CN102155777B - 空调系统的全部制热容量的优化 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空调系统的全部制热容量的优化。本发明涉及一种用于空调系统的控制方法。空调系统包括作为热泵使用的热环路(1)和电加热装置(2)。所述方法允许根据乘客选择的温度、风机的速度和外部空气的温度来计算全部制热容量(HCglo)。然后，所述方法计算热环路(1)的制热容量(HC1)，并比较热环路的制热容量(HC1)和全部制热容量(HC1)。如果全部制热容量(HCglo)大于热环路的制热容量(HC1)，那么所述方法确定电加热装置(2)的制热容量(HC2)。电加热装置(2)给热环路(1)的制热容量(HC1)增加的制热容量(HC2)允许根据乘客选择的温度获得要求的全部制热容量(HCglo)。

Description

空调系统的全部制热容量的优化

技术领域

本发明涉及用于机动车空调系统的控制方法的一般领域。更具体地，本发明涉及一种用于空调系统的控制方法，该空调系统包括根据所谓的“热泵”模式运行的热环路，该热环路包括至少一个外部热交换器、内部热交换器或者水-空气交换散热器、压缩机和蒸发器，其中所述热环路提供所述热环路的制热容量(heating capacity)，并且补充地，所述空调系统包括电加热装置，该电加热装置提供用于电装置的补充制热容量。根据本发明的所述空调系统还包括控制装置，在该控制装置中执行根据本发明的方法。

背景技术

在通常应用于混合动力或者电动车辆的这类空调系统中，全部制热容量可以通过伴随有一个或多个补充电加热装置的按热泵运行的热环路来提供。

本发明更具体地涉及能够确定补充电装置(一个或多个)以及以热泵模式运行的热环路的使用百分比的策略，以便获得用于所述空调系统的优化性能系数(coefficient of performance)。

众所周知，电加热装置具有等于1的性能系数，而以热泵模式运行的热环路具有的性能系数通常大于1、但是随着热被输送进入的外部环境的温度降低而显著降低。

在本发明涉及的空调系统中，电加热装置意图支持以热泵模式运行的热环路，尤其在所述热环路的性能系数由于过低的外部温度而降低时。

发明内容

因此，本发明想要通过提出根据本发明的控制方法使空调系统中的补充电加热装置的使用能够被优化，所述方法包括如下步骤：

-接收设定点温度，

-确定在外部热交换器的位置处的空气速度，

-确定空调系统内的空气流的温度，

-确定流过内部热交换器或者水-空气交换散热器的空气流率，

-基于温度设定点、空气流的温度以及通过内部热交换器的空气流率计算全部制热容量，

-确定热环路的制热容量，

-将热环路的制热容量和全部制热容量比较，

-如果出现热环路的制热容量低于全部制热容量的情况，调整补充电装置的制热容量，作为热环路的制热容量的补充。

本发明以此方式使得能够根据空调系统需求的全部制热容量，确定能够获得优化的性能系数的热环路制热容量的值。

有利地，所述方法包括这样的步骤，对于低于计算的全部容量的热环路制热容量，如果消去整体性能系数对热环路制热容量的导数，那么将所述热环路的制热容量限制为消去所述导数的热环路制热容量。

根据本发明有利的实施方式，所述方法包括这样的预备步骤，该步骤为估算作为热环路制热容量的函数的热环路性能系数的线性逼近的两个系数a和b，其中，这两个系数每个作为热环路部件的函数针对至少在外部热交换器中的多个空气速度、空气流的多个温度和在内部热交换器中的多个空气质量流率而被估算，其中，所述方法还包括在测量步骤之后的确定步骤，通过估算出的系数，确定对应于所测量参数的热环路的性能系数的逼近的系数，其中热系统的制热容量被限制为(b^1/2-b)/a。

