专利名称：对可逆热泵除霜控制的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及可逆热泵领域，尤其涉及在加热模式时对盘管除霜循环的控制。
热泵系统使用一制冷剂将热能从循环回路的相对较热侧带到循环回路的相对较冷侧。制冷剂的压缩发生在回路的较热侧，这里，压缩机使制冷剂的温度上升。制冷剂的蒸发发生在回路的较冷侧，这里，制冷剂被允许膨胀，从而引起温度下降。由于制冷剂分别与室内、室外媒质之间的温差，在回路一侧的制冷剂中加入热能，从另一侧的制冷剂中吸取热能，以将室外空气用作热能源或用作热能的散发和吸收。对于一空气一水的热泵(an air to water heatpump)，室外空气用作热能源，而水用作热能的散发和吸收。
工作过程是可逆的，热泵能用于加热或冷却。住宅用加热和冷却装置是双向的，其中，合适的阀和控制结构有选择地使制冷剂经过室内和室外热交换器，使得室内热交换器在制冷剂循环回路的热侧进行加热，在冷侧进行冷却。一循环鼓风机使室内空气经过室内热交换器，并经过输送管引向室内空间。返回管从室内空间中吸取空气并带到室内热交换器中。同样，一鼓风机使周围空气经过室外热交换器，并将热量释放到户外空气中，或从中吸取可用的热量。
这类热泵系统只有当在各自热泵中的制冷剂与空气之间有一适当的温差时才会运转，以保持热能的输送。对于加热，只要空气与制冷剂之间的温差能够使得可得到的热能大于操纵压缩机和各自鼓风机所需的电能，热泵就是有效的。对于冷却，即使在热天，空气与制冷剂之间的温差一般都是足够的。
在某些操作条件下，霜会积聚在热泵的盘管上。积霜的速度很大程度上取决于环境温度和湿度的比例。盘管积霜导致盘管效率下降，同时影响设备的总体性能(加热能力和性能系数(COP))。必须经常对盘管进行除霜，以提高设备的效率。在大多数情况下，盘管除霜是通过制冷剂的逆循环来完成的。盘管进行除霜时会影响设备的总体效率，因为设备中的提供所需热量的热的制冷剂实际上在盘管除霜过程中被冷却了。
传统设备的除霜周期通常每隔一固定的时间进行一次，在该固定时间内出现了多少霜是不予考虑的。为了使设备在加热模式时性能最优化，就必须找出盘管除霜的最佳时间。
简而言之，一控制算法通过储存代表一清洁盘管、即不积霜的盘管的性能的若干数据，以及随着时间的进展监控这些数据，来控制可逆热泵的盘管除霜循环。用这些数据产生“霜系数”，其值在表示清洁盘管的0％与表示重积霜盘管的100％之间变化。当霜系数达到接近100％的预定值时，热泵的制冷剂循环逆转(倒过来)进行盘管除霜。
根据本发明的一个实施例，在一使用制冷剂循环的可逆热泵系统中控制盘管除霜循环的方法包括监控热泵系统中的多个性能变量；从该多个性能变量中确定最终的霜系数；以及在霜系数达到一预定值以及系统的一些条件满足之后对盘管进行除霜。
根据本发明的一个实施例，在一使用制冷剂循环的可逆热泵系统中控制盘管除霜循环的系统包括监控热泵系统中的多个性能变量的装置；从该多个性能变量中确定最终的霜系数的装置；以及在霜系数达到一预定值以及系统的一些条件满足之后对盘管进行除霜的装置。
图1示出了一可逆热泵系统的示意图。
图2示出了本发明方法的流程图。
下面参阅图1，一热泵10包括一与返回水管14和一供水管16工作相连的室内盘管12。为了冷却或加热在系统中循环时经过室内盘管12的水，室内盘管12具有在其中循环的制冷剂。在冷却模式中，室内盘管12起到蒸发器的作用，以去掉返回水中的热量，在加热模式中，起到冷凝器的作用，为供水提供热量。在除霜模式过程中，系统从加热模式转换到冷却模式，用制冷剂将热量从返回水中传递到室外盘管，以利于除霜。
室内盘管12连接于一标准封闭循环制冷线路，该制冷线路包括压缩机22,24、一换向阀(reversing valve)26、一蒸发器盘管28、隔离安全阀32,38和一观察镜40。一接收器36储存系统中的制冷剂流体。一控制器18有选择地操纵换向阀26，以分别在相应的冷却、加热或除霜模式中起作用。图中示出一热膨胀阀(TXV)34在接收器36与蒸发器盘管28之间。TXV34由一被毛细管35连接的TXV球形体(bulb)控制。
通过三个测量来监控盘管除霜，即饱和吸收压力(SSP)、室外空气温度(OAT)以及制冷剂进入蒸发器盘管28时它的制冷剂液体温度(RLT)。系统中的在压缩机22、24与换向阀26之间的传感器46记录SDP，也称为回路头压力(circuit head pressure)。换向阀26与压缩机22、24之间的传感器44记录转变成饱和吸入温度(SST)的SSP。由于压力传感器比较精确，所以最好用压力传感器，而不是用热敏电阻。一诸如数字式温度计探测器43读出室外空气温度(OAT)。一除霜探测器42读出制冷剂液体温度(RLT)。管道上的霜影响RLT，因此用RLT确定霜的多少。此外，用一探测器15测量返回水管14中的输入水温度。
