CN108731293A - 热泵机组电子膨胀阀控制方法及热泵热水器 - Google Patents

热泵机组电子膨胀阀控制方法及热泵热水器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热泵机组电子膨胀阀控制方法，包括以下步骤：（1）、将压缩机的排气温度划分为三个控制区间，分别为第一控制区间、第二控制区间、第三控制区间；（2）、周期检测压缩机的排气温度，并判断当前排气温度所位于的控制区间：a、若当前排气温度位于第一控制区间，采用吸气过热度进行控制；b、若当前排气温度位于第二控制区间，采用排气温度进行控制；c、若当前排气温度位于第三控制区间且持续时间为t1以上时，每隔固定时间开阀n步。本电子膨胀阀控制方法，根据水温差和排气温差来确定这个调节关系，将排气温度限制在合理区间，既保证加热热水的效率最大化和快速性，又能保证系统的稳定性，保护系统的可靠运行。

Description

热泵机组电子膨胀阀控制方法及热泵热水器
技术领域
本发明涉及热泵技术领域，具体地说，是涉及一种热泵机组电子膨胀阀控制方法及热泵热水器。
背景技术
当前空调热泵中的电子膨胀阀控制模式一般为吸气过热度控制或者排气过热度控制，其中吸气过热度控制是依据吸气温度和蒸发温度的差值为目标来调节电子膨胀阀开度，排气过热度控制是依据排气温度和冷凝温度的差值为目标来调节电子膨胀阀开度，其中变频机还会增加环境温度和压缩机频率等因素作为调节条件。这两种控制模式均有优劣，前者利用吸气有效过热控制系统流量，充分利用了系统容量，发挥系统最优效率，但在较大负荷时会出现排气温度过高接近压缩机临界点时，此时空调热泵就会触发排气温度保护，电子膨胀阀开度加大，直到排气温度下降至某一温度以下再恢复吸气过热度控制，但这样做会造成系统频繁波动，对系统安全及稳定运行不利。后者以排气温度为目标值来调节电子膨胀阀开度，不能发挥系统最佳效率点，整机运行能效偏低，在出现排气温度过高时，同样会触发排气温度保护，电子膨胀阀开度加大，直到排气温度下降至某一温度以下再恢复排气过热度控制，但这样做同样会造成系统频繁波动。
热泵热水器与热泵空调在实际运行中，两者的工况环境存在较大差异，空调的调节对象是空气，然而，无论是冬天制热还是夏天制冷，室温均是处于较恒定的工况环境，也就是说，环境温度与目标温度的温差不是特别的大，例如，冬天时将20℃的室温调节至27℃，或者夏天时将30℃室温调节至24℃，相应的冷凝温度或者蒸发温度变化不大，但是热泵热水器的工况环境要复杂很多，热泵热水器的调节对象是水，需要将冷水加热成比洗浴温度要高的热水，例如，将20℃的冷水加热成60℃的热水，温差达40℃，在水温逐渐升高过程中，冷凝温度时刻变化，相应吸排气温度一直在变化，直到把水加热到设定温度为止，很显然，对热泵热水器的控制与热泵空调的控制方法也具有很大差异，基于此，如何发明一种热泵机组电子膨胀阀控制方法，既能保证机组安全可靠的运行，同时能够使得热泵机组保持最大的换热效率，是本发明主要解决的技术问题。
发明内容
本发明为了解决现有热泵机组电子膨胀阀的控制对于调节温差较大的工况环境，若单以吸气过热度控制或者排气过热度控制，不能适应复杂的工况环境，容易导致系统频繁波动，对系统安全及稳定运行不利的技术问题，提出了一种热泵机组电子膨胀阀控制方法，可以解决上述问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种热泵机组电子膨胀阀控制方法，包括以下步骤：
