用于控制混合加热系统的系统和方法
【专利摘要】在至少某些实施例中，混合加热系统包括热泵和辅助热炉。该系统还包括联接到热泵和辅助热炉的控制器。控制器响应于接收加热请求基于经济平衡点算法选择热泵或辅助热炉。
【专利说明】用于控制混合加热系统的系统和方法
【背景技术】
[0001]在热泵和制冷循环中，制冷剂在其循环通过系统时交替地吸收和放出热能并被压缩、冷凝、膨胀和蒸发。具体来说，液体制冷剂从冷凝器流动通过膨胀装置(例如膨胀阀)并进入蒸发器。当制冷剂流过膨胀装置和蒸发器时，制冷剂的压力降低，制冷剂相变成气体，且制冷剂吸收热能。气态制冷剂从蒸发器行进到压缩机，并然后返回冷凝器。当制冷剂流过压缩机和冷凝器时，制冷剂的压力升高，制冷剂相变回液体，且制冷剂放出热能。实施该过程以将热能放出入空间(例如加热房子)或从空间去除热能(例如空气调节房子)。
[0002]在加热循环中，热泵系统的效率随着室外温度的下降而降低。换言之，对于每个热泵系统，有室外温度阈值(这里称为“热力平衡点”)，热泵系统在该室外温度阈值以下不再有效。因而，某些加热、通风和空气调节(HVAC)系统执行用于加热的混合(或双)燃料系统，其包括热泵系统和辅助热炉。辅助热炉可燃烧气体、油、丙烷或其它可燃物。用辅助热炉，即使室外温度下降到热泵系统的热力平衡点以下，混合燃料系统也能够加热室内环境。
【发明内容】
[0003]在至少一些实施例中，混合加热系统包括热泵和辅助热炉。该混合加热系统还包括联接到热泵和辅助热炉的控制器。控制器响应于接收加热请求基于经济平衡点算法选择热泵或辅助热炉。
[0004]在至少一些实施例中，用于混合加热系统的控制系统包括经济平衡点逻辑器，该经济平衡点逻辑器构造成确定运行辅助热炉比运行热泵更廉价的室外温度阈值。控制系统还包括选择逻辑器，该选择逻辑器构造成响应于加热请求基于室外温度阈值选择辅助热炉或热泵。
[0005]在至少一些实施例中，用于控制混合加热系统的方法包括通过控制器确定运行辅助热炉比运行热泵更廉价的室外温度阈值。该方法还包括通过控制器接收加热请求。该方法还包括通过控制器基于所确定的室外温度阈值选择辅助热炉或热泵。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1示出根据本发明一实施例的具有混合加热的HVAC系统。
[0007]图2示出根据本发明实施例的用于图1的HVAC系统的控制系统配置；
[0008]图3示出根据本发明一实施例的系统的框图；
[0009]图4A-4J示出根据本发明实施例的用于控制混合加热的用户界面程序的窗口 ；以及
[0010]图5示出根据本发明一实施例的方法。
【具体实施方式】
[0011]图1示出根据本发明一实施例的具有混合加热的HVAC系统100。在HVAC系统100中，制冷剂循环通过包括室外盘管102、压缩机106、室内盘管122和膨胀阀112的热泵。箭头104、108、110和114示出制冷剂在加热循环中流动的方向。对于冷却循环，制冷剂在HVAC系统100中的流动方向反向。
[0012]在加热循环中，室外盘管102使制冷剂蒸发。当液体制冷剂蒸发时，其从室外空气带走热量。气态制冷剂从室外盘管102流到(箭头104)压缩机106，在该处气态制冷剂被压缩以产生高压过热制冷剂蒸汽。蒸汽离开压缩机106并流到(箭头108)室内盘管122。在室内盘管122处，来自风机(鼓风机)124的空气从蒸汽移走热量(加热室内空气)，且当移走足够热量时，蒸汽冷凝成高压液体。该高压液体从室内盘管122流到(箭头110)膨胀阀112，该膨胀阀112计量高压液体到室外盘管102的流量(箭头114)。可按需要重复本文描述的加热循环过程。例如，可响应于恒温器控制信号启用和/或保持HVAC系统100的加热循环。
