ES2945563T3 - Procedimiento de control para un calentador de agua con bomba de calor - Google Patents

Procedimiento de control para un calentador de agua con bomba de calor Download PDF

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Abstract

Un método de control para un calentador de agua con bomba de calor, que comprende: un paso de cálculo de ajuste, que comprende (11) calcular las relaciones de eficiencia energética de un monómero de compresor a diferentes temperaturas de evaporación, temperaturas de condensación y frecuencias de funcionamiento del compresor; (12) ajuste de una fórmula de índice de eficiencia energética; y (13) calcular una derivada de primer orden de la fórmula de la relación de rendimiento energético y obtener una fórmula de frecuencia operativa óptima del compresor haciendo que el valor de la ecuación de la derivada de primer orden sea 0; y una etapa de puesta en funcionamiento, que comprende (21) obtener periódicamente la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación, calcular la frecuencia óptima de funcionamiento del compresor y ajustar el compresor en función de la frecuencia óptima de funcionamiento. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de control para un calentador de agua con bomba de calor
Sector técnico
La invención se refiere al sector técnico de los calentadores de agua, en concreto a un procedimiento de control para un calentador de agua con bomba de calor y a un calentador de agua con bomba de calor.
Estado de la técnica anterior
En el caso de una bomba de calor con inversor de la técnica anterior, cuya fuente es el aire, el compresor solo funciona a una frecuencia determinada según una temperatura del agua variable y la temperatura ambiente. Pero, en el caso de una bomba de calor cuya fuente es el aire del tipo de calentamiento estático, la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación cambian constantemente en el transcurso del funcionamiento del calentamiento, el compresor de la misma no podría funcionar a una frecuencia óptima en tiempo real bajo un patrón de control habitual debido al hecho de que esto conduce a un desperdicio de energía.
La Patente CN 104613651 da a conocer un procedimiento de ajuste de la frecuencia de un calentador de agua con bomba de calor de frecuencia variable.
Características de la invención
Con el fin de resolver el problema técnico de los calentadores de agua con bomba de calor existentes de que la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación están cambiando constantemente en el transcurso del funcionamiento del calentamiento, el compresor del mismo no podría funcionar a una frecuencia óptima en tiempo real bajo el patrón de control habitual debido al hecho de que esto conduce a un desperdicio de energía. Se da a conocer un procedimiento de control para el calentador de agua con bomba de calor, que podría resolver los problemas anteriores.
Con el fin de resolver los problemas técnicos anteriores, la presente invención adopta las siguientes soluciones técnicas para conseguir:
un procedimiento de control para un calentador de agua con bomba de calor, según la reivindicación 1.
El procedimiento de control incluye, además, una etapa para calcular la segunda derivada de la fórmula de la relación de eficiencia energética entre la etapa (12) y la etapa (13), y una etapa para determinar si el valor de la segunda derivada es menor que 0; si el valor de la segunda derivada es menor que 0, se realiza la etapa (13).
Además, la fórmula de la relación de eficiencia energética es:
Figure imgf000002_0002
en la que u, v, w, a, b, c, d son coeficientes constantes, f representa la frecuencia de funcionamiento del compresor, Te representa la temperatura de evaporación y Tc representa la temperatura de condensación.
Además, la fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima es:
Figure imgf000002_0001
El procedimiento de control incluye, además, una etapa para introducir la fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima en un programa de control del calentador de agua con bomba de calor después del cálculo del ajuste; cuando se pone en marcha el calentador de agua con bomba de calor, se solicita automáticamente a la fórmula de frecuencia de funcionamiento óptima para calcular la frecuencia de funcionamiento óptima.
Además, la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación en la etapa (21) son detectadas directamente o calculadas indirectamente.
En comparación con la técnica anterior, las ventajas y los efectos positivos de la presente invención son: con el procedimiento de control del calentador de agua con bomba de calor de la presente realización, el ajuste de la relación de la eficiencia energética máxima de la unidad de compresión, cuando el agua es calentada a una temperatura preestablecida podría ser utilizado como la relación de eficiencia energética máxima del calentador de agua con bomba de calor sin considerar otros parámetros relacionados con el tiempo o la potencia calorífica, lo que simplifica la fórmula de cálculo y reduce la complejidad del cálculo. Por otra parte, se podrían mantener unas relaciones de eficiencia energética óptimas cuando el agua es calentada a diferentes temperaturas preestablecidas, lo que es beneficioso para reducir el consumo de energía.
