住宅熱泵熱水器的製作方法

2023-05-17 08:58:11

專利名稱：住宅熱泵熱水器的製作方法
技術領域：
本發明的實施例涉及熱水器。更具體地，本發明的實施例涉及熱泵熱水器。
背景技術：
用於住宅熱水產生和儲存的廣泛接受和使用的熱水器是電阻熱水器和儲罐。熱水器典型地包括罐，其限定用於保持水的腔室。水入口管道設有第一連接件，其用於與供應新鮮相對較冷的水到腔室的冷水供應管線互連。在罐內存在電阻元件，其加熱罐中的水。在當前實施例中，存在至少兩個電阻元件。第一電阻元件位於罐的底部附近，而第二電阻元件位於罐的頂部附近。還存在定位在罐的外部上的兩個傳感器，其測量在罐的頂部和底部附近接近電阻元件的位置的罐溫度。當由這些傳感器傳感的溫度降低到低於特定水平時，這些傳感器閉合與對應的電阻元件相關聯的觸點，使得電阻元件供能。當水供應到罐時，它通過浸入管供應，浸入管推動冷水到罐的底部並且從而推動熱水通過出口管道從頂部出來，此處水是最熱的。這種構造的問題中的一個在於靠近罐的頂部的傳感器不能檢測熱水正離開和冷水正靠近底部進入該罐。下部傳感器當它檢測到恆溫器處的溫度下降時檢測到冷水正進入該罐，這是具有兩個傳感器的主要目的。當下部傳感器檢測到溫度下降到低於某水平時，它閉合該觸點且給下部電阻元件供能直到溫度到達特定的水平。但是，每次下部電阻元件加熱水，熱水上浮且向上到罐的頂部。例如，如果罐保持50加侖的水，而三加侖的水流到罐內，它可造成下部電阻元件被供能數分鐘以便恢復該溫度。如果幾分鐘後，汲取另外三加侖的水，下部電阻元件再次被供能另外數分鐘以便恢復該溫度。這使得熱水上升到頂部，造成被稱作累積(stacking)的問題。在連續汲取少量水的情況下，下部電阻元件每次被供能且運行直到下部傳感器被所附罐的下部足夠溫熱。當這種情況發生時，罐的頂部每次連續變得更熱一些，這造成罐的頂部中的水過度加熱，而這種過度加熱可能潛在地導致熱水不希望地被從罐中汲取。因此需要一種構造，其解決與由當前熱水器上連續汲取少量水所致的累積相關聯的問題。

發明內容
根據本發明的實施例，公開了一種用於控制熱泵熱水器(HPWH)的系統。系統構造成加熱熱泵熱水器的儲水罐內的水，其中系統內的控制器在操作上連接到熱泵和成對的熱電阻加熱器。熱泵冷凝器定位於儲水罐附近以有助於從冷凝器向儲水罐中的水傳熱。第一電阻加熱器定位在儲水罐內接近儲水罐的底部。第二電阻加熱器定位在儲水罐內接近儲水罐的頂部。該系統還包括溫度傳感器，其被定位以確定儲水罐內且在儲水罐的頂部附近的水溫。控制器包括構造成處理表示儲水罐內的水的溫度讀數的數據的模塊。在處理溫度讀數時，控制器自動選擇並控制熱泵冷凝器和成對的電加熱元件的供能。也由控制器處理表 示流入和流出儲水罐的水的速率、典型地以氣態或蒸氣態進入冷凝器的製冷劑的溫度和典型地至少部分地以液態離開冷凝器的製冷劑的溫度的數據。控制器響應於所處理的數據給熱泵、第一電阻加熱器和第二電阻加熱器中的一個或更多個自動供能。
還根據本發明的實施例，公開了一種加熱熱泵熱水器的儲水罐內水的方法，該方法包括在操作上連接到加熱元件和傳感器的控制器選擇並利用適當的加熱元件來加熱儲水罐內的水而不過度加熱水。該方法可包括將熱泵的冷凝器定位於儲水罐附近以與包含在罐中的水成熱交換關係以向罐中的水傳熱；定位電加熱元件以加熱儲水罐內的水；周期性地處理由多個傳感器測量的溫度讀數以便自動地控制該選擇以及給熱泵和電加熱元件中的一個或更多個供能。還根據本發明的實施例，公開了一種用於加熱熱泵熱水器的儲水罐內水的方法和設備，其包括冷凝器構造，在冷凝器構造中冷凝器的入口部分位於罐的底部附近以將熱首先傳遞到罐的最下部區域中的水。還根據本發明的實施例，公開了一種用於加熱熱水器的儲水罐內水的方法和設備，其包括在操作上連接到加熱元件的控制器，其使用單個傳感器監測罐中的水溫而避免上述的累積問題；以及事件流量模塊，其構造成接收和處理表示由溫度傳感器所測量的溫度讀數的數據以便確定水是否正從儲水罐流出。


參考下面的附圖描述了非限制性的且非窮盡的實施例，其中，除非另外規定，在所有各個附圖中，相同的附圖標記指示相同的部分。圖I根據本發明的實施例示意性描繪了熱泵熱水器的第一實施例；圖2根據本發明的實施例示意性描繪了熱泵熱水器的第二實施例；圖3根據本發明的實施例示意性描繪了熱泵熱水器的第三實施例；圖4根據本發明的實施例示意性描繪了熱泵熱水器的第四實施例；圖5A根據本發明的實施例示意性描繪了熱泵熱水器的第五實施例；圖5B根據本發明的實施例示意性描繪了熱泵熱水器的第六實施例；圖6是示出當該單元處於備用(standby)模式時與當存在從儲水罐流出的水每分鐘一加侖的流率時比較儲罐的頂部附近的傳感器輸出的曲線圖；圖7A和圖7B根據本發明的實施例分別描繪了控制方塊圖和線路圖；以及圖8A至圖SE示出了熱泵冷凝器和電加熱元件的溫度和流量模塊的自動控制的過程流程。
具體實施例方式大體描述在整個說明書中對「一個實施例」或「實施例」、「一方面」或「方面」的提及意味著具體描述的特點、結構或特徵可包括於本發明的至少一個實施例中。因此，這些短語的使用可指多於僅僅一個實施例或方面。此外，所描述的特點、結構或特徵可在一個或更多個實施例或方面中以任何適合的方式組合。而且，對單個物品的提及可意指單個物品或多個物品，就如同對多個物品的提及可意指單個物品。本發明的實施例利用控制器，控制器被編程以控制熱泵熱水器，但本發明的不是所有方面限制為熱泵熱水器，而是也可具有其它應用，諸如電熱水器。控制器可被編程以具有預設操作模式。此外，控制器可被編程為解譯各種溫度和數據輸入用於控制熱水器的熱源。而且，溫度和數據輸入可由控制器解譯以自動地選擇電加熱元件和熱泵中的一個或多個並給它供能(經由壓縮機的供能)為了以防止由累積引起的水的過度加熱的方式高效地加熱水。詳細描述 以下參考附圖更全面地描述各種實施例，附圖形成本發明的一部分且其示出本發明的特定實施例。然而，實施例可以以許多不同的形式實施且不應被解釋為限於本文提出的實施例；而是提供這些實施例使得本公開完全和完整，且將向本領域技術人員全面傳達本發明的範圍。因此，下文的描述不應被理解為具有限制意義。所描述的實施例提出了熱泵熱水器系統的實施例，其利用一個或更多個電阻元件以及熱泵或製冷密封系統來向水傳遞熱量。通過利用製冷密封系統從周圍溫熱環境的空氣向水傳熱而顯著地減少加熱水所需的能量。在圖I至圖5所描述的實施例中，每個熱泵熱水器系統公開了各種傳感器，其中的一個被定位以傳感儲水罐內的水溫。來自該傳感器的數據不僅用於傳感罐中的水的溫度而且在無流量計的實施例中用於間接檢測流量事件的發生，即，相應地從儲水罐出來的熱水流量和進入儲水罐的相關聯的冷水流量。在某些實施例中，流量計用於直接檢測流量事件的發生。被定位以傳感儲水罐內的水溫的傳感器可定位在儲水罐內或者替代地定位在與罐側壁接觸的罐的外部上。表示儲水罐內的水溫和流量事件的發生的數據被傳輸到控制器進行處理。控制器在操作上連接到電阻加熱器和熱泵且包括模塊，模塊有助於響應於接收到的表示儲水罐內的水溫和水流量事件的發生的數據而自動選擇熱泵和電阻加熱器中的至少一個且給它供倉泛。現參看附圖，圖I根據本發明的第一實施例示意性描繪了熱泵熱水器100。該熱泵系統包括蒸發器102、壓縮機130、冷凝器108、節流裝置106和至少一個風扇104。冷凝器108裝配成與儲水罐120中的水處於熱交換關係。在熱泵循環的操作期間，製冷劑作為以過熱蒸氣和/或高品質蒸氣混合物形式的流體離開蒸發器102。在離開蒸發器102時，製冷劑進入壓縮機103，此處壓力和溫度增加。在壓縮機130中溫度和壓力增加使得製冷劑變成過熱蒸氣。來自壓縮機130的過熱蒸氣進入冷凝器108。當在冷凝器108中時，過熱蒸氣將能量傳給儲罐120內的水。在將能量傳給儲罐120內的水時，製冷劑變成飽和液體和/或高品質液體蒸氣混合物。此高品質/飽和液體蒸氣混合物離開冷凝器108且穿過節流裝置106。