CN102121766B - 热泵以及热泵的热介质流量运算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热泵以及热泵的热介质流量运算方法，即使在使用低价格的流量传感器的情况下，也以足够精度取得热介质流量。所述热泵具有：蒸发器，其对从外部载荷流入的热介质进行冷却或者加热；冷凝器，其与外气或者冷却水进行热交换；制冷剂循环路，其使制冷剂在蒸发器和冷凝器之间循环；以及涡轮压缩机，其设置在所述制冷剂循环路上，所述热泵具有：差压传感器，其测量蒸发器的冷水的入口侧压力和出口侧压力的差压；以及控制面板，其具有蒸发器的损耗系数，基于该损耗系数和从差压传感器输出的压差算出蒸发器的冷水的流量，控制面板使用算出的冷水的流量进行控制，并且将该冷水的流量发送到设备侧装置上。

Description

热泵以及热泵的热介质流量运算方法

技术领域

本发明涉及一种热泵以及热泵的热介质流量运算方法。

背景技术

例如，使用涡轮制冷机作为实现地区集中冷热源设备或半导体制造工厂等的空调等的机器。在图4中表示使用现有的涡轮制冷机的热源系统的一构成图。如图4所示，涡轮制冷机50将从空调或空气盘管(fan coil)等外部载荷51供应的冷水(热介质)冷却至规定的温度，将冷却后的冷水供应给外部载荷51。在从冷水流看的涡轮制冷机50的上游侧设置压送冷水的冷水泵52。此外，在冷水泵52的下游侧设置测量从冷水泵52流出的冷水流量的冷水流量计53。该冷水流量计53的输出被送至进行涡轮制冷机50的控制的控制装置(图示略)，将该冷水流量用作控制参数之一来进行涡轮制冷机的控制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-204262号公报

例如，在上述那样的热源系统中，作为对从涡轮制冷机输出的冷水的流量进行测量的冷水流量计，使用电磁流量计。但是，电磁流量计价格贵，存在很难引入的情况。

此外，一般公知一种使用价格低于电磁流量计的差压传感器并根据差压来算出流量的方法。但是，涡轮制冷机容易产生冷水等热介质的压力变动，当要将一般的差压传感器适用于涡轮制冷机上时，被测量的值的差异多，从而存在不能满足所要求的精度的问题。

发明内容

本发明鉴于这样的情况而提出，提供一种热泵以及热泵的热介质流量运算方法，即使在使用低价格的差压传感器的情况下，也可以以足够的精度获得热介质流量。

为了解决上述课题，本发明采用以下的手段。

本发明的第一方式为一种热泵，其具有：

第一热交换器，其对从外部载荷流入的热介质进行冷却或者加热；

第二热交换器，其与外部气体或者冷却水进行热交换；

制冷剂循环路，其使制冷剂在所述第一热交换器和所述第二热交换器之间循环；以及

涡轮压缩机，其设置在该制冷剂循环路上，

其中，

所述热泵具有：差压测量机构，其测量所述第一热交换器的所述热介质的入口侧压力和出口侧压力的差压；以及控制机构，其具有所述第一热交换器的损耗系数，基于该损耗系数和从所述差压测量机构输出的差压，算出所述第一热交换器的所述热介质的流量，

所述控制机构使用所述热介质的流量来进行控制，并且将该热介质的流量发送给设备侧的装置。

根据上述构成，使用差压传感器测量第一热交换器的热介质的入口侧压力和出口侧压力的差压，使用该测量数据和在所述第一热交换器上固有的损耗系数来算出第一热交换器的热介质的流量。因此，通过廉价并且简易的构成，可以得到充分满足所要求的精度的热介质流量。

在上述热泵中，所述控制机构可以求出修正项，使用所述修正项来修正所述热介质的流量，其中所述修正项依存于所述第一热交换器中所述热介质的保有量引起的所述出口侧压力的测量时间延迟。

