热泵系统的制作方法

本发明涉及一种用于操作热泵系统的方法，以及对应的热泵系统。

背景技术：

如众所周知的，制冷或加热能够由制冷系统提供，制冷系统使用制冷循环，其中，制冷剂流体被压缩、冷却、膨胀并且然后加热。在一种常见的用途(其中，这样的制冷循环用于满足加热负载)中，制冷剂流体的冷却经由排热至建筑内的空间的排热换热器来进行，并且，制冷剂流体的加热经由从将被人们占据的建筑的外侧吸热的吸热换热器来进行。以此方式，即使当内部比大气更凉时，制冷循环也能够从建筑的外侧传热到建筑内。制冷剂流体的完全相变或部分相变能够用于提高排热阶段与吸热阶段之间的可能的温度差。

在这样的热泵系统的情况下，吸热换热器(典型地，蒸发器)运载低温制冷剂流体，以便即使在外侧空气温度低时也吸热。在一些条件下，这引起在吸热换热器的外部表面上结霜的风险。

技术实现要素：

从第一方面看，本发明提供了一种用于操作热泵系统的方法，热泵系统包括：压缩装置、排热换热器、膨胀装置以及吸热换热器；其中，膨胀装置提供可控的膨胀程度；该方法包括：确定指示在吸热换热器的外部表面上的结霜状况的温度；如果指示结霜状况的温度高于阈值数值，则在第一模式下操作热泵系统；以及如果指示结霜状况的温度处于低于阈值数值的温度的范围内，则在第二模式下操作热泵系统；其中，在第二模式下，热泵系统布置成调整膨胀装置处的膨胀程度，以与当在第一模式下操作时的过热(或过热度，即superheat)相比而提高吸热换热器的出口处的过热，以由此提高吸热换热器的外部温度。

在传统上，这样的热泵系统可以配置成以在吸热换热器的出口处的最小过热操作，以便使容量(或能力，即capacity)最大化。这可以类似于上文中的方法的第一模式中的操作。发明人已认识到，当外侧空气温度如基于指示结霜状况的温度所确定的那样处于某一范围内时，通过在第二模式下以提高的过热操作能够产生益处。在该布置(或组件，即arrangement)的情况下，热泵系统能够以吸热换热器的提高的外部温度操作，并且，这允许扩大的温度范围(在此吸热换热器能够被操作而不形成霜)。

当在吸热换热器的外部表面上存在霜时，于是，热泵系统的操作效率能够通常降低多达20%。因此，有利的是，如上文中所陈述的，使用具有提高的过热的模式来阻延(或推迟，即delay)霜形成，因为，尽管提高的过热将与正常的无霜操作相比而减小系统的容量，但霜的避免给出比该容量上的减小更大的获益。这可能在如下的区中是特别地有价值的：其中，外侧空气温度通常降到霜能够初始地形成的范围(诸如，处于范围1-9℃或2-7℃内的温度)内，而不保持低于冰点达持续的时期。这些状况通常出现于世界的居住地点，诸如，跨欧洲的大部分。

确定指示结霜状况的温度的步骤可以包括确定外侧空气温度。外侧空气温度是吸热换热器外部的外侧空气的温度。备选地，确定指示结霜状况的温度的步骤可以包括确定与外侧空气温度和/或吸热换热器的外部表面的温度关联的某个其它温度。这可以包括将温度传感器用于那些温度中的一个的某个其它间接测量。备选地或附加地，该方法可以使用诸如经由与外部表面进行热接触的温度传感器来进行的对吸热换热器的外部表面的温度的更直接的测量。在一个示例中，该方法可以使用确定外侧空气温度和在吸热换热器的出口处的制冷剂流体温度的组合来评估在吸热换热器的外部表面上的结霜状况的可能性。

