CN111006425A - 一种基于目标负荷控制的多并联二氧化碳热泵控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于目标负荷控制的多并联二氧化碳热泵控制方法，所述多并联二氧化碳热泵包括二氧化碳循环回路、热源管路和热水管路，其控制方法为：根据热水管路出入口的温度、热水管路出口的温度、热水管路中的流量和用户设置的目标出水温度，调节电子膨胀阀的开度，由于本发明能够基于用户侧温度、流量等参数的波动，通过调节电子膨胀阀实现系统压力的稳态变化，以实现系统能量的稳定调节，实现目标出水温度变化曲线快速和稳定收敛至目标值，保证能够快速稳定出水温度。

Description

一种基于目标负荷控制的多并联二氧化碳热泵控制方法
技术领域
本发明涉及到一种热泵装置的控制方法，尤其涉及了一种基于目标负荷控制的多并联形式热泵机组的能量调节控制方法。
背景技术
作为替代传统能源供应方式的节能环保设备，热泵技术已成为了当前研究的热点。目前，冷凝温度低于50℃的常温热泵技术已经成熟并且进入市场应用阶段，为了满足工业需求，拓宽热泵在工业上的应用范围，热泵技术正在朝着高温化，高效化，绿色化，供热范围广的方向发展。推广和使用供热能量大，环境友好、可再生利用、循环性能优良的热泵是拓宽热泵技术应用范围的重点和难点之一。
绿色环保和高效节能的二氧化碳热泵系统，从单循环单系统，向多并联系统发展，从常规家用和轻商型，向工业和商业的大规格能源设备拓展，兆瓦级冷热量的输出，不低于8.0系统综合能效，不仅有利于节能、改善大气环境，更能够带动产业机构的调整，替代部分环保低效的供热方式，例如煤油气锅炉，带动国家经济的发展。
二氧化碳热泵系统运行压力较常规冷媒热泵高4~5倍，系统加减载很容易造成压力波动导致系统不稳定，出水温度波动，并由此带来了能源的浪费。所以，目前的多并联式的二氧化碳热泵系统通常存在控制方式的缺陷带来的能源利用率不高的问题。因此，目前需要一种能源利用率较高的多并联二氧化碳热泵控制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种节能高效的多并联二氧化碳热泵控制方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于目标负荷控制的多并联二氧化碳热泵控制方法，所述多并联二氧化碳热泵包括二氧化碳循环回路、热源管路和热水管路，所述热泵环路包括依次串联设置在环路中的蒸发器蒸发管、气液分离器、压缩机组、油气分离器、冷却器冷凝管和电子膨胀阀，所述蒸发器蒸发管与所述热源管路相互换热地设置在一起，所述热水管路与所述冷却器冷凝管相互换热地设置在一起，所述压缩机组包括多个并联设置的能够变频的二氧化碳压缩机，所述热水管路上设置有水泵和流量计，且所述热水管路出入口端均设置有温度传感器，所述控制方法为：根据热水管路出入口的温度、热水管路出口的温度、热水管路中的流量和用户设置的目标出水温度，调节电子膨胀阀的开度。
优选地，所述控制方法包括以下步骤：
1.）获取热水管路入口温度Thi、热水管路出口温度Tho和热水管路中的流量V，并根据用户设置的目标出水温度Tobj，计算目标制热量Q=1.163*(Tobj-Thi)*V，计算当前制热量Qc=1.163*(Tobj-Tho)*V；
2）设置每台压缩机运行在50Hz时，二氧化碳热泵系统负荷为100%，多并联二氧化碳热泵包含的压缩机数量为n台，按照额定工况，每台压缩机的额定制热量为Qs，则目标负荷值L=Q/(n*Qs)*100%，实际负荷值Lr=Qc/(n*Qs)*100%；
3）通过目标负荷L、实际负荷Lr、变频压缩机台数n，变频压缩机变频上限Fmax和下限Fmin计算得到电子膨胀阀的目标开度，
Figure 880303DEST_PATH_IMAGE001
，其中A， B，C分别为特定系数。
）根据电子膨胀阀的目标开度Ke调节电子膨胀阀的开度。
优选地，当目标负荷L≥实际负荷Lr且电子膨胀阀目标开度Ke≥当前开度Kc，则将电子膨胀阀调节至目标开度Ke；
