CN112815571A - 燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涉及燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法及系统，涉及热泵系统，所述方法包括根据所述实时整机能需和设定的转速的关系式获得发动机的初步目标转速；根据所述初步目标转速和设定的转速对应关系获得实际目标转速，根据所述实际目标转速和设定的转速档位对应关系获得实际目标档位；判定发动机是否有限转速控制；根据设定的限转速控制规则调整所述实际目标档位；判定所述当前档位与所述实际目标档位的大小关系。本发明能实现燃气热泵空调系统的用户舒适性调节和系统可靠性调节。

Description

燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法及系统

技术领域

本发明涉及热泵系统技术领域，具体涉及一种燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法及系统。

背景技术

热泵是一种利用逆卡诺循环的原理，将低品位热能提升为较高品位热能并将其输送到所需要场所的装置，是利用高品位能源开采低品位能源的节能技术。其中热泵技术中燃气热泵(Gas Engine Driven Heat Pump,以下简称GHP)系统是一种利用燃气(包含天然气、液化石油气、沼气等)作为高品位驱动能源，通过燃气发动机做功直接驱动开启式压缩机工作，进而完成蒸气压缩式制冷循环而达到制冷或制热目的的空调系统。燃气热泵相对比于使用电力作为高品位驱动能源的电动热泵(简称EHP)而言在热泵理论上没有差别，是使用高效率的燃气发动机代替了电动热泵的电动机，因驱动源的改变会存在大量的发动机缸套热和排烟废热可余热回收构建分布式能源系统进行能源的梯级利用，于此显著提高一次能源利用率。

EHP使用的是全封闭式压缩机，该压缩机将电动机与压缩机封闭在一个壳体内，此时电动机与压缩机的驱动方式已经确定，电动机转动则同步压缩机进行压缩过程。而GHP使用的是开启式压缩机，此时发动机与开启式压缩机通过相关连接(如皮带)而进行完成压缩机的压缩过程。GHP压缩机的变容量调节通过改变发动机的转速来实现，即控制上是控制发动机转速，但实际直接影响制冷循环的是压缩机的转速，若发动机驱动压缩机的转速调节方式不当，则会影响用户舒适性及系统的可靠性，故发动机与压缩机之间需要有较为适宜的转速调节控制方法。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种涉及燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法及系统，实现燃气热泵空调系统的用户舒适性调节和系统可靠性调节。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法，包括以下步骤：

步骤1：获取整机能需计算所需要的相关参数；

步骤2：根据所述相关参数和设定的整机能需的关系式获得实时整机能需；

步骤3：根据所述实时整机能需和设定的转速的关系式获得发动机的初步目标转速；

步骤4：根据所述初步目标转速和设定的转速对应关系获得实际目标转速，根据所述实际目标转速和设定的转速档位对应关系获得实际目标档位；

步骤5：判定发动机是否有限转速控制，若有，执行步骤6，若否，则步骤7；

步骤6：根据设定的限转速控制规则调整所述实际目标档位；

步骤7：获取发动机的当前档位；

步骤8：判定发动机是否有限转速控制，若有，执行步骤6，若否，执行步骤1；

步骤9：判定所述当前档位与所述实际目标档位的大小关系，若所述当前档位大于所述实际目标档位，则执行步骤10，若所述当前档位小于或等于所述实际目标档位，则执行步骤11；

步骤10：按设定时间间隔将发动机的当前档位降一档后执行步骤5；

步骤11：判定所述当前档位与所述实际目标档位的大小关系，若所述当前档位等于所述实际目标档位，则执行步骤1，若所述当前档位不等于所述实际目标档位，则执行步骤12；

步骤12：按设定时间间隔将发动机的当前档位加一档后执行步骤5。

如上所述的燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法，进一步地，所述限转速控制规则具体为：

设发动机的皮带轮直径为D1，压缩机的皮带轮直径为D2；

则压缩机与发动机之间的传动比n＝D1/D2；

则压缩机转速M与发动机转速N间的关系为M＝N*D1/D2；

设发动机不熄火时最低转速为N1，发动机最高可靠运行转速为N2，压缩机最低运行转速为M1，压缩机最高运行转速为M2；

依据发动机的转速范围，并按照传动比n可计算得到压缩机转速范围为N1*D1/D2≤M≤N2*D1/D2，通过对比M1与N1*D1/D2及M2与N2*D1/D2值的大小关系，可得到依据发动机转速范围而确定的压缩机转速范围。

