CN106352631A - 一种热泵的控制装置、控制方法及热泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热泵的控制装置、控制方法及热泵，所述热泵包括冷凝器(1)、蒸发器(2)和压缩机(3)，其中控制装置包括：检测单元，用于检测流经所述冷凝器的换热水管的水流流速V；判断单元，用于将检测到的水流流速V与预设水流流速V1之间相比较；执行单元，根据判断单元的判断结果决定是否对水流进行增压动作。通过本发明能够根据检测出的水流流速的情况判断其是否处于正常范围内，并根据判断结果通过执行单元对水流进行增压动作，进而增大水流的压力，从而提高流经冷凝器中的水流流速，降低冷媒冷凝温度和冷凝压力，提高热泵的换热效率，提高制热工况的能效(制热COP)，提升热泵机组的全年综合性能系数(ACOP)。

Description

一种热泵的控制装置、控制方法及热泵

技术领域

本发明属于空气调节技术领域，具体涉及一种热泵的控制装置、控制方法及热泵。

背景技术

现有技术中根据目前的水地源热泵的国标GB/T 19409-2013《水源热泵机组》,评价机组的能效使用全年综合性能系数(ACOP)，其中ACOP＝0.56*EER×A+0.44*COP。

对于几种不同形式的工况规定如下：

表1

根据国标规定的工况，不带四通阀的壳管水地源热泵机组在地下水、地埋管、地表水的工况均存在运行性能系数衰减【即COP﹤EER的情况】。以地埋管为例，制冷、制热的水流量如下：

表2

由上表可以得出在制热工况下时，由于冷凝器(热源侧)的水流量减少，进水温度升高，将导致冷凝温度及冷凝压力升高，从而产生机组运行性能系数COP比EER出现明显衰减的情况。

在常规的定流量水系统中，这种性能系数衰减情况不可避免，因为水流量无法调节，实际运行中，制热工况的使用侧水流量比制冷的小(见表2的示例)，导致机组的冷凝温度升高，机组的消耗功率也会上升，导致性能系数衰减；

在变流量的水系统中，通过变频泵的方式，调节水流量来提高壳管冷凝器的水流速，但是由于整体水系统的流量发生变化，需要的设备及控制复杂，而且流量变化引起的沿程阻力也提高，导致水泵的功耗也上升。

现有技术中提供一种技术方案为：可变水侧流程的冷水机组(专利号CN201320148623.4)，但其技术方案仍然存在以下不足：通过在水管进口处增加阀门，旁通一部分水流量，一方面存在能源浪费，另一方面旁通水流量相当于减少水流量，提高了冷凝温度及冷凝压力，降低了机组的能效。

由于现有技术中的热泵存在运行性能系数衰减、能效较低、沿程阻力较高、功耗升高等技术问题，因此本发明研究设计出一种热泵的控制装置、控制方法及热泵。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的热泵存在能效较低的缺陷，从而提供一种热泵的控制装置、控制方法及热泵。

