双级变频双级压缩热泵热水器动态加热频率优化及控制方法技术

本发明专利技术涉及一种双级变频双级压缩热泵热水器动态加热频率优化及控制方法，特点是：双级变频双级压缩热泵热水器进行动态加热运行，即在用户用热水过程中热泵热水器同时进行加热运行，在整个动态加热运行过程中，对低压级变频压缩机和高压级变频压缩机的工作频率优化调节，使热泵热水器整个运行过程的总能耗最小。其主要优点是：使双级变频双级压缩热泵热水器在整个动态加热运行过程中，优化低压级变频压缩机和高压级压缩机工作频率，使整个运行过程总能耗最小。

Dynamic heating frequency optimization and control method of double stage double stage compression heat pump water heater

The invention relates to a double frequency two-stage compression heat pump water heater heating frequency dynamic optimization and control method, is characterized in that the double frequency two-stage compression heat pump water heater with dynamic heating operation, heat pump water heater hot water during the heating operation of users at the same time, in the whole dynamic heating process, optimization the working frequency of the low-pressure stage compressor and high pressure compressor, the heat pump water heater during the whole operation of the minimum total energy consumption. The main advantage is that the two-stage variable frequency two-stage compression heat pump water heater can optimize the operation frequency of low voltage stage variable frequency compressor and high voltage compressor during the whole dynamic heating operation, so that the total energy consumption of the whole operation process is minimum.

