CN103673391A - 二氧化碳热泵系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二氧化碳热泵系统，包括压缩机、气体冷却器、膨胀阀、蒸发器、风机、气液分离器和除霜电磁阀，压缩机的排气口通过管路依次连接气体冷却器、膨胀阀、蒸发器后回连至压缩机的回气口而形成热泵循环通路，压缩机的排气口和蒸发器的进气口之间通过管路相连接而形成除霜旁路，除霜电磁阀设置于除霜旁路上，风机相对蒸发器设置，气体冷却器中设置有包括进水管和出水管的水循环管路，压缩机为变频压缩机，风机为变频风机。该二氧化碳热泵系统的控制方法，根据其环境温度和出水温度控制变频压缩机和变频风机的运行。本发明采用定频压缩机和定频风机，具有高效、节能、环保的特点，其采用的控制方法能够达到节约能源、速率快的目的。

Description

二氧化碳热泵系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种二氧化碳热泵系统以及该系统采用的控制方法。

背景技术

二氧化碳作为制冷剂而言，具有无毒、不燃、成本低廉、ODP值为0、温室效应很低等优点，且其跨临界循环的放热过程伴随有较大温度滑移，与水加热时的温升相匹配，能够一次性制取高达90℃的热水，同时其在低温工况下下也能达到较高的能效比和热水温度。但是目前二氧化碳热泵普遍采用定频压缩机，不能根据负荷的大小及时改变自身的机组运行情况，造成能源浪费，且存在压缩机启动电流大、低温工况下机组制热能力迅速衰减、低温下排气温度过高等问题；此外，在除霜过程中，采用定频机组不能根据霜层的厚度及时调整压缩机的运行功率，能耗增加、除霜时间过长。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够解决现有的采用定频压缩机的二氧化碳热泵系统存在的不足的二氧化碳热泵系统及其采用的控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种二氧化碳热泵系统，包括压缩机、气体冷却器、膨胀阀、蒸发器、风机、气液分离器和除霜电磁阀，所述的压缩机的排气口通过管路依次连接所述的气体冷却器、所述的膨胀阀、所述的蒸发器后回连至所述的压缩机的回气口而形成热泵循环通路，所述的压缩机的排气口和所述的蒸发器的进气口之间通过管路相连接而形成除霜旁路，所述的除霜电磁阀设置于所述的除霜旁路上，所述的风机相对所述的蒸发器设置，所述的气体冷却器中设置有包括进水管和出水管的水循环管路，所述的压缩机为变频压缩机，所述的风机为变频风机。

该二氧化碳热泵系统设置有检测其环境温度的环温传感器，所述的气体冷却器中设置有检测出水温度的出水温度传感器，所述的蒸发器中设置有检测其蒸发温度的蒸发温度传感器。

优选的，其还包括中间冷却器，出所述的气体冷却器的管路经过所述的中间冷却器后连接至所述的膨胀阀，出所述的气液分离器的管路经所述的中间冷却器后连接至所述的变频压缩机的回气口。

优选的，所述的气液分离器上设置有加热带。

该二氧化碳热泵系统采用的除霜方式为热气盘通除霜。

一种上述二氧化碳热泵系统的控制方法，该控制方法包括压缩机运行控制方法和风机运行控制方法；

所述的压缩机运行控制方法和风机运行控制方法为：

预设所需的出水温度T_set以及温度变化范围值ΔT，当所述的二氧化碳热泵系统启动后，实时检测所述的出水管的实际出水温度T_out；

当T_out<T_set-ΔT时，所述的变频压缩机以压缩机第一频率运行，所述的变频风机以风机第一频率运行；

当T_set-ΔT≤T_out<T_set时，所述的变频压缩机以压缩机第二频率运行，所述的变频风机以风机第二频率运行；

当T_out≥T_set时，所述的变频压缩机以压缩机第三频率运行，所述的变频风机以风机第三频率运行；

所述的压缩机第一频率高于所述的压缩机第二频率，所述的压缩机第二频率高于所述的压缩机第三频率；所述的风机第一频率高于所述的风机第二频率，所述的风机第二频率高于所述的风机第三频率。

以上控制方法中，所述的压缩机第一频率和所述的风机第一频率由所述的二氧化碳热泵系统所处的环境温度决定，当环境温度越高时，所述的压缩机第一频率和所述的风机第一频率均越低。

环境温度分为若干区段，每个区段对应一个所述的压缩机第一频率和一个所述的风机第一频率。

该控制方法还包括除霜控制方法；

所述的除霜控制方法为：

设定除霜控制时间t₁以及除霜控制温度T₁，由所述的二氧化碳热泵系统启动除霜程序之时开始计时除霜时间t并检测所述的蒸发器中的蒸发温度T_e；

当所述的除霜时间t在所设定的除霜控制时间t₁之内，所述的变频压缩机以压缩机第一除霜频率运行，所述的变频风机以风机第一除霜频率运行；

当所述的蒸发温度T_e高于所设定的除霜控制温度T₁或所述的除霜时间t达到和超过所设定的除霜控制时间t₁时，所述的变频压缩机以压缩机第二除霜频率运行，所述的变频风机以风机第二除霜频率运行；

