CN112197438B - 一种低环温热泵热水机中间喷射量控制方法 - Google Patents

一种低环温热泵热水机中间喷射量控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种低环温热泵热水机中间喷射量控制方法，属于热泵控制技术领域，包括制热过程中间喷射量控制。采用冷凝温度和蒸发温度来计算目标排气温度，然后再利用目标排气温度来控制中间喷射量。在热泵运行的过程中采用动态控制的方式，使系统的运行更加安全且高效，可有效降低整个热泵机组的运行能耗，节约成本。

Description

一种低环温热泵热水机中间喷射量控制方法
技术领域
本发明涉及热泵控制技术领域，尤其涉及一种低环温热泵热水机中间喷射量控制方法。
背景技术
中小型低环温热泵热水机多采用喷气增焓压缩机。采用该类压缩机的热泵系统，其制冷剂液管分为两条回路：主回路和副回路。副回路制冷剂经过副回路膨胀阀节流进入经济器，冷却主回路或主回路和副回路的液体制冷剂，而后副回路制冷剂进入压缩机中间喷射口。副回路中间喷射量的控制对压缩机及整个机组的安全、运行范围、能效至关重要。
现有的中间喷射量控制方案主要有以下三种：
方法一是副回路采用热力膨胀阀控制中间喷射量：该方法只能向压缩机喷气，在低环温、高水温工况时排气温度会超出压缩机安全运行范围，限制了机组的使用范围。
方法二是副回路采用热力膨胀阀与液喷电磁阀并联控制中间喷射量：该方法可以扩展机组运行范围，但液喷电磁阀只在排气温度超范围时起保护作用，不能较好地控制喷射量。
方法三是副回路通过电子膨胀阀采用定排气过热度来控制中间喷射量：该方法仅考虑了冷凝侧对排气温度和中间喷射量的影响，没有考虑蒸发侧对中间喷射量的影响。容易造成低环温时过多的中间喷射量或者较高环温时过少的中间喷射量，不能保证整个运行范围内的高效率运行，且低环温时过多中间喷射甚至过多湿喷也有一定的安全隐患。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种低环温热泵热水机中间喷射量控制方法，通过采用冷凝温度和蒸发温度计算目标排气温度，利用目标排气温度来控制中间喷射量，可做到运行范围内安全且具有较高能效的中间喷射量的动态控制，从而在安全运行的前提条件下降低机组运行的能耗。
为实现本发明以上至少一个目的，本发明提供一种低环温热泵热水机中间喷射量控制方法，首先定义电磁阀标记为0或1，除霜标记为0或1，高水温标记为0或1；
其中，所述中间喷射量控制方法包括制热过程中间喷射量控制，所述制热过程中间喷射量控制包括以下步骤：
S1，检测环境温度，判断所述环境温度是否大于预设环境温度，若大于，则关闭电磁阀，关闭电子膨胀阀，除霜标记为0，电磁阀标记为0，等待进入下一个调节周期；否则进入下一步；
S2，计算目标排气温度T排气＝Kc*Tc+Ke*Te+To，并将所述目标排气温度分别与目标排气温度上限和目标排气温度下限作对比，若均在所述目标排汽温度上限和所述目标排气温度下限的范围内，则进入下一步，否则将所述目标排气温度赋值为所述目标排气温度上限或目标排气温度下限，并进入下一步；
S3，判断电磁阀标记是否为0，若为0则进入喷射前的准备过程S31，否则进入排气温度自动调节中间喷射量过程S32；
S31，判断除霜标记是否为1，若为1则进入S311，若不为1则进入S312；
S311，检测实际排气温度是否大于所述目标排气温度，若不大于，则等待进入下一个调节周期，否则打开电磁阀，将电磁阀标记为1，除霜标记为0，并等待进入下一个调节周期；
S312，将电子膨胀阀开度调至预设开度或打开电磁阀并将电磁阀标记为1，然后等待下一个调节周期；