一旦能够存储针对热环路操作期间能改变的多个参数的系数a和b，那样的一个具体实施方式就尤其容易实施。

根据本发明的具体特征，对于包括空气-水热环路以及具有补充电水加热装置的空调系统，系数a和b还作为全部需求制热容量的函数被估算。

这个特征考虑到补充电水加热装置的操作的特殊情况。

在实际应用中，本发明能够涉及从下列空调系统中选择的空调系统：包括空气-空气热环路并装备有电空气加热装置的空调系统，包括空气-水热环路并装备有电空气加热装置的空调系统，以及包括空气-水热环路并装备有电水加热装置且有或者没有电空气加热装置的空调系统。

所有这些类型的热泵设备，只要其能够使用作为热系统操作的补充的性能系数等于1的补充电加热装置，那么它就被本发明覆盖。

根据优选的实施方式，根据本发明的方法的不同步骤通过计算机程序指令被确定。

因此，本发明还涉及在数据介质上的计算机程序，该程序能够在计算机中执行，并且该程序包括适于执行根据本发明的方法的步骤的指令。

所述程序可以使用任何程序语言，并且可以使用源代码、目标代码或者源代码和目标代码之间的中间代码的形式，例如使用部分编译形式，或使用其它任何可取的形式。

本发明还涉及计算机可读数据介质，包括上述计算机程序指令。

数据介质可以是任何能够存储所述程序的实体或装置。例如，所述介质可以包括存储工具，如ROM(例如CD-ROM或者微电子电路ROM)或者磁性记录工具(例如软盘，硬盘，闪存，U盘等等)。

另外，所述数据介质可以是可传送的介质，如可以通过无线电或其它方式经由电或光缆传递的电或光信号。根据本发明的程序可以特别地被下载到因特网上。

替代地，数据介质可以是包含有所述程序的集成电路，并且所述电路适合操作在或者用在所述方法的实施中。

附图说明

本发明的其它特征和优点将由参考附图示出非限定性实施例的以下描述变得清楚。在这些图中：

图1概略地显示了其中能够实施本发明的空气-空气空调系统的结构；

图2显示了其中能够实施本发明的空气-水空调系统的结构；

图3概略地显示了其中能够实施本发明的空气-水空调系统的结构；

图4显示了用于控制根据本发明的空调系统的操作的装置的框图；

图5是显示根据本发明的方法的流程图；

图6提供了热环路的性能系数对应于由热环路提供的热容量而改变的例子；

图7示出了全部容量为3550瓦特的空调系统的整体性能系数作为由热环路提供的制热容量百分比的函数而变化的实例；

图8示出了对于三个不同全部制热容量整体性能系数作为热环路提供的制热容量百分比的函数而变化的例子。

具体实施方式

图1概略地示出了第一种空调系统，其中能够实施根据本发明的方法。

所述空调系统包括热环路1，其包括至少一个外部热交换器10、内部热交换器11、压缩机12、膨胀装置9和蒸发器13。所述热环路是空气-空气类型。所谓“空气-空气”，我们是指由热环路1产生的热量被直接传递到通过空调系统的空气流。所述热环路根据所谓的“热泵”模式运行。所谓“热泵”，我们是指热环路产生卡路里以便加热通过空调系统的空气流。所述内部热交换器11在这个热泵模式中作为冷凝器运行。

空调系统还包括加热通过空调系统的空气流的补充电加热装置2。空调系统还包括控制装置3，在该控制装置中执行根据本发明的方法。

在空调系统运行期间，空气以速度VA以外部温度到达外部热交换器10的位置，并且这个流动选择性地至少部分由风扇产生。在外部热交换器10上的空气的速度VA取决于车辆的速度和施加到风扇的电压。

同时，空气流的质量空气流DmA接连流动通过蒸发器13、内部热交换器11和补充电加热装置2。该流动实现所述空调系统的通风、空调和供暖的效果。进入空调系统的空气流的温度为Tfa。当空调系统运行在空气循环模式时，所述温度Tfa是被循环空气流的温度Trecy。当空调系统在室外空气模式中运行时，所述温度Tfa是室外空气温度Text。

