CN102207338B - 热泵热水机动态流量控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超低温热泵热水机工质的动态流量控制装置及其控制方法，控制装置由三通比例调节阀、控制单元和一组感温元件组成，安装在包含低温补气压缩机、冷凝器、经济器、蒸发器组件、辅路节流装置和主路节流装置的超低温热泵热水机上，使用计算机程序的控制方法，利用固定在工质流通管路上的感温元件检测工质在热力循环过程中的各个关键工况的温度参数，通过计算分析控制三通比例调节阀，合理分配工质循环量，提高热泵热水机的制热量和运行性能，避免由于工质循环量过低造成压缩机润滑不足而损坏的事故，改善机组的运行安全性和稳定性，保证超低温热泵热水机在启动、除霜、除霜转换为正常制热水的状态下仍能稳定高效运行。

Description

热泵热水机动态流量控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于利用热泵的流体加热器的控制装置，尤其涉及一种用于超低温热泵热水机工质的动态流量控制装置及其控制方法。

背景技术

空气源热泵机组除了具有环保、节能的特点外，还有系统简单、初投资低、维护方便、调节灵活等特点，因此已经得到了大面积的推广应用。由于超低环境温度空气源热泵热水机即使在北方寒冷地区的综合能效比与水源热泵相当，而且外界供热的热源稳定，同时它几乎不占用土地面积，初投资较其他热泵产品低的多，因此，在寸土寸金的形势下，这种初投资低、占地少、调节方便的超低温空气源热泵热水机就成为今后取暖、洗浴最理想的加热设备。中国发明专利申请“一种超低温空气源热泵热水机”（中国专利申请号201010528073.X，公开号CN101957060）公开了一种超低温空气源热泵热水机,包括通过管路连接的压缩机与风侧热交换器和热水侧热交换器,所述压缩机的中部设有空腔,压缩机的一侧设有补气口，该热泵热水机还包括补气回路、制冷回路和辅助补气回路。中国发明专利申请“带经济器的准二级压缩超低温空气源热泵热水机”（中国专利申请号201010529983.X，公开号CN101957061）公开了一种主要由补气增焓压缩机、风冷蒸发器、水侧换热器、气液分离器、经济器、四通阀、电子膨胀阀、干燥过滤器、储液器、电磁阀、热力膨胀阀和单向阀构成的带经济器的超低温空气源热泵热水机。不仅能在超低温的工作环境中正常工作,而且压缩机的排气温度低,提高了热泵热水机的热能转换效率和系统能效比,有利于节能环保。但是仅依靠现有技术，超低温热泵热水机在主辅回路流量分配和控制技术很难解决完善，同时主辅节流装置都是依据空调工况而调定的过热度，因此产品性能和稳定性得不到保证。

发明内容

本发明的目的是要提供一种超低温热泵热水机动态流量控制装置，解决超低温热泵热水机在主辅回路流量分配和控制的技术问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种超低温热泵热水机动态流量控制装置，安装在包含低温补气压缩机、冷凝器、经济器、蒸发器组件、辅路节流装置和主路节流装置的超低温热泵热水机上，其特征在于：

所述的动态流量控制装置由三通比例调节阀、控制单元和一组感温元件组成。

所述的三通比例调节阀连接在工质流通管路中，工质流通管路的连接关系为：低温补气压缩机的出气口管路连接到冷凝器，冷凝器通过经济器连接到三通比例调节阀的入口，三通比例调节阀的主路出口连接到主路节流装置，再通过蒸发器组件连接压缩机回气口，形成工质的主回路，三通比例调节阀的辅路出口连接到辅路节流装置，再通过经济器连接到压缩机补气口，形成工质的辅回路。

所述的感温元件至少包括固定在辅路节流装置连接经济器的工质管路上的感温元件a，固定在经济器通往压缩机补气口的工质管路上的感温元件b，固定在经济器连接到三通比例调节阀入口的工质管路上的感温元件d，固定在三通比例调节阀连接主路节流装置的工质管路上的感温元件e，固定在连接压缩机回气口的工质管路上的感温元件f。

所述的控制单元是实现计算机程序控制的微机控制单元，所述的一组感温元件的温度信号输出端，分别连接到控制单元的一组温度信号输入端，控制单元的控制输出端连接到三通比例调节阀的控制信号输入端。