当目标负荷L<实际负荷Lr且电子膨胀阀目标开度Ke≥当前开度Kc，则电子膨胀阀保持当前开度Kc不变；
当目标负荷L≥实际负荷Lr且电子膨胀阀目标开度Ke<当前开度Kc,则电子膨胀阀保持当前开度Kc不变；
当目标负荷L<实际负荷Lr且电子膨胀阀目标开度Ke<当前开度Kc，则将电子膨胀阀开启至目标开度Ke。
进一步优选地，在调节电子膨胀阀的开度后，根据目标负荷L、实际负荷Lr计算负荷差值绝对值Lab=|L-Lr|，计算出需要开启或关闭的压缩机数量Nc=INT(Lab/100%/n)；当目标负荷L≥实际负荷Lr时，逐步开启Nc台压缩机，当目标负荷L<实际负荷Lr时,逐步关闭Nc台压缩机。
进一步优选地，当需要逐步开启Nc台压缩机时，开启每台压缩机的时间隔为20s；每开启一台压缩机，从未运行压缩机中累计运行时间最短的那台开始；
当需要逐步关闭Nc压缩机时，关闭每台压缩机的时间间隔为5s，每关闭一台压缩机，从未运行压缩机中累计运行时间最长的那台开始。
进一步优选地，当开启或关闭Nc台压缩机后，重新计算实际负荷Lr，实际负荷和目标负荷的差值绝对值Lab=|L-Lr|：
当Lab≥100%/N，则重新计算需要开启或关闭的压缩机数量Nc，开启或关闭压缩机；
当Lab<100%/N,且L<Lr,则调整运行中的变频压缩机中运行时间最长的那台，降低其工作频率，其运行频率最低可至Fmin，直到L=Lr；
当Lab<100%/N,且L≥Lr,则调整运行中的变频压缩机中运行时间最长的那台，增加其工作频率，其运行频率最大可至Fmax，直到L=Lr。
优选地，每个所述二氧化碳压缩机出入口均设置有温度传感器。
优选地，所述气液分离器与所述压缩机组之间设置有压力传感器。
优选地，所述油气分离器具有与所述二氧化碳压缩机的出口连接的气液入口、与所述二氧化碳压缩机的入口连接的气体出口和与所述冷却器冷凝管连接的液体出口。
优选地，所述压缩机组与所述油气分离器的气液入口之间设置有温度传感器和压力传感器。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
由于本发明能够基于用户侧温度、流量等参数的波动，通过调节电子膨胀阀实现系统压力的稳态变化，以实现系统能量的稳定调节，实现目标出水温度变化曲线快速和稳定收敛至目标值，保证能够快速稳定出水温度。
附图说明
附图1为本发明的热泵系统原理图；
附图2为本发明的热泵系统的控制流程示意图。
以上附图中：1、气液分离器；2、油气分离器；3、电子膨胀阀；4、二氧化碳蒸发器；5、气体冷却器；6、二氧化碳压缩机；7、水泵；8、流量计。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述：
参见附图1所示，一种多并联二氧化碳热泵，包括二氧化碳循环回路、热源管路和热水管路。
热泵环路包括依次串联设置在环路中的蒸发器蒸发管、气液分离器1、压缩机组、油气分离器2、冷却器冷凝管和电子膨胀阀3。蒸发器蒸发管与热源管路相互换热地设置在一起组成二氧化碳蒸发器4，热水管路与冷却器冷凝管相互换热地设置在一起组成气体冷却器5。油气分离器2具有与二氧化碳压缩机6的出口连接的气液入口、与二氧化碳压缩机6的入口连接的气体出口和与冷却器冷凝管连接的液体出口。本实施例中，压缩机组包括n个并联设置的能够变频的二氧化碳压缩机6（附图中仅表示4个），在其他实施例中可以根据需要选用合适数量的二氧化碳压缩机6。
本实施例中，热水管路上设置有水泵7和流量计8，流量计8用于获取热水管路中的流量V，且热水管路出入口端均设置有温度传感器，用于获取热水管路入口处温度Thi和热水管路出口处温度Tho。每个二氧化碳压缩机6出入口均设置有温度传感器。气液分离器1与压缩机组之间设置有压力传感器。压缩机组与油气分离器2的气液入口之间设置有温度传感器和压力传感器。
参见附图2所示，上述多并联二氧化碳热泵控制方法包括以下步骤：
1.）获取热水管路入口温度Thi、热水管路出口温度Tho和热水管路中的流量V，并根据用户设置的目标出水温度Tobj，计算目标制热量Q=1.163*(Tobj-Thi)*V，计算当前制热量Qc=1.163*(Tobj-Tho)*V；