该方法可以控制膨胀装置，以便过热的水平足以防止当指示结霜状况的温度(例如，外侧空气温度)处于低于阈值数值的温度的范围内时在吸热换热器上的霜形成。因而，当在第二模式下操作时控制膨胀可以使得吸热换热器的最低外部温度高于最小除霜数值，例如，高于0℃。吸热换热器的外侧温度可以是外部表面(诸如，翅片等等)的温度，其中，最低外侧温度在吸热换热器的冷端(出口端)处。

膨胀装置提供可控的膨胀程度，其被利用以便如上文中所讨论的那样控制在吸热换热器的出口处的过热。膨胀装置可以是用于降低制冷剂流体的压力的任何合适的可控的膨胀装置，诸如，例如电子膨胀阀。

膨胀装置处的膨胀程度可以被主动地控制，其中，膨胀程度(例如，膨胀阀的打开的程度)随着指示结霜状况的温度(例如，外侧空气温度)变化而变化。这可以进行，以便在过热上的提高用于防止霜，而不存在过大的过热，过大的过热可能不必要地降低容量。如上文中所注意到的，第一操作模式可以涉及针对吸热换热器中的最小过热的过热的常规控制。第二操作模式可以涉及提高过热足以防止霜，例如以如上文那样提高吸热换热器的外部温度，而不会明显地超过所要求的提高。

该方法可以基于阈值数值与外侧空气温度之间的差(诸如，与该差成比例或基于出于防止霜的目的而确定的某个其它函数)而控制在吸热换热器的出口处的过热。这样的函数可以针对不同形式的吸热换热器而变化。所要求的函数可以在经验上确定和/或通过建模而确定。该方法可以使用外侧空气温度和过热的表或外侧空气温度和膨胀要求的表。因而，由于外侧温度在低于阈值数值的范围内变化，于是膨胀装置可以主动地被控制成赋予所要求的过热。将意识到，通过以此方式使用过热，诸如，在基于外侧空气温度而主动地控制膨胀装置的情况下，于是变得有可能在没有对热泵系统的任何其它修改的情况下无霜地操作。

热泵系统可能不要求额外的用于吸热换热器的除霜装置，并且因此可能不存在一个或多个额外的除霜装置。热泵系统有利地不包括单独的用于对吸热换热器的外部表面进行除霜的加热器，例如，可不存在任何形式的电加热器等等。因而，热泵系统可以使用针对过热的对膨胀装置的控制来在低于阈值数值的温度的范围内避免霜，而不需要任何其它热源。因此，过热可能是针对当在第二模式下操作时的吸热换热器的外部温度的提高的唯一原因。

低于阈值数值的温度范围可以是具有下界(在此，热泵系统被切换回到第一操作模式)的范围。这于是将允许霜形成，其中，结果在效率上下降，但将意识到，随着温度变得更低，于是，提高过热的效率上的成本上升，以致于在某个点处，在“正常”模式(即，第一操作模式，其中，霜被容许)下操作变得最佳。因此，第二操作模式能够被认为是霜阻延模式，该霜阻延模式使用提高的过热来降低外侧空气温度(在此霜可以形成)。

低于阈值数值的温度的范围可以是第一阈值数值(其是上文中所讨论的阈值数值)与低于第一阈值数值的第二阈值数值之间的范围。热泵系统可以在第一阈值数值下从第一操作模式切换到第二操作模式以便阻延霜形成，并且在第二阈值数值下从第二操作模式切换到第一操作模式，这于是一旦外侧空气温度对于高效地使用过热而太低，就可以容许霜。第一阈值数值可以是指示处于范围6-13℃内，任选地处于范围7-11℃内(诸如，大约9℃或大约10℃的温度数值)的外侧空气温度的温度。如上文中所注意到的，该方法可以包括经由使用外侧空气温度传感器来直接地测量外侧空气温度。第二阈值数值可以是指示处于范围0-6℃内，任选地处于范围1-4℃内(诸如，大约2℃或大约3℃的温度数值)的外侧空气温度的温度。因而，例如，当确定外侧空气温度处于范围2-10℃或3-7℃内时，热泵系统可以使用第二操作模式。