S32，计算排气温度偏差，排气温度偏差＝实际排气温度与目标排气温度的差值，判断所述排气温度偏差是否在预设上偏差和预设下偏差的范围内，若是则等待进入下一个调节周期，若不是，则用排气温度偏差计算电子膨胀阀的调节步数，并驱动电子膨胀阀调节相应的步数，然后等待进入下一个调节周期；
其中，电磁阀标记为0指电磁阀关闭的状态，电磁阀标记为1指电磁阀开启的状态，除霜标记为0指未除霜标记，除霜标记为1指除霜后标记，Kc为冷凝侧计算系数，Tc为冷凝温度，Ke为蒸发侧计算系数，Te为蒸发温度，To为计算常数。
本发明低环温热泵热水机中间喷射量控制方法，同时采用冷凝温度和蒸发温度来计算目标排气温度，然后再利用目标排气温度来控制中间喷射量，在热泵运行的过程中采用动态控制的方式，使系统的运行更加安全且高效，同时可有效降低整个热泵机组的运行能耗，节约成本。
进一步地，其中所述制热过程中间喷射量控制还包括：
于步骤S1和S2之间检测实际水温，判断所述实际水温是否大于预设分界水温，若大于，则为高水温区且所述高水温标记为1，否则为低水温区且所述高水温标记为0；
于步骤S2中，根据所述高水温的标记分别赋值Kc、Ke、To、所述目标排气温度上限以及所述目标排气温度下限，以计算不同水温下的所述目标排气温度T排气。根据不同的水温来设置不同的目标排气温度，使热泵机组的排气温度偏差数据更加精确，从而使电子膨胀阀的调节步数的控制更加精确，提高热泵机组运行效能。
进一步地，所述目标排气温度下限等于所述冷凝温度与预设最小排气过热度的和。
进一步地，步骤S312中，所述预设开度为电子膨胀阀全开步数的10％～50％，通过灵活控制电子膨胀阀的开度，来灵活控制热泵热水机的中间喷射量，在满足目标排气需求的条件下，降低运行能耗。
进一步地，其中所述制热过程中间喷射量控制还包括：
于步骤S312中判断所述高水温标记，若所述高水温标记为0则进入S3121，若所述高水温标记为1则进入S3122；
S3121，判断实际排气温度是否大于目标排气温度下限，若大于，则打开电磁阀，电磁阀标记为1，然后等待进入下一个调节周期，否则将电子膨胀阀开度调至预设开度X1步，即电子膨胀阀全开步数的10％～40％，然后等待进入下一个调节周期；
S3122，判断实际排气温度是否大于目标排气温度下限，若大于，则打开电磁阀，电磁阀标记为1，然后等待进入下一个调节周期，否则将电子膨胀阀开度调至预设开度X2步，即电子膨胀阀全开步数的15％～50％，然后等待进入下一个调节周期；
其中X1＜X2。通过水温分区来拟合公式，确保目标排气温度的准确性，进而控制合适的中间喷射量来达到高效运行的目的，从而减少运行成本。
进一步地，步骤S32中，用排气温度偏差计算电子膨胀阀的调节步数的方法为：比例P或比例积分PI或比例积分微分PID方法。
进一步地，步骤S32中，所述比例P方法为：
若所述排气温度偏差小于所述预设下偏差△T1，则将电子膨胀阀关小，其中关小的步数为-K1和所述排气温度偏差的乘积与周期内可调最大步数两者中的小值；
若所述排气温度偏差大于所述预设上偏差△T2，则将电子膨胀阀开大，其中开大的步数为K2和所述排气温度偏差的乘积与周期内可调最大步数两者中的小值；
其中△T1＜0，△T2＞0，K1、K2为比例系数。
进一步地，其中所述中间喷射量控制方法还包括除霜过程中间喷射量控制，所述除霜过程中间喷射量控制包括：关闭电磁阀，电子膨胀阀步数保持不变，电磁阀标记为0，除霜标记为1，当满足预设退出除霜条件时，进入制热过程。在除霜过程中，使电子膨胀阀步数保持不变，保持其原有的开度，在除霜结束后可快速恢复至稳定的中间喷射量，提高热泵热水机中间喷射量的响应速度，从而有效提高热泵机组的制热响应速度和响应质量。
