專利名稱：熱泵熱水機動態流量控制裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種用于利用熱泵的流體加熱器的控制裝置，尤其涉及一種用于超低溫熱泵熱水機工質的動態流量控制裝置及其控制方法。
背景技術：
空氣源熱泵機組除了具有環保、節能的特點外，還有系統簡單、初投資低、維護方便、調節靈活等特點，因此已經得到了大面積的推廣應用。由于超低環境溫度空氣源熱泵熱水機即使在北方寒冷地區的綜合能效比與水源熱泵相當，而且外界供熱的熱源穩定，同時它幾乎不占用土地面積，初投資較其他熱泵產品低的多，因此，在寸土寸金的形勢下，這種初投資低、占地少、調節方便的超低溫空氣源熱泵熱水機就成為今后取暖、洗浴最理想的加熱設備。中國發明專利申請“一種超低溫空氣源熱泵熱水機”(中國專利申請號201010528073. X，公開號CN101957060)公開了一種超低溫空氣源熱泵熱水機，包括通過管路連接的壓縮機與風側熱交換器和熱水側熱交換器，所述壓縮機的中部設有空腔，壓縮機的一側設有補氣口，該熱泵熱水機還包括補氣回路、制冷回路和輔助補氣回路。中國發明專利申請“帶經濟器的準二級壓縮超低溫空氣源熱泵熱水機”(中國專利申請號 201010529983. X，公開號CN101957061)公開了一種主要由補氣增焓壓縮機、風冷蒸發器、 水側換熱器、氣液分離器、經濟器、四通閥、電子膨脹閥、干燥過濾器、儲液器、電磁閥、熱力膨脹閥和單向閥構成的帶經濟器的超低溫空氣源熱泵熱水機。不僅能在超低溫的工作環境中正常工作，而且壓縮機的排氣溫度低，提高了熱泵熱水機的熱能轉換效率和系統能效比， 有利于節能環保。但是僅依靠現有技術，超低溫熱泵熱水機在主輔回路流量分配和控制技術很難解決完善，同時主輔節流裝置都是依據空調工況而調定的過熱度，因此產品性能和穩定性得不到保證。
發明內容
本發明的目的是要提供一種超低溫熱泵熱水機動態流量控制裝置，解決超低溫熱泵熱水機在主輔回路流量分配和控制的技術問題。本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是一種超低溫熱泵熱水機動態流量控制裝置，安裝在包含低溫補氣壓縮機、冷凝器、 經濟器、蒸發器組件、輔路節流裝置和主路節流裝置的超低溫熱泵熱水機上，其特征在于所述的動態流量控制裝置由三通比例調節閥、控制單元和一組感溫元件組成。所述的三通比例調節閥連接在工質流通管路中，工質流通管路的連接關系為低溫補氣壓縮機的出氣口管路連接到冷凝器，冷凝器通過經濟器連接到三通比例調節閥的入口，三通比例調節閥的主路出口連接到主路節流裝置，再通過蒸發器組件連接壓縮機回氣口，形成工質的主回路，三通比例調節閥的輔路出口連接到輔路節流裝置，再通過經濟器連接到壓縮機補氣口，形成工質的輔回路。所述的感溫元件至少包括固定在輔路節流裝置連接經濟器的工質管路上的感溫元件a，固定在經濟器通往壓縮機補氣口的工質管路上的感溫元件b，固定在經濟器連接到三通比例調節閥入口的工質管路上的感溫元件d，固定在三通比例調節閥連接主路節流裝置的工質管路上的感溫元件e，固定在經濟器連接三通比例調節閥的工質管路上的感溫元件f。所述的控制單元是實現計算機程序控制的微機控制單元，所述的一組感溫元件的溫度信號輸出端，分別連接到控制單元的一組溫度信號輸入端，控制單元的控制輸出端連接到三通比例調節閥的控制信號輸入端。本發明的超低溫熱泵熱水機動態流量控制裝置的一種較佳的技術方案是所述的感溫元件還包括固定在冷凝器連接經濟器的工質管路上的感溫元件C。