CN111121301A - 一种变频热泵热水器的节电量计算方法及热泵热水器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变频热泵热水器的节电量计算方法及热泵热水器，热泵热水器内设有将电源的交流电整流为直流电的变频器，所述变频器的直流母线为热泵热水器的制热负载供电；热水器根据制热过程中变频器的检测参数计算得出实际耗电量，并将实际耗电量W热泵和制热耗能W耗能相减以计算热泵热水器的节电量。本发明提供的计算方法可通过变频热泵热水器自身运行所需的检测电路参数直接测算热泵热水器相较制热耗能的节电量，减少了开发过程中对各运行状态的单独测试，缩短开发周期的同时降低了开发成本，有助于工作效率的提升，适合推广使用。

Description

一种变频热泵热水器的节电量计算方法及热泵热水器
技术领域
本发明属于热水器技术领域，具体地说，涉及一种变频热泵热水器的节电量计算方法及热泵热水器。
背景技术
随着环境的日益恶化，人们对清洁能源的需求越来越大，其中使用空气源的热泵热水器逐渐受到消费者的青睐。
现有的热泵热水器中，在开发中需要计算该类型热水器相比制热耗能所节省的能耗，一般是在热泵热水器的电路中增加计量电阻和电能采集器，这样做增加了产品的成本，并且在研发中需要进行一系列的实验，测试个运行状态的实验数据，并对数据进行数学建模等处理，才能得到节电量的计算公式，这无形中增加了开发的成本和周期，并且在转换产品型号时，需要对上述过程进行重复研究，不利于产品的更新迭代。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种热泵热水器的节电量计算方法，热泵热水器的变频器由于电路本身的工作需要，会实时检测直流母线电压与直流侧电流，通过上述检测参数和制热量的转换即可计算节电量，不需要额外的电流检测电路与电压检测电路(或者器件)，节省了开发周期和开发成本。
为达到上述目的，本发明采用技术方案的基本构思是：
本发明提供了一种变频热泵热水器的节电量计算方法，热泵热水器内设有将电源的交流电整流为直流电的变频器，所述变频器的直流母线为热泵热水器的制热负载供电；热水器根据制热过程中变频器的检测参数计算得出实际耗电量，并将实际耗电量W热泵和制热耗能W耗能相减以计算热泵热水器的节电量。
上述计算方法中，热泵热水器内设有包括整流电路和变频电路的变频器，由于变频器电路本身的工作需要，会实时检测电路的运行参数，同时变频器的直流母线为热泵热水器的制热负载供电，因此可根据实时获取的运行参数计算热泵热水器的实际耗电量；另外，根据水体的比热容，质量和温度变化可以计算出水体升温所获取的热量，即为制热耗量，可将制热耗能经单位换算成电量。
根据上述计算方法，检测参数包括热水器运行中变频器实时获取的直流母线侧电压与直流侧电流，热水器根据所述检测参数得到制热功率并据此计算热泵热水器的实际耗电量W热泵。
上述计算方法中，由于变频器的直流母线直接为与制热相关的负载供电，因此实时检测获取的直流母线侧电压和直流侧电流即为热水器整机运行时的电压与电流，经计算可得热泵热水器的制热功率。
根据上述计算方法，热水器根据制热功率和制热时间计算热泵热水器的实际耗电量W热泵，所述实际耗电量W热泵的计算包括对制热功率按制热时间进行积分。
上述计算方法中，由于制热过程中功率发生变化，为了更准确地计算热泵热水器的实际耗电量，采用积分计算的方式，对变化的功率按照时间进行积分，积分结果为各瞬时功率对应的瞬时电量的累加，即热泵热水器在制热时间内的总实际耗电量。
根据上述计算方法，所述计算方法还包括以变频器的工作效率为影响因素计算热泵热水器的实际耗电量W热泵，所述工作效率是通过实验室测试变频器工作时电源的效率得到的；优选的，所述变频器包括boost升压电路。
上述计算方法中，为了更准确地体现热泵热水器的实际耗电量，需要将工作效率纳入计算，所述工作效率为变频器正常工作时电源的效率，可通过实验测得，也可采用经验值计算，此步骤为计算方法中唯一可能需要实验测算的部分，相比现有技术中使用高次方程拟合各物理量的方案，不需要进行过多的计算建模，可缩短开发周期。所述变频器的整流电路包括boost升压电路。
根据上述计算方法，热泵热水器的实际耗电量
Figure BDA0001851096540000031
其中U为直流母线侧电压，I为直流侧电流，t为制热时间，η为变频器的工作效率。
上述计算方法中，电量＝有功功率×时间，所以只要将瞬时功率乘以该功率的持续时间，乘积即为该时刻的瞬时电量，将各瞬时电量相加，即可得制热时间内的实际耗电量。在此基础上除以变频器的工作效率，可精确体现热泵热水器的实际耗电量。