在離開節流裝置106時，製冷劑的壓力和溫度降低，此時，製冷劑進入蒸發器102且循環自身重複。熱泵熱水器100包括用於允許冷水進入熱泵熱水器100的水入口管線112，此處它經由浸入管Iio被導向至罐120的底部。熱泵熱水器100還具有放置於儲水罐120的頂部和底部附近的電加熱元件122和124以加熱水。在本文所述的實施例中，加熱元件被示出突入罐的內部，然而也可類似地採用提供來定位上部元件和下部元件以分別加熱在罐的上部區域和下部區域中的水的其它構造。熱水在罐120的頂部附近在出口 114處離開熱泵熱水器且流到住宅或需要熱水的其它場所。熱泵熱水器100具有溫度傳感器126，其被定位以傳感罐的上部區域中的水的溫度且也可具有放置於各個位置的附加的溫度傳感器用於傳感其它溫度，諸如熱泵冷凝器入口和出口溫度、環境溫度等。在圖I所示的第一實施例中，單個水溫傳感器126定位朝向罐120的上端。熱泵冷凝器108定位成與儲水罐120成熱交換布置以使熱能夠從冷凝器傳給儲罐中的水。該系統包括控制器152，其裝備有微處理器，微處理器被編程以包括水溫和流量模塊，其在操作上連接到熱泵熱水器且構造成接收表示由單個傳感器126測量的溫度讀數的數據。由控制器152接收的溫度讀數由水溫和流量模塊處理以確定罐120中的水的溫度。控制器152內的水溫和流量模塊還構造成處理表示由單個傳感器126測量的溫度讀數的數據以確定儲水罐120中的水的溫度變化率。響應於所傳感的水溫和儲水罐120中的水的溫度的變化率，控制器152確定壓縮機130、上部電阻加熱器122和下部電阻加熱器124中的哪個應被供能和供能多久，以便加熱儲水罐120內的水。控制器152和存儲於其中的水溫和流量模塊，以及單個傳感器126，在操作上構造成有效地響應於引起較小的溫度變化的從儲水罐汲取的少量水，從而消除對於定位在儲水罐120的下部中的第二傳感器的需要。該溫度變化率的信息也可用於代替流量計來檢測從罐中汲取的水的近似流率，例如通過比較所檢測的 溫度變化率與查找表且從最接近所檢測的溫度變化率的表選擇相關聯的流率，查找表包括成組的經驗上確定的溫度變化率/流率關係。該系統也可被編程以確定短時段中使用多少水以便使用該信息來確定加熱添加到儲水罐120的未加熱水的最高效的方式。如圖2所示,第二實施例包括定位於水入口管線212中的流量計216。流量計216將表示流入儲水罐220的水量的數據傳輸給控制器252內的水溫和流量模塊。在短時段從儲水罐220移除大量水的情況下，單個傳感器226可能不以有助於控制器252立即識別到大量水被從儲水罐220移除的速度讀取水溫變化。當從儲水罐220移除大量水時，可能需要替代的和/或附加的加熱元件供能以便以最高效和及時的方式加熱水。控制器252處理從流量計216接收的表示進入儲水罐220的水的流率的數據以及從單個傳感器226接收的數據以便確定壓縮機230、上部電阻加熱器222和下部電阻加熱器224中的哪個應被供能以便加熱儲水罐220內的水。圖2所示的實施例還包括水入口管線212中的第二溫度傳感器228以便傳感通過水入口管線212流入儲水罐220的水的溫度。控制器252處理表示通過水入口管線212流入儲水罐220的水的溫度的數據以便在流入儲水罐的水與已在儲水罐內的熱水混合時確定儲水罐220內的水的預計溫度。預計從流入儲水罐220的未加熱的水與已在儲水罐220內的熱水的混合所得溫度的能力允許控制器252預先且自動地確定壓縮機230、上部電阻加熱器224和下部電阻加熱器224中的哪個需要被供能以便加熱儲水罐220內的水。如圖所示，熱泵熱水器還包括外部的溫度傳感器232，其構造成向控制器252傳輸表示儲水罐220周圍空氣的溫度的數據以進行處理。控制器252處理表示儲水罐220周圍空氣的溫度的數據以便在壓縮機230被供能以加熱儲水罐220內的水時確定熱泵系統的效率。在圖I和圖2相應示出的第一實施例和第二實施例中，因為使用熱敏電阻器來傳感溫度，而不是使用在工業中常用的雙金屬傳感器，所以系統控制器152/252可檢測小的溫度變化。控制器152/252內的水溫和流量模塊處理由溫度傳感器126/226傳輸的溫度讀數以檢測由傳感器126/226所測量的溫度隨時間的變化率。例如，如果儲水罐120/220充滿被加熱到先前限定的溫度的水且然後用戶汲取少量的水，諸如三加侖至五加侖，那麼溫度傳感器126/226將檢測到水溫的某些但並非顯著的變化。可能區分由從儲水罐120/220汲取水造成的溫度變化與由HPWH系統處於備用模式且沒有水被汲取所致的溫度變化，這是因為水溫和流量模塊監測由溫度傳感器126/226所測量的水溫隨時間的下降。在備用模式中，由溫度傳感器126/226所測量的溫度的下降是非常緩慢的下降。只要一汲取水，即使以低的流率，由溫度傳感器126/226所測量的下降的速率比在不汲取水時由傳感器126/226所測量的下降更快。因此，由傳感器126/226所測量的水溫隨時間的快速下降向控制器152指示發生流量事件。在諸如圖I的實施例中，其並不包括直接測量流量的流量計，由控制器152基於儲水罐內水溫隨時間變化的速度來確定流量事件。 在檢測到流量事件時，控制器152可決定給下部加熱元件或壓縮機供能且可向水傳熱使溫度回到設定值溫度(如由傳感器126檢測)所需的時間。這允許下部加熱元件或壓縮機在檢測到流量事件時被供能且加熱罐的下部中的水而不造成儲水罐的頂部中的水被過度加熱。通過利用上部傳感器126來控制下部加熱元件124或壓縮機，以此方式，連續的少量抽水將不會導致儲水罐120頂部中的水由於累積而被過度加熱。仍參看圖2的實施例，溫度傳感器還放置於壓縮機230的出口處(如由附圖標記234所示)以傳感離開壓縮機的過熱蒸氣的溫度，其基本上也為進入冷凝器208的蒸氣的溫度。溫度傳感器236也放置於冷凝器208的出口處以便測量離開冷凝器208的製冷劑的溫度。溫度傳感器234和236允許系統控制器252估算由冷凝器208傳輸到儲水罐內的水的能量。表示由溫度傳感器234和236所測量的冷凝器上溫度的降低的數據被傳輸到控制器252且與先前所述的溫度數據一起被處理以自動地確定是否需要啟動附加加熱元件222或224以便加熱儲水罐220內的水。類似地,溫度傳感器242和244相應用於測量蒸發器的入口溫度和出口溫度以監測蒸發器「過熱」。當操作適當時，出口溫度與入口溫度之間的溫差應為大約10 °F。為了密封的系統的高效操作和為了避免由於製冷劑未完全蒸發而對壓縮機造成的潛在的損壞，控制器252構造成如果出口溫度與入口溫度之間的溫差小於5 T則關掉該密封系統。而且，如果溫差太高，可生成信號以告知用戶低效操作。系統控制器252在操作上連接到熱泵熱水器200且構造成接收表示由溫度傳感器226、236、232、234、242和244所測量的溫度讀數的數據。在熱泵熱水器200的操作期間，電加熱元件222和224和壓縮機230中的任一個也可在給定時間操作。通常，壓縮機230和電加熱元件222及224並不同時操作。然而，設想電加熱元件222或224中的一個和壓縮機230可同時操作。儘管設想電加熱元件222及224和壓縮機230可在給定時間操作，但是兩個加熱元件222和224同時操作可能需要特殊電氣考慮(例如，更大的斷路器、專用電路等)來適應增加的電流汲取(draw)。因此，在示範性實施例中，避免兩個加熱元件同時供倉泛。現參看圖3，圖3根據本發明的實施例示意性描繪了熱泵熱水器300。熱泵系統包括蒸發器302、壓縮機330、冷凝器308、節流裝置306和至少一個風扇304。在熱泵循環的操作期間，製冷劑作為過熱蒸氣和/或高品質蒸氣混合物離開蒸發器302。熱泵熱水器300可具有放置於各個位置的傳感器。在圖3的實施例中，溫度傳感器328放置於罐320中靠近上部加熱元件322。溫度傳感器328定位於罐內、連接到杆340，允許直接傳感水溫而不是通過測量罐壁溫度並推斷水溫。將溫度傳感器328定位於儲水罐320內改進了響應時間和所傳感的水溫的準確度。