本發明的超低溫熱泵熱水機動態流量控制裝置的一種改進的技術方案是所述的控制單元是獨立組裝的控制電路板，所述的控制電路板固定在與三通比例調節閥的外殼連接為一體的封閉殼體中，構成一體化的動態流量控制裝置。本發明的超低溫熱泵熱水機動態流量控制裝置的一種更好的技術方案是所述的控制單元是熱泵熱水機的主控系統的部件，所述的控制單元還包含控制總線接口模塊，所述的動態流量控制裝置通過控制總線模塊連接到熱泵熱水機組的主控系統。本發明的另一個目的是要提供一種用于超低溫熱泵熱水機動態流量控制裝置的控制方法，解決使用計算機程序控制實現熱泵熱水機工質流量動態控制的技術問題。本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是一種用于所述的動態流量控制裝置的使用計算機程序控制實現流量動態控制的方法，包含以下步驟S01)讀取環境溫度Th，若環境溫度Th彡10°C，則轉到步驟S02，否則，轉至步驟 S03。S02)控制三通比例調節閥保持主通道直通，輔通道關閉，返回步驟S01。S03)讀取感溫元件檢測的溫度Ta、Tb、Tc、Td、Te和Tf。S04)若Tf-Te彡5°C且Tb-Ta彡3°C，則控制三通比例調節閥進行比例調節，增加主通道的工質流量，減少輔通道的流量。S05)若同時滿足 3°C 彡 Tf-Te < 5°C，6°C< Tb-Ta 彡 10°C 和 | Tb-Td | 彡 2°C 的判斷條件，則控制三通比例調節閥停止節流調節。S06)若Tf-Te < 3°C且8°C彡Tb_Ta，則控制三通比例調節閥進行比例調節，減少主通道的工質流量，增加輔通道的流量。S07)若同時滿足 3°C 彡 Tf-Te<5°C，3°C<Tb_Ta<8°C^P Tb-Td 彡 2°C 的判斷條件，則控制三通比例調節閥停止節流調節。S08)若Tf-1Te < 3°C且Tbla < 3°C，則控制三通比例調節閥減小入口的開度，降低工質的總循環流量。本發明提供的實現動態流量控制方法的改進方案還包含開機啟動的步驟，所述的開機啟動的步驟包括以下動作Sll)進入啟動預熱狀態，控制三通比例調節閥的主通道直通，輔通道關閉，以保證工質主回路快速達到穩態。S12)設置預熱延時時間ts，啟動預熱延時，到達預設時間后轉到步驟S01，執行動態流量控制程序；所述的預熱延時時間ts為1 5分鐘。本發明提供的實現動態流量控制方法的進一步改進的技術方案還包含除霜與制熱狀態轉換過程控制的步驟，所述的除霜與制熱狀態轉換過程控制的步驟包括以下動作S21)控制三通比例調節閥的主通道直通，輔通道關閉，以保證熱泵熱水機的除霜效果。S22)等熱泵熱水機主控系統發出的除霜結束信號。S23)根據環境溫度Th設置預熱延時時間tr，啟動快速預熱延時，到達預設時間后轉到步驟S01，返回動態流量控制程序；所述的預熱延時時間tr隨環境溫度Th的降低而增加，tr的設置范圍為1 10分鐘。本發明的有益效果是本發明的熱泵熱水機動態流量控制裝置及其控制方法，可以合理分配主輔回路的工質循環量，提高熱泵熱水機的的制熱量和運行性能，可以避免由于工質循環量過低造成壓縮機潤滑不足而損壞的事故，改善機組的運行安全性和穩定性。通過設置啟動、除霜與制熱狀態轉換過程控制的步驟，可以保證超低溫熱泵熱水機在啟動、除霜、除霜轉換為正常制熱水的狀態下仍能穩定高效運行。本發明的控制裝置采用計算機程序控制的方法實現熱泵熱水機的工質動態流量控制，產品的硬件結構簡單，控制參數設置調節方便，可靠性高。本發明的控制裝置通過控制總線連接到熱泵熱水機的主控系統，便于實現集中控制和遠程網絡監控。