（1）、将压缩机的排气温度划分为三个控制区间，分别为第一控制区间、第二控制区间、第三控制区间，其中：
第一控制区间：排气温度Tp＜Tz1；
第二控制区间：Tz1≤排气温度Tp＜Tz2；
第三控制区间：排气温度Tp≥Tz3，
其中，0＜Tz1＜Tz2＜Tz3，Tz3为排气保护温度；
（2）、周期检测压缩机的排气温度，并判断当前排气温度所位于的控制区间：
a、若当前排气温度位于第一控制区间，采用吸气过热度进行控制，计算压缩机的实际吸气过热度以及设置目标吸气过热度，根据实际吸气过热度以及目标吸气过热度调节电子膨胀阀的开度；
b、若当前排气温度位于第二控制区间，采用排气温度进行控制，获取当前排气温度，以及计算目标排气温度，根据当前排气温度以及目标排气温度的差值大小调节电子膨胀阀开度；
c、若当前排气温度位于第三控制区间且持续时间为t1以上时，每隔固定时间开阀n步，直至当前排气温度小于Tz3，其中，n为正整数。
进一步的，第（2）步的第a小步中，还包括以下步骤：
a1、检测当前吸气温度以及蒸发温度，并根据当前吸气温度以及蒸发温度计算实际吸气过热度；
a2、检测当前环境温度，并根据当前环境温度设置目标吸气过热度；
a3、计算目标吸气过热度与实际吸气过热度的差值，根据所述差值确定电子膨胀阀的调节步数，并以此调节电子膨胀阀。
进一步的，目标吸气过热度的设置方法为：
当前环境温度Ta≥T2，目标吸气过热度为St3；
当前环境温度T1＜Ta＜T2，目标吸气过热度为St2；
当前环境温度Ta≤T1，目标吸气过热度为St1；
其中，St3＞St2＞St1＞0。
进一步的，步骤a2与步骤a3之间，还包括对目标吸气过热度进行修正的步骤：
检测当前排气温度TD，并将当前排气温度TD与排气保护温度Tz1相比较，并根据比较结果确定吸气过热度修正值，将步骤a2中所获得的目标吸气过热度与吸气过热度修正值相加，得到的值将目标吸气过热度更新。
进一步的，对目标吸气过热度进行修正的步骤中，
(Tz1-10℃）≤TD, 吸气过热度修正值为 -3.0℃;
(Tz1-15℃）≤TD<（Tz1-10℃）, 吸气过热度修正值为m1;
(Tz1-20℃）≤TD<（Tz1-15℃）, 吸气过热度修正值为m2;
(Tz1-25℃）≤TD<（Tz1-20℃）, 吸气过热度修正值为m3;
(Tz1-30℃）≤TD<（Tz1-25℃）, 吸气过热度修正值为m4;
(Tz1-40℃）≤TD<（Tz1-30℃）, 吸气过热度修正值为0.0℃;
(Tz1-45℃）≤TD<（Tz1-40℃）, 吸气过热度修正值为m5;
(Tz1-50℃）≤TD<（Tz1-45℃）, 吸气过热度修正值为m6;
(Tz1-55℃）≤TD<（Tz1-50℃）, 吸气过热度修正值为m7;
(Tz1-60℃）≤TD<（Tz1-55℃）, 吸气过热度修正值为m8;
(Tz1-65℃）≤TD<（Tz1-60℃）, 吸气过热度修正值为m9;
TD<（Tz1-65℃）, 吸气过热度修正值为m10;
其中，m1＜m2＜m3＜m4＜0；
m10＞m9＞m8＞m7＞m6＞m5＞0。
进一步的，第（2）步的第b小步中，目标排气温度的计算方法为：
b1、获取压缩机稳定运行的最高排气温度Ta，获取热泵机组从第一控制区间切换至第二控制区间时的排气温度Tz，获取设定的所要加热热水的目标温度Ts，获取当前水箱温度Tr，获取热泵机组从第一控制区间切换至第二控制区间时的水箱温度Tr1；
