CN104807183B - 空气源热泵热水器及其电子膨胀阀的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气源热泵热水器及其电子膨胀阀的控制方法，属于空气源热泵热水器装置及其控制方法领域，为解决现有方法换热比差等问题而设计。本发明空气源热泵热水器电子膨胀阀的控制方法为根据影响空气源热泵热水器内热量传导的因素得到排气动态温差ΔT₁，将排气动态温差ΔT₁与水箱内水温数值相加得到目标排气温度Tm，通过比较目标排气温度Tm与压缩机排气温度Ts并通过比较结果来确定电子膨胀阀的开度和/或调阀速度。本发明空气源热泵热水器实现了上述控制方法。本发明空气源热泵热水器及其电子膨胀阀的控制方法确保了压缩机排气温度和水箱之间最优换热状态，将原来被动的加热方式改为主动换热，增强了加热能力，提高了能效比。

Description

空气源热泵热水器及其电子膨胀阀的控制方法

技术领域

本发明涉及一种空气源热泵热水器及该空气源热泵热水器中电子膨胀阀的控制方法。

背景技术

空气源热泵热水器是一种利用制冷剂将空气中低温热能吸收传递给水箱来实现高能效的制热水装置，电子膨胀阀是其常用的节流装置。

现有电子膨胀阀的控制方式多为吸气过热度控制，即压缩机的吸气温度对应吸气侧的饱和温度的差值。出于成本方面的考虑，大部分系统中没有低压压力传感器一类的装置，吸气饱和温度无法在系统中测量获得。一般吸气过热度直接利用压缩机吸气温度和蒸发温度的差获得。

这种控制方式相当于排气侧是被动在给水箱加热，传热温差、材质导热能力、水箱热水状态完全不可控。忽视了热泵热水器要实现的最终目的而盲目运行，加热效率低。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种实现动态换热的空气源热泵热水器电子膨胀阀的控制方法。

本发明的另一个目的是提出一种实现电子膨胀阀动态控制方法的空气源热泵热水器。

为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：

一种空气源热泵热水器电子膨胀阀的控制方法，所述方法为根据影响所述空气源热泵热水器内热量传导的因素得到排气动态温差ΔT₁，将所述排气动态温差ΔT₁与水箱内水温数值相加得到目标排气温度Tm，通过比较目标排气温度Tm与压缩机排气温度Ts并通过比较结果来确定电子膨胀阀的开度和/或调阀速度。

特别是，所述影响所述空气源热泵热水器热量传导的因素包括水箱与为所述水箱加热的管路之间的材质的导热系数、以及管路与水箱之间的换热形式。

特别是，所述排气动态温差ΔT₁通过下述步骤得到：

步骤A、通过计算得到排气动态温差ΔT₁的基本值ΔT₁₁，计算方法为：

其中，ΔT₁₁为排气动态温差的基本值，单位是℃；Q为热流量，单位是W；i为正整数；n为空气源热泵热水器热量传导过程中热量与水之间所间隔介质材质的层数；δ_i为第i种介质的厚度，单位是m；K_i为第i种介质的导热系数，单位是W/(m·℃)；A为传热面积，单位是㎡；

步骤B、在所述基本值ΔT₁₁的基础上进行修正进而得到排气动态温差ΔT₁。

进一步，当管路与水箱之间的换热形式为外缠绕时，空气源热泵热水器热量传导过程中热量与水之间所隔介质至少包括管壁和箱体壁；当管路与水箱之间的换热形式为内缠绕时，空气源热泵热水器热量传导过程中热量与水之间所隔介质至少包括管壁。

特别是，所述通过比较目标排气温度Tm与压缩机排气温度Ts以确定电子膨胀阀的开度和/或调阀速度的方法是用目标排气温度Tm减去压缩机排气温度Ts得到差值ΔT₂，即ΔT₂＝Tm-Ts，根据差值ΔT₂确定电子膨胀阀的开度和/或调阀速度。

特别是，当差值ΔT₂≤阈值下限Tl时，电子膨胀阀的开度增加；当差值ΔT₂＞阈值上限Th时，电子膨胀阀的开度减小；当阈值下限Tl＜差值ΔT₂≤阈值上限Th时，电子膨胀阀的开度保持不变；其中，阈值下限Tl＜0，阈值上限Th≥0。

进一步，当差值ΔT₂≤阈值下限Tl时，ΔT₂的数值越小则电子膨胀阀的调阀速度越大；当差值ΔT₂＞阈值上限Th时，ΔT₂的数值越大则电子膨胀阀的调阀速度越大。

特别是，水箱内水温数值为水箱内多点处测量水温的平均值。

另一方面，本发明采用以下技术方案：

一种实现上述电子膨胀阀控制方法的空气源热泵热水器，包括用于储水的水箱、为所述水箱供热的管路、与所述管路连接的压缩机、以及控制装置；所述管路的一端通过电子膨胀阀和蒸发器连接至所述压缩机的吸气端，所述管路的另一端连接至所述压缩机的排气端；在所述压缩机的排气端上设有第一感温装置，所述第一感温装置用于测量压缩机的排气温度；在所述水箱内设有第二感温装置，所述第二感温装置用于测量水箱内的水温。