[0013]如图1所示，室内盘管122和风机124可以是空气处理器120的部件。空气处理器120还可包括辅助热炉126，该辅助热炉126作为本文所揭示的混合加热方案的一部分选择性地启用。或者，辅助热炉126可与空气处理器120分开。在两种情况下，可基于经济平衡点算法选择性地启用辅助热炉126 (例如代替热泵部件)。运行时，经济平衡点算法确定何时运行HVAC系统100的热泵比运行辅助热炉126更昂贵。在这种情况下，经济平衡点算法使辅助热炉126代替热泵运行。经济平衡点算法可考虑用户输入来调节和超控所确定的本文所述的经济平衡点。
[0014]图2示出根据本发明实施例的用于图1的HVAC系统100的控制系统配置200。控制系统配置200示出用于HVAC系统的等级控制，包括本文所揭示的带混合加热的那些HVAC系统。如图所示，恒温器202作为配置200的总体系统控制器运行，并配置成与室内于系统220的室内于系统控制器222和室外于系统210的室外于系统控制器212通信。室内于系统220可包括例如室内热泵部件224 (例如室内盘管122和风机124)和诸如图1描述的辅助热炉部件226 (例如辅助热炉126)。同时，室外于系统210包括诸如图1描述的压缩机106和室外盘管102的室外热泵部件214。在至少某些实施例中，室内于系统控制器222执行本文描述的某些或全部经济平衡点算法特征。
[0015]图3示出根据本发明一实施例的系统300的框图。如图所示，系统300包括联接到混合加热系统320的控制器310，混合加热系统300具有热泵322和辅助热炉324。在至少某些实施例中，控制器310和用户界面302对应于图2的室内于系统控制器222。在各种实施例中，用户界面302对应于能够与用户交互的恒温器或其它控制单元上的界面，以控制混合加热系统320的运行。或者，用户界面302可对应于经由手持计算装置(例如智能手机)、膝上电脑和/或台式计算机可访问的计算机程序或网页协议。
[0016]如图所示，控制器310包括经济平衡点逻辑器312，该经济平衡点逻辑器312构造成响应于加热请求选择运行热泵322还是辅助热炉324。根据至少某些实施例，经济平衡点逻辑器312采用各控制参数314来确定何时运行热泵322比运行辅助热炉324更昂贵。各控制参数314的值可基于先前存储的默认值和/或经由联接到控制器310的用户界面302接收的动态值。例如，各控制参数314可对应于辅助热炉燃料成本参数、热泵电成本参数、热泵效率参数以及辅助热炉效率参数。使用这些控制参数314，经济平衡点逻辑器312确定室外温度平衡点，在该室外温度平衡点，运行热泵322比运行辅助热炉324更昂贵。
[0017]可在接收加热请求之前或之后确定室外温度平衡点。在任一情况下，经济平衡点逻辑器312可通过将当前室外温度与所确定的室外温度平衡点进行比较来响应加热请求，并然后基于该比较选择热泵或者辅助热炉。
[0018]更具体地，在图3中，联接到经济平衡点逻辑器312的选择逻辑器316可从经济平衡点逻辑器312接收推荐或控制信号。响应于来自经济平衡点逻辑器312的控制信号，选择逻辑器316判断控制信号来启用热泵322或辅助热炉324。根据至少某些实施例，热泵322和辅助热炉324独立启用，但通常不共同运行。
[0019]选择逻辑器316还构造成从用户界面302接收手动选择的用于混合加热系统320的控制方案。手动选择的控制方案可相应调整或超控先前讨论的所确定的室外温度平衡点。换言之，用户界面302使用户能够选择性地停用和启用由经济平衡点逻辑器312执行的经济平衡点算法。附加地或替代地，用户界面302使用户能够手动设定响应于加热请求运行辅助热炉324来代替热泵322的室外温度。附加地或替代地，用户界面302使用户能够手动选择恒温器控制算法代替经济平衡点算法来控制混合加热系统320。恒温器控制算法(例如由恒温器302执行)可对于每个加热循环初始化第一加热阶段，在第一加热阶段启用热泵322而不用辅助热炉324，且如果需要初始化第二加热阶段，在第二加热阶段启用辅助热炉324而不用热泵322。
