CN103940148A - 一种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及其控制方法，该二氧化碳热泵系统，包括温度感应装置、相连接构成回路的压缩机、气体冷却器、电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器、回热器、三通阀，回路中的制冷剂为二氧化碳，气体冷却器中设置有与二氧化碳换热的水循环回路，水循环回路设置在进水口与出水口之间。本发明系统整体的控制方法只基于一种算法，系统稳定性更有保障。

Description

一种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及其控制方法。

背景技术

二氧化碳热泵由于二氧化碳冷媒特殊的属性，存在最优压力，因此基于最优压力控制的方法也是二氧化碳热泵控制方法采用较多的算法，但是由于该算法存在一定的适用范围，即气体冷却器出口温度在一定范围内适用该算法，范围之外需要与其他控制方法衔接，系统在控制方案的衔接上容易存在漏洞或震荡。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种只基于一种算法，系统稳定性更有保障的二氧化碳热泵系统及其控制方法。

为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案是：

一种二氧化碳热泵系统，包括相连接构成回路的压缩机、气体冷却器、电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器、回热器、三通阀，回路中的制冷剂为二氧化碳，气体冷却器中设置有与二氧化碳换热的水循环回路，水循环回路设置在进水口与出水口之间，还包括温度感应装置。

优选地，该二氧化碳热泵系统还包括编程控制器，编程控制器与温度感应装置相连接并用于控制二氧化碳热泵系统运行，温度感应装置包括检测环境温度的环温传感器、设置在气体冷却器中检测其出口温度的第一传感器、设置在进水口并检测其进水温度的第二温度传感器、设置在出水口并检测其实际出水温度的第三温度传感器。

一种上述的二氧化碳热泵系统的控制方法，根据用户设定的目标出水温度To和采集的当前环境温度T，利用Tc=f(To, T)计算出理论上进水温度与气体冷却器出口的温差Tc；采集气体冷却器出口的实际温度T1和进水温度Ti，计算T1和Ti的温差Tr，根据Tr与Tc的大小关系，利用PID控制方法，调节膨胀阀开度或水流量，最终达到目标出水温度To，其中，Tc=f(To, T)是关于目标出水温度To和环境温度T的函数。

优选地，设定第三温度传感器检测出的实际出水温度Tg与目标出水温度To之间的温差为a，|Tg-To|≤a即认为是达到目标出水温度，a为用户设定。

优选地，膨胀阀开度EXP 范围为0%-100%，设定系统控制的膨胀阀最低值为EXP(min)，最大值为EXP(max)。

优选地，当Tr<Tc时, 利用PID控制算法，控制调大膨胀阀开度EXP，至系统实际出水温度Tg到达用户设定的目标出水温度To；如果膨胀阀开度EXP到达设定的最大值EXP(max)，而实际出水温度Tg仍未到达用户设定的目标出水温度To，则通过调节水流量，循环上述步骤，最终达到目标出水温度To。

优选地，当Tr≥Tc, 利用PID控制算法，调小膨胀阀开度EXP，至系统实际出水温度到达用户设定的出水温度To；如果膨胀阀开度EXP到达设定的最小值EXP(min)，而实际出水温度Tg仍未到达用户设定的目标出水温度，则通过调节水流量，循环上述步骤，最终达到目标出水温度To。

具体包括如下步骤：

步骤1、二氧化碳热泵系统启动以后，用户设置目标出水温度To；第三温度传感器采集实际出水温度Tg；

步骤2、计算实际出水温度Tg与用户设置的目标出水温度To之间温差，如果|Tg-To|≤a，则回到步骤1, 反之则进入步骤3；

步骤3、采集环境温度T、气体冷却器出口温度T1和进水温度Ti，根据f(To, T)计算出理论上进水温度与气体冷却器出口温度的目标温差Tc，同时计算出实际温差Tr, Tr=T1-Ti，分为以下三种情况：