本发明提供一种热泵的控制装置，其中所述热泵包括冷凝器、蒸发器和压缩机，其中控制装置包括：

检测单元，用于检测流经所述冷凝器的换热水管的水流流速V；

判断单元，用于将检测到的水流流速V与预设水流流速V1之间相比较；

执行单元，根据判断单元的判断结果决定是否对水流进行增压动作。

优选地，

所述执行单元包括设置于所述冷凝器上的增压装置。

优选地，

当检测到的水流流速V大于或等于预设水流流速V1时，关闭所述增压装置；

当检测到的水流流速V小于预设水流流速V1时，启动所述增压装置。

优选地，

所述增压装置关闭第一预设时间t1后，启动检测单元再次检测流经所述冷凝器的水管中的水流流速V，并与V1进行对比；

所述增压装置启动第二预设时间t2后，启动检测单元再次检测流经所述冷凝器的水管的水流流速V。

优选地，

所述冷凝器的换热水管包括水管主体、进水端和出水端，所述检测单元设置在所述水管主体上或所述进水端上；所述增压装置设置在所述进水端上。

优选地，

所述增压装置为超声波扰动仪或水泵。

本发明还提供一种热泵的控制方法，其使用前述的热泵的控制装置，对热泵的水流进行控制，包括：

检测步骤，检测流经所述冷凝器的换热水管的水流流速V；

判断步骤，将检测到的水流流速V与预设水流流速V1之间相比较；

执行步骤，根据判断步骤的判断结果决定是否对水流进行增压动作。

优选地，

当所述执行单元包括所述增压装置时：

且当检测到的水流流速V大于或等于预设水流流速V1时，关闭所述增压装置；

且当检测到的水流流速V小于预设水流流速V1时，启动所述增压装置。

优选地，

当所述增压装置关闭持续第一预设时间t1后，启动检测单元再次检测流经所述冷凝器的水管的水流流速V，并与V1进行对比；

当所述增压装置启动持续第二预设时间t2后，启动检测单元再次检测流经所述冷凝器的水管的水流流速V。

本发明还提供一种热泵，其包括前述的热泵的控制装置。

优选地，

所述热泵为水地源热泵，所述冷凝器为壳管式冷凝器。

本发明提供的一种热泵的控制装置、控制方法及热泵具有如下有益效果：

1.本发明的热泵的控制装置、控制方法及热泵，能够根据检测出的水流流速的情况判断其是否处于正常范围内，则通过执行单元对水流进行增压动作，进而增大水流的压力，从而提高流经冷凝器中的水流流速，降低冷媒冷凝温度和冷凝压力，提高热泵的换热效率，提高制热工况的能效(制热COP)，提升热泵机组的全年综合性能系数(ACOP)；

2.本发明的热泵的控制装置、控制方法及热泵，在变流量设计的热泵水系统中，还能够有效地降低水系统沿程阻力的损失，甚至不必使用变流量控制，也能实现机组全年综合性能系数；

3.本发明的热泵的控制装置、控制方法及热泵，在恶劣工况(指冷凝器水流量小于50％)时，通过提高局部水流速，从而降低机组的冷凝温度及冷凝压力，可以有效降低机组的排气温度，提高机组的可靠性，降低因此带来的换热器及压缩机损坏的风险。

附图说明

图1是本发明的热泵的结构示意图；

图2是本发明的热泵的控制方法的控制流程示意图；

图3是本发明的热泵的冷凝器换热系数与水流流速之间的关系图。

图中附图标记表示为：

1—冷凝器，2—蒸发器，3—压缩机，4—节流装置，5—换热水管，51—进水端，52—出水端，6—检测单元，7—增压装置。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种热泵的控制装置，其中所述热泵包括冷凝器1、蒸发器2和压缩机3，其中控制装置包括：

检测单元，用于检测流经所述冷凝器的换热水管的水流流速V；

判断单元，用于将检测到的水流流速V与预设水流流速V1之间相比较；

执行单元，根据判断单元的判断结果决定是否对水流进行增压动作。

1.本发明的热泵的控制装置，能够根据检测出的水流流速的情况判断其是否处于正常范围内，并根据判断结果通过执行单元对水流进行增压动作，进而增大水流的压力，从而提高流经冷凝器中的水流流速，降低冷媒冷凝温度和冷凝压力，提高热泵的换热效率，提高制热工况的能效(制热COP)，提升热泵机组的全年综合性能系数(ACOP)；

2.本发明的热泵的控制装置，在变流量设计的热泵水系统中，还能够有效地降低水系统沿程阻力的损失，甚至不必使用变流量控制，也能实现机组全年综合性能系数(一般常规的定流量水系统有性能系数衰减，因为水流量无法调节，实际运行中为了保证进入机组的水流速，必须加大水泵的功率，来克服水网中的沿程阻力。本发明在机组进水口实现局部增压，水力管道中可选择低流量运行，在进水口增压，得到想要的进水水流速，沿程阻力和流量成正比，低流量即能降低水阻力)；

3.本发明的热泵的控制装置，在恶劣工况(指冷凝器水流量小于50％)时，通过提高局部水流速，从而降低机组的冷凝温度及冷凝压力，可以有效降低机组的排气温度，提高机组的可靠性，降低因此带来的换热器及压缩机损坏的风险。