b2、计算目标排气温度=Tz+（Ta-Tz）*（Tr-Tr1）/（Ts-Tr1）；
b3、计算排气修正值Δt2：
Δt2=目标排气温度-当前排气温度；
b4、根据排气修正值Δt2调节电子膨胀阀开度，每次调节电子膨胀阀步数与排气修正值Δt2成正相关。
本发明同时提出了一种热泵热水器，包括热泵机组，所述热泵机组的电子膨胀阀控制方法包括前面任一项所述的热泵机组电子膨胀阀控制方法。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的热泵机组电子膨胀阀控制方法，尤其针对加热前后温差较大的工况环境，在不稳定工况运行过程中，吸排气温度一直在变化，通过将整个过程分为两部分，前半个过程中采用吸气过热度控制，根据目标和实际吸气温度来确定电子膨胀阀开度，保证制冷剂在室外蒸发器的有效蒸发面积，可以最大程度上发挥室外蒸发器的制热能力，同时保证无制冷剂回液；后半个过程采用排气温度控制加热过程，此时排气温度仍然是随水温上升而逐渐变化上升，根据水温差和排气温差来确定这个调节关系，将排气温度限制在合理区间，既保证加热热水的效率最大化和快速性，又能保证系统的稳定性，不会因电子膨胀阀调整导致排气变化剧烈和制冷剂回液，保护系统的可靠运行，不允许压机运行在超温阶段。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所提出的热泵机组电子膨胀阀控制方法的一种实施例流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，为了解决现有热泵机组电子膨胀阀的控制对于调节温差较大的工况环境，若单以吸气过热度控制或者排气过热度控制，不能适应复杂的工况环境，容易导致系统频繁波动，对系统安全及稳定运行不利的技术问题，本实施例提出了一种热泵机组电子膨胀阀控制方法，包括以下步骤：
S1、将压缩机的排气温度划分为三个控制区间，分别为第一控制区间、第二控制区间、第三控制区间，其中：
第一控制区间：排气温度Tp＜Tz1；
第二控制区间：Tz1≤排气温度Tp＜Tz2；
第三控制区间：排气温度Tp≥Tz3，
其中，0＜Tz1＜Tz2＜Tz3，Tz3为排气保护温度；
S2、周期检测压缩机的排气温度，并判断当前排气温度所位于的控制区间：
a、若当前排气温度位于第一控制区间，采用吸气过热度进行控制，计算压缩机的实际吸气过热度以及设置目标吸气过热度，根据实际吸气过热度以及目标吸气过热度调节电子膨胀阀的开度；本过程中采用吸气过热度控制，该过程中被加热物温度（如水温）较低，根据目标和实际吸气温度来确定电子膨胀阀开度，保证制冷剂在室外蒸发器的有效蒸发面积，可以最大程度上发挥室外蒸发器的制热能力，同时保证无制冷剂回液。
b、若当前排气温度位于第二控制区间，采用排气温度进行控制，获取当前排气温度，以及计算目标排气温度，根据当前排气温度以及目标排气温度的差值大小调节电子膨胀阀开度；本过程采用排气温度控制加热过程，此时排气温度仍然是随水温上升而逐渐变化上升，根据水温差和排气温差来确定这个调节关系，将排气温度限制在合理区间，既保证加热热水的效率最大化和快速性，又能保证系统的稳定性，不会因电子膨胀阀调整导致排气变化剧烈和制冷剂回液，保护系统的可靠运行，不允许压机运行在超温阶段。
c、若当前排气温度位于第三控制区间且持续时间为t1以上时，每隔固定时间开阀n步，直至当前排气温度小于Tz3，其中，n为正整数。
