CN104633942A - 变频喷气增焓热泵热水器频率调节及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频喷气增焓热泵热水器频率调节及控制方法，特点是其调节步骤为：（a）当用户选择快速模式时，热泵热水器检测到室外环境温度T₁和水箱实际温度T₂的温度，以水箱实际水温T₂为反馈对象对压缩机频率进行调节；（b）当用户选择节能模式时，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）在根据前述（a）、（b）所属的频率调节方法进行工作时，根据实验得到的压缩机频率、室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂，以最佳能效比对主电子膨胀阀、辅电子膨胀阀的开度进行调节；（d）热泵热水器允许的最高频率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：使变频喷气增焓热泵热水器尽可能的在接近最佳能效比频率点的频率工作，以最佳能效比为目标对主、辅电子膨胀阀的开度进行控制，节约能源。

Description

变频喷气增焓热泵热水器频率调节及控制方法

技术领域

 本发明涉及热泵热水器控制方法，特别是一种变频喷气增焓热泵热水器频率调节及控制方法。

背景技术

喷气增焓技术是解决空气源热泵热水器低温环境下制热量及能效比的有效途径，随着变频技术的发展，变频喷气增焓热泵热水器已逐渐开始应用。目前，变频喷气增焓热泵热水器采用的压缩机频率调节方法是以水箱目标温度与水箱即时温度的差值作为反馈对象，即当两者温差大于某一值时，压缩机尽可能的以高频率运行以提高产热量（升温运行），缩短加热时间，当两者温差小于某一值时，动态调整压缩机频率，使水箱温度稳定在目标温度范围内（稳定运行），其制冷系统主电子膨胀阀和辅电子膨胀阀的开度控制以最佳能效比为目标进行控制。从图1所示的空气源热泵产热量、能效比与压缩机频率的动态关系图可以看出，空气源热泵热水器产热量随压缩机频率提高而增加，但其能效比呈抛物线变化趋势，当压缩机频率高于某一频率时，能效比随压缩机频率提高而下降，在低于这一频率时，能效比随压缩机频率下降而下降，显然目前的频率调节方法中，空气源热泵热水器在升温运行过程中远偏离最佳能效比频率点，而在稳定运行时，也同样偏离最佳能效比频率点，使得变频技术的节能优势未能充分发挥。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压缩机频率，在满足用户用热需求的前提下，尽可能以接近最佳能效比频率点频率运行。但用户的用热需求动态变化，热泵热水器的最佳能效比频率点也随环境温度和水箱温度动态变化。另一方面，在频率动态变化、热泵产热量动态变化时，制冷系统的主电子膨胀阀和辅电子膨胀阀必须有与之适应的控制方法才能使系统发挥出更好的性能。

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喷气增焓热泵热水器频率调节及控制方法，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变频压缩机频率，同时调节制冷系统主电子膨胀阀和辅电子膨胀阀的开度，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，其是变频喷气增焓热泵热水器频率调节及控制方法，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的温度，以水箱实际水温T₂为反馈对象对压缩机频率进行调节，当水箱实际水温T₂与设定水温T相差较大时，热泵热水器以最高频率工作，当水箱实际水温T₂接近设定水温T时，热泵热水器降低至最佳能效比频率点工作，此最佳能效比频率点由根据实验得出的最佳能效比频率点与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式确定并随室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂动态变化，当水箱实际水温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，热泵热水器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频率点与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式以及热泵热水器瞬时产热量与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式，预测计算出按最佳能效比频率点工作在到达用水时间t时的产热量，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频率点进行工作，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，在最佳能效比频率点的基础上提高实际工作频率，从而提高热泵热水器产热量，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）在根据前述（a）、（b）所属的频率调节方法进行工作时，根据实验得到的随压缩机频率、室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂变化，以最佳能效比为目标的主电子膨胀阀、辅电子膨胀阀的开度组合表，对主电子膨胀阀、辅电子膨胀阀的开度进行调节；

（d）热泵热水器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；同时通过排气温度传感器检测压缩机的排气温度T₃来限制压缩机最高工作频率，以保护压缩机；当压缩机在根据前述（a）、（b）所述的频率调节方法进行工作时，在压缩机的排气温度T₃超过允许限值时，压缩机工作频率自动降低到压缩机的排气温度T₃允许限值的频率点工作；同样，由于压缩机不能长期在压缩机限制的低频率下工作，在压缩机实际工作频率低于该极限频率时，压缩机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。

所述压缩机为变频压缩机、变容量压缩机或直流调速压缩机。

本发明与现有技术相比主要优点为：使变频喷气增焓热泵热水器尽可能的在接近最佳能效比频率点的频率工作，同时以最佳能效比为目标对主、辅电子膨胀阀的开度进行控制，节约能源。

附图说明

图1是本发明实施的变频喷气增焓空气源热泵产热量、能效比与压缩机频率的关系图；

图2是本发明的变频喷气增焓空气源热泵系统原理图；

图3是本发明的调节及控制方法控制框图。

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压缩机1、排气温度传感器2、控制器3、水箱温度传感器4、储水箱5、冷凝器6、辅电子膨胀阀7、经济器8、主电子膨胀阀9、蒸发器10及室外温度传感器11。在本实施例中，压缩机1为变频压缩机，也可根据实际情况压缩机1采用变容量的压缩机或采用直流调速压缩机；变频喷气增焓热泵热水器可以是以水、地热为热源。

