專利名稱：二氧化碳熱泵系統(tǒng)的分溫區(qū)控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種二氧化碳熱泵系統(tǒng)采用的控制方法。
背景技術：
制冷系統(tǒng)控制所要達到的目的是使系統(tǒng)穩(wěn)定和高效地運行，其中蒸發(fā)器的過熱度控制、壓縮機高壓(即排氣壓力)控制、低壓(即吸氣壓力)控制是熱泵系統(tǒng)控制的主要內(nèi)容。蒸發(fā)器過熱度控制是常規(guī)制冷系統(tǒng)控制的核心環(huán)節(jié)，因為其控制效果直接影響系統(tǒng)的效率和可靠性。但是，對于二氧化碳熱泵系統(tǒng)而言，當氣冷器出口溫度高于臨界溫度(31.ΓΟ，即二氧化碳熱泵系統(tǒng)內(nèi)部的制冷劑處于超臨界循環(huán)，系統(tǒng)性能系數(shù)COP達到最大對應有一個最優(yōu)排氣壓力。這就要求對二氧化碳進行系統(tǒng)控制時，既要控制其低壓側(cè)以滿足系統(tǒng)對制冷量的需求，又要確保系統(tǒng)運行時，其排氣壓力處于最優(yōu)排氣壓力附近，這樣才能維持系統(tǒng)性能系數(shù)COP時刻處于運行工況下的最大值，使得系統(tǒng)性能最優(yōu)。傳統(tǒng)的過熱度控制方法已經(jīng)不適用于超臨界狀態(tài)下的二氧化碳熱泵系統(tǒng)工況，氣冷器出口的制冷劑處于超臨界循環(huán)的二氧化碳熱泵系統(tǒng)適用于針對最優(yōu)排氣壓力的控制方法，而低于臨界溫度工況的控制方法，依然采用最優(yōu)排氣壓力控制顯然已不合適。因此，由于二氧化碳制冷劑本身的熱物性，對系統(tǒng)及其控制方法提出了更高的要求。對于二氧化碳熱泵的控制方法而言，因此必須根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)二氧化碳制冷劑特定點的溫度參數(shù)，判斷后選取系統(tǒng)最適合的控制方法，以滿足其特殊的控制需求。目前，國內(nèi)外都在進行二氧化碳熱泵的研究，針對最優(yōu)壓力的控制方法也有所見，但都是針對氣冷器出口溫度高于臨界溫度而言，而考慮二氧化碳熱泵系統(tǒng)中其他氣冷器出口溫度范圍的工況，未曾發(fā)現(xiàn)。故現(xiàn)有的二氧化碳熱泵系統(tǒng)及其控制方法不能針對出氣口溫度的全部工況達到最優(yōu)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)在全部工況下均能達到性能最優(yōu)的二氧化碳熱泵系統(tǒng)采用的控制方法。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:一種二氧化碳熱泵系統(tǒng)的分溫區(qū)控制方法，用于控制二氧化碳熱泵系統(tǒng)，所述的二氧化碳熱泵系統(tǒng)包括相連接構(gòu)成回路的壓縮機、氣體冷卻器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、氣液分離器、回熱器、三通閥，所述的回路中的制冷劑為二氧化碳，所述的氣體冷卻器中設置有與所述的二氧化碳換熱的水循環(huán)回路，所述的水循環(huán)回路設置于進水口和出水口之間，所述的二氧化碳熱泵系統(tǒng) 的分溫區(qū)控制方法所采用的所述的二氧化碳熱泵系統(tǒng)還包括可編程控制器、設置于所述的壓縮機的排氣口并檢測其實際排氣壓力的壓力傳感器、設置于所述的氣體冷卻器的出口并檢測其出口溫度的第一溫度傳感器、設置于所述的蒸發(fā)器的翅片上并檢測翅片溫度的第二溫度傳感器、設置于所述的壓縮機的吸氣口并檢測其吸氣溫度的第三溫度傳感器、設置于所述的出水口并檢測水流量的水流量檢測計、設置于所述的壓縮機上并檢測其轉(zhuǎn)速的風速檢測裝置；所述的壓力傳感器、所述的第一溫度傳感器、所述的第二溫度傳感器、所述的第三溫度傳感器、所述的水流量檢測計、所述的風速檢測裝置分別與所述的可編程控制器相信號連接，所述的可編程控制信號與所述的電子膨脹閥相信號連接;
