CN107906760A - 变频热泵热水器压缩机频率动态优化方法 - Google Patents

变频热泵热水器压缩机频率动态优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种变频热泵热水器压缩机频率动态优化方法，变频热泵热水器包括变频压缩机、气液分离器、蒸发器、节流阀、室外环境温度传感器、控制器、水箱温度传感器、储水箱、冷凝器、四通阀及排气温度传感器；特点是：在变频热泵热水器整个运行过程中，对变频压缩机的工作频率动态优化调节，使热泵热水器整个运行过程的总能耗最小；其主要优点是：变频热泵热水器在整个运行过程中动态优化变频压缩机工作频率，使整个运行过程总能耗最小。

Description

变频热泵热水器压缩机频率动态优化方法
技术领域
本发明涉及热泵热水器控制方法，特别是一种变频热泵热水器压缩机频率动态优化方法。
背景技术
变频热泵热水器相比定频热泵热水器具有制热量大、能效高等优点，特别在低温环境温度下运行的优点更加明显；但变频热泵热水器压缩机的工作频率对热泵热水器的运行能耗影响较大，在满足用户总热量需要的情况下，可以通过对热泵热水器整个运行过程中压缩机工作频率的动态优化，实现热泵热水器运行节能。中国专利公开了一种“变频空气源热泵热水器频率调节方法”，其专利号是ZL201410759701.3，其可根据用户用热需求和热泵热水器室外环境温度、水箱温度动态调节变频压缩机工作频率；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，该专利文件提出的变频热泵热水器压缩机频率调节方法仍有待优化，也即在变频热泵热水器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热泵热水器压缩机频率动态优化方法，其可根据用户用热需求和热泵热水器室外环境温度、水箱温度动态优化压缩机工作频率，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，其是一种变频热泵热水器压缩机频率动态优化方法，变频热泵热水器包括变频压缩机、气液分离器、蒸发器、节流阀、室外环境温度传感器、控制器、水箱温度传感器储水箱、冷凝器、四通阀及排气温度传感器；其特征在于：在变频热泵热水器整个运行过程中，对变频压缩机的工作频率动态优化调节，使热泵热水器整个运行过程的总能耗最小；变频压缩机的工作频率动态优化调节方法如下：
（a）建立热泵热水器瞬时制热量q与室外环境温度传感器检测的室外环境温度T1、水箱温度传感器检测的储水箱的实际温度T2及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：；
（b）建立热泵热水器瞬时能耗p与室外环境温度传感器检测的室外环境温度T1、水箱温度传感器检测的储水箱的实际温度T2及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：；
（c）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温度传感器检测的储水箱的实际温度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动态调节变频压缩机的工作频率f。
在本技术方案中，还可以是在热泵热水器整个运行过程中，对关系式Ⅴ进行简化，得到分温度段、非连续的变频压缩机的工作频率简化调节方法，具体方法如下：
（a）分段设定变频压缩机的工作频率f：根据储水箱的设定水箱水温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℃，温升优选为5℃，在每个温升段变频压缩机采用不同的工作频率fi；
（b）根据储水箱的温升分段情况，各温升段频率fi按等差数列分布，得到各温升段频率fi的计算公式Ⅵ：fi=fg-(fg-fd)(i-1)/(n-1)，计算公式Ⅵ中，fg为整个运行过程中变频压缩机的最高频率值；fd为整个运行过程中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）控制器根据室外环境温度传感器检测的室外环境温度T1、水箱温度传感器检测的水箱的当前的实际温度T2、用户设定的具体用水时刻t0和设定的储水箱的水箱水温T，并设定变频压缩机的最低频率fd的初始值为30Hz，变频压缩机的最高频率fg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ts，并根据表达式Ⅱ、表达式Ⅳ及计算公式Ⅵ计算得到储水箱的水温达到水箱水温T运行所需时间tj，如|ts-tj|≤5min，表明各温升段变频压缩机的工作频率设定合理，变频压缩机开始工作；如ts-tj≥5min，则将变频压缩机的最高频率fg每次降低1Hz再次计算，直至满足|ts-tj|≤5min，如fg降至30Hz时仍未满足要求，则延迟变频压缩机开始启动的时间，其延迟时间计算按变频压缩机始终以30Hz频率运行计算得到；如ts-tj≤-5min，则将变频压缩机最低频率fd每次提高1Hz再次计算，直至满足|ts-tj|≤5min，如fd提高至80Hz时仍未满足要求，热泵热水器整个运行过程中保持一个固定频率，将在80Hz的基础上，每次提高1Hz再次计算，直至满足要求；如出现计算得到的变频压缩机的工作频率大于热泵热水器设定的变频压缩机的运行上限保护频率，变频压缩机运行的上限保护频率一般为100Hz，则变频压缩机按该上限保护频率运行。