圖1是本發明的超低溫熱泵熱水機動態流量控制裝置的系統原理圖，圖2是本發明的超低溫熱泵熱水機動態流量控制裝置的控制方法流程圖。以上圖中的各部件的標號1-三通比例調節閥；2-控制單元；3-經濟器；4-蒸發器組件；11-輔路節流裝置；12-主路節流裝置；a-感溫元件；b-感溫元件；C-感溫元件； d-感溫元件；e-感溫元件；f-感溫元件。
具體實施例方式為了能更好地理解本發明的上述技術方案，下面結合附圖和實施例進行進一步地詳細描述。本發明的超低溫熱泵熱水機動態流量控制裝置安裝在包含低溫補氣壓縮機、冷凝器、經濟器、蒸發器組件、輔路節流裝置和主路節流裝置的超低溫熱泵熱水機上。動態流量控制裝置由三通比例調節閥1、控制單元2和一組感溫元件組成，參見圖1所示的實施例。 圖1省略了感溫元件與控制單元之間的連線，也沒有顯示不屬于所述的動態流量控制裝置的外部機械和電氣部件，例如，低溫補氣壓縮機、冷凝器及其控制管路和熱泵熱水機的主控系統等。在本實施例中，三通比例調節閥1連接在工質流通管路中，工質流通管路的連接關系為低溫補氣壓縮機的出氣口管路連接到冷凝器，冷凝器通過經濟器3連接到三通比例調節閥1的入口 A，三通比例調節閥1的主路出口 C連接到主路節流裝置12，再通過蒸發器組件4連接壓縮機回氣口，形成工質的主回路，三通比例調節閥1的輔路出口 B連接到輔路節流裝置11，再通過經濟器3連接到壓縮機補氣口，形成工質的輔回路。所述的一組感溫元件包括固定在輔路節流裝置11連接經濟器3的工質管路上的感溫元件a，固定在經濟器3通往壓縮機補氣口的工質管路上的感溫元件b，固定在冷凝器連接經濟器3的工質管路上的感溫元件c，固定在經濟器3連接三通比例調節閥1的工質管路上的感溫元件d，固定在三通比例調節閥1連接主路節流裝置12的工質管路上的感溫元件e，固定在經濟器3連接三通比例調節閥1的工質管路上的感溫元件f。所述的控制單元是實現計算機程序控制的微機控制單元，所述的一組感溫元件的溫度信號輸出端，分別連接到控制單元的一組溫度信號輸入端，控制單元的控制輸出端連接到三通比例調節閥的控制信號輸入端。控制單元2使用計算機程序控制，利用固定在工質流通管路上的感溫元件檢測工質在熱力循環過程中的各個關鍵工況的溫度參數，通過計算分析控制三通比例調節閥，合理分配主輔回路的工質循環量，使調節后的主輔回路的工質分配符合蒸發器和經濟器的要求。所述的控制單元可以采用獨立組裝的控制電路板結構，控制電路板固定在與三通比例調節閥的外殼連接為一體的封閉殼體中，構成一體化的動態流量控制裝置。所述的控制單元也可以作為熱泵熱水機的主控系統的部件，控制單元還可以包含控制總線接口模塊，例如，Modbus協議總線接口模塊，動態流量控制裝置可以通過控制總線接口模塊連接到熱泵熱水機組的主控系統，實現集中控制和遠程監控功能。圖2是本發明的動態流量控制裝置使用計算機程序控制實現動態流量控制方法的流程圖，本實施例的流程圖僅包含了實現動態流量控制方法的基本步驟，不包含本專業普通技術人員所熟悉的微機系統計算機軟硬件上電初始化等過程所需的公知程序步驟。其中，感溫元件a檢測到的溫度設為Ta ；感溫元件b檢測到的溫度設為Tb ；感溫元件c檢測到的溫度設為Tc ；感溫元件d檢測到的溫度設為Td ；感溫元件e檢測到的溫度設為Te ；感溫元件f檢測到的溫度設為Tf。感溫元件c檢測到的溫度Tc是冷凝器出口的工質溫度，由于 Tc受熱水器水溫影響較大，感溫元件c主要用于冷凝器出口的工質溫度監測。