在这个流动的出口，即，空调系统的出口，空气流处在蒸发器位置处的该流动入口观测到的温度之上的温度。

控制装置3通过将压缩机的速度设定点N₁₂发送至热环路1，可以控制所述热环路1的制热容量。

根据本发明，控制装置3还可以通过传送由补充装置2产生的制热容量的控制信号HC2控制补充电加热装置2的运行。

图2概略地示出了一种空调系统，包括代替内部热交换器11的被杆环绕的水回路，该水回路通常包括水冷凝器14和空气-水交换散热器15。热环路1是空气-水类型。所谓“空气-水”，我们是指由热环路1产生的卡路里经由包括水冷凝器14和空气-水交换散热器15的水回路被传递到通过空调系统的空气流。

在所述空调系统的运行期间，空气流以质量流率(mass flow rate)DmA被传送并通过蒸发器13、空气-水交换散热器15和补充加热装置2。

此外，控制装置3能够控制压缩机12的运行和补充电空气加热装置2的运行，类似于图1所示的空调系统那样。

图3示出了一种空气-水空调系统，其具有能够加热水回路中的水的补充电加热装置16。因此，所述电水加热装置16通常被插置在水冷凝器14与空气-水交换散热器15之间。

控制装置3能够控制压缩机12的运行，并且还能够控制补充水加热装置16的制热容量HC16。

图4概略地示出了控制装置3的框图，根据本发明的装置在该控制装置3中被实施。根据本发明，所述控制装置3接收用于空调系统的运行参数：特别是，为实施本发明，由使用者提供的设定点温度Tcons，空气流的温度Tfa，通过蒸发器13、内部热交换器11或者在空气-水热环路情况下通过水-空气交换散热器15、和补充电加热装置2的空气质量流率DmA。所述控制装置还接收在外部热交换器位置处的空气速度VA。

最后，控制装置3必须还接收获得由使用者提供的设定点温度Tcons所必需的全部制热容量HCglo。

所述全部制热容量HCglo通常通过基于由使用者提供的设定点温度值Tcons的计算来确定。

根据本发明，在确定热环路的运行参数和设定点温度值Tcons的基础上，控制装置3能够计算热环路1和补充电加热装置2之间的制热容量的分配。

因此，在控制装置3的输出处，两个控制信号可用于调整热环路的制热容量HC1和补充电加热装置的制热容量HC2。

为此，控制装置3利用空调系统的整体性能系数(表示为COPglo)作为热环路制热容量HC1的函数的相关性(dependency)。

众所周知，对于相同的方法条件，以热泵模式运行的热环路的性能系数的变化相对于由该热环路提供的制热容量成比例地减小。

在控制装置3中实施的方法使得能够确定热环路和补充电加热装置的使用比例，以便获取优化的整体性能系数。

另外，如果使用补充的电空气加热装置2，那么整体性能系数表达为：

$\mathrm{COPglo}=\frac{\mathrm{HCglo}}{p12+p2}$

在该表达式中，P₁₂是压缩机的电消耗，P₂是补充电加热装置的电消耗。如果使用电水加热装置16，那么消耗P16出现在分母中代替P2。

根据热环路的性能系数COP1和电装置的性能系数，能表达压缩机12和补充电加热装置2的电消耗，这样获得如下表达式：

$\mathrm{COPglo}=\frac{\mathrm{COP}1.\mathrm{COP}2}{\frac{\mathrm{HC}1}{\mathrm{HCglo}}\mathrm{COP}2+\frac{\mathrm{HC}2}{\mathrm{HCglo}}\mathrm{COP}1}$

其中HC1和HC2是由热环路1和补充电加热装置2提供的制热容量。

电装置的性能系数COP2(或者，视情况可能是COP16，通常是一致的)将在下面被认为等于1。热环路的性能系数COP1通常是热系统1的制热容量HC1的函数。

根据本发明，然后整体性能系数COPglo的该表达式被求导(derive)，以便确定热环路制热容量HC1为何值时该导数被消去。

因此，接下来的表达式是整体性能系数对热环路的制热容量HC1的导数。

${\left(\mathrm{COPglo}\right)}^{\′}=\frac{{\mathrm{COP}1}^2.\mathrm{HCglo}+\mathrm{HC}1.\mathrm{HCglo}.{\mathrm{COP}1}^{\′}-\mathrm{COP}1.\mathrm{HCglo}}{{(\frac{\mathrm{HC}1}{\mathrm{HCglo}}+\frac{\mathrm{HC}2}{\mathrm{HCglo}}\mathrm{COP}1)}^2}$

