一种热泵热水器压缩机频率控制方法与流程

背景技术：

变频压缩机因具有节能、降噪、电压要求低、制冷速度快等优势，正逐渐运用于空气源热泵热水器中，并成为热泵热水器未来发展趋势。空气源热泵热水器的主要结构如图1所示，主要由制冷系统和水箱两大模块组成。现有技术中对其压缩机频率的控制调节以水箱中的水温为主要信号，一般水温升高一定温度，压缩机升高一定频率运行；并根据环境温度进行调整，总体而言，环境温度越低、压缩机频率越高。因水温只能间接表征制冷系统热负荷的变化，导致热泵热水器开发过程中，确定压缩机频率控制方法的工作量很大，设计者不得不做大量实验确定水温-环温-压缩机频率的对应关系，从而确定某一台热泵热水器的频率控制方法；并且该控制方法通用性较差，热泵热水器工作环境、压缩机排量、水箱容积及导热性能等变化，均需要对压缩机频率控制方法进行重新确定。从而增大了开发人员的工作量，并影响控制精度。

热泵热水器开机后，其冷凝盘管出口过冷度的变化一般如图2所示。开机前因制冷剂主要集中在蒸发器侧，冷凝盘管出口过冷度为负值；开机后制冷剂由蒸发器侧向冷凝器侧迁移，系统迅速建立稳定运行状态，期间过冷度达到最高值(p点)；之后随着水箱温度升高，冷凝盘管的热负荷增大，其过冷度逐渐减小。即正常情况下，空气源热泵热水器开机运行后，冷凝盘管出口过冷度存在“由负值迅速升高至最大值，然后逐渐减小”的变化趋势。因为对某一确定的制冷系统而言，过冷度是对其冷凝负荷及制冷量的直接反映，因此若采用冷凝盘管出口过冷度作为压缩机频率的控制信号，可有效降低确定压缩机频率控制方案的试验工作量，并且提高控制精度从而降低热泵热水器能耗。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种热泵热水器的压缩机频率控制方法，从而使热泵热水器设计开发时，用于确定压缩机频率控制策略的工作量大为减小；同时使频率控制更为精确，降低热泵热水器能耗。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种热泵热水器用压缩机频率控制方法，包括以下步骤：

步骤001，热泵热水器启动时，压缩机以初始频率运行固定时间；

步骤002，该固定时间后，同时获取冷凝盘管出口制冷剂温度和压力，并自动计算冷凝盘管出口制冷剂过冷度；并实时监测冷凝盘管出口过冷度值，当该过冷度较前一时刻降低时，则升高压缩机运行频率；

