CN103148653A

CN103148653A - 二氧化碳热泵系统的分温区控制方法

Info

Publication number: CN103148653A
Application number: CN2013100892767A
Authority: CN
Inventors: 熊丹; 汤晓亮
Original assignee: Jiangsu Sujing Group Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Sujing Group Co Ltd
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-03-20
Also published as: CN103148653B

Abstract

本发明涉及一种二氧化碳热泵系统的分温区控制方法，二氧化碳热泵系统包括相连接构成回路的压缩机、气体冷却器、电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器、回热器、三通阀，还包括可编程控制器、检测压缩机实际排气压力的压力传感器、检测气体冷却器出口温度的第一温度传感器、检测蒸发器翅片温度的第二温度传感器、检测压缩机吸气温度的第三温度传感器、检测水流量的水流量检测计、检测压缩机转速的风速检测装置。该二氧化碳热泵系统根据不同的气体冷却器出口温度，选择过热度控制方法或最优压力控制方法。本发明采用可编程控制器及多种检测装置，针对不同工况采用分温区的控制方法，使其能及时的根据不同的工况采用不同的控制方法，达到最优的系统性能。

Description

二氧化碳热泵系统的分温区控制方法

技术领域

本发明涉及一种二氧化碳热泵系统采用的控制方法。

背景技术

制冷系统控制所要达到的目的是使系统稳定和高效地运行，其中蒸发器的过热度控制、压缩机高压（即排气压力）控制、低压（即吸气压力）控制是热泵系统控制的主要内容。蒸发器过热度控制是常规制冷系统控制的核心环节，因为其控制效果直接影响系统的效率和可靠性。但是，对于二氧化碳热泵系统而言，当气冷器出口温度高于临界温度（31.1℃），即二氧化碳热泵系统内部的制冷剂处于超临界循环，系统性能系数COP达到最大对应有一个最优排气压力。这就要求对二氧化碳进行系统控制时，既要控制其低压侧以满足系统对制冷量的需求，又要确保系统运行时，其排气压力处于最优排气压力附近，这样才能维持系统性能系数COP时刻处于运行工况下的最大值，使得系统性能最优。

传统的过热度控制方法已经不适用于超临界状态下的二氧化碳热泵系统工况，气冷器出口的制冷剂处于超临界循环的二氧化碳热泵系统适用于针对最优排气压力的控制方法，而低于临界温度工况的控制方法，依然采用最优排气压力控制显然已不合适。因此，由于二氧化碳制冷剂本身的热物性，对系统及其控制方法提出了更高的要求。对于二氧化碳热泵的控制方法而言，因此必须根据系统内二氧化碳制冷剂特定点的温度参数，判断后选取系统最适合的控制方法，以满足其特殊的控制需求。

目前，国内外都在进行二氧化碳热泵的研究，针对最优压力的控制方法也有所见，但都是针对气冷器出口温度高于临界温度而言，而考虑二氧化碳热泵系统中其他气冷器出口温度范围的工况，未曾发现。故现有的二氧化碳热泵系统及其控制方法不能针对出气口温度的全部工况达到最优的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现在全部工况下均能达到性能最优的二氧化碳热泵系统采用的控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种二氧化碳热泵系统的分温区控制方法，用于控制二氧化碳热泵系统，所述的二氧化碳热泵系统包括相连接构成回路的压缩机、气体冷却器、电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器、回热器、三通阀，所述的回路中的制冷剂为二氧化碳，所述的气体冷却器中设置有与所述的二氧化碳换热的水循环回路，所述的水循环回路设置于进水口和出水口之间，所述的二氧化碳热泵系统的分温区控制方法所采用的所述的二氧化碳热泵系统还包括可编程控制器、设置于所述的压缩机的排气口并检测其实际排气压力的压力传感器、设置于所述的气体冷却器的出口并检测其出口温度的第一温度传感器、设置于所述的蒸发器的翅片上并检测翅片温度的第二温度传感器、设置于所述的压缩机的吸气口并检测其吸气温度的第三温度传感器、设置于所述的出水口并检测水流量的水流量检测计、设置于所述的压缩机上并检测其转速的风速检测装置；所述的压力传感器、所述的第一温度传感器、所述的第二温度传感器、所述的第三温度传感器、所述的水流量检测计、所述的风速检测装置分别与所述的可编程控制器相信号连接，所述的可编程控制信号与所述的电子膨胀阀相信号连接；