溫度傳感器334放置於壓縮機330的出口處以測量壓縮機排放溫度從而保護壓縮機避免過度加熱。提供溫度傳感器332以測量環境溫度。此外，溫度傳感器336和338分別測量蒸發器302入口和出口溫度。熱泵熱水器300的此實施例還具有相應放置於儲水罐320的頂部和底部附近的電加熱元件322和324。HPWH系統300包括控制器352，其在操作上構造成接收表示由溫度傳感器328、332、334、336和338所測量的溫度讀數的數據。來自傳感器332、336和338的數據由控制器352以如關於圖2的實施例中其對應部分所描述的相同方式使用。控制器352構造成處理壓縮機排放數據且如果所傳感的溫度超過被選擇以防止壓縮機過度加熱的預定參考溫度則關掉該壓縮機。例如，在示範性實施例中，使用240 T的參考溫度。熱泵熱水器300包括用於允許冷水進入熱泵熱水器300的入口 312，此處它經由浸入管310被導向至罐320的底部。熱水在罐320的頂部附近在出口 314處離開熱泵熱水器且流到住宅或需要熱水的其它場所。熱泵熱水器300還包括流量計316用於測量進入儲水罐320的水量和流率。流量計316測量在給定時間間隔內流入儲水罐320的總水量。例如，流量計316可確定在給定月份業主可能使用了 1000加侖的熱水。溫度傳感器328、332、334、336和338構造成向控制器352傳輸表示所測量的溫度的數據以進行處理。控制器352處理此溫度數據和流率數據以自動地確定壓縮機330、上部加熱電阻加熱器322和下部電阻加熱器324中哪個應被供能以便加熱儲水罐320內的水。現參看圖4，圖4根據本發明的實施例示意性描繪了熱泵熱水器400。該熱泵系統的構造類似於圖3所示的構造，除了冷凝器408，基本上覆蓋水罐420側壁，有助於通過包裹於儲水罐420的外部的冷凝器向儲水罐內的水提供更多熱的能力。現參看圖5A至圖5B，圖5A根據本發明的實施例示意性描繪了熱泵熱水器500。該熱泵系統的構造類似於圖I所示的構造，除了冷凝器508，包括柱形部分，其至少部分地覆蓋水罐520的側壁；和底部部分，其至少部分地覆蓋底壁518，有助於通過冷凝器508的底部部分從冷凝器向儲水罐內最冷的水提供更多熱的能力。在圖5A所示的實施例中，冷凝器508的底部部分以螺旋盤管構造與底壁518接觸。設想到與底壁518接觸的冷凝器508的底部部分可為替代的構造，只要該替代的構造允許與底壁518接觸的增加的表面積。該熱泵系統包括蒸發器502 ;壓縮機530 ;冷凝器508 ;節流裝置506 ;至少一個風扇504 ;以及，相應放置於儲水罐520的頂部和底部的電加熱兀件522和524。熱敏電阻526靠近上部加熱元件522放置於罐520中。熱泵熱水器500包括允許冷水進入熱泵熱水器500的入口 512，此處它經由浸入管510被導向至罐520的底部。熱水在流出口 514處在罐520的頂部附近離開熱泵熱水器且流到住宅或需要熱水的其它場所。溫度傳感器526構造成向控制器552傳輸表示所測量的溫度的數據以進行處理。控制器552處理表示儲水罐520內的水的溫度的數據以便確定壓縮機530、上部電阻加熱器522和下部電阻加熱器524中的哪個應被供能以便加熱儲水罐520內的水。圖5A和圖5B還示出熱泵熱水器系統500，其中冷凝器508在操作上連接到壓縮機530以有助於從壓縮機530向冷凝器508傳遞過熱制的冷劑蒸氣，使得處於最熱狀態的過熱的製冷劑蒸氣最初通過靠近儲水罐520的底部的冷凝器508的入口部引導。使過熱的 製冷劑蒸氣通過冷凝器508過渡使得製冷劑蒸氣首先向儲水罐520的下部傳熱，允許過熱的製冷劑蒸氣向儲水罐520內在其最冷點的水傳熱。圖I至圖4所示的實施例以從頂部到底部的方式從壓縮機503向冷凝器508傳輸過熱的製冷劑蒸氣，由此在最熱狀態的過熱的製冷劑蒸氣首先接合儲水罐520的上部和中部。在這些實施例中，在儲水罐最下部的水由冷凝器508內的過熱的製冷劑蒸氣加熱，製冷劑蒸氣已循環通過冷凝器508且已從儲水罐520的上部移除了熱。圖5A和圖5B中所示的實施例構造成有助於啟動從經過冷凝器508的過熱蒸氣向儲水罐520內最冷的水傳熱。更具體地，在圖5A的實施例中，過熱的製冷劑蒸氣起始進入且流經冷凝器508的底部且然後在柱形部分的最低點進入冷凝器的柱形部分，且從那裡逐漸向上流經圍繞水罐的側壁的柱形螺旋且在儲水罐520的頂部附近離開冷凝器508。相對於現有技術的典型的更傳 統的頂部到底部冷凝器布置，結果是儲水罐520中相對較低的溫度梯度。例如，與傳統的熱泵熱水器構造大約15 ° 至30 T的梯度和對於傳統的電熱水器從下部元件到罐的頂部大約10 °F的梯度相比，在圖5A的示範性實施例的構造中，可實現罐中大約I ° 至3 °F的溫度梯度。如果從電熱水器中下部元件下方的區域到罐的頂部測量，梯度可更接近50 T至60 T。這意味著在示範性實施例中，整罐520的水被加熱到設定值溫度，而不是僅儲水罐520的頂部中的水。這種構造非常有效地減小罐中的溫度梯度。然而，在某些相對罕見的情況下易於出現潛在的製冷劑遷移問題。如果進來的水特別冷，例如35 T至40 °F且迅速地汲取足夠水使得冷凝器盤管的至少一半但並非基本上全部暴露於進來的冷水，冷凝器中的製冷劑將傾向於遷移到冷凝器最冷的部分，其為在罐的底部下方延伸的部分而不是循環向上通過圍繞罐側壁的冷凝器部分，導致不足的製冷劑返回壓縮機用於密封的系統的高效操作。例如，在50加侖儲罐中，汲取大約近似20加侖水可造成這種情況。在圖5B所示的實施例中避免這種弱點，其包括「回流」冷凝器設計構件。在圖5B所示的設計中，蒸氣流首先進入冷凝器508的柱形部分。到冷凝器的此部分的入口位於柱形部分的最低點509處。蒸氣向上流過包裹水罐的冷凝器盤管508的部分且然後向下流至且通過在罐518的底部上的底部部分507，在罐的底部離開冷凝器。這種布置還使熱的製冷劑蒸氣最初暴露於靠近底部的罐的最冷部分。然而，通過在進入底部部分之前在柱形部分向上行進，冷凝器的最冷部現在靠近冷凝器的出口，而壓縮機能夠使製冷劑循環通過冷凝器且從冷凝器出來，從而避免了製冷劑遷移問題。在圖I至圖5中所公開的熱泵熱水器的實施例中的每一個具有四種操作模式。電模式、熱泵模塊、混合模式和高需求模式。電模式僅使用電阻加熱器操作。熱泵模式僅使用由壓縮機驅動的密封的系統來加熱水。混合模式使用由壓縮機驅動的密封的系統作為用於加熱水的主要能源，還使用上部電元件以使能夠從造成罐中相對低的溫度狀態的事件更迅速恢復，諸如當填充空的或基本上空的罐時，或者在相對短的時間汲取相對大量的熱水之後。如同混合模式，高需求模式選擇性地使用密封的系統和上部電元件，它還選擇性地使用下部加熱元件以使能夠在延長的時間以較高速率汲取特別大量水時迅速恢復。控制器在所有四種模式中進行操作以響應備用冷卻，S卩，當不施加熱和不汲取熱水時由於通過絕熱的罐壁的熱損失罐中的水的溫度的逐漸降低；且響應流量事件冷卻，即，由於從罐的頂部汲取熱水所致的溫度降低，熱水被通過浸入管進入罐的底部部分的冷水替換。當從儲水罐120汲取熱水時，冷水由浸入管110帶入以替換被移除的水。浸入管110推動被帶到儲水罐120的底部的冷水。冷水開始與已在罐120中的熱水混合。然而，當冷水最初進入罐120時，上部傳感器126繼續讀取罐的上部區域中的水的溫度，其通常處於設定值水平或接近設定值水平。隨著時間，由於混合，由上部傳感器126所測量的溫度開始降低。因為系統僅使用位於罐的頂部附近的單個水溫傳感器，所以控制器需要能夠對由此傳感器所傳感的小的溫度變化(如果由流量事件引起)做出響應，通過開啟下部熱源來加熱進入罐的底部部分的冷水。對於這些小的溫度變化(如果由備用冷卻而非流量事件冷卻造成)的響應將導致不必要的短循環。因為控制器152持續接收如由上部傳感器126所測量的、表示儲水罐120內的水溫的數據，當水溫降低時，控制器152進行操作以大致區分由於備用冷卻造成的溫度降低與由於流量事件造成的溫度降低。