所述的二氧化碳熱泵系統(tǒng)的分溫區(qū)控制方法包括:
(I)通過所述的第一溫度傳感器采集所述的氣體冷卻器的出口溫度并傳至所述的可編程控制器；
(2)所述的可編程控制器根據(jù)所述的出口溫度選擇控制方法:當所述的出口溫度小于或等于第一臨界溫度時，采用過熱度控制方法；當所述的出口溫度大于所述的第一臨界溫度時，采用最優(yōu)壓力控制方法。
優(yōu)選的，所述的第一臨界溫度為31°C。
優(yōu)選的，當采用所述的過熱度控制方法時，所述的壓縮機不運行時，所述的電子膨脹閥開啟到待機開度；有開機需求時，所述的電子膨脹閥開啟到初始開度；所述的壓縮機開啟后，通過所述的第三溫度傳感器檢測所述的吸氣溫度，通過所述的第二溫度傳感器檢測所述的翅片溫度，根據(jù)所述的吸氣溫度和所述的翅片溫度計算實際過熱度，所述的可編程控制器將所述的實際過熱度與過熱度目標值進行對比，并根據(jù)對比結(jié)果輸出控制電流至所述的電子膨脹閥以調(diào)節(jié)其開度；
循環(huán)上述步驟，使得所述的實際過熱度與所述的過熱度目標值一致。
優(yōu)選的，所述的實際過熱度=所述的吸氣溫度-所述的翅片溫度。
優(yōu)選的，當采用所述的最優(yōu)壓力控制方法時，通過所述的壓力傳感器采集所述的實際排氣壓力，通過所述的第一溫度傳感器采集所述的出口溫度，通過所述的第二溫度傳感器采集所述的翅片溫度，通過所述的水流量檢測計采集所述的水流量，通過所述的風速檢測裝置采集所述的轉(zhuǎn)速；
所述的可編程控制器通過所述的出口溫度、所述的翅片溫度、所述的水流量、所述的轉(zhuǎn)速以及水流量系數(shù)、風機系數(shù)計算所述的壓縮機的目標排氣壓力；再將所述的實際排氣壓力和所述的目標排氣壓力相對比得到控制信號；利用PID控制算法處理所述的控制信號得到控制電流，所述的控制電流輸出至所述的電子膨脹閥以調(diào)節(jié)其開度；
循環(huán)上述步驟，使得所述的實際排氣壓力與所述的目標排氣壓力一致。
優(yōu)選的，當所述的出口溫度大于所述的第一臨界溫度且小于第二臨界溫度時，采用第一種最優(yōu)壓力控制方法，所述的目標排氣壓力通過Popt=2.2Tc+8.5-0.lTe+Rw*Q+Rf*n計算得出；當所述的出口溫度大于或等于所述的第二臨界溫度時，采用第二種最優(yōu)壓力控制方法，所述的目標排氣壓力通過Popt=2.5Tc0 98-0.2Te+Rw*Q+Rf*n計算得出；其中，Tc為氣體冷卻器的出口溫度，Te為蒸發(fā)器的翅片溫度，Rw為水流量系數(shù)，Q為水流量，Rf為風機系數(shù)，η為風機的轉(zhuǎn)速。
優(yōu)選的，所述的第二臨界溫度為42°C。
由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點:由于本發(fā)明的二氧化碳熱泵系統(tǒng)采用了可編程控制器以及與其相連的多種檢測裝置，并采用了針對不同工況的分溫區(qū)的控制方法，使其能夠及時的根據(jù)不同的工況采用不同的控制方法，以達到最優(yōu)的系統(tǒng)性能。


附圖1為本發(fā)明的二氧化碳熱泵系統(tǒng)的示意圖。附圖2為本發(fā)明的二氧化碳熱泵系統(tǒng)所采用的分溫區(qū)的控制方法的流程圖。以上附圖中:1、壓縮機；2、氣體冷卻器；3、電子膨脹閥；4、蒸發(fā)器；5、氣液分離器；