传感器44、46和探测器15、42、43连接于控制器18。控制器18储存和执行一控制算法，该算法储存代表一清洁盘管(刚刚除霜之后)性能的诸数据和随着时间的进展监控这些数据。这些数据被转换成“霜系数”，其值可在0％(清洁盘管)与100％之间变化。当霜系数接近100％时，制冷剂循环逆转对盘管进行除霜。这对目前使用的、基于两次除霜循环之间的固定间隔时间进行除霜的大多数算法是一个相当重要的改进。因此，当覆盖在蒸发器盘管28上的霜的数量影响系统性能时，系统10就进行除霜过程。
根据本发明，通过确定一个当装置除霜之后稳定时的回路参考δ(delta)(OAT减去SST)来估计霜系数。不断地计算和积分(积聚)当前δ相对于参考δ的演变以提供一霜系数的估算值(frost_i)。
100％的霜系数被认为是一全冷冻的交换器。如果霜系数是100％，如果设定的延迟时间最好是15分钟，已经在两次除霜之间流逝，如果输入水温度超过一规定温度，最好是54°F，则进行除霜。如果延迟时间还没有过去，则除霜延迟进行。
当回路进入除霜模式，所有的鼓风机最好都停止，换向阀反过来迫使回路进入冷却模式。如果在除霜过程中回路头压力(SDP)达到规定的压力阈值(基于高压切断点trip point)，回路鼓风机最好立刻再启动，以避免回路由于高压切断而停机。当回路头压力下降到阈值减去30psi之下时，该鼓风机停止。
当最终的霜系数达到100％，并假如两次除霜之间的15分钟延迟已过去，输入水的温度大于根据所使用的压缩机而定的规定的温度，那么回路最好开始除霜。规定的温度一般在50°F至65°F之间的范围，诸如54°F。两次除霜间隔时间最好至少15分钟。
当探测器42确定的回路除霜温度在除霜设定值(defrost setpoint)端点(在该例子中是77°F)之上时，除霜就完成了。如果返回管道14中输入水温度下降到根据所用的压缩机而定的诸如50°F的规定温度之下，则不管其它条件如何都停止除霜。一个除霜循环的较佳的最长持续时间定为10分钟。如果10分钟除霜的最长持续时间已过去，不管其它条件怎样，停止除霜。如果在除霜过程中人为命令装置停止，除霜工作继续，直到完成。
参阅图2，在步骤110中，最好在上次的除霜循环过去两分钟之后，启动一定时器。在步骤120，将一参考值del_r定为OAT减去SST。在步骤130，周期性地，最好每隔10秒钟，测量OAT、SST和RLT的值。将温度δdel_i计算为OAT减去SST_i，而SST_i就是在时间i的SST。然后，根据del_v_i=del_i-del_r计算δ变化。在步骤140中，检查del_v_i，看看δ变化是否超过5℃(9°F)，如果是，在步骤150施加一积分器系数del_int。del_int值通过实验室测试而确定，具体取决于盘管的几何形状、空气通过盘管的速度等等。对于开利的型号30RH17至30RH240,del_int的值是0.5。
在步骤150中，frost_i，即在时间i的霜系数设定为frost_int_i_i乘上del_v_i加上积分器系数del_int。Frost_int_i_i是在时间i的frost_int_i的值，而frost_int_i是以％/℃为单位的乘数或增益系数，其值通常总是为0.7。在某些情况下，该值不是0.7，根据盘管的尺寸、压缩机的大小和类型以及流过盘管的空气数量，通过日常的实验来确定frost_int_i。然后，将frost_i与前面的即i-1时间确定的霜系数进行比较，i-1指时间i之前的一个测量周期的时间，在这种情况下，该时间最好是时间i之前的10秒钟。frost_i和frost_i-1中的较大的一个变成frost_i的值。
在步骤160中，如果δ变化不超过5℃(9°F)，不施加积分器系数del_int，将frost_i定为等于frost_int_i_i乘del_v_i。frost_i与frost_i-1比较并设定为较大的值。