2）设置每台压缩机运行在50Hz时，二氧化碳热泵系统负荷为100%，本实施例中，多并联二氧化碳热泵包含的压缩机数量为n台，按照额定工况，每台压缩机的额定制热量为Qs，则目标负荷值L=Q/(n*Qs)*100%，实际负荷值Lr=Qc/(n*Qs)*100%；
3）通过目标负荷L、实际负荷Lr、变频压缩机台数n，变频压缩机变频上限Fmax和下限Fmin计算得到电子膨胀阀3的目标开度，
Figure 509998DEST_PATH_IMAGE001
；
公式
Figure 247010DEST_PATH_IMAGE002
通过实验数据拟合得到，其中A、B、C分别为特定系数，不 同的设备获取的A、B、C数值略有不同。
）根据电子膨胀阀3的目标开度Ke调节电子膨胀阀3的开度。
本实施例的A=1/4,B=1/2,C=1/2，
假设Fmax=70，Fmin=30，n=4，Lr=60%，L=80%时，可计算Ke=51.3%，然后根据计算数值将电子膨胀阀3的开度调节至51.3%。
由于本实施例能够基于用户侧温度、流量等参数的波动，通过调节电子膨胀阀3实现系统压力的稳态变化，以实现系统能量的稳定调节，实现目标出水温度变化曲线快速和稳定收敛至目标值，保证能够快速稳定出水温度。
在上述的步骤4）中，当目标负荷L≥实际负荷Lr且电子膨胀阀3目标开度Ke≥当前开度Kc，则将电子膨胀阀3调节至目标开度Ke；
当目标负荷L<实际负荷Lr且电子膨胀阀3目标开度Ke≥当前开度Kc，则电子膨胀阀3保持当前开度Kc不变；
当目标负荷L≥实际负荷Lr且电子膨胀阀3目标开度Ke<当前开度Kc,则电子膨胀阀3保持当前开度Kc不变；
当目标负荷L<实际负荷Lr且电子膨胀阀3目标开度Ke<当前开度Kc，则将电子膨胀阀3开启至目标开度Ke。
本实施例在调节电子膨胀阀3的开度后，根据目标负荷L、实际负荷Lr计算负荷差值绝对值Lab=|L-Lr|，计算出需要开启或关闭的压缩机数量Nc=INT(Lab/100%/n)；当目标负荷L≥实际负荷Lr时，逐步开启Nc台压缩机，当目标负荷L<实际负荷Lr时,逐步关闭Nc台压缩机。
具体的压缩机控制方法为：当需要逐步开启Nc台压缩机时，开启每台压缩机的时间隔为20s；每开启一台压缩机，从未运行压缩机中累计运行时间最短的那台开始；
当需要逐步关闭Nc压缩机时，关闭每台压缩机的时间间隔为5s，每关闭一台压缩机，从未运行压缩机中累计运行时间最长的那台开始。
当开启或关闭Nc台压缩机后，重新计算实际负荷Lr，实际负荷和目标负荷的差值绝对值Lab=|L-Lr|：
当Lab≥100%/N，则重新计算需要开启或关闭的压缩机数量Nc，开启或关闭压缩机；
当Lab<100%/N,且L<Lr,则调整运行中的变频压缩机中运行时间最长的那台，降低其工作频率，其运行频率最低可至Fmin，直到L=Lr；
当Lab<100%/N,且L≥Lr,则调整运行中的变频压缩机中运行时间最长的那台，增加其工作频率，其运行频率最大可至Fmax，直到L=Lr。
本实施例基于目标负荷控制，实时调节系统能量，计算当前负荷和目标复合偏差，通过压缩机加载减载迅速缩小该偏差；当系统偏差小于变频可调范围后进行变频调节，粗调后精细调节，满足当前的能量补偿，最终达到目标负荷，保证机组高效安全平稳运行。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于目标负荷控制的多并联二氧化碳热泵控制方法，所述多并联二氧化碳热泵包括二氧化碳循环回路、热源管路和热水管路，所述热泵环路包括依次串联设置在环路中的蒸发器蒸发管、气液分离器、压缩机组、油气分离器、冷却器冷凝管和电子膨胀阀，所述蒸发器蒸发管与所述热源管路相互换热地设置在一起，所述热水管路与所述冷却器冷凝管相互换热地设置在一起，所述压缩机组包括多个并联设置的能够变频的二氧化碳压缩机，所述热水管路上设置有水泵和流量计，且所述热水管路出入口端均设置有温度传感器，其特征在于，所述控制方法为：根据热水管路出入口的温度、热水管路出口的温度、热水管路中的流量和用户设置的目标出水温度，调节电子膨胀阀的开度。
