CN113137764B - 一种热泵热水器动态节能控制方法、控制器及热水器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热水器技术领域，具体涉及一种热泵热水器动态节能控制方法、控制器及热水器。所述控制方法包括如下步骤：步骤一，获取环境温度T环并记录其变化趋势；步骤二，若环境温度呈现上升趋势，则控制热水器进入分段加热状态，具体为：依据不同区间段的环境温度所对应不同的制热水的目标温度进行热水器的启停控制，其中，环境温度相对较低区间段所对应的目标温度低于环境温度相对较高区间段所对应的目标温度，且同一区间段内的环境温度所对应的目标温度均相等；步骤三，若环境温度呈现下降趋势，则控制热水器进入持续加热状态。本发明提供的动态节能控制方法，综合考虑环境温度对于机组能效的影响，提升了机组运行经济性与可靠性。

Description

一种热泵热水器动态节能控制方法、控制器及热水器
技术领域
本发明涉及热水器技术领域，具体涉及一种热泵热水器动态节能控制方法、控制器及热水器。
背景技术
目前市场上空气源热泵热水器制热时普遍单一依靠设定温度-启停温差(启停温差一般为5℃)来控制机组的启停，热水器一旦触发此条件机组将启动加热，国标GB21362-2008中能效的测试方法：在环境20/15℃，水温从15℃加热到55℃的能力能效，如果按上述方式启停机组，机组就会长时间在高水温区间段运行，该技术方案未综合考虑热泵机组环境温度与水温对能效的影响；当机组所处环境变化时，所对应的制热量和COP也会相应变化。
以一台5匹循环式热泵热水器为例，不同环温下机组制热量(15℃加热到55℃)和累积COP的对比：表1
Figure GDA0003682923770000011
相同环温下不同水温的制热量和累积COP对比，以-7℃为例：
表2
水温 38℃ 50℃ 55℃
制热量 8.7 7.93 6.98
累积COP 3.05 2.71 2.5
依据上表数据对比可得结论为：当环境温度上升时，累积COP得到提升，较为明显的提高了机组运行的经济性；当环境温度恒定，随着水温的不断升高，累积COP衰减显著，机组运行经济性降低。因此，有必要结合考虑热泵机组环境温度变化对于机组能效的影响，进而调整热泵热水器控制方式。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种热泵热水器动态节能控制方法，以综合考虑环境温度对于机组能效的影响，提升机组运行经济性与可靠性。
本发明的目的之二在于提供一种包含上述控制方法的控制器。
本发明的目的之三在于提供一种具有该控制器的热泵热水器。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种热泵热水器动态节能控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，获取环境温度T环并记录其变化趋势；步骤二，若环境温度呈现上升趋势，则控制热水器进入分段加热状态，具体为：依据不同区间段的环境温度所对应不同的制热水的目标温度进行热水器的启停控制，其中，环境温度相对较低区间段所对应的目标温度低于环境温度相对较高区间段所对应的目标温度，且同一区间段内的环境温度所对应的目标温度均相等；步骤三，若环境温度呈现下降趋势，则控制热水器进入持续加热状态。
进一步地，在步骤二中，所述的依据不同区间段的环境温度所对应不同的制热水的目标温度进行热水器的启停控制具体包含：步骤a，判断加热水箱内部水温是否低于当前时刻环境温度所对应的目标温度；步骤b，若判断结果为是，则控制热水器启动运行，并在加热水箱内部水温达到该目标温度后控制热水器停止运行，直至环境温度升至下一目标温度相应的环境温度区间段，再次控制热水器启动运行，以将加热水箱内部水温逐步升温至设定水温；步骤c，若判断结果为否，则控制热水器停止运行，直至环境温度升至下一目标温度相应的环境温度区间段，执行步骤a。该技术方案中，详述了环境温度升高相应的热水器启停控制，对于所述目标温度的选取应当是：环境温度较低，加热的目标水温竟可能稍低，反之，环境温度升高时，尽量提高目标温度取值，此外，还应结合考虑热水器制热水具体情况通过实验的方式确定不同环境温度下的最佳目标温度。
