CN104501421A - 一种变频双级压缩热泵热水器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频双级压缩热泵热水器的控制方法，特点是调节步骤为：（a）当用户选择快速模式时，热泵热水器通过控制器、室外环境温度传感器和水箱温度传感器检测到室外环境温度T₁和水箱实际温度T₂，以水箱实际温度T₂为反馈对象对热泵热水器工作状态进行调节；当水箱实际温度T₂达到设定温度T时停机；（b）当用户选择节能模式时，用户输入用水时间t和设定水温T，控制器检测当前水箱实际温度T₂，计算出用水时间t内所需总产热量；（c）热泵热水器低压级压缩机允许的最高频率随室外环境温度T₁和水箱实际温度T₂而变化，可以通过实验的方法确定并以函数式或列表方式预置在控制器内。其优点为：使变频双级压缩热泵热水器尽可能的接近最佳能效比工作点工作，节约能源。

Description

一种变频双级压缩热泵热水器的控制方法

技术领域

 本发明涉及热泵热水器控制方法，特别是一种变频双级压缩热泵热水器的控制方法。

背景技术

双级压缩热泵热水器可在较低室外环境温度下提供高温热水。目前双级压缩热泵热水器制冷***一种比较好的组合方式是低压级采用变容量压缩机、高压级采用定容量压缩机。对双级压缩热泵热水器而言，两级压缩机之间的耦合对热泵热水器制热量及能效比影响较大，因此双级压缩热泵热水器控制的关键问题是确定两级间的最佳中间温度，但这一最佳中间温度随室外环境温度、热泵水箱实际温度及低压级压缩机工作频率动态变化，中间温度主要是通过调整低压级压缩机工作频率来实现。但由于最佳能效比对应的中间温度与最大制热量对应的中间温度不一致，这就给最佳中间温度的确定带来了困难。目前采用的控制方法是能效比优先原则，即当热泵热水器以最佳能效比对应的低压级压缩机频率及中间温度工作，其制热量能满足要求时，热泵热水器以最佳能效比为目标确定相应的中间温度并对低压级压缩机频率进行调节，当需要快速制热时，以最大制热量为目标确定相应的中间温度并对低压级压缩机频率进行调节，而此时往往偏离最佳能效比工作点较多。实际上用户在使用热泵热水器时，大部分时间不需要及时使用，而是提前开启热泵热水器，这就是说当用户不是急需热水时，应兼顾产热量和能效比来调节低压级压缩机频率和中间温度，在满足用户用热需求的前提下，尽可能以接近最佳能效比工作点工作。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供的一种变频双级压缩热泵热水器的控制方法，其可根据用户用热需求和热泵热水器室外环境温度、水箱实际温度动态调节低压级压缩机频率及中间温度，使热泵热水器尽可能接近最佳能效比运行，实现节能目的。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的，其是一种变频双级压缩热泵热水器的控制方法，其特征在于热泵热水器有快速和节能两种运行模式，调节步骤如下：

（a）当用户选择快速模式时，热泵热水器通过控制器、室外环境温度传感器和水箱温度传感器检测到室外环境温度T₁和水箱实际温度T₂，以水箱实际温度T₂为反馈对象对热泵热水器工作状态进行调节，当水箱实际温度T₂与设定水温T相差较大时，热泵热水器根据最大瞬时产热量对应的第一中间温度T₃₁对低压级压缩机的频率进行调节，当水箱实际温度T₂接近设定水温T时，热泵热水器以最佳能效比对应的第二中间温度T₃₂对低压级压缩机的频率进行调节；在控制器中内置有最大瞬时产热量的第一中间温度T₃₁与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式，在控制器中还内置有最佳能效比的第二中间温度T₃₂与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式；当水箱实际温度T₂达到设定温度T时停机；

（b）当用户选择节能模式时，用户输入用水时间t和设定水温T，控制器检测当前水箱实际温度T₂，计算出用水时间t内所需总产热量，根据实验得出的热泵热水器最佳能效比的第二中间温度T₃₂与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式，预测计算出按最佳能效比工作点工作在到达用水时间t时的总产热量，如预测总产热量大于所需总产热量，则热泵热水器开机后始终按根据实时检测的室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂而计算出的最佳能效比的第二中间温度T₃₂对低压级压缩机的频率进行调节，使热泵热水器始终以最佳能效比状态运行，直至达到设定水温T停机；如预测产总热量小于所需总产热量，控制器则根据所需总产热量与预测总产热量的比值，在最佳能效比对应的第二中间温度T₃₂的基础上进一步提高温度到实际需要的第三中间温度T₃₃，并以此调节低压级压缩机的频率，从而提高热泵热水器总产热量，在设定时间t内达到用户设定温度T，这样兼顾了产热量和能效比，从而实现最大程度的节能；