Después de leer la descripción detallada de las realizaciones de la presente invención junto con los dibujos adjuntos, otras características y ventajas de la presente invención resultarán más claras.
Descripción de los dibujos
Con el fin de explicar más claramente las realizaciones de la presente invención o las soluciones técnicas en la técnica anterior, a continuación, se presentarán brevemente los dibujos que deben ser utilizados en la descripción de las realizaciones o de la técnica anterior.
La figura 1 muestra una curva de la variación de la eficiencia unitaria del compresor con la frecuencia de funcionamiento del compresor cuando funciona un procedimiento de control para el calentador de agua con bomba de calor, según un aspecto de la presente invención.
La figura 2 es un diagrama de flujo de un procedimiento de control para un calentador de agua con bomba de calor, según un aspecto de la presente invención.
Descripción detallada de la presente invención
Las soluciones técnicas en las realizaciones de la presente invención se describirán clara y completamente a continuación junto con los dibujos adjuntos en las realizaciones de la presente invención. 0bviamente, las realizaciones descritas son solo una parte de las realizaciones de la presente invención, y no son todas las realizaciones.
Ejemplo Uno:
Los componentes que consumen potencia en un calentador de agua con bomba de calor cuya fuente es el aire comprenden un compresor, uno o varios ventiladores y una o varias placas de circuito: el consumo de potencia de las placas de circuito es fijo; la cantidad de potencia que utilizan los ventiladores está de acuerdo con la frecuencia de funcionamiento del compresor, por lo que el consumo de potencia del ventilador también es estable bajo la condición de que la frecuencia del compresor esté dentro de un cierto margen; el compresor es el núcleo del calentador de agua con bomba de calor cuya fuente es el aire, por lo que la eficiencia del calentador de agua con bomba de calor cuya fuente es el aire depende de la frecuencia del compresor.
Siempre que estén determinadas la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación, la frecuencia del compresor aumenta primero y luego disminuye a medida que cambia la frecuencia, y su eficiencia tiene un valor máximo, tal como se muestra en la figura 1; en la que la C0P (relación de eficiencia energética) es máxima cuando el compresor funciona a una frecuencia Fopt. Por lo tanto, de acuerdo con un grupo de C0P máximos obtenidos a partir de una misma temperatura de evaporación y de diversas temperaturas de condensación, se podría constituir una curva teórica de C0P óptimo basada en el C0Pmax. El calentador de agua con bomba de calor es diferente del acondicionador de aire del tipo de bomba de calor debido a que el acondicionador de aire tiene un requisito más alto en cuanto al tiempo que tarda en funcionar, es decir, se requiere que el acondicionador de aire permita que la temperatura ambiente alcance una temperatura objetivo en un tiempo predeterminado en modo de enfriamiento o en modo de calefacción para satisfacer los requisitos físicos del usuario y, adicionalmente, requiere integrar otros factores tales como la capacidad de calentamiento y los requisitos de potencia; pero, en el caso de un calentador de agua con bomba de calor, especialmente para un calentador de agua con bomba de calor de calentamiento estático, se permite calentar el agua a un ritmo mucho más lento. Por lo tanto, debido al hecho de que el compresor es el componente principal que consume energía, la relación máxima de eficiencia energética del calentador de agua con bomba de calor podría ser determinada como que la relación de eficiencia energética unitaria del compresor se maximiza durante un proceso en que el agua se calienta hasta una temperatura preestablecida sin tener en cuenta otros parámetros de tiempo o de potencia calorífica. Estas disposiciones podrían simplificar la fórmula de cálculo y también podrían reducir la complejidad del cálculo.
En base al proceso explicado anteriormente, se da a conocer un procedimiento de control del calentador de agua con bomba de calor, que se muestra en la figura 2.