通常情况下燃气热泵系统的发动机转速与压缩机转速的关系满足M1≤N1*D1/D2≤M≤

N2*D1/D2≤M2，则压缩机转速M的实际范围可缩小为N1*D1/D2≤M≤N2*D1/D2。

如上所述的燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法，进一步地，所述转速档位对应关系具体为：

设发动机转速精度为±E，单位rpm；

每间隔至少一个E为一档。

如上所述的燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法，进一步地，在所述转速档位对应关系中，低档位过渡到高档位对应驱动单个压缩机到多个压缩机。

如上所述的燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法，进一步地，如果初步目标转速NA0处于相邻两档位NB与NC之间，即NB＜NA0≤NC，此时按照取大值的方式取值，即取实际目标转速NA＝NC。若NA0超出了发动机转速范围，则此时实际目标转速NA取发动机转速档位表中与NA0最接近的转速。

一种具有转速调节控制的燃气热泵系统，包括压缩机和用于驱动所述压缩机的发动机，所述发动机利用如上所述的转速调节控制方法驱动所述压缩机，所述系统还包括热泵循环单元和余热回收单元，其中，

所述热泵循环单元包括压缩机、油分离器、四通阀、室外机换热器、室内机换热器、第一节流装置、第二节流装置和气液分离器，其中，所述压缩机的排气口与所述油分离器的入口连通，所述油分离器的第二出口连接至所述压缩机的吸气口，所述室外机换热器的左端口接入所述四通阀，所述室外机换热器的右端口与所述室内机换热器的上端口连通且其连通的管道上依次设有所述第一节流装置和所述第二节流装置，所述室内机换热器的下端口接入所述四通阀，所述气液分离器的入口接入所述四通阀，所述气液分离器的出口连接至所述压缩机的吸气口；

所述余热回收单元包括发动机缸套、第一热回收器、烟气废热回收器，其中，所述发动机连接所述发动机缸套，冷却液经过所述发动机缸套和所述第一热回收器流出，此时，冷水经过所述第一热回收器和所述烟气废热回收器回收热量形成热水并通过多条支路供应。

如上所述的具有转速调节控制的燃气热泵系统，进一步地，所述发动机通过皮带驱动至少一压缩机。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明利用控制器中已预设好了相关参数(如室内机能力大小、室内外环境温度等)与整机能力需求Q之间的对应关系，并且预设好了整机能力需求Q与压缩机转速M间对应关系表，通过相关对应关系表将整机能力需求Q与压缩机转速M建立耦合关系，系统自动根据整机能力需求Q调节压缩机转速M。

本发明设立了限转速控制规则，对压缩机转速M进行限制，避免系统整机能力需求Q需要的转速过大而导致设备损坏。同时建立转速档位对应关系，对转速进行阶级调整。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本发明实施例的发动机驱动压缩机的转速调节流程图；

图2为本发明实施例的燃气热泵系统结构示意图；

图3为本发明实施例的一台发动机与双压缩机连接方式的结构示意图。

其中：1、压缩机；2、油分离器；3、室外机换热器；4、室内机换热器；5、气液分离器；6、燃气发动机；7、发动机缸套；8、第一热回收器；9、烟气废热回收器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1至图3，图1为本发明实施例的发动机驱动压缩机的转速调节流程图；图2为本发明实施例的燃气热泵系统结构示意图；图3为本发明实施例的一台发动机与双压缩机连接方式的结构示意图。

