流体加热和/或冷却系统及相关方法与流程

本发明涉及一种流体加热和/或冷却系统及相关方法。特別地但非排他性地，本发明的实施例可以涉及用于将热量传递至水和/或从水中传走热量的系统。特別地但非排他性地，实施例可以设置为对稍后消耗用的水的水源进行加热。

背景技术：

适宜地描述与水加热和/或冷却有关的各实施例的背景。然而，应理解的是，所概述的原理可以应用于除水之外的流体。

许多供水系统维持储存容器中的水的供应，该水随后被传热机构加热和/或冷却。许多现有技术的系统将水从储存容器移动至传热机构，然后使已被添加或移除热量的水返回至储存容器。

在加热系统的情况下，已知使用锅炉作为传热机构，该锅炉燃烧化石燃料以产生用于加热流经锅炉的水的热量。这种系统产生大量的CO2，并且热流体(例如，水)的整体产生就成本和CO2的产生而言可能不如期望那样高效。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供一种流体加热和/或冷却系统，该流体加热和/或冷却系统设置为加热和/或冷却流体，并包括下述部件中的至少一者：

1.热泵，其包括以下组件中的至少一者：压缩机；蒸发器，其具有使内部的制冷剂蒸发的蒸发温度；以及冷凝器，其具有使内部的制冷剂冷凝的冷凝温度，压缩机、蒸发器和冷凝器由设置为运送制冷剂的制冷剂管道工程系统进行连接；

其中，冷凝器和蒸发器中的一者在流体与制冷剂之间提供热交换器；

热交换器可以具有：

(i)一次入口，其设置为在使用时接收制冷剂；

(ii)二次入口，其设置为在使用时接收流体；以及

(iii)二次出口，其设置为在使用时输出流体；

2.流体储存容器，其通常设置为在使用时允许流体在加热管道工程系统中从该流体储存容器经由二次入口循环通过热交换器；

3.至少一个温度传感器，其通常设置为监测流体温度并产生温度输出；以及

4.系统控制器，其通常设置为具有输入至该系统控制器的至少一个温度输出，并基于至少一个温度输出而产生基准温度，其中，基准温度是二次入口和二次出口中的至少一者的温度的函数，并且其中：

(a)当要加热流体时，冷凝器提供热交换器，并且控制器进一步设置为响应于基准温度而控制冷凝温度，使得冷凝温度基本上保持在基准温度之上的预定温度范围内；和/或

(b)当要冷却流体时，蒸发器提供热交换器，并且控制器进一步设置为响应于基准温度而控制蒸发温度，使得蒸发温度基本上保持在基准温度之下的预定温度范围内。

采用热泵的实施例是有利的，因为热泵能够提供系统中的加热和冷却，并且系统可以容易地包括用于允许传热方向发生逆转的阀门。其次，热泵使用输入至系统的能量，以将热能从加热源移动至散热片，或者反之亦然，其中，所移动的能量可以较大，或许可以基本上比输入至系统的能量大。

此外，可以通过确保冷凝温度在基准温度之上的预定温度范围内来提高实施例的效率。

在现有加热系统中，冷凝温度被设定在所需热水温度(即，流体储存容器中的流体所要加热到的温度)之上的水平。通常来说，该热水温度为60℃，因此，冷凝温度被设定为该温度之上的温度，例如70℃。因此，使用处于比流体所要加热到的温度高的温度的加热介质(制冷剂)执行大多数(如果不是全部的话)加热处理。相反，在至少一些实施例中，将制冷剂的温度反复调节至比被加热的流体的温度(其为流体的实际温度，而不是期望的最终温度)高的温度，从而控制冷凝温度与流体温度之差(即，预定温度范围)。一些实施例设置为将预定温度范围控制为可实现的最小值。因此，通常来说，实施例设置为：当流体温度为最低时，将冷凝温度控制成从流体加热开始时的最小值增大至流体加热处理结束时的最大值，因此，平均冷凝温度低于现有系统中的平均冷凝温度。因此，这些实施例计算作为基准温度加上预定温度范围的目标冷凝温度。

有利的是，将冷凝温度控制为基本上在基准温度之上的预定温度范围内的温度的实施例增大了系统的性能系数(COP)。COP被定义为有用的加热能量输出除以输入到热泵压缩机中的能量。例如，在这种加热系统中，当冷凝温度为25℃时，COP可以为8.8，而当冷凝温度为约65℃时，COP仅可以为2.2以下。