优选地，

所述执行单元包括设置于所述冷凝器上的增压装置。通过将执行单元包括设置于冷凝器上的增压装置的结构形式，能够对冷凝器中的水管进行增压作用，从而有效地提升水流的速度，进而达到降低冷凝温度和冷凝压力的目的，提高换热性能，提升制热的COP值和热泵系统的ACOP值。

优选地，

当检测到的水流流速V大于或等于预设水流流速V1时(V1为设定值，通常设定可根据机组在制冷稳定运行时实际采集到的水流速进行参考设定)，关闭所述增压装置(使增压装置不动作或不增压)；当检测到的水流速度V大于或等于V1时，此时说明当前的水流速度满足制热运行的换热需求，冷凝温度和冷凝压力位于满足需求的指定范围之内，热泵系统的制热能效值(COP值)满足需求，则此时不用开启增压装置，便可使系统的制热能效保持在合理的水平；

当检测到的水流流速V小于预设水流流速V1时，启动所述增压装置(使增压装置动作或进行增压)。当检测到的水流速度V小于V1时，此时说明当前的水流速度不能满足制热运行的换热需求，冷凝温度和冷凝压力较低，低于满足需求的指定范围之内，热泵系统的制热能效值(COP值)也较低，达不到需求，则此时需要通过开启增压装置，而使系统中水流流速增加、以提升换热性能，从而使系统的制热能效提升到合理的水平，满足实际情况的需求。

从而根据水流流速的不同而选择性的控制增压装置是启动还是关闭。

优选地，

所述增压装置关闭持续第一预设时间t1后，启动检测单元再次检测流经所述冷凝器的水管中的水流流速V，并与V1进行对比。这是本发明的控制装置进行循环控制的优选步骤，当增压装置持续关闭状态第一预设时间t1后(t1可根据实际情况和需求进行设定和改变)，此时冷凝器的水管中的水流流速可能会发生变化，尤其是会变化至达到临界值(预设水流流速V1)甚至跨越该临界值、而使得原有的运行状态发生改变，此时若不再次检测水管中的水流流速，那么可能会导致水流流速降至临界值以下而没有及时开启增压装置、而使得热泵系统能效值由于检测手段不及时而降低的情况的发生，因此为了避免上述情况的发生，本发明采用增压装置关闭持续第一预设时间t1后，及时启动检测单元以达到及时检测水流流速的目的，从而达到及时判断热泵系统是否改变状态，实现了精确的控制；将增压装置关闭持续第一预设时间t1后直接返回至热泵的开机运行状态，能够使得本发明的控制装置复位、实现再次重新上述控制步骤的目的。

优选地，

所述增压装置启动第二预设时间t2后，启动检测单元再次检测流经所述冷凝器的水管或所述蒸发器的水管中的水流流速V。这是本发明的控制装置在增压装置启动后再次进行循环控制的优选步骤，当增压装置持续启动状态第二预设时间t2后(t2可根据实际情况和需求进行设定和改变)，此时冷凝器的水管中的水流流速可能会发生变化，尤其是会变化至达到临界值(预设水流流速V1)甚至跨越该临界值、而使得原有的运行状态发生改变，此时若不再次检测水管中的水流流速，那么可能会导致水流流速降至临界值以下而没有及时开启增压装置、而使得热泵系统能效值由于检测手段不及时而降低的情况的发生，因此为了避免上述情况的发生，本发明采用增压装置启动持续第二预设时间t2后，及时启动检测单元以达到及时检测水流流速的目的，从而达到及时判断热泵系统是否改变状态，实现了精确的控制。

优选地，

所述冷凝器的换热水管包括水管主体(图中未示出)、进水端51和出水端52，所述检测单元6设置在所述水管主体上或所述进水端51上；所述增压装置7设置在所述进水端51上。这是本发明的换热水管的具体结构、以及检测单元和增压装置的具体设置位置，将检测单元6设置在所述水管主体上或所述进水端51上能够有效地对水流流速进行检测、将增压装置设置在进水端上能够有效地对水流的压力进行高效的控制。

