CN102384618A - 一种热泵热水器系统电子膨胀阀开度的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热泵热水器系统电子膨胀阀开度的控制方法，旨在提供一种能够使系统避开运行过程中吸气过热度急剧下降区域，使系统性能系数保持在较高水平的控制方法。设定吸气过热度变化率ΔT/Δt的最佳值，设定膨胀阀的初始开度为全开度的80％；压缩机运行至系统稳定运行的状态，将压缩机吸气口平均温度值与饱和蒸发温度的温度差作为吸气过热度；间隔Δt时间，测量并计算吸气过热度；根据相邻两次吸气过热度计算实际吸气过热度变化率，并与设定的吸气过热度变化率最佳值进行比较，当实际吸气过热度变化率≤A时，减小膨胀阀开度；当实际吸气过热度变化率＞0时，增大膨胀阀开度；当0≥实际吸气过热度变化率＞A，维持当前运行状态。

Description

一种热泵热水器系统电子膨胀阀开度的控制方法

技术领域

本发明涉及一种热泵热水器系统电子膨胀阀开度的控制方法。

背景技术

目前，在热泵热水器系统中，节流元件多数为热力膨胀阀或毛细管。但是，在热泵热水器运行过程中，随着水温的不断升高，系统中冷凝压力和蒸发压力随之变化；而且，由于全年外界气温的变化，热泵热水器系统运行工况变化范围很大，引起系统制热量、制冷剂循环量等诸多参数的大幅度变化。

采用热力膨胀阀作为节流元件，阀芯开度靠远端温度感应信号反馈来控制，有较大的滞后性，难以配合压缩机排量对流量变化作出迅速而有效的反应；而信号反馈的滞后性又导致参数周期震荡，系统不能稳定运行。最终造成机器运转不稳定，甚至损坏压缩机。

为此，一些学者研究用吸气过热度、排气过热度来控制电子膨胀阀的开度，但吸气过热度控制范围很窄，频繁调整膨胀阀开度将使系统产生较大波动。而排气过热度只能间接反映系统制冷剂循环量的情况，不能做到精确控制。事实上，经实验证明，热泵热水器在运行过程中随着水温的不断变化，对应于某一个膨胀阀开度，热水器加热到某一时刻，都会出现压缩机吸气过热度快速降低的现象，此时，系统性能系数COP随之降低，因此需要找到一种控制方法，避免吸气过热度快速降低，使系统保持在该工况下的最佳制热性能，同时避免频繁调节对系统造成过度冲击，稳定系统运行。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种能够使热泵热水器系统避开运行过程中吸气过热度急剧下降区域，使系统性能系数COP保持在较高水平，同时避免频繁调节对系统造成过度冲击的电子膨胀阀开度控制的方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种热泵热水器系统电子膨胀阀开度的控制方法，其特征在于，包括由压缩机、热水水箱、控制器、电子膨胀阀、蒸发器、换热器组成的热泵热水器系统，所述压缩机的出口与换热器的进口连接，所述换热器的出口通过电子膨胀阀与所述蒸发器的进口连接，所述蒸发器的出口与压缩机的进口连接，所述换热器安装在所述热水水箱内，所述蒸发器的进口安装有压力传感器，所述压缩机的吸气口安装有温度传感器，所述控制器分别与电子膨胀阀、压力传感器和温度传感器连接，该控制方法包括下述步骤：

(1)设定吸气过热度变化率ΔT/Δt的最佳值范围为0≥ΔT/Δt＞A，

式中：ΔT为相邻两次吸气过热度之差；

Δt为相邻两次数据采集间隔的时间；

A为小于0的常数；

(2)设定膨胀阀的初始开度为全开度的80％；

(3)压缩机运行至系统稳定运行的状态，压力传感器采集一组蒸发器进口压力，温度传感器与压力传感器同步采集一组压缩机吸气口温度，温度传感器和压力传感器分别将采集的信号送到控制器，采用中位值平均滤波法分别计算出此次采集的压缩机吸气口平均温度值和蒸发器进口平均压力值，由饱和蒸汽特性计算出蒸发器进口平均压力值对应的饱和蒸发温度，将压缩机吸气口平均温度值与得到的饱和蒸发温度的温度差作为吸气过热度；

