，電子控制系統遞增地增加及減小壓縮機之速度以提供對環境中之溫度之精確控制。因此，存在較小死帶或無死帶，且因此，存在溫度之一致性與電力消耗之間的顯著減小的折衷。
作為使用控制器(VFD)來供電壓縮機之一替代方案，熟習此項技術者將瞭解並理解，利用用於可變地控制壓縮機之速度之任一其他構件之實施例歸屬於本發明之範疇內。舉例而言，可使用此項技術中眾所周知之電子換向馬達(ECM)。ECM係由電子控制電路驅動，該電子控制電路可提供對ECM之可變速度控制。舉例而言，為提供對一ECM之可變速度控制，可使用控制電路來減小供應至馬達之電壓。同時，端視供應至馬達之可變電壓，可施加一實質上平滑控制電壓以控制一脈衝寬度調變器，該脈衝寬度調變 器產生亦控制至馬達之能量流動之輸出脈衝。
使用控制器(VFD)來為壓縮機提供可變速度控制之其他替代方案包含(但不限於)直接控制。在直接控制中，藉由改變電樞電壓或場電流來控制一DC馬達之速度。
風扇/送風機速度控制
在圖2中所繪示之實施例中，CFITHP系統200亦利用一或多個風扇/送風機262、264。與壓縮機相比較，風扇及送風機電力需求受可變速度操作而非固定速度操作之影響更顯著。針對50%負載下之一單速風扇或送風機，基於運行時間，電力消耗係大約50%。然而，在可變速度操作下，基於支配風扇定律，當空氣流動速率係50%時僅需要12.5%之電力。藉助現代馬達技術，可實現幾乎全部此效能改良。
冷凝器及蒸發器效能亦受熱負載之調變之強烈影響。熱交換器中之每一者之效率隨熱負載減小而增加。此具有升高蒸發器溫度及降低冷凝器溫度之效應，藉此減小壓縮機上之負載，且因此減少其電力消耗。如此，作為改變壓縮機速度之一添加或替代方案，電子控制系統可改變風扇/送風機速度，此亦影響串聯式熱交換器中之中介溫度。
如同壓縮機，可使用提供可變速度控制之任一構件(其包含(但不限於)控制器(VFD)、ECM或直接馬達控制)來達成可變速度風扇或送風機操作。
給定對一既定系統之要求及限制，風扇及/或送風機之數目、配置、類型及速度控制可改變。舉例而言，在某些 實施例中，CFITHP系統可使用僅一個單速室外(亦即，周圍環境)風扇，及由一ECM供電之一個可變速度室內(亦即，目標空間)送風機。在其他實施例中，不使用可變速度類型風扇/送風機。
電子控制系統
在一項實施例中，CFITHP系統200併入有一電子控制模組(ECOM)270以控制壓縮機222、242及風扇/送風機262、264中之至少一者之可變速度操作。ECOM可採取一電路板之形式，但亦可包括一通用電腦，或能夠接收輸入、分析輸入及輸出控制信號之任一其他裝置。
圖3係ECOM 270藉以動態地改變壓縮機222、242及風扇/送風機262、264中之一或多者之速度以達成藉由COP量測之最大化總系統效率之一個具體化控制程序之一流程圖。首先，在步驟310中，ECOM輸入欲用於控制系統之資料。在某些實施例中，此等資料包含(但不限於)目標空間(例如，室內)溫度、周圍溫度、第一級冷凝器中之溫度、第二級蒸發器中之溫度、系統組件之電特性(例如，安培數、電壓及/或相位角)、壓縮機速度及風扇/送風機速度。在一項實施例中，用於使熱幫浦操作最佳化之資料包含第一級吸入壓力及室內(亦即，目標空間)溫度。作為第一級吸入壓力之一替代方案，可提供第一級吸入溫度或室外(亦即，周圍)溫度。此外，作為室內溫度之一替代方案，可提供第二級冷凝溫度或第二級冷凝壓力。用於系統控制之其他資料可包含(舉例而言)所使用冷媒之熱物理性質以 及壓縮機及風扇/送風機之效率曲線。此等資料中之某些資料可自系統內之一或多個感測器280、282、284、286輸入，而其他資料可自其他來源(舉例而言，包含(但不限於)自電子記憶體292、一恒溫器288或一使用者輸入裝置290)輸入。