本发明的超低温热泵热水机动态流量控制装置的一种较佳的技术方案是所述的感温元件还包括固定在冷凝器连接经济器的工质管路上的感温元件c。

本发明的超低温热泵热水机动态流量控制装置的一种改进的技术方案是所述的控制单元是独立组装的控制电路板，所述的控制电路板固定在与三通比例调节阀的外壳连接为一体的封闭壳体中，构成一体化的动态流量控制装置。

本发明的超低温热泵热水机动态流量控制装置的一种更好的技术方案是所述的控制单元是热泵热水机的主控系统的部件，所述的控制单元还包含控制总线接口模块，所述的动态流量控制装置通过控制总线模块连接到热泵热水机组的主控系统。

本发明的另一个目的是要提供一种用于超低温热泵热水机动态流量控制装置的控制方法，解决使用计算机程序控制实现热泵热水机工质流量动态控制的技术问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于所述的动态流量控制装置的使用计算机程序控制实现流量动态控制的方法，包含以下步骤：

S01)读取环境温度Th，若环境温度Th≥10℃，则转到步骤S02，否则，转至步骤S03。

S02)控制三通比例调节阀保持主通道直通，辅通道关闭，返回步骤S01。

S03)读取感温元件检测的温度Ta、Tb、Tc、Td、Te和Tf。

S04)若Tf-Te≥5℃且Tb-Ta≤3℃，则控制三通比例调节阀进行比例调节，增加主通道的工质流量，减少辅通道的流量。

S05)若同时满足3℃≤Tf-Te＜5℃,6℃＜Tb-Ta≤10℃和｜Tb-Td ｜≤2℃的判断条件，则控制三通比例调节阀停止节流调节。

S06)若Tf-Te＜3℃且8℃≤Tb-Ta,则控制三通比例调节阀进行比例调节，减少主通道的工质流量，增加辅通道的流量。

S07)若同时满足3℃≤Tf-Te＜5℃，3℃≤Tb-Ta＜8℃和｜Tb-Td ｜≤2℃的判断条件,则控制三通比例调节阀停止节流调节。

S08)若Tf-Te＜3℃且Tb-Ta＜3℃,则控制三通比例调节阀减小入口的开度，降低工质的总循环流量。

本发明提供的实现动态流量控制方法的改进方案还包含开机启动的步骤，所述的开机启动的步骤包括以下动作：

S11)进入启动预热状态，控制三通比例调节阀的主通道直通，辅通道关闭，以保证工质主回路快速达到稳态。

S12)设置预热延时时间ts，启动预热延时，到达预设时间后转到步骤S01，执行动态流量控制程序；所述的预热延时时间ts为1～5分钟。

本发明提供的实现动态流量控制方法的进一步改进的技术方案还包含除霜与制热状态转换过程控制的步骤，所述的除霜与制热状态转换过程控制的步骤包括以下动作：

S21)控制三通比例调节阀的主通道直通，辅通道关闭，以保证热泵热水机的除霜效果。

S22)等热泵热水机主控系统发出的除霜结束信号。

S23)根据环境温度Th设置预热延时时间tr，启动快速预热延时，到达预设时间后转到步骤S01，返回动态流量控制程序；所述的预热延时时间tr随环境温度Th的降低而增加，tr的设置范围为1～10分钟。

本发明的有益效果是：

本发明的热泵热水机动态流量控制装置及其控制方法，可以合理分配主辅回路的工质循环量，提高热泵热水机的的制热量和运行性能，可以避免由于工质循环量过低造成压缩机润滑不足而损坏的事故，改善机组的运行安全性和稳定性。通过设置启动、除霜与制热状态转换过程控制的步骤，可以保证超低温热泵热水机在启动、除霜、除霜转换为正常制热水的状态下仍能稳定高效运行。本发明的控制装置采用计算机程序控制的方法实现热泵热水机的工质动态流量控制，产品的硬件结构简单，控制参数设置调节方便，可靠性高。本发明的控制装置通过控制总线连接到热泵热水机的主控系统，便于实现集中控制和远程网络监控。

附图说明

图1是本发明的超低温热泵热水机动态流量控制装置的系统原理图，

图2是本发明的超低温热泵热水机动态流量控制装置的控制方法流程图。

以上图中的各部件的标号：1-三通比例调节阀；2-控制单元；3-经济器；4-蒸发器组件；11-辅路节流装置；12-主路节流装置；a-感温元件；b-感温元件；c-感温元件；d-感温元件；e-感温元件；f-感温元件。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

