CN107883571A - 变频双级压缩热泵热水器频率动态优化及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频双级压缩热泵热水器频率动态优化及控制方法，变频双级压缩热泵热水器包括低压级变频压缩机、低压级压缩机排气温度传感器、高压级定频压缩机、高压级压缩机排气温度传感器、控制器、水箱传感器、水箱、冷凝器、高压级电子膨胀阀、中间冷却器温度传感器、中间冷却器、低压级电子膨胀阀、蒸发器及室外温度传感器；特点是：热泵热水器整个运行过程中，对低压级变频压缩机的工作频率动态优化调节，同时对制冷系统低压级电子膨胀阀、高压级电子膨胀阀的开度进行相应控制，使热泵热水器整个运行过程的总能耗最小。其主要优点是：使变频双级压缩热泵热水器在整个运行过程中动态优化压缩机工作频率，同时以最佳能效比为目标对主、高压级电子膨胀阀开度进行控制，使整个运行过程总能耗最小。

Description

变频双级压缩热泵热水器频率动态优化及控制方法

技术领域

本发明涉及热泵热水器控制方法，特别是一种变频双级压缩热泵热水器频率优化及控制方法。

背景技术

双级压缩热泵热水器可在较低的室外环境温度下制取高温热水。目前，双级压缩热泵热水器的低压级压缩机一般为变频压缩机，高压级为定频压缩机。由于变频双级压缩热泵热水器在运行过程中低压级压缩机工作频率及热泵制冷系统中间温度对热泵热水器制热量和能耗影响较大；中国专利公告了“一种变频双级压缩热泵热水器的控制方法”，专利号是ZL201410759807.3的发明专利；其可根据用户用热需求和热泵热水器室外环境温度、水箱温度动态调节低压级压缩机工作频率和热泵制冷的中间温度；基本原理是使热泵热水器在整个运行过程中每一时刻瞬时能效比尽可能接近该运行工况下的最佳能效比，也即每一时刻瞬时能效比越高，在得到相同总制热量的条件下热泵热水器整个运行过程中总能耗越小，但这一结论成立的条件是整个运行过程中热泵瞬时制热量必须相等。实际上热泵热水器在运行过程中，由于运行工况的变化以及压缩机频率的变化，导致热泵热水器瞬时制热量变化较大；因此，前述专利文件提出的变频双级热泵热水器低压级压缩机频率调节方法仍有待优化，也即在变频双级热泵热水器低压级压缩机频率优化过程中，还需考虑瞬时制热量的变化，才能使热泵热水器整个运行过程总能耗最小。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供的一种变频双级压缩热泵热水器频率动态优化及控制方法，其可根据用户用热需求和热泵热水器室外环境温度、水箱温度动态调节低压级变频压缩机工作频率，同时调节低压级电子膨胀阀和高压级电子膨胀阀的开度，使热泵热水器整个运行过程总能耗最小，达到节能目的。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的，其是一种变频双级压缩热泵热水器频率动态优化及控制方法，变频双级压缩热泵热水器包括低压级变频压缩机、低压级压缩机排气温度传感器、高压级定频压缩机、高压级压缩机排气温度传感器、控制器、水箱传感器、水箱、冷凝器、高压级电子膨胀阀、中间冷却器温度传感器、中间冷却器、低压级电子膨胀阀、蒸发器及室外温度传感器；其特征在于热泵热水器整个运行过程中，对低压级变频压缩机的工作频率动态优化调节，同时对制冷系统低压级电子膨胀阀、高压级电子膨胀阀的开度进行相应控制，使热泵热水器整个运行过程的总能耗最小；低压级变频压缩机的工作频率动态优化调节方法和压级电子膨胀阀及高压级电子膨胀阀的开度控制方法如下：

（a）建立热泵热水器随室外环境温度T₁、水箱的实际温度T₂及低压级变频压缩机的工作频率f变化，以最佳瞬时能效比EER为目标的低压级电子膨胀阀及高压级电子膨胀阀的开度组合表a；

（b）建立热泵热水器瞬时制热量q与室外环境温度T₁、水箱的实际温度T₂及低压级变频压缩机的工作频率f之间的关系式Ⅰ：q=E(T₁,T₂,f)；根据关系式Ⅰ可以得到热泵热水器整个运行时间t内的总制热量Q的表达式Ⅱ：；

