CN109323477B - 一种基于带预冷器的跨临界co2热泵系统及其水路两通阀控制方法 - Google Patents

一种基于带预冷器的跨临界co2热泵系统及其水路两通阀控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统及水路两通阀控制方法，将常规跨临界CO2热泵系统辅助以预冷器系统；通过三通分水阀和三通汇水阀将循环水路在系统内部分为两个部分，并通过水路两通调节阀和水路旁通阀进行连接；同时配以环境温度传感器、蒸发器翅片温度传感器和蒸发压力传感器，并采用可编程逻辑控制器为采集、运算和控制核心。通过以上系统配置和妥善制定的温度、压力和时间联合控制方法，可以实现跨临界CO2热泵系统向供暖领域的推广，弥补高回水温度对跨临界CO2系统的性能衰减，妥善控制机组的进入和退出除霜，并解决跨临界CO2热泵系统在相对较长的除霜时间内停止供热，循环水系统平均温度迅速下降的问题。

Description

一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统及其水路两通阀控制 方法
技术领域
本发明属于暖通制冷及热泵技术领域，涉及一种跨临界CO2热泵系统。
背景技术
近年来，随着国民经济的飞速发展，大量不健康的能源供给方式和环境友好性并不完备的技术开发引发了日益严重的环境问题和能源危机，这是当前中国面上经济发展前景和背后负面效应承载能力这对永恒存在的矛盾所面临的最为严重的问题。由于近十年来国民经济发展的基础方向逐渐从工业向第三产业及居民生活条件支持性产业方面进行转变，因而工商业及民用背景下能源的输出领域也有了潜移默化的转变。据报道，工商业和民用背景下的暖通行业的能源消耗量目前已经占据全国能源消耗量的首位，其中尤以供暖能源消耗为甚。
由于在传统的供暖行业中往往采用分布式的小型燃煤锅炉、燃气锅炉或电锅炉作为供暖能源的直接来源，因此这些锅炉供暖方式的低效率与高污染的特点便得以在全国范围为基数加以放大，称为了能源低效率使用和环境初级污染的罪魁祸首之一。因此，近年来许多学者们投入到了热泵系统在供暖领域的使用，其中首推跨临界CO2热泵系统。首先，作为完全来自于大气环境的纯天然制冷剂，CO2具有其他制冷剂不可比拟的环境友好性与安全性，况且其良好的低温流动性也很适合于寒冷地区冬季的运行工况。另外，在超临界的工作条件下，无相变过程的CO2在气体冷却器中以巨大的温度滑移作用对循环水放热，可以将循环水直接从低温条件提升到超过80℃的高温条件，十分适合供暖领域的温度要求。因此，结合跨临界CO2热泵系统良好的低环境温度适应性和高出水温度能力，这种热泵系统十分值得在供暖领域进行推广和使用。
当然，跨临界CO2热泵在供暖领域的实地应用过程中同样也是存在一些实际问题与技术难点的。这些难点主要可以归结为两点：高回水温度对跨临界CO2系统的性能衰减和跨临界 CO2系统除霜过程的特殊性。由于供暖领域应用背景下水循环系统的回水温度(也就是热泵系统的进水温度)一般高于40℃，如果直接将这样的中温水通入跨临界CO2热泵系统的气体冷却器内与CO2气体进行换热，会造成CO2气体被冷却后的温度较高，系统的供热潜能难以被完全体现，造成系统的运行效率较低。另外一方面，由于跨临界CO2系统的排气压力很高，市面上少有符合承压要求的四通换向阀出现，因此该热泵系统不能像常规用于供暖领域的普通制冷剂热泵系统那样通过四通换向阀换向的方式来进行除霜，而是要将排气口的热气通过减温降压之后通入蒸发器，这也就造成了蒸发器内除霜流体的温度本身并不足够高，除霜时间相比于常规制冷剂系统更长。由于热泵系统本身在除霜的过程中是无法进行常规供热的，因此较长的除霜时间势必会造成水路循环系统内平均水温的大幅下降，带来供暖水源温度的波动。另一方面，由于除霜时间加长，则要求机组控制系统对于除霜与否的判断逻辑要求更加精确，保持机组在的确积霜严重时才进入除霜过程，而在除霜完成后及时反应回归正常供暖过程。