进一步地，其中所述中间喷射量控制方法还包括待机状态中间喷射量控制，所述待机状态中间喷射量控制包括：于开机或调节周期开始时，检测实际水温是否大于或等于预设水温，若大于或等于，则进入待机状态，关闭电磁阀，电子膨胀阀调至预设开度X1步，电磁阀标记为0，除霜标记为0，同时在满足退出待机状态条件时返回制热过程；否则进一步判断是否满足预设进入除霜条件，若满足则进入除霜过程，否则进入制热过程。在待机状态下保持电子膨胀阀的开度在X1步，可有效提高热泵机组在需要制热时的响应速度。
本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，得以充分体现。
附图说明
图1示出了热泵热水机中经济器系统的示意图。
图2示出了本申请一较佳实施例中待机状态和除霜过程中间喷射量控制的流程图。
图3示出了本申请一较佳实施例低环温热泵热水机中间喷射量控制方法计算目标排气温度前的控制流程图。
图4示出了本申请一较佳实施例低环温热泵热水机中间喷射量控制方法计算目标排气温度后的控制流程图。
具体实施方式
以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
结合说明书附图1，经济器系统的连接方式：副回路在经济器1前取液，并连接电磁阀2。电磁阀2连接电子膨胀阀3。电子膨胀阀3连接经济器1的副回路接口。经济器1的另一副回路接口连接喷气增焓压缩机的中间喷射口，主回路液态制冷剂经过经济器1被冷却，然后去主回路膨胀阀。
结合说明书附图2至附图4，在本发明提供一种低环温热泵热水机中间喷射量控制方法中包括除霜过程中间喷射量控制、待机状态中间喷射量控制和制热过程中间喷射量控制。
首先定义：电磁阀标记为0代表电磁阀关闭状态；电磁阀标记为1代表电磁阀开启状态；除霜标记为0代表未除霜标记；除霜标记为1代表除霜后标记；高水温标记为0或1，来根据预设分界水温的温度，判定是否为高水温。
其中待机状态中间喷射量控制包括：于开机或调节周期开始时，检测实际水温T水温是否大于或等于预设水温T预设水温。若大于或等于，则进入待机状态，关闭电磁阀，电子膨胀阀调至预设开度X1步，电磁阀标记为0，除霜标记为0，同时在满足退出待机状态条件时返回制热过程。退出待机状态的条件可以是同时满足再启动条件和实际水温T水温小于预设水温T预设水温的条件。否则进一步判断是否满足预设进入除霜条件，若满足则进入除霜过程。否则进入制热过程。在待机状态下保持电子膨胀阀的开度在X1步，可有效提高热泵机组在需要制热时的响应速度。
其中除霜过程中间喷射量控制包括：关闭电磁阀，电子膨胀阀步数保持不变，电磁阀标记为0，除霜标记为1。当满足预设退出除霜条件时，进入制热过程。鉴于热水机在除霜前后，其水温和环境温度波动不大，因此在除霜过程中，电子膨胀阀步数保持不变，保持其原有的开度，同时关闭电磁阀，在除霜结束后可快速恢复至稳定的中间喷射量，提高热泵热水机中间喷射量的响应速度，从而有效提高热泵机组的制热响应速度。
其中制热过程中间喷射量控制包括以下步骤：
S1，检测环境温度，并判断所述环境温度T环温是否大于预设环境温度T预设环温。若所述环境温度T环温大于所述预设环境温度T预设环温，则说明环境温度T环温偏高。为减少压缩机负载，不进行中间喷射，关闭电磁阀，关闭电子膨胀阀，除霜标记为0，电磁阀标记为0，等待进入下一个调节周期；否则进入下一步；
S2，计算目标排气温度T排气＝Kc*Tc+Ke*Te+To，并将所述目标排气温度T排气分别与目标排气温度上限T上限和目标排气温度下限T下限作对比。若所述目标排气温度T排气均在所述目标排气温度上限T上限和所述目标排气温度下限T下限的范围内，则进入下一步；否则将所述目标排气温度T排气赋值为所述目标排气温度上限T上限或目标排气温度下限T下限，重新设定所述目标排气温度上限T上限或目标排气温度下限T下限，并进入下一步；