接下來，在控制程序之步驟320中，ECOM 270判定系統之熱負載。在一項實施例中，熱負載經預定，可由使用者輸入或自一電子記憶體提供。在另一實施例中，ECOM使用當前所遞送之系統容量作為熱負載。在其他實施例中，ECOM係基於室內溫度與一所要溫度之間的差而判定熱負載。在另一實施例中，使用來自恒溫器288之對空間調節之第二級呼叫來增加容量直至第二級呼叫減輕為止。在判定熱負載中，目的係提供保持目標空間298處於所要溫度之一熱通量。舉例而言，可藉由一恒溫器288、使用者輸入裝置290、電子記憶體292或任何其他源來提供所要溫度。在某些實施例中，ECOM隨時間監測目標空間溫度以便判定熱負載。在一項實施例中，輸入室內溫度且然後計算室內溫度之一時間速率改變以判定溫度對時間以便增加或減小熱幫浦容量。所遞送之容量直接影響室內溫度改變之速度。因此，ECOM可設定熱負載以對應於室內溫度改變之一目標速率。室內溫度改變之目標速率可受多個考量因素(包含(但不限於)能量效率、舒適感、雜訊位準、使用者輸入、當日時間及/或感測器輸入)影響。在一項實施例中，ECOM預測系統之未來需求負載，舉例而言，藉由在 給定一系列先前室內溫度資料之情形下使用外推法或線性回歸法。ECOM可然後判定用以滿足未來需求負載而非目前需求負載之熱負載。
接下來，在控制程序之步驟330中，ECOM 270判定產生熱負載之最大系統COP之理想壓縮機速度及風扇/送風機速度。ECOM使用一最佳化程序來判定熱負載之較低循環溫度提升與較高循環溫度提升之最高效組合-且因此判定理想壓縮機及風扇/送風機速度。最佳化程序考量影響效率之眾多因素，其包含(但不限於)：針對各種吸入溫度/壓力之壓縮機容量及效率曲線；針對至目標空間之熱排出/遞送之風扇/送風機效率曲線；及跨越每一熱交換器之高效熱通量所需之溫度重疊。最佳化程序判定最高效第一循環溫度提升及第二循環溫度提升，以及達成彼等理想溫度提升所需之對應理想壓縮機及風扇/送風機速度。熟習此項技術者將理解如何開發此一最佳化程序，舉例而言，該最佳化程序可使用理論、經驗資料或該兩者之一組合來導出。
舉例而言，在某些實施例中，最佳化程序藉由計算針對一潛在溫度提升範圍之熱負載下之系統COP，且然後選擇對應於最高總系統COP之溫度提升來判定理想壓縮機及風扇/送風機速度。然後，最佳化程序判定對應於該等所選擇溫度提升之理想壓縮機速度及風扇/送風機速度。ECOM可依據壓縮機及風扇/送風機所需要之功來計算系統之COP以達成每一組潛在溫度提升。壓縮機及風扇/送風機所需 要之功可由壓縮機及風扇/送風機效率曲線來判定。最佳化程序亦考量跨越每一熱交換器之高效熱通量所需之溫度重疊。儘管此實例闡述判定壓縮機及風扇/送風機之理想速度，但在某些實施例中，僅判定理想壓縮機速度。
接下來，在控制程序之步驟340中，ECOM 270將壓縮機速度及風扇/送風機速度調整成其理想速度以便達到滿足熱負載之最大系統COP。為達成此，ECOM發送資料(例如，一信號)至每一控制器272、274、276及278以視需要增加、減小或維持速度以匹配由最佳化程序判定之理想速度。在某些實施例中，ECOM 270藉由量測實際所遞送之系統容量及功輸入且比較彼等值與在最佳化程序中所判定之彼等值來驗證系統COP已係最大化。在其他實施例中，ECOM驗證所遞送之系統容量滿足熱負載。若ECOM判定COP尚未最大化或尚不滿足熱負載，則其可進行校正調整。舉例而言，此等校正調整可包含增加或減小一或多個壓縮機及/或風扇/送風機速度。ECOM亦可調整其針對最佳化程序所使用之資料以反映實際所量測之條件。