（c）建立热泵热水器瞬时能耗p与室外环境温度T₁、水箱的实际温度T₂及低压级变频压缩机的工作频率f之间的关系式Ⅲ：p= F(T₁,T₂,f)；根据关系式Ⅲ可以得到热泵热水器整个运行时间t内的总能耗P的表达式Ⅳ：；

（d）用户设定用水的具体时刻t₀和水箱水温T，控制器检测当前水箱的实际温度T₂，计算出所需总制热量Q，以热泵热水器整个运行过程总能耗P最小作为目标值，根据表达式Ⅱ及表达式Ⅳ计算得到整个运行过程中低压级变频压缩机的工作频率f随运行时间t变化的关系式Ⅴ：f=F(t)，热泵热水器在整个运行过程中按关系式Ⅴ动态调节低压级变频压缩机的工作频率f；

（e）热泵热水器运行过程中，控制器根据室外环境温度T₁、水箱的实际温度T₂及低压级变频压缩机的工作频率f，按照制低压级电子膨胀阀及高压级电子膨胀阀的开度组合表a动态调节低压级电子膨胀阀及高压级电子膨胀阀的开度。

在本技术方案中，还可以在热泵热水器整个运行过程中，对关系式Ⅴ进行简化得到一种分温度段、非连续的低压级变频压缩机的工作频率简化调节方法，并对制冷系统低压级电子膨胀阀及高压级电子膨胀阀的开度进行相应控制，具体方法如下：

（a）分段设定低压级变频压缩机的工作频率f：根据水箱的设定水温T与初始水温T₀之差，将升温过程分成n段，n≥2，每段温升范围为2-15，温升优选是5℃，在每个温升段低压级变频压缩机采用不同的工作频率f_i；

（b）根据水箱的温升分段情况，各温升段频率f_i按等差数列分布，得到各温升段频率f_i的计算公式Ⅵ：f_i=f_g-(f_g-f_d)(i-1)/(n-1)，计算公式Ⅵ中，f_g为整个运行过程中低压级变频压缩机的最高频率值；f_d为整个运行过程中低压级变频压缩机的最低频率值；i表示从初始加热开始对应的各升温段，i=1,2,...,n；

（c）控制器检测室外环境温度T₁、水箱当前的实际温度T₂、用户设定的具体用水时刻t₀和设定的水箱的用水温度T，并设定低压级变频压缩机的最低频率f_d的初始值为30Hz，低压级变频压缩机的最高频率f_g的初始值为80Hz；

（d）控制器计算当前时刻到用户设定的具体用水时刻t₀之间的时间t_s，并根据公式表达式Ⅱ、表达式Ⅳ及计算公式Ⅵ计算得到水箱的水温达到设定温度T运行所需时间t_j，如|t_s-t_j|≤5min，表明各温升段低压级变频压缩机的工作频率设定合理，低压级变频压缩机开始工作；如t_s-t_j≥5min，则将低压级变频压缩机的最高频率f_g每次降低1Hz再次计算，直至满足|t_s-t_j|≤5min，如f_g降至30Hz时仍未满足要求，则延迟热泵热水器低压级变频压缩机和高压级定频压缩机开始启动的时间，其延迟时间计算按低压级变频压缩机始终以30Hz频率运行计算得到；如t_s-t_j≤-5min，则将低压级变频压缩机的最低频率f_d每次提高1Hz再次计算，直至满足|t_s-t_j|≤5min，如f_d提高至80Hz时仍未满足要求，热泵热水器整个运行过程中低压级变频压缩机保持一个固定频率，将在80Hz的基础上，每次提高1Hz再次计算，直至满足要求；如出现计算得到的低压级变频压缩机的工作频率大于热泵热水器设定的低压级变频压缩机的运行上限保护频率，上限保护频率一般为100Hz，则低压级变频压缩机按该上限保护频率运行；

（e）热泵热水器运行过程中，控制器根据室外环境温度T₁、水箱的实际温度T₂及低压级变频压缩机的工作频率f，按照低压级电子膨胀阀及高压级电子膨胀阀的开度组合表a动态调节低压级电子膨胀阀及高压级电子膨胀阀的开度。

在本技术方案中，在所述水箱的各温升段，低压级变频压缩机的工作频率f_i，可以对关系式Ⅴ按二次曲线f_i=ai²+bi+c进行简化。

在本技术方案中，所述低压级变频压缩机的最低频率f_d的初始值的范围为10-40Hz，最高频率f_g的初始值的范围为60-100Hz。

在本技术方案中，所述低压级变频压缩机是交流变频压缩机或直流调速压缩机。

本发明与现有技术相比，其主要优点是：使变频双级压缩热泵热水器在整个运行过程中动态优化压缩机工作频率，同时以最佳能效比为目标对主、高压级电子膨胀阀开度进行控制，使整个运行过程总能耗最小。

