CN111623547A

CN111623547A - 一种跨临界二氧化碳热泵热水系统的压缩机频率控制方法

Info

Publication number: CN111623547A
Application number: CN202010402209.6A
Authority: CN
Inventors: 陈振乾; 张永明; 许波
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2020-09-04
Anticipated expiration: 2040-05-13
Also published as: CN111623547B

Abstract

本发明公开了一种基于分布式动态模型的跨临界二氧化碳热泵热水系统的压缩机频率控制方法。包括采集不同工况下跨临界二氧化碳热泵热水系统运行时的环境温度、环境湿度、蒸发盘管温度、压缩机进出口温度、压缩机进出口压力、气冷器出口温度、冷却水进口温度，带入跨临界二氧化碳热泵热水系统分布式动态模型以计算某热负荷下COP最高所对应的压缩机频率值f。通过调节压缩机转速实验跨临界二氧化碳热泵热水系统的最佳性能，提高能源利用率。

Description

一种跨临界二氧化碳热泵热水系统的压缩机频率控制方法

技术领域

本发明涉及跨临界二氧化碳系统领域，具体涉及的是一种跨临界二氧化碳热泵热水系统的压缩机频率控制方法。

背景技术

CO₂作为新一代制冷剂以其化学性质稳定、无毒、环境友好等优点，在制冷空调与热泵领域占据愈来愈重要的地位。提高跨临界CO₂热泵热水系统的运行效率对解决能源问题与缓解温室效应具有重要意义，是目前国内外研究重点。概括地说，CO₂主要运用于汽车空调、复叠式制冷系统和热泵系统。在热泵热水器方面的应用，主要是由于CO2在气体冷却器中较大的温度变化以适配水的温升过程，从而达到较小的热传递损失和高效率，在相同环境温度下可制取传统热泵机组无法产生的高温热水，从而与传统制冷剂(如R22、R134a)竞争。

现有二氧化碳热泵热水系统中，往往采用压缩机定频控制系统。不能根据热负荷与外界参数灵活调节压缩机运行频率，导致了制热能力的浪费和低效问题，增大能源浪费和电费支出。同时，频繁的启停也大大影响了压缩机的使用寿命和稳定性，大大影响了跨临界二氧化碳热泵热水系统的推广和使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种跨临界二氧化碳热泵热水系统的压缩机频率控制方法，旨在通过寻找各工况下的压缩机最优频率，以解决现有跨临界二氧化碳热泵热水系统中制热效率低、部件寿命短、无法变频运行的缺点。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：一种跨临界二氧化碳热泵热水系统，其特征在于，所述二氧化碳热泵热水系统包括压缩机、气冷器、蒸发器、电子膨胀阀、输配系统与控制器；

所述输配系统，包括水侧与二氧化碳侧，其中，水侧输配系统，包括循环泵、供水管路和回水管辂，循环泵将处理好的热水沿供水管路输送至用户侧满足热水需求；二氧化碳侧输配系统，将二氧化碳通过压缩机压缩成高压高温气体后经由紫铜管导入气冷器与水换热过冷后，流经电子膨胀阀节流，降压后沿紫铜换热管进入蒸发器内相变吸热，饱和的二氧化碳蒸汽重新进入压缩机压缩，完成循环；

所述压缩机的进出口处安装有压力传感器；

所述气冷器、蒸发器、压缩机进出口安装有温度传感器；

所述温度传感器和压力传感器分别与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与所述变频压缩机的输入端相连接，实现变频控制。

进一步的，所述压缩机为双转子式变频压缩机；所述气冷器为全逆流套管式换热器；所述蒸发器为百叶式翅片管换热器。

进一步的，根据所述的一种跨临界二氧化碳热泵热水系统实现的压缩机频率控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)输入跨临界二氧化碳热泵热水机组各部件结构参数建立系统数学模型，系统数学模型包括压缩机数学模型、气冷器数学模型、蒸发器数学模型和膨胀阀数学模型，其中，利用质能守恒方程对气冷器、蒸发器建立动态数学模型，利用效率法对压缩机、膨胀阀建立稳态数学模型；

2)采集不同工况下跨临界二氧化碳热泵热水系统的运行数据；

3)根据步骤1)所建立的跨临界二氧化碳热泵热水系统数学模型，通过在给定热负荷与出口热水温度条件下，假设压缩机运行频率f，将压缩机频率与采集所得的压缩机进出口温度、压缩机进出口压力带入压缩机数学模型计算求得出口处排气压力与排气温度；

