CN110793240A - 大型化空气源热泵低能耗运行系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大型化空气源热泵低能耗运行系统及控制方法，属于热泵系统技术领域，所述的控制方法包括主动调节：热水循环流量的调节与压缩机的停开控制；随动调节：空气换热器的风机功率调整与防冻液循环流量的调整。在系统处于供热不饱和状态时，通过主动调整及随动调整，最大限度发挥了换热器在不饱和运行时的剩余换热能力，使系统处于最低能耗运行状态。

Description

大型化空气源热泵低能耗运行系统及控制方法

技术领域

本发明属于热泵系统技术领域，涉及空气源热泵系统，特别涉及大型化空气源热泵低能耗运行系统及控制方法。

背景技术

目前空气源热泵系统环境空气换热器均采用制冷剂蒸发直接换热，制冷剂液—汽相变单位体积吸收的热量很大，以R22为例，液—汽相变的热焓为2.78×10⁵KJ/m³，而空气比热仅0.78KJ/m³·K，如果空气换热温差达到10K，3.5×10⁴m³空气的换热能力与1m³制冷剂发生液—汽相变吸收的热量相当，换热界面的介质流量差距达到4个数量级。同时，制冷剂液—汽相变只发生在液—汽相变的界面，即制冷剂液—汽相变只能分布在换热器很小的局部，即使增加换热器体积，可发生制冷剂液—汽相变的有效换热面积很难随着增加，因此，传统空气源热泵大型化时没有采用一个大型蒸发器对应多个压缩机的方案，而是采用压缩机与蒸发器一一对应的组合方式，在空气源热泵机组功率调节时停开某一台压缩机与之对应的蒸发器也处于停用状态。

由于压缩机与换热器处于同开同停状态，压缩机停机时与之对应的换热器也处于停运状态，无法利用压缩机停运后对应换热器剩余的换热能力。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供大型化空气源热泵低能耗运行系统及控制方法，将传统空气源热泵系统由一级换热变为二级换热，即空气—防冻液换热、防冻液—制冷剂液—汽相变换热；并且在空气源热泵系统处于供热不饱和状态时，通过主动调整及随动调整，最大限度发挥了空气源换热器、蒸发器、冷凝器三个换热器在不饱和运行时的剩余换热能力，以主动或随动方式降低了风机、防冻液循环泵、热水循环泵的运行功率，并降低了制冷剂蒸发、冷凝的温度差，又提高了压缩机的理论工作能效，使系统处于最低能耗运行状态。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种大型化空气源热泵低能耗运行系统，包括空气源热泵系统、在线监测系统和控制电脑，所述空气源热泵系统包括环境空气换热器模块、热泵机组模块、用户能源供给侧模块，所述环境空气换热器模块通过防冻液介质与热泵机组模块进行间接换热，用户能源供给侧模块通过水与热泵机组模块进行间接换热，所述环境空气换热器模块、热泵机组模块、用户能源供给侧模块三个模块之间联动控制。

进一步的，所述环境空气换热器模块包括空气换热器、防冻液膨胀水箱和风机，防冻液膨胀水箱与空气换热器连接。

进一步的，所述热泵机组模块包括蒸发器和防冻液换热循环系统、压缩机机组、膨胀阀、冷凝器和水换热循环系统，所述用户能源供给侧模块包括缓冲水箱和用户供热水泵，所述蒸发器和防冻液换热循环系统与防冻液膨胀水箱连接，所述冷凝器和水换热循环系统与缓冲水箱连接；所述压缩机机组为多台压缩机，所述蒸发器与压缩机为一台对多台的关系，蒸发器产生的低温防冻液输入环境空气换热器模块，低温防冻液从环境吸收热能升温后高温防冻液返回蒸发器，所述冷凝器与压缩机为一台对多台的关系，冷凝器产生的高温热水输入用户能源供给侧模块，高温热水向用户释放热能降温后低温热水返回冷凝器。