S3，判断电磁阀标记是否为0。若为0则进入喷射前的准备过程S31，否则进入排气温度自动调节中间喷射量过程S32。根据电磁阀的标记状态，可以判断上一调节周期是否已开始进行排气温度自动调节中间喷射量的控制；
S31，判断除霜标记是否为1，若为1则进入S311，若不为1则进入S312；
S311，检测实际排气温度T实际排气是否大于所述目标排气温度T排气，若不大于，则等待进入下一个调节周期，否则打开电磁阀，将电磁阀标记为1，除霜标记为0，并等待进入下一个调节周期。通过将电磁阀标记为1，下一调节周期可直接进入排气温度自动调节中间喷射量的控制；
S312，将电子膨胀阀开度调至预设开度或打开电磁阀并将电磁阀标记为1，然后等待下一个调节周期。根据除霜标记的状态，可知在上一个或几个调节周期前是否进行过除霜过程。
S32，计算排气温度偏差，所述排气温度偏差＝实际排气温度T实际排气与目标排气温度T排气的差值。判断所述排气温度偏差是否在预设上偏差△T2和预设下偏差△T1的范围内。若是则等待进入下一个调节周期，若不是，则用排气温度偏差计算电子膨胀阀的调节步数，并驱动电子膨胀阀调节相应的步数，然后等待进入下一个调节周期；
其中，Kc为冷凝侧计算系数，Tc为冷凝温度，Ke为蒸发侧计算系数，Te为蒸发温度，To为计算常数。
关于冷凝侧计算系数Kc、蒸发侧计算系数Ke以及计算常数To：根据准二级压缩理论循环，在蒸发温度和冷凝温度一定的情况下，调整不同的中间喷射量，可以得到不同的理论能效，就可以得出理论情况下该蒸发温度Te和冷凝温度Tc对应的最佳能效下的中间喷射量和排气温度，进而可得到不同蒸发温度和冷凝温度下最佳能效所对应的最佳中间喷射量和排气温度。
用公式拟合计算目标排气温度＝冷凝侧计算系数Kc*冷凝温度Tc+蒸发侧计算系数Ke*蒸发温度Te+计算常数To，使计算排气温度基本接近不同蒸发温度和冷凝温度下最佳能效所对应的排气温度，然后用该计算目标排气温度来调整中间喷射量，进而使该热泵机组在整个运行范围内均具有较高的能效，减少运行成本。
其中，蒸发温度Te是指：蒸发压力所对应的制冷剂饱和温度。冷凝温度Tc是指：冷凝压力所对应的制冷剂饱和温度。
优选地，其中所述制热过程中间喷射量控制还包括：
于步骤S1和S2之间检测实际水温，判断所述实际水温T水温是否大于预设分界水温T分界水温。若大于，则为高水温区且所述高水温标记为1，否则为低水温区且所述高水温标记为0；
于步骤S2中，根据所述高水温的标记分别赋值Kc、Ke、To、预设最小排气过热度△T排气过热min以及所述目标排气温度上限T上限，其中目标排气温度下限T下限等于所述冷凝温度Tc与预设最小排气过热度△T排气过热min的和，以计算不同水温下的所述目标排气温度T排气。根据不同的水温来设置不同的目标排气温度T排气，使热泵机组的排气温度偏差数据更加精确，从而使电子膨胀阀的调节步数的控制更加精确，提高热泵机组运行效能。
优选地，步骤S312中，所述预设开度为电子膨胀阀全开步数的10％～50％，通过灵活控制电子膨胀阀的开度，来灵活控制热泵热水机的中间喷射量，在满足目标排气需求的条件下，降低运行能耗。
优选地，其中所述制热过程中间喷射量控制还包括：
于步骤S312中判断所述高水温标记。若所述高水温标记为0则进入S3121，若所述高水温标记为1则进入S3122；
