WO2021103053A1 - 一种二氧化碳复叠式供暖系统及其控制方法 - Google Patents

一种二氧化碳复叠式供暖系统及其控制方法 Download PDF

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Definitions

  • it also includes an ambient temperature sensor for detecting the temperature of the outside environment, an indoor temperature sensor for detecting the indoor temperature, and a refrigerant inlet temperature sensor and a refrigerant outlet temperature respectively arranged at the inlet and outlet ends of the condenser tube sensor.

Abstract

一种二氧化碳复叠式供暖系统及其控制方法，包括低温级回路、高温级回路和供热回路，其中的低温级压缩机（3）和高温级压缩机（7）均为变频压缩机，水泵（10）为变频水泵。

Description

一种二氧化碳复叠式供暖系统及其控制方法 技术领域
本发明涉及一种二氧化碳复叠式供暖系统及其控制方法。
背景技术
作为制冷剂的二氧化碳与R1234yf(2,3,3,3-四氟丙烯)都有ODP(臭氧消耗潜值)为0和低GWP(温室效应潜值)的良好环境属性，其中新型制冷剂R1234yf作为高温室效应的制冷剂R134a(1，1，1，2-四氟乙烷)的替代产品在汽车空调中已经得到一定规模的使用，二氧化碳作为自然工质在低温条件下也有着良好的物理属性。因此，两种结合组成的二氧化碳复叠式供暖系统与传统的复叠式热泵相比有着良好的性能，也兼顾环境属性。目前的二氧化碳复叠式供暖系统不能以人体舒适度为控制目标根据环境温度和室内温度变化来调节机组的负荷，也不能实现在该工作条件下调节高温级与低温级的负荷来保证机组的最佳运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种二氧化碳复叠式供暖系统和方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种二氧化碳复叠式供暖系统，其包括低温级回路、高温级回路和供热回路，所述低温级回路包括依次串联设置在环路中的蒸发器、气液分离器、低温级压缩机、中间换热器冷凝管和低温级膨胀阀，所述高温级回路包括依次串联设置在环路中的中间换热器蒸发管、高温级压缩机、冷凝器冷凝管和高温级膨胀阀，所述供热回路包括依次串联设置在环路中的冷凝器蒸发管、用户端换热组件和水泵，所述中间换热器冷凝管与所述中间换热器蒸发管相互换热地设置在一起，所述冷凝器冷凝管和所述冷凝器蒸发管相互换热地设置在一起，所述低温级压缩机和所述高温级压缩机均为变频压缩机，所述水泵为变频水泵。
优选地，还包括用于检测外界环境温度的环境温度传感器，用于检测室内温度的室内温度传感器，以及分别设置在所述冷凝器冷凝管入口端和出口端的载冷剂入口温度传感器和载冷剂出口温度传感器。
优选地，所述高温级回路还包括设置在所述中间换热器冷凝管与所述高 温级压缩机之间的内部换热器蒸发管和设置在所述冷凝器蒸发管与所述高温级膨胀阀之间的内部换热器冷凝管，所述内部换热器蒸发管和所述内部换热器冷凝管相互换热地设置在一起。
优选地，所述蒸发器入口端和中间换热器冷凝管入口端连接设置有除霜管路，所述除霜管路中设置有电磁阀。
优选地，所述用户端换热组件包括多组并联设置的用户端换热单元，所述用户端换热单元包括串连设置的流量调节阀和用户端换热器。
优选地，所述低温级回路还包括用驱动室外空气于所述蒸发器换热的风机，所述风机为变频风机。
一种二氧化碳复叠式供暖系统的控制方法，采用上述的二氧化碳复叠式供暖系统，其包括以下步骤：