进一步的，所述防冻液换热循环系统上设有防冻液循环泵，所述水换热循环系统上设有热源循环水泵。

进一步的，所述在线监测系统包括用于监测空气换热器进口风温T_f1的传感器f1、用于监测空气换热器出口风温T_f2的传感器f2，还包括用于监测冷凝器出水水温T_C1的传感器C1、用于监测冷凝器回水水温T_C2的传感器C2，还包括用于监测循环热水流量V_w的流量计W、用于监测循环防冻液流量V_y的流量计y，所述在线监测系统将实时采集的数据传输至控制电脑。

本发明还提供一种大型化空气源热泵低能耗运行控制方法，利用前面所述的系统进行，包括：

主动调节：热水循环流量的调节与压缩机的停开控制；

随动调节：空气换热器的风机功率调整与防冻液循环流量的调整。

进一步的，主动调节是：依据用户供热面积和环境空气温度，按照冷凝器高温热水出水水温、低温热水回水水温，热水循环流量相关性设定：冷凝器出水水温T_C1、冷凝器回水水温T_C2、循环热水流量V_w为控制输入基础信号，依据该组信号控制热水循环流量的大小和压缩机的开停数量。

进一步的，随动调节是：热水循环流量的调节与压缩机的开停数量调节，这种变化传导到热泵机组模块内蒸发器热交换、环境空气换热器热交换、以及两者的联动关系。

进一步的，随动调节以空气换热器的风机功率调整为主，防冻液循环流量调整为辅，随动调节方法如下：

设定空气换热器额定换热量在线随动关系：

Q_h1＝C_W*V_W*(T_C1-T_C2)

式中：Q_h1：空气换热器额定换热量在线随动值

C_W：循环热水比热

V_W：循环热水流量

T_C1、T_C2：冷凝器出水水温、冷凝器回水水温的在线测定值；

设定空气换热器进出口风温额定温差在线波动设定值：

ΔT_f＝f(Q_h1,V_f)

式中：ΔT_f：空气换热器进出口风温额定温差在线波动设定值

Q_h1：空气换热器额定换热量在线随动值

V_f：空气换热器出口风速实测值；

在空气换热器端在线测定如下参数：空气换热器出口风温T_f2、空气换热器进口风温T_f1；空气换热器出口风速V_f；循环防冻液流量V_y。

主动调节引起Q_h1变化，进而引起设定值ΔT_f的变化，根据在线实测T_f1、T_f2得ΔT_f实测值，ΔT_f实测值与设定值比对：

实测值≧设定值，则提高风机功率以加大风机风速，提高通过环境换热器的风量；如果风量达到最大设定风量，则提高循环防冻液流量；

实测值≦设定值，则降低风机功率减小风机风速，降低通过空气换热器的风量，直至关闭风机仅利用自然风换热；同时降低循环防冻液流量。

与现有技术相比，本发明优点在于：

环境空气换热器模块、热泵机组模块、用户能源供给侧模块三个模块之间进行联动控制，在线调整各个控制元件的运行状态，统计计算在线能耗水平，通过与最低能耗模型进行回归比较反馈调整运行参数，使运行系统处于低能耗运行状态，实现全系统高能效比运行。

在系统处于供热不饱和状态时，通过主动调整及随动调整，最大限度发挥了空气换热器、蒸发器、冷凝器三个换热器在不饱和运行时的剩余换热能力，以主动或随动方式降低了风机、防冻液循环泵、热水循环泵的运行功率，并降低了制冷剂蒸发、冷凝的温度差，又提高了压缩机的理论工作能效，使系统处于最低能耗运行状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为本发明的系统结构示意图(图中未示出在线监测系统及控制电脑)；