控制器通過檢測溫度小於閾值溫度來檢測第一情況，閾值溫度在示範性實施例中為與設定值溫度的第一預定偏差。控制器通過檢測流量事件發生而檢測第二情況，在採用流量計的實施例中通過自流量計的輸入，或者在未配備流量計的實施例中，通過處理水溫數據，如將在下文中所描述，且通過檢測溫度小於閾值溫度，閾值溫度在示範性實施例中為與設定值溫度的第二預定偏差，其為比第一偏差更小的偏差以便使控制器能夠在檢測到流量事件時對更小的溫差做出響應。在混合模式和電模式，控制器也進行操作以有效地響應所傳感的罐中水的溫度顯著低於設定值溫度的情況，諸如當最初用冷水填充罐時可能發生的或者當在相對短的時段汲取非常大量的熱水時可能出現的情況。這些情況在本文中被稱作冷罐情況。出於示範性示例的目的，假定圖I所示的儲水罐120充滿冷水且操作模式為混合。當HPWH 100通電時，上部傳感器126傳感儲水罐120內的水的溫度且傳輸表示水溫的數據給控制器152。控制器152處理表示儲水罐120內水溫的數據且確定它低於限定的冷罐閾值，冷罐閾值被選擇表示足夠低的水溫使得需要在合理時段以意圖迅速加熱至少在罐的頂部的水(其將被首先汲取)到至少接近設定值溫度的溫度的方式給熱源供能。在此示範性實施例中，混合模式的冷罐閾值被設置為低於設定值30 T，例如，T-30 T，其中T為設定值溫度。在示範性實施例中，可由用戶從大約100 ° 至140 °F的範圍選擇設定值。在示範性實施例中，例如對於預計長期不使用的用戶而言，也可利用50 °F的假期模式設定值。然而，設定值溫度T可從更寬或更窄的範圍選擇，或者為預定的工廠設置值或者其可為根據實施於控制器中的溫度控制算法自動選擇的值。無論如何選擇，設定值溫度表示存儲於罐中的水的所希望的或目標溫度。在混合模式，在這些條件下，控制器152給上部電加熱元件122供能以便加熱儲水罐120內的水的頂部部分直到水溫到達第二混合閾值溫度，第二混合閾值溫度小於設定值溫度，但充分接近以依賴熱泵系統變成能源來加熱罐的下部中的水和在合理時間內完成罐中的水溫恢復到設定值溫度。控制器152進行操作以繼續給上部加熱元件122供能直到接收表示溫度在此第二閾值溫度或高於此第二閾值溫度的數據，此時，控制器152使上部電加熱元件122斷能。第二閾值被設置低於設定值溫度以便補償任何溫度超調(overshoot)，溫度超調可能是由於溫度傳感器與上部加熱元件122之間的距離造成，因為當元件被供能時上部加熱元件122附近的水溫高於位於罐的壁上的傳感器126附近的溫度。當更溫熱的水從上部加熱元件122行進到傳感器126時在延遲時段期間，熱仍由電加熱元件122添加到水。因此，此過量熱可造成水溫超過設定值溫度。在示範性實施例中選擇此第二混合閾值溫度比設定值溫度小3 T，S卩，T-3 T。當上部電加熱元件122斷能時，響應於罐的上部中的溫度超過第二混合閾值，在儲水罐120的下部中的水繼續是冷的，這是因為在儲水罐120的下部內的水不能利用上部加熱元件122有效地加熱。為了解決這種情況，在上部電加熱元件122斷能時，控制器152給壓縮機130供能，驅動熱的製冷劑通過圍繞儲水罐120的冷凝器108以加熱罐的下部中的水，且繼續這樣做直到傳感器126讀取表示溫度大於或等於設定值T的數據並傳輸該數據到控制器152。在控制器152接收並處理表示所傳感的水溫大於或等於設定值溫度T的數據時，控制器152傳輸信號以使壓縮機130斷能且從而中止到儲水罐120中的水的傳熱。在此混合模式示例中，在從冷罐條件恢復之後，即，已經將由傳感器所傳感的溫度帶到設定值溫度，且在沒有流量事件的情況下，熱泵將保持斷能只要罐中的溫度保持高於第三混合閾值溫度，第三混合閾值溫度被選擇充分接近設定值溫度以維持罐中可接受的溫度而不會過度循環以從隨時間通過罐的緩慢熱損失中恢復，在示範性實施例中第三混合閾值溫度被設置為T-5 T。如果所傳感的水溫降低到低於T-5 T，則密封的系統被供能直到所傳感的溫度恢復到設定值溫度T。通過此布置，解決由於備用冷卻的熱損 失。如上文簡要提到的，流量事件的特徵為從罐中汲取熱水。更具體地，出於溫度控制目的，流量事件的特徵為以這種方式汲取熱水使得在罐中所傳感的溫度的變化率超過流量事件檢測閾值率。如果所傳感的溫度降低到低於設定值溫度，控制器檢查流量事件。在檢測到流量事件時，比較所傳感的溫度與小於設定值溫度的流量事件閾值溫度，且如果所傳感的溫度變得小於此閾值溫度，給密封的系統供能以恢復溫度到設定值溫度。選擇流量事件閾值溫度充分接近設定值以使該系統能夠迅速響應流量事件從而最小化將罐中的水溫恢復到設定值溫度所需的時間。在示範性實施例中，流量事件閾值被設置為小於設定值溫度 I °F，即 T-I 0F。在此示例中，電模式中的操作類似於混合模式，主要差別在於當需要加熱罐的下部時下部電加熱元件而不是密封的系統被供能。另一相關聯的差別在於電模式的冷罐閾值溫度被選擇為T-25 °F，其略微高於混合冷罐閾值溫度。然而，相同的閾值溫度偏差可用於兩種模式，與混合模式的意圖一致，以主要依靠使用密封系統其中僅有限地使用電元件來提供改進的能量效率，在混合模式中更低的閾值溫度的使用導致電元件更少使用而不會顯著地有損恢復時間。再次考慮冷罐的示例來說明電模式，在檢測到水溫低於電模式冷罐閾值溫度T-25 ° 時，控制器152給上部電加熱元件122供能以便加熱儲水罐120內的水的頂部部分直到水溫到達第二混合閾值溫度，第二混合閾值溫度小於用戶設定值溫度，但充分接近以依賴下部電加熱元件變成能源來加熱罐的下部中的水和在合理時間內完成罐中水溫恢復到設定值溫度。在示範性實施例中，此為T-3T，就如在混合模式中那樣。控制器152進行操作以繼續給上部加熱元件供能直到接收表示溫度在此第二閾值溫度或高於此第二閾值溫度的數據，在此時，控制器152引起上部電加熱元件122被斷能。如在混合模式中，儲水罐120的下部中的水繼續變冷，因此，控制器152給下部加熱元件124供能，驅動熱進入儲水罐120的下部中的水直到傳感器126讀取和傳輸表示超調閾值溫度(其在電模式中大於設定值溫度)的數據。在控制器152接收並處理表示溫度等於或大於超調閾值溫度的數據時，控制器152傳輸信號以使下部加熱元件124斷能從而停止向儲水罐120的下部中的水傳熱。在電模式，使用超調閾值溫度，而不是設定值溫度來說明下部加熱元件和溫度傳感器的相對位置。已在經驗上確定當使用下部元件來加熱罐中的水時，熱傾向於向外朝向罐側壁且然後沿著壁向上流動。由於溫度傳感器位於罐壁的上部，它對於壁附近的水溫做出響應，壁附近的水比罐中心的水更快地加熱，因此閾值溫度設置為高於設定值溫度的溫度以允許罐中心的水到達設定值溫度。在示範性示例中，超調閾值溫度被設置為T+5 T。繼續電模式示例，從冷罐狀態恢復之後，S卩，將傳感器所傳感的溫度帶到電模式恢復閾值溫度T+5 °F，在沒有流量事件的情況下，下部加熱元件將保持斷能只要罐中的溫度保持高於第三混合閾值溫度，第三混合閾值溫度被選擇充分接近設定值溫度以維持罐中可接受的溫度而不會由於通過罐壁的熱損失而過度循環，在示範性實施例中第三混合閾值溫度被設置為T-5 T。如果所傳感的水溫降低到低於T-5 T，則下部加熱元件被供能直到所傳感的溫度恢復到超調閾值溫度T+5 T。如在混合模式中，在檢測到流量事件時，比較所傳感的溫度與小於設定值溫度的流量事件閾值溫度，且如果所傳感的溫度變得小於此閾值溫度，則下部加熱元件被供能以恢復所傳感的溫度到超調閾值溫度。選擇流量事件閾值溫度充分接近設定值以使該系統能夠迅速響應流量事件從而最小化從流量事件恢復所需的時間。在示範性實施例中，流量事件閾值被設置為比消費者所選的設定值溫度小I °F，SPT-I 0F。 如果操作模式為熱泵，則上部傳感器126傳感儲水罐120內的水溫且傳輸表示水溫的數據到控制器152。控制器152處理表示儲水罐120內水溫的數據且確定它低於設定值。控制器152給壓縮機130供能，驅動熱的製冷劑通過圍繞儲水罐120的冷凝器108，直到傳感器126讀取表示設定值溫度已到達或超過的數據且將該數據傳輸給控制器152。