优选地，所述增压装置为超声波扰动仪或水泵。这是增压装置的优选种类和结构形式。

如图2所示，本发明还提供一种热泵的控制方法，其使用前述的热泵的控制装置，对热泵的水流进行控制，包括：

检测步骤，检测流经所述冷凝器的换热水管的水流流速V；

判断步骤，将检测到的水流流速V与预设水流流速V1之间相比较；

执行步骤，根据判断步骤的判断结果决定是否对水流进行增压动作。

1.本发明的热泵的控制方法，能够根据检测出的水流流速的情况判断其是否处于正常范围内，并根据判断结果通过执行单元对水流进行增压动作，进而增大水流的压力，从而提高流经冷凝器中的水流流速，降低冷媒冷凝温度和冷凝压力，提高热泵的换热效率，提高制热工况的能效(制热COP)，提升热泵机组的全年综合性能系数(ACOP)；

2.本发明的热泵的控制方法，在变流量设计的热泵水系统中，还能够有效地降低水系统沿程阻力的损失，甚至不必使用变流量控制，也能实现机组全年综合性能系数(一般常规的定流量水系统有性能系数衰减，因为水流量无法调节，实际运行中为了保证进入机组的水流速，必须加大水泵的功率，来克服水网中的沿程阻力。本发明在机组进水口实现局部增压，水力管道中可选择低流量运行，在进水口增压，得到想要的进水水流速，沿程阻力和流量成正比，低流量即能降低水阻力)；

3.本发明的热泵的控制方法，在恶劣工况(指冷凝器水流量小于50％)时，通过提高局部水流速，从而降低机组的冷凝温度及冷凝压力，可以有效降低机组的排气温度，提高机组的可靠性，降低因此带来的换热器及压缩机损坏的风险。

优选地，

当所述执行单元包括所述增压装置时：

且当检测到的水流流速V大于或等于预设水流流速V1时，关闭所述增压装置；当检测到的水流速度V大于或等于V1时，此时说明当前的水流速度满足制热运行的换热需求，冷凝温度和冷凝压力位于满足需求的指定范围之内，热泵系统的制热能效值(COP值)满足需求，则此时不用开启增压装置，便可使系统的制热能效保持在合理的水平；

且当检测到的水流流速V小于预设水流流速V1时，启动所述增压装置。当检测到的水流速度V小于V1时，此时说明当前的水流速度不能满足制热运行的换热需求，冷凝温度和冷凝压力较低，低于满足需求的指定范围之内，热泵系统的制热能效值(COP值)也较低，达不到需求，则此时需要通过开启增压装置，而使系统中水流流速增加、以提升换热性能，从而使系统的制热能效提升到合理的水平，满足实际情况的需求。

这是判断步骤根据检测步骤检测到的水流流速的数值的大小不同而做出的具体的判断步骤，能够维持热泵系统的能效值或提高其能效值。

优选地，

当所述增压装置关闭持续第一预设时间t1后，启动检测单元再次检测流经所述冷凝器的水管的水流流速V，或是直接返回至热泵的开机运行状态；这是本发明的控制装置进行循环控制的优选步骤，当增压装置持续关闭状态第一预设时间t1后(t1可根据实际情况和需求进行设定和改变)，此时冷凝器的水管中的水流流速可能会发生变化，尤其是会变化至达到临界值(预设水流流速V1)甚至跨越该临界值、而使得原有的运行状态发生改变，此时若不再次检测水管中的水流流速，那么可能会导致水流流速降至临界值以下而没有及时开启增压装置、而使得热泵系统能效值由于检测手段不及时而降低的情况的发生，因此为了避免上述情况的发生，本发明采用增压装置关闭持续第一预设时间t1后，及时启动检测单元以达到及时检测水流流速的目的，从而达到及时判断热泵系统是否改变状态，实现了精确的控制；将增压装置关闭持续第一预设时间t1后直接返回至热泵的开机运行状态，能够使得本发明的控制装置复位、实现再次重新上述控制步骤的目的。