附图说明

图1是本发明实施的变频双级压缩热泵热水器系统原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

变频双级压缩热泵热水器包括低压级变频压缩机1、低压级压缩机排气温度传感器2、高压级定频压缩机3、高压级压缩机排气温度传感器4、控制器5、水箱传感器6、水箱7、冷凝器8、高压级电子膨胀阀9、中间冷却器10、中间冷却器温度传感器11、低压级电子膨胀阀12、蒸发器13及室外温度传感器14。热泵热水器低压级变频压缩机1的工作频率动态优化调节方法和制冷系统低压级电子膨胀阀12及高压级电子膨胀阀9的开度控制方法如下：

（a）建立热泵热水器随室外环境温度T₁、水箱7的实际温度T₂及低压级变频压缩机1工作频率f变化，以最佳瞬时能效比EER为目标的制冷系统低压级电子膨胀阀12及高压级电子膨胀阀9的开度组合表a；

（b）建立热泵热水器瞬时制热量q与室外环境温度T₁、水箱7的实际温度T₂及低压级变频压缩机1的工作频率f之间的关系式Ⅰ：q=E(T₁,T₂,f)；根据关系式Ⅰ可以得到热泵热水器整个运行时间t内的总制热量Q的表达式Ⅱ：；

（c）建立热泵热水器瞬时能耗p与室外环境温度T₁、水箱7的实际温度T₂及低压级变频压缩机1的工作频率f之间的关系式Ⅲ：p=F(T₁,T₂,f)。根据关系式Ⅲ可以得到热泵热水器整个运行时间t内的总能耗P的表达式Ⅳ：；

（d）用户设定用水的具体时刻t₀和水箱水温T，控制器5检测当前水箱7的实际温度T₂，计算出所需总制热量Q，以热泵热水器整个运行过程总能耗P最小作为目标值，根据表达式Ⅱ及表达式Ⅳ计算得到整个运行过程中低压级变频压缩机1的工作频率f随运行时间t变化的关系式Ⅴ：f=F(t)，热泵热水器在整个运行过程中按关系式Ⅴ动态调节低压级变频压缩机1的工作频率f；

（e）热泵热水器运行过程中，热泵热水器控制器5根据室外环境温度T₁、水箱7的实际温度T₂及低压级变频压缩机1的工作频率f，按照制冷系统低压级电子膨胀阀12及高压级电子膨胀阀9的开度组合表a动态调节低压级电子膨胀阀12及高压级电子膨胀阀9的开度；

在本实施例中，热泵热水器整个运行过程中，对关系式Ⅴ进行简化得到一种分温度段、非连续的低压级变频压缩机1的工作频率简化调节方法，并对制冷系统低压级电子膨胀阀12及高压级电子膨胀阀9的开度进行相应控制，具体方法如下：

（a）分段设定低压级变频压缩机1的工作频率f：根据热泵热水器水箱7的设定水温T与初始水温T₀之差，将升温过程分成n段，n≥2，每段温升范围为2-15℃，优选的温升是5℃，在每个温升段低压级变频压缩机1采用不同的工作频率f_i；

（b）根据水箱7的温升分段情况，各温升段频率f_i按等差数列分布，得到各温升段频率f_i的计算公式Ⅵ：f_i=f_g-(f_g-f_d)(i-1)/(n-1)，计算公式Ⅵ中，f_g为整个运行过程中低压级变频压缩机1的最高频率值；f_d为整个运行过程中低压级变频压缩机1的最低频率值；i表示从初始加热开始对应的各升温段，i=1,2,...,n；

（c）热泵热水器控制器5检测室外环境温度T₁、水箱7当前的实际水温T₂、用户设定的具体用水时刻t₀和设定的水箱7的用水温度T，并设定低压级变频压缩机1的最低频率f_d的初始值为30Hz，低压级变频压缩机1的最高频率f_g的初始值为80Hz；