在控制器152接收並處理表示設定值溫度已到達或超過的數據時，控制器152傳輸信號以使壓縮機130斷能且從而停止到儲水罐120中的水的傳熱。操作模式中的每一個依賴流量事件的檢測以響應於從罐傳統地汲取熱水來控制熱源。在採用流量計的實施例中，離開或者進入熱水器的水的實際流率被直接測量且如果它超過預定的閾值速率，則表示有流量事件且控制器相應地響應。大約每分鐘2-3加侖的閾值速率應在50加侖罐中提供令人滿意的結果。在未配備流量計的實施例中，使用水溫數據來間接地檢測流量事件的發生。圖6示出表示對於50加侖熱水器溫度讀數隨時間變化的數據的示例，其中如由上部傳感器126所測量，水已被加熱到近似120 T。線610示出當上部加熱元件122、下部加熱元件124和壓縮機130被斷能且沒有水被汲取時由上部傳感器126所測量的溫度讀數。如線610所示，被測量的水溫隨時間以特徵為備用熱損失的速率降低，備用熱損失為通過儲水罐側壁的絕緣的熱損失。溫度讀數600的線614示出表示當以每分鐘I加侖的速率從罐汲取熱水時由上部傳感器126所測量的溫度讀數的數據，而線616表示當以每分鐘3加侖的速率從罐汲取熱水時的溫度數據。在利用該技術的示範性實施例中，每分鐘O. 3 °F的速率被選擇為檢測流量事件的閾值或參考速率。圖6中的線618表示此閾值流量事件速率。如果控制器152檢測到由傳感器126所傳感的溫度以大於每分鐘O. 3 °F的此流量事件參考速率的流率降低，那麼控制器152知道發生了流量事件。在此示例中，由控制器152來接收並處理由線616所示出的表示讀數的數據允許控制器152確定所傳感的變化率大於表示流量事件發生的閾值或控制極限變化率。在示範性實施例中使用此閾值速率使控制器能夠可靠地響應作為流量事件每分鐘大約3加侖或更高的流率。然而，應理解的是此閾值速率可設置為有助於檢測從水罐汲取的水的任何水平並且不限於檢測以大於每分鐘O. 3 ° 的示範性的閾值速率的速率的溫度降低。在示範性實施例中，控制器查找在每五秒進行檢查的一分鐘移動窗上O. 3 0F的降低以檢測流量事件。如果在一分鐘窗內檢測到大於O. 3 °F的降低，則系統識別流量事件且相應地做出響應。結合用於檢測流量事件的此技術的該描述，應當注意的是商業上可利用的熱水器中的浸入管包括位於管的上端附近的防虹吸孔口，其可具有大約O. 120英寸的直徑。當冷水經由浸入管進入該罐時，進入的水的小部分通過此防虹吸孔口排到罐的上部區域。此外，商業上可利用的住宅熱水器(諸如那些以GE商標在商業上可利用的)中的浸入管具有靠近浸入管的出口端的結構以將紊流引入到進入的水中，其產生流量限制。這種流量限制增加管中的背壓，其增加通過防虹吸孔口排出的速率。如圖I至圖5所示，在示範性實施例中，防虹吸孔口(圖I中的IlOa)在罐中大致與水溫傳感器126(在圖I中)高度相同。冷水通過防虹吸孔口排到罐中對於上部溫度傳感器檢測流量事件的效果較為重要。在示範性實施例中利用商業上可利用的浸入管防虹吸孔口和商業上可以以GE商標利用的電住宅熱水器中採用的出口紊流結構來實現令人滿意的結果。然而，可通過為優化特定儲水罐構造調整孔口尺寸和/或在浸入管的出口處引入的流量限制量來調整檢測的敏感性。 在包括朝向水罐頂部的上部傳感器和朝向水罐底部的下部傳感器的現有技術熱水器系統中，上部傳感器檢測儲水罐上部中的水的溫度變化且使得上部加熱元件開啟直到上部傳感器傳感到罐的頂部部分中的水的溫度被加熱到限定的設定值溫度。在這些系統中下部傳感器檢測罐的下部中的水的溫度變化且使得下部加熱元件開啟直到下部傳感器傳感到水溫恢復到限定的設定值溫度。這種構造的問題中的一個在於連續的小流量事件將造成罐頂部中的水由於累積而過度加熱。在這些現有技術系統中，每次冷水添加到儲水罐的底部時，能量添加給水，這是因為下部加熱元件由於所檢測的溫度變化而每次開啟。因此，熱量上升到儲水罐的頂部，使得在添加附加能量時已在設置溫度水平的儲水罐頂部中的水過度加熱。當連續發生多次小流量事件時，添加給儲水罐中水的頂部中的水的附加能量開始累積且造成水的過度加熱。以上文所述方式使用單個傳感器解決該問題。儘管本發明的此方面的示範性實施例為包括電模式的熱泵熱水器，但應了解的是本發明的此方面並不限於這些實施例且例如可類似地用於僅由電加熱元件加熱的熱水器中。現參看圖7，圖7A描繪了根據本發明實施例的控制方塊圖。控制方塊圖指示在熱泵熱水器的操作期間可能需要的輸入、處理和輸出中的某些。例如，輸入可包括自一個或更多個溫度傳感器的輸入，取決於特定實施例，這裡集體表示為溫度傳感器702。在示範性實施例中，溫度傳感器為熱敏電阻，然而類似地可採用其它類型的溫度傳感器。其它輸入可包括來自風扇704指示風扇速度的反饋703。而且，可從流量傳感器716、浮動開關714和傳導率傳感器706接收輸入。流量傳感器716可用於監測熱水使用。浮動開關714可用於監測來自蒸發器的冷凝的聚集且使得泵或其它裝置啟動以移除冷凝或向用戶提供需要移除冷凝物的信號。傳導率傳感器706可用於代替浮動開關來監測冷凝物聚集或者可用於檢測在熱水器的基部附近的水，指示儲水罐中潛在的洩露。輸入還可包括來自用戶接口 708、時鐘和/或日曆表750的輸入。在一個實施例中，時鐘由非易失性存儲器/電池/電容器供能以便維持日曆鍾，使得如果失去功率，用戶無須重設日期/時間(在帶有時鐘的許多家用電器中需要重設)。這也可通過讀取原子鐘衛星輸出等更優雅的方法來實現。也可從能量監測記帳裝置772來接收輸入。能量監測記帳裝置包括由公用事業公司安裝的裝置，用來限制高峰需求時間的電力汲取。例如，在夏季月份，若允許電力公司有關掉諸如熱水器、熱泵和空調系統這樣的汲取大量電力的裝置的特權，通常電力公司會向消費者提供折扣。也可通過主PCB來完成，主PCB可為微控制器或PLC控制器760等。主PCB也可調節電源770。例如，主PCB 760包括水溫和流量模塊，水溫和流量模塊處理表示由多個熱敏電阻測量的溫度的數據。控制系統的輸出可包括供應到風扇704的功率，到壓縮機730、上部加熱元件720和下部加熱元件118的功率。輸出也可包括在用戶接口 708上的指示信息(未示出)。指示也可以以IXD顯示器或LED燈的形式，如相應由附圖標記710所示。 圖7B是圖I的示範性實施例的表示性電路圖。用於熱泵熱水器100的功率輸入可為標準住宅電力。例如，電源可為以60Hz操作的240伏交流(VAC)電路。這通常由三線組成兩個120VAC輸入和一個接地(即，無中性線)。開關模式電源224被以傳統的整流電路的形式提供以提供12伏直流電源用於風扇104和繼電器驅動器和其它電子控制器需要。系統操作也受到主控制器152控制。主控制器152接收輸入，諸如從傳感器126的輸入。此外，主控制器152接收從風扇104的反饋輸入且控制風扇104操作，如由附圖標記154和156所示。在示範性實施例中，風扇104為變速直流風扇。然而，類似地也可採用交流風扇。風扇104的操作包括監測和控制風扇速度，且通過來自信號發生器158的脈衝寬度調製脈衝提供功率給風扇104來操作。在一個實施例中，經由建到風扇內的轉速計反饋來監測風扇速度。用於本實施例的風扇可為磁體/霍爾效應傳感器設計。當風扇旋轉時，磁體經過霍爾效應傳感器附近，導致脈衝信號輸出。所生成的脈衝的頻率被分析且用於計算風扇的旋轉速度。儘管在上述實施例中給出了監測風扇速度的具體方法，但是設想到可以以多種不同方式來監測風扇速度。主控制器152還構造成識別風扇故障，諸如燒壞馬達、過度繞組溫度、振動、不足的風扇速度等。使用上文所述的轉速計反饋，可將發送到風扇的信號與速度反饋進行比較。例如，如果給出50%輸入，預計的是轉速計反饋應指示最大RPM的近似50%。而且，如果信號傳輸到風扇以有助於在任何速度操作且並無指示風扇旋轉的反饋，則這可被理解為風扇失效。