其它5個感溫元件檢測到的溫度和溫差可以充分反映熱力循環過程的工況，本發明的方法就是在溫度分析的基礎上，通過控制三通比例調節閥進行比例調節，實現工質流量動態調節。下述步驟所涉及的環境溫度Th，可以通過獨立的感溫元件檢測獲得，也可以取自熱泵熱水機的主控系統。本發明提供的實現動態流量控制方法的包含以下步驟S01)讀取環境溫度Th，若環境溫度Th≥10°C，則轉到步驟S02，否則，轉至步驟 S03。S02)控制三通比例調節閥1保持主通道A-C直通，主通道A-B關閉，返回步驟SOl。S03)讀取感溫元件檢測的溫度Ta、Tb、Tc、Td、Te和Tf。S04)若Tf-Te≥5°C且Tb-Ta≤3°C，則控制三通比例調節閥進行比例調節，增加主通道A-C的工質流量，減少主通道A-B的流量。Tf-Te的溫差大，表明流入到蒸發器組件4的流量偏小；Tb-Ta的溫差小，表明流入到經濟器的流量過大。在這種狀態下，熱泵熱水機的制熱量和能效偏低，本步驟根據工質溫度分析結果控制三通比例調節閥進行比例調節，以增加蒸發器組件4的流量，提高熱泵熱水機的制熱量和能效。
S05)若同時滿足 3°C 彡 Tf-Te < 5°C，6°C< Tb-Ta ( 10°C 和 | Tb-Td | ( 2°C 的判斷條件，則控制三通比例調節閥1停止節流調節。S06)若Tf-Te < 3°C且8°C彡Tb-Ta,則控制三通比例調節閥進行比例調節，減少主通道A-C的工質流量，增加主通道A-B的流量。Tf-Te的溫差小，表明流入到蒸發器組件的流量偏大；Tb-Ta的溫差大，表明流入到經濟器的流量過小，在這種狀態下，容易出現蒸發器組件蒸發不充分，壓縮機吸氣量過低，甚至還可能造成回液現象，而且由于流入經濟器的流量過小，壓縮機的補氣量也會降低，造成工質的循環流量大幅降低，制熱量也會大幅下降。工質循環流量降低時，流入到系統中的潤滑油不能有效地返回壓縮機，可能導致壓縮機因潤滑不良而損壞。本步驟根據工質溫度分析結果控制三通比例調節閥進行比例調節，增加工質循環流量，不但可以提高熱泵熱水機的制熱量和能效，而且還可以提高熱泵熱水機的運行可靠性。S07)若同時滿足 3°C 彡 Tf-Te<5°C，3°C<Tb_Ta<8°C^P Tb-Td 彡 2°C 的判斷條件，則控制三通比例調節閥1停止節流調節。S08)若Tf-Te < 3°C且Tb-Ta < 3°C，則控制三通比例調節閥1減小入口 A的開度，降低工質的總循環流量。Tf-Te和Tb-Ta的溫差都偏小，表明參與循環的工質流量超過系統需求的流量，本步驟控制三通比例調節閥1自動減小入口 A的開度，降低工質的總循環流量，以滿足主輔回路的流量需求。本發明提供的實現動態流量控制方法的實施例還包括開機啟動的步驟，以保證超低溫熱泵熱水機在開機啟動后能快速進入穩定運行狀態。開機啟動的步驟包括以下動作Sll)進入啟動預熱狀態，控制三通比例調節閥1的主通道A-C直通，主通道A-B關閉，以保證工質主回路快速達到穩態。S12)設置預熱延時時間ts，啟動預熱延時，到達預設時間后轉到步驟S01，執行動態流量控制程序；所述的預熱延時時間ts為1 5分鐘。啟動預熱時間ts，在本實施例中設置啟動預熱時間設ts = 3分鐘。本發明提供的實現動態流量控制方法的實施例還包含除霜與制熱狀態轉換過程控制的步驟，以保證超低溫熱泵熱水機在除霜、除霜轉換為正常制熱水的狀態下仍能穩定高效運行。