CN110285619A - 复叠式热泵控制方法及系统 - Google Patents

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CN110285619A
CN110285619A CN201910576950.1A CN201910576950A CN110285619A CN 110285619 A CN110285619 A CN 110285619A CN 201910576950 A CN201910576950 A CN 201910576950A CN 110285619 A CN110285619 A CN 110285619A
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唐明生
田长青
王锦
郭长民
马永德
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Guangzhou Deron Heat Source Facilities Co ltd
Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
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    • F25B30/00—Heat pumps
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    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
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    • F25B7/00—Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit

Abstract

本发明涉及热泵技术领域，公开了一种复叠式热泵控制方法及系统，其中复叠式热泵控制方法包括制热模式，制热模式包括：获取目标参数的精度预设值，设定使用侧流体的理想温度值T_set，将当前检测的环境温度值作为记录环境温度值Tr_air；根据理想温度值T_set和记录环境温度值Tr_air，计算目标参数的设定参数值；检测蒸发冷凝器内的工质的实时参数值，计算实时参数值与设定参数值之间的参数差值；调节高温级压缩机和/或低温级压缩机的运行频率，直至参数差值小于或者等于精度预设值。利用该复叠式热泵控制方法及系统可以使得使用侧流体温度达80℃‑140℃，为工业领域高温加热需求提供更加节能环保的技术解决方案。

Description

复叠式热泵控制方法及系统
技术领域
本发明涉及热泵技术领域，尤其涉及一种复叠式热泵控制方法及系统。
背景技术
随着全球能源形势及环境污染等问题日益严峻，节能减排已成为全世界关注的焦点，节能技术成为各国积极研发的目标。热泵因其制热效率高、节能、环保等优点而成为能源应用领域的研究热点。目前应用的热泵绝大多数为蒸汽压缩式的单级循环热泵，在采用补气增焓技术后，在低环境温度下可保持较高的效率。然而普通单级热泵的供热温度一般不超过70℃。在工业生产中，常用到的干燥、加热等生产工艺都需要温度达到80℃以上，才能满足大部分工艺需求。因而，对热量需求较大的生产工艺一般采用燃油/燃气锅炉供热，对热量需求较小的多采用电加热或电锅炉形式。在生产工艺中采用热泵技术加热，与传统的锅炉加热系统相比，其热效率高，节能和环保效果显著，经济效益明显，且设备安全可靠，易于实现更高的自动化程度。
目前常规单级空气源热泵的加热温度只能满足部分的工业生产工艺低温加热的需求，空气源热泵技术要广泛地应用于工业加热领域还需要解决机组高温化的问题，采用复叠式热泵系统形式可以很好地解决常规单级空气源热泵低温环境下的适应性以及机组高温化等问题。在复叠式热泵系统中，蒸发冷凝器是连接低温级与高温级的关键部件，它的作用就是完成热量从低温级向高温级的传递。蒸发冷凝器在换热时，两侧流体都是工质相变换热，相变换热保持恒温，但是换热模型相比对流换热更为复杂。同时因为系统需要完成由低温级向高温级的传热过程，两级之间存在热量匹配问题，并不是孤立运行的，如果匹配不当，将会严重影响热泵机组的性能，同时对于复叠时热泵机组应用还须解决全年变工况运行稳定性问题。
发明内容
本发明实施例提供一种复叠式热泵控制方法及系统，用以解决现有的复叠式热泵存在的两级热量不匹配的问题，以提高热泵机组的能效和运行稳定性，为工业领域生产工艺高温加热需求提供更加节能环保的技术解决方案。
本发明实施例提供一种复叠式热泵控制方法，包括制热模式，所述制热模式包括：
获取目标参数的精度预设值，设定使用侧流体的理想温度值T_set，将当前检测的环境温度值作为记录环境温度值Tr_air；
根据所述理想温度值T_set和所述记录环境温度值Tr_air，计算所述目标参数的设定参数值；
检测蒸发冷凝器内的工质的实时参数值，计算所述实时参数值与所述设定参数值之间的参数差值；
调节高温级压缩机和/或低温级压缩机的运行频率，直至所述参数差值小于或者等于所述精度预设值。
本发明实施例还提供一种使用上述复叠式热泵控制方法的复叠式热泵系统，包括高温级循环回路和低温级循环回路，所述高温级循环回路包括依次连接的高温级压缩机、冷凝器、第一节流装置和蒸发冷凝器的第一换热侧，所述低温级循环回路包括依次连接的低温级压缩机、所述蒸发冷凝器的第二换热侧、第二节流装置和蒸发器，所述冷凝器的第一换热侧的两端分别连接于所述高温级压缩机和所述第一节流装置，所述冷凝器的第二换热侧接入使用侧流体回路；还包括控制器、压缩机变频器以及设于所述蒸发冷凝器的目标参数传感器；所述压缩机变频器电连接于所述高温级压缩机和/或所述低温级压缩机；所述控制器电连接于所述目标参数传感器和所述压缩机变频器，以匹配所述高温级循环回路与所述低温级循环回路之间的热量；所述低温级循环回路还包括四通换向阀，所述四通换向阀的第一端连接于所述低温级压缩机的出口，所述四通换向阀的第二端连接于所述蒸发冷凝器的第二换热侧的进口，所述四通换向阀的第三端连接于所述低温级压缩机的进口，所述四通换向阀的第四端连接于所述蒸发器的出口。