进一步地，在步骤一之前还包括如下控制方法步骤：获取保温水箱实际水位Sn与设定水位SM并进行比较，且基于比较结果确定开机时间t始；计算所述开机时间t始与用户用水时间t用的差值Δt，并与最低环境温度条件下热水器所需完成设定水位水量制热时间t低进行比较；若是比较结果满足：Δt＞t低，则进入步骤一；反之，控制热水器进入持续加热状态。
进一步地，所述的基于比较结果确定开机时间t始具体为：若满足条件Sn≥SM，则控制热水器停止运行；若满足条件Sn＜SM，则将Sn与保温水箱最低水位S1进行比较，若是Sn≤S1，则控制热水器开启运行，若是同时满足Sn＞S1，则确定当前时刻为热水器开机时间t始。该技术方案中，限定了进入步骤一的具体时机为满足条件S1＜Sn＜SM，且Δt＞t低时，而当Δt≤t低，由于可用于制热水的时间不足最低环境温度条件下热水器所需完成设定水位水量制热时间，因此，热水器需要持续制热水以优先满足用户用水需求，用户体验舒适，以满足市场需求。
进一步地，在步骤二中，建立目标温度随环境温度变化图，将所述环境温度分为多个区间段，同时依据机组实际情况确定不同环境温度区间段所对应的目标温度。
进一步地，在早晚环境温度低，中午环境温度高的冬季用水情况下，环境温度的多个所述区间段顺次分为：[-10，-7]，[-7，-5]，[-5，0]，[0，5]，[5，43]，各环境温度区间段所对应的目标温度分别为：35℃，40℃，45℃，50℃，55℃，当早晨的环境温度处于第一区间段[-10，-7]时，控制热水器启动运行，以使加热水箱内部水温升至第一目标温度35℃并控制热水器停止运行，以待环境温度升至第二区间段，重新开启运行，以使加热水箱内部水温升至第二目标温度40℃并控制热水器停止运行，如此循环进行热水器启停控制，直至加热水箱内部水温达到设定水温。该技术方案中，具体给出的冬季制热水控制方法，优先选取用户非用水时间段且环境温度升高情况下，控制热泵热水器充分制热加热水箱内部的热水，尤其适用于宾馆、学校、及酒店等拥有固定用水时间段的场景，更能提高运行经济性。
控制器，包括处理器和存储器，所述存储器用于储存计算机程序，所述处理器用于运行所述计算机程序，其中，所述计算机程序运行时执行上述的控制方法中的步骤。
热泵热水器，包括加热水箱，用于对加热水箱内的水进行加热的热泵主机，及用于对加热水箱内达到设定水温的热水进行储存的保温水箱，还包括上述控制器，所述加热水箱内装设有第一温度传感器，所述保温水箱内装设有用于检测热水温度的第二温度传感器和用于检测热水储量的水位传感器，第一、第二温度传感器，和水位传感器均与所述控制器电性连接。该技术方案中的用于检测水温的具体部件不局限于温度传感器，还适用于压力传感器，依据获取的压力值与压力-温度对照表获取水温。
进一步地，所述加热水箱与热泵主机之间，及加热水箱与保温水箱之间的冷媒管路上分别布设用于输送热水的第一水泵与第二水泵，所述加热水箱靠近进水口装设有补水阀。
本发明采用上述技术方案至少具有如下的有益效果：在热泵热水器制热水过程中，依据环境温度的变化趋势选择不同的热水器加热状态，当环境温度呈现上升趋势时，考虑到制热水能效将随环境温度而提高，此时控制热水器进入分段加热状态，相应的目标水温呈现动态变化，且随着环境温度的升高，目标水温也逐步升高，显著减少低温环境下，制热水目标温度较高产生的能效衰减，提高了热水器运行的经济性，同时，避免环境温度与水温间较大温差对机组的影响，提高机组运行的可靠性；当环境温度呈现下降趋势时，控制热水器进入持续加热状态，尽可能减少因环境温度降低引起的能效衰减，从而增加热泵热水器制热量。
附图说明
为了更清楚的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作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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它的附图。