El cálculo del ajuste incluye las siguientes etapas:
S11: Cálculo de un grupo de relaciones de eficiencia energética de una unidad de compresor a diferentes temperaturas de evaporación, diferentes temperaturas de condensación y diferentes frecuencias de funcionamiento del compresor; el cálculo de la etapa S11 podría realizarse en un laboratorio donde se podría probar un grupo de relaciones de eficiencia energética de una unidad de compresor a diferentes temperaturas de evaporación, diferentes temperaturas de condensación y diferentes frecuencias de funcionamiento del compresor. En teoría, cuantas más muestras de datos se prueben, mejor reflejan la variación de la relación de eficiencia energética.
S12: Ajuste de una fórmula de relación de eficiencia energética en la que las variables independientes de la fórmula de la relación de eficiencia energética incluyen la temperatura de evaporación, la temperatura de condensación y la frecuencia de funcionamiento del compresor, y la variable dependiente de la fórmula de la relación de eficiencia energética incluye una relación de eficiencia energética; la fórmula de la relación de eficiencia energética es ajustada de acuerdo con los índices de eficiencia energética de la unidad de compresión, a diferentes temperaturas de evaporación, de condensación y frecuencias de funcionamiento del compresor, que se obtienen en la etapa S11.
S13: Cálculo de la primera derivada de la fórmula de la relación de eficiencia energética y establecimiento de un valor de la ecuación de la primera derivada a 0 para obtener una fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima del compresor, en la que las variables independientes incluyen la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación, y la variable dependiente incluye una frecuencia de funcionamiento óptima del compresor; tal como se muestra en la figura 1, la curva de la fórmula del índice de eficiencia energética es parabólica, y cuando la primera derivada de la fórmula del índice de eficiencia energética es 0, se obtiene el valor máximo. Por lo tanto, se podría obtener la fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima del compresor para Fopt.
Debido a que las variables independientes de la fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima del compresor para Fopt incluyen la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación, cuando el calentador de agua con bomba de calor está conectado, solo es necesario detectar periódicamente la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación, y la frecuencia de funcionamiento óptima del compresor correspondiente a la relación de eficiencia energética óptima en condiciones de funcionamiento en tiempo real se podría calcular sustituyendo la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación detectadas en la fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima del compresor.
Además, la etapa de puesta en marcha incluye:
S21: conectar el calentador de agua con bomba de calor y obtener periódicamente la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación; calcular una frecuencia de funcionamiento óptima del compresor de acuerdo con la fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima y ajustar el compresor en consecuencia. Con el procedimiento de control del calentador de agua con bomba de calor de la presente realización, la relación de eficiencia energética máxima adecuada del compresor de la unidad cuando el agua es calentada a una temperatura preestablecida, podría ser utilizada como la relación de eficiencia energética máxima del calentador de agua con bomba de calor sin considerar otros parámetros relacionados con el tiempo o la potencia calorífica, lo que simplifica la fórmula de cálculo y reduce la complejidad del cálculo. Por otra parte, se podrían mantener las relaciones de eficiencia energética óptima, cuando el agua es calentada a diferentes temperaturas preestablecidas, lo cual es beneficioso para reducir el consumo de energía.
Como una realización preferente, con el fin de evitar una situación en la que se obtenga otra curva diferente de la curva de la fórmula de relación de eficiencia energética ajustada que se muestra en la figura 1, en la que no se pudo determinar un valor máximo o no se pudieron determinar una pluralidad de valores máximos, lo que podría conducir a un fallo de la presente invención, se añade una etapa para calcular la segunda derivada de la fórmula de la relación de eficiencia energética entre la etapa S12 y la etapa 13, concretamente antes del cálculo de la fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima del compresor. Además, también se agrega en la misma una etapa para determinar si el valor de la segunda derivada es menor que 0. Si el valor de la segunda derivada es menor que 0, se realiza la etapa 13. Normalmente, la segunda derivada de la fórmula del índice de eficiencia energética correspondiente a la curva que se muestra en la figura 1 es menor que 0 y, en consecuencia, si el valor de la segunda derivada no satisface la condición de que el valor de la segunda derivada sea menor que 0, significa que existe una situación en la que se obtiene otra curva diferente de la curva de la fórmula del índice de eficiencia energética ajustada que se muestra en la figura 1 en la que no se pudo determinar ningún valor máximo o no se pudo determinar una pluralidad de valores máximos, lo cual puede conducir a un fallo del procedimiento de control dado a conocer por la presente invención y debe ser eliminado para evitar fallos de control.