综上所述，现有跨临界CO2热泵系统在供暖领域的实际应用中面临三项主要技术难题：高温回水直接进入CO2气体冷却器会降低系统效率，除霜的进入和退出判断条件和控制逻辑应当更加准确和严谨，较长时间的除霜过程中应尽量避免循环水系统的温度波动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统及其水路两通阀控制方法，以解决上述在跨临界CO2热泵技术推广使用至工商业及家用供暖领域过程中的实际问题与技术难点；本发明基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统可以根据环境条件及机组状态自动切换正常供暖模式与除霜模式，并且可以在除霜时间内不间断供热。本发明提出的跨临界CO2热泵系统能够根据自身配备的传感器自动监测并切换供暖与除霜模式，且在除霜过程中不间断供热，一方面保证设备运行过程的高效性与安全性，另一方面保证水路系统整体水温的稳定性与可靠性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统，包括循环水路系统、CO2热泵系统和预冷器系统；
循环水路系统包括系统进水口、三通分水阀、水路两通调节阀、三通汇水阀和系统出水口；
CO2热泵系统包括CO2压缩机、CO2气体冷却器、电子膨胀阀、除霜电磁阀和CO2蒸发器；
预冷器系统包括预冷系统压缩机、预冷系统冷凝器、热力膨胀阀和预冷系统蒸发器；
循环水路系统中，系统进水口与三通分水阀的入口相连，系统进水经过三通分水阀一分为二：第一路三通分水阀出口与预冷系统冷凝器的第一入口相连，之后连接至三通汇水阀的第一路进口；第二路三通分水阀出口与预冷系统蒸发器的第一入口相连，之后连接至CO2系统的 CO2气体冷却器的第一入口，之后连接至水路两通调节阀，之后连接至三通汇水阀的第二路进口；三通汇水阀的出口与系统出水口相连；
预冷器系统中预冷系统压缩机出口连接预冷系统冷凝器的第二进口，预冷系统冷凝器的第二出口连接热力膨胀阀进口，热力膨胀阀出口连接预冷系统蒸发器的第二进口，预冷系统蒸发器的第二出口连接预冷系统压缩机的进口，以此组成循环回路；
CO2热泵系统中CO2压缩机的出口与CO2气体冷却器的第二进口相连，CO2气体冷却器的第二出口与电子膨胀阀进口相连，电子膨胀阀出口与CO2蒸发器进口相连，CO2蒸发器的出口连接至CO2压缩机的进口；同时CO2气体冷却器出口的制冷剂管道还通过一个除霜电磁阀与CO2蒸发器入口相短接。
进一步的，还包括一只环境温度传感器、一只蒸发翅片温度传感器和蒸发压力传感器；其中环境温度传感器用来感知CO2热泵系统的CO2蒸发器进风温度；蒸发翅片温度传感器用来感知CO2蒸发器的翅片温度；蒸发压力传感器用来感知CO2蒸发器内的制冷剂压力；这些测量信号被通入可编程逻辑控制器PLC中；可编程逻辑控制器PLC通过电子信号控制预冷系统压缩机(21)、CO2压缩机(11)、电子膨胀阀(13)、水路两通调节阀(4)、除霜电磁阀(14)和水路旁通阀(3)的启停或开度调节。
进一步的，预冷器系统的预冷系统蒸发器与CO2热泵系统的CO2气体冷却器之间的水路系统通过水路旁通阀短接至预冷系统冷凝器后的水路管道中。
一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法，包括：
正常制热过程中时，水路旁通阀关闭，水路两通调节阀打开，系统进水经过三通分水阀分为两个部分：第一部分系统进水经过预冷系统冷凝器后被加热，并流经三通汇水阀至系统出水口；第二部分系统进水首先经过预冷系统蒸发器冷却之后，进入CO2热泵系统的CO2气体冷却器内被再次加热至，并经过三通汇水阀与第一路循环水汇合后供给至系统出水口。
进一步的，其特征在于，
正常供热时水路两通调节阀通过自适应模糊PID控制器进行开度自动调节；自适应模糊 PID控制器以CO2气体冷却器的进出口水温差值ΔT和温度差值的变化率dΔT/dt作为输入，利用模糊控制规则对PID数进行在线修改，以满足PID参数自整定的要求；PID参数模糊自整定寻找PID的参数kP、kI、kD和ΔT、dΔT/dt之间的模糊关系；
正常供热时，水路两通调节阀的开度d(tk)通过下式进行计算：
Figure BDA0001796461530000041