[0020]图4A-4J示出根据本发明实施例的用于控制混合加热的用户界面程序的窗口。用户界面程序可能是对图3描述的用户界面302的一部分。在图4A中，窗口 400A示出“设置”菜单，包括可通过点击其而选择的双燃料图标402。双燃料图标402的选择使用户能够调节混合加热系统的控制特征(例如图3的混合加热系统320)。图4A的其它图标对应于经由用户界面程序可访问的其它控制特征或实用程序。
[0021]在图4B中，窗口 400B示出响应于点击图4A的双燃料图标402而出现的双燃料菜单。窗口 400B的双燃料菜单使用户能够手动调节用于混合加热系统的控制特征和/或控制参数值。例如，点击舒适框408并然后点击“下一步”按钮410A，使用户能够将对混合加热系统的控制通到恒温器(例如图2的恒温器202)。当恒温器控制混合加热系统时，临时停用或以其它方式忽略经济平衡点算法的使用。该恒温器可执行恒温器控制算法，该恒温器控制算法对于每个加热循环初始化第一加热阶段，在第一加热阶段启用热泵322而不用辅助热炉324。如果需要(例如，热泵322不够时)，恒温器控制算法初始化第二加热阶段，在第二加热阶段启用辅助热炉而不用热泵。
[0022]点击运行成本框404并然后点击“下一步”按钮410A使用户能够输入用于经济平衡点算法的各控制参数(例如图3的控制参数314)的值。换言之，选择运行成本框404使得对于混合加热系统320执行经济成本平衡算法。用于经济平衡点算法的各控制参数值由用户经由图4C-4F的窗口中所示的用户界面程序输入。附加地或替代地，如图4G-4H的窗口所示，可在用于经济平衡点算法的用户界面程序中提供一个或多个默认值。
[0023]图4C-4H示出能够选择用于经济平衡点算法的控制参数值的各个窗口。可在例如点击运行成本框404和“下一步”框410A之后连续显示图4C-4H的窗口。在图4C中，窗口400C使用户能够选择气体炉框412或油炉框414。换言之，经济平衡点算法考虑与辅助热炉324 —起使用的燃料的类型。在点击气体炉框412和“下一步”按钮410B时，用户界面程序显示图4E的窗口 400E。或者，在点击油炉框414和“下一步”按钮410B时，用户界面程序显示窗口 400F。在窗口 400C中，选择“返回”按钮416A使得双燃料菜单窗口 400B再次显示。
[0024]在图4D中，示出具有电成本实用程序418的窗口 400D。电成本实用程序418使用户能够输入电成本(美元/千瓦时)。在输入电成本之后，用户选择“下一步”按钮410C以将输入的电成本用于经济平衡点算法。更具体地，电成本用于确定运行热泵322的成本。在截图400D中，选择“返回”按钮416B使得窗口 400C再次显示。
[0025]在图4E中，示出具有气成本实用程序422的窗口 400E。如果在窗口 400C中选择气炉框412，则显示窗口 400E。气成本实用程序422使用户能够通过点击“天然气$/千卡”按钮420来输入以美元/千卡为单位的天然气成本。或者，气成本实用程序422使用户能够通过点击“天然气$/MFC”按钮424来输入以美元/MCF为单位的天然气成本。或者，气成本实用程序422使用户能够通过点击“丙烷气$/加仑”按钮426来输入以美元/加仑为单位的丙烷气成本。在输入气成本之后，用户选择“下一步”按钮410D以将输入的气成本用于经济平衡点算法。更具体地，气成本用于确定运行辅助热炉324的成本。在窗口 400E中，选择“返回”按钮416C使得窗口 400D再次显示。