Como una realización preferente, la fórmula de la relación de eficiencia energética en la presente invención es:
Figure imgf000004_0001
En que u, v, w, a, b, c, d son coeficientes constantes, f representa la frecuencia de funcionamiento del compresor, Te representa la temperatura de evaporación y Tc representa la temperatura de condensación. De la explicación anterior se puede ver que la fórmula de la relación de eficiencia energética refleja una relación entre la relación de eficiencia energética de la unidad de compresión, la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación. Con la presente realización, se podría obtener la relación de eficiencia energética máxima del compresor de la unidad cuando el agua es calentada a una temperatura preestablecida, y utilizarla posteriormente como la relación de eficiencia energética máxima del calentador de agua con bomba de calor sin considerar otros parámetros de tiempo o de potencia calorífica, simplificando de este modo la fórmula de cálculo y la reducción de la complejidad del cálculo. Los parámetros requeridos para el cálculo incluyen únicamente una temperatura de evaporación y una temperatura de condensación, que son fáciles de obtener.
La presente invención es especialmente adecuada para un proceso de control de calentamiento para un calentador de agua con bomba de calor. El calentador de agua con bomba de calor puede ser cualquier calentador de agua con bomba de calor de calentamiento estático, un calentador de agua con bomba de calor de calentamiento directo o un calentador de agua con bomba de calor circulante.
Adicionalmente, si la fórmula de la relación de eficiencia energética se establece en 0, la fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima es:
Figure imgf000005_0002
Después del cálculo de ajuste, el procedimiento de control incluye, además, una etapa para introducir la fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima mencionada anteriormente en un programa de control del calentador de agua con bomba de calor. Cuando se pone en marcha el calentador de agua con bomba de calor, se solicita automáticamente la fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima para que la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación obtenidas puedan ser introducidas para calcular la frecuencia de funcionamiento óptima, y la frecuencia de funcionamiento del compresor podría ser ajustada de acuerdo con la frecuencia de funcionamiento óptima calculada en base a la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación detectadas. La temperatura preestablecida del agua podría fijarse según se requiera, y con estas disposiciones, el calentador de agua con bomba de calor podría mantener la relación de eficiencia energética óptima mientras que el agua es calentada a cualquier temperatura preestablecida del agua, lo que es beneficioso para ahorrar energía.
En este caso, tanto la temperatura de evaporación Te como la temperatura de condensación Tc podrían ser detectadas mediante un sensor de temperatura, o ser calculadas indirectamente.
Como procedimiento alternativo si fallan los sensores de temperatura configurados para detectar la temperatura de evaporación Te y la temperatura de condensación Tc, en la presente realización se da a conocer un procedimiento para calcular la temperatura de evaporación Te y la temperatura de condensación Tc:
detectando una temperatura ambiente Tx y una temperatura del agua Tw, y calculando la temperatura de evaporación Te y la temperatura de condensación Tc respectivamente, en que:
Figure imgf000005_0001
la temperatura del agua Tw es la temperatura del agua en un depósito de agua y los coeficientes constantes se obtienen basándose en la experiencia.
Ejemplo Dos:
La presente realización propone un calentador de agua con bomba de calor que incluye un depósito de agua (no mostrado en las figuras) y un sistema de bomba de calor, en el que se realiza el procedimiento de control del calentador de agua con bomba de calor descrito en el ejemplo. El sistema de bomba de calor podría ser una bomba de calor cuya fuente sea aire o una bomba de calor solar. No hay limitación en este aspecto. El principio del sistema de la bomba de calor es calentar el agua almacenada en el depósito de agua mediante la energía absorbida del aire o de la luz solar mientras se hace circular refrigerante por medio del compresor. El procedimiento de control del calentador de agua con bomba de calor se podría referir como el Ejemplo uno, que no se repetirá de nuevo. Con el procedimiento de control del calentador de agua con bomba de calor, se puede obtener la relación de eficiencia energética máxima del compresor de la unidad cuando el agua es calentada a una temperatura preestablecida, y ser utilizado como la relación de eficiencia energética máxima del calentador de agua con bomba de calor sin tener en cuenta otros parámetros relacionados con el tiempo o la potencia calorífica, simplificando de este modo la fórmula de cálculo y reduciendo la complejidad del cálculo. Los parámetros requeridos para el cálculo incluyen únicamente una temperatura de evaporación y una temperatura de condensación, que son fáciles de obtener.