在步驟340之後，於步驟350中，ECOM 270在循環回至步驟310之前等待預定量之時間。舉例而言，預定時間可包含0.01秒、0.05秒、0.1秒、0.02秒、0.5秒、1秒、2秒、5秒、10秒、30秒、1分鐘、2分鐘、10分鐘、1小時、1天或低於先前值、高於先前值或在先前值之間的任一值。在其他實施例中，控制程序係立即重複，而無需等待預定量之時間。在某些實施例中，除特定量之時間之流逝以外， 在一事件(舉例而言，包含使用者輸入、當日時間、日期或感測器輸入)發生時重複控制程序。
在某些實施例中，同時進行判定熱負載之步驟及判定理想系統條件之步驟。舉例而言，可依據系統COP判定熱負載及目標空間溫度改變之對應速率。舉例而言，若一較高熱負載係能更高效地將目標空間溫度升高至所要溫度，則將熱負載將設定為較高值以產生增加之能量效率。舉例而言，某些考量因素(諸如最大系統容量、舒適感、最小速度改變速率及雜訊)仍可提供對此實施例中之熱負載判定之限制。
用於達成最大總系統效率之此方法論可藉由一人類操作者來實施；然而，ECOM 270之使用提供更快速、更準確之系統調整。
脈動冷媒流量控制
在CFITHP系統200之一項實施例中，膨脹閥226、246包括脈動熱膨脹閥(PTXV)，如美國專利第5,675,982號、第6,843,064號及第5,718,125號中所闡述，該等美國專利特此以全文引用之方式明確併入本文中。
與習用熱膨脹閥(TXV)不同，PTXV脈動以調變冷媒之流量。PTXV之使用產生各種益處。習用TXV通常在一±7℉範圍中調變冷媒過熱，而PTXV允許對過熱之接近±0.5℉的精確調變。如此，PTXV藉由充分利用蒸發器之表面積來增加一熱幫浦之COP。同樣地，一PTXV藉由消除在冷媒在進入壓縮機之前尚未充分蒸發之情形下可發生之潛在 溢流來保護壓縮機。PTXV亦具有對改變流量及壓力條件之一更快速回應。脈衝效應亦增加蒸發器及冷凝器中之熱轉移，此乃因液體脈衝在此等熱交換器中打破熱及流體動力邊界，藉此增加其效率。
PTXV之使用亦係有益的，此乃因CFITHP系統利用改變壓縮機速度，此產生至冷凝器及至蒸發器之可變冷媒流量。習用TXV在其回應方面通常太遲鈍且不能夠處理或利用改變冷媒流量且擺動或溢流，因此降低蒸發器效率及系統效能。為達成此等可變冷媒流量之所要優點，根據此實施例，使用PTXV來在所有冷媒流量下產生一完全範圍之蒸發器過熱控制而不使蒸發器匱乏或溢流。此冷媒控制在因可變壓縮機速度所致之較低冷媒流動速率下尤其重要。習用膨脹裝置經設計而以全流量操作且在較低流量下無效，且使流量波動，此外，使蒸發器匱乏及/或溢流。PTXV能夠在廣泛容量範圍內操作，從而產生高調節比，其包含(但不限於)1.5：1、2：1、3：1、4：1、5：1、6：1、7：1、8：1、9：1及10：1。調節比係定義為最大受控冷媒流量與最小受控冷媒流量之比。PTXV可係機械閥，諸如美國專利第5,675,982號及第6,843,064號中所闡述，或係美國專利第5,718,125號中所闡述之類型之電操作閥。此等閥操作以在整個可變冷媒流量範圍內控制自壓縮機及冷凝器至蒸發器之冷媒流量。
工作實例 實例1：電腦模擬
為研究如上文所闡述之一系統之能量效率益處，使用由美國國家標準技術研究所開發之軟體「Cycle_D version 4」。
研究三種情形：(1)使用R-410a之一單速、單級熱幫浦；(2)在較低級中用R-410a且在較高級中用R-134a之一單速二級串聯式熱幫浦；及(3)在較低級中用R-410a且在較高級中用R-134a之一可變速度二級CFITHP。結果匯總於下文表中。
電腦模擬結果
如所示，給定相同蒸發器溫度、冷凝器溫度及實質上相同加熱容量，與單速單級系統及單速二級串聯式系統兩者相比較，CFITHP系統提供最高COPheating。CFITHP系統之3.2的COPheating係高於單速二級串聯式系統12.3%，且高於單速單級系統23%。