将压缩机出口处排气压力与排气温度与采集所得的气冷器出口温度、冷却水进口温度带入气冷器数学模型计算求得气冷器出口制冷剂温度与制冷剂质量流量；

将气冷器出口制冷剂温度与制冷剂质量流量带入膨胀阀数学模型计算求得膨胀阀出口处制冷剂质量流量；

将膨胀阀出口处制冷剂质量流量带入蒸发器数学模型计算求得蒸发器出口处制冷剂干度和蒸发压力，根据制热效率公式制热效率＝制热量/压缩机耗功，计算此时该压缩机频率对应的系统制热效率；

4)保持输入参数不变，改变压缩机频率值，重复步骤3)的计算，获得在给定频率下的最优压缩机频率，并将此时刻所得压缩机频率输出至变频压缩机控制器进行频率控制，实现机组变频运行。

进一步的，步骤1)中，输入部件结构参数包括换热器换热面积与所用材料，膨胀阀孔径，压缩机单位容积与极数，热负荷。

进一步的，步骤2)中，采集的运行数据包括环境温度、环境湿度、蒸发盘管温度、压缩机进出口温度、压缩机进出口压力、气冷器出口温度、冷却水进口温度。

有益效果：本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：

(1)通过针对现有的跨临界二氧化碳热泵热水机组的运行状况，建立了具有通用性的分布式动态参数模型并控制压缩机在不同工况下的变频运行。可以实时、快捷地预测机组在不同工况下的各部件运行参数。

(2)本发明中所建立的跨临界二氧化碳热泵热水系统采用分布式动态参数模型，相较于传统稳态模型，或集总参数下的动态模型与分区集总参数动态模型具有更高的计算精度，与机组实际运行工况匹配更好。

(3)通过传感器所采集外界实时参数，可利用动态模型迅速计算出当前工况下跨临界二氧化碳热泵热水机组的压缩机最优频率，实现压缩机转速的实时控制以提高能源利用率和制热效率。

(4)本发明所建立的基于分布参数的跨临界二氧化碳热泵热水系统动态模型亦考虑了除霜工况下的运行。能完成夏季、冬季、过渡季与除霜工况下的压缩机频率寻优任务。

附图说明

图1为典型的跨临界二氧化碳热泵热水系统的结构示意图及测点布置；

图2为跨临界二氧化碳热泵热水系统各部件输入输出关系图；

图3为跨临界二氧化碳热泵热水系统最优压缩机频率计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行更进一步的说明：但本发明并不局限于以下实施例。

如图一所示，热泵热水系统制冷剂为CO₂。对机组各部件进出口参数进行实时监控与记录。实验需测量的参数包括机组参数、环境参数、水侧参数和运行时间等。机组侧参数包括压缩机进出口温度和压力、气冷器进出口温度和压力、蒸发器进出口温度和压力、膨胀阀开度等。

环境侧参数包括实验时对应的室外干球温度、湿球温度和空气湿度。水侧参数包括进出口水温和水流量。本实验的数据采集设备为安捷伦出品的设备，型号为34970A。这种数据采集器可以采集的信号有电动势、直流电流和电阻等。

因此，温度测点(包括热电偶和PTl00的铂电阻)和压力传感器(0～20mA直流信号)的输出数据均可被这种型号的安捷伦设备所采集。

所述CO₂跨临界循环原理如图2-1所示。1-2为等熵压缩过程，2-3为定压放热过程，3-4为等焓节流过程，4-5为等熵膨胀过程，5-1为定压吸热过程。所述CO₂跨临界热泵热水机组采用松下公司生产的变频双转子压缩机，内管材质为紫铜管，翅片材质为亲水铝箔的百叶式翅片管换热器为蒸发器，全逆流套管式换热器为气冷器，JKV-20D型号超高压控制用电子膨胀阀为节流装置。

如图3所示，在系统动态仿真中，以压缩机为计算起点，将其结果作为入口参数依次经过气冷器、膨胀阀和蒸发器迭代计算，完成t时刻系统动态仿真。

图2标注了系统仿真计算中各部件的输入输出参数，除各部件的结构参数外，压缩机侧输入参数为进口压力、进口温度、出口压力和设定转速，输出参数为质量流量、排气温度、和压缩机功率；气冷器侧输入参数为进口温度、制冷剂质量流量、冷却水进口温度和冷却水流量，输出参数为出口制冷剂温度、焓值、压力以及冷却水温度；膨胀阀侧输入参数为进口制冷剂焓值、低压压力和膨胀阀开度，输出参数为出口处制冷剂焓值、干度和质量流量；蒸发器侧输入参数为进口压力、制冷剂干度、焓值、质量流量以及风速，输出参数为出口处制冷剂干度、制冷剂温度以及出口压力。根据输入的结构参数、外界环境参数和控制参数、通过假设压缩机入口处压力进入该时刻计算，并通过比较气冷器出口质量流量与电子膨胀阀出口质量流量调节高压压力，直至该时刻系统各处达到平衡。