（c）热泵热水器低压级压缩机允许的最高频率随室外环境温度T₁和水箱实际温度T₂而变化，可以通过实验的方法确定并以函数式或列表方式预置在控制器内；同时通过低压级压缩机排气温度传感器检测低压级压缩机的排气温度T₄和通过高压级压缩机排气温度传感器检测高压级压缩机的排气温度T₅来限制低压级压缩机的最高工作频率，以保护低压级压缩机及高压级压缩机；当热泵热水器在根据前述（a）、（b）所述的频率调节方法进行工作时，在低压级压缩机的排气温度T₄和高压级压缩机（3）的排气温度T₅超过允许限值时，低压级压缩机工作频率自动降低到低压级压缩机的排气温度T₄允许限值和高压级压缩机的排气温度T₅允许限值的频率点工作；同样，由于低压级压缩机不能长期在其低频限值以下频率点工作，在低压级压缩机实际工作频率低于该限值频率时，低压级压缩机将以该限值频率工作，从而保证热泵热水器使用的可靠性和安全性。

所述低压级压缩机为低压变频压缩机、变容量压缩机或直流调速压缩机。

本发明与现有技术相比的主要优点为：使变频双级压缩热泵热水器尽可能的接近最佳能效比工作点工作，节约能源。

附图说明

图1是本发明实施的变频双级压缩热泵热水器***原理图；

图2是实施本发明的控制框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

    空气源热泵热水器包括低压级变频压缩机1、低压级压缩机排气温度传感器2、高压级压缩机3、高压级压缩机排气温度传感器4、控制器5、水箱温度传感器6、储水箱7、冷凝器8、高压级膨胀阀9、中间冷却器10、中间冷却器温度传感器11、低压级膨胀阀12、蒸发器13及室外温度传感器14；在本实施例中，低压级压缩机1为低压变频压缩机，也可以根据实际情况低压级压缩机1为变容量压缩机或直流调速压缩机。

能效比EER与第二中间温度T₃₂、室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式及瞬时产热量q与第二中间温度T₃₂、室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式的确定：通过具体某一型号的变频双级压缩热泵热水器性能实验，得到不同室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂和第二中间温度T₃₂下的能效比EER，通过数学方法回归得到能效比EER与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂、第二中间温度T₃₂的关系式（1）：EER=F(T₁、T₂、T₃₂)，进而可以得到最佳能效比EER_O对应的第二中间温度T₃₂与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式（2）：T₃₂= F(T₁、T₂)，与此同时得到不同室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂和中间温度T₃下的瞬时产热量q，通过数学方法回归得到瞬时产热量q与不同室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂和瞬时产热量q对应的第一中间温度T₃₁的关系式（3）： q=F(T₁、T₂、T₃₁)，进而得到最大瞬时产热量q_Z对应的第一中间温度T₃₁与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式（4）：T₃₁= F(T₁、T₂)。不同型号规格的热泵热水器其上述4个关系式不同。

如图1、2所示，其是一种变频双级压缩热泵热水器的控制方法，热泵热水器的快速和节能两种运行模式，包括如下步骤：

（a）当用户选择快速模式并设定温度T后，热泵热水器通过控制器5、室外环境温度传感器14和水箱温度传感器6检测到室外环境温度T₁和水箱实际温度T₂，以水箱实际温度T₂为反馈对象对热泵热水器工作状态进行调节，当ΔT（ΔT=设定水温T-水箱实际水温T₂）≥5℃时，热泵热水器根据最大瞬时产热量q_Z对应的第一中间温度T₃₁对低压级压缩机1的频率进行调节，此第一中间温度T₃₁由上述关系式（4）确定；当ΔT<5℃时, 热泵热水器根据最大能效比对应的第二中间温度T₃₂对低压级压缩机1的频率进行调节，第二中间温度T₃₂由上述关系式（2）确定；当水箱实际温度T₂达到设定温度T时停机；

（b）当用户选择节能模式时，用户输入用水的时间t和设定水温T，热泵热水器控制器检测当前水箱实际温度T₂，计算出用水的时间t内实际所需的总产热量Q，根据热泵热水器最佳能效比对应的第二中间温度T₃₂的计算关系式（2）以及瞬时产热量q的计算关系式（3）计算出此时间段全过程按最佳能效比工作点工作的预测总产热量Q₁，如Q₁≥Q，表明全程按最佳能效比工作点工作能满足用户使用要求，热泵热水器开机后始终按上述关系式（2）计算出的最佳能效比的第二中间温度T₃₂对低压级压缩机1的频率进行调节，使热泵热水器始终以最佳能效比状态运行，直至达到设定水温T停机；如Q₁<Q，说明热泵热水器按最佳能效比工作点工作，其总产热量不够，控制器则根据实际所需总产热量与预测的总产热量的比值，在最佳能效比对应的第二中间温度T₃₂的基础上进一步提高温度到实际需要的第三中间温度T₃₃，并以此调节低压级压缩机1的频率，从而提高热泵热水器总产热量，在设定时间t内达到用户设定温度T，这样兼顾了热泵热水器产热量和能效比，从而实现最大程度的节能；

