CN112361596B - 低环温下的热泵系统及其控制方法和一种控制器 - Google Patents

低环温下的热泵系统及其控制方法和一种控制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低环温下的热泵系统及其控制方法和一种控制器，所述低环温下的热泵系统，包括：电加热装置、辅助电加热装置、变频水泵和控制处理器；所述热泵系统通过辅助电加热装置和水箱内的电加热装置来提高制热效率，同时通过变频水泵、三通阀、调节阀以及相关管路的配合，能够实现精准的流量控制，并借此提高换热效率，提高环境温度较低时热泵系统的能效，同时制热与制热水可以同时使用，并且水箱内的热水可以对采暖侧进行补偿，满足用户的采暖和热水需求，从而有利于提高用户舒适度。

Description

低环温下的热泵系统及其控制方法和一种控制器
技术领域
本发明涉及热泵控制技术领域，具体涉及一种低环温下的热泵系统及其控制方法和一种控制器。
背景技术
热泵系统广泛应用于制热和热水领域，但在环境温度持续下降的过程中，现有的热泵系统换热效率持续下降，压缩机制热、制热水效率会持续降低，现有的热泵系统换热效率差、能效低，不能满足用户的采暖和热水需求，大大影响了用户体验，降低了使用舒适度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低环温下的热泵系统及其控制方法和一种控制器。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种低环温下的热泵系统，包括：
电加热装置、辅助电加热装置、变频水泵和控制处理器；
所述电加热装置设置在水箱内，所述电加热装置用于在所述控制处理器的控制下对水箱内的水进行加热；所述水箱通过第一管道与热水供水端相连接；在所述第一管道上设置有三通阀，所述三通阀的两端连接至所述第一管道上；所述三通阀的第三端与进水端管道相连接；
所述辅助电加热装置和所述变频水泵设置在采暖侧进水管道上，所述采暖侧进水管道与所述进水端管道连通；
所述变频水泵用于在所述控制处理器的控制下，将所述进水端管道的水引入所述采暖侧进水管道；所述辅助电加热装置用于在所述控制处理器的控制下，将所述采暖侧进水管道内的水进行加热。
可选的，所述热泵系统还包括：
设置在采暖侧出水管道上的调节阀，所述调节阀用于在所述控制处理器的控制下，调节采暖侧出水管道的出水速度。
可选的，所述热泵系统还包括：
分别设置在水箱内、进水端管道内、所述辅助电加热装置出水侧、采暖侧出水管道内，以及采暖房间内的温度传感器，所述温度传感器分别与所述控制处理器连接，用于将各自采集的温度信息传送给所述控制处理器。
可选的，所述热泵系统还包括：
设置在所述采暖侧进水管道内的压力传感器，所述压力传感器用于采集所述采暖侧进水管道内的水压信息，并将该水压信息传送给所述控制处理器。
本发明还提供了一种低环温下热泵系统的控制方法，包括：
获取用户的需求类型；
根据所述需求类型，确定热泵系统内的水箱与采暖侧回路的连接状态，以及，热泵系统的工作状态。
可选的，所述需求类型包括：单一采暖需求、单一热水需求和采暖和热水需求；
所述根据所述需求类型，确定热泵系统内的水箱与采暖侧回路的连接状态，包括：
当所述需求类型为单一采暖需求时，将水箱与采暖侧回路部分断开；
当所述需求类型为单一热水需求时，先将水箱与采暖侧回路部分连通，以便通过进水端向水箱注水，当水箱注满水后，将水箱与采暖侧回路部分断开，并将水箱与热水供水端连通；
当所述需求类型为采暖和热水需求时，只有在用户需求热水时，将水箱与热水供水端连通，其他情况下，均将水箱与采暖侧回路部分连通。
可选的，所述根据所述需求类型，确定热泵系统的工作状态，包括：当所述需求类型为单一采暖需求时，关闭水箱；