根据上述计算方法，热水器在制热时间内根据水体质量和制热前后的水体温度变化计算得到制热耗能W耗能，所述制热耗能W耗能为水体升温过程中获取的能量，可经单位换算成电量。
上述计算方法中，制热过程即为水体接受热量同时温度上升的过程，在此过程中水体所接受的热量即为制热耗能。因此本方法根据水体比热容，水箱体积，水体密度和温度变化计算出热泵热水器的制热量，再将该制热量进行单位转换得到等同于制热耗能的电量。
根据上述计算方法，制热耗能
Figure BDA0001851096540000032
其中C为水体的比热容，m为水体质量，ΔT为制热前后水箱内水体的温度变化；优选的，所述水体质量m由水体密度ρ与水箱容积V相乘得出；更优选的，计算W耗能时根据水体温度变化查表调整比热容C与水体密度ρ的数值以减小计算误差。
上述计算方法中，1kw·h＝1000w·3600s＝3600000w·s＝3.6×106J，由比热容，质量和温度变化计算得到的制热量的单位为焦耳J，将其转换成千瓦时kw·h，即为等同于制热耗能的电量。
根据上述计算方法，所述节电量为制热耗能W耗能与热泵热水器实际耗电量W热泵的差值，设所述差值为W节电，W节电＝W耗能-W热泵。
上述计算方法中，采用简单的减法计算即可得到制热量相同时，热泵热水率相比制热耗能的节电量，体现了本计算方法简单易使用的特点。
根据上述计算方法，所述计算方法包括如下步骤：
S1.开始运行计算；
S2.实验室测试获取变频器的工作效率η，后执行步骤S3；
S3.热泵热水器在制热过程中获取变频器的直流母线侧电压U和直流侧电流I，并且对制热功率按制热时间t进行积分，再将步骤S2中的工作效率η纳入计算得到热泵热水器的实际耗电量W热泵，后执行步骤S4；
S4.热泵热水器在制热时间t内根据水体比热容C，水体质量m和制热前后的水体温度变化ΔT计算得到制热耗能，所述制热耗能W耗能经单位换算成电量，后执行步骤S5；
S5.将制热耗能W耗能减去热泵热水器的实际耗电量W热泵得到热泵热水器的节电量W节电，计算结束。
本发明还提供了一种变频热泵热水器，热泵热水器内设有将电源的交流电整流为直流电的变频器，所述变频器的直流母线直接为开关电源，热泵压缩机和直流风机供电，并且在热泵热水器运行过程中实时获取直流母线的电压和电流，用以计算热泵热水器的实际耗电量。
上述方案中，热泵热水器为全直流变频热泵热水器，电控中包括变频器，变频器中包括整流电路与变频电路，所述热泵热水器使用直流风机，并且变频器的直流母线负责给制热相关的负载供电，所述与制热相关的负载为开关电源、压缩机和直流风机。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明提供的热泵热水器计算方法采用热水器自身运行过程中需要检测的数据来计算热泵热水器的实际耗电量，不需要额外的电流检测电路与电压检测电路(或者器件)，降低了开发成本；
2.本发明提供的热泵热水器计算方法中，对热泵热水器的功率按照制热时间进行积分，可以更精确地反应制热过程中功率变化对实际耗电量的影响；
3.本发明提供的热泵热水器计算方法中，在升温过程中水体所接受的热量即为制热耗能因此该计算方法利用比热容、水箱容积、水体密度和水温变化等参数计算制热耗能并换算成电量以进行下一步计算，其中数值多为常量，减少了计算的复杂度；
4.本发明提供的热泵热水器计算方法中，由于采用了热泵热水器自身的检测参数和通过常量计算的制热耗能，不需要对运行过程中的各过程分别进行数据测试分析，极大地缩短了开发周期，并且可将此方法应用于同类型其他型号热水器的开发。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。在附图中：
图1是本发明计算方法的流程示意图。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
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，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例中，提供了一种变频热泵热水器的节电量计算方法，热泵热水器内设有将电源的交流电整流为直流电的变频器，所述变频器的直流母线为热泵热水器的制热负载供电；热水器根据制热过程中变频器的检测参数计算得出实际耗电量，并将实际耗电量W热泵和制热耗能W耗能相减以计算热泵热水器的节电量。