(4)间隔Δt时间，按照步骤(3)同样的方法测量并计算此次吸气过热度；两次数据采集间隔的时间Δt为6-10秒；

(5)根据相邻两次吸气过热度计算实际吸气过热度变化率，并与设定的吸气过热度变化率最佳值进行比较，当实际吸气过热度变化率≤A时，减小膨胀阀开度，减小等级为全开度的5％/次；当实际吸气过热度变化率＞0时，增大膨胀阀开度，增大等级为全开度的8％/次；当0≥实际吸气过热度变化率＞A，维持当前运行状态；

(6)增加或减小膨胀阀开度后，返回步骤(3)；维持当前运行状态时，返回步骤(4)。

本发明具有下述技术效果：

1、本发明的控制方法采用吸气过热度随时间变化率的控制法，在压力传感器、温度传感器以及控制器的联合作用下，定时感应和计算吸气过热度的变化率，可以直接感应蒸发器内制冷剂与水热交换的情况，当系统出现吸气过热度快速降低情况时，及时减小电子膨胀阀的开度，从而精确控制制冷剂流量，使吸气过热度保持平稳，系统保持较高的制热性能。根据实验，通过调整电子膨胀阀的开度，系统平均性能系数COP可提高7.6％。

2、本发明的控制方法采用吸气过热度随时间变化率的控制法，避免了过度调节，系统运行更稳定。

附图说明

图1为热泵热水器系统的结构示意图；

图2为吸气过热度、性能系数随时间变化的实验曲线图；

图3为本发明热泵热水器系统电子膨胀阀开度控制的方法流程图；

图4采用本发明的控制方法后系统性能系数随时间的变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

图1为热泵热水器系统的结构示意图，包括由压缩机4、热水水箱5、控制器6、电子膨胀阀7、蒸发器1、换热器8组成的热泵热水器系统，所述压缩机4的出口与换热器8的进口连接，所述换热器8的出口通过电子膨胀阀7与所述蒸发器1的进口连接，所述换热器8安装在所述热水水箱5内，所述蒸发器1的出口与压缩机4的进口连接，所述蒸发器1的进口安装有压力传感器2，所述压缩机的吸气口安装有温度传感器3，所述控制器6分别与电子膨胀阀7、压力传感器2和温度传感器3连接。

图2为吸气过热度、性能系数COP随时间变化的实验曲线图，实验工况为环境温度10℃、相对湿度60％，电子膨胀阀输入脉冲N分别为60个脉冲、40个脉冲和35个脉冲。由图中可以看出：

1、在加热过程初期，使用电子膨胀阀大开度可提高热泵热水器系统性能和制热量，但在加热过程后期，随着水温不断上升，情况恰恰相反。大开度(如N＝60)在运行初期，性能系数COP较大，但后期COP衰减也较快。因此，在运行初期，电子膨胀阀增大开度，后期适时调整开度，能够避免COP大幅衰减。这样，通过在不同加热时段使用不同电子膨胀阀开度，能够提高热泵系统性能。

2、在不同电子膨胀阀开度工况下，随着水温不断上升，系统过热度在某时刻都会出现迅速下降的现象，而且该时刻与系统COP的下降时间是一致的，因此过热度下降速率可作为调节电子膨胀阀开度的判据。

本发明的控制方法流程图如图3所示，包括下述步骤：

1、设定吸气过热度变化率ΔT/Δt的最佳值范围为0≥ΔT/Δt＞A，

式中：ΔT为相邻两次吸气过热度之差；

Δt为相邻两次数据采集间隔的时间；

A为小于0的常数，不同工况、环境下A的数值不同，根据反复多次试验一般为-1.5≥A≥-3，具体数值，可以在现场机组调试时确定。

在此范围内热泵热水器系统具有较高的制热能力。

2、设定电子膨胀阀的初始开度为全开度的80％。

3、刚开机时或系统进行调节之后，由于系统未到达稳定及最佳制热状态，需要运行一段时间再进行检测。一般从开机或系统调节到稳定运行的时间为3-8分钟。

当压缩机运行至系统稳定运行的状态，压力传感器连续多次采集一组蒸发器进口压力，温度传感器与压力传感器同步采集一组压缩机吸气口温度，温度传感器和压力传感器分别将采集的信号送到控制器，采用中位值平均滤波法分别计算出此次采集的压缩机吸气口平均温度值T_吸和蒸发器进口平均压力值P，由饱和蒸汽特性计算出蒸发器进口平均压力值P对应的饱和蒸发温度T_o，将压缩机吸气口平均温度值与得到的蒸发温度的温度差作为吸气过热度，吸气过热度为ΔT_n＝T_吸-T_o。