步骤003，将压缩机实际运行频率与最大设计频率对比，若压缩机实际运行运行频率达到或高于最大设计频率，则以最大设计频率运行；

步骤004，将水箱内实际水温与目标水温对比，若实际水温达到或高于目标水温，则压缩机停机。

作为本发明的进一步改进，步骤001，具体步骤如下：

热泵热水器在停机过程中获取水箱内水温tw_0，并将该温度值与目标水温tw_tar进行对比：

若获取的水箱内水温tw_0高于或等于目标水温tw_tar，压缩机继续停机；

若获取的水箱内水温tw_0低于目标水温tw_tar，则根据初始水温tw_0确定压缩机初始运行频率f0，压缩机以初始频率f0运行τ0时间。

作为本发明的进一步改进，步骤001中还包括：

压缩机初始运行频率f0可根据初始水温tw_0，在压缩机最小设计频率和最大设计频率之间线性插值确定，即：

若tw_0≤0，则f0＝fmin，

若0＜tw_0＜tw_tar，则

若tw_0≥tw_tar，则f0＝0；

初始运行时间由τ0实验确定，确保冷凝盘管出口过冷度进入极值点右侧。

作为本发明的进一步改进，步骤002，具体步骤如下：

自τ0时刻起，同时获取冷凝盘管出口制冷剂温度tr和制冷剂压力pr，并自动计算冷凝盘管出口制冷剂过冷度tsub，

自τ0时刻起，实时监测冷凝盘管出口过冷度值tsub，当该过冷度每降低数值δtsub时，则压缩机运行频率f升高δf；

自τ0时刻起，判断压缩机频率f是否达到最大设计运行频率fmax，如果f达到fmax，则此后压缩机以fmax频率运行，不再升频。

作为本发明的进一步改进，步骤002中还包括：

标准工况、满箱水情况下，压缩机运行频率升至最大设计频率fmax时，水箱内水温升高至目标温度tw_tar。

作为本发明的进一步改进，步骤004，具体步骤如下：

压缩机运行过程中获取水箱内水温tw，并将该温度值与设定的目标水温tw_tar进行对比：

若获取的水箱内水温tw低于目标水温tw_tar，则继续按照步骤001、002进行；

若获取的水箱内水温tw达到或高于水箱内目标水温tw_tar，压缩机停机。

作为本发明的进一步改进，压缩机运行过程中，还包括判断水箱内是否进行排、补水动作的步骤：

若未发生排、补水动作，则继续按照原步骤运行；

若发生排、补水动作，则压缩机停机，待排、补水动作完成后，由步骤001重新开始运行。

作为本发明的进一步改进，该热泵热水器为为具备制热水功能的所有空气源热泵热水器。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明热泵热水器压缩机频率的控制方法，将现有技术中压缩机频率主要由水温控制并根据环境温度进行调整，改为由初始水温确定初始运行频率之后主要根据冷凝盘管出口制冷剂过冷度控制。过冷度能更精确的反映制冷系统制冷剂流量、制冷量等参数的变化，即一般情况下，过冷度减小表明制冷剂流量、制冷量减小，过冷度增大表明制冷剂流量、制冷量增大，因而，以过冷度为压缩机频率控制信号可以更精确调节系统制冷量。同时，过冷度变化反映系统制冷能力变化的相对趋势与环温、热泵热水器大小、水温等关系较小，避免了现有技术中确定水温-环温-压缩机频率的对应关系时的大量试验，该控制方法可对压缩机频率更精准调节，从而降低热泵热水器能耗，并减少开发人员用于确定压缩机频率的工作量，加快开发进度。从而加速了热泵热水器产品设计开发的速度。

附图说明

图1是空气源热泵热水器的制冷系统及水箱原理示意图；

图2是热泵热水器冷凝盘管出口制冷剂过冷度随时间变化规律曲线；

图3是本发明实施例的热泵热水器压缩机频率控制方法流程图。

其中，1-压缩机；2-高压保护开关；3-四通换向阀；4-换热器；5-带盘管承压水箱；6-出水口；7-进水口。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方法进行详细阐述，但在本发明的描述中，需要理解的是，本发明所描述的实施例是示例性的，实施例所出现的具体参数仅是为了便于描述本发明，而不能作为本发明的限制。

如图3所示，本发明一种热泵热水器压缩机频率的控制方法，将现有技术中压缩机频率主要由水温控制并根据环境温度进行调整，改为由初始水温确定初始运行频率，之后主要根据冷凝盘管出口制冷剂过冷度实时控制压缩机运行频率，从而使制冷量的调节更为精确，并减小热泵热水器产品设计开发的工作量。

该控制方法原理为：热泵热水器启动后，首先采用时间控制，强制压缩机以初始频率运行固定时间，该初始频率由水箱内初始水温决定；之后采用冷凝盘管出口过冷度控制，过冷度每降低一定数值，压缩机升高一定频率，若升至最大设计频率则保持最大设计频率运行，压缩机频率与冷凝盘管出口过冷度的关系由实验确定。该控制方法可对压缩机频率更精准调节，从而降低热泵热水器能耗，并减少开发人员用于确定压缩机频率的工作量，加快开发进度。

本发明一种热泵热水器用压缩机频率控制方法，具体包括以下步骤：

热泵热水器启动时，压缩机以某一初始频率运行固定时间；根据本发明的控制方法，在热泵热水器开机时刻，获取水箱内初始水温，并根据该水温确定压缩机初始运行频率，以该频率运行固定时间。

以初始频率运行固定时间后，实时监测冷凝盘管出口制冷剂过冷度，每当该过冷度降低一定数值时，压缩机运行频率升高一定数值，达到最大设计运行频率后不再升高。该固定时间后，同时获取冷凝盘管出口制冷剂温度和压力，并自动计算冷凝盘管出口制冷剂过冷度。热泵热水器运行过程中，冷凝盘管出口制冷剂过冷度每降低一定数值，压缩机频率升高一定数值；