1)通过房间信息计算获得第i房间的舒适温度T s,i，通过环境温度传感器获取室外温度T a，通过室内温度传感器获取第i房间的室内温度T t,i；
2)通过T s,i、T a和T t,i计算得到所述冷凝器中载冷剂的出口需要的温度T out＝(T t,1，T t,2……T t,n，T s,1，T s,2……T s,n)，以及计算第i房间所需的热负荷Q i＝φ i(T t,i，T s,i，T a)；
3)依据所得第i房间的当前温度T t,i与舒适度温度T s,i的差值ΔT i和热负荷Q i计算第i流量调节阀的合适开度EXP i＝EXP i(ΔT i，Q i)，并通过EXP i的数值对流量调节阀进行调节。
4)根据第i房间所需的热负荷Q i和用户端换热单元供暖过程中的漏热损失Q s计算供暖机组提供的制热量为
Figure PCTCN2019122562-appb-000001
根据所述冷凝器中载冷剂的出口需要的温度T out和供暖机组提供的制热量为Q；
5)根据所得制热量Q和出水温度T out根据公式调节所述高温级压缩机的合适运行频率V 1＝g(Q，T out)和所述水泵的合适运行频率V 3＝h(Q，T out)；
6)根据所述目标中间温度T m与所述环境温度T a，依据公式调节所述低温级压缩机的合适运行频率V 2＝m(T m，T a)；
7)根据V 1的数值对所述高温级压缩机进行调节，根据V 2的数值对所述低温级压缩机进行调节，根据V 3的数值对所述水泵进行调节。
优选地，所述风机运行的控制方法为：
当T a≤T a,1时，所述变频风机以V f,1的运行频率运行；
当T a,1＜T a≤T a,2，所述变频风机以V f,2的运行频率运行；
当T a＞T a,2，所述变频风机以V f,3的运行频率运行；
其中V f,1＞V f,2＞V f,3。
优选地，步骤3)中，当|ΔT i|≤1℃时，第i流量调节阀不再调节。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
由于本发明的二氧化碳复叠式供暖系统采用变频压缩机、变频水泵和变频风机，具有高效、节能、环保的特点，其采用的控制方法能够根据用户端热负荷需求的大小，能够合理地调节其运行参数并保证在最高效的状态下运行，从而达到节约能源、提高供暖舒适度的作用，改善了现有的二氧化碳复叠式供暖系统存在的不足。
附图说明
附图1为本发明的系统原理图。
附图2为本发明的控制流程图。
以上附图中：1、蒸发器；2、气液分离器；3、低温级压缩机；4、中间换热器；5、低温级膨胀阀；6、变频风机；7、高温级压缩机；8、冷凝器；9、高温级膨胀阀；10、水泵；11、流量调节阀；12、用户端换热器；13、内部换热器；14、电磁阀。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述：
参见附图1所示，一种二氧化碳复叠式供暖系统，其包括低温级回路、高温级回路和供热回路，低温级回路包括依次串联设置在环路中的蒸发器1、气液分离器2、低温级压缩机3、中间换热器冷凝管和低温级膨胀阀5，其中蒸发器1上还设置有变频风机6，本实施例中，低温级回路中采用二氧化碳作为介质。高温级回路包括依次串联设置在环路中的中间换热器蒸发管、高温级压缩机7、冷凝器冷凝管和高温级膨胀阀9，本实施例中，高温级回路采用R1234yf作为介质。供热回路包括依次串联设置在环路中的冷凝器蒸发管、用户端换热组件和水泵10。中间换热器冷凝管与中间换热器蒸发管相互换热地设置在一起组成中间换热器4，冷凝器冷凝管和冷凝器蒸发管相互换热地设置在一起组成冷凝器8。本实施例中，低温级压缩机3和高温级压缩机7均为变频压缩机，水泵10为变频水泵10。并且，用户端换热组件包括多组并联设置的用户端换热单元，用户端换热单元包括串连设置的流量调节阀11和用户端 换热器12。
此外，还包括用于检测外界环境温度的环境温度传感器，用于检测室内温度的室内温度传感器，以及分别设置在冷凝器冷凝管入口端和出口端的载冷剂入口温度传感器和载冷剂出口温度传感器。