当所述增压装置启动持续第二预设时间t2后，启动检测单元再次检测流经所述冷凝器的水管的水流流速V。这是本发明的控制装置在增压装置启动后再次进行循环控制的优选步骤，当增压装置持续启动状态第二预设时间t2后(t2可根据实际情况和需求进行设定和改变)，此时冷凝器的水管中的水流流速可能会发生变化，尤其是会变化至达到临界值(预设水流流速V1)甚至跨越该临界值、而使得原有的运行状态发生改变，此时若不再次检测水管中的水流流速，那么可能会导致水流流速降至临界值以下而没有及时开启增压装置、而使得热泵系统能效值由于检测手段不及时而降低的情况的发生，因此为了避免上述情况的发生，本发明采用增压装置启动持续第二预设时间t2后，及时启动检测单元以达到及时检测水流流速的目的，从而达到及时判断热泵系统是否改变状态，实现了精确的控制。

如图1所示，本发明还提供一种热泵，其包括前述的热泵的控制装置。

1.本发明的热泵，能够根据检测出的水流流速的情况判断其是否处于正常范围内，并根据判断结果通过执行单元对水流进行增压动作，进而增大水流的压力，从而提高流经冷凝器中的水流流速，降低冷媒冷凝温度和冷凝压力，提高热泵的换热效率，提高制热工况的能效(制热COP)，提升热泵机组的全年综合性能系数(ACOP)；

2.本发明的热泵，在变流量设计的热泵水系统中，还能够有效地降低水系统沿程阻力的损失，甚至不必使用变流量控制，也能实现机组全年综合性能系数(一般常规的定流量水系统有性能系数衰减，因为水流量无法调节，实际运行中为了保证进入机组的水流速，必须加大水泵的功率，来克服水网中的沿程阻力。本发明在机组进水口实现局部增压，水力管道中可选择低流量运行，在进水口增压，得到想要的进水水流速，沿程阻力和流量成正比，低流量即能降低水阻力)；

3.本发明的热泵，在恶劣工况(指冷凝器水流量小于50％)时，通过提高局部水流速，从而降低机组的冷凝温度及冷凝压力，可以有效降低机组的排气温度，提高机组的可靠性，降低因此带来的换热器及压缩机损坏的风险。

优选地，所述热泵为水地源热泵，所述冷凝器为壳管式冷凝器。这是本发明的热泵装置的优选种类和结构形式，水地源热泵又称水(地)源热泵系统，其是一种利用地下浅层地热资源(也称地能，包括地下水、土壤或地表水等)的既可供热又可制冷的高效节能的热泵系统，采用水地源热泵能量的来源于地下能源，系统不向外界排放任何废气、废水、废渣、是一种理想的“绿色空调”，可广泛应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医院、饭店、商场、别墅、住宅等领域，是目前空调系统中能效比最高的制冷、制热方式之一；采用壳管式冷凝器作为本发明的冷凝器，这是一种优选的种类和结构形式，能够实现优化强化换热的目的和作用。

下面介绍一下本发明的工作原理和优选实施例

本发明在于：发明一种壳管冷凝器换热管内水流速检测装置和增压装置及设置合理的控制方法。壳管冷凝器换热管内水流速检测装置和增压装置安装在壳管冷凝器上。当换热管内水流速不满足设定要求时，在壳管进水处对水流速实现局部增压，提高壳管内部的水流速，达到降低冷凝温度、冷凝压力的目的。提高机组的制热的COP，从而提升机组的ACOP。

本发明解决的如下技术问题

1、在没有变流量设计的水系统中，实现机组局部水流速的提升，从而提升机组制热工况的能效，从而提高机组的全年综合性能系数。

2、在变流量设计的水系统中，降低水系统沿程阻力的损失，甚至不必使用变流量控制，也能实现机组全年综合性能系数。；

3、在恶劣工况(指冷凝器水流量小于50％)时，通过提高局部水流速，从而降低机组的冷凝温度及冷凝压力，可以有效降低机组的排气温度，提高机组的可靠性。降低因此带来的换热器及压缩机损坏风险。

有益效果：

通过采用此压缩机和四通阀控制方式，与传统控制方式相比，达到的有益效果如下：无论水系统是变流量设计或者定流量设计，在制热工况出现能效衰减时，都可以提高水流速实现制热工况能效的提升；针对低流量的工况，提高机组的可靠性，降低零部件损坏风险。