4、间隔Δt时间，按照步骤3同样的方法测量并计算此次吸气过热度，记为ΔT_n+1，为了便于找到吸气过热度快速下降的区域，两次数据采集间隔的时间Δt为6-10秒。

5、根据相邻两次吸气过热度计算实际吸气过热度变化率ΔT/Δt，记为B，

B＝(ΔT_n-1-ΔT_n)/Δt

6、将实际吸气过热度变化率B与设定的吸气过热度变化率最佳值进行比较。

当实际吸气过热度变化率B≤A时，则说明此时吸气过热度正在迅速下降并伴随性能系数下降，应立即将膨胀阀开度减小(即减小膨胀阀的脉冲数)，减小量为全开度的5％，待间隔3-8分钟系统稳定运行后，重复步骤3，重新计算实际吸气过热度变化率B。

当热泵热水器在使用过程中由于系统工况改变，吸气过热度有可能逐渐增大，实际吸气过热度变化率B＞0时，增大膨胀阀开度(即增大膨胀阀脉冲数)，增大等级为全开度的8％，待间隔3-8分钟系统稳定运行后，重复步骤3，重新计算实际吸气过热度变化率B。

当0≥B＞A，则可以判定此时吸气过热度基本稳定，系统具有较高的制热能力。因此当前开度为最佳开度，应保持开度继续运行，维持当前状态运行。在维持稳定运行过程中，间隔Δt时间，按照步骤3同样的方法测量并计算此次吸气过热度，之后返回步骤5，继续根据相邻两次吸气过热度计算吸气过热度变化率ΔT/Δt，与最佳值进行比较，并根据比较结果确定运行状态。

图4为采用本发明后性能系数随时间变化的实验曲线，实验工况为环境温度t_a为10℃、相对湿度RH为60％。从图4可以看出，按照本发明的方法，随着工况的变化，及时改变电子膨胀阀开度，性能系数没有快速下降，系统避开了电子膨胀阀单一开度时制热性能快速下降区域。与图2相比，系统性能系数曲线没有快速下降，并能始终保持高位运行，因而制热性能得到了改善。

根据实验多次实验，通过调整电子膨胀阀的开度，系统平均性能系数COP可提高7.6％。

Claims (1)

1.一种热泵热水器系统电子膨胀阀开度的控制方法，其特征在于，包括由压缩机、热水水箱、控制器、电子膨胀阀、蒸发器、换热器组成的热泵热水器系统，所述压缩机的出口与换热器的进口连接，所述换热器的出口通过电子膨胀阀与所述蒸发器的进口连接，所述蒸发器的出口与压缩机的进口连接，所述换热器安装在所述热水水箱内，所述蒸发器的进口安装有压力传感器，所述压缩机的吸气口安装有温度传感器，所述控制器分别与电子膨胀阀、压力传感器和温度传感器连接，该控制方法包括下述步骤：

(1)设定吸气过热度变化率ΔT/Δt的最佳值范围为0≥ΔT/Δt＞A，

式中：ΔT为相邻两次吸气过热度之差；

Δt为相邻两次数据采集间隔的时间；

A为小于0的常数；

(2)设定膨胀阀的初始开度为全开度的80％；

(3)压缩机运行至系统稳定运行的状态，压力传感器采集一组蒸发器进口压力，温度传感器与压力传感器同步采集一组压缩机吸气口温度，温度传感器和压力传感器分别将采集的信号送到控制器，采用中位值平均滤波法分别计算出此次采集的压缩机吸气口平均温度值和蒸发器进口平均压力值，由饱和蒸汽特性计算出蒸发器进口平均压力值对应的饱和蒸发温度，将压缩机吸气口平均温度值与得到的饱和蒸发温度的温度差作为吸气过热度；

(4)间隔Δt时间，按照步骤(3)同样的方法测量并计算此次吸气过热度；两次数据采集间隔的时间Δt为6-10秒；

(5)根据相邻两次吸气过热度计算实际吸气过热度变化率，并与设定的吸气过热度变化率最佳值进行比较，当实际吸气过热度变化率≤A时，减小膨胀阀开度，减小等级为全开度的5％/次；当实际吸气过热度变化率＞0时，增大膨胀阀开度，增大等级为全开度的8％/次；当0≥实际吸气过热度变化率＞A，维持当前运行状态；

(6)增加或减小膨胀阀开度后，返回步骤(3)；维持当前运行状态时，返回步骤(4)。

Images