熱泵熱水機進入除霜狀態后，熱泵熱水機工質的流向改變為除霜運行狀態，控制單元2接收到熱泵熱水機主控系統進入除霜狀態的信號，進入除霜和制熱狀態轉換過程進行流量控制的步驟，該步驟包括以下動作S21)控制三通比例調節閥1的主通道A-C直通，主通道A-B關閉，以保證熱泵熱水機的除霜效果。S22)等熱泵熱水機主控系統發出的除霜結束信號。除霜結束后，工質的流向恢復為制熱水運行狀態，三通比例調節閥1保持在的主通道A-C直通，主通道A-B關閉，以保證熱泵熱水機進入快速預熱狀態。S23)根據環境溫度Th設置預熱延時時間tr，啟動快速預熱延時，到達預設時間后轉到步驟S01，返回動態流量控制程序；所述的預熱延時時間tr隨環境溫度Th的降低而增加，tr的設置范圍為1 10分鐘。
本步驟根據環境溫度Th設定除霜結束后的快速預熱延時時間tr，環境溫度越低， 需要的快速預熱時間越長。在本實施例中，環境溫度Th ^ 5°C時，設置預熱延時時間tr = 3 分鐘；環境溫度為_5°C彡Th < 5°C時，設置預熱延時時間tr = 5分鐘；環境溫度Th < -5°C 時，設置預熱延時時間tr = 7分鐘。本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明的技術方案，而并非用作為對本發明的限定，任何基于本發明的實質精神對以上所述實施例所作的變化、變型，都將落在本發明的權利要求的保護范圍內。
權利要求
1.一種超低溫熱泵熱水機動態流量控制裝置，安裝在包含低溫補氣壓縮機、冷凝器、經濟器、蒸發器組件、輔路節流裝置和主路節流裝置的超低溫熱泵熱水機上，其特征在于所述的動態流量控制裝置由三通比例調節閥、控制單元和一組感溫元件組成；所述的三通比例調節閥連接在工質流通管路中，工質流通管路的連接關系為低溫補氣壓縮機的出氣口管路連接到冷凝器，冷凝器通過經濟器連接到三通比例調節閥的入口， 三通比例調節閥的主路出口連接到主路節流裝置，再通過蒸發器組件連接壓縮機回氣口， 形成工質的主回路，三通比例調節閥的輔路出口連接到輔路節流裝置，再通過經濟器連接到壓縮機補氣口，形成工質的輔回路；所述的感溫元件至少包括固定在輔路節流裝置連接經濟器的工質管路上的感溫元件 a,固定在經濟器通往壓縮機補氣口的工質管路上的感溫元件b，固定在經濟器連接到三通比例調節閥入口的工質管路上的感溫元件d，固定在三通比例調節閥連接主路節流裝置的工質管路上的感溫元件e，固定在經濟器連接三通比例調節閥的工質管路上的感溫元件f ；所述的控制單元是實現計算機程序控制的微機控制單元，所述的一組感溫元件的溫度信號輸出端，分別連接到控制單元的一組溫度信號輸入端，控制單元的控制輸出端連接到三通比例調節閥的控制信號輸入端。
2.根據權利要求1所述的超低溫熱泵熱水機動態流量控制裝置，其特征在于所述的感溫元件還包括固定在冷凝器連接經濟器的工質管路上的感溫元件C。
3.根據權利要求1所述的超低溫熱泵熱水機動態流量控制裝置，其特征在于所述的控制單元是獨立組裝的控制電路板，所述的控制電路板固定在與三通比例調節閥的外殼連接為一體的封閉殼體中，構成一體化的動態流量控制裝置。
4.根據權利要求1所述的超低溫熱泵熱水機動態流量控制裝置，其特征在于所述的控制單元是熱泵熱水機的主控系統的部件，所述的控制單元還包含控制總線接口模塊，所述的動態流量控制裝置通過控制總線模塊連接到熱泵熱水機組的主控系統。