能效比EER与压缩机1工作频率f、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热泵热水器性能实验得到不同频率f、不同室外环境温度T₁和不同水箱实际温度T₂以及最佳主电子膨胀阀9、辅电子膨胀阀7开度下的能效比EER，通过数学方法回归得到能效比EER与频率f、室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式（1）：EER=F(f、T₁、T₂)以及主电子膨胀阀9、辅电子膨胀阀7随频率f、室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的最佳开度控制表，进而可以得到最佳能效比对应的频率点f₀与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式（2）：f₀= F(T₁、T₂)以及对应的主电子膨胀阀9、辅电子膨胀阀7的开度控制表，与此同时得到不同频率f、不同室外环境温度T₁和不同水箱实际温度T₂下的瞬时产热量q，通过数学方法回归得到瞬时产热量q与频率f、室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式（3）：q=F(f、T₁、T₂)。不同型号规格的热泵热水器其上述3个关系式不同。

如图1至3所示，本发明的热泵热水器有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水箱温度T后，热泵热水器通过控制器3、室外环境温度传感器11和水箱温度传感器4采集到室外环境温度T₁和水箱实际温度T₂，以水箱实际水温T₂为反馈对象对压缩机1频率进行调节，当ΔT（ΔT=设定水温T-水箱实际水温T₂）≥5℃时，热泵热水器以最高频率工作（一般≤100Hz）；热泵热水器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；当ΔT<5℃时,热泵热水器逐步降低工作频率至最佳能效比频率点f₀工作，此最佳能效比频率点f₀由控制器3内置的最佳能效比频率点f₀与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式（2）确定，并通过室外环境温度传感器11和水箱温度传感器4随时检测得到的室外环境温度T₁及水箱实际温度T₂动态变化；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，热泵热水器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Q，根据控制器3内置的热泵热水器最佳能效比对应的频率点f₀与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式（2）以及瞬时产热量q与频率f、室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式（3）预测计算出此时间段全过程按最佳能效比频率点工作的总产热量Q₁，如Q₁≥Q，表明全程按最佳能效比频率点工作能满足用户使用要求，则热泵热水器开机后实时检测的室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂并根据最佳能效比频率点f₀与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式（2）计算出的最佳能效比频率点f₀实时调节压缩机工作频率进行工作，直至达到设定水温T停机；预测计算总产热量Q₁时，控制器默认用户输入操作时的控制器检测到的室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂为控制器计算的初始值；如Q₁<Q，说明热泵热水器按最佳能效比频率点f₀工作，其产热量不够，需在最佳能效比频率点f₀的基础上将频率提高到f₁，提高热泵热水器产热量，才能在设定的用水时间t内达到用户设定温度，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。为确定频率f₁，可采用如下简化方式：

1）在最佳能效比频率点f₀附近频率范围，热泵热水器瞬时产热量与频率f₁近似成正比例关系；

2）预测计算全过程按最佳能效比频率点f₀运行的总产热量Q₁，引入频率系数k, k= 需要总产热量Q/预测总产热量Q₁ ；

3）压缩机1实际工作频率f₁=频率系数k*最佳能效比频率点f₀。

（c）在根据前述（a）、（b）所属的频率调节方法进行工作时，根据实验得到的随压缩机频率、室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂变化，以最佳能效比为目标的主电子膨胀阀9、辅电子膨胀阀7的开度组合表，对主电子膨胀阀9、辅电子膨胀阀7的开度进行调节；

（d）热泵热水器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；同时通过排气温度传感器2检测压缩机1的排气温度T₃来限制压缩机最高工作频率，以保护压缩机1；当压缩机1在根据前述（a）、（b）所述的频率调节方法进行工作时，在压缩机1的排气温度T₃超过允许限值时，压缩机1工作频率自动降低到压缩机1的排气温度T₃允许限值的频率点工作；同样，由于压缩机1不能长期在压缩机限制的低频率下工作，在压缩机1实际工作频率低于该极限频率时，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)

1.一种变频喷气增焓热泵热水器频率调节及控制方法，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（3）、室外环境温度传感器（11）和水箱温度传感器（4）检测到室外环境温度T₁和水箱实际温度T₂的温度，以水箱实际水温T₂为反馈对象对压缩机频率进行调节，当水箱实际水温T₂与设定水温T相差较大时，热泵热水器以最高频率工作，当水箱实际水温T₂接近设定水温T时，热泵热水器逐步降低工作频率至最佳能效比频率点工作，此最佳能效比频率点由根据实验得出的最佳能效比频率点与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式确定并随室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂动态变化，当水箱实际水温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，热泵热水器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，根据热泵热水器最佳能效比频率点与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式以及热泵热水器瞬时产热量与室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂的关系式，预测计算出按最佳能效比频率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频率点进行工作，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，在最佳能效比频率点的基础上提高实际工作频率，从而提高热泵热水器产热量，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）在根据前述（a）、（b）所属的频率调节方法进行工作时，根据实验得到的随压缩机频率、室外环境温度T₁、水箱实际温度T₂变化，以最佳能效比为目标的主电子膨胀阀（9）、辅电子膨胀阀（7）的开度组合表，对主电子膨胀阀（9）、辅电子膨胀阀（7）的开度进行调节；

（d）热泵热水器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（3）内；同时通过排气温度传感器（2）检测压缩机（1）的排气温度T₃来限制压缩机最高工作频率，以保护压缩机（1）；当压缩机（1）在根据前述（a）、（b）所述的频率调节方法进行工作时，在压缩机（1）的排气温度T₃超过允许限值时，压缩机（1）工作频率自动降低到压缩机（1）的排气温度T₃允许限值的频率点工作；同样，由于压缩机（1）不能长期在压缩机限制的低频率下工作，在压缩机（1）实际工作频率低于该极限频率时，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。

2.根据权利要求1所述的变频喷气增焓热泵热水器频率调节及控制方法，其特征在于所述压缩机（1）为变频压缩机、变容量压缩机或直流调速压缩机。