其中k为运算次数，考虑到两通阀的控制精度为160分度，即系统输出模拟量的数值在 (4-20MA)变化，最小变化范围为0.1MA，K的最大数值为160即可满足精度要求；ΔT为CO2气体冷却器出口水和制冷剂的温差，C1-C3为权重系数，在PID的调节过程中，根据外部水温和目标数值的变化对权重系数进行修正，权重系数做阶梯型的变化，根据测量水温和目标水温的差值，权重系数由初始数值(1,0.5,0.25)阶梯变化变化到(1,1,1)。目的是为了更快的达到设定的出水温度，kP、kI、kD为PID参数。PID参数分段控制自整定需要寻找PID的参数kP、 kI、kD和Tair、水温等之间的函数关系，根据函数关系通过不断检查Tair、水温等对参数进行在线修改，满足不同工况现状态下的控制需求，从而保证系统制热量和能效COP有更好的动态和静态性能。在该控制器中，为确保各变量的基本能较好地被覆盖，设定输入量与输出量的论域：kP为[-100,100]、kI为[-20，20]、kD为[-1,1]。
进一步的，根据环境温度传感器、蒸发翅片温度传感器、蒸发压力传感器的测量值，准确评估CO2热泵系统结霜程度，当以下三组条件全部满足时，认为CO2热泵系统蒸发器结霜足够严重，开始进入除霜模式进行除霜；三组条件为：a.机组积霜时间大于设定时间；b.测量环境温度低于除霜环境温度设定值；c.测量环境温度与测量蒸发翅片温度的温差大于除霜温差设定值；
除霜开始进行时，电子膨胀阀开度达到最大，同时除霜电磁阀打开，同时水路两通调节阀关闭，同时CO2蒸发器风机关闭，保证CO2压缩机出口的高温高压气体流经CO2气体冷却器与两只并联电子膨胀阀和除霜电磁阀节流降压之后，进入CO2蒸发器，在CO2蒸发器中与霜层充分换热，尽快除霜。
进一步的，除霜开始进行时，水路旁通阀打开，第二路通过预冷系统蒸发器的循环水得以通过水路旁通阀旁通至三通汇水阀并最终由系统出水口流出，供给给用户。
进一步的，根据环境温度传感器、蒸发翅片温度传感器、蒸发压力传感器的测量值，准确评估CO2热泵系统除霜效果，当以下三组条件之一满足时，认为CO2蒸发器上的霜层已经消除，退出除霜模式，重新进行正常供热过程；三组条件为：a.机组蒸发翅片温度超过设定除霜结束温度；b.机组蒸发压力超过设定除霜结束压力；c.机组累计除霜时间达到最大除霜设定时长；
同时，退出除霜模式时，电子膨胀阀开度回归上一次正常运行的记忆值，同时除霜电磁阀关闭，同时水路两通调节阀开度回归到上一次正常运行的记忆值，同时CO2蒸发器风机开启到上一次正常运行的记忆转速，使系统状态尽快建立有效压差，恢复到正常制热状态。
进一步的，进入除霜模式条件中的环境温度与蒸发翅片温度的温差按下式计算出具体数值：
Figure BDA0001796461530000061
其中Tdiff为温差，℃；Tair为环境温度℃；
退出除霜模式条件中的最大除霜设定时长按下式计算出具体数值：
Figure BDA0001796461530000062
其中tdf,为最大除霜设定时长，min，Tair为环境温度，℃，abs(Tair)为环境温度绝对值；
除霜过程中的排气压力设定为：
Figure BDA0001796461530000063
其中，Pd为除霜时的排气压力，MPa；Pd,max为除霜时的排气压力上限，MPa；Ps为除霜时的吸气压力，MPa。
上述以外其他判定参数设定值都根据应用现场的气候条件、前期预测试等结果给出相应的固定经验参考值。具体为：进入除霜条件的积霜设定时间推荐60min，除霜环境温度设定值推荐0℃；退出除霜条件的设定除霜结束温度推荐7℃，设定除霜结束压力推荐3.8MPa。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明通过向跨临界CO2热泵系统附加一个额外的预冷器系统来妥善而有效的降低跨临界CO2热泵系统气体冷却器的进口水温，从而得以保证跨临界CO2热泵系统制热量、能效和超高温出水潜力的发挥，解决了跨临界CO2热泵在应用至供暖领域中时对较高系统进水温度的不适应性，基本保证了跨临界CO2热泵系统在供暖领域中的性能发挥。
本发明妥善设计了跨临界CO2热泵系统循环进入和退出除霜过程的控制方法，使得机组本身可以自动的判断跨临界CO2热泵系统蒸发器上的霜层累计情况或除霜进行情况，从而准确而快速的切换正常运行模式与除霜模式，保证机组在供暖季超长跨度的运行周期内稳定并高效地运行。其中，由于正常运行状态下环境温度与蒸发翅片温度有一个稳定的温差，而霜层的积累会影响换热效果，因而增加这个温差，因此本发明通过测定温差来简介判定霜层厚度，十分简单有效。另外，通过环境温度设定值和累计积霜时间设定值的辅助作用，保证机组的确在较低环境温度下累计运行较长时间，满足结霜的外部条件的前提下才能进入除霜过程，保证了机组自动判断除霜逻辑的严谨性，不会因为某一只传感器或异常气候状况的影响而误动作进入除霜模式，影响系统正常供热。