图2为本发明的低能耗运行控制方法示意图。

图中，1.空气换热器；2.防冻液膨胀水箱；3.防冻液循环泵；4.蒸发器；5.压缩机；6.膨胀阀；7.冷凝器；8.热源循环水泵；9.用户供热水泵；10.缓冲水箱；11.风机。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，大型化空气源热泵低能耗运行系统，包括空气源热泵系统、在线监测系统和控制电脑。空气源热泵系统包括环境空气换热器模块、热泵机组模块、用户能源供给侧模块，环境空气换热器模块通过防冻液介质与热泵机组模块进行间接换热，用户能源供给侧模块通过水与热泵机组模块进行间接换热，环境空气换热器模块、热泵机组模块、用户能源供给侧模块三个模块之间联动控制，使系统处于低能耗运行状态，实现全系统高能效比运行。

下面进一步的详细介绍各模块结构组成：

环境空气换热器模块，包括空气换热器1、防冻液膨胀水箱2和风机11，风机11为工业通风机，防冻液膨胀水箱2与空气换热器1连接。

热泵机组模块，包括蒸发器4、防冻液换热循环系统、压缩机机组、膨胀阀6、冷凝器7和水换热循环系统，防冻液换热循环系统上设有防冻液循环泵3，水换热循环系统上设有热源循环水泵8。压缩机机组为多台压缩机5，本实施例以4台压缩机5并联设置为例说明。

在实际设计使用时，本系统的空气换热器1的换热介质为防冻液，防冻液的凝固点低于环境空气温度，空气换热器1为单台、或多台并联、或多台串联，本实施例及图1以单台为例说明。同时，空气换热器1可以根据需求与热泵机组模块自由匹配，可以一对一，或者以串联、并联方式实现一对多，或者多对一。本实施例及图1所示的空气换热器1与热泵机组模块以一对一方式匹配、并且热泵机组模块内的压缩机5以并联设置4台为例说明。

用户能源供给侧模块，包括缓冲水箱10和用户供热水泵9，蒸发器4和防冻液换热循环系统与防冻液膨胀水箱2连接，冷凝器7和水换热循环系统与缓冲水箱10连接；蒸发器4与压缩机5为一台对多台的关系，蒸发器4产生的低温防冻液输入环境空气换热器模块，低温防冻液从环境吸收热能升温后高温防冻液返回蒸发器4，冷凝器7与压缩机5为一台对多台的关系，冷凝器7产生的高温热水输入用户能源供给侧模块，高温热水向用户释放热能降温后低温热水返回冷凝器7。

在线监测系统，包括用于监测空气换热器进口风温T_f1的传感器f1、用于监测空气换热器出口风温T_f2的传感器f2，还包括用于监测冷凝器出水水温T_C1的传感器C1、用于监测冷凝器回水水温T_C2的传感器C2，还包括用于监测循环热水流量V_w的流量计W、用于监测循环防冻液流量V_y的流量计y。在线监测系统将实时采集的数据传输至控制电脑。可以通过控制电脑在线调整各个控制元件的运行状态，统计计算在线能耗水平，并通过与最低能耗模型进行回归比较反馈调整运行参数，使运行系统处于低能耗运行状态，实现全系统高能效比运行。

本发明防冻液—制冷剂液—汽相变换热替代传统空气—制冷剂液—汽相变换热后，换热器两侧热焓差距大幅缩小，即使防冻液换热前后只有2K温差，约300m³防冻液的换热能力与1m³制冷剂发生液—汽相变吸收的热量相当，换热界面的介质流量差距缩小到2个数量级之内，缩小100倍。因此，增加防冻液—制冷剂液—汽相变换热器(蒸发器)换热器的面积就具有了实际意义，防冻液—制冷剂液—汽相变换热器(蒸发器)与压缩机按照一对多的方式进行匹配设计，蒸发器换热面积按照最大换热能力考虑。

同样，空气—防冻液温差换热替代空气—制冷剂液—汽相变换热后，空气换热器两侧热焓差距大幅缩小，换热界面的介质流量差距也缩小到2个数量级之内。因此，增加空气换热器换热面积就具有了实际意义，一台或多台串联或并联的空气—防冻液换热器(即空气换热器)与压缩机模块按照一对多的方式进行匹配设计，空气—防冻液换热器换热面积按照最大换热能力考虑。