所述的压缩机第一除霜频率高于所述的压缩机第二除霜频率；所述的风机第一除霜频率高于所述的风机第二除霜频率。

所述的压缩机第一除霜频率高于所述的二氧化碳热泵系统启动除霜程序前所述的变频压缩机的运行频率；所述的风机第一除霜频率高于所述的二氧化碳热泵系统启动除霜程序前所述的变频风机的运行频率。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的二氧化碳热泵系统采用定频压缩机和定频风机，具有高效、节能、环保的特点，其采用的控制方法能够根据运行负荷的大小，能够智能地调节其运行频率，从而达到节约能源、制取热水速率快的目的，改善了现有的二氧化碳热泵系统存在的不足。

附图说明

附图1为本发明的二氧化碳热泵系统的系统原理图。

附图2为本发明的二氧化碳热泵系统中变频压缩机或变频风机的运行频率随出水温度变化的示意图。

附图3为本发明的二氧化碳热泵系统中变频压缩机或变频风机的运行频率随环境温度变化的示意图。

附图4为本发明的二氧化碳热泵系统中变频压缩机或变频风机的运行频率在除霜程序中运行频率的变化示意图。

以上附图中：1、变频压缩机；2、气体冷却器；3、中间冷却器；4、电子膨胀阀；5、蒸发器；6、气液分离器；7、变频风机；8、除霜电磁阀。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：参见附图1所示。一种二氧化碳热泵系统，包括压缩机、气体冷却器2、中间冷却器3、膨胀阀、蒸发器5、风机、气液分离器6和除霜电磁阀8。其中，压缩机为变频压缩机1，风机为变频风机7，其相对蒸发器5设置。膨胀阀为电子膨胀阀4。气液分离器6上设置有加热带。气体冷却器2中设置有包括进水管和出水管的水循环管路。该二氧化碳热泵系统设置有检测其环境温度的环温传感器，气体冷却器2中设置有检测出水温度T_out的出水温度传感器，蒸发器5中设置有检测其蒸发温度T_e的蒸发温度传感器。

变频压缩机1的排气口通过管路依次连接气体冷却器2、中间冷却器3、电子膨胀阀4、蒸发器5后再经中间冷却器3回连至变频压缩机1的回气口而形成热泵循环通路，即压缩机的排气口通过管路连接至气体冷却器2的进气口，气体冷却器2的出气口通过管路连接至中间冷却器3的一个进气口，气体冷却器2中与前述进气口相对应的一个出气口通过管路连接至电子膨胀阀4的进气口，电子膨胀阀4的出气口通过管路连接至蒸发器5的进气口，蒸发器5的出气口通过管路连接至中间冷却器3的另一个进气口，中间冷却器3的该进气口所对应的另一个出气口通过管路连接至变频压缩机1的回气口。

变频压缩机1的排气口和蒸发器5的进气口之间还通过管路相连接而形成除霜旁路，除霜电磁阀8设置于除霜旁路上。

该二氧化碳热泵系统的工作过程如下：在加热模式下，除霜旁路上的除霜电磁阀8关闭，而热泵循环通路上的电子膨胀阀4开启。二氧化碳介质在变频压缩机1的驱动下，进入气体冷却器2中加热水循环管路中的水而冷却，然后再进入中间冷却器3中进一步冷却后通过电子膨胀阀4进入蒸发器5中回温。出蒸发器5后的二氧化碳介质经气液分离器6进行气液分离后，再经过中间冷却器3中与出气体冷却器2的二氧化碳介质换热而进一步回温后回到变频压缩机1的回气口，从而完成一次循环。

该二氧化碳热泵系统采用的除霜方式为热气盘通除霜。当需要除霜时，其进入除霜模式。在除霜模式下，除霜电磁阀8打开，电子膨胀阀4的开度开到最大，并将气液分离器6上的加热带通电，从而进行除霜。当除霜结束时，除霜电磁阀8关闭，而电子膨胀阀4的开度恢复待初始设置值，加热带断电。