本实施例的热泵机组电子膨胀阀控制方法，尤其针对加热前后温差较大的工况环境，在不稳定工况运行过程中，吸排气温度一直在变化，本发明采取吸气过热度和排气温度联合控制电子膨胀阀的新型模式，结合两者的优点，在排气温度较低（某一温度以下）时，采用吸气过热度控制电子膨胀阀开度；在排气温度较高（某一温度以上）时，切换为排气温度控制，这样既可以利用吸气有效过热控制系统流量，充分利用了系统容量，发挥系统最优效率，又可以使得排气高温时控制在安全范围以内，冷媒系统不产生波动，可以稳定运行，尤其适用于如热泵热水器加热前后温差较大的工况环境。
作为一个优选的实施例，Tz1的取值范围在90℃～105℃，Tz2的取值范围在110℃～115℃，Tz3作为排气保护温度，可以取值为115℃。
第S2步的第a小步中，采用吸气过热度调节，本实施例中通过采用吸气温度以及蒸发温度共同控制的方式，还包括以下步骤：
a1、检测当前吸气温度以及蒸发温度，并根据当前吸气温度以及蒸发温度计算实际吸气过热度；
a2、检测当前环境温度，并根据当前环境温度设置目标吸气过热度；
a3、计算目标吸气过热度与实际吸气过热度的差值，根据所述差值确定电子膨胀阀的调节步数，并以此调节电子膨胀阀。环境温度直接影响着吸气温度，环境温度越高，吸气温度越高，因此，相应设定的目标吸气过热度也应该相对高一些，以使其与当前较高的环境温度匹配。
也即，在本实施例中，目标吸气过热度的设置方法为：
当前环境温度Ta≥T2，目标吸气过热度为St3；
当前环境温度T1＜Ta＜T2，目标吸气过热度为St2；
当前环境温度Ta≤T1，目标吸气过热度为St1；
其中，St3＞St2＞St1＞0。
例如，第一控制区间中采用吸气过热度调节，通过检测吸气温度以及蒸发温度共同控制：
吸气过热度=吸气温度-蒸发温度；
目标吸气过热度值：
当前环境温度Ta≥15℃， St3= 3℃；
当前环境温度-5℃＜Ta＜5℃， St2=2℃；
当前环境温度Ta≤-5℃， St1= 1℃。
进一步的，还需要根据实际排气温度和排气保护温度对目标吸气过热度进行修正的步骤，步骤a2与步骤a3之间，还包括对目标吸气过热度进行修正的步骤：
检测当前排气温度TD，并将当前排气温度TD与排气保护温度Tz1相比较，并根据比较结果确定吸气过热度修正值，将步骤a2中所获得的目标吸气过热度与吸气过热度修正值相加，得到的值将目标吸气过热度更新。当前排气温度TD与排气保护温度Tz1之间的差值越大，说明当前工况环境较稳定，因此，目标吸气过热度可以设置的相应高一些，反之，则目标吸气过热度应当设置的相应低一些，进一步使得在保证系统的稳定性的前提下，提高加热热水的效率最大化和对热水的加热速度。
本实施例中对目标吸气过热度进行修正的步骤包括以下：
(Tz1-10℃）≤TD, 吸气过热度修正值为m0;
(Tz1-15℃）≤TD<（Tz1-10℃）, 吸气过热度修正值为m1;
(Tz1-20℃）≤TD<（Tz1-15℃）, 吸气过热度修正值为m2;
(Tz1-25℃）≤TD<（Tz1-20℃）, 吸气过热度修正值为m3;
(Tz1-30℃）≤TD<（Tz1-25℃）, 吸气过热度修正值为m4;
(Tz1-40℃）≤TD<（Tz1-30℃）, 吸气过热度修正值为0.0℃;
(Tz1-45℃）≤TD<（Tz1-40℃）, 吸气过热度修正值为m5;
(Tz1-50℃）≤TD<（Tz1-45℃）, 吸气过热度修正值为m6;
(Tz1-55℃）≤TD<（Tz1-50℃）, 吸气过热度修正值为m7;