采集热泵系统管道内以及采暖房间内的温度信息；
根据所述热泵系统管道内以及采暖房间内的温度信息，确定热泵系统中变频水泵的初始工作状态；
采集采暖侧管道内的水压信息；
根据所述水压信息，确定热泵系统中调节阀的开度大小；其中，所述调节阀设置在采暖侧出水管道上；
根据所述调节阀的开度大小，调节变频水泵的工作频率。
可选的，当所述需求类型为单一采暖需求或为采暖和热水需求时，该方法还包括：
监测热泵系统中变频水泵的工作频率；
当所述变频水泵以水泵最低频率运行第一特定时间后，关闭所述变频水泵；
实时监测所述调节阀的开度大小，并根据所述调节阀的开度大小计算所述变频水泵的工作频率；
当在连续的第二特定时间内计算出的所述变频水泵的工作频率均大于水泵最低频率时，开启所述变频水泵；
当所述变频水泵以水泵最高频率运行第三特定时间后，将所述调节阀的开度调到最大。
可选的，所述根据所述需求类型，确定热泵系统的工作状态，包括：
当所述需求类型为单一热水需求时，将水箱注满水后，开启水箱电加热维持水箱水温；
采集水箱内的水温信息；
当水箱内的水温值与目标温度值的差值在预设范围内时，将水箱与热水供水端连通；
采集水箱内的水位信息；
当水箱内的水位值下降到预设水位值时，将水箱与采暖侧回路部分连通，以便通过进水端向水箱注水。
本发明还提供了一种控制器，用于执行前面任一项所述低环温下热泵系统的控制方法。
本发明采用以上技术方案，所述热泵系统通过辅助电加热装置和水箱内的电加热装置来提高制热效率，同时通过变频水泵、三通阀、调节阀以及相关管路的配合，能够实现精准的流量控制，并借此提高换热效率，提高环境温度较低时热泵系统的能效，同时制热与制热水可以同时使用，并且水箱内的热水可以对采暖侧进行补偿，满足用户的采暖和热水需求，从而有利于提高用户舒适度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是本发明一种低环温下的热泵系统一个实施例提供的结构示意图；
图2是本发明一种低环温下的热泵系统一个实施例提供的工作原理结构示意图；
图3是本发明一种低环温下热泵系统的控制方法一个实施例提供的流程示意图。
图中：1、电加热装置；2、辅助电加热装置；3、变频水泵；4、控制处理器；5、水箱；6、第一管道；7、热水供水端；8、三通阀；9、进水端管道；10、采暖侧进水管道；11、采暖侧出水管道；12、调节阀；13、温度传感器；14、压力传感器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1和图2所示，本实施例所述的一种低环温下的热泵系统，包括：
电加热装置1、辅助电加热装置2、变频水泵3和控制处理器4；
所述电加热装置1设置在水箱5内，所述电加热装置1用于在所述控制处理器4的控制下对水箱5内的水进行加热；所述水箱5通过第一管道6与热水供水端7相连接；在所述第一管道6上设置有三通阀8，所述三通阀8的两端连接至所述第一管道6上；所述三通阀8的第三端与进水端管道9相连接；
所述辅助电加热装置2和所述变频水泵3设置在采暖侧进水管道10上，所述采暖侧进水管道10与所述进水端管道9连通；
所述变频水泵3用于在所述控制处理器4的控制下，将所述进水端管道9的水引入所述采暖侧进水管道10；所述辅助电加热装置2用于在所述控制处理器4的控制下，将所述采暖侧进水管道10内的水进行加热。
进一步的，所述热泵系统还包括：
设置在采暖侧出水管道11上的调节阀12，所述调节阀12用于在所述控制处理器4的控制下，调节采暖侧出水管道11的出水速度。
进一步的，所述热泵系统还包括：
分别设置在水箱5内、进水端管道9内、所述辅助电加热装置2出水侧、采暖侧出水管道11内，以及采暖房间内的温度传感器13，所述温度传感器13分别与所述控制处理器4连接，用于将各自采集的温度信息传送给所述控制处理器4。