另外，考虑到霜层本身的温度一定低于0℃，本发明通过检测蒸发器翅片温度来间接判断除霜效果，当蒸发翅片温度维持稳定，证明其正在与恒定温度的霜层换热，一旦蒸发翅片温度突破稳定值开始上升，证明霜层已经基本除完，无法吸收除霜热气的热量了。同时，由于制冷剂的温度和压力在两相区内一一对应，本发明还用蒸发压力作为辅助，当检测到蒸发压力逐渐上升超过某一设定值时同样退出除霜过程，以此来互相保护，避免单一传感器偶发故障的现象。同时，本发明设定了最长除霜时长，保证机组即便在两只传感器均出现故障的情况下也不会一直维持在除霜模式中。
本发明巧妙地利用了预冷器系统来弥补了跨临界CO2系统在除霜过程中供热能力暂停的缺陷。通过设置水路旁通阀，当跨临界CO2系统进入除霜模式停止供热时，可以不用切断整个水路循环的流量，同时可以由预冷器系统进行恒定的供热。即便预冷器系统本身的供热量有限，但仍然可以保证水循环系统的平均温度在CO2系统短暂的除霜时间内不至于大幅度下跌。
附图说明
图1为本发明一种带预冷器的跨临界CO2热泵的结构示意图。
图2自适应模糊PID控制器逻辑框图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统，包括循环水路系统、 CO2热泵系统100和预冷器系统200。
循环水路系统包括系统进水口1、三通分水阀2、水路旁通阀3、水路两通调节阀4、三通汇水阀5和系统出水口6。
CO2热泵系统包括CO2压缩机11、CO2气体冷却器12、电子膨胀阀13、除霜电磁阀14、CO2蒸发器15、环境温度传感器、蒸发压力传感器、蒸发翅片温度传感器。
预冷器系统包括预冷系统压缩机21、预冷系统冷凝器22、热力膨胀阀23、预冷系统蒸发器24。
在本发明中，所有的采集信号和控制逻辑由可编程逻辑控制器PLC统一采集和执行。
循环水路系统中，系统进水口1与三通分水阀2的入口相连，系统进水经过三通分水阀2 一分为二：第一路三通分水阀出口与预冷系统冷凝器22的第一入口相连，之后连接至三通汇水阀5的第一路进口；第二路三通分水阀出口与预冷系统蒸发器24的第一入口相连，之后连接至CO2系统的CO2气体冷却器12的第一入口，之后连接至水路两通调节阀4，之后连接至三通汇水阀5的第二路进口。三通汇水阀5的出口与系统出水口6相连。
同时，预冷器系统的预冷系统蒸发器24与CO2热泵系统的CO2气体冷却器12之间的水路系统通过水路旁通阀3短接至预冷系统冷凝器22后的水路管道中。预冷器系统中预冷系统压缩机21出口连接预冷系统冷凝器22的第二进口，预冷系统冷凝器22的第二出口连接热力膨胀阀23进口，热力膨胀阀23出口连接预冷系统蒸发器24的第二进口，预冷系统蒸发器24 的第二出口连接预冷系统压缩机21的进口，以此组成循环回路。
CO2热泵系统中CO2压缩机11的出口与CO2气体冷却器12的第二进口相连，CO2气体冷却器12的第二出口与电子膨胀阀13进口相连，电子膨胀阀13出口与CO2蒸发器15进口相连，CO2蒸发器15的出口连接至CO2压缩机11的进口。同时CO2气体冷却器12出口的制冷剂管道还通过一个除霜电磁阀14与CO2蒸发器15入口相短接。
本发明一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统，还配备了两只温度传感器和一只蒸发压力传感器，两只温度传感器包括一只环境温度传感器和一只蒸发翅片温度传感器；其中环境温度传感器用来感知系统运行的环境温度，即CO2热泵系统的CO2蒸发器15进风温度；蒸发翅片温度传感器用来感知CO2蒸发器15的翅片温度，即CO2的蒸发温度。而蒸发压力传感器用来感知CO2蒸发器15内的制冷剂压力，即CO2的蒸发压力。这些测量信号被通入可编程逻辑控制器PLC中进行统一的处理和运算。而根据处理和运算的结果，可编程逻辑控制器PLC 也会输出控制信号来控制系统中各可调节执行器(如预冷系统压缩机21、CO2压缩机11、电子膨胀阀13、水路两通调节阀4、除霜电磁阀14、水路旁通阀3等)的通断或者开度调节等。
上述中，本发明提出的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法，包括：