特别是，在所述压缩机的排气端上设有排气压力传感器，在所述压缩机的吸气端上设有吸气感温装置和吸气压力传感器。

本发明空气源热泵热水器电子膨胀阀的控制方法将排气动态温差ΔT₁作为参数之一来控制电子膨胀阀的开度和/或调阀速度，确保压缩机排气温度和水箱之间的最优换热状态，将原来被动的加热方式改为主动换热。体现出水箱热水状态、材质导热能力、传热温差与整个系统之间的动态链接关系，增强了加热能力，提高了能效比。

本发明空气源热泵热水器在压缩机的排气端和水箱内分别设置感温装置，通过控制装置计算得到排气动态温差ΔT₁和目标排气温度Tm，实现上述空气源热泵热水器的电子膨胀阀控制方法，结构合理，使用方便，水箱内水温稳定，电子膨胀阀控制精确。

附图说明

图1是本发明优选实施例一控制方法流程图；

图2是本发明优选实施例一空气源热泵热水器结构示意图；

图3是空气源热泵热水器局部剖视图。

图中标记为：

1、水箱；2、管路；3、电子膨胀阀；4、蒸发器；5、压缩机；6、第一感温装置；7、第二感温装置；8、排气压力传感器；9、吸气感温装置；10、吸气压力传感器；11、进水口；12、出水口；101、导热硅脂层；102、保温层；103、热轧钢内胆层；104、搪瓷层；105、水。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

根据传热学中傅里叶定理的公式Q＝K·A·(T_h-T_c)/d可得到：

公式1：

其中，ΔT＝T_h-T_c，为排气动态温差，单位是℃；T_h为高温流体的温度，单位是℃；T_c为低温流体的温度，单位是℃；Q为热流量，即单位时间通过介质的热量，单位是W；d为热传递距离，单位是m；K为导热系数，单位是W/(m·℃)，可以通过查表得到；A为传热面积，单位是㎡。

空气源热泵热水器是通过管路来为水箱中的水加热的，从热源至水箱中的水要穿过多层介质。相应地，计算公式需要进行修改。而且理论计算值与实际值之间必然会存在一定的差值，所以计算所得仅为基本值，后续还需在基本值的基础上进行修正才能得到实际的排气动态温差。修正的方法是：将以基本值为中点上下浮动一定范围内的值都进行试用(试验使用)，比较试用结果。试用结果最好的值或者第一个出现的结果符合要求的值确定为排气动态温差。

修改后的计算公式为：

公式2：

其中，ΔT₁₁＝T₁-T_n+1，为排气动态温差ΔT₁的基本值，单位是℃；T₁为沿着热传导方向第一层介质材质的靠近热源一侧的温度值，单位是℃；T_n+1为沿着热传导方向第n层介质材质的远离热源一侧的温度值，单位是℃；i为正整数；n为空气源热泵热水器热量传导过程中所间隔介质材质的层数；Q为热流量，即单位时间通过介质的热量，单位是W；δ_i为第i种介质的厚度,单位是m；K_i为第i种介质的导热系数，单位是W/(m·℃)；A为传热面积，单位是㎡。

优选实施例一：

如图1所示，本优选实施例提供一种空气源热泵热水器电子膨胀阀的控制方法。该方法为根据影响空气源热泵热水器内热量传导的因素得到排气动态温差ΔT₁，将排气动态温差ΔT₁与水箱内水温数值相加得到目标排气温度Tm，通过比较目标排气温度Tm与压缩机排气温度Ts并通过比较结果来确定电子膨胀阀的开度和调阀速度。

本控制方法通过热泵热水器动态变化的状态来控制电子膨胀阀，考虑到了多种影响因素，保证水箱中水温稳定，使热泵热水器系统始终处在一个最佳的COP(CoefficientOf Performance,能量与热量之间的转换比率)运行状态。

通过理论计算得到的排气动态温差ΔT₁与实际需求会存在一定的差异，所以先通过公式计算得到一个基本值ΔT₁₁，在该基本值ΔT₁₁的基础上修正得到最终的排气动态温差ΔT₁。

为了实现上述控制方法，本优选实施例提供一种空气源热泵热水器。如图2所示，该空气源热泵热水器包括用于储水的水箱1、为水箱1供热的管路2、与管路2连接的压缩机5、以及控制装置。管路2的一端通过电子膨胀阀3和蒸发器4连接至压缩机5的吸气端，管路2的另一端连接至压缩机5的排气端。水箱1上设有用于加入冷水的进水口11和用于输出热水的出水口12。