因此，系统的平均COP变为其工作范围内的COP的加权平均值，并且可以认为，典型实施例的平均值将变为5.5。应理解的是，在这种整体COP下操作的实施例在产生热流体和/或使用更少的CO2方面将比用于加热流体(例如，水)的系统(在该系统中，冷凝温度被保持为高于流体的最终温度)更有效。

优选的是，热泵是空气源热泵，可选的是，热泵是地源热泵、水源热泵或包含多个热泵且可选地具有不同的外部加热源的热泵系统。

冷凝器可以包括设置为从制冷剂管道工程系统中的制冷剂吸取热量的热交换器。因此，当系统设置为加热流体时，冷凝器可以被称为冷凝器热交换器或热交换器。

在冷却系统中，冷凝器和蒸发器的位置反转，并且系统中流动的流体被冷却。本领域的技术人员将理解的是，制冷剂管道工程系统是用于在冷却或加热系统中移动热量的机构。当系统设置为冷却流体时，蒸发器可以包括设置成从加热管道工程系统中的流体吸取热量的热交换器。因此，当系统设置为冷却流体时，蒸发器可以被称为蒸发器热交换器或热交换器。

在可在加热系统与冷却系统之间转换的系统中，该系统可以对制冷剂管道工程系统进行变型，该变型通常包括用于改变制冷剂管道工程系统的各部件之间的流动方向的阀门。本领域的技术人员将理解如何实现这点。

在冷却系统中，当可在加热系统与冷却系统之间转换的系统被操作作为冷却系统时，本领域的技术人员将理解的是：控制蒸发温度，而非冷凝温度。

在加热系统中，冷凝温度与表示冷凝器热交换器的二次侧中的流体温度(即，冷凝器的二次出口或二次入口处或这两者之间的位置处的流体温度)的温度之差通常被最小化或以其他方式减小，以优化或以其他方式提高效率，并且冷凝温度高于二次出口处的流体温度。相反，在冷却系统中，蒸发温度与表示冷凝器热交换器的二次侧中的流体温度(即，冷凝器的二次出口或二次入口处或这两者之间的位置处的流体温度)的温度之差通常被最小化或以其他方式减小，以优化或以其他方式提高效率，并且蒸发温度低于二次出口处的流体温度。因此，该系统被反向操作，以利用本领域技术人员所能理解的且作为热力学第二定律的结果的卡诺定理的相同方面。

在公开内容的其他部分中，为简明和简单起见，描述了加热系统。参考上述段落，本领域技术人员将理解如何调节系统和方法以进行冷却。

二次入口处可以设置有至少一个温度传感器，以直接测量在二次入口处进入冷凝器的流体的温度。另外或作为替代，温度传感器可以位于沿着自流体储存容器起的管道上的任意位置或流体储存容器内部靠近该管道的位置；沿着管道的已知热损耗(其本身可以是温度函数)可以用于计算二次入口处的温度。

另外或作为替代，传感器可以位于冷凝器的二次出口处或沿着从二次出口至流体储存容器的管道设置。冷凝器的二次入口与二次出口之间的已知温差可以用于根据二次出口处的温度来计算二次入口处的温度。另外，如果温度传感器沿着从二次出口至流体储存容器的管道设置，则可以使用沿着管道的已知热损耗。

可以设置多个温度传感器。

控制器可以根据二次入口温度和二次出口温度中的至少一者的函数来产生基准温度。在一个实施例中，基准温度可以是二次入口温度和二次出口温度的平均值。然而，本领域的技术人员将理解的是：冷凝温度必须高于冷凝器热交换器的二次侧中的流体的最高温度。因此，各实施例通常设置为将预定温度范围保持为足够大，以使目标冷凝温度(其等于基准温度加上预定温度范围)高于冷凝器热交换器的二次侧中的流体的最高温度。

在一些实施例中，温度输出可以是在二次入口处进入冷凝器的流体的温度。作为替代，可以利用控制器如上文所述那样根据温度输出来计算在二次入口处进入冷凝器的流体的温度。

控制器(其可以是数字控制器)计算将所需热量从冷凝器的二次侧传递到流体储存容器的底部中的流体的最低冷凝温度。该计算可以考虑到冷凝器热交换器的特性，并使冷凝温度被调节至目标冷凝温度，该目标冷凝温度基本上在基准温度之上的预定温度范围内。