参见图1，图1为GHP系统实际运行过程中发动机驱动压缩机的转速调节方法，整个过程中将对压缩机的转速调节完全通过对发动机的转速调节进行体现。首先S1步骤控制器获取整机能需计算所需要的相关参数(如室内机能力、环境温度等参数值)，随后S2步骤基于控制器中已设定好的整机能需Q的关系式计算得到实时整机能需QA，接着S3步骤根据已设定好的关系式NA0＝f(QA)计算初步目标转速NA0，然后S4步骤基于初步目标转速NA0得到实际目标转速NA，将NA对应出实际目标档位F1。得到实际目标档位F1后，S5步骤开始进行判定发动机是否有限转速控制，此时依据S5步骤的判定结果会沿着S6步骤或者S7步骤进行控制。当S5步骤存在限转速控制，则进入S6步骤依据对应的限转速控制规则发动机档位调节进行，S6步骤调节过程中，进入S8步骤继续判定是否有限转速控制，若无限转速控制则回到S1步骤，若有限转速控制则继续回到S6步骤。当S5步骤不存在限转速控制，则进入S7步骤控制器获取当前发动机运转档位F2，随后进入S9步骤进行判定当前发动机运转档位F2与实际目标档位F1的大小关系。若满足F2＞F1，则S9步骤直接进入S10步骤，此时将当前发动机运转档位F2减1档，随后再回到S5步骤进行循环判定。若不满足F2＞F1，则S9步骤直接进入S11步骤进行判定是否满足F2＝F1，若满足F2＝F1，则由S11步骤直接回到S1步骤，若不满足F2＝F1，则由S11步骤进入到S12步骤，此时将当前发动机运转档位F2加1档，随后再回到S5步骤进行循环判定。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，对图3所示的一台发动机与双压缩机连接方式，此时发动机的皮带轮直径为D1，压缩机的皮带轮直径为D2，则压缩机与发动机之间的传动比n＝D1/D2，此时压缩机转速M与发动机转速N间的关系为M＝N*D1/D2。发动机不熄火最低转速为N1，发动机最高可靠运行转速为N2，压缩机最低运行转速为M1，压缩机最高运行转速为M2。若依据发动机的转速范围，按照传动比计算得到压缩机转速范围为N1*D1/D2≤M≤N2*D1/D2，通过比较M1与N1*D1/D2及M2与N2*D1/D2值大小确定依据发动机转速范围而确定的发动机转速范围，通常情况下燃气热泵系统转速关系满足M1≤N1*D1/D2≤M≤N2*D1/D2≤M2，故此时压缩机实际可调转速范围为N1*D1/D2≤M≤N2*D1/D2。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，在控制器中设置好整机需求能需Q与压缩机转速M间的对应关系式，M的关系满足N1*D1/D2≤M≤N2*D1/D2，然后使用M＝N*D1/D2得到发动机转速N＝M*D2/D1，从而得到整机需求能需Q与发动机转速N间的对应关系式，记为N＝f(Q)。在发动机电子控制单元(ECU)控制中，设定好发动机转速精度为±E(E不能过大，不然对应压缩机转速精度较差，通常设置E≤20rpm)，为了控制的精准性，将发动机的转速进行档位划分建立发动机档位控制表，即控制器中保存设置的整机需求能需Q与发动机转速N间的对应关系表中N是每间隔x*E(x≥1，且为整数)为一档。实际在将整机需求能需QA对应发动机转速时先基于计算式NA0＝f(QA)计算初步目标转速NA0，然后将NA0对应发动机转速档位表数值取值实际目标转速NA，如果NA0处于相邻两档位NB与NC之间，即NB＜NA0≤NC，此时按照取大的方式取值，即此时取实际目标转速NA＝NC。如果基于NA0＝f(QA)计算出的NA0超出了发动机转速范围，则此时实际目标转速NA取发动机转速档位表中最接近的转速。基于以上设置便可将任意一个整机需求能需QA对应一个实际目标转速NA。发动机的实际目标转速NA档位表从档位1开始，随后2，3，4，……，Y，具体实际多少档位依据实际需要确定，针对双压缩机构成的GHP系统，在设置档位表时初始的小档位是发动机带动单压机，逐渐过渡到双压机。