请参阅图1所示，当本发明提出的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统在正常制热过程中时，水路旁通阀3关闭，水路两通调节阀4打开，较高温度的系统进水经过三通分水阀 2分为两个部分：第一部分系统进水经过预冷系统冷凝器22后被加热至较高温度，并流经三通汇水阀5至系统出水口6；第二部分系统进水首先经过预冷系统蒸发器24冷却之后，以较低的温度进入CO2热泵系统的CO2气体冷却器12内被再次加热至较高温度，并经过三通汇水阀4与第一路循环水汇合后供给至系统出水口6。由于此过程确保了跨临界CO2热泵系统的进水温度足够低，因此跨临界CO2热泵系统的制热能力、较好的循环效率和强大的超高温出水潜力也得以体现。
另外，由于不同的运行工况条件(如环境温度，循环水流量，系统进水温度等)对系统的总体制热能力有所影响，因此为了保证系统的出水温度保持较为稳定的条件，正常制热时水路两通调节阀4会根据出水温度的高低自行进行开度调节，以达到调节出水温度的效果。由于预冷系统是亚临界循环，换热器中的水流量与换热器换热效果会影响到预冷系统排气压力及压缩机功率，而CO2系统为跨临界系统，换热器中的水流量与换热器换热效果对排气压力和压缩机功率几乎没有影响，因此水路两通调节阀4仅安装在CO2热泵循环的水路上，而不是总体水路上。这样一来，本发明更加有效的利用了跨临界CO2热泵循环在超临界区放热时压力与温度不一一对应的独特性能，控制了整体的出水温度较高又不带来附加的压缩机功率，进一步体现了节能效果。
请参阅图2所示，正常供热时水路两通调节阀4通过自适应模糊PID控制器进行开度自动调节。由于该处水路流量和CO2循环的排气压力密不可分，因此自适应模糊PID控制器同时参与控制CO2热泵系统最优排气压力。PID控制系统的参数整定对系统的最终响应性有很大的影响，合适的参数才可以保证系统的稳定运行。一般采用在线整定的方法对参数进行整定，但是制冷系统应对不同的运行工况存大滞后，多时变的特性，为了满足精确控制的需要，引入模糊控制器作为PID参数的在线整定方法。自适应模糊PID控制器以CO2气体冷却器12的进出口水温差值ΔT和温度差值的变化率dΔT/dt作为输入，利用模糊控制规则对PID数进行在线修改，以满足PID参数自整定的要求。PID参数模糊自整定需要寻找PID的参数kP、kI、 kD和ΔT、dΔT/dt之间的模糊关系，根据模糊控制规则通过不断检查ΔT和dΔT/dt对参数进行在线修改，满足不同工况现状态下的控制需求，从而保证系统制热量和排气压力有更好的动态和静态性能。
本发明中采用CO2气体冷却器12出口水温和制冷剂温度的温差及该温差变化率为模糊控制器的输入值，正常供热时，水路两通调节阀4的开度通过下式进行计算：
Figure BDA0001796461530000101
其中d(t)为，水路两通调节阀4开度，ΔT为CO2气体冷却器12出口水和制冷剂的温差，
Figure BDA0001796461530000102
是该温差的变化率，C1-C3为参考系数，kP、kI、kD为PID参数。
考虑到系统换热的延迟性，在实际应用中PID采用差分法进行控制，即实际的水路两通调节阀4开度为：
Figure BDA0001796461530000111
其中k为运算次数，考虑到两通阀的控制精度为160分度，即系统输出模拟量的数值在(4-20MA)变化，最小变化范围为0.1MA，K的最大数值为160即可满足精度要求；ΔT为CO2气体冷却器出口水和制冷剂的温差，C1-C3为权重系数，在PID的调节过程中，根据外部水温和目标数值的变化对权重系数进行修正，权重系数做阶梯型的变化，根据测量水温和目标水温的差值，权重系数由初始数值(1,0.5,0.25)阶梯变化变化到(1,1,1)。目的是为了更快的达到设定的出水温度，kP、kI、kD为PID参数。PID参数分段控制自整定需要寻找PID的参数kP、kI、kD和Tair、水温等之间的函数关系，根据函数关系通过不断检查Tair、水温等对参数进行在线修改，满足不同工况现状态下的控制需求，从而保证系统制热量和能效COP有更好的动态和静态性能。在该控制器中，为确保各变量的基本能较好地被覆盖，设定输入量与输出量的论域：kP为[-100,100]、kI为[-20， 20]、kD为[-1,1]。