本发明的超低温热泵热水机动态流量控制装置安装在包含低温补气压缩机、冷凝器、经济器、蒸发器组件、辅路节流装置和主路节流装置的超低温热泵热水机上。动态流量控制装置由三通比例调节阀1、控制单元2和一组感温元件组成，参见图1所示的实施例。图1省略了感温元件与控制单元之间的连线，也没有显示不属于所述的动态流量控制装置的外部机械和电气部件，例如，低温补气压缩机、冷凝器及其控制管路和热泵热水机的主控系统等。

在本实施例中，三通比例调节阀1连接在工质流通管路中，工质流通管路的连接关系为：低温补气压缩机的出气口管路连接到冷凝器，冷凝器通过经济器3连接到三通比例调节阀1的入口A，三通比例调节阀1的主路出口C连接到主路节流装置12，再通过蒸发器组件4连接压缩机回气口，形成工质的主回路，三通比例调节阀1的辅路出口B连接到辅路节流装置11，再通过经济器3连接到压缩机补气口，形成工质的辅回路。

所述的一组感温元件包括固定在辅路节流装置11连接经济器3的工质管路上的感温元件a，固定在经济器3通往压缩机补气口的工质管路上的感温元件b，固定在冷凝器连接经济器3的工质管路上的感温元件c，固定在经济器3连接三通比例调节阀1的工质管路上的感温元件d，固定在三通比例调节阀1连接主路节流装置12的工质管路上的感温元件e，固定在连接压缩机回气口的工质管路上的感温元件f。

所述的控制单元是实现计算机程序控制的微机控制单元，所述的一组感温元件的温度信号输出端，分别连接到控制单元的一组温度信号输入端，控制单元的控制输出端连接到三通比例调节阀的控制信号输入端。控制单元2使用计算机程序控制，利用固定在工质流通管路上的感温元件检测工质在热力循环过程中的各个关键工况的温度参数，通过计算分析控制三通比例调节阀，合理分配主辅回路的工质循环量，使调节后的主辅回路的工质分配符合蒸发器和经济器的要求。

所述的控制单元可以采用独立组装的控制电路板结构，控制电路板固定在与三通比例调节阀的外壳连接为一体的封闭壳体中，构成一体化的动态流量控制装置。所述的控制单元也可以作为热泵热水机的主控系统的部件，控制单元还可以包含控制总线接口模块，例如，Modbus协议总线接口模块，动态流量控制装置可以通过控制总线接口模块连接到热泵热水机组的主控系统，实现集中控制和远程监控功能。

图2是本发明的动态流量控制装置使用计算机程序控制实现动态流量控制方法的流程图，本实施例的流程图仅包含了实现动态流量控制方法的基本步骤，不包含本专业普通技术人员所熟悉的微机系统计算机软硬件上电初始化等过程所需的公知程序步骤。其中，感温元件a检测到的温度设为Ta；感温元件b检测到的温度设为Tb；感温元件c检测到的温度设为Tc；感温元件d检测到的温度设为Td；感温元件e检测到的温度设为Te；感温元件f检测到的温度设为Tf。感温元件c检测到的温度Tc是冷凝器出口的工质温度，由于Tc受热水器水温影响较大，感温元件c主要用于冷凝器出口的工质温度监测。其它5个感温元件检测到的温度和温差可以充分反映热力循环过程的工况，本发明的方法就是在温度分析的基础上，通过控制三通比例调节阀进行比例调节，实现工质流量动态调节。下述步骤所涉及的环境温度Th，可以通过独立的感温元件检测获得，也可以取自热泵热水机的主控系统。

本发明提供的实现动态流量控制方法的包含以下步骤：

S01)读取环境温度Th，若环境温度Th≥10℃，则转到步骤S02，否则，转至步骤S03。

S02)控制三通比例调节阀1保持主通道A-C直通，主通道A-B关闭，返回步骤S01。

S03)读取感温元件检测的温度Ta、Tb、Tc、Td、Te和Tf。

S04)若Tf-Te≥5℃且Tb-Ta≤3℃，则控制三通比例调节阀进行比例调节，增加主通道A-C的工质流量，减少主通道A-B的流量。

Tf-Te的温差大，表明流入到蒸发器组件4的流量偏小；Tb-Ta的温差小，表明流入到经济器的流量过大。在这种状态下，热泵热水机的制热量和能效偏低，本步骤根据工质温度分析结果控制三通比例调节阀进行比例调节，以增加蒸发器组件4的流量，提高热泵热水机的制热量和能效。