将压缩机实际运行频率与最大设计频率对比，若压缩机实际运行运行频率达到或高于最大设计频率，则以最大设计频率运行；

将水箱内实际水温与目标水温对比，若实际水温达到或高于目标水温，则压缩机停机。当水温达到压缩机运行上限值时，系统停机。

通过此方法的实施，达到对压缩机频率更精确调节的目的，从而降低热泵热水器运行能耗，并降低热泵热水器设计开发人员的工作量，提高开发进度。

该热泵热水器为具备制热水功能的所有空气源热泵热水器种类。压缩机频率采用“时间+过冷度控制”。

如图3所示，结合控制流程策略流程图对本发明的控制方式进行说明：

步骤001，热泵热水器在停机过程中获取水箱内水温tw_0，并将该温度值与目标水温tw_tar进行对比：

若获取的水箱内水温tw_0高于或等于目标水温tw_tar，压缩机继续停机。

若获取的水箱内水温tw_0低于目标水温tw_tar，则根据初始水温tw_0确定压缩机初始运行频率f0，压缩机以初始频率f0运行τ0时间；

步骤001中还包括：

压缩机初始运行频率f0可根据初始水温tw_0，在压缩机最小设计频率和最大设计频率之间线性插值确定，即：

若tw_0≤0，则f0＝fmin，

若0＜tw_0＜tw_tar，则

若tw_0≥tw_tar，则f0＝0。

初始运行时间由τ0实验确定，确保冷凝盘管出口过冷度进入极值点(图2中p点)右侧。

步骤002，自τ0时刻起，同时获取冷凝盘管出口制冷剂温度tr和制冷剂压力pr，并自动计算冷凝盘管出口制冷剂过冷度tsub。

自τ0时刻起，实时监测冷凝盘管出口过冷度值tsub，当该过冷度每降低一定数值δtsub时，则压缩机运行频率f升高δf。

自τ0时刻起，判断压缩机频率f是否达到最大设计运行频率fmax，如果f达到fmax，则此后压缩机以fmax频率运行，不再升频。

步骤002中还包括：

过冷度降低值δtsub和压缩机运行频率升高值δf由实验确定，使得标准工况、满箱水下，压缩机运行频率升至最大设计频率fmax时，水箱内水温大致升高至目标温度tw_tar。

步骤003，压缩机运行过程中获取水箱内水温tw，并将该温度值与设定的目标水温tw_tar进行对比：

若获取的水箱内水温tw低于目标水温tw_tar，则继续按照步骤001、002进行；

若获取的水箱内水温tw达到或高于水箱内目标水温tw_tar，压缩机停机。

步骤004，压缩机运行过程中，判断水箱内是否进行排、补水动作：

若未发生排、补水动作，则继续按照原步骤运行；

若发生排、补水动作，则压缩机停机，待排、补水动作完成后，由步骤001重新开始运行。

实施例

假设热水器目标水温tw_tar为50℃，水箱初始水温tw_0为25℃，压缩机最小设计频率fmin为20hz，最大设计频率fmax为100hz，则压缩机启动后，根据线性插值法算得压缩机初始运行频率f0为60hz。

压缩机以f0＝60hz的初始频率运行τ0时间(其中τ0值由试验确定，以确保冷凝盘管出口过冷度tsub_0进入图2中p点右侧)。

自τ0时刻起，实时监测冷凝盘管出口过冷度值tsub，当该过冷度每降低一定数值δtsub时，则压缩机运行频率f升高δf。例如，假设τ0时刻，冷凝盘管出口过冷度值为tsub_0，之后当过冷度tsub每降低1k，则压缩机运行频率f相应升高10hz。

自τ0时刻起，判断压缩机频率f是否达到最大设计运行频率100hz，如果f达到100hz，则此后压缩机以100hz频率运行，不再升频。

自τ0时刻起，判断水箱水温tw_0是否达到目标水温50℃，如果tw_0达到目标水温50℃，则压缩机停机。

尽管以上结合附图对本发明的具体实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的、而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明的权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。