因此这个导数的消去相当于如下方程的求解：

COP1².HCglo+HC1.HCglo.COP1′-COP1.HCglo＝0

其还可以解方程：

${\left(\frac{\mathrm{HC}1}{\mathrm{COP}1}\right)}^{\′}=1$

因此，这个方程的解给出这样的HC1值，使得能够获得空调系统的优化运行，在热环路1和补充加热装置2之间具有最佳的制热容量分配。

在下述本发明的有利实施方式中，使用热环路的性能系数COP1的线性逼近(linear approximation)。

在使用用于加热空气的补充电加热装置2的空调系统的情况下，热环路的性能系数COP1仅仅是热环路的制热容量HC1的函数：

COP1＝f(HC1)

在使用补充电水加热装置16的空调系统的情况下，热环路的性能系数COP1是热环路的制热容量HC1和全部需求制热容量HCglo的函数。

COP1＝f(HC1；HCglo)

实际上，由于全部制热容量HCglo的值确定水冷凝器14的入口和补充电加热装置16的出口处的温度水平，所以全部制热容量HCglo对水冷凝器14的入口的水温有影响。

不管这些差异，对于这两类补充电加热装置，可根据如下等式逼近热环路的性能系数COP1，其中两个系数a和b确定性能系数COP1的变化。

COP1＝a.HC1+b

这些系数储存在控制装置3可存取的(accessible)数据库中。这些系数a和b根据实施的热环路的部件被确定。当使用补充电空气装置时，它们还针对空气流的多个空气速度VA、多个温度Tfa和多个质量流率DmA被确定并储存。

在使用补充电水加热装置16的空调系统的情况下，所述系数a和b还取决于空调系统的全部制热容量HCglo。

故针对空调系统的方法条件的多个能够被确定的值，确定和储存所述系数a和b。

另外，控制装置3有利地包括储存工具，例如用数据表的形式，用于储存作为与空调系统的方法条件相关的至少3或4个参数的函数的系数a和b。这使它能够非常快速地为控制装置3提供系数a和b的值。

上述等式如此有如下形式：

${\left(\frac{\mathrm{HC}1}{a.\mathrm{HC}1+b}\right)}^{\′}=1$

这个方程被求解得到热环路的制热容量的如下值：

$\mathrm{HC}1=\frac{\sqrt{b}-b}{a}$

如此，热环路1的制热容量HC1的这个值是最大制热容量，对于该最大制热容量，热环路1使得能够产生最大整体性能系数COPglo。

然后，补充电加热装置的制热容量HC2由控制装置3根据如下等式计算：

HC2＝HCglo-HC1

图5是示出了根据本发明的方法的流程的流程图。

在步骤E0中，所述方法接收关于温度Tfa、在外部热交换器10的位置处的空气速度VA和空调系统中空气流的空气质量流率DmA的信息。它还接收关于通常基于使用者提供的设定点温度Tcons计算的全部制热容量HCglo的信息。

根据本发明，热环路的性能系数COP1用线性逼近的形式表达。在步骤E1中，所述方法接着确定两个系数a和b，使得能够以线性的方式将热环路的性能系数COP1表示为热环路的制热容量HC1的函数。

a和b的值通过在数据库中读取来确定，所述数据库作为空调系统的运行参数的函数来完成，在使用补充电水加热装置的空气-水空调系统的情况下，作为全部需求制热容量的函数来完成。

在步骤E2中，接着计算热环路的制热容量HC1的优化值。

在步骤E3中，所述方法核实热环路的优化制热容量HC1是否低于对应于使用者的设定点的全部制热容量。

在情况(N)中，其中使得能够消去作为热环路制热容量HC1的函数的整体性能系数COPglo的导数的热环路制热容量HC1不低于全部制热容量HCglo，则在步骤E4中，热环路的制热容量HC1全部满足使用者需要的全部制热容量需求HCglo。