【技术实现步骤摘要】
双级变频双级压缩热泵热水器动态加热频率优化及控制方法
本专利技术涉及热泵热水器控制方法，特别是一种双级变频双级压缩热泵热水器动态加热频率优化及控制方法。
技术介绍
双级压缩热泵热水器可在较低的室外环境温度下制取高温热水。低压级压缩机和高压级压缩机均采用变频压缩机的双级变频双级压缩热泵热水器制热量调节能力及能效比更高。针对低压级采用变频压缩机、高压级采用定频压缩机的变频双级压缩热泵热水器，为提高其运行能效比，中国专利公告了“一种变频双级压缩热泵热水器动态加热的控制方法”，专利号是ZL201410759807.3的专利技术专利；其可根据用户用热需求和热泵热水器室外环境温度、水箱温度调节低压级压缩机工作频率和热泵制冷的中间温度；基本原理是使热泵热水器在整个运行过程中每一时刻瞬时能效比尽可能接近该运行工况下的最佳能效比，也即每一时刻瞬时能效比越高，在得到相同总制热量的条件下热泵热水器整个运行过程中总能耗越小，但这一结论成立的条件是整个运行过程中热泵瞬时制热量必须相等。实际上热泵热水器在运行过程中，由于运行工况的变化以及压缩机频率的变化，导致热泵热水器瞬时制热量变化较大；因此，前述专利文件提出的变频双级热泵热水器低压级压缩机频率调节方法仍有待优化，也即在变频双级热泵热水器低压级压缩机频率优化过程中，还需考虑瞬时制热量的变化，才能使热泵热水器整个运行过程总能耗最小。此外，现有的双级变频双级热泵热水器压缩机频率调节方法主要基于稳定加热方式，热泵在加热运行过程中，水箱内的水是封闭加热的，即在此过程中水箱不放热水，也无冷水进入，水温始终处于上升状态。实际上大多数情况下用户在用水的时候水箱会从外部补充冷水，水箱内水温会不断下降，热泵在加热过程中水箱水温是一个先下降后上升的动态过程，也即动态加热，美国能源部热泵热水器能效测试相关标准也是按动态加热制定的。为此双级变频双级压缩热泵热水器动态加热过程中，既要考虑瞬时制热量的变化，也要考虑水箱进出水的情况，对低压级压缩机频率和高压级压缩机频率优化调节，才能使热泵热水器整个运行过程总能耗最小。
技术实现思路
本专利技术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动态加热频率优化及控制方法，其可根据热泵热水器室外环境温度、水箱温度和用户用水情况，在热泵热水器动态加热过程中优化低压级变频压缩机工作频率，同时根据热泵热水器制冷系统最佳中间温度，调节高压级变频压缩机工作频率，使热泵热水器整个运行过程总能耗最小，达到节能目的。为了达到上述目的，本专利技术是这样实现的，其是一种双级变频双级压缩热泵热水器动态加热频率优化及控制方法，双级变频双级压缩热泵热水器包括低压级变频压缩机、低压级压缩机排气温度传感器、高压级变频压缩机、高压级压缩机排气温度传感器、控制器、水箱传感器、水箱、冷凝器、高压级电子膨胀阀、中间冷却器温度传感器、中间冷却器、低压级电子膨胀阀、蒸发器及室外温度传感器；其特征在于：双级变频双级压缩热泵热水器进行动态加热运行，即在用户用热水过程中热泵热水器同时进行加热运行，在整个动态加热运行过程中，对低压级变频压缩机和高压级变频压缩机的工作频率优化调节，使热泵热水器整个运行过程的总能耗最小；低压级变频压缩机和高压级变频压缩机的工作频率优化调节方法如下：（a）确定热泵热水器动态加热基准工况，包括室外环境温度TW及相对湿度φ，水箱的设定上限温度TS、下限温度TX、进冷水温度及用热水温度，额定用水量；（b）建立热泵热水器随室外环境温度TO、水箱的实际温度T变化，以最佳瞬时能效比EER为目标的热泵制冷系统中间温度T3的关系式Ⅰ：T3=F(TO,T)；（c）分段设定低压级压缩机的工作频率f：根据热泵热水器水箱的设定上限水温TS与下限水温TX之差，将这一温差分成n个温度段，n≥2，在各温度段低压级变频压缩机采用不同的分段工作频率fi；（d）根据水箱的温差分段情况，各温度段低压级变频压缩机的分段工作频率fi按等差数列分布，得到各温升段分段工作频率fi的计算公式Ⅱ：fi=fg-(fg-fd)(i-1)/(n-1)，计算公式Ⅱ中，fg为整个运行过程中低压级变频压缩机的最高频率值；fd为整个运行过程中低压级变频压缩机的最低频率值；i表示从初始加热开始对应的各升温段，i=1,2,...,n；（e）以热泵热水器整个动态运行过程中总能耗最小为目标，通过实验得到在基准工况下，低压级变频压缩机的最高频率fg和最低频率fd，根据计算公式Ⅱ得到各温度段对应的低压级变频压缩机的分段工作频率fi；（f）当热泵热水器实际运行工况偏离基准工况时，根据实际室外环境温度TO来修正水箱各温度段对应的低压级变频压缩机的分段工作频率fi；实际运行工况低压级变频压缩机的实际工作频率gi按公式Ⅲ：gi=kfi进行修正,不同的室外环境温度TO对应不同的k,通过实验得到；（g）在水箱的水温下降和上升过程中，低压级变频压缩机的工作频率均按公式Ⅲ计算得到的实际工作频率gi工作；（h）控制器检测室外环境温度TO、水箱的实际温度T，根据关系式Ⅰ计算得到最佳中间温度T3，通过调节高压级变频压缩机的工作频率fb，使中间温度传感器检测的实际中间温度趋近计算得到的最佳中间温度T3的值；（i）因变频压缩机稳定工作的频率范围一般为20Hz-100Hz，如按公式Ⅲ得到的各温度段低压级变频压缩机的实际工作频率gi中出现小于20Hz的温度段，该温度段低压级变频压缩机的工作频率按20Hz运行；如出现大于100Hz的温度段，则该温度段低压级变频压缩机的工作频率按100Hz运行；同理，高压级变频压缩机的工作频率要求小于20Hz时按20Hz运行，当要求大于100Hz时，按100Hz运行。在本技术方案中，在水箱的各温升段，低压级变频压缩机的分段工作频率fi可以按二次曲线分布，即公式Ⅳ：fi=ai2+bi+c，公式Ⅳ中a，b，c为通过实验得到的二次曲线的系数。在本技术方案中，所述低压级变频压缩机和高压级变频压缩机均可为交流变频压缩机或直流调速压缩机。本专利技术与现有技术相比，其主要优点是：使双级变频双级压缩热泵热水器在整个动态加热运行过程中，优化低压级变频压缩机和高压级压缩机工作频率，使整个运行过程总能耗最小。附图说明图1是本专利技术实施的双级变频双级压缩热泵热水器系统原理图；图2是本专利技术实施的双级变频双级压缩热泵热水器动态加热过程中水箱温度变化示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，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，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。如图1所示，双级变频双级压缩热泵热水器包括低压级变频压缩机1、低压级变频压缩机排气温度传感器2、高压级变频压缩机3、高压级压缩机排气温度传感器4、控制器5、水箱传感器6、水箱7、冷凝器8、高压级电子膨胀阀9、中间冷却器温度传感器10、中间冷却器11、低压级电子膨胀阀12、蒸发器13及室外温度传感器14；如图2所示，热泵热水器动态加热过程如下：开始时水箱7的水温为设定上限温度TS，从时间t1用户开始用热水时，水箱会从外部补充冷水，水箱7中水温开始降低，热泵热水器也开始加热运行，由于用热水的热量大于热泵制热量，水箱7中水温继续降低，当水温达到设定温度下限TX时，用户停止用水，此时时间为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双级变频双级压缩热泵热水器动态加热频率优化及控制方法，双级变频双级压缩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）、高压级变频压缩机（3）、高压级压缩机排气温度传感器（4）、控制器（5）、水箱传感器（6）、水箱（7）、冷凝器（8）、高压级电子膨胀阀（9）、中间冷却器温度传感器（10）、中间冷却器（11）、低压级电子膨胀阀（12）、蒸发器（13）及室外温度传感器（14）；其特征在于：双级变频双级压缩热泵热水器进行动态加热运行，即在用户用热水过程中热泵热水器同时进行加热运行，在整个动态加热运行过程中，对低压级变频压缩机（1）和高压级变频压缩机（3）的工作频率优化调节，使热泵热水器整个运行过程的总能耗最小；低压级变频压缩机（1）和高压级变频压缩机（3）的工作频率优化调节方法如下：确定热泵热水器动态加热基准工况，包括室外环境温度TW及相对湿度φ，水箱（7）的设定上限温度TS、下限温度TX、进冷水温度及用热水温度，额定用水量；建立热泵热水器随室外环境温度TO、水箱（7）的实际温度T变化，以最佳瞬时能效比EER为目标的热泵制冷系统中间温度T3的关系式Ⅰ：T3=F(TO,T)；分段设定低压级压缩机（1）的工作频率f：根据热泵热水器水箱（7）的设定上限水温TS与下限水温TX之差，将这一温差分成n个温度段，n≥2，在各温度段低压级变频压缩机（1）采用不同的分段工作频率fi；根据水箱（7）的温差分段情况，各温度段低压级变频压缩机（1）的分段工作频率fi按等差数列分布，得到各温升段分段工作频率fi的计算公式Ⅱ：fi=fg‑(fg‑fd)(i‑1)/(n‑1)，计算公式Ⅱ中，fg为整个运行过程中低压级变频压缩机（1）的最高频率值；fd为整个运行过程中低压级变频压缩机（1）的最低频率值；i表示从初始加热开始对应的各升温段，i=1,2,...,n；以热泵热水器整个动态运行过程中总能耗最小为目标，通过实验得到在基准工况下，低压级变频压缩机（1）的最高频率fg和最低频率fd，根据计算公式Ⅱ得到各温度段对应的低压级变频压缩机（1）的分段工作频率fi；当热泵热水器实际运行工况偏离基准工况时，根据实际室外环境温度TO来修正水箱（7）各温度段对应的低压级变频压缩机（1）的分段工作频率fi；实际运行工况低压级变频压缩机（1）的实际工作频率gi按公式Ⅲ：gi=kfi进行修正,不同的室外环境温度TO对应不同的k,通过实验得到；在水箱（7）的水温下降和上升过程中，低压级变频压缩机（1）的工作频率均按公式Ⅲ计算得到的实际工作频率gi工作；控制器（5）检测室外环境温度TO、水箱（7）的实际温度T，根据关系式Ⅰ计算得到最佳中间温度T3，通过调节高压级变频压缩机（3）的工作频率fb，使中间温度传感器（11）检测的实际中间温度趋近计算得到的最佳中间温度T3的值；因变频压缩机稳定工作的频率范围一般为20Hz‑100Hz，如按公式Ⅲ得到的各温度段低压级变频压缩机（1）的实际工作频率gi中出现小于20Hz的温度段，该温度段低压级变频压缩机（1）的工作频率按20Hz运行；如出现大于100Hz的温度段，则该温度段低压级变频压缩机（1）的工作频率按100Hz运行；同理，高压级变频压缩机（3）的工作频率要求小于20Hz时按20Hz运行，当要求大于100Hz时，按100Hz运行。...