（1）如果Tr=Tc，则回到步骤2进行判别；

（2）如果Tr<Tc，则调大膨胀阀，并检测膨胀阀开度是否达到设定最大限值EXP(max)：

①如果没有达到最大限值EXP(max)，则检测实际温差Tr与目标温差Tc，如果：

a、Tr=Tc，则检测|Tg-To|是否小于等于a，是，则回到步骤1；否，则调节水流量后，重新回到步骤1；

b、Tr≠Tc，则重新回到步骤1；

②如果达到最大限值EXP(max)，则调节水流量，回到步骤1；

（3）如果Tr>Tc, 则调小膨胀阀，并检测膨胀阀开度是否达到设定最小限值EXP(min)：

①如果没有达到最小限值EXP(min)，则检测实际温差Tr与目标温差Tc，如果：

a、Tr=Tc，则检测|Tg-To|是否小于等于a，是，则回到步骤1；否，则调节水流量后，重新回到步骤1；

b、Tr≠Tc，则重新回到步骤1；

②如果达到最小限值EXP(min)，则调节水流量，回到步骤1

由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明采用基于温度参数控制的二氧化碳热泵的控制方法，弥补了基于最优压力控制方法的不足，系统整体的控制方法只基于一种算法，系统稳定性更有保障。

附图说明

图1为本发明二氧化碳热泵系统的示意图；

图2为基于本发明二氧化碳热泵系统目标出水温度的控制方法的流程图；

其中：1、压缩机；2、气体冷却器；3、电子膨胀阀；4、蒸发器；5、气液分离器；6、回热器；7、三通阀。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的范围限制。实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

如附图1所示，本发明一种二氧化碳热泵系统，包括编程控制器、温度感应装置、相连接构成回路的压缩机1、气体冷却器2、电子膨胀阀3、蒸发器4、气液分离器5、回热器6、三通阀7，回路中的制冷剂为二氧化碳，气体冷却器2中设置有与二氧化碳换热的水循环回路，水循环回路设置在进水口与出水口之间，温度感应装置包括检测环境温度的环温传感器、设置在气体冷却器中检测其出口温度的第一传感器、设置在进水口并检测其进水温度的第二温度传感器、设置在出水口并检测其实际出水温度的第三温度传感器，编程控制器与温度感应装置相连接并用于控制二氧化碳热泵系统运行。

如附图2所示，本发明二氧化碳热泵系统的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1、二氧化碳热泵系统启动以后，用户设置目标出水温度To；第三温度传感器采集实际出水温度Tg；

步骤2、计算实际出水温度Tg与用户设置的目标出水温度To之间温差，如果|Tg-To|≤a，则回到步骤1, 反之则进入步骤3，其中，a设定为第三温度传感器检测出的实际出水温度Tg与目标出水温度To之间的温差，|Tg-To|≤a即认为是达到目标出水温度，a为用户设定；

步骤3、采集环境温度T、气体冷却器出口温度T1和进水温度Ti，根据f(To, T)计算出理论上进水温度与气体冷却器出口温度的目标温差Tc，其中，Tc=f(To, T)是关于目标出水温度To和环境温度T的函数，同时计算出实际温差Tr, Tr=T1-Ti，分为以下三种情况：

（1）如果Tr=Tc，则回到步骤2进行判别；

（2）如果Tr<Tc，则调大膨胀阀，并检测膨胀阀开度是否达到设定最大限值EXP(max)：

①如果没有达到最大限值EXP(max)，则检测实际温差Tr与目标温差Tc，如果：

a、Tr=Tc，则检测|Tg-To|是否小于等于a，是，则回到步骤1；否，则调节水流量后，重新回到步骤1；

b、Tr≠Tc，则重新回到步骤1；

②如果达到最大限值EXP(max)，则调节水流量，回到步骤1；

（3）如果Tr>Tc, 则调小膨胀阀，并检测膨胀阀开度是否达到设定最小限值EXP(min)：

①如果没有达到最小限值EXP(min)，则检测实际温差Tr与目标温差Tc，如果：

a、Tr=Tc，则检测|Tg-To|是否小于等于a，是，则回到步骤1；否，则调节水流量后，重新回到步骤1；

b、Tr≠Tc，则重新回到步骤1；

②如果达到最小限值EXP(min)，则调节水流量，回到步骤1。

本实施例中，膨胀阀开度EXP 范围为0%-100%，设定系统控制的膨胀阀最低值为EXP(min)，最大值为EXP(max)。

本发明采用基于温度参数控制的二氧化碳热泵的控制方法，弥补了基于最优压力控制方法的不足，系统整体的控制方法只基于一种算法，系统稳定性更有保障。

以上对本发明做了详尽的描述，实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，其目的在于让熟悉此领域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 (8)