本实施例中，高温级回路还包括设置在中间换热器冷凝管与高温级压缩机7之间的内部换热器蒸发管和设置在冷凝器蒸发管与高温级膨胀阀9之间的内部换热器冷凝管，内部换热器蒸发管和内部换热器冷凝管相互换热地设置在一起组成内部换热器13。内部换热器13能够帮助通过冷凝器8而未被彻底液化的R1234yf介质彻底液化，加强其效果。
蒸发器1入口端和中间换热器冷凝管入口端连接设置有除霜管路，除霜管路中设置有电磁阀14，在需要除霜时，电磁阀14打开，二氧化碳介质绕过中间换热器4回到蒸发器1。从而防止在除霜工作时候二氧化碳介质继续从蒸发器1吸收热量，而延缓除霜效果，同时还能保证其他组件不用停机，提高工作效率。
本实施例的二氧化碳复叠式供暖系统的工作方式为：
在供暖模式下，电磁阀14关闭，变频风机6，低温级压缩机3和高温级压缩机7开启，变频水泵10开启。
低温级回路中，二氧化碳介质在低温级压缩机3的驱动下进入中间换热器冷凝管被中间换热器蒸发管中的R1234yf介质冷却，然后经过低温级膨胀阀5进入蒸发器1从空气当中吸收热量，之后进入气液分离器2后回到低温级压缩机3。
高温级回路中，R1234yf介质在高温级压缩机7的驱动下进入冷凝器冷凝管将热量传递给冷凝器蒸发管中的载冷剂，然后进入内部换热器13被低温的R1234yf进一步冷却，流经高温级膨胀阀9后进入中间换热器冷凝管吸收中间换热器蒸发管中二氧化碳介质的热量，然后进入内部换热器13进一步过热后回到高温级变频压缩机。
供热回路中，载冷剂在变频水泵10的驱动下进入冷凝器蒸发管吸收冷凝器冷凝管中的R1234yf介质的热量后，分成n路，毎路通过流量调节阀11来调节载冷剂的流量，载冷剂在换热器中放热给房间内供暖后重新进入变频水泵10中。
为了使该二氧化碳复叠式供暖系统中的变频风机6、低温级压缩机3、高温级压缩机7和变频水泵10能够根据环境温度的不同和各房间的热负荷合适 地调节，保证机组在最佳的状态点运行。其控制方法包括以下步骤：
1)通过房间信息计算获得第i房间的舒适温度T s,i，通过环境温度传感器获取室外温度T a，通过室内温度传感器获取第i房间的室内温度T t,i；
2)通过T s,i、T a和T t,i计算得到冷凝器8中载冷剂的出口需要的温度：
Figure PCTCN2019122562-appb-000002
以及计算第i房间所需的热负荷：
Q i＝φ i(T t,i，T s,i，T a)＝A i[K 1(T a-T s,i)+K 2(T t,i-T s,i)]；其中，K 1和K 2为特征系数，A i为第i房间的特征供暖面积。
3)依据所得第i房间的当前温度T t,i与舒适度温度T s,i的差值ΔT i和热负荷Q i计算第i流量调节阀11的合适开度：
EXP i＝EXP i(ΔT i，Q i)＝(ΔT i*Q i)/a*100％，系数a由实验数据拟合得到，取值为8≤a≤10。
并通过EXP i对流量调节阀11进行调节，只有当|ΔT i|≤1℃时，第i流量调节阀11不再调节。通过合理调节每一个流量调节阀11，能够保证每个房间都能够迅速达到最舒适的温度。
4)根据第i房间所需的热负荷Q i和用户端换热单元供暖过程中的漏热损失Q s计算供暖机组提供的制热量为
Figure PCTCN2019122562-appb-000003
根据冷凝器8中载冷剂的出口需要的温度T out和供暖机组提供的制热量为Q；
5)根据所得制热量Q和出水温度T out根据公式计算高温级压缩机7的合适运行频率：
V 1＝g(Q，T out)＝50+5*Q/Q 0+3*T out/T out,0，
和水泵10的合适运行频率：
V 3＝h(Q，T out)＝1250*Q/[Q 0*(T out-40)]，
并通过V 1对高温级压缩机7进行调节，通过V 3对水泵10进行调节。
6)根据中间换热器4的中间温度T m与环境温度T a，依据公式调节低温级压缩机3的合适运行频率:
V 2＝m(T m，T a)＝45.27-0.65*T a+0.254*T m-0.003*T a 2+0.0017*T m 2+0.0019*T a*T m，
通过V 2对低温级压缩机3进行调节，以保证低温级的冷凝温度达到目标中间温度T m。对低温级压缩机3、高温级压缩机7和水泵10的合理调节能够使得机组的工作效率大幅度提升，以减少不必要的能源消耗，从而达到节能的技术目的。