本发明实施例提供的复叠式热泵控制方法及系统，其中复叠式热泵控制方法包括制热模式，制热模式包括：获取目标参数的精度预设值，设定使用侧流体的理想温度值T_set，将当前检测的环境温度值作为记录环境温度值Tr_air；根据理想温度值T_set和记录环境温度值Tr_air，计算目标参数的设定参数值；检测蒸发冷凝器内的工质的实时参数值，计算实时参数值与设定参数值之间的参数差值；调节高温级压缩机和/或低温级压缩机的运行频率，直至参数差值小于或者等于精度预设值，进而实现复叠式热泵高温级与低温级之间的热量匹配，从而提升复叠式热泵系统的运行能效，同时保证机组制热需求。利用该复叠式热泵控制方法及系统可以使得使用侧流体温度达80℃-140℃，为工业领域高温加热需求提供更加节能环保的技术解决方案。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明实施例中的一种复叠式热泵控制方法中的制热模式的流程图；
图2是本发明实施例中的另一种制热模式的控制方法流程图；
图3是本发明实施例中的又一种制热模式的控制方法流程图；
图4是本发明实施例中的一种模式切换的控制方法流程图；
图5是本发明实施例中的一种复叠式热泵系统的结构示意图；
图6是本发明实施例中的另一种复叠式热泵系统的结构示意图；
附图标记说明：
1-1：高温级压缩机； 1-2：低温级压缩机； 2：冷凝器；
3-1：第一电子膨胀阀； 3-2：第二电子膨胀阀； 3-3：第三电子膨胀阀；
4：蒸发冷凝器； 5：蒸发器； 6-1：第一温度传感器；
6-2：第二温度传感器； 6-3：第三温度传感器； 7：四通换向阀；
8：经济器； 9：蓄热水箱； 10-1：第一干燥过滤器；
10-2：第二干燥过滤器； 11-1：第一视液镜； 11-2：第二视液镜；
12-1：第一气液分离器； 12-2：第二气液分离器； 13-1：第一高压开关；
13-2：第二高压开关； 14-1：第一低压开关； 14-2：第二低压开关；
15-1：第一压力传感器； 15-2：第二压力传感器； 16-1：第一毛细管组件；
16-3：第三毛细管组件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”“第三”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”的方向均以附图所示方向为准。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。
如图1所示，本发明实施例提供一种复叠式热泵控制方法，包括制热模式，制热模式包括：
步骤S110：获取目标参数的精度预设值，设定使用侧流体的理想温度值T_set，将当前检测的环境温度值作为记录环境温度值Tr_air。
步骤S120：根据理想温度值T_set和记录环境温度值Tr_air，计算目标参数的设定参数值。
具体地，计算目标参数的设定参数值可以通过查表或者拟合公式计算。每一组理想温度值T_set和记录环境温度值Tr_air均对应一个目标参数的设定参数值，该对应表或者拟合公式可通过实验测试获得。
步骤S130：检测蒸发冷凝器4内的工质的实时参数值，计算实时参数值与设定参数值之间的参数差值。
步骤S140：调节高温级压缩机1-1和/或低温级压缩机1-2的运行频率，直至参数差值小于或者等于精度预设值。
具体地，目标参数的精度预设值可以为出厂设定，通过精度预设值可以控制目标参数的调节精度。本实施例中以目标参数选为蒸发冷凝器4的冷凝温度Tc为例，计算得到冷凝温度的设定值为Tc_set＝40℃，获取精度预设值为ΔTc＝1℃，通过调节压缩机的频率，使得实时冷凝温度Tc处于Tc_set±ΔTc区间，即实时冷凝温度Tc处于39℃-41℃这个区间的任意一个温度后，则不再调制压缩机的运行频率，即固定该频率运行。本实施例仅为示例，不作为对精度预设值的限制，精度预设值可以根据需要进行设定。
本实施例提供的复叠式热泵控制方法包括制热模式，制热模式包括：获取目标参数的精度预设值，设定使用侧流体的理想温度值T_set，将当前检测的环境温度值作为记录环境温度值Tr_air；根据理想温度值T_set和记录环境温度值Tr_air，计算目标参数的设定参数值；检测蒸发冷凝器内的工质的实时参数值，计算实时参数值与设定参数值之间的参数差值；调节高温级压缩机和/或低温级压缩机的运行频率，直至参数差值小于或者等于精度预设值，进而实现复叠式热泵高温级与低温级之间的热量匹配，从而提升复叠式热泵系统的运行能效，同时保证机组制热需求。利用该复叠式热泵控制方法可以使得使用侧流体温度达80℃-140℃，为工业领域高温加热需求提供更加节能环保的技术解决方案。
进一步地，步骤S120中，用于计算目标参数的设定参数值的拟合公式可采用迈勒普拉萨特经验公式：
式中，Tz为复叠式热泵循环的中间温度，TLe为低温级循环回路的蒸发温度，TLe＝Tr_air-△T；Thc为高温级循环回路的冷凝温度，Thc＝T_set+△T；△T为蒸发冷凝器4中的传热温差，一般取5℃～8℃。
(1)当目标参数的设定参数值设定为蒸发冷凝器4的冷凝温度Tc时，
则Tc_set＝Tz-△T/2。
(2)当目标参数的设定参数值设定为蒸发冷凝器4的冷凝压力Pc时，先计算出Tc_set，再通过查询低温级工质的温度为Tc_set时，低温级工质对应的饱和液体压力得到Pc_set。