请参阅图1所示，根据环境温度传感器、蒸发翅片温度传感器、蒸发压力传感器的测量值，本发明提出的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法，可以准确评估CO2热泵系统结霜程度，当以下三组条件全部满足时，认为CO2热泵系统蒸发器结霜足够严重，开始进入除霜模式进行除霜。三组条件为：a.机组积霜时间大于设定时间。机组运行过程中，如果一旦测量环境温度低于可结霜环境温度设定值，机组的积霜时间便开始累积，积霜时间原则上等于机组正常供暖运行时间，当机组由于关机、断电或故障停止正常供暖时，积霜时间不清零，积霜时间仅会由于除霜而清零；b.测量环境温度低于除霜环境温度设定值； c.测量环境温度与测量蒸发翅片温度的温差大于除霜温差设定值。
机组的除霜开始进行时，电子膨胀阀13开度达到最大，同时除霜电磁阀14打开，同时水路两通调节阀4关闭，同时CO2蒸发器15风机关闭，保证CO2压缩机11出口的高温高压气体流经CO2气体冷却器12(不产生换热，因为本段水路已经截止)与两只并联阀体节流降压之后，以较高温度状态进入CO2蒸发器15，在CO2蒸发器15中与霜层充分换热，尽快除霜。
另外，根据环境温度传感器、蒸发翅片温度传感器、蒸发压力传感器的测量值，本发明提出的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法可以准确评估CO2热泵系统除霜效果，当以下三组条件之一满足时，认为CO2循环蒸发器上的霜层已经基本消除，可以退出除霜模式，重新进行正常供热过程。三组条件为：a.机组蒸发翅片温度超过设定除霜结束温度；b.机组蒸发压力超过设定除霜结束压力；c.机组累计除霜时间达到最大除霜设定时长。累计除霜时间不会因为机组关机、断电或故障停机而重置。
当机组退出除霜模式时，电子膨胀阀13开度回归上一次正常运行的记忆值，同时除霜电磁阀14关闭，同时水路两通调节阀4开度回归到上一次正常运行的记忆值，同时CO2蒸发器 15风机开启到上一次正常运行的记忆转速，保证系统状态尽快建立有效压差，恢复到正常制热状态。
请参阅图1所示，本发明提出的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法中，上述所有温度、压力、时间设定值都会受到应用现场的气候条件、环境状况等的影响，因此这些设定值并非一成不变。具体为：进入除霜模式条件中的环境温度与蒸发翅片温度的温差按下式计算出具体数值：
Figure BDA0001796461530000121
其中Tdiff为温差(℃)，Tair为环境温度(℃)。
进一步的，退出除霜模式条件中的最大除霜设定时长(即除霜时间上限)按下式计算出具体数值：
Figure BDA0001796461530000122
其中tdf,为最大除霜设定时长(min)，Tair为环境温度(℃)。
进一步的，除霜过程中的排气压力设定为：
Figure BDA0001796461530000131
其中，Pd为除霜时的排气压力(MPa)，Pd,max为除霜时的排气压力上限(MPa)，Ps为除霜时的吸气压力(MPa)，Tair为环境温度(℃)，abs(Tair)为环境温度绝对值。
上述以外其他判定参数设定值都根据应用现场的气候条件、前期预测试等结果给出相应的固定经验参考值。具体为：进入除霜条件的积霜设定时间推荐60min，除霜环境温度设定值推荐0℃；退出除霜条件的设定除霜结束温度推荐7℃，设定除霜结束压力推荐3.8MPa。
请参阅图1所示，本发明提出的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法，当除霜开始进行时，水路旁通阀打开，第二路通过预冷器蒸发器的循环水得以通过水路旁通阀旁通至三通汇水阀并最终由系统出水口流出，供给给用户。这样一来，可以保证在 CO2热泵循环除霜的过程中，系统仍旧由始终不间断运行的预冷器系统提供一部分的热量，避免水循环系统的平均温度因CO2热泵循环除霜过程停止供热而产生较大下降。