主控制器152還包括用於控制上部加熱元件122的繼電器212、用於控制下部加熱元件124的繼電器214和用於控制壓縮機130的繼電器216。繼電器212-216級聯使得熱源中的僅僅一個在任何一次被供能。級聯的繼電器通過熱斷路開關218的觸點I和2聯接到電源線LI。類似地，電路通過開關218的觸點3和4聯接到電源線L2。開關218為傳統的熱斷路開關，其安裝到罐120的壁上以對罐壁的溫度做出響應。如果罐壁過度加熱到超過斷路閾值溫度的溫度，斷路閾值溫度在示範性實施例中為170 T，則將觸點I聯接到觸點2的開關元件打開，切斷到LI的連接，且聯接觸點3和觸點4的開關元件打開，切斷到L2的連接，從而限制罐的溫度。繼電器220將斷路開關218的觸點3聯接到L2，以在該系統處於切斷狀態時在交流電源與功率控制電路之間提供雙斷。而當該系統開啟且繼電器220處於其常開狀態時，控制器152切換繼電器220以將L2聯接到開關218的觸點4。再次參看繼電器212-216的級聯布置，繼電器212的端子c連接到開關218的觸點2。其常開觸點連接到上部加熱元件122，而其常閉觸點連接到繼電器214的端子C。繼電器214的常開觸點連接到下部加熱元件124，而其常閉觸點連接到繼電器216的端子C。繼電器216的常開觸點通過排放壓力切斷開關222連接到壓縮機130。切斷開關222為傳統的壓力開關，其以傳統方式用於保護密封的系統免於過度的壓力。通過此布置，為了給上部元件122供能，控制器152將繼電器212切換到其常開狀態，從而跨過LI與L2連接加熱元件122。當繼電器212處於此狀態時，LI僅可連接到加熱元件122。為了給下部加熱元件124供能，控制器152切換繼電器212到其常閉狀態且繼電器214到其常開狀態。這跨過LI和L2連接加熱元件124。當繼電器212處於其常閉狀態而繼電器214處於其常開狀態時，LI僅可連接到下部元件124。為了給壓縮機130供能，控制器152切換繼電器212和214到其常閉狀態而切換繼電器216到其常開狀態。這跨過LI和L2串聯壓力開關222與壓縮機130。主控制器152還接受來自用戶接口 202的輸入，如由附圖標記230所示。主控制器152還可包括集成的定時器，其被構造為熱泵熱水器電子控制裝置的部分，向用戶提供控制和編程熱泵熱水器的加熱活動的能力，從而在無需加熱水時節省能量。在圖7B所示的實施例的電路構造中，在熱泵熱水器100的操作期間，僅熱源即加熱元件122和124和壓縮機130中的一個可在任何給定時間操作。這限制了電負荷。然而，設想到在替代構造中，加熱元件122或124中的一個和壓縮機130可同時操作。而且，設想到在替代構造中，加熱元件122及124和壓縮機130都可同時操作。然而，加熱元件122和124的同時操作可能需要特殊的電考慮(例如，更大的斷路器、專用電路等)以適應增加的 電流汲取。儘管如此，設想到加熱元件122和124的操作可在相同時間發生。具有附加的傳感器和其它輸入的類似電路可用於圖2至圖5的實施例。圖8是在HPWH的操作期間控制器內的水溫和流量模塊內的過程流程的說明。如圖所示，在系統被供能792之後，確定儲水罐是否是滿的794。確定儲水罐是否充滿的方法由控制器啟動多個步驟來執行。首先，與儲水罐的外部接觸的冷凝器被啟動限定的時段且加熱儲水罐的外壁。如果罐是空的，儲水罐將開始以比罐中有水時更快的速率升溫。控制器有助於通過定位充分靠近儲水罐壁的傳感器來監測外壁的溫度。在示範性實施例中，傳感器126用於此目的，然而，類似地可採用單獨的溫度傳感器。如果罐是滿的或至少具有處於可接受水位的水，那麼溫度的升高將不超過限定的限度。如果由傳感器測量的溫度升高到高於此限度，其指示儲水罐是空的或罐內的水位低於所希望的水位。如果儲水罐是不滿的，則控制器內的水溫和流量模塊有助於啟動顯示器示出罐是幹的或不滿的796。該系統暫停進一步操作直到罐被充分充滿直到滿足罐充滿測試。在儲水罐充滿水後，詢問儲水罐是否是滿的794將得到肯定的答案。接下來，該系統確定適當的操作模式。示範性實施例具有四種操作模式，標準電模式、熱泵模式、混合模式和高需求模式，高需求模式由電元件與熱泵的使用的組合組成。該系統允許使用先前使用中的操作模式798或者操作者可選擇操作模式802。在操作期間，水溫和流量模塊必須首先驗證操作者所選的操作模式。作為驗證過程的一部分，在804控制器首先詢問操作模式是否為標準電模式。如果操作模式不是標準電模式，則控制器接下來在806詢問操作模式是否為熱泵模式。如果操作模式不是熱泵模式，控制器接下來在807詢問操作模式是否為高要求模式。如果不是高需求模式，水溫和流量模塊在808默認將系統切換到混合模式。當選定的操作模式為標準電模式時，控制器實施標準電模式810(圖8B)。在此模式中，溫度和水流量模塊從傳感器126獲得水溫數據T2 (812)。溫度和水溫模塊構造成首先檢查由T2的值所表示的冷罐狀態(814)，T2值指示小於電模式冷罐閾值溫度T-25 T的水溫，其中T為設定值。如果T2小於T-25 °F，那麼上部加熱元件122被供能而下部元件被斷能(若在檢測到冷罐狀態時其剛好已被供能)(816)。既然模塊構造成給予冷罐狀態優先權，且在示範性實施例中，兩個電元件不能在相同時間被供能，如果在檢測到冷罐狀態時下部元件已被供能以滿足另一狀態，則需要使下部元件124斷能。加熱元件122將繼續被供能直到T2升高到設定值的3 °F內(818)。當T2超過T_3 °F時，上部元件122被斷能(820)而下部元件124被供能(822)。這種操作狀態將繼續直到T2超過高於設定值5 T的超調閾值，即，T2大於T+5 者除非被檢測到另一冷罐狀態打斷，在此時，下部加熱元件被斷能且模塊繼續監測T2(810)再次返回814，如果Τ2不小於T_25 °F，則溫度和水流量模塊接下來檢查以通過確定所傳感的水溫是否小於T-5 °F來確定是否由於備用冷卻而需要熱量(824)。如果是肯定的，那麼下部加熱元件124被供能且保持被供能直到到達T+5 T的超調閾值溫度(822)或者檢測到冷罐狀態(814)。返回至824，如果所傳感的溫度不小於T-5 T，則溫度和水流量模塊接下來檢查以通過首先將所傳感的溫度T2與設定值溫度T進行比較來確定是否由於流量事件而需要熱量(826)。如果T2不小於T，則無需對熱源供能且系統繼續監測T2 (812)。如果T2小於T，模塊接下來查找流量事件的發生(828)。如之前所描述，這在某些實施例中從流量計的輸出來確定且在其它實施例中從溫度變化率數據來確定。如果並未檢測到流量事件，則模塊繼續監測T2 (812)。如果檢測到流量事件，則模塊確定T2是否小於設定值減去I T (830)。如果不是，則模塊繼續監測T2 (810)。如果T2小於T-I T，那麼下部元件被供能且保持被供能直到T2等於或超過超調閾值T+5 T (822)，除非被檢測到冷罐狀態所中斷(814)。當選定的操作模式為熱泵模式時，模塊實施熱泵模式(832)(圖8C)。在熱泵模式中，僅壓縮機驅動的密封的系統用於加熱水。該模塊並不構造成檢測此模式中的冷罐狀態並對此做出響應，因此模塊監測T2 (834)，首先檢查以通過確定所傳感的水溫是否小於T-5 T來確定是否由於備用冷卻而需要熱量(836)。如果是肯定的，那麼密封系統被供能且保持被供能直到到達了用戶選定的設定值溫度(838)。返回至836，如果所傳感的溫度不小於T-5 T，則溫度和水流量模塊接下來檢查以通過首先將所傳感的溫度T2與設定值溫度T進行比較來確定是否由於流量事件而需要熱量(840)。如果T2不小於T，無需熱源的供能且系統繼續監測T2 (834)。如果T2小於T，則模塊接下來查找流量事件的發生(842)。如果未檢測到流量事件，則模塊繼續監測T2 (834)，如果檢測到流量事件，那麼模塊確定T2是否小於設定值減去I T (844)。如果不是，則模塊繼續監測T2 (834)。如果T2小於T-I T，那麼密封的系統被供能且保持被供能直到T2等於或超過用戶選定的設定值溫度。