6、回熱器；7、三通閥。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖所示的實施例對本發(fā)明作進一步描述。實施例一:參見附圖1所示。一種二氧化碳熱泵系統(tǒng)，包括相連接構(gòu)成回路的壓縮機1、氣體冷卻器2、電子膨脹閥3、蒸發(fā)器4、氣液分離器5、回熱器6、三通閥7，回路中的制冷劑為二氧化碳。氣體冷卻器2中設置有與二氧化碳換熱的水循環(huán)回路，水循環(huán)回路設置于進水口和出水口之間。二氧化碳熱泵系統(tǒng)還包括可編程控制器、設置于壓縮機I的排氣口并檢測其實際排氣壓力的壓力傳感器、設置于氣體冷卻器2的出口并檢測其出口溫度的第一溫度傳感器、設置于蒸發(fā)器4的翅片上并檢測翅片溫度的第二溫度傳感器、設置于壓縮機I的吸氣口并檢測其吸氣溫度的第三溫度傳感器、設置于出水口并檢測水流量的水流量檢測計、設置于壓縮機I上并檢測其轉(zhuǎn)速的風速檢測裝置。壓力傳感器、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、水流量檢測計、風速檢測裝置分別與可編程控制器相信號連接，而可編程控制信號與電子膨脹閥3相連接并控制其開度。上述二氧化碳熱泵系統(tǒng)所采用分溫區(qū)的控制方法，參見附圖2所示，該方法包括:(I)通過第一溫度傳感器采集氣體冷卻器2的出口溫度并傳至可編程控制器；(2)可編程控制器根據(jù)出口溫度選擇控制方法:當出口溫度小于或等于第一臨界溫度時，采用過熱度控制方法；當出口溫度大于第一臨界溫度時，采用最優(yōu)壓力控制方法。而當采用最優(yōu)壓力控制方法時還包括兩種情況:當出口溫度大于第一臨界溫度且小于第二臨界溫度時，采用第一種最優(yōu)壓力控制方法；當出口溫度大于或等于第二臨界溫度時，采用第二種最優(yōu)壓力控制方法。上述第一臨界溫度為31 °C，而第二臨界溫度為42°C。當采用過熱度控制方法時，壓縮機I不運行時，電子膨脹閥3開啟到待機開度；有開機需求時，電子膨脹閥3開啟到初始開度；壓縮機I開啟后，通過第三溫度傳感器檢測吸氣溫度，通過第二溫度傳感器檢測翅片溫度，根據(jù)吸氣溫度和翅片溫度計算實際過熱度，可編程控制器將實際過熱度與過熱度目標值進行對比，并根據(jù)對比結(jié)果輸出控制電流至電子膨脹閥3以調(diào)節(jié)其開度；循環(huán)上述步驟，使得實際過熱度與過熱度目標值一致。其中，過熱度的計算方法為:過熱度=吸氣溫度-閥后溫度，而閥后溫度=翅片溫度，故實際過熱度=吸氣溫度-翅片溫度。當采用第一種最優(yōu)壓力控制方法時，首先通過壓力傳感器采集實際排氣壓力，通過第一溫度傳感器采集出口溫度，通過第二溫度傳感器采集翅片溫度，通過水流量檢測計采集水流量，通過風速檢測裝置采集轉(zhuǎn)速。
然后可編程控制器通過出口溫度、翅片溫度、水流量、轉(zhuǎn)速以及水流量系數(shù)、風機系數(shù)計算壓縮機I的目標排氣壓力。計算方法為:Popt=2.2Tc+8.5-0.lTe+Rw*Q+Rf*n，其中，Tc為氣體冷卻器2的出口溫度，Te為蒸發(fā)器4的翅片溫度，Rw為水流量系數(shù)，Q為水流量，Rf為風機系數(shù)，η為風機的轉(zhuǎn)速。再將實際排氣壓力和目標排氣壓力相對比得到控制信號；利用PID控制算法處理控制信號得到控制電流，控制電流輸出至電子膨脹閥3以調(diào)節(jié)其開度。循環(huán)上述步驟，使得實際排氣壓力與目標排氣壓力一致。而當采用第二種最優(yōu)壓力控制方法時，首先通過壓力傳感器采集實際排氣壓力，通過第一溫度傳感器采集出口溫度，通過第二溫度傳感器采集翅片溫度，通過水流量檢測計采集水流量，通過風速檢測裝置采集轉(zhuǎn)速。然后可編程控制器通過出口溫度、翅片溫度、水流量、轉(zhuǎn)速以及水流量系數(shù)、風機系數(shù)計算壓縮機I的目標排氣壓力。計算方法為:Popt=2.5Tc°-98-0.2Te+Rw*Q+Rf*n，其中，Tc為氣體冷卻器2的出口溫度，Te為蒸發(fā)器4的翅片溫度，Rw為水流量系數(shù)，Q為水流量，Rf為風機系數(shù)，η為風機的轉(zhuǎn)速。