综上所述，本发明提出的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法解决了跨临界CO2热泵应用在供暖领域中的三个主要问题。第一，通过附加预冷器循环系统有效降低了进入跨临界CO2系统气体冷却器的水温，保证了跨临界CO2系统制热量、能效以及超高出水温度潜力的体现；第二，巧妙地利用环境温度与蒸发翅片温度的温差效应与霜层积累的正相关联系，妥善制定了机组自动判断霜层厚度的方法，且通过累计积霜时间和可积霜环境温度的限制防止了误动作，同时利用蒸发压力或蒸发翅片温度来简介体现除霜过程的进度，并通过除霜时间限制来防止传感器故障，保证了机组能够严谨而准确地仅在积霜严重时自行判断除霜，并在除霜基本完成时退出除霜，既保证机组最大限度的稳定供热，不因扰动等因素误动作进入除霜，又保证机组运行可靠性，不会因为积霜严重而损坏；第三，巧妙地借用预冷器系统的制热量，保证跨临界CO2系统在除霜过程停止供热时，机组仍然有稳定可观的制热量，防止水路循环系统平均温度的快速下跌，维持了供暖系统的稳定性。

Claims (8)

1.一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法，其特征在于，基于一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统；所述一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统，包括循环水路系统、CO2热泵系统和预冷器系统；循环水路系统包括系统进水口(1)、三通分水阀(2)、水路两通调节阀(4)、三通汇水阀(5)和系统出水口(6)；CO2热泵系统包括CO2压缩机(11)、CO2气体冷却器(12)、电子膨胀阀(13)、除霜电磁阀(14)和CO2蒸发器(15)；预冷器系统包括预冷系统压缩机(21)、预冷系统冷凝器(22)、热力膨胀阀(23)和预冷系统蒸发器(24)；循环水路系统中，系统进水口(1)与三通分水阀(2)的入口相连，系统进水经过三通分水阀(2)一分为二：第一路三通分水阀出口与预冷系统冷凝器(22)的第一入口相连，之后连接至三通汇水阀(5)的第一路进口；第二路三通分水阀出口与预冷系统蒸发器(24)的第一入口相连，之后连接至CO2系统的CO2气体冷却器(12)的第一入口，之后连接至水路两通调节阀(4)，之后连接至三通汇水阀(5)的第二路进口；三通汇水阀(5)的出口与系统出水口(6)相连；预冷器系统中预冷系统压缩机(21)出口连接预冷系统冷凝器(22)的第二进口，预冷系统冷凝器(22)的第二出口连接热力膨胀阀(23)进口，热力膨胀阀(23)出口连接预冷系统蒸发器(24)的第二进口，预冷系统蒸发器(24)的第二出口连接预冷系统压缩机(21)的进口，以此组成循环回路；CO2热泵系统中CO2压缩机(11)的出口与CO2气体冷却器(12)的第二进口相连，CO2气体冷却器(12)的第二出口与电子膨胀阀(13)进口相连，电子膨胀阀(13)出口与CO2蒸发器(15)进口相连，CO2蒸发器(15)的出口连接至CO2压缩机(11)的进口；同时CO2气体冷却器(12)出口的制冷剂管道还通过一个除霜电磁阀(14)与CO2蒸发器(15)入口相短接；
所述水路两通阀控制方法包括：
正常制热过程中时，水路旁通阀(3)关闭，水路两通调节阀(4)打开，系统进水经过三通分水阀(2)分为两个部分：第一部分系统进水经过预冷系统冷凝器(22)后被加热，并流经三通汇水阀(5)至系统出水口(6)；第二部分系统进水首先经过预冷系统蒸发器(24)冷却之后，进入CO2热泵系统的CO2气体冷却器(12)内被再次加热至，并经过三通汇水阀(4)与第一路循环水汇合后供给至系统出水口(6)；
正常供热时水路两通调节阀(4)通过自适应模糊PID控制器进行开度自动调节；自适应模糊PID控制器以CO2气体冷却器(12)的进出口水温差值ΔT和温度差值的变化率dΔT/dt作为输入，利用模糊控制规则对PID数进行在线修改，以满足PID参数自整定的要求；PID参数模糊自整定寻找PID的参数kP、kI、kD和ΔT、dΔT/dt之间的模糊关系；
正常供热时，水路两通调节阀(4)的开度d(tk)通过下式进行计算：
Figure FDA0002359833470000021
其中k为运算次数；ΔT为CO2气体冷却器出口水和制冷剂的温差，C1-C3为权重系数；kP、kI、kD为PID参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法，其特征在于，根据环境温度传感器、蒸发翅片温度传感器、蒸发压力传感器的测量值，准确评估CO2热泵系统结霜程度，当以下三组条件全部满足时，认为CO2热泵系统蒸发器结霜足够严重，开始进入除霜模式进行除霜；三组条件为：a.机组积霜时间大于设定时间；b.测量环境温度低于除霜环境温度设定值；c.测量环境温度与测量蒸发翅片温度的温差大于除霜温差设定值；