S05)若同时满足3℃≤Tf-Te＜5℃,6℃＜Tb-Ta≤10℃和｜Tb-Td ｜≤2℃的判断条件，则控制三通比例调节阀1停止节流调节。

S06)若Tf-Te＜3℃且8℃≤Tb-Ta,则控制三通比例调节阀进行比例调节，减少主通道A-C的工质流量，增加主通道A-B的流量。

Tf-Te的温差小，表明流入到蒸发器组件的流量偏大；Tb-Ta的温差大，表明流入到经济器的流量过小，在这种状态下，容易出现蒸发器组件蒸发不充分，压缩机吸气量过低，甚至还可能造成回液现象，而且由于流入经济器的流量过小，压缩机的补气量也会降低，造成工质的循环流量大幅降低，制热量也会大幅下降。工质循环流量降低时，流入到系统中的润滑油不能有效地返回压缩机，可能导致压缩机因润滑不良而损坏。本步骤根据工质温度分析结果控制三通比例调节阀进行比例调节，增加工质循环流量，不但可以提高热泵热水机的制热量和能效，而且还可以提高热泵热水机的运行可靠性。

S07)若同时满足3℃≤Tf-Te＜5℃，3℃≤Tb-Ta＜8℃和｜Tb-Td ｜≤2℃的判断条件,则控制三通比例调节阀1停止节流调节。

S08)若Tf-Te＜3℃且Tb-Ta＜3℃,则控制三通比例调节阀1减小入口A的开度，降低工质的总循环流量。

Tf-Te和Tb-Ta的温差都偏小，表明参与循环的工质流量超过系统需求的流量，本步骤控制三通比例调节阀1自动减小入口A的开度，降低工质的总循环流量，以满足主辅回路的流量需求。

本发明提供的实现动态流量控制方法的实施例还包括开机启动的步骤，以保证超低温热泵热水机在开机启动后能快速进入稳定运行状态。开机启动的步骤包括以下动作：

S11)进入启动预热状态，控制三通比例调节阀1的主通道A-C直通，主通道A-B关闭，以保证工质主回路快速达到稳态。

S12)设置预热延时时间ts，启动预热延时，到达预设时间后转到步骤S01，执行动态流量控制程序；所述的预热延时时间ts为1～5分钟。

启动预热时间ts，在本实施例中设置启动预热时间设ts=3分钟。

本发明提供的实现动态流量控制方法的实施例还包含除霜与制热状态转换过程控制的步骤，以保证超低温热泵热水机在除霜、除霜转换为正常制热水的状态下仍能稳定高效运行。

热泵热水机进入除霜状态后，热泵热水机工质的流向改变为除霜运行状态，控制单元2接收到热泵热水机主控系统进入除霜状态的信号，进入除霜和制热状态转换过程进行流量控制的步骤，该步骤包括以下动作：

S21)控制三通比例调节阀1的主通道A-C直通，主通道A-B关闭，以保证热泵热水机的除霜效果。

S22)等热泵热水机主控系统发出的除霜结束信号。

除霜结束后，工质的流向恢复为制热水运行状态，三通比例调节阀1保持在的主通道A-C直通，主通道A-B关闭，以保证热泵热水机进入快速预热状态。

S23)根据环境温度Th设置预热延时时间tr，启动快速预热延时，到达预设时间后转到步骤S01，返回动态流量控制程序；所述的预热延时时间tr随环境温度Th的降低而增加，tr的设置范围为1～10分钟。

本步骤根据环境温度Th设定除霜结束后的快速预热延时时间tr，环境温度越低，需要的快速预热时间越长。在本实施例中，环境温度Th≥5℃时，设置预热延时时间tr=3分钟；环境温度为-5℃≤Th＜5℃时，设置预热延时时间tr=5分钟；环境温度Th＜-5℃时，设置预热延时时间tr=7分钟。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超低温热泵热水机动态流量控制装置，安装在包含低温补气压缩机、冷凝器、经济器、蒸发器组件、辅路节流装置和主路节流装置的超低温热泵热水机上，其特征在于：

所述的动态流量控制装置由三通比例调节阀、控制单元和一组感温元件组成；

所述的三通比例调节阀连接在工质流通管路中，工质流通管路的连接关系为：低温补气压缩机的出气口管路连接到冷凝器，冷凝器通过经济器连接到三通比例调节阀的入口，三通比例调节阀的主路出口连接到主路节流装置，再通过蒸发器组件连接压缩机回气口，形成工质的主回路，三通比例调节阀的辅路出口连接到辅路节流装置，再通过经济器连接到压缩机补气口，形成工质的辅回路；