换热器最大换热能力对应设计设定的最恶劣使用条件，大多数情况下供热系统不对应最大换热能力，即大型化空气源热泵系统的三个换热设备：冷凝器、蒸发器、空气换热器均按照最大换热能力设计，系统运行多数时间处于供热能力不饱和状态，换热能力处于过剩状态。

本发明两台联动的换热器与压缩机处于一对多模式，则在与之对应的多台压缩机处于不饱和运行状态时，换热器过剩的换热能力将带来两个效应：可以降低防冻液循环泵的功率，或者提高压缩机的工作制冷效率。即换热器换热能力能产生一定量的过剩值，为充分挖掘这部分过剩能力，在保证达到要求换热能力(对应不饱和供热状态)条件下，可以降低防冻液的流通量，即调低循环泵工作功率；同时过剩的换热能力可以在保证达到要求换热能力(对应不饱和供热状态)条件下，降低防冻液平均温度与制冷剂蒸发温度的温度差，即在一定程度上提高制冷剂蒸发温度，制冷剂蒸发温度的提高可以提高压缩机作为致冷机的致冷系数。理想状态下制冷系数计算公式如下：

e＝Q₂/W＝Q₂/(Q₁-Q₂)＝T₂/(T₁-T₂)

式中：e:理想状态下制冷系数

W:压缩机对气体(制冷剂蒸汽所做的功)

Q₁:工作介质向高温区释放的热量

Q₂:工作介质从低温区吸收的热量

T₁:工作介质在高温区高压相变时对应的气—液相变温度

T₂:工作介质在低温区低压相变时对应的液—气相变温度。

同时，空气换热器换热冷媒介质由制冷剂蒸发变为防冻液温降后，防冻液充满换热管，空气换热器的换热面积得到有效利用。压缩机不饱和工作状态下，空气换热器的换热能力也产生过剩，体现为防冻液的循环流量与进出口温差均产生下降，这时可以降低直至关闭空气换热器的风机，仅采用自然风，如果即使仅采用自然风换热能力仍有过剩量，则允许环境空气与防冻液有更小的换热温差，防冻液的平均温度可以进一步提高，防冻液平均温度的提高又可以提高压缩机在理想状态下的制冷系数。

结合前面的原理解释及附图2，本实施例提供的大型化空气源热泵低能耗运行控制方法，包括：

主动调节：热水循环流量的调节与压缩机的停开控制；

随动调节：空气换热器的风机功率调整与防冻液循环流量的调整。

对系统运行的控制目标是：保持用户环境温度在设定区间，为达到控制目标则用户需热量随环境空气温度变化而变。主动调节是：依据用户供热面积和环境空气温度，按照冷凝器高温热水出水水温、低温热水回水水温，热水循环流量相关性设定：冷凝器出水水温T_C1、冷凝器回水水温T_C2、循环热水流量V_w为控制输入基础信号，依据该组信号控制热水循环流量的大小和压缩机的开停数量。热水循环流量的调节属于弱调节，在额定流量的30％～100％之间调节，压缩机的开停调节属于强调节，在全开与全停之间调节。

通过在线监测系统在线测定T_C1、T_C2，依据设定值与在线测定结果的偏差，通过热水循环流量的调整与压缩机的停开控制热能输出量，具体调控方法如下表：

T<sub>C1</sub>线测定结果	≧设定值	≦设定值	≧设定值	≦设定值
					T<sub>C2</sub>线测定结果	≧设定值	≦设定值	≦设定值	≧设定值
热水循环流量	保持	保持	↑	↓
					压缩机的停开	停	开	保持	保持

压缩机的停开、热水循环流量是依据环境温度、用户数量变化引起用户用热需求量变化导致冷凝器出水水温T_C1、冷凝器回水水温T_C2变化而进行的主动调节，该调节引发的运行变化传递到其他模块，如热泵机组模块内蒸发器热交换、空气换热器热交换、以及两者的联动关系，随之进行随动调节。