该方法可以包括确定吸热换热器的出口处的制冷剂的过热。这可以涉及诸如通过在吸热换热器的出口处和/或在压缩机抽吸入口处进行测量而测量热泵系统内的一个或多个点处的制冷剂温度和压力。技术人员将意识到用于确定可以在此情境下使用的过热的合适的测量的各种技术。

如上文中所注意到的，该方法可以包括直接地或间接地确定外侧空气温度。例如，该方法可以包括使用温度传感器来测量吸热换热器外部的空气温度。对于热泵系统的外部部分而言相对常见的是，包括外侧空气温度传感器，并且便利地，当前的方法可以使用该类型的现有的传感器。备选地，该方法可以确定反映外侧空气温度中的变化的测量值，并且由此间接地确定外侧空气温度。将意识到，确定外侧空气温度可以包括等效于确定温度何时如上文中所讨论的那样下降至低于存在结霜的风险的阈值的任何测量值。

吸热换热器典型地是热泵系统的蒸发器。吸热换热器的外部表面可以是吸热元件(诸如，换热器的翅片)的外部表面。示例性的布置具有可以联接到运载热泵系统的工作流体以便与外部空气换热的多排换热器管的两排、三排或更多排吸热元件，例如，三排翅片。将意识到，最大的结霜风险存在于这样的多排换热器的最靠近对于热泵系统中的工作流体的出口的最后的排处，其中，越过外部表面的外侧空气将处于其最冷，并且，翅片温度也处于其最冷。因此，所提出的操作方法可以涉及在第二模式下的操作期间的吸热换热器的翅片的最后的排内的提高的过热，以便防止在该排上的结霜。有利地，可以在其它排内避免过热，以便使热泵系统的容量最大化。

压缩装置可以是用于提高制冷剂流体的压力的任何合适的装置，并且因此可以是任何合适的类型的压缩机。压缩装置可以布置成利用单相制冷剂(即，完全气态的制冷剂)或利用具有液相和气相的混合的两相制冷剂来操作。压缩装置能够具有连接到自吸热换热器起的流体通路的入口和连接到通向排热换热器的流体通路的出口。在一些示例中，流体通路提供不带有将修改制冷剂流体的状态的其它制冷系统构件的直接连接。压缩装置可以具有诸如用于连接到节热器管路的中间入口。

热泵系统可以包括节热器管路。节热器管路可以连接到膨胀装置或与膨胀装置互相作用。节热器管路可以从位于排热换热器之后并且位于膨胀装置之前或位于膨胀装置处的热泵系统中的分支点延伸到压缩机的中间入口。可能存在用于节热膨胀并且用于控制节热器流的程度的位于节热器管路中的节热器阀，以及用于在位于节热器阀之后的节热器管路中的制冷剂流体与位于分支点之后并且位于膨胀装置之前的热泵系统中的制冷剂流体之间换热的节热器换热器。

排热换热器可以是冷凝器。

该方法可以包括将热泵系统用于建筑的加热，并且，在此情况下，吸热换热器可以位于建筑的外部，其中，外侧空气温度因此是在建筑的外部和在吸热换热器的附近的温度。

将意识到，热泵系统的主构件与对于现有的热泵系统的主构件相同，其中，主要修改与针对提高的过热的对膨胀阀的控制有关。上文中的方法因此可以在原有的热泵系统上诸如经由对控制系统和/或对其软件的修改来实施。有利地，这样的修改/升级可以使用现有的外侧空气温度传感器。

从第二方面看，本发明提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括供在用于热泵系统的控制器上执行的指令，热泵系统包括：压缩装置、排热换热器、膨胀装置以及吸热换热器；其中，膨胀装置提供可控的膨胀程度；其中，指令在被执行时将使控制器配置成根据在上文中关于第一方面或其任选特征而讨论的方法而操作热泵系统。