在情况(O)中，其中使得能够消去整体性能系数COPglo的导数的热环路的制热容量HC1低于全部需求制热容量HCglo，则在步骤E5中，热环路的制热容量HC1的值设定为在步骤E2中确定的优化制热容量值。

然后根据使用的热环路的类型，即空气-水热环路或空气-空气热环路，调整空调系统的运行。在图5中由步骤E6概略地示出了这个问题。如果热环路运行在空气-水模式，那么在步骤E7中，热环路的制热容量值HC1_m的计算结果作为空气流的质量流率DmA、在水冷凝器14的入口处的水温Teau_i和在水冷凝器14的出口处的水温Teau_o的函数被计算。

如果是空气-空气热环路，那么在步骤E8中，也计算热环路的制热容量值HC1_m，这时该制热容量作为空气流的质量流率DmA、在内部热交换器11的入口处的空气流的温度Tair_i和在内部热交换器11的出口处的空气流的温度Tair_o的函数。

在两种情况下，所述方法包括比较热环路的制热容量计算值HC1_m与热环路的制热容量控制值HC1的步骤。

步骤E10接着计算压缩机速度控制值N12，然后该值被送到压缩机12。

如果热环路的制热容量HC1低于全部需求制热容量HCglo，那么在热环路1的运行和制热容量HC1的调整的同时，对于补充电加热装置HC2或HC16还执行设定点制热容量的计算。

这在图5中通过如下步骤示出，其中，接连地，在步骤E11中，补充电装置HC2或HC16的制热容量的设定点值作为热环路的制热容量HC1和全部需求制热容量HCglo的函数而被计算。

HC2或HC16＝HCglo-HC1

在步骤E12中，补充电加热装置的制热容量的实际值HC2_m或者HC16_m作为空调系统运行的被确定参数的函数被计算。

然后，在步骤E13中，所述方法将在步骤E12中计算的值与在步骤E11中计算的值作比较。

在步骤E14中，这些量之间可能的差被用来计算设定点值HC2或者HC16，然后其通过控制装置3传送到补充电空气加热装置2或者补充电水加热装置16。

图5的流程清楚地示出了，如果全部需求制热容量HCglo的值高于通过消去性能系数COPglo的导数而获得的热环路的优化制热容量HC1的值，那么通过补充电加热装置2或16提供额外的制热容量。

相对地，如果全部制热容量HCglo低于能够消去所述系数COPglo的导数的热环路的制热容量HC1，那么所有的供热将由热环路完成从而具有最好的性能系数。

图6示出了对于-10℃的外部温度、等于200kg/h的空调系统中的质量流率和等于1.7m/s的通过热交换器的空气速度，以热泵模式运行的热环路的性能系数COP1作为制热容量HC1的函数而变化的例子。

注意，这条曲线具有向下的斜率，并且它可以有利地通过线性变化逼近，在这种情况，所述线性变化的等式为：Y＝-0.00038x+3.02607，其中决定系数(coefficient of determination)等于0.99403。

在这种情况下，可如下计算热环路的制热容量值：

$\mathrm{HC}1=\frac{\sqrt{b}-b}{a}=\frac{\sqrt{3.026}-3.026}{3.79.{10}^{-4}}=3391W$

因此注意到，在这个例子的方法条件下，等于3550瓦特的全部制热容量HCglo的优化性能系数将通过如下分配来获得：由热环路提供的制热容量HC1＝3391瓦特，以及由补充电加热装置提供的制热容量HC2＝109瓦特。

图7示出了，在与图6相同的条件下，作为热环路提供的制热容量的比例％HC1的函数的整体性能系数HCglo。

注意，对于由热环路1提供95.5％的全部制热容量HCglo，曲线经过最大值。

注意，需求制热容量HCglo(也就是3550W)的95.5％精确地等于上述已经得到的3391W。

图8示出了对于三个不同的全部制热容量HCglo：3000、4000和5000瓦特的整体性能系数COPglo的三个变化。这些曲线示出为用于-10℃的室外温度、等于280kg/h的空调系统中的空气流率DmA和等于1.7m/s的通过外部热交换器10的空气速度VA。这些曲线被示出作为由热环路提供的制热容量百分比％HC1的函数。