再將實際排氣壓力和目標排氣壓力相對比得到控制信號；利用PID控制算法處理控制信號得到控制電流，控制電流輸出至電子膨脹閥3以調(diào)節(jié)其開度。循環(huán)上述步驟，使得實際排氣壓力與目標排氣壓力一致。上述二氧化碳熱泵系統(tǒng)的分溫區(qū)控制方法，根據(jù)二氧化碳熱泵系統(tǒng)氣體冷卻器2出口的制冷劑溫度，對應制冷劑溫度所屬不同的溫區(qū)，分別采用基于過熱度目標值的控制方法、最優(yōu)壓力控制方法，對熱泵系統(tǒng)進行控制。實驗表明，當氣體冷卻器2出口溫度高于31°C時，存在使得系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)最高的最優(yōu)壓縮機I排氣壓力。因此，最優(yōu)壓力控制方法通過采集氣體冷卻器2出口溫度、膨脹閥后溫度、壓縮機I排氣壓力、水流量和風機轉(zhuǎn)速，得到壓縮機I最優(yōu)排氣壓力。將實際排氣壓力與最優(yōu)壓力進行對比，控制膨脹閥的開度，最終實現(xiàn)壓縮機I排氣壓力達到最優(yōu)排氣壓力。本實施例根據(jù)二氧化碳制冷劑本身的熱物性，根據(jù)氣體冷卻器2出口溫度的不同區(qū)間，分別選取最適合的控制方法，從而使得系統(tǒng)制熱性能達到最優(yōu)。上述實施例只為說明本發(fā)明的技術構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種二氧化碳熱泵系統(tǒng)的分溫區(qū)控制方法，用于控制二氧化碳熱泵系統(tǒng)，所述的二氧化碳熱泵系統(tǒng)包括相連接構(gòu)成回路的壓縮機、氣體冷卻器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、氣液分離器、回熱器、三通閥，所述的回路中的制冷劑為二氧化碳，所述的氣體冷卻器中設置有與所述的二氧化碳換熱的水循環(huán)回路，所述的水循環(huán)回路設置于進水口和出水口之間，其特征在于:所述的二氧化碳熱泵系統(tǒng)的分溫區(qū)控制方法所采用的所述的二氧化碳熱泵系統(tǒng)還包括可編程控制器、設置于所述的壓縮機的排氣口并檢測其實際排氣壓力的壓力傳感器、設置于所述的氣體冷卻器的出口并檢測其出口溫度的第一溫度傳感器、設置于所述的蒸發(fā)器的翅片上并檢測翅片溫度的第二溫度傳感器、設置于所述的壓縮機的吸氣口并檢測其吸氣溫度的第三溫度傳感器、設置于所述的出水口并檢測水流量的水流量檢測計、設置于所述的壓縮機上并檢測其轉(zhuǎn)速的風速檢測裝置；所述的壓力傳感器、所述的第一溫度傳感器、所述的第二溫度傳感器、所述的第三溫度傳感器、所述的水流量檢測計、所述的風速檢測裝置分別與所述的可編程控制器相信號連接，所述的可編程控制信號與所述的電子膨脹閥相信號連接； 所述的二氧化碳熱泵系統(tǒng)的分溫區(qū)控制方法包括: (1)通過所述的第一溫度傳感器采集所述的氣體冷卻器的出口溫度并傳至所述的可編程控制器； (2)所述的可編程控制器根據(jù)所述的出口溫度選擇控制方法:當所述的出口溫度小于或等于第一臨界溫度時，采用過熱度控制方法；當所述的出口溫度大于所述的第一臨界溫度時，采用最優(yōu)壓力控制方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分溫區(qū)的控制方法，其特征在于:所述的第一臨界溫度為31。。