除霜开始进行时，电子膨胀阀(13)开度达到最大，同时除霜电磁阀(14)打开，同时水路两通调节阀(4)关闭，同时CO2蒸发器(15)风机关闭，保证CO2压缩机(11)出口的高温高压气体流经CO2气体冷却器与两只并联电子膨胀阀(13)和除霜电磁阀(14)节流降压之后，进入CO2蒸发器，在CO2蒸发器中与霜层充分换热，尽快除霜。
3.根据权利要求2所述的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法，其特征在于，除霜开始进行时，水路旁通阀(3)打开，第二路通过预冷系统蒸发器(24)的循环水得以通过水路旁通阀(3)旁通至三通汇水阀(5)并最终由系统出水口流出，供给给用户。
4.根据权利要求1所述的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法，其特征在于，根据环境温度传感器、蒸发翅片温度传感器、蒸发压力传感器的测量值，准确评估CO2热泵系统除霜效果，当以下三组条件之一满足时，认为CO2蒸发器上的霜层已经消除，退出除霜模式，重新进行正常供热过程；三组条件为：a.机组蒸发翅片温度超过设定除霜结束温度；b.机组蒸发压力超过设定除霜结束压力；c.机组累计除霜时间达到最大除霜设定时长；
同时，退出除霜模式时，电子膨胀阀开度回归上一次正常运行的记忆值，同时除霜电磁阀关闭，同时水路两通调节阀开度回归到上一次正常运行的记忆值，同时CO2蒸发器风机开启到上一次正常运行的记忆转速，使系统状态尽快建立有效压差，恢复到正常制热状态。
5.根据权利要求2或4所述的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法，其特征在于，进入除霜模式条件中的环境温度与蒸发翅片温度的温差按下式计算出具体数值：
Figure FDA0002359833470000031
其中Tdiff为温差，℃；Tair为环境温度℃；
退出除霜模式条件中的最大除霜设定时长按下式计算出具体数值：
Figure FDA0002359833470000032
其中tdf,max为最大除霜设定时长，min，Tair为环境温度，℃，abs(Tair)为环境温度绝对值；
除霜过程中的排气压力设定为：
Figure FDA0002359833470000041
其中，Pd为除霜时的排气压力，MPa；Pd,max为除霜时的排气压力上限，MPa；Ps为除霜时的吸气压力，MPa。
6.根据权利要求5所述的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法，其特征在于，进入除霜条件的积霜设定时间为60min，除霜环境温度设定值为0℃；退出除霜条件的设定除霜结束温度为7℃，设定除霜结束压力为3.8MPa。
7.根据权利要求1所述的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法，其特征在于，所述的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统还包括一只环境温度传感器、一只蒸发翅片温度传感器和蒸发压力传感器；其中环境温度传感器用来感知CO2热泵系统的CO2蒸发器(15)进风温度；蒸发翅片温度传感器用来感知CO2蒸发器(15)的翅片温度；蒸发压力传感器用来感知CO2蒸发器(15)内的制冷剂压力；这些测量信号被通入可编程逻辑控制器PLC中；可编程逻辑控制器PLC通过电子信号控制预冷系统压缩机(21)、CO2压缩机(11)、电子膨胀阀(13)、水路两通调节阀(4)、除霜电磁阀(14)和水路旁通阀(3)的启停或开度调节。
8.根据权利要求1所述的一种基于带预冷器的跨临界CO2热泵系统的水路两通阀控制方法，其特征在于，预冷器系统的预冷系统蒸发器(24)与CO2热泵系统的CO2气体冷却器(12)之间的水路系统通过水路旁通阀(3)短接至预冷系统冷凝器(22)后的水路管道中。
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