(3)当目标参数的设定参数值设定为蒸发冷凝器4的蒸发温度Te时，
则Te_set＝Tz+△T/2；
(4)当目标参数的设定参数值设定为蒸发冷凝器4的蒸发压力Pe时，先计算出Te_set，再通过查询高温级工质的温度为Te_set时，高温级工质对应的饱和气体压力得到Pe_set。
另外，步骤S120中，还可以通过查表方法计算目标参数的设定参数值。具体地，蒸发冷凝器4的蒸发温度Te的设定值Te_set，可根据使用侧流体的理想温度值T_set和记录环境温度值Tr_air进行设定。更具体地，可采用以下对应表格：
表1蒸发冷凝器的蒸发温度的设定值与使用侧流体的理想温度值和记录
环境温度值的转化关系表
则低温级循环冷凝温度Tc_set＝Te_set+△T。相应的Pc_set和Pe_set的计算方法同上，此处不再赘述。
进一步地，目标参数包括蒸发冷凝器4的蒸发温度、冷凝温度、蒸发压力和冷凝压力中的一种或者多种。
如图2所示，步骤S120进一步包括：
步骤S121：当目标参数包括蒸发压力时，先计算出蒸发温度的设定值Te_set，再获取高温级循环回路中的高温级工质的饱和气体温度与压力对照关系，将蒸发温度的设定值Te_set转换为对应的蒸发压力的设定值Pe_set；或者
步骤S122：当目标参数包括冷凝压力时，先计算出冷凝温度的设定值Tc_set，再获取低温级循环回路中的低温级工质的饱和液体温度与压力对照关系，将冷凝温度的设定值Tc_set转换为对应的冷凝压力的设定值Pc_set；或者
步骤S123：当目标参数包括蒸发温度时，直接计算出蒸发温度的设定值Te_set；或者
步骤S124：当目标参数包括冷凝温度时，直接计算出冷凝温度的设定值Tc_set。
当目标参数包括蒸发温度、冷凝温度、蒸发压力和冷凝压力中的多个参数时，以其中一个参数作为主要调节目标参数，其余参数作为辅助调节目标，以验证调节效果。具体地，如果同时包含温度参数和压力参数，则以压力参数作为主要调节目标参数，由于压力变化相对于温度变化能更加灵敏反映工质状态。
更进一步地，步骤S121中，获取高温级循环回路中的高温级工质的饱和气体温度与压力对照关系，进一步包括：查询高温级工质的饱和气体温度与压力对照表，或者将高温级工质的饱和气体压力拟合为关于饱和气体温度的一元多项式计算式；
步骤S122中，获取低温级循环回路中的低温级工质的饱和液体温度与压力对照关系，进一步包括：查询低温级工质的饱和液体温度与压力对照表，或者将低温级工质的饱和液体压力拟合为关于饱和液体温度的一元多项式计算式。
具体地，蒸发冷凝器4内两侧工质均发生相变换热，因而高温级工质经过蒸发冷凝器4后变为饱和气体，低温级工质经过蒸发冷凝器4变为饱和液体，通过查询饱和工质的饱和温度与压力对照表，即可将温度值转换为压力值。
另外，还可以将温度值带入拟合的一元多项式计算式中直接计算得到。该一元多项式计算式的通式为：
P＝k0+k1*T+k2*T2+……+kn*Tn
其中T为饱和温度，P为饱和压力，k0、k1……kn为常数，n为正整数。
该多项式拟合过程属于现有技术，此处不再赘述。
例如，以R410A来说，温度与压力的对应关系可拟合为：
P＝(0.003)*T3+(0.2509)*T2+(28.006)*T+779.2
进一步地，制热模式在步骤S110之后，在步骤S120之前，还包括：
步骤S111：设定使用侧流体的波动温差值ΔTu。
步骤S112：检测使用侧流体的实时温度值T_use，计算实时温度值T_use与理想温度值T_set之间的使用侧流体温差值；
步骤S113：当使用侧流体温差值大于波动温差值ΔTu，且实时温度值T_use大于理想温度值T_set(即T_use－T_set＞ΔTu)时，停止高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2；或者
当使用侧流体温差值大于波动温差值ΔTu，且实时温度值T_use小于理想温度值T_set(即T_set－T_use＞ΔTu)时，启动高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2；或者
当使用侧流体温差值小于或者等于波动温差值ΔTu(即|T_set－T_use|≤ΔTu)时，保持高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2为上一运行状态。
具体地，波动温差值ΔTu可以由用户进行设定，取决于用户希望的使用流体温度的波动范围，而且为了避免机组频繁启动，波动温差值ΔTu不能过小。以ΔTu＝2℃，理想温度值T_set＝120℃为例进行说明，当T_use＞122℃时，停止高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2；当T_use＜118℃时，启动高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2。
若使用侧流体的实时温度值T_use处于上升过程时，则当118℃≤T_use≤122℃时，高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2处于运行状态；当T_use＞122℃时，停止高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2。
若使用侧流体的实时温度值T_use处于下降过程时，则当118℃≤T_use≤122℃时，高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2处于停止状态；当T_use＜118℃时，启动高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2。