1.一种二氧化碳热泵系统，包括相连接构成回路的压缩机、气体冷却器、电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器、回热器、三通阀，所述回路中的制冷剂为二氧化碳，所述气体冷却器中设置有与所述二氧化碳换热的水循环回路，所述水循环回路设置在进水口与出水口之间，其特征在于：还包括温度感应装置。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵系统，其特征在于：还包括编程控制器，所述编程控制器与所述温度感应装置相连接并用于控制所述二氧化碳热泵系统运行，所述温度感应装置包括检测环境温度的环温传感器、设置在所述气体冷却器中检测其出口温度的第一传感器、设置在所述进水口并检测其进水温度的第二温度传感器、设置在所述出水口并检测其实际出水温度的第三温度传感器。

3.一种如权利要求1或2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：根据用户设定的目标出水温度To和采集的当前环境温度T，利用Tc=f(To, T)计算出理论上进水温度与气体冷却器出口的温差Tc；采集气体冷却器出口的实际温度T1和进水温度Ti，计算T1和Ti的温差Tr，根据Tr与Tc的大小关系，利用PID控制方法，调节膨胀阀开度或水流量，最终达到目标出水温度To，其中，Tc=f(To, T)是关于目标出水温度To和环境温度T的函数。

4.根据权利要求3中所述的二氧化碳热泵系统的控制方法，其特征在于：设定第三温度传感器检测出的实际出水温度Tg与目标出水温度To之间的温差为a，|Tg-To|≤a即认为是达到目标出水温度，a为用户设定。

5.根据权利要求3中所述的二氧化碳热泵系统的控制方法，其特征在于：膨胀阀开度EXP 范围为0%-100%，设定系统控制的膨胀阀最低值为EXP(min)，最大值为EXP(max)。

6.根据权利要求3中所述的二氧化碳热泵系统的控制方法，其特征在于：当Tr<Tc时, 利用PID控制算法，控制调大膨胀阀开度EXP，至系统实际出水温度Tg到达用户设定的目标出水温度To；如果膨胀阀开度EXP到达设定的最大值EXP(max)，而实际出水温度Tg仍未到达用户设定的目标出水温度To，则通过调节水流量，循环上述步骤，最终达到目标出水温度To。

7.根据权利要求3中所述的二氧化碳热泵系统的控制方法，其特征在于：当Tr≥Tc, 利用PID控制算法，调小膨胀阀开度EXP，至系统实际出水温度到达用户设定的出水温度To；如果膨胀阀开度EXP到达设定的最小值EXP(min)，而实际出水温度Tg仍未到达用户设定的目标出水温度，则通过调节水流量，循环上述步骤，最终达到目标出水温度To。

8.根据权利要求3中所述的二氧化碳热泵系统的控制方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤1、二氧化碳热泵系统启动以后，用户设置目标出水温度To；第三温度传感器采集实际出水温度Tg；

步骤2、计算实际出水温度Tg与用户设置的目标出水温度To之间温差，如果|Tg-To|≤a，则回到步骤1, 反之则进入步骤3；

步骤3、采集环境温度T、气体冷却器出口温度T1和进水温度Ti，根据f(To, T)计算出理论上进水温度与气体冷却器出口温度的目标温差Tc，同时计算出实际温差Tr, Tr=T1-Ti，分为以下三种情况：

（1）如果Tr=Tc，则回到步骤2进行判别；

（2）如果Tr<Tc，则调大膨胀阀，并检测膨胀阀开度是否达到设定最大限值EXP(max)：

①如果没有达到最大限值EXP(max)，则检测实际温差Tr与目标温差Tc，如果：

a、Tr=Tc，则检测|Tg-To|是否小于等于a，是，则回到步骤1；否，则调节水流量后，重新回到步骤1；

b、Tr≠Tc，则重新回到步骤1；

②如果达到最大限值EXP(max)，则调节水流量，回到步骤1；

（3）如果Tr>Tc, 则调小膨胀阀，并检测膨胀阀开度是否达到设定最小限值EXP(min)：

①如果没有达到最小限值EXP(min)，则检测实际温差Tr与目标温差Tc，如果：

a、Tr=Tc，则检测|Tg-To|是否小于等于a，是，则回到步骤1；否，则调节水流量后，重新回到步骤1；

b、Tr≠Tc，则重新回到步骤1；

②如果达到最小限值EXP(min)，则调节水流量，回到步骤1。