如此，由于使用修正项来修正流量，所述修正项依存于基于第一热交换器中热介质的保有量的出口侧压力的测量时间延迟，所以可以消除基于第一热交换器的热介质的保有量的误差，可以提高热介质流量的运算精度。

在上述热泵中，所述控制机构可以通过将当前的所述涡轮压缩机的消耗动力和所述第二热交换器的交换热量代入表示所述涡轮压缩机的消耗动力、所述第一热交换器的交换热量和所述第二热交换器的交换热量的关系的关系式中，从而求出所述第一热交换器的取得交换热量，从所述第一热交换器的取得交换热量来决定所述第一热交换器的所述热介质的取得流量范围，在通过运算求出的所述热介质的流量超过所述热介质的流量范围的情况下，基于所述热介质的流量范围决定所述热介质的流量，并将该值发送至所述设备侧装置。

根据这样的构成，控制机构保有在涡轮压缩机的消耗动力、第一热交换器的交换热量和第二热交换器的交换热量之间成立的关系式，使用该关系式来决定第一热交换器的热介质流量的取得范围，在基于所述差压传感器的测量数据而算出的冷水流量超过所述热介质流量的取得范围的情况下，决定从所述关系式得到的第一热交换器的热介质流量，并将该值发送至设备侧装置。

因此，可以使用上述关系式来评价基于差压传感器的测量数据的可靠性，可以检测差压传感器的异常。此外，即使在检测出差压传感器的异常的情况下，由于将从上述关系式求出的热介质的流量发送至设备侧装置，所以可以继续进行对设备侧装置的数据传送。

本发明的第二方式为一种热泵的热介质流量运算方法，所述热泵具有：第一热交换器，其对从外部载荷流入的热介质进行冷却或者加热；第二热交换器，其与外部气体或者冷却水进行热交换；制冷剂循环路，其使制冷剂在所述第一热交换器和所述第二热交换器之间循环；以及涡轮压缩机，其设置在所述制冷剂循环路上，

其中，

在所述第一热交换器的所述热介质的流入出入口设置测量入口侧压力和出口侧压力的差压的差压测量机构，

基于所述第一热交换器的损耗系数和从所述差压测量机构输出的差压，算出所述第一热交换器的所述热介质的流量。

发明效果

根据本发明，即使在使用低价格的差压传感器的情况下，也起到能够以足够精度取得热介质流量的效果。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的热源系统的概略构成的图；

图2是表示本发明的第一实施方式的涡轮制冷机的概略构成的图；

图3是用于说明基于蒸发器的冷水保有流量来修正冷水流量的情况的图；

图4是表示现有的热源系统的概略构成的图。

图中

11-涡轮制冷机；60-涡轮压缩机；62-冷凝器；66-蒸发器；70-转换器；F2-流量计；PEin、PEout-差压传感器；Tout、Tin-温度传感器。

具体实施方式

(第一实施方式)

以下，对于本发明的第一实施方式的热泵使用附图进行说明。在本实施方式中，以热泵为涡轮制冷机的情况为例进行说明，但是并不限于此。例如，取代涡轮制冷机，也可以为冷却机(chiller)、吸收制冷机等。

图1表示适用本实施方式的涡轮制冷机的热源系统1的概略构成。热源系统1例如设置于建筑物或工厂设备。如图1所示，热源系统1具有3台涡轮制冷机11，所述涡轮制冷机11相对于供应给空调或空气盘管等外部载荷3的冷水(热介质)提供冷热。这些涡轮制冷机11相对于外部载荷3并列设置。

在从冷水流看的各涡轮制冷机11的上游侧分别设置有压送冷水的冷水泵21。通过这些冷水泵21将来自回流集管(return header)32的冷水送至各涡轮制冷机11。各冷水泵21由变频电机(inverter motor)驱动，由此，通过改变转速而控制流量可变。