（d）热泵热水器控制器5计算当前时刻到用户设定的具体用水时刻t₀之间的时间t_s，并根据表达式Ⅱ、表达式Ⅳ及计算公式Ⅵ计算得到水箱7的水温达到设定温度T运行所需时间t_j，如|t_s-t_j|≤5min，表明各温升段低压级变频压缩机1的工作频率设定合理，低压级变频压缩机1和开始工作；如t_s-t_j≥5min，则将低压级变频压缩机1的最高频率f_g每次降低1Hz再次计算，直至满足| t_s-t_j |≤5min，如f_g降至30Hz时仍未满足要求，则延迟热泵热水器低压级变频压缩机1和高压级定频压缩机3开始启动的时间，其延迟时间计算按低压级变频压缩机1始终以30Hz频率运行计算得到；如t_s-t_j≤-5min，则将低压级变频压缩机1的最低频率f_d每次提高1Hz再次计算，直至满足| t_s-t_j |≤5min，如f_d提高至80Hz时仍未满足要求，热泵热水器整个运行过程中低压级变频压缩机1保持一个固定频率，将在80Hz的基础上，每次提高1Hz再次计算，直至满足要求；如出现计算得到的低压级变频压缩机1的工作频率大于热泵热水器设定的低压级变频压缩机1的运行上限保护频率，则低压级压变频缩机1按该上限保护频率运行，上限保护频率一般为100Hz；

（e）热泵热水器运行过程中，热泵热水器控制器5根据室外环境温度T₁、水箱7的实际温度T₂及低压级压变频缩机1的工作频率f，按照制冷系统低压级电子膨胀阀12及高压级电子膨胀阀9的开度组合表a动态调节低压级电子膨胀阀12及高压级电子膨胀阀9的开度。

在本实施例中，在所述水箱7的各温升段，低压级变频压缩机1的工作频率f_i，可以对关系式Ⅴ按二次曲线f_i=ai²+bi+c进行简化。

在本实施例中，所述低压级变频压缩机1的最低频率f_d的初始值的范围为10-40Hz，最高频率f_g的初始值的范围为60-100Hz。

在本实施例中，所述低压级变频压缩机1是交流变频压缩机或直流调速压缩机。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换及变形，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种变频双级压缩热泵热水器频率动态优化及控制方法，变频双级压缩热泵热水器包括低压级变频压缩机（1）、低压级压缩机排气温度传感器（2）、高压级定频压缩机（3）、高压级压缩机排气温度传感器（4）、控制器（5）、水箱传感器（6）、水箱（7）、冷凝器（8）、高压级电子膨胀阀（9）、中间冷却器温度传感器（10）、中间冷却器（11）、低压级电子膨胀阀（12）、蒸发器（13）及室外温度传感器（14）；其特征在于热泵热水器整个运行过程中，对低压级变频压缩机（1）的工作频率动态优化调节，同时对制冷系统低压级电子膨胀阀（12）、高压级电子膨胀阀（9）的开度进行相应控制，使热泵热水器整个运行过程的总能耗最小；低压级变频压缩机（1）的工作频率动态优化调节方法和压级电子膨胀阀（12）及高压级电子膨胀阀（9）的开度控制方法如下：

建立热泵热水器随室外环境温度T₁、水箱（7）的实际温度T₂及低压级变频压缩机（1）的工作频率f变化，以最佳瞬时能效比EER为目标的低压级电子膨胀阀（12）及高压级电子膨胀阀（9）的开度组合表a；

建立热泵热水器瞬时制热量q与室外环境温度T₁、水箱（7）的实际温度T₂及低压级变频压缩机（1）的工作频率f之间的关系式Ⅰ：q=E(T₁,T₂,f)；根据关系式Ⅰ可以得到热泵热水器整个运行时间t内的总制热量Q的表达式Ⅱ： ；

建立热泵热水器瞬时能耗p与室外环境温度T₁、水箱（7）的实际温度T₂及低压级变频压缩机（1）的工作频率f之间的关系式Ⅲ：p= F(T₁,T₂,f)；根据关系式Ⅲ可以得到热泵热水器整个运行时间t内的总能耗P的表达式Ⅳ： ；

用户设定用水的具体时刻t₀和水箱水温T，控制器（5）检测当前水箱（7）的实际温度T₂，计算出所需总制热量Q，以热泵热水器整个运行过程总能耗P最小作为目标值，根据表达式Ⅱ及表达式Ⅳ计算得到整个运行过程中低压级变频压缩机（1）的工作频率f随运行时间t变化的关系式Ⅴ：f=F(t)，热泵热水器在整个运行过程中按关系式Ⅴ动态调节低压级变频压缩机（1）的工作频率f；