为确定实际需要的第三中间温度T₃₃，可采用如下简化方式：

1）在最佳能效比对应的第二中间温度T₃₂点附近温度范围，建立热泵热水器瞬时产热量q与第三中间温度T₃₃的线性关系式（5）：q=a*T₃₃+b，式中a、b为通过实验得到的实验数据线性回归系数；

2）计算全过程按最佳能效比对应的第二中间温度T₃₂工作的总产热量Q₁，引入中间温度系数k, k= 需要总产热量Q/预测总产热量Q₁ ；

3）热泵热水器实际所需的第三中间温度T₃₃ = k*T₃₁+（k-1）*b/a。

（c）热泵热水器低压级压缩机1允许的最高频率随室外环境温度T₁和水箱实际温度T₂而变化，可以通过实验的方法确定并以函数式或列表方式预置在控制器内；同时通过低压级压缩机排气温度传感器2检测低压级压缩机1的排气温度T₄和通过高压级压缩机排气温度传感器4检测高压级压缩机3的排气温度T₅来限制低压级压缩机1的最高工作频率，以保护低压级压缩机1及高压级压缩机3；当热泵热水器在根据前述（a）、（b）所述的频率调节方法进行工作时，在低压级压缩机1的排气温度T₄和高压级压缩机3的排气温度T₅超过允许限值时，低压级压缩机工作频率自动降低到低压级压缩机1的排气温度T₄允许限值和高压级压缩机3的排气温度T₅允许限值的频率点工作；同样，由于低压级压缩机1不能长期在其低频限值以下频率点工作，在低压级压缩机1实际工作频率低于该极限频率时，低压级压缩机1将以该极限频率工作，从而保证热泵热水器使用的可靠性和安全性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换及变形，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种变频双级压缩热泵热水器的控制方法，其特征在于热泵热水器有快速和节能两种运行模式，调节步骤如下：

（a）当用户选择快速模式时，热泵热水器通过控制器、室外环境温度传感器（14）和水箱温度传感器（6）检测到室外环境温度T₁和水箱实际温度T₂，以水箱实际温度T₂为反馈对象对热泵热水器工作状态进行调节，当水箱实际温度T₂与设定水温T相差较大时，热泵热水器根据最大瞬时产热量对应的第一中间温度T₃₁对低压级压缩机（1）的频率进行调节，当水箱实际温度T₂接近设定水温T时，热泵热水器以最佳能效比对应的第二中间温度T₃₂对低压级压缩机（1）的频率进行调节；在控制器中内置有最大瞬时产热量的第一中间温度T₃₁与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式，在控制器中还内置有最佳能效比的第二中间温度T₃₂与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式；当水箱实际温度T₂达到设定温度T时停机；

（b）当用户选择节能模式时，用户输入用水时间t和设定水温T，控制器检测当前水箱实际温度T₂，计算出用水时间t内所需总产热量，根据控制器内置的热泵热水器最佳能效比的第二中间温度T₃₂与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式，预测计算出按最佳能效比工作点工作在到达用水时间t时的总产热量，如预测总产热量大于所需总产热量，则热泵热水器开机后始终按根据实时检测的室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂而计算出的最佳能效比的第二中间温度T₃₂对低压级压缩机（1）的频率进行调节，使热泵热水器始终以最佳能效比状态运行，直至达到设定水温T停机；如预测总产热量小于所需总产热量，控制器则根据所需总产热量与预测总产热量的比值，在最佳能效比对应的第二中间温度T₃₂的基础上进一步提高温度到实际需要的第三中间温度T₃₃，并以此调节低压级压缩机（1）的频率，从而提高热泵热水器总产热量，在设定时间t内达到用户设定温度T，这样兼顾了热泵热水器产热量和能效比，从而实现最大程度的节能；

（c）热泵热水器低压级压缩机（1）允许的最高频率随室外环境温度T₁和水箱实际温度T₂而变化，可以通过实验的方法确定并以函数式或列表方式预置在控制器内；同时通过低压级压缩机排气温度传感器（2）检测低压级压缩机（1）的排气温度T₄和通过高压级压缩机排气温度传感器（4）检测高压级压缩机（3）的排气温度T₅来限制低压级压缩机（1）的最高工作频率，以保护低压级压缩机（1）及高压级压缩机（3）；当热泵热水器在根据前述（a）、（b）所述的频率调节方法进行工作时，在低压级压缩机（1）的排气温度T₄和高压级压缩机（3）的排气温度T₅超过允许限值时，低压级压缩机（1）的工作频率自动降低到低压级压缩机（1）的排气温度T₄允许限值和高压级压缩机（3）的排气温度T₅允许限值的频率点工作；同样，由于低压级压缩机（1）不能长期在其低频限值以下频率点工作，在低压级压缩机（1）实际工作频率低于该限值频率时，低压级压缩机（1）将以限值频率工作，从而保证热泵热水器使用的可靠性和安全性。

2.根据权利要求1所述的变频双级压缩热泵热水器的控制方法，其特征在于所述低压级压缩机（1）为低压变频压缩机、变容量压缩机或直流调速压缩机。