在各涡轮制冷机11中得到的冷水聚集在供给集管(supply header)31。聚集在供给集管31的冷水被供应给外部载荷3。在外部载荷3被供应给空调等而升温的冷水被送到回流集管32。冷水在回流集管32分支，并被送到各涡轮制冷机11。

在各涡轮制冷机11的上游侧的冷水配管上设置有用于测量流入各涡轮制冷机11的冷水温度的冷水入口温度传感器29。该冷水入口温度传感器29的输出分别被送到后述的各涡轮制冷机11的控制面板74(参照图2)。并且，如果支路配管33的支路阀34全闭，则也可以代替冷水入口温度传感器而使用在回流集管32的上游侧的冷水配管上设置的温度传感器29b。

图2表示涡轮制冷机11的详细构成。

涡轮制冷机11为实现二级压缩二级膨胀低温处理循环(sub cool cycle)的构成。该涡轮制冷机11具有：涡轮压缩机60，其压缩制冷剂；冷凝器(第二热交换器)62，其使由涡轮压缩机60压缩的高温高压的气体制冷剂凝结；低温处理器(sub-cooler)63，其对在冷凝器62凝结的液体制冷剂给予过冷却；高压膨胀阀64，其令来自低温处理器63的液体制冷剂膨胀；中间冷却器67，其与高压膨胀阀64连接并且与涡轮压缩机60的中间段以及低压膨胀阀65连接；以及蒸发器(第一热交换器)66，其使在低压膨胀阀65的作用下膨胀的液体制冷剂蒸发。

涡轮压缩机60为离心式的二级压缩机，并通过由转换器70控制转速的电动机72驱动。由控制面板74控制转换器70的输出。并且，涡轮压缩机60可以为转速一定的定速压缩机。在涡轮压缩机60的制冷剂吸入口设有控制吸入制冷剂流量的进口导向叶片(inlet guide vanes)(以下称为“IGV”)76，从而可以控制涡轮制冷机11的容量。

在冷凝器62设有用于测量凝结制冷剂压力的凝结制冷剂压力传感器Pc。传感器Pc的输出被送至控制面板74。

低温处理器63设置在冷凝器62的制冷剂流下游侧，以对凝结的制冷剂给予过冷却。在低温处理器63的制冷剂流下游侧的紧接着之后，设有测量过冷却后的制冷剂温度的温度传感器Ts。

在冷凝器62以及低温处理器63中插穿有用于对它们进行冷却的冷却传热管80。通过流量计F2测量冷却水流量，通过温度传感器Tcout测量冷却水出口温度，通过温度传感器Tcin测量冷却水入口温度。冷却水当在未图示的冷却塔中向外部排热后，重新被引导向冷凝器62以及低温处理器63。

在中间冷却器67上设有用于测量中间压力的压力传感器PM。

在蒸发器66的冷水出入口设有用于测量冷水的出入差压的差压传感器PEin、PEout。通过在蒸发器66中被吸热而可以得到额定温度(例如7℃)的冷水。在蒸发器66中插穿有用于对供应给外部载荷的冷水进行冷却的冷水传热管82。通过温度传感器Tout测量冷水出口温度，通过Tin来测量冷水入口温度。

在冷凝器62的气相部和蒸发器66的气相部之间设有热气支路(hot gasbypass)管79。并且，设有用于控制在热气支路管79内流动的制冷剂的流量的热气支路阀78。通过用热气支路阀78调整热气支路流量，从而可以实现在IGV76中控制不充分的非常小的载荷区域下的容量控制。

此外，在图2所示的涡轮制冷机11中，说明了设置冷凝器62以及低温处理器63，利用制冷剂在冷却塔中在与排热到外部的冷却水之间进行热交换，从而加热冷却水的情况，但是，例如也可以为这样的构成，取代冷凝器62以及低温处理器63而配置空气热交换器，在空气热交换器中在外部气体和制冷剂之间进行热交换。