(838)。當選定的操作模式為混合模式時，模塊實施混合模式(846)(圖8D)。在此模式中，溫度和水流量模塊從傳感器126獲得水溫數據T2(848)。如在標準電模式中，溫度和水流量模塊構造成首先檢查由Τ2值所表示的冷罐狀態(850)，Τ2指示低於電冷罐閾值溫度的水溫。然而，在示範性實施例中，如之前所述，混合冷罐閾值溫度為T-30 °F，其小於電冷罐閾值溫度。如果T2小於T-30 °F，那麼上部加熱元件122被供能。加熱元件122將繼續被供能直到T2升高到設定值的3 0F內(854)。當T2超過T_3 °F時，上部元件122斷能(856)且啟動密封的系統的操作(858)。密封的系統將繼續運行直到T2等於或超過設定值溫度(除非被檢測到另一冷罐狀態所中斷)，在此時，密封的系統斷能而模塊繼續監測T2(848)。再次返回到850，如果Τ2不小於T_30 °F，溫度和水流量模塊接下來檢查以通過確定所傳感的水溫是否小於T-5 °F來確定是否由於備用冷卻而需要熱量(860)。如果是肯定的，那麼啟動密封的系統的操作且密封的系統繼續運行直到到達或超過設定值溫度T(858)(除非被檢測到另一冷罐狀態所中斷)，在此時，密封的系統斷能而模塊繼續監測T2(848)。返回至860，如果所傳感的溫度不小於T-5 °F，那麼溫度和水流量模塊接下來檢查以通過首先將所傳感的溫度T2與設定值溫度T進行比較來確定是否由於流量事件而需要熱量(862)。如果T2不小於T，則無需熱源的供能且系統繼續監測T2 (848)。如果T2小於T，則模塊接下來查找流量事件的發生(864)。如果並未檢測到流量事件，則模塊繼續監測T2(848)。如果檢測到流量事件，則模塊確定Τ2是否小於設定值減去I T (866)。如果不是，則模塊繼續監測Τ2 (848)。如果Τ2小於T-I T，那麼啟動密封的系統的操作且繼續運行直到Τ2等於或超過設定值溫度T (858)(除非被檢測到另一冷罐狀態所中斷)，在此時，密封的系統斷能而模塊繼續監測Τ2 (848)。高需求模式為混合模式的 變型，提供這種模式以對於高於典型的熱水使用狀態做出響應，諸如在具有高流量淋浴頭的家庭中可能會發生，例如，與每分鐘2加侖流量的更典型的淋浴頭相比，流率大約每分鐘5加侖。在高需求模式中，該系統使用熱泵來恢復備用損失和少量汲取，如在混合模式中那樣。然而，如果檢測到大流量事件，例如水溫在10分鐘內降低3 °F，那麼該系統使用下部電元件來恢復。此外，以類似於混合模式的方式，但閾值更高，上部加熱元件用於恢復罐的頂部部分中的水溫且然後下部元件用於恢復罐下部中的水溫。如在本文中先前所述，該系統構造成通過檢測在一分鐘時段大約O. 3 T的溫度變化率來檢測「流量事件」，使用一分鐘移動窗，每五秒鐘進行檢查。為了檢測「大流量事件」，該系統查找十分鐘時段3 T的溫度變化，使用十分鐘移動窗，也每五秒鐘進行檢查，然而，每三十秒可足夠。當選定的操作模式為高需求模式時，模塊實施高需求模式(870)(圖8E)。在此模式中，溫度和水流量模塊從傳感器126獲得水溫數據T2 (872)。如在混合和標準電模式中那樣，溫度和水流量模塊構造成首先檢查由T2值所表示的冷罐狀態(874)，T2指示小於冷罐閾值溫度的水溫。然而，在示範性實施例中，如之前所述，混合冷罐閾值溫度為T-20 T，其大於電或混合冷罐閾值溫度。這允許對冷罐狀態更快響應，這是因為高需求模式意圖用於冷罐狀態可能更頻繁的情況。如果T2小於T-20 °F，那麼上部加熱元件122被供能而下部元件被斷能(如果在檢測到冷罐狀態時下部元件剛好已被供能)(876)。加熱元件122將繼續被供能直到T2升高到設置值的3 0F內(878)。當T2超過T_3 0F，上部元件122斷能而下部元件被供能(880)。如在電模式中那樣，這種操作狀態將繼續直到T2超過高於設定值5 T的超調閾值，即，T2大於T+5 °F或者除非被檢測到另一冷罐狀態所中斷，在此時，下部加熱元件124被斷能而模塊繼續監測T2(872)再次返回到874，如果Τ2不小於T_20 °F，則溫度和水流量模塊接下來檢查以通過確定所傳感的水溫是否小於T-5 ° 來確定是否由於備用冷卻而需要熱量(884)。如果是肯定的，那麼啟動密封的系統的操作且密封的系統繼續運行直到到達或超過設定值溫度T (886)(除非被檢測到另一冷罐狀態或大流量事件所中斷)，在此時，密封的系統斷能而模塊繼續監測T2 (872)。返回至884，如果所傳感的溫度不小於T-5 T，則溫度和水流量模塊接下來檢查以通過將所傳感的溫度T2與設定值溫度T進行比較來確定是否由於流量事件而需要熱量(888)。如果T2不小於T，則無需熱源的供能且系統繼續監測T2(848)。如果Τ2小於Τ，則該模塊接下來查找流量事件的發生(890)。如果並未檢測到流量事件，則模塊繼續監測Τ2(872)。如果檢測到流量事件，則該模塊確定Τ2是否小於設定值減去I T (892)。如果不是，模塊繼續監測Τ2 (848)。如果Τ2小於T-I T，那麼啟動密封的系統的操作且密封系統繼續運行直到Τ2等於或超過設定值溫度T(858)(除非被檢測到另一冷罐狀態或大流量事件所中斷)，在此時，密封系統斷能而模塊繼續監測T2(848)。返回至872，如果在高需求模式的操作期間的任何時間，除非該系統處於對冷罐狀態響應的過程中，否則優先檢測大流量事件的發生(894)。如果檢測到大流量事件，S卩，如果控制器檢測到在運行十分鐘窗中由傳感器126傳感的3 °F或更高的水罐溫度的降低，則下部加熱元件被供能(896)且保持被供能直到T2超過高於設定值5 °F的超調閾值，即，T2大於T+5 T或者除非被檢測到另一冷罐狀態所中斷，在此時，下部加熱元件124斷能而模塊繼續監測T2 (872)。
該文字描述使用示例以公開本發明，包括最佳實施方式，並且也使本領域技術人員能夠做出和使用本發明。本發明的專利範圍由權利要求限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果這種其它示例具有與權利要求的字面語言沒有不同的結構元件，或者如果它們包括具有與權利要求的字面語言無實質差別的等同結構元件，則這種其它示例意圖在權利要求的範圍內。
權利要求
1.ー種熱泵熱水器，其包括 儲水罐； 熱泵，其包括密封的系統，所述密封的系統包括壓縮機、蒸發器、冷凝器以及製冷劑，其構造成使製冷劑流從壓縮機到冷凝器到蒸發器然後回到所述壓縮機，其中所述冷凝器被定位成與所述儲水罐處於熱交換關係用於加熱所述罐的內含物； 第一電阻加熱器，其接近所述儲水罐的上部區域定位； 第一溫度傳感器，其接近所述儲水罐的頂部定位；以及 控制器，其在操作上連接到第一溫度傳感器且包括事件流量模塊，其構造成接收並處理表示由所述第一溫度傳感器所測量的溫度讀數的數據以便確定水是否從所述儲水罐流動，其中所述控制器在操作上連接到所述熱泵和所述第一電阻加熱器，所述控制器還構造成響應於由所述第一溫度傳感器所測量的所述溫度讀數來自動地選擇所述熱泵和所述第一電阻加熱器中的至少ー個且給它供能。
2.根據權利要求I所述的熱泵熱水器，其特徵在於，所述第一溫度傳感器定位在儲水罐側壁的外部上。
3.根據權利要求I所述的熱泵熱水器，其特徵在於，熱泵冷凝器包裹於所述儲水罐側壁的外部，其中所述冷凝器的入口接近所述儲水罐側壁的下部定位，由此通過所述冷凝器的製冷劑流被發動接近所述儲水罐側壁的下部通過所述冷凝器。
4.根據權利要求3所述的熱泵熱水器，其特徵在幹，所述熱泵冷凝器包括接近所述儲水罐底壁且與所述儲水罐底壁處於熱交換關係布置的部分，其中在流通過包裹於所述儲水罐側壁的外部的所述冷凝器的部分之後，流通過接合所述儲水罐底壁的所述熱泵冷凝器的部分。
5.根據權利要求I所述的熱泵熱水器，其特徵在於，所述熱泵冷凝器包括包裹於所述儲水罐側壁外部的側部和接近所述儲水罐底壁且與所述儲水罐底壁處於熱交換關係布置的底部，其中所述底部包括冷凝器入口，由此所述製冷劑在流過所述側部之前，首先流過所述冷凝器的底部。