进一步的，所述热泵系统还包括：
设置在所述采暖侧进水管道10内的压力传感器14，所述压力传感器14用于采集所述采暖侧进水管道10内的水压信息，并将该水压信息传送给所述控制处理器4。
本实施例所述的热泵系统在实际使用中，
(1)当用户只有采暖需求(即单一采暖需求)时，所述三通阀8将水箱5与热水供水端7连通(即将所述三通阀8的点4和点5进行连通)，即将水箱5与采暖侧回路部分断开，通过图1中的辅助电加热装置2将进水端水温提高；采集进水端水温Ti以及采暖房间内的温度Tr，如果Ti>Kn*Tr，其中Kn为不同房间温度系数，则开启变频水泵3并控制所述变频水泵3以初始频率Fo运行，以将进水端管道9内的水输送到采暖侧，用于提高房间温度。
为了充分利用热量，让采暖侧管道内的热水与采暖房间充分换热，采集所述采暖侧进水管道10内的水压Pw，当管内水压Pw在范围A(即，管内水压的安全范围)时，调节阀12在变频水泵3开启T分钟后按如下公式调节调节阀12的开度，O＝Oan*(Ti-To)/(Ti-Kn*Tr)，其中O为调节阀12的开度，此处，开度用百分比形式表征，用来表示调节阀12此时所开大小占总共可开大小的百分比，Oan为不同区间开度系数，To采暖侧出水管道11内的温度，变频水泵3运行频率Fp与管内压力Pw应满足如下关系：Fp＝Fan*(O/Pw)，其中Fan为不同区间频率系数；当管内水压Pw在范围B(即，管内水压的非安全范围)时，所述调节阀12开度按如下公式进行调节：O＝Obn*Pw，其中Obn为不同区间开度系数，变频水泵3的工作频率按如下公式调节：Fp＝Fbn/O，其中Fbn为不同区间频率系数。通过开度和管内水压来调节水泵频率是为了在充分换热的同时，使管内水压相对稳定。
需要解释说明的是，范围A为管内水压的安全范围，即系统可以长期稳定工作而不会发生漏水或者其他安全隐患的范围，该范围是根据实际管路的铺设情况而确定的；范围B为管内水压的非安全范围，即可能存在安全隐患的水压范围，此时以水压主导控制，从而快速将管内水压调到安全范围。
当计算出的变频水泵3的工作频率为水泵最低频率或者水泵最高频率时，变频水泵3则按照水泵最低频率或水泵最高频率运行。特别的，当所述变频水泵3以水泵最低频率运行第一特定时间Ts后，关闭所述变频水泵3；实时监测热泵系统中调节阀12的开度大小，并根据所述调节阀12的开度大小计算所述变频水泵3的工作频率；当在连续的第二特定时间Trs内计算出的所述变频水泵3的工作频率均大于水泵最低频率时，开启所述变频水泵3；当所述变频水泵3以水泵最高频率运行第三特定时间To后，将所述调节阀12的开度调到最大。需要说明的是，变频水泵3以水泵最低频率运行一段时间后，视为管内水量充沛，且换热端需要换热时间较久，故而此时关闭变频水泵3；当计算出的变频水泵3的工作频率大于水泵最低频率，说明管内水量需要补充，则需要开启变频水泵。
(2)当用户只有热水需求(即单一热水需求)时，所述三通阀8将水箱5与采暖侧回路部分连通(即将所述三通阀8的点4和点6进行连通)，以便通过进水端向水箱5注水，开启水箱5内的电加热装置1对水箱5内的水进行加热，并维持水箱5水温，使其满足Tsw–Twt<Wn，其中Tsw为用户设定的热水目标温度值，Twt为水箱5内的水温，Wn为热水偏差阈值，当满足Tsw–Twt<Wn时，将水箱5与热水供水端7连通(即将所述三通阀8的点4和点5进行连通)，为用户提供热水，并利用水箱5内的水位传感器采集水箱5内的水位信息，当水箱5内的水位值下降到预设水位值时，将水箱5与采暖侧回路部分连通(即将所述三通阀8的点4和点6进行连通)，以便通过进水端向水箱5注水。