此外，适用于本实施方式的涡轮制冷机11不限定于上述的仅具有制冷功能的涡轮制冷机，例如，可以仅具有暖气功能，或者具有制冷功能以及暖气功能这两者的机器。此外，与制冷剂进行热交换的介质可以为水也可以为空气。

在图2中，通过各传感器测量的测量数据被传送给控制面板74，在控制面板74中进行基于这些测量数据的各种控制。

以下，对于本发明的特征部分即蒸发器66中的冷水的流量测量进行具体说明。

控制面板74保有蒸发器66的预先损耗系数ζ。控制面板74在以下的(1)式中，通过由差压传感器的测量点PEin以及PEout测量的差压ΔP使用损耗系数ζ，从而算出流量Q。这里，A为截面面积，ζ为损耗系数，ρ为热介质的密度，v为流速。

$Q=\mathrm{\ξ}\sqrt{\mathrm{\ΔP}}=\mathrm{\ξ}\sqrt{P_{\mathrm{in}}-P_{\mathrm{out}}}---\left(1\right)$

Q＝Av

$\mathrm{\ΔP}=\mathrm{\ζ}\frac{{\mathrm{\ρv}}^2}{2g}$

$v=\sqrt{\frac{2g}{\mathrm{\ρ\ζ}}\mathrm{\ΔP}}$

$\mathrm{\ξ}=A\sqrt{\frac{2g}{\mathrm{\ρ\ζ}}}$

并且，基于该流量Q等的各种参数进行涡轮制冷机11的控制，并且将该流量Q以及各种参数经通信介质传送至在外部设置的设备侧装置。在设备侧装置中，例如监视涡轮制冷机11的COP等，在这些监视事项中使用被传送的参数。

以上，如说明的那样，根据本实施方式的涡轮制冷机以及涡轮制冷机的热介质流量运算方法，由于使用差压传感器测量蒸发器66的冷水出入口的差压，使用该测量数据和各蒸发器66各自的损耗系数ζ算出蒸发器66中的冷水的流量，所以可以通过便宜并且简易的构成，得到充分满足所要求的精度的热介质流量。

并且，蒸发器66的热介质流量Q具有温度依存性。因此，控制面板74也可以取代上述(1)式而使用考虑了温度依存性的运算式来算出流量Q。

进而，从上述差压传感器传送的测量数据含有因在涡轮制冷机11的制冷剂循环路上设置的各种阀的开闭等引起的干扰。为了排除这样的干扰，例如可以使用以下的(2)式或者(3)式处理由差压传感器测量的抽样(sampling)数据，使用这些处理后的数据从上述(1)式算出热介质流量Q。

$x_{\mathrm{ave}}=\frac{\mathrm{\ΔT}\·(n-1)\·x_{\mathrm{ave}\·n-1}+\mathrm{\ΔT}\·x}{\mathrm{\ΔT}\·n}---\left(2\right)$

$x_{\mathrm{ave}}=\frac{\mathrm{\ΔT}\·x_{\mathrm{ave}\·n-1}+\mathrm{\ΔT}\·x}{T+\mathrm{\ΔT}}---\left(3\right)$

上述(2)式、(3)式都是用于算出移动平均(移動平均)(MovingAverage)的运算式，x_ave表示进行了移动平均的规定时间中的差压ΔP，ΔT表示抽样周期，n表示移动平均数据数，x_ave·n-1表示前一个抽样数据的移动平均。通过如此使用移动平均差压，从上述(1)式求出热介质流量Q，从而除去因在涡轮制冷机的制冷循环内设置的阀的开闭等引起的干扰(噪音)，可以求出精度更高的热介质流量Q。

此外，涡轮制冷机11的蒸发器66由于为大型，所以保有水量也大。因此，蒸发器66的冷水入口的压力和冷水出口的压力产生与保有水量相应的时间差。因此，为了消除该时间差引起的差压的误差，也可以求出基于蒸发器的保有水量的修正项，使用该修正项来修正冷水流量。