S3121，判断实际排气温度T实际排气是否大于目标排气温度下限T下限。若大于，则打开电磁阀，电磁阀标记为1，然后等待进入下一个调节周期。否则将电子膨胀阀开度调至预设开度X1步，即电子膨胀阀全开步数的10％～40％，然后等待进入下一个调节周期；
S3122，判断实际排气温度T实际排气是否大于目标排气温度下限T下限。若大于，则打开电磁阀，电磁阀标记为1，然后等待进入下一个调节周期。否则将电子膨胀阀开度调至预设开度X2步，即电子膨胀阀全开步数的15％～50％，然后等待进入下一个调节周期；
其中X1＜X2。
优选地，步骤S32中，用排气温度偏差计算电子膨胀阀的调节步数的方法为：比例P或比例积分PI或比例积分微分PID方法。
优选地，步骤S32中，所述比例P方法为：
若所述排气温度偏差小于所述预设下偏差△T1，则将电子膨胀阀关小，其中关小的步数为-K1和所述排气温度偏差的乘积与周期内可调最大步数两者中的小值；
若所述排气温度偏差大于所述预设上偏差△T2，则将电子膨胀阀开大，其中开大的步数为K2和所述排气温度偏差的乘积与周期内可调最大步数两者中的小值；
其中△T1＜0，△T2＞0，K1、K2为比例系数。
更为具体地，以R410A制冷剂、最大调节步数为500的电子膨胀阀为例。预设环境温度可取15℃，预设分界水温度可取38℃。其中高水温区冷凝侧计算系数Kc1可取1.48，蒸发侧计算系数Ke1可取-0.8，计算常数To1可取10℃，最小排气过热度△T排气过热min1可取35℃，目标排气温度上限T排气上限1可取110℃。其中低水温区冷凝侧计算系数Kc2可取1.55，蒸发侧计算系数Ke2可取-0.8，计算常数To2可取13℃，最小排气过热度△T排气过热min2可取32℃，目标排气温度上限T排气上限1可取98℃。其中高水温区预设开度X2可取200步，低温水去开度X1可取130步。其中预设下偏差△T1可取-3℃，预设上偏差△T2可取3℃，比例系数K1、K2为大于等于3且小于等于8。每个调节周期可取2秒至5秒。
需要说明的是，本发明中用语“电磁阀”指副回路电磁阀；“电子膨胀阀”指副回路电子膨胀阀。
本领域的技术人员应理解，上述描述所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (8)

1.一种低环温热泵热水机中间喷射量控制方法，其特征在于，定义电磁阀标记为0或1，除霜标记为0或1，高水温标记为0或1；
其中，所述中间喷射量控制方法包括制热过程中间喷射量控制，所述制热过程中间喷射量控制包括以下步骤：
S1，检测环境温度，判断所述环境温度是否大于预设环境温度，若大于，则关闭电磁阀，关闭电子膨胀阀，除霜标记为0，电磁阀标记为0，等待进入下一个调节周期；否则进入下一步；
S2，计算目标排气温度：T排气＝Kc*Tc+Ke*Te+To，并将所述目标排气温度分别与目标排气温度上限和目标排气温度下限作对比，若均在所述目标排气 温度上限和所述目标排气温度下限的范围内，则进入下一步，否则将所述目标排气温度赋值为所述目标排气温度上限或目标排气温度下限，并进入下一步；
S3，判断电磁阀标记是否为0，若为0则进入喷射前的准备过程S31，否则进入排气温度自动调节中间喷射量过程S32；
S31，判断除霜标记是否为1，若为1则进入S311，若不为1则进入S312；
S311，检测实际排气温度是否大于所述目标排气温度，若不大于，则等待下一个调节周期，否则打开电磁阀，将电磁阀标记为1，除霜标记为0，并等待进入下一个调节周期；
S312，将电子膨胀阀开度调至预设开度或打开电磁阀并将电磁阀标记为1，然后等待进入下一个调节周期；
S32，计算排气温度偏差，排气温度偏差＝实际排气温度与目标排气温度的差值，判断所述排气温度偏差是否在预设上偏差和预设下偏差的范围内，若是则等待进入下一个调节周期，若不是，则用所述排气温度偏差计算电子膨胀阀的调节步数，并驱动电子膨胀阀调节相应的步数，然后等待进入下一个调节周期；