图1为本发明实施例所述的热泵热水器的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的目标温度随环境温度变化图；
图3为本发明实施例所述的热泵热水器动态节能控制方法流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
需要说明的是，本文中的术语″第一″、″第二″仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有″第一″、″第二″的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，″多个″的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语″及/或″包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，为本发明实施例所述的热泵热水器的结构示意图。所述热泵热水器包括加热水箱3，用于对加热水箱内的水进行加热的热泵主机1，及用于对加热水箱内达到设定水温的热水进行储存的保温水箱8，所述加热水箱与热泵主机之间，及加热水箱与保温水箱之间的冷媒管路上分别布设有第一水泵2与第二水泵6，且靠近加热水箱的进水口还装设有补水阀5。所述热泵主机与第一水泵2开启时，对加热水箱内部的水进行循环制热，当加热水箱内部水温达到设定水温时，所述第二水泵6开启，热水输入至保温水箱进行储存，且补水阀5开启，自来水通过补水管路进入加热水箱；当加热水箱内部水温低于设定水温时，所述第二水泵6与补水阀5关闭，以待下一轮制热水过程，从而制得足够的热水并储存于保温水箱内部供用户使用。
为了动态获取机组各组件的参数数值，需要设置各类传感元件。例如可以是检测温度的温度传感器或者是检测压力的压力传感器，本发明就包括用于检测热水温度的装设于加热水箱内部的第一温度传感器4与装设于保温水箱内部的第二温度传感器7，以及装设于保温水箱内部用于检测热水储量的水位传感器9，具体的，保温水箱内部共设有四级水位，分别为S1：低水位；S2：中低水位；S3：中高水位；S4：高水位。
本发明还提供有控制器，所述控制器为热泵热水器的组成部分，且与所述第一温度传感器4、第二温度传感器7、第一水泵2、第二水泵6、补水阀5、及热泵主机电性连通。
所述控制器包括处理器和存储器，所述存储器用于储存计算机程序，所述处理器用于运行所述计算机程序，以实现如下所述的热泵热水器动态节能控制方法。
请参阅图3，为本发明实施例所述的热泵热水器动态节能控制方法流程图，结合该流程图与具体案例对本发明的控制方法步骤进行详细说明：
在步骤S1中，控制器获取保温水箱实际水位Sn与设定水位SM，然后进入到步骤S2。在步骤S2中，控制器对保温水箱内部实际水位Sn是否低于设定水位SM进行判断，若实际水位Sn低于设定水位SM，则进入步骤S3，反之，进入步骤S10。在步骤S10中，保温水箱内部储水充足，因而，控制热水器停止运行。在步骤S3中，需进一步判断保温水箱内部实际水位Sn是否高于低水位S1，若判断结果为是，则进入步骤S4，反之，进入步骤S9。在步骤S9中，检测到保温水箱内部水位已达最低值，为了随时能够满足用户用水需要，需要立即启动热水器进行制热水。在步骤S4中，设定当前时刻为热水器开机时间t始，并且计算所述开机时间t始与用户用水时间t用的差值Δt，所述用水时间为记录到的水位出现下降的时间，然后进入步骤S5。在步骤S5中，控制器对所述差值Δt是否大于最低环境温度条件下热水器所需完成设定水位水量制热时间t低进行判断，若判断结果为是，则进入步骤S6，反之，进入步骤S8。在步骤S6中，控制器获取热水器所处环境温度T环并记录其变化趋势，若环境温度呈现上升趋势，则进入步骤S7，若环境温度呈现下降趋势，则进入步骤S8。