[0026]在图4F中，示出具有油成本实用程序430的窗口 400F。如果在窗口 400C中选择油炉框414，则显示窗口 400F。油成本实用程序430使用户能够通过点击“燃油$/加仑”按钮428来输入以美元/加仑为单位的燃油成本。或者，由于仅提供一个燃油成本选项，无需点击“燃油$/加仑”按钮428。在输入燃油成本之后，用户选择“下一步”按钮410E以将输入的燃油成本用于经济平衡点算法。更具体地，燃油成本用于确定运行辅助热炉324的成本。在窗口 400F中，选择“返回”按钮416D使得截图400D再次显示。
[0027]在图4G中，示出具有年度燃料利用率(AFUE)评级实用程序432的窗口 400G。AFUE评级实用程序432使用户能够调节对应于辅助热炉324的AFUE评级。用于AFUE评级实用程序432的AFUE评级可首先设为默认值(例如78)，并可在预定范围(例如78-98)内调节。在输入AFUE评级之后，用户选择“下一步”按钮410F以将输入的AFUE评级用于经济平衡点算法。更具体地，AFUE评级用于确定运行辅助热炉324的成本。在窗口 400G中，选择“返回”按钮416E使得窗口 400E或窗口 400F再次显示。
[0028]在图4H中，示出具有采暖季节性能系数(HSPF)评级实用程序434的窗口 400H。HSPF评级实用程序434使用户能够调节对应于热泵322的HSPF评级。用于HSPF评级实用程序434的HSPF评级可首先设为默认值(例如77)，并可在预定范围(例如77-12)内调节。在输入HSPF评级之后，用户选择“下一步”按钮410G以将输入的HSPF评级用于经济平衡点算法。更具体地，HSPF评级用于确定运行热泵322的成本。在窗口 400H中，选择“返回”按钮416F使得窗口 400G再次显示。
[0029]在图41中，示出具有确定的室外温度平衡点实用程序436的窗口 4001。确定的室外温度平衡点实用程序436示出基于经由用户界面程序(例如经由窗口 400D-400H的实用程序)输入的各控制参数值通过经济平衡点算法确定室外温度平衡点(在实用程序436中称为“热炉加热室外温度”)的结果。所确定的室外温度平衡点实用程序436还使用户能够上下调节所确定的室外温度平衡点。为了接受所确定的室外温度平衡点或调节的室外温度平衡点，用户选择“接受”按钮438A。用户可替代地点击“取消”按钮440A来取消使用所确定的室外温度平衡点或调节的室外温度平衡点来控制混合加热系统320。
[0030]返回图4B，点击室外温度框406并然后点击“下一步”按钮410A使用户能够手动设置室外温度平衡点。当室外温度等于或高于室外温度平衡点时，响应于加热请求选择热泵322。当室外温度低于室外温度平衡点时，响应于加热请求选择辅助热炉324。图4J示出具有定制室外温度平衡点实用程序437的窗口 400J。定制室外温度平衡点实用程序437使用户能够在0-70华氏度之间选择定制室外温度平衡点(在实用程序437中称为“热炉加热室外温度”)。可替代地使用其它温度范围或选择手段。一旦在实用程序437中选择定制室外温度平衡点，用户点击“接受”按钮438B来执行使用定制室外温度平衡点。用户可替代地点击“取消”按钮440B来取消使用定制温度平衡点。
[0031]尽管窗口 400C-400J以特定顺序描述了各种特征和实用程序，但这里呈现的窗口并不意味着限制可实施本文所述经济平衡点算法的其它用户界面实施例。换言之，用户界面实施例可关于怎样向用户呈现信息和用户怎样输入信息而变化。