例如，时间的压力的变化如图3所示，假想蒸发器66的冷水入口侧的压力P1(t)以一定的变化率增加，冷水出口侧的压力P2(t)为一定的情况。

在此情况下，设当前时刻为时刻T，该时点下的流量Q[m³/sec]由以下的(4)式表示。

$Q=\mathrm{\α}\sqrt{\mathrm{\ΔP}}---\left(4\right)$

ΔP＝P1(T)-P2(T)

另一方面，当设从测量差压的冷水入口侧至冷水出口侧的保有水量为V[m³]时，以当前时刻T为起点，以现时点的流量往前追溯从冷水入口侧达到至冷水出口侧为止的时间之后的时刻的状态下的流量Q′[m³/sec]由以下的(5)式表示。

$Q^{\′}=\mathrm{\α}\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}^{\′}}---\left(5\right)$

$\mathrm{\Δ}{P}^{\′}=P1(T-\frac{V}{Q})-P2(T-\frac{V}{Q})$

$=P1(T-\frac{V}{Q})-P2\left(T\right)$

因此，使用考虑了上述时间延迟的差压ΔP′算出Q′，由此，可以消除蒸发器66的保有流量引起的误差，从而可以提高冷水流量的运算精度。

(第二实施方式)

下面对本发明的第二实施方式的涡轮制冷机以及涡轮制冷机的热介质流量运算方法进行说明。

在涡轮制冷机11中，在涡轮压缩机60的消耗动力W、蒸发器66的交换热量Qe和冷凝器62的交换热量Qc之间，由以下的(6)式表示的关系式成立。

Qe＝Qc-W    (6)

此外，通常，在涡轮制冷机中，如图2所示，设有测量流入冷凝器62或者从冷凝器62流出的冷却水的流量的流量计F2，通过该流量计F2测量冷却水流量，可以从该冷却水流量使用以下的(7)式算出冷凝器62的交换热量Qc。

Qc＝c_p·ρ·q_c·(T_cout-T_cin)(7)

这里，c_p为比热[kJ/(kg·K)]，ρ为密度[kg/m³]，q_c为体积流量[m³/sec]，T_cout为冷却水出口温度[K]，T_cin为冷却水入口温度[K]。

此外，即使对于消耗动力W，也始终在控制面板74中测量。因此，通过将由冷却水流量得到的冷凝器62的交换热量Qc和消耗动力W用于上述(6)式中，由此，可以求出蒸发器66的交换热量Qe，并且从该交换热量Qe决定蒸发器66的冷水流量的取得范围。冷水流量的取得范围，例如被设定为从交换热量Qe算出的冷水流量的正负20％的范围。

并且，当从使用在上述第一实施方式中说明的运算方法而算出的蒸发器66的流量得到的冷水流量超过由上述(6)式求出的蒸发器66的冷水流量的取得范围的情况下，例如，判断为在蒸发器66设置的差压传感器产生了异常。此外，在检测出这样的传感器的异常的情况下，控制面板74可将由上述(6)式得到的冷水流量传送至设备侧装置，使用该冷水流量进行涡轮制冷机的控制。

如以上说明，根据本发明的第二实施方式，在控制面板74预先设定在涡轮压缩机60的消耗动力W、蒸发器66的交换热量Qe和冷凝器62的交换热量Qc之间成立的关系式，使用该关系式决定蒸发器66的冷水流量的取得范围，在基于在蒸发器66的冷水出入口设置的差压传感器的测量数据而算出的冷水流量超过上述冷水流量的取得范围的情况下，由于检测出传感器异常，所以可以迅速地检测传感器异常。此外，即使在检测出传感器异常的情况下，通过使用由上述(6)式的关系式得到的蒸发器66的冷水流量，也可以继续进行涡轮制冷机11的运行，并且也可以继续向设备侧装置传送数据。