从第三方面看，本发明提供了一种热泵系统，该热泵系统包括：压缩装置、排热换热器、膨胀装置以及吸热换热器；其中，膨胀装置提供可控的膨胀程度；热泵系统布置成：接收对于指示在吸热换热器的外部表面上的结霜状况的温度的测量值，如果指示结霜状况的温度高于阈值数值，则在第一模式下操作，并且，如果指示结霜状况的温度处于低于阈值数值的温度的范围内，则在第二模式下操作，其中，在第二模式下，热泵系统布置成调整膨胀装置处的膨胀程度，以与当在第一模式下操作时的过热相比而提高吸热换热器的出口处的过热，以由此提高吸热换热器的外部温度。

热泵系统可以包括用于接收温度的测量值并且用于控制热泵系统的操作模式的控制器。因此，控制器可以配置成用于如上文中所陈述的那样控制膨胀阀以提高过热。第二方面的热泵系统可以布置成根据在上文中关于第一方面或其任选特征而讨论的方法而操作。其可以包括如在上文中诸如关于膨胀装置、换热器、压缩机、温度传感器、过热传感器等等中的一个或多个而提到的热泵系统的特征。

附图说明

现在将仅通过示例的方式并且参考附图而描述某些优选实施例，其中：

图1示出热泵系统；

图2是示出带有结霜的风险的热泵系统的吸热换热器处的参数的图表；以及

图3示出在实施热泵系统的经修改的第二操作模式以阻延霜的形成之后的类似参数。

具体实施方式

如图1中所看到的，热泵系统包括在制冷/热泵循环中一起操作的压缩装置12、排热换热器14、膨胀装置18以及吸热换热器16。热泵系统包含制冷剂流体，并且，制冷剂流体经由压缩装置12的循环使制冷系统能够利用制冷循环(热泵循环)来满足加热负载。在此示例中，压缩装置12是用于气态制冷剂流体的压缩的压缩机12，排热换热器14是用于至少部分地使制冷剂流体冷凝的冷凝器，膨胀装置18是用于使制冷剂流体以可控的膨胀程度膨胀的膨胀阀，并且，吸热换热器16是用于至少部分地使制冷剂流体蒸发的蒸发器。热泵系统可以有利地布置成使得流体在冷凝器14处完全地冷凝，并且在蒸发器16处完全地蒸发。

热泵系统由控制器26控制，控制器26在此示例中如下文中所讨论地基于来自过热传感器28和外侧空气温度传感器30的输入而控制膨胀装置18。控制器26还能够用于控制和/或监测制冷系统的其它部分，诸如，压缩机12。

在图2中示出对于吸热换热器16的一组的典型的操作参数，例如在其中吸热换热器16是具有三排翅片的蒸发器16。图2的图表图示越过翅片的空气的空气温度101、翅片壁温度102以及制冷剂温度103(即，蒸发器16内的工作流体的温度)。该图表涉及大约7℃的外侧空气温度，其为在吸热之前并且在蒸发器16上的空气流之前的外侧空气温度，如在翅片空气温度101的标绘图的左手端示出的那样。

作为换热过程的结果，靠近蒸发器16翅片壁的空气温度101横过翅片排而降低，并且，翅片壁温度102同样地降低。制冷剂温度103在蒸发点处低于0℃，并且，在此示例中，其蒸发温度是-3℃。当环境外侧空气温度低于阈值数值(其可以典型地是取决于蒸发器的性质处于6-13℃之间的数值)时，于是，对于翅片壁温度有可能下降至低于0℃，其中，结果，霜形成于蒸发器外部上。如果霜形成，则系统的效率降低。图2示出如下的情形：其中，如箭头f所指示的，当翅片壁温度下降至低于0℃时，霜将形成于第三排翅片上。