在本技术方案中，在储水箱的各温升段，变频压缩机的工作频率fi可以对关系式Ⅴ按二次曲线fi=ai2+bi+c进行简化。
在本技术方案中，变频压缩机的最低频率fd的初始值的范围是10-40Hz，变频压缩机的最高频率fg的初始值的范围是60-100Hz。
在本技术方案中，所述变频压缩机为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：变频热泵热水器在整个运行过程中动态优化变频压缩机工作频率，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热泵热水器系统原理图。
具体实施方式一
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。
变频热泵热水器包括变频压缩机1、气液分离器2、蒸发器3、节流阀4、室外环境温度传感器5、控制器6、水箱温度传感器7、储水箱8、冷凝器9、四通阀10及排气温度传感器11。
热泵热水器变频压缩机工作频率动态优化方法如下：
（a）建立热泵热水器瞬时制热量q与室外环境温度传感器5检测的室外环境温度T1、水箱温度传感器7检测的储水箱8的实际温度T2及变频压缩机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：；
（b）建立热泵热水器瞬时能耗p与室外环境温度传感器5检测的室外环境温度T1、水箱温度传感器7检测的储水箱8的实际温度T2及变频压缩机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：；
（c）用户设定用水的具体时刻t0和水箱水温T，控制器6检测当前水箱温度传感器7检测的储水箱8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动态调节变频压缩机1的工作频率f。
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，得到分温度段、非连续变频的压缩机1的工作频率简化调节方法，具体方法如下：
（a）分段设定变频压缩机1的工作频率f：根据储水箱8的设定水箱水温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℃，优选温升是5℃，在每个温升段变频压缩机1采用不同的工作频率fi；
（b）根据储水箱8的温升分段情况，各温升段频率fi按等差数列分布，得到各温升段频率fi的计算公式Ⅵ：fi=fg-(fg-fd)(i-1)/(n-1)，计算公式Ⅵ中，fg为整个运行过程中变频压缩机1的最高频率值；fd为整个运行过程中变频压缩机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6根据室外环境温度传感器5检测的室外环境温度T1、温度传感器7检测的水箱8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8的用水温度T，并设定变频压缩机1的最低频率fd的初始值为30Hz，变频压缩机1的最高频率fg的初始值为80Hz；
（d）控制器6计算当前时刻到用户设定的具体用水时刻t0之间的时间ts，并根据表达式Ⅱ、表达式Ⅳ及计算公式Ⅵ计算得到储水箱8的水温达到设定水箱温度T运行所需时间tj，如|ts-tj|≤5min，表明各温升段变频压缩机1的工作频率设定合理，变频压缩机1开始工作；如ts-tj≥5min，则将变频压缩机1的最高频率fg每次降低1Hz再次计算，直至满足|ts-tj|≤5min，如fg降至30Hz时仍未满足要求，则延迟变频压缩机1开始启动的时间，其延迟时间计算按变频压缩机1始终以30Hz频率运行计算得到；如ts-tj≤-5min，则将变频压缩机1的最低频率fd每次提高1Hz再次计算，直至满足|ts-tj|≤5min，如fd提高至80Hz时仍未满足要求，热泵热水器整个运行过程中保持一个固定频率，将在80Hz的基础上，每次提高1Hz再次计算，直至满足要求；如出现计算得到的变频压缩机1的工作频率大于热泵热水器设定的变频压缩机1的运行上限保护频率，变频压缩机1运行的上限保护频率一般为100Hz，则变频压缩机1按该上限保护频率运行。