通过设置波动温差值ΔTu可以避免机组频繁启动，使系统处于一个稳定运行状态。
进一步地，如图3所示，制热模式在步骤S140之后，还包括：
步骤S150：获取对应于高温级压缩机1-1的第一吸气过热度预设区间[Tmin_sup_1，Tmax_sup_1]，以及对应于低温级压缩机1-2的第二吸气过热度预设区间[Tmin_sup_2，Tmax_sup_2]。
步骤S160：调节第一节流装置和第二节流装置，直至高温级压缩机1-1的第一吸气过热度值T_sup_1位于第一吸气过热度预设区间内，且低温级压缩机1-2的第二吸气过热度值T_sup_2位于第二吸气过热度预设区间内。
具体地，第一吸气过热度预设区间和第二吸气过热度预设区间为出厂预设值，具体根据压缩机的运行特性进行选择。吸气过热度表示的是压缩机吸气温度与蒸发温度之间的温差。如果采用电子膨胀阀或者毛细管组件，则需要测量吸气温度和蒸发温度，需要设置温度传感器；如果采用热力膨胀阀，则不需要设置温度传感器，因为热力膨胀阀本身自带感温包。
如图5和图6所示，高温级压缩机1-1还可以包括补气支路，补气支路上设置有经济器8和第三节流装置，通过调节第三节流装置也会改变高温级的吸气过热度。如果全部使用电子膨胀阀，则第一电子膨胀阀3-1、第二电子膨胀阀3-2和第三电子膨胀阀3-3的调节不分先后顺序，每次只调节其中一个，待吸气过热度满足要求后即停止调节。如果使用毛细管组件，则通过启闭毛细管前端的电磁阀来实现对毛细管投入数量的调节切换，进而也可以调节吸气过热度。如果使用热力膨胀阀，则无需人为干预，其本身即会自动调整。
更进一步地，如图3所示，制热模式在步骤S160之后，还包括：
步骤S170：获取环境温度波动温差预设值ΔTa。
步骤S180：检测实时环境温度值Tm_air，计算实时环境温度值Tm_air与记录环境温度值Tr_air之间的环境温度差值；
步骤S190：当环境温度差值小于或者等于环境温度波动温差预设值ΔTa(即|Tm_air－Tr_air|≤ΔTa)时，进入稳定运行状态；或者
当环境温度差值大于环境温度波动温差预设值ΔTa
(即|Tm_air－Tr_air|＞ΔTa)时，将实时环境温度值Tm_air作为新的记录环境温度值Tr_air，计算目标参数的设定参数值。
具体地，环境温度波动温差预设值ΔTa为出厂设定，通常环境温度不会出现急剧的变化，记录环境温度值Tr_air为稳定运行前的环境温度，稳定运行过程中一直对环境温度的变化进行监测，以免发生环境温度变化过大，例如早晚温差等，造成目标参数的控制失稳。
更进一步地，如图3所示，制热模式在进入稳定运行状态之后，还包括：
固定第一节流装置和第二节流装置的开度，微调高温级压缩机1-1和/或低温级压缩机1-2的运行频率，使第一吸气过热度值始终位于第一吸气过热度预设区间内，且第二吸气过热度值始终位于第二吸气过热度预设区间内。
进一步地，该复叠式热泵控制方法还包括除霜模式，除霜模式包括：
步骤S210：停止高温级压缩机1-1，通过四通换向阀7切换低温级循环回路的工质流向，连通四通换向阀7的第二端(B端)和第三端(C端)，以使低温级压缩机1-2的进口连通于蒸发冷凝器4的第二换热侧，同时连通四通换向阀7的第一端(A端)和第四端(D端)，以使低温级压缩机1-2的出口连通于蒸发器5。
具体地，除霜时，仅投入低温级循环回路，且使低温级工质逆向流动，此时蒸发器5起冷凝作用，其外部的结霜被融化。
更进一步地，除霜模式还包括启动蓄热水箱9中的电加热器，通过电加热器提供更多的热量实现化霜，加快除霜过程。
更进一步地，如图4所示，制热模式和除霜模式之间还包括模式切换，模式切换包括：
步骤S310：获取除霜环境温度预设值Td_air_set和除霜间隔时间预设值t_set。
步骤S320：检测实时环境温度值Tm_air，计算低温级压缩机1-2的运行时间t_operate。
步骤S330：当实时环境温度值Tm_air小于除霜环境温度预设值Td_air_set(即Tm_air＜Td_air_set)时，判断运行时间t_operate是否为除霜间隔时间预设值t_set的正整数倍；若是，则运行除霜模式；若否，则运行制热模式；
当实时环境温度值Tm_air大于或者等于除霜环境温度预设值Td_air_set(即Tm_air≥Td_air_set)时，运行制热模式。
具体地，除霜环境温度预设值Td_air_set和除霜间隔时间预设值t_set均为预设值，除霜间隔时间预设值t_set可以随环境温度进行动态调整，也可以为定值。运行时间t_operate是除去了停机时间后的时间，不是绝对时间。
以除霜环境温度预设值Td_air_set＝5℃，除霜间隔时间预设值t_set＝2h为例进行说明，当Tm_air≥5℃，系统基本不会结霜，所以不运行除霜模式，直接运行制热模式；当Tm_air＜5℃，认为机组会存在结霜的可能，则运行时间t_operate每间隔2小时运行一次除霜模式。
另外，用户可以强制选择运行制热模式或者除霜模式，如果没有接受到用户指令，则默认运行模式切换，进行定期除霜。
图5是本发明实施例中的一种复叠式热泵系统的结构示意图，如图5所示，本发明实施例提供的一种复叠式热泵系统，包括高温级循环回路和低温级循环回路。高温级循环回路包括依次连接的高温级压缩机1-1、冷凝器2、第一节流装置和蒸发冷凝器4的第一换热侧。冷凝器2的第一换热侧的进口连接于高温级压缩机1-1的出口，冷凝器2的第一换热侧的出口连接于第二节流装置的进口，冷凝器2的第二换热侧接入使用侧流体回路。
低温级循环回路包括依次连接的低温级压缩机1-2、蒸发冷凝器4的第二换热侧、第二节流装置和蒸发器5。