所述的感温元件至少包括固定在辅路节流装置连接经济器的工质管路上的感温元件a，固定在经济器通往压缩机补气口的工质管路上的感温元件b，固定在经济器连接到三通比例调节阀入口的工质管路上的感温元件d，固定在三通比例调节阀连接主路节流装置的工质管路上的感温元件e，固定在连接压缩机回气口的工质管路上的感温元件f；

所述的控制单元是实现计算机程序控制的微机控制单元，所述的一组感温元件的温度信号输出端，分别连接到控制单元的一组温度信号输入端，控制单元的控制输出端连接到三通比例调节阀的控制信号输入端。

2.根据权利要求1所述的超低温热泵热水机动态流量控制装置，其特征在于所述的感温元件还包括固定在冷凝器连接经济器的工质管路上的感温元件c。

3.根据权利要求1所述的超低温热泵热水机动态流量控制装置，其特征在于所述的控制单元是独立组装的控制电路板，所述的控制电路板固定在与三通比例调节阀的外壳连接为一体的封闭壳体中，构成一体化的动态流量控制装置。

4.根据权利要求1所述的超低温热泵热水机动态流量控制装置，其特征在于所述的控制单元是热泵热水机的主控系统的部件，所述的控制单元还包含控制总线接口模块，所述的动态流量控制装置通过控制总线模块连接到热泵热水机组的主控系统。

5.一种用于权利要求1所述的动态流量控制装置的使用计算机程序控制实现流量动态控制的方法，包含以下步骤：

S01)读取环境温度Th，若环境温度Th≥10℃，则转到步骤S02，否则，转至步骤S03；

S02)控制三通比例调节阀保持主通道直通，辅通道关闭，返回步骤S01；

S03)读取感温元件检测的温度Ta、Tb、Tc、Td、Te和Tf；

S04)若Tf-Te≥5℃且Tb-Ta≤3℃，则控制三通比例调节阀进行比例调节，增加主通道的工质流量，减少辅通道的流量；

S05)若同时满足3℃≤Tf-Te＜5℃，6℃＜Tb-Ta≤10℃和｜Tb-Td ｜≤2℃的判断条件，则控制三通比例调节阀停止节流调节；

S06)若Tf-Te＜3℃且8℃≤Tb-Ta,则控制三通比例调节阀进行比例调节，减少主通道的工质流量，增加辅通道的流量；

S07)若同时满足3℃≤Tf-Te＜5℃，3℃≤Tb-Ta＜8℃和｜Tb-Td ｜≤2℃的判断条件,则控制三通比例调节阀停止节流调节；

S08)若Tf-Te＜3℃且Tb-Ta＜3℃,则控制三通比例调节阀减小入口的开度，降低工质的总循环流量。

6.根据权利要求5所述的使用计算机程序控制实现流量动态控制的方法，其特征在于还包含开机启动的步骤，所述的开机启动的步骤包括以下动作：

S11)进入启动预热状态，控制三通比例调节阀的主通道直通，辅通道关闭，以保证工质主回路快速达到稳态；

S12)设置预热延时时间ts，启动预热延时，到达预设时间后转到步骤S01，执行动态流量控制程序；所述的预热延时时间ts为1～5分钟。

7.根据权利要求6所述的使用计算机程序控制实现流量动态控制的方法，其特征在于所述的预热延时时间ts设置为3分钟。

8.根据权利要求5所述的使用计算机程序控制实现流量动态控制的方法，其特征在于还包含除霜与制热状态转换过程控制的步骤，所述的除霜与制热状态转换过程控制的步骤包括以下动作：

S21)控制三通比例调节阀的主通道直通，辅通道关闭，以保证热泵热水机的除霜效果；

S22)等热泵热水机主控系统发出的除霜结束信号；

S23)根据环境温度Th设置预热延时时间tr，启动快速预热延时，到达预设时间后转到步骤S01，返回动态流量控制程序；所述的预热延时时间tr随环境温度Th的降低而增加，tr的设置范围为1～10分钟。

9.根据权利要求8所述的使用计算机程序控制实现流量动态控制的方法，其特征在于所述的预热延时时间tr与环境温度Th的关系为：环境温度Th≥5℃时，设置预热延时时间tr=3分钟；环境温度为-5℃≤Th＜5℃时，设置预热延时时间tr=5分钟；环境温度Th＜-5℃时，设置预热延时时间tr=7分钟。

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