在本实施例中，在储水箱8的各温升段，变频压缩机1的工作频率fi可以对关系式Ⅴ按二次曲线fi=ai2+bi+c进行简化。
在本实施例中，变频压缩机1的最低频率fd的初始值的范围是10-40Hz，变频压缩机1的最高频率fg的初始值的范围是60-100Hz。
在本实施例中，所述变频压缩机1为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)

1.一种变频热泵热水器压缩机频率动态优化方法，变频热泵热水器包括变频压缩机（1）、气液分离器（2）、蒸发器（3）、节流阀（4）、室外环境温度传感器（5）、控制器（6）、水箱温度传感器（7）、储水箱（8）、冷凝器（9）、四通阀（10）及排气温度传感器（11）；其特征在于：在变频热泵热水器整个运行过程中，对变频压缩机（1）的工作频率动态优化调节，使热泵热水器整个运行过程的总能耗最小；变频压缩机（1）的工作频率动态优化调节方法如下：
建立热泵热水器瞬时制热量q与室外环境温度传感器（5）检测的室外环境温度T1、水箱温度传感器（7）检测的储水箱（8）的实际温度T2及变频压缩机（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与室外环境温度传感器（5）检测的室外环境温度T1、水箱温度传感器（7）检测的储水箱（8）的实际温度T2及变频压缩机（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（6）检测当前水箱温度传感器（7）检测的储水箱（8）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动态调节变频压缩机（1）的工作频率f。
2.根据权利要求1所述的变频热泵热水器压缩机频率动态优化方法，其特征还可以是在热泵热水器整个运行过程中，对关系式Ⅴ进行简化，得到分温度段、非连续的变频压缩机（1）的工作频率简化调节方法，具体方法如下：
（a）分段设定变频压缩机（1）的工作频率f：根据储水箱（8）的设定水箱水温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℃，温升优选为5℃，在每个温升段变频压缩机（1）采用不同的工作频率fi；
（b）根据储水箱（8）的温升分段情况，各温升段频率fi按等差数列分布，得到各温升段频率fi的计算公式Ⅵ：fi=fg-(fg-fd)(i-1)/(n-1)，计算公式Ⅵ中，fg为整个运行过程中变频压缩机（1）的最高频率值；fd为整个运行过程中变频压缩机（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（6）根据室外环境温度传感器（5）检测的室外环境温度T1、水箱温度传感器（7）检测的水箱8的当前的实际温度T2、用户设定的具体用水时刻t0和设定的储水箱（8）的水箱水温T，并设定变频压缩机（1）的最低频率fd的初始值为30Hz，变频压缩机（1）的最高频率fg的初始值为80Hz；
（d）控制器（6）计算当前时刻到用户设定的具体用水时刻t0之间的时间ts，并根据表达式Ⅱ、表达式Ⅳ及计算公式Ⅵ计算得到储水箱（8）的水温达到水箱水温T运行所需时间tj，如|ts-tj|≤5min，表明各温升段变频压缩机（1）的工作频率设定合理，变频压缩机（1）开始工作；如ts-tj≥5min，则将变频压缩机1的最高频率fg每次降低1Hz再次计算，直至满足|ts-tj|≤5min，如fg降至30Hz时仍未满足要求，则延迟变频压缩机（1）开始启动的时间，其延迟时间计算按变频压缩机（1）始终以30Hz频率运行计算得到；如ts-tj≤-5min，则将变频压缩机（1）的最低频率fd每次提高1Hz再次计算，直至满足|ts-tj|≤5min，如fd提高至80Hz时仍未满足要求，热泵热水器整个运行过程中保持一个固定频率，将在80Hz的基础上，每次提高1Hz再次计算，直至满足要求；如出现计算得到的变频压缩机（1）的工作频率大于热泵热水器设定的变频压缩机（1）的运行上限保护频率，变频压缩机（1）运行的上限保护频率一般为100Hz，则变频压缩机（1）按该上限保护频率运行。
3.根据权利要求2所述的变频热泵热水器压缩机频率动态优化方法，其特征在于在储水箱（8）的各温升段，变频压缩机（1）的工作频率fi可以对关系式Ⅴ按二次曲线fi=ai2+bi+c进行简化。
4.根据权利要求1、2、3所述的变频热泵热水器压缩机频率动态优化方法，其特征在于变频压缩机（1）的最低频率fd的初始值的范围是10-40Hz，变频压缩机（1）的最高频率fg的初始值的范围是60-100Hz。
5.根据权利要求1、2、3所述的变频热泵热水器压缩机频率动态优化方法，其特征在于所述变频压缩机（1）为交流变频压缩机或直流调速压缩机。
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