还包括控制器(图中未示出)、压缩机变频器(图中未示出)以及设于蒸发冷凝器4上的目标参数传感器。压缩机变频器电连接于高温级压缩机1-1和/或低温级压缩机1-2。控制器电连接于目标参数传感器和压缩机变频器，以匹配高温级循环回路与低温级循环回路之间的热量。
具体地，高温级工质在高温级循环回路中完成高温级循环：高温级工质在蒸发冷凝器4的第一换热侧吸热，由低温低压的气液混合态变成同温同压的气态，气态工质进入高温级压缩机1-1，被压缩成高温高压的气态，气态高温工质进入冷凝器2被冷凝为同温同压下的饱和液态，同时将热量传递给使用侧流体，使用侧流体温度升高，饱和液态工质经过第一节流装置节流成低温低压的气液混合态，然后再次进入蒸发冷凝器4的第一换热侧吸热，如此完成高温级循环。
低温级工质在低温级循环回路中完成低温级循环：低温级工质在蒸发器5中吸热，由低温低压的气液混合态变成同温同压的气态，气态工质进入低温级压缩机1-2，被压缩成高温高压的气态，气态高温工质进入蒸发冷凝器4的第二换热侧被冷凝为同温同压下的饱和液态，同时将热量传递给高温级循环回路，饱和液态工质经过第二节流装置节流成低温低压的气液混合态，然后再次进入蒸发器5中吸热，如此完成低温级循环。
其中，高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2中至少有一个为变频压缩机，即可以是其中一台为变频压缩机，也可以是两台均为变频压缩机。从降低成本角度考虑，选择其中一台为变频压缩机即可满足使用需求。本实施例中以高温级压缩机1-1为定频压缩机，低温级压缩机1-2为变频压缩机为例来进行说明。压缩机变频器电连接于低温级压缩机1-2，以控制低温级压缩机1-2的频率。
目标参数传感器则可以根据控制需要选择温度传感器或者压力传感器，可以安装在蒸发冷凝器4的第一换热侧，也可以安装在蒸发冷凝器4的第二换热侧。另外，还可以设置一个用于检测环境温度的温度传感器，将环境温度传感器安装于该复叠式热泵系统周围，以测量环境温度。将所测量的环境温度作为目标参数的理想设定值的计算输入。
控制器可以为单片机或者PLC控制系统，综合处理所有传感器、变频器采集的测量信号，并输出控制信号给变频器，以调节变频压缩机的实际运行频率为设定值，进而实现高温级循环回路与低温级循环回路之间的热量匹配。
低温级循环回路还包括四通换向阀7，当系统处于制热模式时，四通换向阀7的第一端(A端)连接于低温级压缩机1-2的出口，四通换向阀7的第二端(B端)连接于蒸发冷凝器4的第二换热侧的进口，四通换向阀7的第三端(C端)连接于低温级压缩机1-2的进口，四通换向阀7的第四端(D端)连接于蒸发器5的出口。此时，低温级工质顺时针流动，蒸发冷凝器4起冷凝作用。
当系统处于除霜模式时，可以通过四通换向阀7切换低温级循环回路的工质流向，使低温级工质逆时针流动，此时蒸发器5起冷凝作用。
本实施例提供的一种复叠式热泵系统，包括高温级循环回路和低温级循环回路，两级之间通过蒸发冷凝器进行连接和热量交换，通过高温级循环回路中的冷凝器将热量最终传递至使用侧流体回路；还包括控制器、压缩机变频器以及设于蒸发冷凝器上的目标参数传感器，根据环境温度和用户设定的使用侧温度得到理想的目标参数的设定参数值，再通过压缩机变频器来调节高温级压缩机和/或低温级压缩机的运行频率，使得蒸发冷凝器上的目标参数达到设定参数值，进而实现复叠式热泵高温级与低温级之间的热量匹配，从而提升复叠式热泵系统的运行能效，同时保证机组制热需求。
进一步地，如图5所示，还包括设于冷凝器2的第二换热侧的出口的第一温度传感器6-1，控制器电连接于第一温度传感器6-1、高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2，以控制高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2的启停。具体地，第一温度传感器6-1测量的温度即为使用侧流体温度的输入值，而该复叠式热泵系统运行的最终目的则是提供一个满足工业领域高温加热需求的使用侧流体温度。当使用侧流体的输入温度不满足使用需求时，可以启动高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2，不断将热量传递给使用侧流体回路；当使用侧流体的输入温度已经满足使用需求时，可以停止高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2，以节约能源，提高能量利用率。
进一步地，如图5和图6所示，目标参数传感器包括设于蒸发冷凝器4的第一换热侧的第二温度传感器6-2、设于蒸发冷凝器4的第二换热侧的第三温度传感器6-3、设于蒸发冷凝器4的第一换热侧的第一压力传感器15-1和设于蒸发冷凝器4的第二换热侧的第二压力传感器15-2中的一种或者多种。具体地，第二温度传感器6-2用于测量蒸发冷凝器4的蒸发温度，第三温度传感器6-3用于测量蒸发冷凝器4的冷凝温度，第一压力传感器15-1用于测量蒸发冷凝器4的蒸发压力，第二压力传感器15-2用于测量蒸发冷凝器4的冷凝压力。其中，温度传感器和压力传感器各具优势，温度传感器价格便宜，安装方便；相比于温度传感器，采用压力传感器测量压力对工况变化能更加灵敏，且能直接准确测量热泵机组工质的蒸发压力或者冷凝压力。因而可以根据实际需求进行合理选配，可以选择配置其中一个传感器，测量一种目标参数，调节过程更加迅速；也可以选择配置多个传感器，综合多种目标参数进行控制，调节过程更加精确。
进一步地，如图5所示，第一节流装置可以为第一电子膨胀阀3-1，第一电子膨胀阀3-1电连接于控制器，以调节第一电子膨胀阀3-1的开度。
或者如图6所示，第一节流装置还可以为第一毛细管组件16-1，第一毛细管组件16-1包括多根第一毛细管以及与第一毛细管一一对应的第一电磁阀，第一电磁阀电连接于控制器，以控制第一毛细管的启闭。通过调节第一毛细管组件16-1中投入的第一毛细管数量，可以调节其节流能力。