当用户既有采暖需求又有热水需求时，在用户需求热水时，按(2)中所述方法满足用户热水需求；其他情况下，所述三通阀8均连通点4与点6，为水箱5补水，同时用水箱5中的热水对采暖侧管道进行制热补偿，并按(1)中所述的方法控制变频水泵3和调节阀12的工作状态，以满足用户的采暖需求。
本实施例所述热泵系统通过辅助电加热装置2和水箱5内的电加热装置1来提高制热效率，同时通过变频水泵3、三通阀8、调节阀12以及相关管路的配合，能够实现精准的流量控制，并借此提高换热效率，提高环境温度较低时热泵系统的能效，同时制热与制热水可以同时使用，并且水箱5内的热水可以对采暖侧进行补偿，满足用户的采暖和热水需求，从而有利于提高用户舒适度。
图3是本发明一种低环温下热泵系统的控制方法一个实施例提供的流程示意图。
如图3所示，本实施例所述的一种低环温下热泵系统的控制方法，包括：
S31：获取用户的需求类型；
进一步的，所述需求类型包括：单一采暖需求、单一热水需求和采暖和热水需求。
S32：根据所述需求类型，确定热泵系统内的水箱与采暖侧回路的连接状态，以及，热泵系统的工作状态。
进一步的，所述根据所述需求类型，确定热泵系统内的水箱与采暖侧回路的连接状态，包括：
当所述需求类型为单一采暖需求时，将水箱与采暖侧回路部分断开；
当所述需求类型为单一热水需求时，先将水箱与采暖侧回路部分连通，以便通过进水端向水箱注水，当水箱注满水后，将水箱与采暖侧回路部分断开，并将水箱与热水供水端连通；
当所述需求类型为采暖和热水需求时，只有在用户需求热水时，将水箱与热水供水端连通，其他情况下，均将水箱与采暖侧回路部分连通。
进一步的，所述根据所述需求类型，确定热泵系统的工作状态，包括：当所述需求类型为单一采暖需求时，关闭水箱；
采集热泵系统管道内以及采暖房间内的温度信息；
根据所述热泵系统管道内以及采暖房间内的温度信息，确定热泵系统中变频水泵的初始工作状态；
采集采暖侧管道内的水压信息；
根据所述水压信息，确定热泵系统中调节阀的开度大小；其中，所述调节阀设置在采暖侧出水管道上；
根据所述调节阀的开度大小，调节变频水泵的工作频率。
进一步的，当所述需求类型为单一采暖需求或为采暖和热水需求时，该方法还包括：
监测热泵系统中变频水泵的工作频率；
当所述变频水泵以水泵最低频率运行第一特定时间后，关闭所述变频水泵；
实时监测所述调节阀的开度大小，并根据所述调节阀的开度大小计算所述变频水泵的工作频率；
当在连续的第二特定时间内计算出的所述变频水泵的工作频率均大于水泵最低频率时，开启所述变频水泵；
当所述变频水泵以水泵最高频率运行第三特定时间后，将所述调节阀的开度调到最大。
进一步的，所述根据所述需求类型，确定热泵系统的工作状态，包括：
当所述需求类型为单一热水需求时，将水箱注满水后，开启水箱电加热维持水箱水温；
采集水箱内的水温信息；
当水箱内的水温值与目标温度值的差值在预设范围内时，将水箱与热水供水端连通；
采集水箱内的水位信息；
当水箱内的水位值下降到预设水位值时，将水箱与采暖侧回路部分连通，以便通过进水端向水箱注水。
本实施例所述一种低环温下热泵系统的控制方法的工作原理请参见上文所述热泵系统的工作原理，在此不再赘述。
本实施例所述的控制方法可用于热泵系统中，尤其涉及一种低环温下电加热、通过水泵、管路和阀体的联动控制，通过本实施例所述的方法可实现对热泵系统的精准流量控制，并借此提高换热效率，以更好的满足用户的采暖和热水需求。
本发明还提供了一种控制器，用于执行图3所述低环温下热泵系统的控制方法。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种低环温下的热泵系统，其特征在于，包括：
电加热装置、辅助电加热装置、变频水泵和控制处理器；
所述电加热装置设置在水箱内，所述电加热装置用于在所述控制处理器的控制下对水箱内的水进行加热；所述水箱通过第一管道与热水供水端相连接；在所述第一管道上设置有三通阀，所述三通阀的两端连接至所述第一管道上；所述三通阀的第三端与进水端管道相连接；