热泵热水器运行过程中，控制器（5）根据室外环境温度T₁、水箱（7）的实际温度T₂及低压级变频压缩机（1）的工作频率f，按照低压级电子膨胀阀（12）及高压级电子膨胀阀（9）的开度组合表a动态调节低压级电子膨胀阀（12）及高压级电子膨胀阀（9）的开度。

2.根据权利要求1所述的变频双级压缩热泵热水器频率动态优化及控制方法，其特征在于还可以在热泵热水器整个运行过程中，对关系式Ⅴ进行简化得到一种分温度段、非连续的低压级变频压缩机（1）的工作频率简化调节方法，并对制冷系统低压级电子膨胀阀（12）及高压级电子膨胀阀（9）的开度进行相应控制，具体方法如下：

（a）分段设定低压级变频压缩机（1）的工作频率f：根据水箱（7）的设定水温T与初始水温T₀之差，将升温过程分成n段，n≥2，每段温升范围为2-15，温升优选是5℃，在每个温升段低压级变频压缩机（1）采用不同的工作频率f_i；

（b）根据水箱（7）的温升分段情况，各温升段频率f_i按等差数列分布，得到各温升段频率f_i的计算公式Ⅵ：f_i=f_g-(f_g-f_d)(i-1)/(n-1)，计算公式Ⅵ中，f_g为整个运行过程中低压级变频压缩机（1）的最高频率值；f_d为整个运行过程中低压级变频压缩机（1）的最低频率值；i表示从初始加热开始对应的各升温段，i=1,2,...,n；

（c）控制器（5）检测室外环境温度T₁、水箱（7）当前的实际温度T₂、用户设定的具体用水时刻t₀和设定的水箱（7）的用水温度T，并设定低压级变频压缩机（1）的最低频率f_d的初始值为30Hz，低压级变频压缩机（1）的最高频率f_g的初始值为80Hz；

（d）控制器（5）计算当前时刻到用户设定的具体用水时刻t₀之间的时间t_s，并根据公式表达式Ⅱ、表达式Ⅳ及计算公式Ⅵ计算得到水箱（7）的水温达到设定温度T运行所需时间t_j，如|t_s-t_j|≤5min，表明各温升段低压级变频压缩机（1）的工作频率设定合理，低压级变频压缩机（1）开始工作；如t_s-t_j≥5min，则将低压级变频压缩机（1）的最高频率f_g每次降低1Hz再次计算，直至满足|t_s-t_j|≤5min，如f_g降至30Hz时仍未满足要求，则延迟热泵热水器低压级变频压缩机（1）和高压级定频压缩机（3）开始启动的时间，其延迟时间计算按低压级变频压缩机（1）始终以30Hz频率运行计算得到；如t_s-t_j≤-5min，则将低压级变频压缩机（1）的最低频率f_d每次提高1Hz再次计算，直至满足|t_s-t_j|≤5min，如f_d提高至80Hz时仍未满足要求，热泵热水器整个运行过程中低压级变频压缩机（1）保持一个固定频率，将在80Hz的基础上，每次提高1Hz再次计算，直至满足要求；如出现计算得到的低压级变频压缩机（1）的工作频率大于热泵热水器设定的低压级变频压缩机（1）的运行上限保护频率，上限保护频率一般为100Hz，则低压级变频压缩机（1）按该上限保护频率运行；

（e）热泵热水器运行过程中，控制器（5）根据室外环境温度T₁、水箱（7）的实际温度T₂及低压级变频压缩机（1）的工作频率f，按照低压级电子膨胀阀（12）及高压级电子膨胀阀（9）的开度组合表a动态调节低压级电子膨胀阀（12）及高压级电子膨胀阀（9）的开度。

3.根据权利要求2所述的变频双级压缩热泵热水器频率动态优化及控制方法，其特征还在于在所述水箱（7）的各温升段，低压级变频压缩机（1）的工作频率f_i，可以对关系式Ⅴ按二次曲线f_i=ai²+bi+c进行简化。

4.根据权利要求1、2、3所述的变频双级压缩热泵热水器频率动态优化及控制方法，其特征在于所述低压级变频压缩机（1）的最低频率f_d的初始值的范围为10-40Hz，最高频率f_g的初始值的范围为60-100Hz。

5.根据权利要求1、2、3所述的变频双级压缩热泵热水器频率动态优化及控制方法，其特征在于所述低压级变频压缩机（1）是交流变频压缩机或直流调速压缩机。