通过调节第一电子膨胀阀3-1的开度或者调节第一毛细管组件16-1中投入的第一毛细管数量，可以使得高温级压缩机1-1的吸气过热度维持在预设区间内，有利于高温级压缩机1-1的稳定运行。
同样地，如图5所示，第二节流装置可以为第二电子膨胀阀3-2，第二电子膨胀阀3-2电连接于控制器，以调节第二电子膨胀阀3-2的开度。
或者，第二节流装置还可以为第二毛细管组件，第二毛细管组件包括多根第二毛细管以及与第二毛细管一一对应的第二电磁阀；第二电磁阀电连接于控制器，以控制第二毛细管的启闭。通过调节第二毛细管组件中投入的第二毛细管数量，可以调节其节流能力。
通过调节第二电子膨胀阀3-2的开度或者调节第二毛细管组件中投入的第二毛细管数量，可以使得低温级压缩机1-2的吸气过热度维持在预设区间内，有利于低温级压缩机1-2的稳定运行。
另外，第一节流装置和第二节流装置还可以采用热力膨胀阀，热力膨胀阀无需人为控制，即可自动调节吸气过热度。
进一步地，如图5所示，低温级循环回路还包括蓄热水箱9，蓄热水箱9串联或者并联接入低温级压缩机1-2和第二节流装置之间。更进一步地，蓄热水箱9内置有电加热器。利用蓄热水箱9可以在制热模式运行时存储一定量的热量，用于在除霜模式时对蒸发器5进行除霜。当低温级工质逆向流动时，蒸发器5起冷凝作用，同时蓄热水箱9作为低温级的新的蒸发器。若蓄热水箱9在制热模式下存储的热量不足时，可以开启电加热器，提供额外的热量。
进一步地，如图5和图6所示，高温级循环回路还包括经济器8和第三节流装置，经济器8的第一换热侧串联接入冷凝器2和第一节流装置之间。经济器8的第二换热侧的进口通过第三节流装置连接于经济器8的第一换热侧的进口，经济器8的第二换热侧的出口连接于高温级压缩机1-1的补气口。
具体地，第三节流装置可以为第三电子膨胀阀3-3或者第三毛细管组件16-3，或者热力膨胀阀。通过经济器8和第三节流装置，可以实现对高温级压缩机1-1的补气增焓作用。
进一步地，如图5和图6所示，高温级循环回路中在冷凝器2的第一换热侧的出口与经济器8之间还串联有第一干燥过滤器10-1和第一视液镜11-1。同样地，低温级循环回路中在蒸发冷凝器4的第二换热侧的出口与第二节流装置之间还串联有第二干燥过滤器10-2和第二视液镜11-2。通过设置干燥过滤器可以排除工质中的水分，防止造成结冰堵塞，通过设置视液镜可以确定系统内循环工质的品质和含水量，根据含水量及时更换干燥过滤器中的干燥剂。
进一步地，如图5和图6所示，高温级循环回路中在蒸发冷凝器4的第一换热侧的出口与高温级压缩机1-1的进口之间还串联有第一气液分离器12-1。同样地，低温级循环回路中在蒸发器5的出口与低温级压缩机1-2的进口之间还串联有第二气液分离器12-2。通过设置气液分离器可以去除经过蒸发后的工质中的液体，保证进入压缩机中的气体干度。
进一步地，如图5和图6所示，高温级压缩机1-1的出口处安装有第一高压开关13-1，进口处安装有第一低压开关14-1。同样地，低温级压缩机1-2的出口处安装有第二高压开关13-2，进口处安装有第二低压开关14-2。通过设置高压开关，当压缩机的出口压力达到高压开关的预设值时，压缩机自动停机，防止排气压力过高带来的不利后果。当压缩机的进口压力低于低压开关的预设值时，压缩机也自动停机。
下面结合一个复叠式热泵系统的具体控制方法来详细说明，其中高温级压缩机1-1采用定频补气增焓压缩机，低温级压缩机1-2采用变频非补气增焓压缩机。
首先，获取除霜环境温度预设值Td_air_set＝5℃和除霜间隔时间预设值t_set＝2h，检测实时环境温度值Tm_air＝3℃，计算低温级压缩机1-2的运行时间t_operate＝1h；Tm_air＜Td_air_set，系统存在结霜可能，再判断运行时间t_operate不是t_set的正整数倍，因而运行制热模式。
然后，获取目标参数的精度预设值为2.5％，设定使用侧流体的理想温度值T_set＝120℃，将当前检测的环境温度值作为记录环境温度值Tr_air＝3℃。设定使用侧流体的波动温差值ΔTu＝2℃，检测使用侧流体的实时温度值T_use＝117.9℃，计算实时温度值T_use与理想温度值T_set之间的使用侧流体温差值为2.1℃。T_set－T_use＞2℃，启动高温级压缩机1-1和低温级压缩机1-2。
接着，根据理想温度值T_set和记录环境温度值Tr_air，选择蒸发压力作为目标参数，先查表计算出蒸发温度的设定值Te_set＝40℃，再获取高温级循环回路中的高温级工质的饱和气体温度与压力对照关系，将蒸发温度的设定值Te_set转换为对应的蒸发压力的设定值Pe_set＝0.25MPa。
再检测蒸发冷凝器4内的工质的实时蒸发压力值Pe，计算实时蒸发压力值Pe与蒸发压力的设定值Pe_set之间的参数差值。不调节第一节流装置和第二节流装置，仅调节低温级压缩机1-2的运行频率，直至参数差值小于或者等于精度预设值，此时低温级压缩机1-2的运行频率记为f_operate。如图5所示，若第一节流装置采用第一电子膨胀阀3-1，第二节流装置采用第二电子膨胀阀3-2，它们的初始开度分别为Open_ini_1和Open_ini_2，保持不变。如图6所示，若第一节流装置采用第一毛细管组件16-1，则其投入的毛细管数量不变；第二节流装置采用第二电子膨胀阀3-2，其初始开度为Open_ini_2。