6.根據權利要求I所述的熱泵熱水器，其特徵在於，所述熱泵熱水器包括第二電阻加熱器，其定位在所述儲水罐的底部附近，且其中，所述控制器內的所述事件流量模塊構造成處理表示由所述第一溫度傳感器所測量的溫度讀數的信息以確定在所述第一溫度傳感器附近水溫下降的速率，其中通過所述控制器對所述熱泵、所述第一電阻加熱器和所述第二電阻加熱器中的至少ー個供能是基於被測量的水溫下降的速率來自動地選擇。
7.根據權利要求I所述的熱泵熱水器，其特徵在於，所述事件流量模塊還構造成處理表示所述罐中的水溫的數據以便估計流入所述儲水罐的水量。
8.根據權利要求I所述的熱泵熱水器，其特徵在於，所述熱泵熱水器包括流量計，其在操作上連接到所述控制器且與水入口管線相關聯地定位用於測量流入所述儲水罐的水量。
9.根據權利要求I所述的熱泵熱水器，其特徵在於，所述熱泵熱水器包括流量計，其在操作上連接到所述控制器且與水出口管線相關聯地定位用於測量從所述儲水罐流出的水量。
10.根據權利要求I所述的熱泵熱水器，其特徵在於，所述熱泵熱水器包括第二溫度傳感器，其在操作上連接到所述控制器且被定位成測量流入所述儲水罐的水的溫度，其中所述控制器還處理表示流入所述儲水罐的水的溫度的數據，其中所述控制器還構造成響應於從所述第一溫度傳感器和第二溫度傳感器所接收的信息來自動地選擇所述熱泵和所述至少ー個電阻加熱器中的至少ー個且給它供能。
11.根據權利要求I所述的熱泵熱水器，其特徵在於，所述熱泵熱水器包括定位在冷凝器的入口處的第二溫度傳感器和定位在所述冷凝器的出口處的第三溫度傳感器，其中所述控制器在操作上連接到所述第一溫度傳感器、第二溫度傳感器及第三溫度傳感器、所述熱泵和所述至少ー個電阻加熱器，其中所述控制器構造成處理從所述第一溫度傳感器、第二溫度傳感器和第三溫度傳感器接收的信息以響應於從所述第一溫度傳感器、第二溫度傳感器和第三溫度傳感器接收的信息來選擇性地自動給所述第一電阻加熱器和所述熱泵中的至少ー個供能和斷能。
12.根據權利要求I所述的熱泵熱水器，其特徵在於，所述熱泵冷凝器接近所述儲水罐的側部和底部且與所述儲水罐的側部和底部處於熱交換關係定位。
13.根據權利要求2所述的熱泵熱水器，其特徵在於，所述控制器還構造成響應於對由所述溫度傳感器測量的溫度讀數的處理和選取的操作模式來自動地選擇所述熱泵和所述電阻加熱器中的ー個且給它供能。
14.一種加熱熱泵熱水器的儲水罐內水的方法，其特徵在於，控制器在操作上連接到熱泵、加熱元件和定位在所述儲水罐的頂部附近的第一溫度傳感器，所述方法包括 接收由所述第一傳感器傳輸的溫度讀數； 處理由所述第一傳感器傳輸的所述溫度讀數以便確定所述儲水罐的頂部附近的水溫降低到低於閾值溫度；以及 響應於所述儲水罐頂部附近的水溫降低到低於閾值溫度來選擇所述熱泵和所述電加熱元件中的至少ー個並給它供能。
15.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，確定所述儲水罐的頂部附近水溫降低到低於閾值溫度的步驟包括比較由所述第一傳感器所傳輸的所述溫度讀數與所述閾值溫度。
16.根據權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括 當傳輸的所述溫度讀數反映溫度降低到低於第一預設水平時給下部加熱元件供能；以及 當傳輸的所述溫度讀數反映溫度降低到第二預設水平時給上部加熱元件供能。
17.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括當傳輸的所述溫度讀數反映溫度降低到低於第二預設水平時給熱泵系統下部加熱元件供能。
18.根據權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括以下步驟 測量在水入口管線處進入所述儲水罐的水流量； 處理表示進入所述儲水罐的水流量的數據以及表示所述儲水罐的頂部附近的水溫降低到低於限定的設定值溫度的數據； 確定定位在所述儲水罐內的上部加熱元件和下部加熱元件中的哪個要被供能；以及 給定位在所述儲水罐內的所述上部加熱元件和所述下部加熱元件中的ー個供能。
19.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，通過冷凝器管的流在所述冷凝器管接觸所述儲水罐側壁的下部的點起始並且向上通過與所述儲水罐側壁的上部接觸的冷凝器管流過所述冷凝器管，所述冷凝器管包裹於所述儲水罐側壁的外部且從所述儲水罐側壁的下部延伸到上部。
20.根據權利要求19所述的方法，其特徵在於，所述冷凝器管包括回流，其中，在流通過與所述儲水罐的側壁接觸的冷凝器管之後，流繼續通過與所述儲水罐的底壁接觸的冷凝器管。
21.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括在所述加熱方法開始時發生的禁用超馳步驟，由此，所述控制器通過執行以下步驟自動地確定所述儲水罐內的水位是否處於足夠的水平以允許開始加熱程序 以限定的時段初始化所述熱泵的冷凝器； 處理從所述傳感器接收的溫度讀數以便確定所述儲水罐的溫度是否升高到超過限定的升高水平的水平，所述傳感器被定位以測量所述儲水罐溫度；以及 在確定所述儲水罐的溫度超過限定的水平時，禁用所述加熱程序且傳輸指示所述儲水罐內水位不足的信號。
22.ー種熱泵熱水器，其包括 儲水罐； 熱泵，其中，熱泵冷凝器定位成與所述儲水罐的側部和底部接觸； 成對的電阻加熱器，其中，第一電阻加熱器定位在所述儲水罐內接近所述儲水罐的底部，而第二電阻加熱器定位在所述儲水罐內接近所述儲水罐的頂部； 溫度傳感器，其被定位以確定所述儲水罐內且接近所述儲水罐的頂部的水溫； 控制器，其構造成處理表示由所述溫度傳感器測量的溫度讀數的信息以檢測所述儲水罐中的水溫變化，其中，響應於所述儲水罐中的水溫變化，所述控制器進行操作給所述熱泵、所述第一電阻加熱器和所述第二電阻加熱器中的一個或更多個自動供能。
23.一種熱水器，包括 儲水罐； 成對的電阻加熱器，其中，第一電阻加熱器定位在所述儲水罐內接近所述儲水罐的底部，而第二電阻加熱器定位在所述儲水罐內接近所述儲水罐的頂部； 溫度傳感器，其被定位以確定所述儲水罐內且接近所述儲水罐的頂部的水溫； 控制器，其在操作上連接到所述第一溫度傳感器且包括事件流量模塊，所述事件流量模塊構造成接收並處理表示由所述溫度傳感器所測量的溫度讀數的數據以便確定水是否從所述儲水罐流出，其中，所述控制器在操作上連接到所述電阻加熱器，所述控制器還構造成響應於由所述第一溫度傳感器所測量的溫度讀數來自動地選擇所述電阻加熱器中的至少ー個且給它供能。
24.根據權利要求23所述的熱泵熱水器，其特徵在於，所述控制器內的所述事件流量模塊構造成處理表示由所述溫度傳感器所測量的溫度讀數的信息以確定在所述溫度傳感器附近水溫下降的速率，其中，基於所測量的水溫下降的速率由所述控制器自動地選擇給所述第一電阻加熱器和所述第二電阻加熱器中的至少ー個供能。
全文摘要
公開了一種熱泵熱水器和系統及其控制方法。系統構造成加熱在熱泵熱水器的儲水罐內的水，其中，系統內的控制器在操作上連接到多個熱源，包括至少一個電加熱元件和熱泵及傳感器，以便給多個熱源中的一個選擇性地供能。控制器構造成處理表示罐內接近儲水罐的頂部的水的溫度和流出儲水罐的水的流率的數據，以便自動給熱源選擇性地供能。控制器對熱源的選擇通過由用戶所選的操作模式和鑑於所選的操作模式由控制器處理的數據來確定。
文檔編號F24H9/20GK102625896SQ201080007878
公開日2012年8月1日 申請日期2010年1月26日 優先權日2009年2月13日
發明者C·L·蔡, D·L·沃特金斯, E·F·羅德裡格斯, J·A·克爾恩, J·D·納爾遜, M·T·貝爾勒, M·真特納, T·A·哈默爾 申請人:通用電氣公司