在步骤S8中，为了尽可能减少因环境温度降低引起的能效衰减，增加热泵热水器制热量，此时应当控制热水器进入持续加热状态，直至加热水箱内部水温达到设定水温。在步骤S7中，控制热水器进入分段加热状态，具体包含如下步骤：步骤a，判断加热水箱内部水温是否低于当前时刻环境温度所对应的目标温度；步骤b，若判断结果为是，则控制热水器启动运行，并在加热水箱内部水温达到该目标温度后控制热水器停止运行，直至环境温度升至下一目标温度相应的环境温度区间段，再次控制热水器启动运行，以将加热水箱内部水温逐步升温至设定水温；步骤c，若判断结果为否，则控制热水器停止运行，直至环境温度升至下一目标温度相应的环境温度区间段，执行步骤a。
具体的，举例说明所述的控制热泵热水器进入分段加热状态的具体实施方式。假设处于早晚环境温度低，中午环境温度高的冬季用水情况下，用户用水时间相对固定的处于晚上8:00至12:00之间，设定水温为55℃，设定水位为S4。建立目标温度随环境温度变化图，如图2所示，将所述环境温度的多个所述区间段顺次分为：[-10，-7]，[-7，-5]，[-5，0]，[0，5]，[5，43]，各环境温度区间段所对应的目标温度分别为：35℃，40℃，45℃，50℃，55℃。当早晨的环境温度处于第一区间段[-10，-7]时，控制热水器启动运行，以使加热水箱内部水温升至第一目标温度35℃并控制热水器停止运行，以待环境温度升至第二区间段，重新开启运行，以使加热水箱内部水温升至第二目标温度40℃并控制热水器停止运行，如此循环进行热水器启停控制，直至加热水箱内部水温达到设定水温。需要说明的是，所述目标温度需要综合考虑环境温度与热水器制热水具体情况，通过实验的方式确定不同环境温度下的最佳目标温度。
为了对于本发明实施方式的益处加以验证，本申请发明人设计有如下对比实验。
实验条件：同一台机组(13匹)热泵热水器接1000L保温水箱进行模拟加热，初始水温20℃，设定水温50℃。
加热方式1：假设环境温度9℃恒定不变，热水器只要满足开机条件则机组直接将水温从20℃加热到50℃，中间不停机，与热水器周围环境温度不产生联动。
加热方式2：加热方式1假设环境温度为固定值，实际上天气从早到晚是变化的，环境温度也是相应变化的，有可能升高有可能降低，本实验过程中将热水器的运行情况与周围环境温度产生联动，假设环境温度是逐渐升高的，如按照9℃，12℃、15℃逐步升温，9℃时把水温从20℃换热至目标温度(30℃)后停机，待环境温度升高至12℃时继续将水温换热至目标温度(40℃)后停机，继而待环境温度升高至15℃时将水温换热至设定水温50℃后停机。
依据上述两种不同加热方式分别得到的制热量和能效比COP记录如下表3。
表3
Figure GDA0003682923770000061
实验结论：加热方式2与加热方式1对比，热水器运行随着环境温度的升高，制热量会提高5.1％，能效COP会提升5％，实验中环境温度升高只以3℃的温差为跨度，如果温差变化越大效果会越明显，制热量增加同时缩短了加热时间。
在本发明的描述中，″控制器″、″处理器″等可以包括硬件、软件或者两者的组合。一个模块可以包括硬件电路，各种合适的感应器，通信端口，存储器，也可以包括软件部分，比如程序代码，也可以是软件和硬件的组合。处理器可以是中央处理器、微处理器、图像处理器、数字信号处理器或者其他任何合适的处理器。处理器具有数据和/或信号处理功能。处理器可以以软件方式实现、硬件方式实现或者二者结合方式实现。控制器对应的物理器件可以是处理器本身，或者处理器中软件的一部分，硬件的一部分，或者软件和硬件结合的一部分。
需要指出的是，尽管上述控制方法中将各个步骤按照特定的先后顺序进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本发明的效果，不同的步骤之间并非必须按照这样的顺序执行，其可以同时(并行)执行或以其他顺序执行，这些变化都在本发明的保护范围之内。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种热泵热水器动态节能控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，获取环境温度T环并记录其变化趋势；