本实施例中，热泵热水器内设有包括整流电路和变频电路的变频器，由于变频器电路本身的工作需要，会实时检测电路的运行参数，同时变频器的直流母线为热泵热水器的制热负载供电，因此可根据实时获取的运行参数计算热泵热水器的实际耗电量；另外，根据水体的比热容，质量和温度变化可以计算出水体升温所获取的热量，即为制热耗量，可将制热耗能经单位换算成电量。
本实施例中，检测参数包括热水器运行中变频器实时获取的直流母线侧电压与直流侧电流，热水器根据所述检测参数得到制热功率并据此计算热泵热水器的实际耗电量W热泵。
本实施例中，由于变频器的直流母线直接为与制热相关的负载供电，因此实时检测获取的直流母线侧电压和直流侧电流即为热水器整机运行时的电压与电流，经计算可得热泵热水器的制热功率。
本实施例中，热水器根据制热功率和制热时间计算热泵热水器的实际耗电量W热泵，所述实际耗电量W热泵的计算包括对制热功率按制热时间进行积分。
本实施例中，由于制热过程中功率发生变化，为了更准确地计算热泵热水器的实际耗电量，采用积分计算的方式，对变化的功率按照时间进行积分，积分结果为各瞬时功率对应的瞬时电量的累加，即热泵热水器在制热时间内的总实际耗电量。
本实施例中，所述计算方法还包括以变频器的工作效率为影响因素计算热泵热水器的实际耗电量W热泵，所述工作效率是通过实验室测试变频器工作时电源的效率得到的。
本实施例中，为了更准确地体现热泵热水器的实际耗电量，需要将工作效率纳入计算，所述工作效率为变频器正常工作时电源的效率，可通过实验测得，此步骤为计算方法中唯一可能需要实验测算的部分，相比现有技术中使用高次方程拟合各物理量的方案，不需要进行过多的计算建模，可缩短开发周期。
本实施例中，热泵热水器的实际耗电量
Figure BDA0001851096540000061
其中U为直流母线侧电压，I为直流侧电流，t为制热时间，η为变频器的工作效率。
本实施例中，电量＝有功功率×时间，所以只要将瞬时功率乘以该功率的持续时间，乘积即为该时刻的瞬时电量，将各瞬时电量相加，即可得制热时间内的实际耗电量。在此基础上除以变频器的工作效率，可精确体现热泵热水器的实际耗电量。
本实施例中，热水器在制热时间内根据水体质量和制热前后的水体温度变化计算得到制热耗能W耗能，所述制热耗能W耗能为水体升温过程中获取的能量，可经单位换算成电量。
本实施例中，制热过程即为水体接受热量同时温度上升的过程，在此过程中水体所接受的热量即为制热耗能。因此本方法根据水体比热容，水箱体积，水体密度和温度变化计算出热泵热水器的制热量，再将该制热量进行单位转换得到等同于制热耗能的电量。
本实施例中，制热耗能
Figure BDA0001851096540000071
其中C为水体的比热容，m为水体质量，ΔT为制热前后水箱内水体的温度变化；优选的，所述水体质量m由水体密度ρ与水箱容积V相乘得出；更优选的，计算W耗能时根据水体温度变化查表调整比热容C与水体密度ρ的数值以减小计算误差。
本实施例中，1kw·h＝1000w·3600s＝3600000w·s＝3.6×106J，由比热容，质量和温度变化计算得到的制热量的单位为焦耳J，将其转换成千瓦时kw·h，即为等同于制热耗能的电量。
本实施例中，所述节电量为制热耗能W耗能与热泵热水器实际耗电量W热泵的差值，设所述差值为W节电，W节电＝W耗能-W热泵。采用简单的减法计算即可得到制热量相同时，热泵热水率相比制热耗能的节电量，体现了本计算方法简单易使用的特点。
本实施例中，如图1所示，所述计算方法包括如下步骤：
S1.开始运行计算；
S2.实验室测试获取变频器的工作效率η，后执行步骤S3；
S3.热泵热水器在制热过程中获取变频器的直流母线侧电压U和直流侧电流I，并且对制热功率按制热时间t进行积分，再将步骤S2中的工作效率η纳入计算得到热泵热水器的实际耗电量W热泵，后执行步骤S4；
S4.热泵热水器在制热时间t内根据水体比热容C，水体质量m和制热前后的水体温度变化ΔT计算得到制热耗能，所述制热耗能W耗能经单位换算成电量，后执行步骤S5；
S5.将制热耗能W耗能减去热泵热水器的实际耗电量W热泵得到热泵热水器的节电量W节电，计算结束。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：
本实施例中，所述计算方法还包括以变频器的工作效率为影响因素计算热泵热水器的实际耗电量W热泵，所述工作效率是变频器工作时电源效率的经验值，所述变频器的整流电路包括boost升压电路。