所述的二氧化碳热泵系统的分温区控制方法包括：

（1）通过所述的第一温度传感器采集所述的气体冷却器的出口温度并传至所述的可编程控制器；

（2）所述的可编程控制器根据所述的出口温度选择控制方法：当所述的出口温度小于或等于第一临界温度时，采用过热度控制方法；当所述的出口温度大于所述的第一临界温度时，采用最优压力控制方法。

优选的，所述的第一临界温度为31℃。

优选的，当采用所述的过热度控制方法时，所述的压缩机不运行时，所述的电子膨胀阀开启到待机开度；有开机需求时，所述的电子膨胀阀开启到初始开度；所述的压缩机开启后，通过所述的第三温度传感器检测所述的吸气温度，通过所述的第二温度传感器检测所述的翅片温度，根据所述的吸气温度和所述的翅片温度计算实际过热度，所述的可编程控制器将所述的实际过热度与过热度目标值进行对比，并根据对比结果输出控制电流至所述的电子膨胀阀以调节其开度；

循环上述步骤，使得所述的实际过热度与所述的过热度目标值一致。

优选的，所述的实际过热度=所述的吸气温度-所述的翅片温度。

优选的，当采用所述的最优压力控制方法时，通过所述的压力传感器采集所述的实际排气压力，通过所述的第一温度传感器采集所述的出口温度，通过所述的第二温度传感器采集所述的翅片温度，通过所述的水流量检测计采集所述的水流量，通过所述的风速检测装置采集所述的转速；

所述的可编程控制器通过所述的出口温度、所述的翅片温度、所述的水流量、所述的转速以及水流量系数、风机系数计算所述的压缩机的目标排气压力；再将所述的实际排气压力和所述的目标排气压力相对比得到控制信号；利用PID控制算法处理所述的控制信号得到控制电流，所述的控制电流输出至所述的电子膨胀阀以调节其开度；

循环上述步骤，使得所述的实际排气压力与所述的目标排气压力一致。

优选的，当所述的出口温度大于所述的第一临界温度且小于第二临界温度时，采用第一种最优压力控制方法，所述的目标排气压力通过Popt=2.2Tc+8.5-0.1Te+Rw*Q+Rf*n计算得出；当所述的出口温度大于或等于所述的第二临界温度时，采用第二种最优压力控制方法，所述的目标排气压力通过Popt=2.5Tc^0.98-0.2Te+Rw*Q+Rf*n计算得出；其中，Tc为气体冷却器的出口温度，Te为蒸发器的翅片温度，Rw为水流量系数，Q为水流量，Rf为风机系数，n为风机的转速。

优选的，所述的第二临界温度为42℃。

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热泵系统采用了可编程控制器以及与其相连的多种检测装置，并采用了针对不同工况的分温区的控制方法，使其能够及时的根据不同的工况采用不同的控制方法，以达到最优的系统性能。

附图说明

附图1为本发明的二氧化碳热泵系统的示意图。

附图2为本发明的二氧化碳热泵系统所采用的分温区的控制方法的流程图。

以上附图中：1、压缩机；2、气体冷却器；3、电子膨胀阀；4、蒸发器；5、气液分离器；6、回热器；7、三通阀。

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。

实施例一：参见附图1所示。一种二氧化碳热泵系统，包括相连接构成回路的压缩机1、气体冷却器2、电子膨胀阀3、蒸发器4、气液分离器5、回热器6、三通阀7，回路中的制冷剂为二氧化碳。气体冷却器2中设置有与二氧化碳换热的水循环回路，水循环回路设置于进水口和出水口之间。