【技术特征摘要】
1.一种双级变频双级压缩热泵热水器动态加热频率优化及控制方法，双级变频双级压缩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）、高压级变频压缩机（3）、高压级压缩机排气温度传感器（4）、控制器（5）、水箱传感器（6）、水箱（7）、冷凝器（8）、高压级电子膨胀阀（9）、中间冷却器温度传感器（10）、中间冷却器（11）、低压级电子膨胀阀（12）、蒸发器（13）及室外温度传感器（14）；其特征在于：双级变频双级压缩热泵热水器进行动态加热运行，即在用户用热水过程中热泵热水器同时进行加热运行，在整个动态加热运行过程中，对低压级变频压缩机（1）和高压级变频压缩机（3）的工作频率优化调节，使热泵热水器整个运行过程的总能耗最小；低压级变频压缩机（1）和高压级变频压缩机（3）的工作频率优化调节方法如下：确定热泵热水器动态加热基准工况，包括室外环境温度TW及相对湿度φ，水箱（7）的设定上限温度TS、下限温度TX、进冷水温度及用热水温度，额定用水量；建立热泵热水器随室外环境温度TO、水箱（7）的实际温度T变化，以最佳瞬时能效比EER为目标的热泵制冷系统中间温度T3的关系式Ⅰ：T3=F(TO,T)；分段设定低压级压缩机（1）的工作频率f：根据热泵热水器水箱（7）的设定上限水温TS与下限水温TX之差，将这一温差分成n个温度段，n≥2，在各温度段低压级变频压缩机（1）采用不同的分段工作频率fi；根据水箱（7）的温差分段情况，各温度段低压级变频压缩机（1）的分段工作频率fi按等差数列分布，得到各温升段分段工作频率fi的计算公式Ⅱ：fi=fg-(fg-fd)(i-1)/(n-1)，计算公式Ⅱ中，fg为整个运行过程中低压级变频压缩机（1）的最高频率值；fd为整个运行过程中低压级变频压缩机（1）的最低频率值；i表示从初始加热开始对应的各升温段，i=1,2,...,n；以热泵热水器整个动态运行过...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴治将，李东洺，李锡宇，王斯焱，徐言生，彭莺，陈妙阳，
申请(专利权)人：顺德职业技术学院，
类型：发明
国别省市：广东,44