注意，优选地，对于提供3000瓦特的全部制热容量，更有利的是向热环路1提供全部制热容量。在这种情况下，补充电加热装置2将不被使用。另外，注意，获得的性能系数将是3。

对于提供4000瓦特的全部制热容量，注意，优化的是使热环路1具有全部需求制热容量HCglo的78.7％，也就是3848瓦特。在这种情况下，补充电加热装置将提供852瓦特。获得的性能系数将是2，但是，如果所述全部制热容量HCglo由空调系统的热环路1提供，那么性能系数将是1.46。

补充电加热装置2的运行的根据本发明的控制能够使性能系数增加37％。

最后，对于提供5000瓦特的全部制热容量，优化的是由空调系统的热环路1提供的全部需求制热容量HCglo的63％，也就是3148瓦特。

在这种情况下，补充电装置将提供1850瓦特。获得的性能系数将是1.67。

最后注意，根据本发明的原理可实现各种实施方式。

Claims (5)

1.一种用于控制包括根据热泵模式运行的热环路(1)的空调系统的方法，其中，所述热环路(1)包括至少一个外部热交换器(10)、内部热交换器(11)或水-空气交换散热器(15)、压缩机(12)、膨胀装置(9)和蒸发器(13)，其中，所述热环路(1)提供该热环路的制热容量(HC1)；所述空调系统包括提供补充制热容量(HC2，HC16)的电加热装置(2，16)以及其中实施所述方法的控制装置(3)，所述方法包括如下步骤：

-接收设定点温度，

-确定在外部热交换器(10)的位置处的空气速度VA(E0)，

-确定空调系统内的空气流的温度(Tfa)(E0)，

-确定流过内部热交换器(11)或者水-空气交换散热器(15)的空气流率(DmA)(E0)，

-基于温度设定点、空气流的温度(Tfa)以及通过内部热交换器(11)或者水-空气交换散热器(15)的空气流率计算全部制热容量(HCglo)(E0)，

-确定热环路(1)的制热容量(HC1)，

-将热环路(1)的制热容量(HC1)和全部制热容量(HCglo)比较，

-如果出现热环路(1)的制热容量(HC1)低于全部制热容量(HCglo)的情况，调整补充电加热装置(2，16)的制热容量(HC2，HC16)，作为热环路的制热容量(HC1)的补充(E11，E12，E13，E14)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于低于计算的全部容量(HCglo)的热环路制热容量(HC1)，如果消去整体性能系数(COPglo)对热环路(1)的制热容量(HC1)的导数，那么将热环路的制热容量(HC1)限制为消去所述导数的热环路制热容量(E3，E4，E5)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其包括这样的预备步骤，该步骤为估算作为热环路制热容量(HC1)的函数的热环路性能系数(COP1)的线性逼近的两个系数a和b，其中，这两个系数每个作为热环路部件的函数针对至少在外部热交换器中的多个空气速度(VA)、空气流的多个温度(Tfa)和内部热交换器或者水-空气交换散热器中的多个空气质量流率(DmA)而被估算，其中所述方法还包括在测量步骤(E0)之后的确定步骤(E1)，通过估算出的系数，确定对应于所测量参数的热环路的性能系数(COP1)的逼近的系数，其中热环路的制热容量(HC1)被限制为(b^1/2-b)/a。

4.根据权利要求3所述方法，其中，所述热环路(1)为空气-水热环路，且所述电加热装置为补充电水加热装置(16)，其中，系数a和b还作为全部需求制热容量(HCglo)的函数被估算。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，空调系统从下列空调系统中选择：其中所述热环路(1)为空气-空气热环路且所述电加热装置为电空气加热装置(2)的空调系统，其中所述热环路(1)为空气-水热环路且所述电加热装置为电空气加热装置(2)的空调系统，其中所述热环路(1)为空气-水热环路且所述电加热装置为电水加热装置(16)的空调系统，以及其中所述热环路(1)为空气-水热环路且所述电加热装置为电水加热装置(16)和电空气加热装置(2)的空调系统。