此外，控制方法还包括对风机的调节方法：
当T a≤T a,1时，变频风机6以V f,1的运行频率运行；
当T a,1＜T a≤T a,2，变频风机6以V f,2＝c*T a+b的运行频率运行；
当T a＞T a,2，变频风机6以V f,3的运行频率运行；
其中V f,1＞V f,2＞V f,3，公式中的系数c和系数b均由实验数拟合得到，本实施例中，c＝-4/9，b＝146/3。变频风机6的调节能够使得在满足蒸发器1的吸热量的基础上合理的减少变频风机6的能源消耗，进一步达到节能的目的。
上述控制方法中涉及的公式都可通过实验数据拟合得到。
该二氧化碳复叠式供暖系统及其控制方法可以根据运行供暖负荷的大小，合理调节风机和压缩机运行频率，供暖速率快，节约能源；并且在不同的工况下工作时都能运行在最佳状态，系统效率高，实现节约能源的目的。
由于实施例的二氧化碳复叠式供暖系统采用变频压缩机、变频水泵和变频风机，具有高效、节能、环保的特点。其采用的控制方法能够根据用户端热负荷需求的大小，能够合适地调节水泵10、低温级压缩机3和高温级压缩机7的运行频率，以及流量调节阀11的开度，以保证系统在最高效的状态下运行，从而达到节约能源、提高供暖舒适度的作用，改善了现有的二氧化碳复叠式供暖系统存在的不足。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士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。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

  1. 一种二氧化碳复叠式供暖系统，其包括低温级回路、高温级回路和供热回路，所述低温级回路包括依次串联设置在环路中的蒸发器、气液分离器、低温级压缩机、中间换热器冷凝管和低温级膨胀阀，所述高温级回路包括依次串联设置在环路中的中间换热器蒸发管、高温级压缩机、冷凝器冷凝管和高温级膨胀阀，所述供热回路包括依次串联设置在环路中的冷凝器蒸发管、用户端换热组件和水泵，所述中间换热器冷凝管与所述中间换热器蒸发管相互换热地设置在一起，所述冷凝器冷凝管和所述冷凝器蒸发管相互换热地设置在一起，其特征在于：所述低温级压缩机和所述高温级压缩机均为变频压缩机，所述水泵为变频水泵。
  2. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳复叠式供暖系统，其特征在于：还包括用于检测外界环境温度的环境温度传感器，用于检测室内温度的室内温度传感器，以及分别设置在所述冷凝器冷凝管入口端和出口端的载冷剂入口温度传感器和载冷剂出口温度传感器。
  3. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳复叠式供暖系统，其特征在于：所述高温级回路还包括设置在所述中间换热器冷凝管与所述高温级压缩机之间的内部换热器蒸发管和设置在所述冷凝器蒸发管与所述高温级膨胀阀之间的内部换热器冷凝管，所述内部换热器蒸发管和所述内部换热器冷凝管相互换热地设置在一起。
  4. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳复叠式供暖系统，其特征在于：所述蒸发器入口端和中间换热器冷凝管入口端连接设置有除霜管路，所述除霜管路中设置有电磁阀。
  5. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳复叠式供暖系统，其特征在于：所述用户端换热组件包括多组并联设置的用户端换热单元，所述用户端换热单元包括串连设置的流量调节阀和用户端换热器。
  6. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳复叠式供暖系统，其特征在于：所述低温级回路还包括用驱动室外空气于所述蒸发器换热的风机，所述风机为变频风机。