最优实施方式系统如图1所示：

壳管水地源热泵机组由压缩机3、蒸发器2(优选壳管蒸发器)、冷凝器1(优选壳管冷凝器)、节流装置4组成，机组具有制冷、制热功能。机组不带四通阀，制冷、制热功能切换通过外部的水路切换实现(在机组的水路加三通阀，制冷时，用户接蒸发器的进出水口，环境系统接冷凝器进出水口；制热时通过三通阀切换用户的水路，变成用户接到了冷凝器的进出水口，环境系统接蒸发器的进出水口)。

在常规的壳管水地源热泵机组的壳管冷凝器增加换热管水流速检测装置(即检测单元6)及增压装置7。

控制流程图如图2所示，

机组启动运行时，通过壳管冷凝器的进水处的水流速检测装置检测水流速V，并将V与设定值V1进行比较；

V1为设定值，通常设定可根据机组在制冷稳定运行时实际采集到的水流速进行参考设定。根据图3的冷凝管换热系数Uo，(单位W/m2k)与管内水流速V的关系，考虑到水流速越大，管内水压降增大的情况。管内水流速最优推荐值为【2.0，2.5】，单位m/s；

V≥V1时，增压装置不动作，实时监测壳管冷凝器的换热管水流速；

V<V1时，启动增压装置，提高壳管冷凝器的进水水流速。当V≥V1时，增压装置不动作，实时监测壳管冷凝器的换热管水流速。

增压装置可以是超声波扰动仪，也可以是水泵。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种热泵的控制装置，其特征在于：所述热泵包括冷凝器(1)、蒸发器(2)和压缩机(3)，其中控制装置包括：

检测单元，用于检测流经所述冷凝器的换热水管的水流流速V；

判断单元，用于将检测到的水流流速V与预设水流流速V1之间相比较；

执行单元，根据判断单元的判断结果决定是否对水流进行增压动作。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于：

所述执行单元包括设置于所述冷凝器上的增压装置(7)。

3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于：

当检测到的水流流速V大于或等于预设水流流速V1时，关闭所述增压装置(7)；

当检测到的水流流速V小于预设水流流速V1时，启动所述增压装置(7)。

4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于：

所述增压装置(7)关闭第一预设时间t1后，启动检测单元(6)再次检测流经所述冷凝器的水管中的水流流速V，并与V1进行对比；

所述增压装置(7)启动第二预设时间t2后，启动检测单元(6)再次检测流经所述冷凝器的水管的水流流速V。

5.根据权利要求2-4之一所述的控制装置，其特征在于：

所述冷凝器的换热水管包括水管主体、进水端(51)和出水端(52)，所述检测单元(6)设置在所述水管主体上或所述进水端(51)上；和/或，所述增压装置(7)设置在所述进水端(51)上。

6.根据权利要求2-5之一所述的控制装置，其特征在于：

所述增压装置(7)为超声波扰动仪或水泵。

7.一种热泵的控制方法，其特征在于：使用权利要求1-6之一所述的热泵的控制装置，对热泵的水流进行控制，包括：

检测步骤，检测流经所述冷凝器的换热水管的水流流速V；

判断步骤，将检测到的水流流速V与预设水流流速V1之间相比较；

执行步骤，根据判断步骤的判断结果决定是否对水流进行增压动作。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：

当所述执行单元包括所述增压装置时：

且当检测到的水流流速V大于或等于预设水流流速V1时，关闭所述增压装置；

且当检测到的水流流速V小于预设水流流速V1时，启动所述增压装置。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：

当所述增压装置关闭持续第一预设时间t1后，启动检测单元再次检测流经所述冷凝器的水管的水流流速V，并与V1进行对比；

当所述增压装置启动持续第二预设时间t2后，启动检测单元再次检测流经所述冷凝器的水管的水流流速V。

10.一种热泵，其特征在于：包括权利要求1-6之一所述的热泵的控制装置。

11.根据权利要求10所述的热泵，其特征在于：所述热泵为水地源热泵，所述冷凝器为壳管式冷凝器。