在压缩机5的排气端上设有第一感温装置6，第一感温装置6用于测量压缩机5的排气温度；在水箱1内设有第二感温装置7，第二感温装置7用于测量水箱1内的水温。在压缩机5的排气端上设有排气压力传感器8。在压缩机5的吸气端上设有吸气感温装置9和吸气压力传感器10。

如图3所示，管路与水箱之间的换热形式为外缠绕，由导热硅脂制成的管路2外侧包裹着保温层102，在管路2与水箱外壁之间填充导热硅脂层101；水箱外壁包括外侧的热轧钢内胆层103和内侧的搪瓷层104。所以热量需要穿过多层介质才能为水箱内的水105加热。计算排气动态温差ΔT₁时需要查表得到导热系数K：导热硅脂的导热系数K为0.8～3W/(m·℃)，热轧钢的导热系数K为36～54W/(m·℃)，搪瓷层的导热系数K为1.99W/(m·℃)，空气的导热系数K为0.01～0.04W/(m·℃)，水的导热系数K为0.5～0.7W/(m·℃)。根据公式2可计算得到排气动态温差的基本值ΔT₁₁，在该基本值ΔT₁₁的基础上修正得到排气动态温差ΔT₁。

将排气动态温差ΔT₁与所测得的水箱内水温数值相加得到目标排气温度Tm，将目标排气温度Tm减去压缩机排气温度Ts得到差值ΔT₂，即ΔT₂＝Tm-Ts，根据差值ΔT₂确定电子膨胀阀的开度和调阀速度。

设定差值ΔT₂的阈值下限Tl为-1℃、阈值上限Th为1℃。当-1℃＜ΔT₂≤1℃时，电子膨胀阀的开度保持不变；当差值ΔT₂＞1℃时，电子膨胀阀的开度减小；当差值ΔT₂≤-1℃时，电子膨胀阀的开度增加。

具体的，当1℃＜ΔT₂≤2℃时，电子膨胀阀的调阀速度(开关脉冲数)为1脉冲/min；当2℃＜ΔT₂≤3℃时，电子膨胀阀的调阀速度为2脉冲/min；当3℃＜ΔT₂≤5℃时，电子膨胀阀的调阀速度为3脉冲/min；当5℃＜ΔT₂≤8℃时，电子膨胀阀的调阀速度为5脉冲/min；当8℃＜ΔT₂时，电子膨胀阀的调阀速度为10脉冲/min。

当-2℃＜ΔT₂≤-1℃时，电子膨胀阀的调阀速度为1脉冲/min；当-3℃＜ΔT₂≤-2℃时，电子膨胀阀的调阀速度为2脉冲/min；当-5℃＜ΔT₂≤-3℃时，电子膨胀阀的调阀速度为3脉冲/min；当-8℃＜ΔT₂≤-5℃时，电子膨胀阀的调阀速度为5脉冲/min；当ΔT₂≤-8℃时，电子膨胀阀的调阀速度为10脉冲/min。

例如：经计算和修正后得到排气动态温差ΔT₁为28℃，水箱内水温数值为50℃，则目标排气温度Tm为78℃；阈值下限为-1℃、阈值上限为1℃。当压缩机排气温度Ts为77℃至79℃时，电子膨胀阀的开度保持不变；当压缩机排气温度Ts为82℃时，ΔT₂＝-4℃，电子膨胀阀开度增加且调阀速度为3脉冲/min；当压缩机排气温度Ts为70℃时，ΔT₂＝8℃，电子膨胀阀开度减小且调阀速度为5脉冲/min。

优选实施例二：

本优选实施例提供一种空气源热泵热水器及其电子膨胀阀的控制方法，其原理、结构与优选实施例一基本相同。该方法为根据影响空气源热泵热水器内热量传导的因素得到排气动态温差ΔT₁，将排气动态温差ΔT₁与水箱内水温数值相加得到目标排气温度Tm，通过比较目标排气温度Tm与压缩机排气温度Ts并通过比较结果来确定电子膨胀阀的开度和/或调阀速度。

用于实现上述控制方法的空气源热泵热水器包括水箱、管路、压缩机以及控制装置；管路的一端通过电子膨胀阀和蒸发器连接至压缩机的吸气端，管路的另一端连接至压缩机的排气端；在压缩机的排气端上设有用于测量压缩机排气温度的第一感温装置；在水箱内设有用于测量水箱内水温第二感温装置。