[0032]图5示出根据本发明一实施例的方法500。方法500可由用于本文所述HVAC系统的混合燃料加热的控制器(例如控制器310)或控制系统来执行。如图所示，方法500包括确定运行辅助热炉比运行热泵更廉价的室外温度平衡点(方框502)。所确定的室外温度平衡点可基于诸如辅助热炉燃料成本参数、热泵电成本参数、热泵效率参数和辅助热炉效率参数的各控制参数。在方框504处，接收加热请求。最后，基于所确定的室外温度平衡点(方框506)选择辅助热炉或热泵(响应于加热请求)。
[0033]在至少某些实施例中，方法500可使得能够由用户停用或超控室外温度平衡点的确定。例如，用户可输入定制室外温度平衡点。此外，用户可选择实施恒温器控制方案来代替经济平衡点算法。恒温器控制方案包括例如初始化第一加热阶段，在第一加热阶段中启用热泵而不用辅助热炉。如果需要，恒温器控制方案初始化第二加热阶段，在第二加热阶段，启用辅助热炉而不用热泵。
[0034]本文已经充分详细地描述了各较佳实施例，相信能够使本领域的技术人员实践所揭示的各实施例。尽管本文已经详细描述了各较佳实施例，但本领域的技术人员还会认识到可进行各种替代和改型而不偏离所附权利要求书的范围和精神。
[0035]已经公开了至少一个实施例，本【技术领域】内技术人员对于实施例和/或实施例的特征所作出的变型、组合和/或修改均落入在本发明的范围之内。通过组合、整合和/或省略实施例的某些特征而得出的可替代实施例也都落入在本发明范围之内。在表达陈述数值范围或限值的情形中，如此表达的范围或限值应被理解为:包括落入所表达陈述的范围或限值内的类似值的迭代范围或限值(例如，从约I至约10就包括2、3、4等；大于010就包括011、012、013等)。例如，只要公开了具有下限Rl和上限Ru的数值范围，那么落入该范围内的任何数值就被具体地公开了。尤其是，该范围内的以下数值特别地予以公开:R= Rl+kX (Ru-Rl),其中，k是以1%为增量变化从1%至100%的变量，SP，k是1%、2%、3%、4%、5%、...50%、51%,52%,...95%、96%、97%、98%、99%或100%。此外，由上述定义的两个R数值限定的任何数值范围也就被具体地公开了。对于权利要求书中的任何要素使用术语“可选地”，是指需要该要素或替代地不需要该要素，两种替换方式都在权利要求的范围之内。使用诸如包括、包含和具有的广义术语应被理解为是对诸如由什么组成、主要地由什么组成以及大致由什么组成的较狭义术语提供支持。因此，保护范围不受以上阐述的介绍所限制，但由附后的权利要求书所限定，该范围包括权利要求主题的所有等价物。将各个和每个权利要求作为进一步揭示纳入到本说明书中，并且权利要求书是本发明的实施例。
【权利要求】
1.一种混合加热系统,包括: 热泵； 辅助热炉；以及 控制器，所述控制器联接到所述热泵和所述辅助热炉， 其中所述控制器响应于接收加热请求基于经济平衡点算法选择所述热泵或所述辅助热炉。
2.如权利要求1所述的混合加热系统，其特征在于，所述经济平衡点算法包括辅助热炉燃料成本参数、热泵电成本参数、热泵效率参数以及辅助热炉效率参数。
3.如权利要求2所述的混合加热系统，其特征在于，所述经济平衡点算法执行用于所述辅助热炉燃料成本参数、所述热泵电成本参数、所述热泵效率参数以及所述辅助热炉效率参数中至少一个的默认值。
4.如权利要求2所述的混合加热系统，其特征在于，所述控制器包括用户界面，且其中用于所述辅助热炉燃料成本参数、所述热泵电成本参数、所述热泵效率参数以及所述辅助热炉效率参数中至少一个的值基于经由所述用户界面的用户输入。
5.如权利要求1所述的混合加热系统，其特征在于，所述经济平衡点算法确定室外温度平衡点，在所述室外温度平·衡点运行所述辅助热炉比运行所述热泵更廉价。
6.如权利要求5所述的混合加热系统，其特征在于，所述控制器响应于接收加热请求将当前室外温度与先前确定的室外温度平衡点进行比较，并基于所述比较选择所述热泵或所述辅助热炉。