步骤二，若环境温度呈现上升趋势，则控制热水器进入分段加热状态，具体为：依据不同区间段的环境温度所对应不同的制热水的目标温度进行热水器的启停控制，其中，环境温度相对较低区间段所对应的目标温度低于环境温度相对较高区间段所对应的目标温度，且同一区间段内的环境温度所对应的目标温度均相等；
步骤三，若环境温度呈现下降趋势，则控制热水器进入持续加热状态。
2.根据权利要求1所述的一种热泵热水器动态节能控制方法，其特征在于：在步骤二中，所述的依据不同区间段的环境温度所对应不同的制热水的目标温度进行热水器的启停控制具体包含：
步骤a，判断加热水箱内部水温是否低于当前时刻环境温度所对应的目标温度；
步骤b，若判断结果为是，则控制热水器启动运行，并在加热水箱内部水温达到该目标温度后控制热水器停止运行，直至环境温度升至下一目标温度相应的环境温度区间段，再次控制热水器启动运行，以将加热水箱内部水温逐步升温至设定水温；
步骤c，若判断结果为否，则控制热水器停止运行，直至环境温度升至下一目标温度相应的环境温度区间段，执行步骤a。
3.根据权利要求1所述的一种热泵热水器动态节能控制方法，其特征在于，在步骤一之前还包括如下控制方法步骤：
获取保温水箱实际水位Sn与设定水位SM并进行比较，且基于比较结果确定开机时间t始；
计算所述开机时间t始与用户用水时间t用的差值Δt，并与最低环境温度条件下热水器所需完成设定水位水量制热时间t低进行比较；
若是比较结果满足：Δt＞t低，则进入步骤一；反之，控制热水器进入持续加热状态。
4.根据权利要求3所述的一种热泵热水器动态节能控制方法，其特征在于，所述的基于比较结果确定开机时间t始具体为：
若满足条件Sn≥SM，则控制热水器停止运行；若满足条件Sn＜SM，则将Sn与保温水箱最低水位S1进行比较，若是Sn≤S1，则控制热水器开启运行，若是同时满足Sn＞S1，则确定当前时刻为热水器开机时间t始。
5.根据权利要求1所述的一种热泵热水器动态节能控制方法，其特征在于，在步骤二中，建立目标温度随环境温度变化图，将所述环境温度分为多个区间段，同时依据机组实际情况确定不同环境温度区间段所对应的目标温度。
6.根据权利要求5所述的一种热泵热水器动态节能控制方法，其特征在于，在早晚环境温度低，中午环境温度高的冬季用水情况下，环境温度的多个所述区间段顺次分为：[-10，-7]，[-7，-5]，[-5，0]，[0，5]，[5，43]，各环境温度区间段所对应的目标温度分别为：35℃，40℃，45℃，50℃，55℃，当早晨的环境温度处于第一区间段[-10，-7]时，控制热水器启动运行，以使加热水箱内部水温升至第一目标温度35℃并控制热水器停止运行，以待环境温度升至第二区间段，重新开启运行，以使加热水箱内部水温升至第二目标温度40℃并控制热水器停止运行，如此循环进行热水器启停控制，直至加热水箱内部水温达到设定水温。
7.控制器，包括处理器和存储器，其特征在于，所述存储器用于储存计算机程序，所述处理器用于运行所述计算机程序，其中，所述计算机程序运行时执行权利要求1-6任一所述的控制方法中的步骤。
8.热泵热水器，包括加热水箱(3)，用于对加热水箱内的水进行加热的热泵主机(1)，及
用于对加热水箱内达到设定水温的热水进行储存的保温水箱(8)，其特征在于，还包括如权利要求7所述的控制器，所述加热水箱内装设有第一温度传感器(4)，所述保温水箱内装设有用于检测热水温度的第二温度传感器(7)和用于检测热水储量的水位传感器(9)，第一、第二温度传感器，和水位传感器均与所述控制器电性连接。
9.根据权利要求8所述的热泵热水器，其特征在于，所述加热水箱与热泵主机之间，及加热水箱与保温水箱之间的冷媒管路上分别布设用于输送热水的第一水泵(2)与第二水泵(6)，所述加热水箱靠近进水口装设有补水阀(5)。
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