105‧‧‧周圍環境
110‧‧‧熱幫浦系統
120‧‧‧壓縮機
130‧‧‧室外蒸發器/冷凝器
140‧‧‧膨脹閥
150‧‧‧室內蒸發器/冷凝器
160‧‧‧管道
170‧‧‧風扇
180‧‧‧送風機
190‧‧‧建築
195‧‧‧室內目標空間
200‧‧‧可變速度二級串聯式浮動中介溫度熱幫浦(CFITHP)系統
201‧‧‧點
202‧‧‧點
203‧‧‧點
204‧‧‧點
205‧‧‧點
206‧‧‧點
207‧‧‧點
208‧‧‧點
220‧‧‧蒸汽壓縮系統或級
222‧‧‧壓縮機
224‧‧‧冷凝器
226‧‧‧膨脹閥
228‧‧‧蒸發器
230‧‧‧串聯式熱交換器
240‧‧‧蒸汽壓縮系統或級
242‧‧‧壓縮機
244‧‧‧冷凝器
246‧‧‧膨脹閥
248‧‧‧蒸發器
262‧‧‧風扇或送風機
264‧‧‧風扇或送風機
270‧‧‧電子控制模組(ECOM)
272‧‧‧控制器
274‧‧‧控制器
276‧‧‧控制器
278‧‧‧控制器
280‧‧‧感測器
282‧‧‧感測器
284‧‧‧感測器
286‧‧‧感測器
288‧‧‧恒溫器
290‧‧‧使用者輸入裝置
292‧‧‧電子記憶體
296‧‧‧周圍環境
298‧‧‧目標空間
圖1係具有一常見單級單速熱幫浦之一建築物之一圖解 說明。
圖2係一可變速度二級串聯式浮動中介溫度熱幫浦(CFITHP)系統之一項實施例之一示意圖。
圖3係繪示動態地調整壓縮機及風扇/送風機之速度以達成最大化總系統效率之一控制程序之一項實施例之一流程圖。
200‧‧‧可變速度二級串聯式浮動中介溫度熱幫浦(CFITHP)系統
201‧‧‧點
202‧‧‧點
203‧‧‧點
204‧‧‧點
205‧‧‧點
206‧‧‧點
207‧‧‧點
208‧‧‧點
220‧‧‧蒸汽壓縮系統或級
222‧‧‧壓縮機
224‧‧‧冷凝器
226‧‧‧膨脹閥
228‧‧‧蒸發器
230‧‧‧串聯式熱交換器
240‧‧‧蒸汽壓縮系統或級
242‧‧‧壓縮機
244‧‧‧冷凝器
246‧‧‧膨脹閥
248‧‧‧蒸發器
262‧‧‧風扇或送風機
264‧‧‧風扇或送風機
270‧‧‧電子控制模組(ECOM)
272‧‧‧控制器
274‧‧‧控制器
276‧‧‧控制器
278‧‧‧控制器
280‧‧‧感測器
282‧‧‧感測器
284‧‧‧感測器
286‧‧‧感測器
288‧‧‧恒溫器
290‧‧‧使用者輸入裝置
292‧‧‧電子記憶體
296‧‧‧周圍環境
298‧‧‧目標空間

Claims (27)

  1. 一種熱幫浦系統，其包括：一第一級，其具有一第一壓縮機、一第一冷凝器、一第一膨脹閥及一第一蒸發器；一第二級，其具有一第二壓縮機、一第二冷凝器、一第二膨脹閥及一第二蒸發器，其中該第一冷凝器及該第二蒸發器經定位以將熱自該第一冷凝器泵送至該第二蒸發器，且其中該第一壓縮機及該第二壓縮機中之至少一者係一可變速度壓縮機；複數感測器；及一電子控制模組，其經組態以：接收來自該複數感測器之輸入，至少部分基於該輸入，判定該系統之一熱負載，藉由一最佳化程序，判定該第一級與該第二級間之一中介溫度以增加該系統於該經判定熱負載之一效能係數(COP)，及控制該第一冷凝器及該第二蒸發器之一者或二者之一溫度以達到該經判定中介溫度。
  2. 如請求項1之熱幫浦系統，其中該第一壓縮機係一固定速度壓縮機。
  3. 如請求項1之熱幫浦系統，其中該第一壓縮機及該第二壓縮機之該另一者係一可變速度壓縮機。
  4. 如請求項1之熱幫浦系統，其中該可變速度壓縮機係由一可變頻率驅動器供電。