(Tz1-60℃）≤TD<（Tz1-55℃）, 吸气过热度修正值为m8;
(Tz1-65℃）≤TD<（Tz1-60℃）, 吸气过热度修正值为m9;
TD<（Tz1-65℃）, 吸气过热度修正值为m10;
其中，m1＜m2＜m3＜m4＜0；
m10＞m9＞m8＞m7＞m6＞m5＞0。
(TZ1-10℃）≤TD , 修正值为 -3.0℃；
(TZ1-15℃）≤TD<（TZ1-10℃）, 修正值为 -2.5℃；
(TZ1-20℃）≤TD<（TZ1-15℃）, 修正值为 -2.0℃；
(TZ1-25℃）≤TD<（TZ1-20℃）, 修正值为 -1.0℃；
(TZ1-30℃）≤TD<（TZ1-25℃）, 修正值为 -0.5℃；
(TZ1-40℃）≤TD<（TZ1-30℃）, 修正值为0.0℃；
(TZ1-45℃）≤TD<（TZ1-40℃）, 修正值为0.5℃；
(TZ1-50℃）≤TD<（TZ1-45℃）, 修正值为1.0℃；
(TZ1-55℃）≤TD<（TZ1-50℃）, 修正值为 1.5℃；
(TZ1-60℃）≤TD<（TZ1-55℃）, 修正值为2.0℃；
(TZ1-65℃）≤TD<（TZ1-60℃）, 修正值为 2.5℃；
TD<（TZ1-65℃）, 修正值为 3.0℃。
也就是说，修正值有可能为负，也有可能为正，其具体看实际排气温度与排气保护温度之间的差值。
在修正之前，还包括检测辅阀是否开启的步骤，若辅阀已经开启，则不做负数修正，也即当计算的吸气过热度修正值为负数时，不做修正。
第S2步的第b小步中，目标排气温度的计算方法为：
b1、获取压缩机稳定运行的最高排气温度Ta，获取热泵机组从第一控制区间切换至第二控制区间时的排气温度Tz，获取设定的所要加热热水的目标温度Ts，获取当前水箱温度Tr，获取热泵机组从第一控制区间切换至第二控制区间时的水箱温度Tr1；
b2、计算目标排气温度=Tz+（Ta-Tz）*（Tr-Tr1）/（Ts-Tr1）；
b3、计算排气修正值Δt2：
Δt2=目标排气温度-当前排气温度；
b4、根据排气修正值Δt2调节电子膨胀阀开度，每次调节电子膨胀阀步数与排气修正值Δt2成正相关。
上述的热泵机组电子膨胀阀控制方法优选应用在热泵热水器中，热泵热水器中电子膨胀阀控制方法与实施例一中记载的热泵机组电子膨胀阀控制方法一致，再此不做赘述。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种热泵机组电子膨胀阀控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、将压缩机的排气温度划分为三个控制区间，分别为第一控制区间、第二控制区间、第三控制区间，其中：
第一控制区间：排气温度Tp＜Tz1；
第二控制区间：Tz1≤排气温度Tp＜Tz2；
第三控制区间：排气温度Tp≥Tz3，
其中，0＜Tz1＜Tz2＜Tz3，Tz3为排气保护温度；
（2）、周期检测压缩机的排气温度，并判断当前排气温度所位于的控制区间：
a、若当前排气温度位于第一控制区间，采用吸气过热度进行控制，计算压缩机的实际吸气过热度以及设置目标吸气过热度，根据实际吸气过热度以及目标吸气过热度调节电子膨胀阀的开度；
b、若当前排气温度位于第二控制区间，采用排气温度进行控制，获取当前排气温度，以及计算目标排气温度，根据当前排气温度以及目标排气温度的差值大小调节电子膨胀阀开度；