通过上述方法，可以实现通过调节燃气发动机的转速而达到实时调节发动机转速，进而满足热泵系统的负荷调节要求，可以实现很好的用户舒适性及系统可靠性。

参见图2，一种燃气热泵多联机空调系统，包括动力单元、热泵循环单元和余热回收单元，在某些实施例中，还包括控制器单元，燃气(包括天然气、液化石油气、煤制气或沼气等)送入燃气发动机6(内燃机)燃烧后，释放的热能一部分转化成机械能来驱动热泵系统的压缩机1，其余的热能则以废热(包括烟气废热、气缸冷却水及机油带走的热量)的形式展现，需要添加相关余热回收系统才能对废热加以回收利用。其中动力单元为提供动力源的燃气发动机6；控制器单元则由各种传感器和控制器本体组成；热泵循环单元由压缩机1、冷凝器、蒸发器、节流装置等组成；余热回收系统单元由发动机缸套7、第一热回收器8、和烟气废热回收器9等组成。

在某些实施例中，所述热泵循环单元包括压缩机1、油分离器2、四通阀、室外机换热器3、室内机换热器4、第一节流装置、第二节流装置和气液分离器5，其中，所述压缩机1的排气口与所述油分离器2的入口连通，所述油分离器2的第二出口连接至所述压缩机1的吸气口，所述室外机换热器3的左端口接入所述四通阀，所述室外机换热器3的右端口与所述室内机换热器4的上端口连通且其连通的管道上依次设有所述第一节流装置和所述第二节流装置，所述室内机换热器4的下端口接入所述四通阀，所述气液分离器5的入口接入所述四通阀，所述气液分离器5的出口连接至所述压缩机1的吸气口。

所述余热回收单元包括发动机缸套7、第一热回收器8、烟气废热回收器9，其中，所述发动机连接所述发动机缸套7，冷却液经过所述发动机缸套7和所述第一热回收器8流出，此时，冷水经过所述第一热回收器8和所述烟气废热回收器9回收热量形成热水并通过多条支路供应。

在热泵系统运行过程中，需要实时依据室内负荷的大小进行容量调节，容量调节的主要方式是通过调节热泵系统中流经换热器的冷媒流量和冷媒与外接环境的换热温差大小，此时可通过调节节流装置与压缩机1转速进行调节，其中调节压缩机1转速是针对负荷进行容量调节的关键所在。而燃气热泵系统压缩机1自身并无动力完成冷媒压缩过程，需要借助皮带等连接装置将发动机皮带轮的动能传递到压缩机1的皮带轮而实现压缩机1的运转，从而实现对冷媒的周期性压缩过程。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，在燃气热泵系统中，通常是一台发动机带动一个或多个压缩机1进行运转调节，其中市面上的产品尤以一台发动机带动两台压缩机1运转的调节居多，本发明也以一台发动机驱动两台压缩机1运转的转速调节进行举例说明，但不以此作为本发明的权利保护范围限制，即一台发动机驱动一个或两个以上压缩机1的转速调节方式也类似。图3为一台发动机通过一条皮带带动两台压缩机1运转，两台压缩机1的皮带轮侧都安装有离合器，压缩机1是否进行压缩功能是通过安置在皮带轮侧的离合器的闭合与断开来实现，即离合器闭合时压缩机1进行冷媒周期性压缩，断开则压缩机1不进行冷媒压缩功能。

本系统的工作原理如下：对于热泵系统而言，系统内低温低压的气态冷媒经压缩机1压缩后形成的高温高压气态冷媒流经冷凝器冷凝，冷凝后的高压液态制冷剂流经节流装置进行节流降压，节流后低温低压气液两相态冷媒通过蒸发器蒸发成低温低压气态冷媒，随后低温低压气态冷媒回到压缩机1而继续压缩成高温高压气态冷媒排到冷凝器，从而构成完整的热泵系统循环。对于余热回收系统而言，燃气发动机6的冷却水热回收器和烟气热回收器中含有大量热量可供回收利用，可根据需要将该热量回收到热泵系统中或者外接的水系统中进行针对性利用。在夏季余热回收系统的热量可以加热制得生活热水而进行使用，而在冬季供暖模式下运行的热泵，正好可将这些废热加以回收利用，这使得整个热泵系统的制热性能得到进一步提高。