本发明提出一种跨临界二氧化碳热泵热水系统的压缩机频率控制方法，包括以下步骤：

(1)在跨临界二氧化碳热泵热水动态模型中输入换热器换热面积与所用材料，膨胀阀孔径，压缩机单位容积与极数，热负荷等参数，对气冷器、蒸发器建立动态数学模型，利用效率法对压缩机、膨胀阀建立稳态数学模型，其中：

气冷器数学模型：

其中，M_r——单位容积制冷剂质量/kg，

——制冷剂质量流量/(kg/s)，

——水质量流量/(kg/s)，h_r——微元入口制冷剂单位比焓/(kJ/kg)，h_a——水单位比焓/(kJ/kg)，Q_r——制冷剂侧换热量/kJ，Q_a——水侧换热量/kJ，U_r——制冷剂内能变化量/kJ，U_a——水内能变化量/kJ，in——微元段入口，out——微元段出口。

蒸发器数学模型：

其中，M_r——单位容积制冷剂质量/kg，

——制冷剂质量流量/(kg/s)，

——空气质量流量/(kg/s)，h_r——微元入口制冷剂单位比焓/(kJ/kg)，h_air——空气单位比焓/(kJ/kg)，Q_r——制冷剂侧换热量/kJ，Q_air——空气侧换热量/kJ，U_r——制冷剂内能变化量/kJ，U_air——空气测内能变化量/kJ，in——微元段入口，out——微元段出口。

压缩机数学模型：

其中，η_is——压缩机等熵效率，η_v——压缩机容积效率，P_h——气冷器工作压力，P_e——蒸发器工作压力。

电子膨胀阀数学模型：

其中，

——膨胀阀内制冷剂质量流量/(kg/s)，A_v——膨胀阀实际流通面积/m²，C_v——孔口流量系数，ρ_in——膨胀阀入口处制冷剂密度/(kg/m³)，v_out——膨胀阀出口处制冷剂比容/(m³/kg)

(2)设当前时间点为[J],下一时间点为[J+1]。采集包括环境温度、环境湿度、蒸发盘管温度、压缩机进出口温度、压缩机进出口压力、气冷器出口温度、冷却水进口温度等J时刻运行参数；

(3)以压缩机作为起点带入不同的压缩机频率，结合所采集的J时刻环境温度、环境湿度、蒸发盘管温度、压缩机进出口温度、压缩机进出口压力、气冷器出口温度、冷却水进口温度等代入系统数学模型。

假设压缩机运行频率f，以压缩机为起点，计算压缩机数学模型得到出口处排气压力与排气温度；

将排气压力与排气温度作为输入条件带入气冷器数学模型计算得到气冷器出口制冷剂温度与制冷剂流量；

将气冷器出口制冷剂温度与制冷剂流量作为输入条件带入膨胀阀数学模型计算得到膨胀阀出口处制冷剂质量流量；

将膨胀阀出口处制冷剂质量流量带入蒸发器数学模型计算得到蒸发器出口处制冷剂干度；

以出口制冷剂是否饱和对蒸发器侧压力进行修正完成J时刻计算；

根据

计算[J+1]时刻该压缩机频率对应的系统制热效率；

(4)保持输入参数不变，改变压缩机频率值，重复步骤3)的计算，获得在给定频率下的最优压缩机频率，并将此时刻所得压缩机频率输出至变频压缩机控制器进行频率控制，实现机组变频运行。

以上所述仅是阐述本发明的技术路线和特点，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims

1.一种跨临界二氧化碳热泵热水系统，其特征在于，所述二氧化碳热泵热水系统包括压缩机、气冷器、蒸发器、电子膨胀阀、输配系统与控制器；

所述压缩机的进出口处安装有压力传感器；

所述气冷器、蒸发器、压缩机进出口安装有温度传感器；

2.根据权利要求1所述的一种跨临界二氧化碳热泵热水系统，其特征在于，所述压缩机为双转子式变频压缩机；所述气冷器为全逆流套管式换热器；所述蒸发器为百叶式翅片管换热器。

3.根据权利要求1或2所述的一种跨临界二氧化碳热泵热水系统实现的压缩机频率控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

4.根据权利要求2所述的一种跨临界二氧化碳热泵热水系统的压缩机频率控制方法，其特征在于，步骤1)中，输入部件结构参数包括换热器换热面积与所用材料，膨胀阀孔径，压缩机单位容积与极数，热负荷。

5.根据权利要求3所述的一种跨临界二氧化碳热泵热水系统的压缩机频率控制方法，其特征在于，步骤2)中，采集的运行数据包括环境温度、环境湿度、蒸发盘管温度、压缩机进出口温度、压缩机进出口压力、气冷器出口温度、冷却水进口温度。