2.根据权利要求1所述的一种基于目标负荷控制的多并联二氧化碳热泵控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1.)获取热水管路入口温度Thi、热水管路出口温度Tho和热水管路中的流量V，并根据用户设置的目标出水温度Tobj，计算目标制热量Q＝1.163*(Tobj-Thi)*V，计算当前制热量Qc＝1.163*(Tobj-Tho)*V；
2)设置每台压缩机运行在50Hz时，二氧化碳热泵系统负荷为100％，多并联二氧化碳热泵包含的压缩机数量为N台，按照额定工况，每台压缩机的额定制热量为Qs，则目标负荷值L＝Q/(N*Qs)*100％，实际负荷值Lr＝Qc/(N*Qs)*100％；
3)通过目标负荷L、实际负荷Lr、变频压缩机台数N，变频压缩机变频上限Fmax和下限Fmin计算得到电子膨胀阀的目标开度Ke＝f(L,Lr，Fmax,Fmin,n)；
Figure FDA0002292616910000011
4)根据电子膨胀阀的目标开度Ke调节电子膨胀阀的开度。
3.根据权利要求2所述的一种基于目标负荷控制的多并联二氧化碳热泵控制方法，其特征在于：当目标负荷L≥实际负荷Lr且电子膨胀阀目标开度Ke≥当前开度Kc，则将电子膨胀阀调节至目标开度Ke；
当目标负荷L<实际负荷Lr且电子膨胀阀目标开度Ke≥当前开度Kc，则电子膨胀阀保持当前开度Kc不变；
当目标负荷L≥实际负荷Lr且电子膨胀阀目标开度Ke<当前开度Kc,则电子膨胀阀保持当前开度Kc不变；
当目标负荷L<实际负荷Lr且电子膨胀阀目标开度Ke<当前开度Kc，则将电子膨胀阀开启至目标开度Ke。
4.根据权利要求3所述的一种基于目标负荷控制的多并联二氧化碳热泵控制方法，其特征在于：在调节电子膨胀阀的开度后，根据目标负荷L、实际负荷Lr计算负荷差值绝对值Lab＝|L-Lr|，计算出需要开启或关闭的压缩机数量Nc＝INT(Lab/100％/N)；当目标负荷L≥实际负荷Lr时，逐步开启Nc台压缩机，当目标负荷L<实际负荷Lr时,逐步关闭Nc台压缩机。
5.根据权利要求4所述的一种基于目标负荷控制的多并联二氧化碳热泵控制方法，其特征在于：
当需要逐步开启Nc台压缩机时，开启每台压缩机的时间隔为20s；每开启一台压缩机，从未运行压缩机中累计运行时间最短的一台开始；
当需要逐步关闭Nc压缩机时，关闭每台压缩机的时间间隔为5s，每关闭一台压缩机，从未运行压缩机中累计运行时间最长的一台开始。
6.根据权利要求4所述的一种基于目标负荷控制的多并联二氧化碳热泵控制方法，其特征在于：当开启或关闭Nc台压缩机后，重新计算实际负荷Lr，实际负荷和目标负荷的差值绝对值Lab＝|L-Lr|：
当Lab≥100％/N，则重新计算需要开启或关闭的压缩机数量Nc，开启或关闭压缩机；
当Lab<100％/N,且L<Lr,则调整运行中的变频压缩机中运行时间最长的那台，降低其工作频率，其运行频率最低可至Fmin，直到L＝Lr；
当Lab<100％/N,且L≥Lr,则调整运行中的变频压缩机中运行时间最长的那台，增加其工作频率，其运行频率最大可至Fmax，直到L＝Lr。
7.根据权利要求1所述的一种基于目标负荷控制的多并联二氧化碳热泵控制方法，其特征在于：每个所述二氧化碳压缩机出入口均设置有温度传感器。
8.根据权利要求1所述的一种基于目标负荷控制的多并联二氧化碳热泵控制方法，其特征在于：所述气液分离器与所述压缩机组之间设置有压力传感器。
9.根据权利要求1所述的一种基于目标负荷控制的多并联二氧化碳热泵控制方法，其特征在于：所述油气分离器具有与所述二氧化碳压缩机的出口连接的气液入口、与所述二氧化碳压缩机的入口连接的气体出口和与所述冷却器冷凝管连接的液体出口。
10.根据权利要求1所述的一种基于目标负荷控制的多并联二氧化碳热泵控制方法，其特征在于：所述压缩机组与所述油气分离器的气液入口之间设置有温度传感器和压力传感器。
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