其中，电磁阀标记为0指电磁阀关闭的状态，电磁阀标记为1指电磁阀开启的状态，除霜标记为0指未除霜标记，除霜标记为1指除霜后标记，Kc为冷凝侧计算系数，Tc为冷凝温度，Ke为蒸发侧计算系数，Te为蒸发温度，To为计算常数；
其中所述制热过程中间喷射量控制还包括：
于步骤S1和S2之间检测实际水温，判断所述实际水温是否大于预设分界水温，若大于，则为高水温区且所述高水温标记为1，否则为低水温区且所述高水温标记为0；
于步骤S2中，根据所述高水温的标记分别赋值Kc、Ke、To、所述目标排气温度上限以及所述目标排气温度下限，以计算不同水温下的所述目标排气温度T排气。
2.如权利要求1所述的低环温热泵热水机中间喷射量控制方法，其特征在于，步骤S2中，所述目标排气温度下限等于所述冷凝温度与预设最小排气过热度的和。
3.如权利要求1所述的低环温热泵热水机中间喷射量控制方法，其特征在于，步骤S312中，所述预设开度为电子膨胀阀全开步数的10％～50％。
4.如权利要求3所述的低环温热泵热水机中间喷射量控制方法，其特征在于，其中所述制热过程中间喷射量控制还包括：
于步骤S312中判断所述高水温标记，若所述高水温标记为0则进入S3121，若所述高水温标记为1则进入S3122；
S3121，判断实际排气温度是否大于目标排气温度下限，若大于，则打开电磁阀，电磁阀标记为1，然后等待进入下一个调节周期，否则将电子膨胀阀开度调至预设开度X1步，即电子膨胀阀全开步数的10％～40％，然后等待进入下一个调节周期；
S3122，判断实际排气温度是否大于目标排气温度下限，若大于，则打开电磁阀，电磁阀标记为1，然后等待进入下一个调节周期，否则将电子膨胀阀开度调至预设开度X2步，即电子膨胀阀全开步数的15％～50％，然后等待进入下一个调节周期；
其中X1＜X2。
5.如权利要求1所述的低环温热泵热水机中间喷射量控制方法，其特征在于，步骤S32中，用排气温度偏差计算电子膨胀阀的调节步数的方法为：采用比例P或比例积分PI或比例积分微分PID方法。
6.如权利要求5所述的低环温热泵热水机中间喷射量控制方法，其特征在于，步骤S32中，所述比例P方法为：
若所述排气温度偏差小于所述预设下偏差△T1，则将电子膨胀阀关小，其中关小的步数为-K1和所述排气温度偏差的乘积与周期内可调最大步数两者中的小值；
若所述排气温度偏差大于所述预设上偏差△T2，则将电子膨胀阀开大，其中开大的步数为K2和所述排气温度偏差的乘积与周期内可调最大步数两者中的小值；
其中△T1＜0，△T2＞0，K1、K2为比例系数。
7.如权利要求1所述的低环温热泵热水机中间喷射量控制方法，其特征在于，其中所述中间喷射量控制方法还包括除霜过程中间喷射量控制，所述除霜过程中间喷射量控制包括：关闭电磁阀，电子膨胀阀步数保持不变，电磁阀标记为0，除霜标记为1，当满足预设退出除霜条件时，进入制热过程。
8.如权利要求7所述的低环温热泵热水机中间喷射量控制方法，其特征在于，其中所述中间喷射量控制方法还包括待机状态中间喷射量控制，所述待机状态中间喷射量控制包括：于开机或调节周期开始时，检测实际水温是否大于或等于预设水温，若大于或等于，则进入待机状态，关闭电磁阀，电子膨胀阀调至预设开度X1步，电磁阀标记为0，除霜标记为0，同时在满足退出待机状态条件时返回制热过程；否则进一步判断是否满足预设进入除霜条件，若满足则进入除霜过程，否则进入制热过程。
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