也就是说，系统控制器可以设置为随时响应于基准温度而改变冷凝温度。随时可以为实时，或基本上为实时，或可以指的是周期性的。变化之间的周期基本上可以为例如下述时间中的任一者：1秒、2秒、4秒、6秒、8秒、10秒；20秒；30秒；45秒；1分钟；2分钟；5分钟等。可以设想的是，控制器可以在比1秒的短的时间间隔内进行计算，但可以认为的是，控制系统中的迟滞可能意味着这种短周期是没有必要的。本领域的技术人员根据本文概述的方法将理解：变化之间的周期应足够短，否则被加热的流体的温度在该周期内基本上不会变化，从而使冷凝温度不准确，这将导致系统操作效率低于所期望的系统操作效率。

通常来说，系统控制器设置为将冷凝温度保持为使得目标冷凝温度与基准温度之间的预定温度范围实际上尽可能小。在该背景下，除了其他变量之外，最低实际预定温度范围以及由此得到的最低实际冷凝温度取决于所使用的热交换器，并且可以表示下述情况中的至少一者：

i.足够低以确保在冷凝器中将气体完全冷凝成液体；

ii.比冷凝器热交换器的二次侧中维持加热系统的温度高预定量，从而允许热交换损耗；以及

iii.留出冷凝器热交换器的二次侧中维持加热系统的温度之上的足够余量，以确保在冷凝器中将气体完全冷凝成液体。

将冷凝温度保持为高于冷凝器热交换器的二次侧的出口处的流体温度的预定量基本上可以为下述温度中的任一者：1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃，并且优选地为小于5℃。

基准温度用作冷凝器热交换器的二次侧中的温度的测量值，但不可以直接为二次入口、二次出口或冷凝器热交换器的二次侧中的任何位置处的流体的温度中的任一者。基准温度是热交换器的温度的已知函数；即，可以使用基准温度以及系统中的已知或可计算的热增益、损耗、温度梯度和温差计算二次入口、二次出口或冷凝器热交换器的二次侧中的任何位置处的温度。

加热管道工程系统可以包括设置为环绕加热管道工程系统泵送流体的泵。泵可以具有可变的速度，从而允许控制冷凝温度。这里，可以理解的是，冷凝器热交换器的一次侧和二次侧处于热力学平衡，并且影响输入至一次侧或二次侧或从一次侧或二次侧输出的热量的参数变化将影响平衡。因此，冷凝(或蒸发)温度、入口温度和出口温度是相关的值；它们互为依存。这样，本发明的实施例可以被认为是将加热和/或冷却系统的函数性优化至一系列平衡，该平衡由加热管道工程系统、制冷剂管道工程系统以及分别位于它们中的流体和制冷剂的热容量设定。

加热管道工程系统可以包括设置为允许流体绕过加热管道工程系统的热交换器的旁路管道。加热管道工程系统还可以包括设置为控制允许流经旁路管道的流体的量的阀门。

系统控制器可以进一步设置为将加热管道系统中的流体通过冷凝器的流量控制作为除了温度输出之外的变量的函数。例如，这些变量可以包括下述变量中的任何一者或多者：要被加热系统加热的流体的热特性；与加热管道工程系统中的流体相关联的热交换器的温度特性。这些实施例的有利之处在于：它们能够提高(最优化)系统的加热和/或冷却的能量效率。

在一些实施例中，冷凝器热交换器可以部分或全部位于流体储存容器中。

根据本发明的第二方面，提供一种控制系统，其设置为使用热交换器控制一定体积的流体的加热和/或冷却，并包括：

至少一个输入端，其设置为具有输入至该至少一个输入端的温度传感器的输出，温度传感器设置为监测要被加热的流体的温度；以及

控制器，其设置为基于输入至控制器的至少一个温度输出来产生基准温度，其中，基准温度是二次入口和二次出口中的至少一者的温度的函数，并且控制器进一步设置为响应于基准温度而控制热交换器的一次侧的温度，使得热交换器的一次侧的温度基本上保持在基准温度之上的预定温度范围内。

根据本发明的第三方面，提供一种加热和/或冷却流体储存容器中的流体的方法，该方法包括：将流体从储存容器移动至热交换器的二次侧，并控制热交换器的一次侧的温度，使得热交换器的一次侧的温度基本上保持在基准温度之上的预定温度范围内，基准温度是下述温度中的至少一者的函数：通向二次侧的入口的温度以及二次侧的出口的温度。