防冻液介质的热交换效率由防冻液介质换热前后的温差体现，防冻液介质的热交换能耗由防冻液介质的循环流量体现，二者体现出反向效应：循环流量小、温差大、能耗低、要求热交换效率高；循环流量大、温差小、能耗高、要求热交换效率低。防冻液流量、温差的变化传导到环境空气换热器模块与环境空气的热交换，环境空气的热交换效率由环境空气换热前后的温差体现，环境空气的热交换能耗由环境空气通过空气换热器的流量体现，空气换热器的流量由自然风速与外加风机决定，环境空气换热效率与换热能耗同样体现出反向效应：空气流量小、温差大、能耗低、要求热交换效率高；空气流量大、温差小、能耗高、要求热交换效率低。

随动调节以空气换热器的风机功率调整为主，防冻液循环流量调整为辅，随动调节方法如下：

设定空气换热器额定换热量在线随动关系：

Q_h1＝C_W*V_W*(T_C1-T_C2)

式中：Q_h1：空气换热器额定换热量在线随动值

C_W：循环热水比热

V_W：循环热水流量

T_C1、T_C2：冷凝器出水水温、冷凝器回水水温的在线测定值；

设定空气换热器进出口风温额定温差在线波动设定值：

ΔT_f＝f(Q_h1,V_f)

式中：ΔT_f：空气换热器进出口风温额定温差在线波动设定值

Q_h1：空气换热器额定换热量在线随动值

V_f：空气换热器出口风速实测值；

在空气换热器端在线测定如下参数：空气换热器出口风温T_f2、空气换热器进口风温T_f1；空气换热器出口风速V_f；循环防冻液流量V_y；

压缩机停开、热水循环流量的增减等主动调节引起Q_h1变化，进而引起设定值ΔT_f的变化，根据在线实测T_f1、T_f2得ΔT_f实测值，ΔT_f实测值与设定值比对，随动控制方法如下：

实测值≧设定值，则提高风机功率以加大风机风速，提高通过环境换热器的风量；如果风量达到最大设定风量，则提高循环防冻液流量；

实测值≦设定值，则降低风机功率减小风机风速，降低通过空气换热器的风量，直至关闭风机仅利用自然风换热；同时降低循环防冻液流量。

综上所述，空气源热泵系统的供热设计能力一般均按照最大供热能力计算，最大供热能力仅出现在最冷日的最冷时段(通常在凌晨2点至6点的时段)，通常状态下空气源热泵系统均处于供热不饱和状态，即压缩机部分开启，部分停运状态。本发明在空气源热泵系统处于供热不饱和状态时，通过主动调整及随动调整，最大限度发挥了环境空气换热器、蒸发器、冷凝器三个换热器在不饱和运行时的剩余换热能力，以主动或随动方式降低了风机、防冻液循环泵、热水循环泵的运行功率，并降低了制冷剂蒸发、冷凝的温度差，又提高了压缩机的理论工作能效，使系统处于最低能耗运行状态。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.大型化空气源热泵低能耗运行系统，其特征在于，包括空气源热泵系统、在线监测系统和控制电脑，所述空气源热泵系统包括环境空气换热器模块、热泵机组模块、用户能源供给侧模块，所述环境空气换热器模块通过防冻液介质与热泵机组模块进行间接换热，用户能源供给侧模块通过水与热泵机组模块进行间接换热，所述环境空气换热器模块、热泵机组模块、用户能源供给侧模块三个模块之间联动控制。