不同之处在于：水箱的材质不限于是热轧钢，还可以是不锈钢等其它材质，为水箱加热的管路的材质可以为铜或铝等；管路与水箱之间的换热形式不限于外缠绕式，也可以是内缠绕式，换热方式不同则热源与水之间所隔的介质层数不同，计算公式中的层数和具体介质则不同(当管路与水箱之间的换热形式为内缠绕时，空气源热泵热水器热量传导过程中热量与水之间所隔介质只包括管壁)；水箱内水温数值可以是水箱内一点的温度值也可以是多点处测量水温的平均值；压缩机上可以不设置排气压力传感器、吸气感温装置和吸气压力传感器，上述器件的作用是保护整体系统的安全和正常工作，缺少上述三个器件并不影响该空气源热泵热水器实现本控制方法。

Claims (9)

1.一种空气源热泵热水器电子膨胀阀的控制方法，其特征在于，所述方法为根据影响所述空气源热泵热水器内热量传导的因素得到排气动态温差ΔT₁，将所述排气动态温差ΔT₁与水箱内水温数值相加得到目标排气温度Tm，通过比较目标排气温度Tm与压缩机排气温度Ts并通过比较结果来确定电子膨胀阀的开度和/或调阀速度；

所述排气动态温差ΔT₁通过下述步骤得到：

步骤A、通过计算得到排气动态温差ΔT₁的基本值ΔT₁₁，计算方法为：

其中，ΔT₁₁为排气动态温差的基本值，单位是℃；Q为热流量，即单位时间通过介质的热量，单位是W；i为正整数；n为空气源热泵热水器热量传导过程中热量与水之间所隔介质材质的层数；δ_i为第i种介质的厚度，单位是m；K_i为第i种介质的导热系数，单位是W/(m·℃)；A为传热面积，单位是㎡；

步骤B、在所述基本值ΔT₁₁的基础上进行修正进而得到排气动态温差ΔT₁。

2.根据权利要求1所述的空气源热泵热水器电子膨胀阀的控制方法，其特征在于，所述影响所述空气源热泵热水器热量传导的因素包括水箱与为所述水箱加热的管路之间介质材质的导热系数、以及管路与水箱之间的换热形式。

3.根据权利要求1所述的空气源热泵热水器电子膨胀阀的控制方法，其特征在于，当管路与水箱之间的换热形式为外缠绕时，空气源热泵热水器热量传导过程中热量与水之间所隔介质至少包括管壁和箱体壁；当管路与水箱之间的换热形式为内缠绕时，空气源热泵热水器热量传导过程中热量与水之间所隔介质至少包括管壁。

4.根据权利要求1所述的空气源热泵热水器电子膨胀阀的控制方法，其特征在于，所述通过比较目标排气温度Tm与压缩机排气温度Ts以确定电子膨胀阀的开度和/或调阀速度的方法是用目标排气温度Tm减去压缩机排气温度Ts得到差值ΔT₂，即ΔT₂＝Tm-Ts，根据差值ΔT₂确定电子膨胀阀的开度和/或调阀速度。

5.根据权利要求4所述的空气源热泵热水器电子膨胀阀的控制方法，其特征在于，当差值ΔT₂≤阈值下限Tl时，电子膨胀阀的开度增加；当差值ΔT₂＞阈值上限Th时，电子膨胀阀的开度减小；当阈值下限Tl＜差值ΔT₂≤阈值上限Th时，电子膨胀阀的开度保持不变；其中，阈值下限Tl＜0，阈值上限Th≥0。

6.根据权利要求5所述的空气源热泵热水器电子膨胀阀的控制方法，其特征在于，当差值ΔT₂≤阈值下限Tl时，ΔT₂的数值越小则电子膨胀阀的调阀速度越大；当差值ΔT₂＞阈值上限Th时，ΔT₂的数值越大则电子膨胀阀的调阀速度越大。

7.根据权利要求1所述的空气源热泵热水器电子膨胀阀的控制方法，其特征在于，水箱内水温数值为水箱内多点处测量水温的平均值。

8.一种实现如权利要求1至7任一所述的空气源热泵热水器电子膨胀阀的控制方法的空气源热泵热水器，包括用于储水的水箱(1)、为所述水箱(1)供热的管路(2)、与所述管路(2)连接的压缩机(5)、以及控制装置；所述管路(2)的一端通过电子膨胀阀(3)和蒸发器(4)连接至所述压缩机(5)的吸气端，所述管路(2)的另一端连接至所述压缩机(5)的排气端；其特征在于，在所述压缩机(5)的排气端上设有第一感温装置(6)，所述第一感温装置(6)用于测量压缩机(5)的排气温度；在所述水箱(1)内设有第二感温装置(7)，所述第二感温装置(7)用于测量水箱(1)内的水温。

9.根据权利要求8所述的空气源热泵热水器，其特征在于，在所述压缩机(5)的排气端上设有排气压力传感器(8)，在所述压缩机(5)的吸气端上设有吸气感温装置(9)和吸气压力传感器(10)。