为了使该二氧化碳热泵系统，尤其是其中的变频压缩机1和变频风机7能够根据负荷的大小智能地调节频率，其采用如下的控制方法：

该控制方法包括压缩机运行控制方法和风机运行控制方法，以及除霜控制方法。

压缩机运行控制方法和风机运行控制方法为：

预设所需的出水温度T_set以及温度变化范围值ΔT，当二氧化碳热泵系统启动后，实时检测出水管的实际出水温度T_out。

当T_out<T_set-ΔT时，变频压缩机1以压缩机第一频率运行，变频风机7以风机第一频率运行。当T_set-ΔT≤T_out<T_set时，变频压缩机1以压缩机第二频率运行，变频风机7以风机第二频率运行。当T_out≥T_set时，变频压缩机1以压缩机第三频率运行，变频风机7以风机第三频率运行。压缩机第一频率高于压缩机第二频率，压缩机第二频率高于压缩机第三频率；风机第一频率高于风机第二频率，风机第二频率高于风机第三频率。如附图2所示，当T_out<T_set-ΔT时，变频压缩机1以压缩机第一频率f₂₁运行，此时二氧化碳热泵系统处于开机加热阶段。随着加热进程的进行，出水管的实际出水温度T_out逐渐升高，使得T_set-ΔT≤T_out<T_set，此时，变频压缩机1以压缩机第二频率f₂₂运行，该压缩机第二频率f₂₂低于压缩机第一频率f₂₁。出水管的实际出水温度T_out进一步升高至T_out≥T_set，此时，变频压缩机1再次变换其工作频率，以压缩机第三频率f₂₃运行，该压缩机第三频率f₂₃又进一步低于压缩机第二频率f₂₂。变频风机7的运行频率的改变与变频压缩机1的运行频率的改变相类似。

由于二氧化碳热泵系统的制热性能往往随着环境温度的降低而迅速衰减，因此，该二氧化碳热泵系统的控制方法还提出根据环境温度的改变来调节变频压缩机1和变频风机7的运行频率，以有效解决上述问题。环境温度比出水温度具有优先检测权，即上述压缩机第一频率和风机第一频率由二氧化碳热泵系统所处的环境温度决定，当环境温度越高时，压缩机第一频率和风机第一频率均越低，使得二氧化碳热泵系统在较低的环境温度下也能够达到较高的制热性能。环境温度分为若干区段，每个区段对应一个压缩机第一频率和一个风机第一频率。如附图3所示，当该二氧化碳热泵系统开机运行时，首先检测其所处的环境温度，当环境温度低于-10℃时，变频压缩机1以f₄₄频率运行，此时，压缩机第一频率f₂₁=f₄₄；当环境温度介于-10℃至10℃之间时，变频压缩机1以f₄₃频率运行，此时，压缩机第一频率f₂₁=f₄₃，频率f₄₃低于频率f₄₄；当环境温度介于10℃至25℃之间时，变频压缩机1以f₄₂频率运行，此时，压缩机第一频率f₂₁=f₄₂，频率f₄₂低于频率f₄₃；当环境温度高于25℃时，变频压缩机1以f₄₁频率运行，此时，压缩机第一频率f₂₁=f₄₁，频率f₄₁低于频率f₄₂。以上对环境温度的分区值可以根据实际情况做出调整。在根据环境温度确定启动时变频压缩机1的工作频率后，再根据出水温度T_out来确定变频压缩机1的工作频率，相应的降低其工作频率。变频风机7的工作频率调整与上述变频压缩机1的工作频率调整相类似。

除霜控制方法为：

设定除霜控制时间t₁以及除霜控制温度T₁，由二氧化碳热泵系统启动除霜程序之时开始计时除霜时间t并检测蒸发器5中的蒸发温度T_e。

当除霜时间t在所设定的除霜控制时间t₁之内，变频压缩机1以压缩机第一除霜频率运行，变频风机7以风机第一除霜频率运行。当蒸发温度T_e高于所设定的除霜控制温度T₁或除霜时间t达到和超过所设定的除霜控制时间t₁时，变频压缩机1以压缩机第二除霜频率运行，变频风机7以风机第二除霜频率运行。压缩机第一除霜频率高于压缩机第二除霜频率；风机第一除霜频率高于风机第二除霜频率。并且压缩机第一除霜频率高于二氧化碳热泵系统启动除霜程序前变频压缩机1的运行频率；风机第一除霜频率高于二氧化碳热泵系统启动除霜程序前变频风机7的运行频率。如附图4所示，当启动除霜程序时，在除霜控制时间t₁之内，变频压缩机1以频率f₃₁运行，该频率f₃₁高于除霜开始前变频压缩机1的运行频率。当检测到蒸发器5的蒸发温度T_e高于所设定的除霜控制温度T₁或除霜时间t达到和超过所设定的除霜控制时间t₁时，蒸发器5翅片表面的霜层已经减薄了，故而将变频压缩机1的工作频率降低为频率f₃₂，直至除霜结束。这样能够根据蒸发器5的翅片表面霜层的厚度实时地改变变频压缩机1的运行频率，从而降低能耗，同时缩短除霜时间。除霜过程中，变频风机7的工作频率调整也与变频压缩机1的工作频率调整相类似。