二氧化碳热泵系统还包括可编程控制器、设置于压缩机1的排气口并检测其实际排气压力的压力传感器、设置于气体冷却器2的出口并检测其出口温度的第一温度传感器、设置于蒸发器4的翅片上并检测翅片温度的第二温度传感器、设置于压缩机1的吸气口并检测其吸气温度的第三温度传感器、设置于出水口并检测水流量的水流量检测计、设置于压缩机1上并检测其转速的风速检测装置。压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、水流量检测计、风速检测装置分别与可编程控制器相信号连接，而可编程控制信号与电子膨胀阀3相连接并控制其开度。

上述二氧化碳热泵系统所采用分温区的控制方法，参见附图2所示，该方法包括：

（1）通过第一温度传感器采集气体冷却器2的出口温度并传至可编程控制器；

（2）可编程控制器根据出口温度选择控制方法：

当出口温度小于或等于第一临界温度时，采用过热度控制方法；

当出口温度大于第一临界温度时，采用最优压力控制方法。

而当采用最优压力控制方法时还包括两种情况：当出口温度大于第一临界温度且小于第二临界温度时，采用第一种最优压力控制方法；当出口温度大于或等于第二临界温度时，采用第二种最优压力控制方法。

上述第一临界温度为31℃，而第二临界温度为42℃。

当采用过热度控制方法时，压缩机1不运行时，电子膨胀阀3开启到待机开度；有开机需求时，电子膨胀阀3开启到初始开度；压缩机1开启后，通过第三温度传感器检测吸气温度，通过第二温度传感器检测翅片温度，根据吸气温度和翅片温度计算实际过热度，可编程控制器将实际过热度与过热度目标值进行对比，并根据对比结果输出控制电流至电子膨胀阀3以调节其开度；循环上述步骤，使得实际过热度与过热度目标值一致。

其中，过热度的计算方法为：过热度=吸气温度-阀后温度，而阀后温度=翅片温度，故实际过热度=吸气温度-翅片温度。

当采用第一种最优压力控制方法时，首先通过压力传感器采集实际排气压力，通过第一温度传感器采集出口温度，通过第二温度传感器采集翅片温度，通过水流量检测计采集水流量，通过风速检测装置采集转速。

然后可编程控制器通过出口温度、翅片温度、水流量、转速以及水流量系数、风机系数计算压缩机1的目标排气压力。计算方法为：Popt=2.2Tc+8.5-0.1Te+Rw*Q+Rf*n，其中，Tc为气体冷却器2的出口温度，Te为蒸发器4的翅片温度，Rw为水流量系数，Q为水流量，Rf为风机系数，n为风机的转速。

再将实际排气压力和目标排气压力相对比得到控制信号；利用PID控制算法处理控制信号得到控制电流，控制电流输出至电子膨胀阀3以调节其开度。循环上述步骤，使得实际排气压力与目标排气压力一致。

而当采用第二种最优压力控制方法时，首先通过压力传感器采集实际排气压力，通过第一温度传感器采集出口温度，通过第二温度传感器采集翅片温度，通过水流量检测计采集水流量，通过风速检测装置采集转速。

然后可编程控制器通过出口温度、翅片温度、水流量、转速以及水流量系数、风机系数计算压缩机1的目标排气压力。计算方法为：Popt=2.5Tc^0.98-0.2Te+Rw*Q+Rf*n，其中，Tc为气体冷却器2的出口温度，Te为蒸发器4的翅片温度，Rw为水流量系数，Q为水流量，Rf为风机系数，n为风机的转速。