5.一種用于權利要求1所述的動態流量控制裝置的使用計算機程序控制實現流量動態控制的方法，包含以下步驟501)讀取環境溫度Th，若環境溫度Th彡10°C，則轉到步驟S02，否則，轉至步驟S03；502)控制三通比例調節閥保持主通道直通，輔通道關閉，返回步驟SOl；503)讀取感溫元件檢測的溫度Ta、Tb、Tc、Td、Te和Tf；504)若Tf-Te彡5°C且Tb-Ta彡3°C，則控制三通比例調節閥進行比例調節，增加主通道的工質流量，減少輔通道的流量；505)若同時滿足3°C 彡 Tf-Te < 5°C，6°C< Tb-Ta 彡 10°C和 | Tb-Td | 彡 2°C 的判斷條件，則控制三通比例調節閥1停止節流調節；506)若Tf-Te< 3°C且Tb_Ta，則控制三通比例調節閥進行比例調節，減少主通道的工質流量，增加輔通道的流量；507)若同時滿足3°C彡Tf-Te < 5°C，3°C彡Tb-Ta < 8°C和|Tb_Td|彡2°C的判斷條件，則控制三通比例調節閥停止節流調節；508)若Tf-Te< 3°C且Tb-Ta < 3°C，則控制三通比例調節閥減小入口的開度，降低工質的總循環流量。
6.根據權利要求5所述的使用計算機程序控制實現流量動態控制的方法，其特征在于還包含開機啟動的步驟，所述的開機啟動的步驟包括以下動作SiD進入啟動預熱狀態，控制三通比例調節閥的主通道直通，輔通道關閉，以保證工質主回路快速達到穩態；S12)設置預熱延時時間ts，啟動預熱延時，到達預設時間后轉到步驟S01，執行動態流量控制程序；所述的預熱延時時間ts為1 5分鐘。
7.根據權利要求6所述的使用計算機程序控制實現流量動態控制的方法，其特征在于所述的預熱延時時間ts設置為3分鐘。
8.根據權利要求5所述的使用計算機程序控制實現流量動態控制的方法，其特征在于還包含除霜與制熱狀態轉換過程控制的步驟，所述的除霜與制熱狀態轉換過程控制的步驟包括以下動作521)控制三通比例調節閥1的主通道直通，輔通道關閉，以保證熱泵熱水機的除霜效果；522)等熱泵熱水機主控系統發出的除霜結束信號；523)根據環境溫度Th設置預熱延時時間tr，啟動快速預熱延時，到達預設時間后轉到步驟S01，返回動態流量控制程序；所述的預熱延時時間tr隨環境溫度Th的降低而增加， tr的設置范圍為1 10分鐘。
9.根據權利要求8所述的使用計算機程序控制實現流量動態控制的方法，其特征在于所述的預熱延時時間tr與環境溫度Th的關系為環境溫度Th ^ 5°C時，設置預熱延時時間tr = 3分鐘；環境溫度為-5°C彡Th < 5°C時，設置預熱延時時間tr = 5分鐘；環境溫度 Th < _5°C時，設置預熱延時時間tr = 7分鐘。
全文摘要
本發明涉及一種用于超低溫熱泵熱水機工質的動態流量控制裝置及其控制方法，控制裝置由三通比例調節閥、控制單元和一組感溫元件組成，安裝在包含低溫補氣壓縮機、冷凝器、經濟器、蒸發器組件、輔路節流裝置和主路節流裝置的超低溫熱泵熱水機上，使用計算機程序的控制方法，利用固定在工質流通管路上的感溫元件檢測工質在熱力循環過程中的各個關鍵工況的溫度參數，通過計算分析控制三通比例調節閥，合理分配工質循環量，提高熱泵熱水機的的制熱量和運行性能，避免由于工質循環量過低造成壓縮機潤滑不足而損壞的事故，改善機組的運行安全性和穩定性，保證超低溫熱泵熱水機在啟動、除霜、除霜轉換為正常制熱水的狀態下仍能穩定高效運行。
文檔編號F24H9/20GK102207338SQ20111019835
公開日2011年10月5日 申請日期2011年7月15日 優先權日2011年7月15日
發明者劉軍, 孫永劍, 季忠海, 王天舒, 王玉軍 申請人:江蘇天舒電器有限公司