上述控制方法中涉及到的所需的出水温度T_set、温度变化范围值ΔT、除霜控制温度T₁、除霜控制时间t₁均是可以通过实验所确定的合适的数值而设定的。

该二氧化碳热泵系统及其控制方法可以根据运行负荷的大小，智能调节风机和压缩机运行频率，制取热水速率快，节约能源；其可以在系统除霜时智能根据翅片表面的霜层厚度实时调节运行频率，从而达到除霜时间短、降低能耗的目的。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二氧化碳热泵系统，包括压缩机、气体冷却器、膨胀阀、蒸发器、风机、气液分离器和除霜电磁阀，所述的压缩机的排气口通过管路依次连接所述的气体冷却器、所述的膨胀阀、所述的蒸发器后回连至所述的压缩机的回气口而形成热泵循环通路，所述的压缩机的排气口和所述的蒸发器的进气口之间通过管路相连接而形成除霜旁路，所述的除霜电磁阀设置于所述的除霜旁路上，所述的风机相对所述的蒸发器设置，所述的气体冷却器中设置有包括进水管和出水管的水循环管路，其特征在于：所述的压缩机为变频压缩机，所述的风机为变频风机。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵系统，其特征在于：其设置有检测其环境温度的环温传感器，所述的气体冷却器中设置有检测出水温度的出水温度传感器，所述的蒸发器中设置有检测其蒸发温度的蒸发温度传感器。

3.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵系统，其特征在于：其还包括中间冷却器，出所述的气体冷却器的管路经过所述的中间冷却器后连接至所述的膨胀阀，出所述的气液分离器的管路经所述的中间冷却器后连接至所述的变频压缩机的回气口。

4.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵系统，其特征在于：所述的气液分离器上设置有加热带。

5.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵系统，其特征在于：其采用的除霜方式为热气盘通除霜。

6.一种如权利要求1至5中任一项所述的二氧化碳热泵系统的控制方法，其特征在于：该控制方法包括压缩机运行控制方法和风机运行控制方法；

所述的压缩机运行控制方法和风机运行控制方法为：

预设所需的出水温度T_set以及温度变化范围值ΔT，当所述的二氧化碳热泵系统启动后，实时检测所述的出水管的实际出水温度T_out；

当T_out<T_set-ΔT时，所述的变频压缩机以压缩机第一频率运行，所述的变频风机以风机第一频率运行；

当T_set-ΔT≤T_out<T_set时，所述的变频压缩机以压缩机第二频率运行，所述的变频风机以风机第二频率运行；

当T_out≥T_set时，所述的变频压缩机以压缩机第三频率运行，所述的变频风机以风机第三频率运行；

所述的压缩机第一频率高于所述的压缩机第二频率，所述的压缩机第二频率高于所述的压缩机第三频率；所述的风机第一频率高于所述的风机第二频率，所述的风机第二频率高于所述的风机第三频率。

7.根据权利要求6所述的二氧化碳热泵系统的控制方法，其特征在于：所述的压缩机第一频率和所述的风机第一频率由所述的二氧化碳热泵系统所处的环境温度决定，当环境温度越高时，所述的压缩机第一频率和所述的风机第一频率均越低。

8.根据权利要求7所述的二氧化碳热泵系统的控制方法，其特征在于：环境温度分为若干区段，每个区段对应一个所述的压缩机第一频率和一个所述的风机第一频率。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的二氧化碳热泵系统的控制方法，其特征在于：该控制方法还包括除霜控制方法；

所述的除霜控制方法为：

设定除霜控制时间t₁以及除霜控制温度T₁，由所述的二氧化碳热泵系统启动除霜程序之时开始计时除霜时间t并检测所述的蒸发器中的蒸发温度T_e；

当所述的除霜时间t在所设定的除霜控制时间t₁之内，所述的变频压缩机以压缩机第一除霜频率运行，所述的变频风机以风机第一除霜频率运行；

当所述的蒸发温度T_e高于所设定的除霜控制温度T₁或所述的除霜时间t达到和超过所设定的除霜控制时间t₁时，所述的变频压缩机以压缩机第二除霜频率运行，所述的变频风机以风机第二除霜频率运行；

所述的压缩机第一除霜频率高于所述的压缩机第二除霜频率；所述的风机第一除霜频率高于所述的风机第二除霜频率。

10.根据权利要求9所述的二氧化碳热泵系统的控制方法，其特征在于：所述的压缩机第一除霜频率高于所述的二氧化碳热泵系统启动除霜程序前所述的变频压缩机的运行频率；所述的风机第一除霜频率高于所述的二氧化碳热泵系统启动除霜程序前所述的变频风机的运行频率。

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