上述二氧化碳热泵系统的分温区控制方法，根据二氧化碳热泵系统气体冷却器2出口的制冷剂温度，对应制冷剂温度所属不同的温区，分别采用基于过热度目标值的控制方法、最优压力控制方法，对热泵系统进行控制。实验表明，当气体冷却器2出口温度高于31℃时，存在使得系统性能系数（COP）最高的最优压缩机1排气压力。因此，最优压力控制方法通过采集气体冷却器2出口温度、膨胀阀后温度、压缩机1排气压力、水流量和风机转速，得到压缩机1最优排气压力。将实际排气压力与最优压力进行对比，控制膨胀阀的开度，最终实现压缩机1排气压力达到最优排气压力。本实施例根据二氧化碳制冷剂本身的热物性，根据气体冷却器2出口温度的不同区间，分别选取最适合的控制方法，从而使得系统制热性能达到最优。

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

1.一种二氧化碳热泵系统的分温区控制方法，用于控制二氧化碳热泵系统，所述的二氧化碳热泵系统包括相连接构成回路的压缩机、气体冷却器、电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器、回热器、三通阀，所述的回路中的制冷剂为二氧化碳，所述的气体冷却器中设置有与所述的二氧化碳换热的水循环回路，所述的水循环回路设置于进水口和出水口之间，其特征在于：所述的二氧化碳热泵系统的分温区控制方法所采用的所述的二氧化碳热泵系统还包括可编程控制器、设置于所述的压缩机的排气口并检测其实际排气压力的压力传感器、设置于所述的气体冷却器的出口并检测其出口温度的第一温度传感器、设置于所述的蒸发器的翅片上并检测翅片温度的第二温度传感器、设置于所述的压缩机的吸气口并检测其吸气温度的第三温度传感器、设置于所述的出水口并检测水流量的水流量检测计、设置于所述的压缩机上并检测其转速的风速检测装置；所述的压力传感器、所述的第一温度传感器、所述的第二温度传感器、所述的第三温度传感器、所述的水流量检测计、所述的风速检测装置分别与所述的可编程控制器相信号连接，所述的可编程控制信号与所述的电子膨胀阀相信号连接；

所述的二氧化碳热泵系统的分温区控制方法包括：

2.根据权利要求1所述的分温区的控制方法，其特征在于：所述的第一临界温度为31℃。

3.根据权利要求1所述的分温区的控制方法，其特征在于：当采用所述的过热度控制方法时，所述的压缩机不运行时，所述的电子膨胀阀开启到待机开度；有开机需求时，所述的电子膨胀阀开启到初始开度；所述的压缩机开启后，通过所述的第三温度传感器检测所述的吸气温度，通过所述的第二温度传感器检测所述的翅片温度，根据所述的吸气温度和所述的翅片温度计算实际过热度，所述的可编程控制器将所述的实际过热度与过热度目标值进行对比，并根据对比结果输出控制电流至所述的电子膨胀阀以调节其开度；

4.根据权利要求3所述的分温区的控制方法，其特征在于：所述的实际过热度=所述的吸气温度-所述的翅片温度。

5.根据权利要求1所述的分温区的控制方法，其特征在于：当采用所述的最优压力控制方法时，通过所述的压力传感器采集所述的实际排气压力，通过所述的第一温度传感器采集所述的出口温度，通过所述的第二温度传感器采集所述的翅片温度，通过所述的水流量检测计采集所述的水流量，通过所述的风速检测装置采集所述的转速；

6.根据权利要求5所述的分温区的控制方法，其特征在于：当所述的出口温度大于所述的第一临界温度且小于第二临界温度时，采用第一种最优压力控制方法，所述的目标排气压力通过Popt=2.2Tc+8.5-0.1Te+Rw*Q+Rf*n计算得出；当所述的出口温度大于或等于所述的第二临界温度时，采用第二种最优压力控制方法，所述的目标排气压力通过Popt=2.5Tc^0.98-0.2Te+Rw*Q+Rf*n计算得出；其中，Tc为气体冷却器的出口温度，Te为蒸发器的翅片温度，Rw为水流量系数，Q为水流量，Rf为风机系数，n为风机的转速。

7.根据权利要求6所述的分温区的控制方法，其特征在于：所述的第二临界温度为42℃。