c、若当前排气温度位于第三控制区间且持续时间为t1以上时，每隔固定时间开阀n步，直至当前排气温度小于Tz3，其中，n为正整数。
2.根据权利要求1所述的热泵机组电子膨胀阀控制方法，其特征在于，第（2）步的第a小步中，还包括以下步骤：
a1、检测当前吸气温度以及蒸发温度，并根据当前吸气温度以及蒸发温度计算实际吸气过热度；
a2、检测当前环境温度，并根据当前环境温度设置目标吸气过热度；
a3、计算目标吸气过热度与实际吸气过热度的差值，根据所述差值确定电子膨胀阀的调节步数，并以此调节电子膨胀阀。
3.根据权利要求2所述的热泵机组电子膨胀阀控制方法，其特征在于，目标吸气过热度的设置方法为：
当前环境温度Ta≥T2，目标吸气过热度为St3；
当前环境温度T1＜Ta＜T2，目标吸气过热度为St2；
当前环境温度Ta≤T1，目标吸气过热度为St1；
其中，St3＞St2＞St1＞0。
4.根据权利要求2或3所述的热泵机组电子膨胀阀控制方法，其特征在于，步骤a2与步骤a3之间，还包括对目标吸气过热度进行修正的步骤：
检测当前排气温度TD，并将当前排气温度TD与排气保护温度Tz1相比较，并根据比较结果确定吸气过热度修正值，将步骤a2中所获得的目标吸气过热度与吸气过热度修正值相加，得到的值将目标吸气过热度更新。
5.根据权利要求4所述的热泵机组电子膨胀阀控制方法，其特征在于，对目标吸气过热度进行修正的步骤中，
(Tz1-10℃）≤TD, 吸气过热度修正值为 m0
(Tz1-15℃）≤TD<（Tz1-10℃）, 吸气过热度修正值为m1;
(Tz1-20℃）≤TD<（Tz1-15℃）, 吸气过热度修正值为m2;
(Tz1-25℃）≤TD<（Tz1-20℃）, 吸气过热度修正值为m3;
(Tz1-30℃）≤TD<（Tz1-25℃）, 吸气过热度修正值为m4;
(Tz1-40℃）≤TD<（Tz1-30℃）, 吸气过热度修正值为0.0℃;
(Tz1-45℃）≤TD<（Tz1-40℃）, 吸气过热度修正值为m5;
(Tz1-50℃）≤TD<（Tz1-45℃）, 吸气过热度修正值为m6;
(Tz1-55℃）≤TD<（Tz1-50℃）, 吸气过热度修正值为m7;
(Tz1-60℃）≤TD<（Tz1-55℃）, 吸气过热度修正值为m8;
(Tz1-65℃）≤TD<（Tz1-60℃）, 吸气过热度修正值为m9;
TD<（Tz1-65℃）, 吸气过热度修正值为m10;
其中，m1＜m2＜m3＜m4＜0；
m10＞m9＞m8＞m7＞m6＞m5＞0。
6.根据权利要求1-3任一项所述的热泵机组电子膨胀阀控制方法，其特征在于，第（2）步的第b小步中，目标排气温度的计算方法为：
b1、获取压缩机稳定运行的最高排气温度Ta，获取热泵机组从第一控制区间切换至第二控制区间时的排气温度Tz，获取设定的所要加热热水的目标温度Ts，获取当前水箱温度Tr，获取热泵机组从第一控制区间切换至第二控制区间时的水箱温度Tr1；
b2、计算目标排气温度=Tz+（Ta-Tz）*（Tr-Tr1）/（Ts-Tr1）；
b3、计算排气修正值Δt2：
Δt2=目标排气温度-当前排气温度；
b4、根据排气修正值Δt2调节电子膨胀阀开度，每次调节电子膨胀阀步数与排气修正值Δt2的值成正相关关系。
7.一种热泵热水器，其特征在于，包括热泵机组，所述热泵机组的电子膨胀阀控制方法如权利要求1-6任一项所述的热泵机组电子膨胀阀控制方法。
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