  7. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳复叠式供暖系统，其特征在于：还包括用于检测外界环境温度的环境温度传感器，用于检测室内温度的室内温度传感器，以及分别设置在所述冷凝器冷凝管入口端和出口端的载冷剂入口温度传感器和载冷剂出口温度传感器；
    所述高温级回路还包括设置在所述中间换热器冷凝管与所述高温级压缩机之间的内部换热器蒸发管和设置在所述冷凝器蒸发管与所述高温级膨胀阀之间的内部换热器冷凝管，所述内部换热器蒸发管和所述内部换热器冷凝管相互换热地设置在一起；
    所述蒸发器入口端和中间换热器冷凝管入口端连接设置有除霜管路，所述除霜管路中设置有电磁阀；
    所述用户端换热组件包括多组并联设置的用户端换热单元，所述用户端换热单元包括串连设置的流量调节阀和用户端换热器；
    所述低温级回路还包括用驱动室外空气于所述蒸发器换热的风机，所述风机为变频风机。
  8. 一种二氧化碳复叠式供暖系统的控制方法，采用如权利要求1到7中任一项所述的二氧化碳复叠式供暖系统，其特征在于包括以下步骤：
    1)通过房间信息计算获得第i房间的舒适温度T s,i，通过环境温度传感器获取室外温度T a，通过室内温度传感器获取第i房间的室内温度T t,i；
    2)通过T s,i、T a和T t,i计算得到所述冷凝器中载冷剂的出口需要的温度T out＝(T t,1，T t,2……T t,n，T s,1，T s,2……T s,n)，以及计算第i房间所需的热负荷Q i＝φ i(T t,i，T s,i，T a)；
    3)依据所得第i房间的当前温度T t,i与舒适度温度T s,i的差值ΔT i和热负荷Q i计算第i流量调节阀的合适开度EXP i＝EXP i(ΔT i，Q i)，并根据EXP i数值对流量调节阀进行调节。
  9. 根据权利要求8所述的一种二氧化碳复叠式供暖系统的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
    4)根据第i房间所需的热负荷Q i和用户端换热单元供暖过程中的漏热损失Q s计算供暖机组提供的制热量为
    Figure PCTCN2019122562-appb-100001
    根据所述冷凝器中载冷剂的出口需要的温度T out和供暖机组提供的制热量为Q；
    5)根据所得制热量Q和出水温度T out根据公式计算所述高温级压缩机的合适运行频率V 1＝g(Q，T out)和所述水泵的合适运行频率V 3＝h(Q，T out)；
    6)根据所述目标中间温度T m与所述环境温度T a，依据公式计算所述低温级压缩机的合适运行频率V 2＝m(T m，T a)；
    7)根据V 1的数值对所述高温级压缩机进行调节，根据V 2的数值对所述低温级压缩机进行调节，根据V 3的数值对所述水泵进行调节。
  10. 根据权利要求8所述的一种二氧化碳复叠式供暖系统的控制方法，其特 征在于：步骤3)中，当|ΔT i|≤1℃时，第i流量调节阀不再调节。
  11. 根据权利要求8所述的一种二氧化碳复叠式供暖系统的控制方法，其特征在于，所述风机运行的控制方法为：
    当T a≤T a,1时，所述变频风机以V f,1的运行频率运行；
    当T a,1＜T a≤T a,2，所述变频风机以V f,2的运行频率运行；
    当T a＞T a,2，所述变频风机以V f,3的运行频率运行；
    其中V f,1＞V f,2＞V f,3。
  12. 根据权利要求9所述的一种二氧化碳复叠式供暖系统的控制方法，其特征在于：当|ΔT i|≤1℃时，第i流量调节阀不再调节；
    所述风机运行的控制方法为：
    当T a≤T a,1时，所述变频风机以V f,1的运行频率运行；
    当T a,1＜T a≤T a,2，所述变频风机以V f,2的运行频率运行；
    当T a＞T a,2，所述变频风机以V f,3的运行频率运行；
    其中V f,1＞V f,2＞V f,3。
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