变频热泵热水器动态加热压缩机频率优化方法与流程

本发明涉及热泵热水器控制方法，特别是一种变频热泵热水器动态加热压缩机频率优化方法。

背景技术：

变频热泵热水器相比定频热泵热水器具有制热量大、能效高等优点，特别在低温环境温度下运行的优点更加明显，但变频热泵热水器压缩机的工作频率对热泵热水器的运行能耗影响较大，在满足用户总热量需要的情况下，可以通过对热泵热水器整个运行过程中压缩机工作频率的动态优化，实现热泵热水器运行节能。中国专利公告了一种“变频空气源热泵热水器频率调节方法”，专利号是zl201410759701.3，其可根据用户用热需求和热泵热水器室外环境温度、水箱温度动态调节变频压缩机工作频率；其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热泵热水器压缩机频率调节方法仍有待优化。此外，现有的变频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。为此变频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，对压缩机频率进行优化控制，才能使热泵热水器整个运行过程总能耗最小。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供的一种变频热泵热水器动态加热压缩机频率优化方法，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压缩机工作频率，使热泵热水器整个动态加热运行过程中的总能耗最小，达到节能目的。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的，其是一种变频热泵热水器动态加热压缩机频率优化方法，变频热泵热水器包括变频压缩机、气液分离器、蒸发器、节流阀、室外环境温度传感器、控制器、水箱温度传感器、水箱、冷凝器、四通阀及排气温度传感器；其特征在于：变频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，压缩机的工作频率优化调节，使热泵热水器整个动态加热运行过程的总能耗最小；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）分段设定压缩机的工作频率f：根据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，在各温度段压缩机（1）采用不同的分段工作频率fi；

（c）根据水箱的温差分段情况，各温度段压缩机的分段工作频率fi按等差数列分布，得到各温升段的分段工作频率fi的计算公式ⅰ：fi=fg-(fg-fd)(i-1)/(n-1)，计算公式ⅰ中，fg为整个运行过程中压缩机的最高频率值；fd为整个运行过程中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；

（d）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，压缩机的最高频率fg和最低频率fd，根据计算公式ⅰ得到各温度段对应的压缩机的分段工作频率fi；

（e）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分段工作频率fi；实际运行工况压缩机（1）的实际工作频率gi按公式ⅱ：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；

（f）在水箱的水温下降和上升过程中，压缩机的工作频率均按公式ⅱ计算得到的实际工作频率gi工作；

（g）因变频压缩机稳定工作的频率范围一般为20hz-100hz，如按公式ⅱ得到的各温度段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，则该温度段压缩机的工作频率按100hz运行。

在本技术方案中，在储水箱的各温升段，压缩机的分段工作频率fi可以按二次曲线分布，即公式ⅲ：fi=ai²+bi+c，公式ⅲ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，所述压缩机为交流变频压缩机或直流调速压缩机。

本发明与现有技术相比，其主要优点是：变频热泵热水器动态加热过程中，优化压缩机工作频率，使整个运行过程总能耗最小。

附图说明

图1是本发明实施的变频热泵热水器系统原理图；

图2是本发明实施的变频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。

如图1所示，变频热泵热水器包括变频压缩机1、气液分离器2、蒸发器3、节流阀4、室外环境温度传感器5、控制器6、水箱温度传感器7、储水箱8、冷凝器9、四通阀10及排气温度传感器11；如图2所示，热泵热水器动态加热过程如下：开始时水箱8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8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8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t2,由于热泵热水器仅制热，用户不用热水，水温开始上升，直至时间t3达到设定水温上限ts时，热泵热水器停止工作,时间t1到t3为热泵热水器一个完整的动态加热过程；在整个动态加热过程中，压缩机1的工作频率优化方法如下：

（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8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）分段设定压缩机1的工作频率f：根据水箱8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，在各温度段压缩机1采用不同的分段工作频率fi；

（c）根据水箱8的温差分段情况，各温度段的分段工作频率fi按等差数列分布，得到各温升段的分段工作频率fi的计算公式ⅰ：fi=fg-(fg-fd)(i-1)/(n-1)，计算公式ⅰ中，fg为整个运行过程中压缩机1的最高频率值；fd为整个运行过程中压缩机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；

（d）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，压缩机1的最高频率fg和最低频率fd，根据计算公式ⅰ得到各温度段对应的压缩机1的分段工作频率fi；

（e）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8的各温度段对应的分段工作频率fi；实际运行工况压缩机1的实际工作频率gi按公式ⅱ：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；

（f）热泵热水器在水箱8的水温下降和上升过程中，压缩机1的工作频率均按公式ⅱ计算得到的实际工作频率gi工作；

（a）因变频压缩机稳定工作的频率范围一般为20hz-100hz，如按公式ⅱ得到的各温度段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，则该温度段压缩机1的工作频率按100hz运行。

在本实施例中，在储水箱8的各温升段，压缩机1的分段工作频率fi可以按二次曲线分布，即公式ⅲ：fi=ai²+bi+c，公式ⅲ中a，b，c为通过实验得到的二次曲线的系数。

在本实施例中，所述压缩机1为交流变频压缩机或直流调速压缩机。

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。