对于“正常”操作模式，在不考虑结霜的情况下，热泵系统的最有效的控制将针对蒸发器16中的恒定的制冷剂温度，其中，吸热经由制冷剂流体(在此情况下，处于-3°c)的蒸发来发生。这可以是通过避免不必要的过热而提供最大加热容量的对于本文中所描述的热泵系统的第一操作模式。

在图2的示例标绘图中，如制冷剂温度103的标绘图中所示出的，在第三排中存在一定的略微的过热104，但这不足以防止霜形成。如所示出的，过热的作用是提高制冷剂温度103并且结果提高翅片壁温度102。热泵系统能够通过膨胀阀18的控制而被控制成提供所要求的过热程度。图2的示例标绘图未示出这样的过热的有效使用，因为，翅片壁温度102仍然下降至低于0℃，从而允许发生结霜。

当外侧空气温度充分地下降从而存在霜形成的风险时，蒸发器16的出口端内的过热可进一步提高，并且，该情况的示例在图3中示出。这图示对于热泵系统的可行的第二操作模式，其中，当外侧空气温度处于低于阈值数值的设定范围内时，采用该第二模式，如在本文中进一步讨论的那样。外侧空气温度的测量能够诸如经由如图1中的外侧空气温度传感器30来直接地进行。位于蒸发器16的出口处的过热104经由膨胀装置18的控制来提高至足以保持翅片壁温度102高于0℃的水平。翅片空气温度101相应地提高。提高的过热104意味着制冷剂温度103提高至高于蒸发温度，从而导致效率上的下降，但该效率上的下降通过当不存在形成于蒸发器16的外部表面上的霜时的传热的提高的有效性而被平衡。因而，通过阻延霜形成(即，通过降低外侧空气温度(在此蒸发器16将在结霜状态下操作))而存在性能上的获益。

作为基本示例，注意到，温度范围等等可以取决于吸热换热器的性质并且取决于外部条件而调整，诸如，考虑到外部空气湿度，热泵系统可以布置成在第一模式下以最小的过热操作，直到外侧空气温度下降至低于第一阈值数值(诸如，如图2和图3中那样低于7℃)为止。在第一模式下，在蒸发器16在制冷剂的蒸发温度下操作的情况下，热泵系统可以被控制成提供在吸热换热器16内的所有点处依然恒定的制冷剂温度103。这可以涉及如上文中所注意到的-3℃的制冷剂温度。

当外侧空气温度下降至低于阈值时，于是，热泵系统替代为在第二模式下操作，这能够类似于图3中所示出的情况。在第二模式下，过热104在吸热换热器的出口处提高，其中，制冷剂温度103的提高用来将翅片壁温度102提高至高于0℃并且因此防止霜形成。第二模式在外侧空气温度的如下范围内使用，直到温度下降到使得第二模式不提供优于结霜的换热器的性能的任何性能提高为止。对于典型的换热器，这能够处于低于2℃的外侧空气温度，以便第二模式用于低于7℃并且高于2℃的外侧空气温度。将意识到，该下限阈值可以取决于与热泵系统关联的参数(诸如，由于结霜的操作而出现的换热效率上的下降和起因于增加的过热104而出现的加热容量上的下降)而变化。在低于下限阈值温度(即，上文中的示例中的2℃的外侧空气温度)的情况下，热泵系统再次在第一模式下操作。

再次参考图1，位于换热器16的出口处的过热104的水平能够经由合适的过热传感器28来测量。该过热传感器28可以布置成确定换热器16的出口处的制冷剂温度和压力，或备选地可以如所示出的那样位于压缩机12的抽吸入口处。过热104经由使用膨胀阀18来调整，膨胀阀18经由热泵系统的控制系统26来控制。该控制能够以任何合适的方式进行。在此示例中，如所示出的，控制系统26还从外侧空气温度传感器30接收外侧空气温度的测量值。这提供了一种在热泵系统应当切换成第二操作模式时以及出于其它原因利用通常已经存在于热泵系统中的传感器28、30确定具有结霜风险的温度的简单方式。