7.如权利要求1所述的混合加热系统，其特征在于，所述控制器包括用户界面，所述用户界面使用户能够选择性地停用或启用所述经济平衡点算法。
8.如权利要求1所述的混合加热系统，其特征在于，所述控制器联接到用户界面，使用户能够手动设定响应于加热请求运行所述辅助热炉来代替所述热泵的室外温度。
9.如权利要求1所述的混合加热系统，其特征在于，所述控制器基于用户输入选择性地执行恒温器控制算法来代替所述经济平衡点算法。
10.如权利要求9所述的混合加热系统，其特征在于，所述恒温器控制算法对于每个加热循环初始化第一加热阶段，在所述第一加热阶段启用所述热泵而不用辅助热炉，且如果需要初始化第二加热阶段，在所述第二加热阶段启用所述辅助热炉而不用所述热泵。
11.一种用于混合加热系统的控制系统，所述控制系统包括: 经济平衡点逻辑器，所述经济平衡点逻辑器构造成确定运行辅助热炉比运行热泵更廉价的室外温度阈值； 选择逻辑器，所述选择逻辑器构造成响应于加热请求基于所述室外温度阈值选择所述辅助热炉或所述热泵。
12.如权利要求11所述的控制系统，其特征在于，所述经济平衡点逻辑器基于辅助热炉燃料成本参数、热泵电成本参数、热泵效率参数以及辅助热炉效率参数确定输出温度阈值。
13.如权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述经济平衡点逻辑器执行用于所述辅助热炉燃料成本参数、所述热泵电成本参数、所述热泵效率参数以及所述辅助热炉效率参数中的至少一个的默认值。
14.如权利要求11所述的控制系统，其特征在于，还包括:用户界面，所述用户界面与所述经济平衡点逻辑器通信，其中用于所述辅助热炉燃料成本参数、所述热泵电成本参数、所述热泵效率参数以及所述辅助热炉效率参数中的至少一个的值基于经由所述用户界面的用户输入。
15.如权利要求12所述的控制系统，其特征在于，还包括:用户界面，所述用户界面与所述选择逻辑器通信，其中所述选择逻辑器构造成基于室外温度值或经由所述用户界面由用户手动选择的恒温器控制方案对于加热循环选择所述辅助热炉或所述热泵。
16.—种控制混合加热系统的方法,包括: 通过控制器确定运行辅助热炉比运行热泵更廉价的室外温度阈值； 通过所述控制器接收加热请求；以及 通过所述控制器基于所确定的室外温度阈值选择所述辅助热炉或所述热泵。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，基于辅助热炉燃料成本参数、热泵电成本参数、热泵效率参数以及辅助热炉效率参数确定所述室外温度阈值。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括:用由用户提供的室外温度超控所确定的室外温度阈值。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括:停止使用所确定的室外温度阈值进行所述选择，并使得能够使用恒温器控制方案来基于所确定的室外温度阈值选择所述辅助热炉或所述热泵。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述恒温器控制方案包括初始化第一加热阶段，在所述第一加热阶段启用所述热泵而不用辅助热炉，且如果需要初始化第二加热阶段，在所述第二加热阶段 启用所述辅助热炉而不用所述热泵。
【文档编号】F24D19/10GK103443549SQ201280016259
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年2月22日 优先权日:2011年3月30日
【发明者】T·W·斯多姆, G·L·加文, J·D·道格拉斯, J·R·埃登斯, W·M·兰格 申请人:特灵国际有限公司