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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员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。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取整机能需计算所需要的相关参数；

步骤2：根据所述相关参数和设定的整机能需的关系式获得实时整机能需；

步骤3：根据所述实时整机能需和设定的转速的关系式获得发动机的初步目标转速；

步骤4：根据所述初步目标转速和设定的转速对应关系获得实际目标转速，根据所述实际目标转速和设定的转速档位对应关系获得实际目标档位；

步骤5：判定发动机是否有限转速控制，若有，执行步骤6，若否，则步骤7；

步骤6：根据设定的限转速控制规则调整所述实际目标档位；

步骤7：获取发动机的当前档位；

步骤8：判定发动机是否有限转速控制，若有，执行步骤6，若否，执行步骤1；

步骤9：判定所述当前档位与所述实际目标档位的大小关系，若所述当前档位大于所述实际目标档位，则执行步骤10，若所述当前档位小于或等于所述实际目标档位，则执行步骤11；

步骤10：按设定时间间隔将发动机的当前档位降一档后执行步骤5；

步骤11：判定所述当前档位与所述实际目标档位的大小关系，若所述当前档位等于所述实际目标档位，则执行步骤1，若所述当前档位不等于所述实际目标档位，则执行步骤12；

步骤12：按设定时间间隔将发动机的当前档位加一档后执行步骤5。

2.根据权利要求1所述的燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法，其特征在于，所述限转速控制规则具体为：

设发动机的皮带轮直径为D1，压缩机的皮带轮直径为D2；

则压缩机与发动机之间的传动比n＝D1/D2；

则压缩机转速M与发动机转速N间的关系为M＝N*D1/D2；

设发动机不熄火时最低转速为N1，发动机最高可靠运行转速为N2，压缩机最低运行转速为M1，压缩机最高运行转速为M2；

则燃气热泵系统有压缩机转速M范围满足M1≤N1*D1/D2≤M≤N2*D1/D2≤M2。

3.根据权利要求1所述的燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法，其特征在于，所述转速档位对应关系具体为：

设发动机转速精度为±E，单位rpm；

每间隔至少一个E为一档。

4.根据权利要求4所述的燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法，其特征在于，在所述转速档位对应关系中，低档位过渡到高档位对应驱动单个压缩机到多个压缩机。

5.根据权利要求1所述的燃气热泵发动机驱动压缩机的转速调节控制方法，其特征在于，如果初步目标转速NA0处于相邻两档位NB与NC之间，即NB＜NA0≤NC，此时按照取大值的方式取值，即取实际目标转速NA＝NC；若NA0超出了发动机转速范围，则此时实际目标转速NA取发动机转速档位表中与NA0最接近的转速。

6.一种具有转速调节控制的燃气热泵系统，包括压缩机和用于驱动所述压缩机的发动机，其特征在于，所述发动机利用如权利要求1至5任一所述的转速调节控制方法驱动所述压缩机，所述系统还包括热泵循环单元和余热回收单元，其中，

所述热泵循环单元包括压缩机、油分离器、四通阀、室外机换热器、室内机换热器、第一节流装置、第二节流装置和气液分离器，其中，所述压缩机的排气口与所述油分离器的入口连通，所述油分离器的第二出口连接至所述压缩机的吸气口，所述油分离器的第二出口连接至所述压缩机的吸气口，所述室外机换热器的左端口接入所述四通阀，所述室外机换热器的右端口与所述室内机换热器的上端口连通且其连通的管道上依次设有所述第一节流装置和所述第二节流装置，所述室内机换热器的下端口接入所述四通阀，所述气液分离器的入口接入所述四通阀，所述气液分离器的出口连接至所述压缩机的吸气口；

所述余热回收单元包括发动机缸套、第一热回收器、烟气废热回收器，其中，所述发动机连接所述发动机缸套，冷却液经过所述发动机缸套和所述第一热回收器流出，此时，冷水经过所述第一热回收器和所述烟气废热回收器回收热量形成热水并通过多条支路供应。

7.根据权利要求6所述的具有转速调节控制的燃气热泵系统，其特征在于，所述发动机通过皮带驱动至少一压缩机。

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