接着，获取对应于高温级压缩机1-1的第一吸气过热度预设区间为[5℃，10℃]，以及对应于低温级压缩机1-2的第二吸气过热度预设区间为[5℃，10℃]。固定低温级压缩机1-2的运行频率f_operate不变。调节第一节流装置和第二节流装置，直至高温级压缩机1-1的第一吸气过热度值位于第一吸气过热度预设区间内，且低温级压缩机1-2的第二吸气过热度值位于第二吸气过热度预设区间内。如图5所示，若第一节流装置采用第一电子膨胀阀3-1，第二节流装置采用第二电子膨胀阀3-2，记录它们的开度分别为Open_ad_1和Open_ad_2。如图6所示，若第一节流装置采用第一毛细管组件16-1，则记录其投入的毛细管数量；第二节流装置采用第二电子膨胀阀3-2，记录其开度为Open_ad_2。
然后，获取环境温度波动温差预设值ΔTa＝5℃，检测实时环境温度值Tm_air＝6℃，计算实时环境温度值Tm_air与记录环境温度值Tr_air之间的环境温度差值为3℃，|Tm_air－Tr_air|≤ΔTa，进入稳定运行状态。
最后，保持第一节流装置和第二节流装置的开度不变，微调低温级压缩机1-2的运行频率f_operate，使得实时蒸发压力值Pe与蒸发压力的设定值Pe_set的差值始终小于或者等于精度预设值。
通过以上实施例可以看出，本发明提供的复叠式热泵控制方法及系统，其中复叠式热泵控制方法包括制热模式，制热模式包括：获取目标参数的精度预设值，设定使用侧流体的理想温度值T_set，将当前检测的环境温度值作为记录环境温度值Tr_air；根据理想温度值T_set和记录环境温度值Tr_air，计算目标参数的设定参数值；检测蒸发冷凝器内的工质的实时参数值，计算实时参数值与设定参数值之间的参数差值；调节高温级压缩机和/或低温级压缩机的运行频率，直至参数差值小于或者等于精度预设值，进而实现复叠式热泵高温级与低温级之间的热量匹配，从而提升复叠式热泵系统的运行能效，同时保证机组制热需求。利用该复叠式热泵控制方法可以使得使用侧流体温度达80℃-140℃，为工业领域高温加热需求提供更加节能环保的技术解决方案。
进一步地，本发明提供的复叠式热泵系统包括高温级循环回路和低温级循环回路，两级之间通过蒸发冷凝器进行连接和热量交换，通过高温级循环回路中的冷凝器将热量最终传递至使用侧流体回路；还包括控制器、压缩机变频器以及设于蒸发冷凝器上的目标参数传感器，根据环境温度和用户设定的使用侧温度得到理想的目标参数的设定参数值，再通过压缩机变频器来调节高温级压缩机和/或低温级压缩机的运行频率，使得蒸发冷凝器上的目标参数达到设定参数值，进而实现复叠式热泵高温级与低温级之间的热量匹配。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.一种复叠式热泵控制方法，其特征在于，包括制热模式，所述制热模式包括：
获取目标参数的精度预设值，设定使用侧流体的理想温度值T_set，将当前检测的环境温度值作为记录环境温度值Tr_air；
根据所述理想温度值T_set和所述记录环境温度值Tr_air，计算所述目标参数的设定参数值；
检测蒸发冷凝器内的工质的实时参数值，计算所述实时参数值与所述设定参数值之间的参数差值；
调节高温级压缩机和/或低温级压缩机的运行频率，直至所述参数差值小于或者等于所述精度预设值。
2.根据权利要求1所述的复叠式热泵控制方法，其特征在于，所述制热模式在所述获取目标参数的精度预设值，设定使用侧流体的理想温度值之后，在所述根据所述理想温度值T_set和所述记录环境温度值Tr_air，计算所述目标参数的设定参数值之前，还包括：
设定所述使用侧流体的波动温差值ΔTu；
检测所述使用侧流体的实时温度值T_use，计算所述实时温度值T_use与所述理想温度值T_set之间的使用侧流体温差值；
当所述使用侧流体温差值大于所述波动温差值ΔTu，且所述实时温度值T_use大于所述理想温度值T_set(即T_use－T_set＞ΔTu)时，停止所述高温级压缩机和所述低温级压缩机；或者
当所述使用侧流体温差值大于所述波动温差值ΔTu，且所述实时温度值T_use小于所述理想温度值T_set(即T_set－T_use＞ΔTu)时，启动所述高温级压缩机和所述低温级压缩机；或者
当所述使用侧流体温差值小于或者等于所述波动温差值ΔTu(即|T_set－T_use|≤ΔTu)时，保持所述高温级压缩机和所述低温级压缩机为上一运行状态。
3.根据权利要求1所述的复叠式热泵控制方法，其特征在于，所述目标参数包括所述蒸发冷凝器的蒸发温度、冷凝温度、蒸发压力和冷凝压力中的一种或者多种。
4.根据权利要求3所述的复叠式热泵控制方法，其特征在于，所述根据所述理想温度值T_set和所述记录环境温度值Tr_air，计算所述目标参数的设定参数值，进一步包括：
当所述目标参数包括所述蒸发压力时，先计算出所述蒸发温度的设定值Te_set，再获取高温级循环回路中的高温级工质的饱和气体温度与压力对照关系，通过查询所述高温级工质的饱和气体温度与压力对照表，或者通过所述高温级工质的饱和气体压力与饱和气体温度的拟合一元多项式计算，将所述蒸发温度的设定值Te_set转换为对应的所述蒸发压力的设定值Pe_set；或者
当所述目标参数包括所述冷凝压力时，先计算出所述冷凝温度的设定值Tc_set，再获取低温级循环回路中的低温级工质的饱和液体温度与压力对照关系，通过查询所述低温级工质的饱和气体温度与压力对照表，或者通过所述低温级工质的饱和液体压力拟合为关于饱和液体温度的拟合一元多项式计算，将所述冷凝温度的设定值Tc_set转换为对应的所述冷凝压力的设定值Pc_set；或者
当所述目标参数包括所述蒸发温度时，直接计算出所述蒸发温度的设定值Te_set；或者
当所述目标参数包括所述冷凝温度时，直接计算出所述冷凝温度的设定值Tc_set。
5.根据权利要求1所述的复叠式热泵控制方法，其特征在于，所述制热模式在所述调节高温级压缩机和/或低温级压缩机的运行频率，直至所述参数差值小于或者等于所述精度预设值之后，还包括：
获取对应于所述高温级压缩机的第一吸气过热度预设区间以及对应于所述低温级压缩机的第二吸气过热度预设区间；