根据本发明的第四方面，提供一种机器可读介质，该机器可读介质包括指令，该指令在被机器读取时使机器如本发明的第一方面和/或第二方面的系统那样运行或使机器提供本发明的第三方面的方法。

在本发明的上述方面的任一方面中，机器可读介质可以包括下述介质中的任一者：软盘、CD ROM、DVD ROM/RAM(包括-R/-RW和+R/+RW)、硬盘驱动器、固态存储器(包括USB存储键、SD卡、记忆棒^TM、闪存卡等)、磁带、任意其他形式的磁光碟、传输信号(包括互联网下载、FTP传输等)、线材或任意其他合适的介质。

本领域的技术人员应理解：相对于本发明的上述多个方面中的一个方面所讨论的特征可以在加上必要的变更的情况下应用于本发明的其他方面。

对本文的管道工程系统的参考也可以被认为是对管道系统的参考。

附图说明

现在，将在下面参考附图仅通过举例的方式对本发明的实施例进行详细描述，在附图中：

图1示出了空气源热泵被用于加热水的系统的实施例的示意图；以及

图2示出了图1所示的本发明实施例的控制的示意图。

具体实施方式

为了清楚起见，适宜地就设置为加热流体(特别是加热水)的系统而言对实施例进行描述。然而，本领域的技术人员应理解的是：其他实施例也可以设置为加热和/或冷却其他流体。

图1所示的热水加热系统100基于空气源热泵(ASHP)110的使用。加热系统100包括压缩机102、冷凝器热交换器104和蒸发器106，它们中的每一者借助于制冷剂管道工程系统108进行连接，并设置为提供制冷循环。冷凝器104与蒸发器106之间的制冷剂管道工程系统108中设置有蒸发控制阀112。制冷剂管道工程系统108设置为引导制冷剂穿过冷凝器热交换器104的一次侧104a。

制冷剂在制冷剂管道工程系统108中从蒸发器106流动至压缩机102。该管道区段中的气体处于低压和低温；压缩机102提高温度和压力，然后被加热且加压的制冷剂流动至冷凝器热交换器104的一次侧104a(经由一次入口124a进入)，该一次侧104a将制冷剂管道系统108中的流体冷凝成高压、温度适中的液体，然后该液体经由一次出口124b离开。冷凝器热交换器104允许热量从制冷剂传递至流体。然后，低温制冷剂经由蒸发控制阀112返回至蒸发器106，该蒸发器106从热源(在该情况下，其为外部空气132)中吸取热量。蒸发控制阀112(其可以被认为是膨胀控制装置)让高压液体在蒸发器106中膨胀成低压冷却气体。

制冷剂管道工程系统108周围的制冷剂的通道用诸如低、中、高等相对术语进行描述。本领域技术人员将理解的是：参考制冷剂管道工程系统108的其他部分描述这些术语。

系统100包括热水储存容器114、加热管道工程系统116a和116b以及至少两个泵118、120。冷水经由容器114的下部区域中的冷水供应部122进入热水储存容器114。进入容器114的冷水在这里替换经由水管道工程系统116b离开容器114且将用于诸如清洗、淋浴、洗澡等热水服务126的水。

同时，为了加热清洗用的水，水管道工程系统116a使冷水从水箱的下部区域循环至冷凝器热交换器104的二次侧104b。流入到二次侧104b中的水被来自冷凝器热交换器104的一次侧104a的热量加热，并返回至容器114。

容器114中的热水分层，使得热水可以被储存在容器顶部以待使用，而较冷的水进入容器的下层中并被加热。

温度传感器130测量冷凝器热交换器104的二次入口128a的区域中的水的温度。

在替代实施例中，温度传感器130位于管道工程环路116a上的其他位置或容器114中靠近通向管道工程环路116a的入口的位置。在这样的实施例中，本领域的技术人员应理解的是：通常在加热管道工程系统的周围位置处存在已知的温度下降，并且可以基于加热管道工程系统的其他位置来确定二次入口128a处的水的温度。

温度传感器130提供温度输出。

在替代或其他实施例中，系统还包括额外的温度传感器和/或温度/压力传感器。有利的是，此类传感器定位在压缩机102和/或蒸发器106的入口和/或出口处以及流体储存容器114中或附近的一个或多个位置处。