在步骤170中，检查霜系数，看看它是否超过100％，如果不是，循环再在步骤130开始。如果霜系数大于100％，在步骤180检查定时器，看看自从上次的除霜循环起是否过去了17分钟以上的时间(步骤180的15分钟加上步骤110的2分钟)。如果不，在控制进入到下一步骤之前，系统等待，直到定时器超过15分钟。在步骤185，检查输入水温度，以确保在步骤190启动除霜过程之前温度大于一规定的温度。除霜定时器启动，所有的冷凝器鼓风机关闭。在步骤192，如果SDP在一基于高压力切断点的特定阈值之上，鼓风机在步骤194立刻再启动，使压力下降至一值，该值最好在如步骤196检查的阈值之下30psi，此时，鼓风机在步骤198停止。
在步骤200检查RLT，看看它是否超过一指定值，对于具有开利公司的30RH17至30RH240型号特征的开利设备的管道，该值最好为25℃(45°F)，如果是的话，除霜过程在步骤220停止。如果RLT在步骤200不等于25℃(45°F)，检查除霜定时器，看看除霜过程是否已运行了10分钟以上，如果是，除霜过程在步骤220停止。程序控制返回到步骤110，循环重新开始。
权利要求
1．一种在一使用制冷剂循环的可逆热泵系统中控制盘管除霜循环的方法，其特征在于，它具有如下步骤监控所述热泵系统中的多个性能变量；从所述多个性能变量中确定最终的霜系数；以及在所述霜系数达到一预定值以及所述系统的一些条件满足之后对所述盘管进行除霜。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监控步骤包括启动一第一定时器；周期性地监控在所述盘管附近的室外温度(OAT)；以及周期性地监控所述热泵系统的一饱和吸入温度(SST)。
3．如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定步骤包括将一第一温度δ确定为一参考值；将一第二温度δ确定为OAT减去SST；通过比较所述第二温度与所述第一温度δ来确定所述第二温度δ中的变化；如果所述变化不大于一规定量，将一第一霜系数确定为所述变化乘一增益系数，如果所述变化大于所述规定量，将所述第一霜系数确定为所述变化乘所述增益系数加一积分器系数；对于每一后续周期，如果所述变化不大于所述规定量，将一第二霜系数确定为所述变化乘所述增益系数，如果所述变化大于所述规定量，将所述第二霜系数确定为所述变化乘所述增益系数加所述积分器系数；以及选择所述第一霜系数和所述第二霜系数的较大的一个作为最终的霜系数。
4．如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述除霜步骤包括当所述第一定时器超过一规定时间，而且所述输入水温度大于一规定温度时，使所述热泵系统中的所述制冷剂循环反过来；关闭冷凝器鼓风机；以及启动一第二定时器。
5．如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述监控步骤包括周期性地监控所述系统的饱和排放压力(SDP)。
6．如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述除霜步骤还包括如果所述SDP超过一规定的阈值，启动所述冷凝器鼓风机；以及当所述SDP下降到所述特定阈值以下的预定量时，停止所述冷凝器鼓风机。
7．如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述监控步骤包括监控进入所述盘管的制冷剂液体的制冷剂液体温度。
8．如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述除霜步骤还包括当所述RLT超过一除霜设定点或所述第二定时器超过一规定时间时，使所述制冷剂循环倒过来的所述步骤停止。
9．一种在使用制冷剂循环的可逆热泵系统中控制盘管除霜循环的系统，其特征在于，它包括监控所述热泵系统中的多个性能变量的装置；从所述多个性能变量中确定最终的霜系数的装置；以及在所述霜系数达到一预定值以及所述系统的一些条件满足之后对所述盘管进行除霜的装置。
全文摘要
一控制算法通过储存代表一清洁盘管、即不积霜的盘管的性能的若干数据,以及随着时间的进展监控这些数据来控制可逆热泵的盘管除霜循环。用这些数据产生“霜系数”,其值在表示清洁盘管的0%与表示重积霜盘管的100%之间变化。当霜系数达到接近100%的预定值时,热泵的制冷剂循环反过来(倒过来)完成盘管除霜。
文档编号F25B47/02GK1313494SQ0111166
公开日2001年9月19日 申请日期2001年3月15日 优先权日2000年3月15日
发明者瓦希尔·赛义德, 约瑟夫·巴莱, 西尔瓦·塞尔日·杜泽 申请人:开利公司