所述辅助电加热装置和所述变频水泵设置在采暖侧进水管道上，所述采暖侧进水管道与所述进水端管道连通；
所述变频水泵用于在所述控制处理器的控制下，将所述进水端管道的水引入所述采暖侧进水管道；所述辅助电加热装置用于在所述控制处理器的控制下，将所述采暖侧进水管道内的水进行加热；
所述低环温下的热泵系统的控制方法，包括：
获取用户的需求类型；所述需求类型包括：单一采暖需求、单一热水需求，以及，采暖和热水需求；
根据所述需求类型，确定热泵系统内的水箱与采暖侧回路的连接状态，以及，热泵系统的工作状态，包括：
当所述需求类型为单一采暖需求时，将水箱与采暖侧回路部分断开；
当所述需求类型为单一采暖需求时，关闭水箱；
采集热泵系统管道内以及采暖房间内的温度信息；
根据所述热泵系统管道内以及采暖房间内的温度信息，确定热泵系统中变频水泵的初始工作状态；
采集采暖侧管道内的水压信息；
根据所述水压信息，确定热泵系统中调节阀的开度大小；其中，所述调节阀设置在采暖侧出水管道上；
根据所述调节阀的开度大小，调节变频水泵的工作频率。
2.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，还包括：
设置在采暖侧出水管道上的调节阀，所述调节阀用于在所述控制处理器的控制下，调节采暖侧出水管道的出水速度。
3.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，还包括：
分别设置在所述水箱内、所述进水端管道内、所述辅助电加热装置出水侧、所述采暖侧出水管道内，以及采暖房间内的温度传感器，所述温度传感器分别与所述控制处理器连接，用于将各自采集的温度信息传送给所述控制处理器。
4.根据权利要求1至3任一项所述的热泵系统，其特征在于，还包括：
设置在所述采暖侧进水管道内的压力传感器，所述压力传感器用于采集所述采暖侧进水管道内的水压信息，并将该水压信息传送给所述控制处理器。
5.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，
所述根据所述需求类型，确定热泵系统内的水箱与采暖侧回路的连接状态，还包括：
当所述需求类型为单一热水需求时，先将水箱与采暖侧回路部分连通，以便通过进水端向水箱注水，当水箱注满水后，将水箱与采暖侧回路部分断开，并将水箱与热水供水端连通；
当所述需求类型为采暖和热水需求时，只有在用户需求热水时，将水箱与热水供水端连通，其他情况下，均将水箱与采暖侧回路部分连通。
6.根据权利要求5所述的热泵系统，其特征在于，当所述需求类型为单一采暖需求或为采暖和热水需求时，该方法还包括：
监测热泵系统中变频水泵的工作频率；
当所述变频水泵以水泵最低频率运行第一特定时间后，关闭所述变频水泵；
实时监测热泵系统中调节阀的开度大小，并根据所述调节阀的开度大小计算所述变频水泵的工作频率；
当在连续的第二特定时间内计算出的所述变频水泵的工作频率均大于水泵最低频率时，开启所述变频水泵；
当所述变频水泵以水泵最高频率运行第三特定时间后，将所述调节阀的开度调到最大。
7.根据权利要求5所述的热泵系统，其特征在于，所述根据所述需求类型，确定热泵系统的工作状态，包括：
当所述需求类型为单一热水需求时，将水箱注满水后，开启水箱电加热维持水箱水温；
采集水箱内的水温信息；
当水箱内的水温值与目标温度值的差值在预设范围内时，将水箱与热水供水端连通；
采集水箱内的水位信息；
当水箱内的水位值下降到预设水位值时，将水箱与采暖侧回路部分连通，以便通过进水端向水箱注水。
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