本实施例中，为了更准确地体现热泵热水器的实际耗电量W热泵，需要将工作效率纳入计算，所述工作效率为变频器正常工作时电源的效率，采用经验值计算，相比现有技术中使用高次方程拟合各物理量的方案，本实施例的方法不需要进行建模计算，可大大缩短开发周期。
本实施例的其他实施方式同实施例1。
实施例3
本实施例中，提供了一种变频热泵热水器，热泵热水器内设有将电源的交流电整流为直流电的变频器，所述变频器的直流母线直接为开关电源，热泵压缩机和直流风机供电，并且在热泵热水器运行过程中实时获取直流母线的电压和电流，用以计算热泵热水器的实际耗电量。
本实施例中，热泵热水器为全直流变频热泵热水器，电控中包括变频器，变频器中包括整流电路与变频电路，所述热泵热水器使用直流风机，并且变频器的直流母线负责给制热相关的负载供电，所述与制热相关的负载为开关电源、压缩机和直流风机。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种变频热泵热水器的节电量计算方法，其特征在于，热泵热水器内设有将电源的交流电整流为直流电的变频器，所述变频器的直流母线为热泵热水器的制热负载供电；热水器根据制热过程中变频器的检测参数计算得出实际耗电量，并将实际耗电量W热泵和制热耗能W耗能相减以计算热泵热水器的节电量。
2.根据权利要求1所述的节电量计算方法，其特征在于，检测参数包括热水器运行中变频器实时获取的直流母线侧电压与直流侧电流，热水器根据所述检测参数得到制热功率并据此计算热泵热水器的实际耗电量W热泵。
3.根据权利要求2所述的节电量计算方法，其特征在于，热水器根据制热功率和制热时间计算热泵热水器的实际耗电量W热泵，所述实际耗电量W热泵的计算包括对制热功率按制热时间进行积分。
4.根据权利要求2或3所述的节电量计算方法，其特征在于，所述计算方法还包括以变频器的工作效率为影响因素计算热泵热水器的实际耗电量W热泵，所述工作效率是通过实验室测试变频器工作时电源的效率得到的；
优选的，所述变频器包括boost升压电路。
5.根据权利要求2～4任意一项所述的节电量计算方法，其特征在于，热泵热水器的实际耗电量
Figure FDA0001851096530000011
其中U为直流母线侧电压，I为直流侧电流，t为制热时间，η为变频器的工作效率。
6.根据权利要求1所述的节电量计算方法，其特征在于，热水器在制热时间内根据水体质量和制热前后的水体温度变化计算得到制热耗能W耗能，所述制热耗能W耗能为水体升温过程中获取的能量，可经单位换算成消耗的电量。
7.根据权利要求6所述的节电量计算方法，其特征在于，制热耗能
Figure FDA0001851096530000012
Figure FDA0001851096530000013
其中C为水体的比热容，m为水体质量，ΔT为制热前后水箱内水体的温度变化；
优选的，所述水体质量m由水体密度ρ与水箱容积V相乘得出；
更优选的，计算W耗能时根据水体温度变化查表调整比热容C与水体密度ρ的数值以减小计算误差。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的节电量计算方法，其特征在于，所述节电量为制热耗能W耗能与热泵热水器实际耗电量W热泵的差值，设所述差值为W节电，W节电＝W耗能-W热泵。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的节电量计算方法，其特征在于，所述计算方法包括如下步骤：
S1.开始运行计算；
S2.实验室测试获取变频器的工作效率η，后执行步骤S3；
S3.热泵热水器在制热过程中获取变频器的直流母线侧电压U和直流侧电流I，并且对制热功率按制热时间t进行积分，再将步骤S2中的工作效率η纳入计算得到热泵热水器的实际耗电量W热泵，后执行步骤S4；
S4.热泵热水器在制热时间t内根据水体比热容C，水体质量m和制热前后的水体温度变化ΔT计算得到制热耗能，所述制热耗能W耗能经单位换算成电量，后执行步骤S5；
S5.将制热耗能W耗能减去热泵热水器的实际耗电量W热泵得到热泵热水器的节电量W节电，计算结束。
10.一种变频热泵热水器，其特征在于，所述热泵热水器内设有将电源的交流电整流为直流电的变频器，所述变频器的直流母线直接为开关电源，热泵压缩机和直流风机供电，并且在热泵热水器运行过程中实时获取直流母线的电压和电流，用以计算热泵热水器的实际耗电量。
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