El calentador de agua con bomba de calor puede ser un calentador de agua cualquiera con bomba de calor de calentamiento estático, un calentador de agua con bomba de calor de calentamiento directo o un calentador de agua con bomba de calor circulante.
El depósito de agua tiene una entrada de agua y una salida de agua. Preferentemente, la entrada de agua se abre en la parte inferior del depósito de agua y la salida de agua se abre en la parte superior del depósito de agua. La presión de realimentación de agua de la entrada de agua podría formar una fuerza de fluencia forzada del lado del agua sin incrementar la potencia del dispositivo, lo que mejora el rendimiento del intercambio de calor entre el refrigerante y el agua, y la eficiencia del intercambio de calor del calentador de agua con la bomba de calor mejora considerablemente.

Claims (1)

  1. REIVINDICACI0NES
    1. Procedimiento de control para un calentador de agua con bomba de calor, en el que el procedimiento incluye:
    un cálculo de ajuste, que incluye:
    (11) calcular un grupo de relaciones de eficiencia energética de una unidad de compresión a diferentes temperaturas de evaporación, diferentes temperaturas de condensación y diferentes frecuencias de funcionamiento del compresor;
    (12) ajustar una fórmula de la relación de eficiencia energética en la que las variables independientes de la fórmula de la relación de eficiencia energética incluyen una temperatura de evaporación, una temperatura de condensación y una frecuencia de funcionamiento del compresor, y la variable dependiente de la fórmula de la relación de eficiencia energética incluye una relación de eficiencia energética;
    (13) calcular la primera derivada de la fórmula de la relación de eficiencia energética y establecer un valor de la ecuación de la primera derivada en 0 para obtener una fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima del compresor, en la que las variables independientes comprenden una temperatura de evaporación y una temperatura de condensación y la variable dependiente comprende una frecuencia de funcionamiento óptima del compresor;
    y una etapa de puesta en marcha, que incluye:
    (21) poner en marcha el calentador de agua con bomba de calor y obtener periódicamente la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación; calcular una frecuencia de funcionamiento óptima del compresor de acuerdo con la fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima y ajustar el compresor en consecuencia.
    2. Procedimiento de control para un calentador de agua con bomba de calor, según la reivindicación 1, caracterizado por que incluye, además, una etapa para calcular la segunda derivada de la fórmula del índice de eficiencia energética entre la etapa (12) y la etapa (13), y una etapa para determinar si el valor de la segunda derivada es menor que 0; si el valor de la segunda derivada es menor que 0, realizar la etapa (13).
    3. Procedimiento de control para un calentador de agua con bomba de calor, según la reivindicación 1, caracterizado por que la fórmula del índice de eficiencia energética es:
    Figure imgf000006_0002
    en que u, v, w, a, b, c, d son coeficientes constantes, f representa la frecuencia de funcionamiento del compresor, Te representa la temperatura de evaporación y Tc representa la temperatura de condensación.
    4. Procedimiento de control para un calentador de agua con bomba de calor, según la reivindicación 3, caracterizado por que la fórmula de frecuencia de funcionamiento óptima es:
    Figure imgf000006_0001
    5. Procedimiento de control para un calentador de agua con bomba de calor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que incluye, además, una etapa para introducir la fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima en un programa de control del calentador de agua con bomba de calor después del cálculo del ajuste; cuando se pone en marcha el calentador de agua con bomba de calor, se solicita automáticamente la fórmula de la frecuencia de funcionamiento óptima para calcular la frecuencia de funcionamiento óptima.
    6. Procedimiento de control para un calentador de agua con bomba de calor, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación en la etapa (21) son detectadas directamente o son calculadas indirectamente.
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