  5. 如請求項1之熱幫浦系統，其中該可變速度壓縮機係由一電子換向馬達供電。
  6. 如請求項1之熱幫浦系統，其中該第一膨脹閥及該第二膨脹閥係脈動熱膨脹閥。
  7. 如請求項1之熱幫浦系統，其進一步包括至少一個可變速度風扇或送風機。
  8. 如請求項1之熱幫浦系統，其中該複數感測器包括經組態以將溫度資料發送至該電子控制模組之複數個溫度感測器。
  9. 如請求項1之熱幫浦系統，其中該複數感測器包括經組態以將吸入壓力資料自該第一級發送至該電子控制模組之一壓力感測器。
  10. 如請求項1之熱幫浦系統，其進一步包括該第一級中之一第一冷媒及該第二級中之一第二冷媒。
  11. 如請求項10之熱幫浦系統，其中該第一冷媒係不同於該第二冷媒。
  12. 如請求項1之熱幫浦系統，其進一步包括一第三級，該第三級具有一第三壓縮機、一第三冷凝器、一第三膨脹閥及一第三蒸發器且經組態以將熱自該第二冷凝器泵送至該第三蒸發器。
  13. 如請求項1之熱幫浦系統，其中該輸入包括一周圍環境溫度及一目標空間溫度。
  14. 如請求項13之熱幫浦系統，其中該電子控制模組係經進一步組態以判定至少一理想溫度提升，該至少一理想溫 度提升包括介於該第二冷凝器與該目標空間溫度間之一第一溫度差及介於該第一蒸發器與該周圍環境溫度之一第二溫度差之一者或二者。
  15. 如請求項14之熱幫浦系統，其中該電子控制模組係經進一步組態以控制該第二冷凝器及該第一蒸發器之一者或二者之一溫度以達到該至少一理想溫度提升。
  16. 如請求項1之熱幫浦系統，其中為判定該中介溫度，該電子控制模組係經組態以執行該最佳化程序，以判定相應於該系統於該經判定熱負載之一最高效能係數之該中介溫度。
  17. 一種控制一串聯式熱幫浦系統之方法，其包括：提供具有一第一壓縮機、一第一冷凝器及一第一蒸發器之一第一熱幫浦級；提供具有一第二壓縮機、一第二冷凝器及一第二蒸發器之一第二熱幫浦級，其中該第一冷凝器及該第二蒸發器經定位以將熱自該第一冷凝器泵送至該第二蒸發器，且其中該第一壓縮機及該第二壓縮機中之至少一者係一可變速度壓縮機；提供複數感測器；接收來自該複數感測器之輸入；至少部分基於該輸入，判定該系統之一熱負載；至少部分基於執行一最佳化程序，動態地改變該第一熱幫浦級與該第二熱幫浦級間之一中介溫度以使該系統於該經判定熱負載之一效能係數最大化。
  18. 如請求項17之方法，其中該第一壓縮機或該第二壓縮機係一固定速度壓縮機。
  19. 如請求項17之方法，其中該第一壓縮機及該第二壓縮機之該另一者係一可變速度壓縮機。
  20. 如請求項17之方法，其中判定該熱負載包括自該複數感測器之至少一個感測器接收代表一周圍環境溫度及一目標空間溫度之資料。
  21. 如請求項17之方法，其中接收來自該複數感測器之輸入包括接收壓力感測器資料及溫度感測器資料之一者或二者。
  22. 如請求項17之方法，其中藉由控制至一可變頻率驅動器之電力來控制該可變速度壓縮機之該速度。
  23. 如請求項17之方法，其中藉由控制至一電子換向馬達之電力來控制該可變速度壓縮機之該速度。
  24. 如請求項17之方法，其進一步包括控制經組態以在該第一蒸發器上方吹送空氣之一風扇之速度。
  25. 如請求項17之方法，其進一步包括控制經組態以在該第二蒸發器上方吹送空氣之一風扇之速度。
  26. 如請求項17之方法，其進一步包括在該第一冷凝器與該第一蒸發器之間提供一脈動熱膨脹閥。
  27. 如請求項26之方法，其進一步包括在該第二冷凝器與該第二蒸發器之間提供一脈動熱膨脹閥。
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