2.根据权利要求1所述的大型化空气源热泵低能耗运行系统，其特征在于：所述环境空气换热器模块包括空气换热器、防冻液膨胀水箱和风机，防冻液膨胀水箱与空气换热器连接。

3.根据权利要求2所述的大型化空气源热泵低能耗运行系统，其特征在于：所述热泵机组模块包括蒸发器和防冻液换热循环系统、压缩机机组、膨胀阀、冷凝器和水换热循环系统，所述用户能源供给侧模块包括缓冲水箱和用户供热水泵，所述蒸发器和防冻液换热循环系统与防冻液膨胀水箱连接，所述冷凝器和水换热循环系统与缓冲水箱连接；所述压缩机机组为多台压缩机，所述蒸发器与压缩机为一台对多台的关系，蒸发器产生的低温防冻液输入环境空气换热器模块，低温防冻液从环境吸收热能升温后高温防冻液返回蒸发器，所述冷凝器与压缩机为一台对多台的关系，冷凝器产生的高温热水输入用户能源供给侧模块，高温热水向用户释放热能降温后低温热水返回冷凝器。

4.根据权利要求3所述的大型化空气源热泵低能耗运行系统，其特征在于：所述防冻液换热循环系统上设有防冻液循环泵，所述水换热循环系统上设有热源循环水泵。

5.根据权利要求3所述的大型化空气源热泵低能耗运行系统，其特征在于：所述在线监测系统包括用于监测空气换热器进口风温T_f1的传感器f1、用于监测空气换热器出口风温T_f2的传感器f2，还包括用于监测冷凝器出水水温T_C1的传感器C1、用于监测冷凝器回水水温T_C2的传感器C2，还包括用于监测循环热水流量V_w的流量计W、用于监测循环防冻液流量V_y的流量计y，所述在线监测系统将实时采集的数据传输至控制电脑。

6.大型化空气源热泵低能耗运行控制方法，其特征在于，利用权利要求5所述的系统进行，包括：

主动调节：热水循环流量的调节与压缩机的停开控制；

随动调节：空气换热器的风机功率调整与防冻液循环流量的调整。

7.根据权利要求6所述的大型化空气源热泵低能耗运行控制方法，其特征在于，主动调节是：依据用户供热面积和环境空气温度，按照冷凝器高温热水出水水温、低温热水回水水温，热水循环流量相关性设定：冷凝器出水水温T_C1、冷凝器回水水温T_C2、循环热水流量V_w为控制输入基础信号，依据该组信号控制热水循环流量的大小和压缩机的开停数量。

8.根据权利要求6所述的大型化空气源热泵低能耗运行控制方法，其特征在于：随动调节是：热水循环流量的调节与压缩机的开停数量调节，这种变化传导到热泵机组模块内蒸发器热交换、环境空气换热器热交换、以及两者的联动关系。

9.根据权利要求7所述的大型化空气源热泵低能耗运行控制方法，其特征在于，随动调节以空气换热器的风机功率调整为主，防冻液循环流量调整为辅，随动调节方法如下：

设定空气换热器额定换热量在线随动关系：

Q_h1＝C_W*V_W*(T_C1-T_C2)

式中：Q_h1：空气换热器额定换热量在线随动值

C_W：循环热水比热

V_W：循环热水流量

T_C1、T_C2：冷凝器出水水温、冷凝器回水水温的在线测定值；

设定空气换热器进出口风温额定温差在线波动设定值：

ΔT_f＝f(Q_h1,V_f)

式中：ΔT_f：空气换热器进出口风温额定温差在线波动设定值

Q_h1：空气换热器额定换热量在线随动值

V_f：空气换热器出口风速实测值；

在空气换热器端在线测定如下参数：空气换热器出口风温T_f2、空气换热器进口风温T_f1；空气换热器出口风速V_f；循环防冻液流量V_y；

主动调节引起Q_h1变化，进而引起设定值ΔT_f的变化，根据在线实测T_f1、T_f2得ΔT_f实测值，ΔT_f实测值与设定值比对：

实测值≧设定值，则提高风机功率以加大风机风速，提高通过环境换热器的风量；如果风量达到最大设定风量，则提高循环防冻液流量V_y；

实测值≦设定值，则降低风机功率减小风机风速，降低通过空气换热器的风量，直至关闭风机仅利用自然风换热；同时降低循环防冻液流量V_y。

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