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分溫區(qū)的控制方法，其特征在于:當采用所述的過熱度控制方法時，所述的壓縮機不運行時，所述的電子膨脹閥開啟到待機開度；有開機需求時，所述的電子膨脹閥開啟到初始開度；所述的壓縮機開啟后，通過所述的第三溫度傳感器檢測所述的吸氣溫度，通過所述的第二溫度傳感器檢測所述的翅片溫度，根據(jù)所述的吸氣溫度和所述的翅片溫度計算實際過熱度，所述的可編程控制器將所述的實際過熱度與過熱度目標值進行對比，并根 據(jù)對比結(jié)果輸出控制電流至所述的電子膨脹閥以調(diào)節(jié)其開度； 循環(huán)上述步驟，使得所述的實際過熱度與所述的過熱度目標值一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分溫區(qū)的控制方法，其特征在于:所述的實際過熱度=所述的吸氣溫度-所述的翅片溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分溫區(qū)的控制方法，其特征在于:當采用所述的最優(yōu)壓力控制方法時，通過所述的壓力傳感器采集所述的實際排氣壓力，通過所述的第一溫度傳感器采集所述的出口溫度，通過所述的第二溫度傳感器采集所述的翅片溫度，通過所述的水流量檢測計采集所述的水流量，通過所述的風速檢測裝置采集所述的轉(zhuǎn)速； 所述的可編程控制器通過所述的出口溫度、所述的翅片溫度、所述的水流量、所述的轉(zhuǎn)速以及水流量系數(shù)、風機系數(shù)計算所述的壓縮機的目標排氣壓力；再將所述的實際排氣壓力和所述的目標排氣壓力相對比得到控制信號；利用PID控制算法處理所述的控制信號得至IJ控制電流，所述的控制電流輸出至所述的電子膨脹閥以調(diào)節(jié)其開度； 循環(huán)上述步驟，使得所述的實際排氣壓力與所述的目標排氣壓力一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分溫區(qū)的控制方法，其特征在于:當所述的出口溫度大于所述的第一臨界溫度且小于第二臨界溫度時，采用第一種最優(yōu)壓力控制方法，所述的目標排氣壓力通過Popt=2.2Tc+8.5-0.lTe+Rw*Q+Rf*n計算得出；當所述的出口溫度大于或等于所述的第二臨界溫度時，采用第二種最優(yōu)壓力控制方法，所述的目標排氣壓力通過Popt=2.5Tc0 98-0.2Te+Rw*Q+Rf*n計算得出；其中，Tc為氣體冷卻器的出口溫度，Te為蒸發(fā)器的翅片溫度，Rw為水流量系數(shù)，Q為水流量，Rf為風機系數(shù)，η為風機的轉(zhuǎn)速。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的分溫區(qū)的控制方法，其特征在于:所述的第二臨界溫度為42。 。。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種二氧化碳熱泵系統(tǒng)的分溫區(qū)控制方法，二氧化碳熱泵系統(tǒng)包括相連接構(gòu)成回路的壓縮機、氣體冷卻器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、氣液分離器、回熱器、三通閥，還包括可編程控制器、檢測壓縮機實際排氣壓力的壓力傳感器、檢測氣體冷卻器出口溫度的第一溫度傳感器、檢測蒸發(fā)器翅片溫度的第二溫度傳感器、檢測壓縮機吸氣溫度的第三溫度傳感器、檢測水流量的水流量檢測計、檢測壓縮機轉(zhuǎn)速的風速檢測裝置。該二氧化碳熱泵系統(tǒng)根據(jù)不同的氣體冷卻器出口溫度，選擇過熱度控制方法或最優(yōu)壓力控制方法。本發(fā)明采用可編程控制器及多種檢測裝置，針對不同工況采用分溫區(qū)的控制方法，使其能及時的根據(jù)不同的工況采用不同的控制方法，達到最優(yōu)的系統(tǒng)性能。
文檔編號F25B49/02GK103148653SQ20131008927
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月20日
發(fā)明者熊丹, 湯曉亮 申請人:江蘇蘇凈集團有限公司