并且，在涡轮制冷机中，除了由上述(6)式表示的关系式之外，例如，根据涡轮压缩机62中的落差(へツド)，转换器频率和基准频率的Q-H特性，蒸发器66的冷水流量的关系式也成立。相对于压缩机的Q-H特性，求出与凝结制冷剂压力Pc和蒸发制冷剂压力Pe的差压对应的落差H，所以使用Q-H特性求出通过压缩机的制冷剂的体积流量。当设该体积流量为Q1时，在蒸发器流动的制冷剂重量流量Ge由以下的式求出。这里，ρ_R为制冷剂气体密度，β为蒸发器流量和压缩机流量的比。

Ge＝β·ρ_R·Q1

此外，当设压缩机所要落差为Δh时，压缩机60的消耗动力W可以使用压缩机效率η_c由以下的式表示。

W＝Ge·Δh·ηc

因此，也可以取代上述(6)式，基于Q-H特性等决定蒸发器66的冷水流量的取得范围，使用该取得范围检测差压传感器的异常等。

Claims (3)

1.一种热泵，其具有：

第一热交换器，其对从外部载荷流入的热介质进行冷却或者加热；

第二热交换器，其与外部气体或者冷却水进行热交换；

制冷剂循环路，其使制冷剂在所述第一热交换器和所述第二热交换器之间循环；以及

涡轮压缩机，其设置在该制冷剂循环路上，

其中，

所述热泵具有：差压测量机构，其测量所述第一热交换器的所述热介质的入口侧压力和出口侧压力的差压；以及控制机构，其具有所述第一热交换器的损耗系数，基于该损耗系数和从所述差压测量机构输出的差压，算出所述第一热交换器的所述热介质的流量，

所述控制机构使用所述热介质的流量来进行控制，并且将该热介质的流量发送给设备侧的装置，

所述控制机构通过将当前的所述涡轮压缩机的消耗动力和所述第二热交换器的交换热量代入表示所述涡轮压缩机的消耗动力所述第一热交换器的交换热量和所述第二热交换器的交换热量的关系的关系式中，从而求出所述第一热交换器的取得交换热量，从所述第一热交换器的取得交换热量来决定所述第一热交换器的所述热介质的取得流量范围，在通过运算求出的所述热介质的流量超过所述热介质的流量范围的情况下，基于所述热介质的流量范围决定所述热介质的流量，并将该值发送至所述设备侧装置。

2.如权利要求1所述的热泵，其中，

所述控制机构求出修正项，使用所述修正项来修正所述热介质的流量，其中所述修正项依存于所述第一热交换器中所述热介质的保有量引起的所述出口侧压力的测量时间延迟。

3.一种热泵的热介质流量运算方法，所述热泵具有：第一热交换器，其对从外部载荷流入的热介质进行冷却或者加热；第二热交换器，其与外部气体或者冷却水进行热交换；制冷剂循环路，其使制冷剂在所述第一热交换器和所述第二热交换器之间循环；以及涡轮压缩机，其设置在所述制冷剂循环路上，

其中，

在所述第一热交换器的所述热介质的流入出入口设置测量入口侧压力和出口侧压力的差压的差压测量机构，

基于所述第一热交换器的损耗系数和从所述差压测量机构输出的差压，算出所述第一热交换器的所述热介质的流量，

通过将当前的所述涡轮压缩机的消耗动力和所述第二热交换器的交换热量代入表示所述涡轮压缩机的消耗动力、所述第一热交换器的交换热量和所述第二热交换器的交换热量的关系的关系式中，从而求出所述第一热交换器的取得交换热量，从该第一热交换器的取得交换热量来决定所述第一热交换器的所述热介质的取得流量范围，在通过运算求出的所述热介质的流量超过所述热介质的流量范围的情况下，基于所述热介质的流量范围决定所述热介质的流量，并将该值发送至所述设备侧装置。

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