除了包括阀门112之外，制冷剂管道工程系统还包括另一个阀门222，另一个阀门222设置为控制制冷剂所能通过的速率。

图2示出了上述实施例的控制系统200。具体而言，控制器202设置为接收如下所述的输入，并处理这些输入以控制相对于图1所述的系统。

适宜的是，控制器202包括处理器。该处理器可以是任何合适的处理器，例如Intel^TM i3^TM、i5^TM、i7^TM等；AMD^TM Fusion^TM处理器；以及Apple^TA7^TM处理器。

来自温度传感器130的该温度输出被设置作为控制系统控制器202的输入。控制器202响应于该温度输出而控制冷凝器热交换器104的冷凝温度，从而使冷凝温度在由进入二次入口128a的水的温度得到的基准温度之上的预定温度范围内。

在该实施例中，温度输出表示进入二次入口128a的水的温度。在替代或其他实施例中，温度传感器130位于二次出口128b处或二次出口128b附近，并且温度输出表示离开二次出口128b的水的温度。然后，通过控制器202使用温度输出来产生基准温度。

在附加或替代实施例中，温度传感器130不位于二次入口128a或二次出口128b处，而是位于管道工程系统116a的区域中的其他位置。使用温度输出以及诸如来自管道的热量损失和二次入口128a与二次出口128b之间的温差等其他因素计算进入二次入口128a或离开二次出口128b的流体的温度。因此，温度输出是进入二次入口128a的水的温度和/或离开二次出口128b的水的温度的已知函数。然后，由控制器202基于温度输出产生基准温度。

在冷凝器热交换器104的二次侧104b上存在温度梯度，并且基准温度是基于二次侧104b中的至少一个温度的某一函数。在一些实施例中，基准温度是二次入口128a与二次出口128b之间的平均温度。

在本实施例中，由使用者或冷凝器热交换器104提供的软件预设预定温度范围。在其他实施例中，控制器202基于包括下述项目中的一者或多者在内的因素计算要使用的温度范围：

(i)热交换器的类型；

(ii)二次入口处的水温；

(iii)冷凝器的最高和最低冷凝温度；

(iv)基准温度；以及

(v)所需热水温度；即，流体储存容器中的流体所要加热到的温度。

然后，控制器202使压缩机102和/或蒸发器控制阀112调节制冷剂管道工程系统中的制冷剂的流量和/或压力及温度，以降低或提高冷凝器热交换器104中的冷凝温度，使得冷凝温度为或接近基准温度加上预定温差。

在以下描述中，控制器202与各个部件之间的连接被描述为有线连接。这些连接可以在诸如RS232、RS485、TCP/IP、USB、火线等任意合适协议或专用协议下进行操作。然而，在其他实施例中，连接还可以是无线的，在该情况下，诸如蓝牙、WIFI等协议或专用协议可能也是适合的。

在图2所示的实施例中，控制器202分别经由有线通信通道201b、210i与压缩机102和温度传感器130电通信。控制器202控制压缩机102以调制压缩机102，从而允许调节冷凝温度。

在一些实施例中，控制器202还与压缩机102的一次侧和二次侧上的阀门112和222中的一者或多者通信，以调节通过压缩机102的流动，并因此调节冷凝温度。

在替代或其他实施例中，控制器202与诸如下述温度传感器等进一步的温度传感器通信，以提供额外数据/反馈。因此，每个下述温度传感器均设置为产生输入至控制器202的温度输出：

温度传感器230a，其位于热泵冷凝器104的二次出口128b的区域中；

温度传感器230b，其位于流体储存容器114的低位区域中；

温度传感器230c，其位于流体储存容器114的高位区域中；以及

温度传感器230d，其位于蒸发器106的出口区域中。

在替代或其他实施例中，控制器202与冷凝器一次入口124a的区域和/或蒸发器106的入口区域中的压力/温度传感器232a、232b通信。

有利的是，使用除了温度传感器103之外的温度传感器的实施例提高了基准温度和/或温度范围计算的准确度，和/或进一步优化了加热系统。

控制器202还与输出控制机构220、112和222中的一些或所有输出控制机构通信。控制器202可以借助于压缩机用电动机控制器220来调制压缩机102的输出。另外或作为替代，控制器202可以使蒸发器膨胀阀112和冷凝器控制阀222打开或关闭或在两个极限位置之间进行调节。另外或作为替代，控制器102可以调节蒸发器风扇电动机240和冷凝器二次泵118。