调节第一节流装置和第二节流装置，直至所述高温级压缩机的第一吸气过热度值位于所述第一吸气过热度预设区间内，且所述低温级压缩机的第二吸气过热度值位于所述第二吸气过热度预设区间内。
6.根据权利要求5所述的复叠式热泵控制方法，其特征在于，所述制热模式在所述调节第一节流装置和第二节流装置，直至所述高温级压缩机的第一吸气过热度值位于所述第一吸气过热度预设区间内，且所述低温级压缩机的第二吸气过热度值位于所述第二吸气过热度预设区间内之后，还包括：
获取环境温度波动温差预设值ΔTa；
检测实时环境温度值Tm_air，计算所述实时环境温度值Tm_air与所述记录环境温度值Tr_air之间的环境温度差值；
当所述环境温度差值小于或者等于所述环境温度波动温差预设值ΔTa(即|Tm_air－Tr_air|≤ΔTa)时，进入稳定运行状态；或者
当所述环境温度差值大于所述环境温度波动温差预设值ΔTa(即|Tm_air－Tr_air|＞ΔTa)时，将所述实时环境温度值Tm_air作为新的记录环境温度值Tr_air，计算所述目标参数的设定参数值。
7.根据权利要求6所述的复叠式热泵控制方法，其特征在于，所述制热模式在进入稳定运行状态之后，还包括：
固定所述第一节流装置和所述第二节流装置的开度，微调所述高温级压缩机和/或低温级压缩机的运行频率，使所述第一吸气过热度值始终位于所述第一吸气过热度预设区间内，且所述第二吸气过热度值始终位于所述第二吸气过热度预设区间内。
8.根据权利要求1所述的复叠式热泵控制方法，其特征在于，还包括除霜模式，所述除霜模式包括：
停止所述高温级压缩机，通过四通换向阀切换低温级循环回路的工质流向，连通所述四通换向阀的第二端和第三端，以使所述低温级压缩机的进口连通于所述蒸发冷凝器的第二换热侧；连通所述四通换向阀的第一端和第四端，以使所述低温级压缩机的出口连通于蒸发器。
9.根据权利要求8所述的复叠式热泵控制方法，其特征在于，所述制热模式和所述除霜模式之间还包括模式切换，所述模式切换包括：
获取除霜环境温度预设值Td_air_set和除霜间隔时间预设值t_set；
检测实时环境温度值Tm_air，计算所述低温级压缩机的运行时间t_operate；
当所述实时环境温度值Tm_air小于所述除霜环境温度预设值Td_air_set(即Tm_air＜Td_air_set)时，判断所述运行时间t_operate是否为除霜间隔时间预设值t_set的正整数倍；若是，则运行所述除霜模式；若否，则运行所述制热模式；
当所述实时环境温度值Tm_air大于或者等于所述除霜环境温度预设值Td_air_set(即Tm_air≥Td_air_set)时，运行所述制热模式。
10.一种使用如权利要求1至9中任一项所述的复叠式热泵控制方法的复叠式热泵系统，其特征在于，包括高温级循环回路和低温级循环回路，所述高温级循环回路包括依次连接的高温级压缩机、冷凝器、第一节流装置和蒸发冷凝器的第一换热侧，所述低温级循环回路包括依次连接的低温级压缩机、所述蒸发冷凝器的第二换热侧、第二节流装置和蒸发器，所述冷凝器的第一换热侧的两端分别连接于所述高温级压缩机和所述第一节流装置，所述冷凝器的第二换热侧接入使用侧流体回路；
还包括控制器、压缩机变频器以及设于所述蒸发冷凝器的目标参数传感器；所述压缩机变频器电连接于所述高温级压缩机和/或所述低温级压缩机；所述控制器电连接于所述目标参数传感器和所述压缩机变频器，以匹配所述高温级循环回路与所述低温级循环回路之间的热量；
所述低温级循环回路还包括四通换向阀，所述四通换向阀的第一端连接于所述低温级压缩机的出口，所述四通换向阀的第二端连接于所述蒸发冷凝器的第二换热侧的进口，所述四通换向阀的第三端连接于所述低温级压缩机的进口，所述四通换向阀的第四端连接于所述蒸发器的出口。
11.根据权利要求10所述的复叠式热泵系统，其特征在于，还包括设于所述冷凝器的第二换热侧的出口的第一温度传感器，所述控制器电连接于所述第一温度传感器、所述高温级压缩机和所述低温级压缩机，以控制所述高温级压缩机和所述低温级压缩机的启停；
所述目标参数传感器包括设于所述蒸发冷凝器的第一换热侧的第二温度传感器、设于所述蒸发冷凝器的第二换热侧的第三温度传感器、设于所述蒸发冷凝器的第一换热侧的第一压力传感器和设于所述蒸发冷凝器的第二换热侧的第二压力传感器中的一种或者多种。
12.根据权利要求10所述的复叠式热泵系统，其特征在于，所述第一节流装置为第一电子膨胀阀，所述第一电子膨胀阀电连接于所述控制器，以调节所述第一电子膨胀阀的开度；或者所述第一节流装置为第一毛细管组件，所述第一毛细管组件包括多根第一毛细管以及与所述第一毛细管一一对应的第一电磁阀；所述第一电磁阀电连接于所述控制器，以控制所述第一毛细管的启闭；
所述第二节流装置为第二电子膨胀阀，所述第二电子膨胀阀电连接于所述控制器，以调节所述第二电子膨胀阀的开度；或者所述第二节流装置为第二毛细管组件，所述第二毛细管组件包括多根第二毛细管以及与所述第二毛细管一一对应的第二电磁阀；所述第二电磁阀电连接于所述控制器，以控制所述第二毛细管的启闭。
13.根据权利要求10所述的复叠式热泵系统，其特征在于，所述低温级循环回路还包括蓄热水箱，所述蓄热水箱串联或者并联接入所述低温级压缩机和所述第二节流装置之间；所述蓄热水箱内置有电加热器。
14.根据权利要求10所述的复叠式热泵系统，其特征在于，所述高温级循环回路还包括经济器和第三节流装置，所述经济器的第一换热侧串联接入所述冷凝器和所述第一节流装置之间；所述经济器的第二换热侧的进口通过所述第三节流装置连接于所述经济器的第一换热侧的进口，所述经济器的第二换热侧的出口连接于所述高温级压缩机的补气口。
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