一种跨临界二氧化碳热泵系统控制方法与流程

1.本发明属于机械能源技术领域，尤其涉及一种跨临界二氧化碳热泵系统控制方法。


背景技术：

2.目前很多传统的能源提供该手段由于温室效应潜能很高，已在全球范围内被限用或者将要被限用。co2热泵热水器是目前公认的各方面优于常规工质的热泵热水装置。奥地利、挪威、日本等国学者的研究表明，这种热泵热系统年平均cop值可以达到3以上，在-20℃环境下仍可提供90℃热水，与电加热或燃气热水器相比能耗降低75％。由于二氧化碳的临界温度较低，为31.1℃(临界压力为73.8bar)，当应用于环境温度较高的空冷空调或热泵等系统时，系统的高压侧为超临界压力，整个循环在跨临界区域运行。co2热泵热水器与传统的燃气热水器和电热水器相比具有低能耗，对环境友好的特点；与传统热泵热水器相比具有供热水温度范围大，能够提供高温热水的优点。在很多地区已经建立大量主要以二氧化碳热泵热水器为主的供暖供热系统。随着系统中的受热终端的增加和区域的扩增，热泵的数量也回相应的增加，由于历史和发展原因，系统中热泵的类型是多样的，热泵和系统中的受热终端之间的拓扑连接关系和连接方式也是多样的，在这样的情况下，热泵系统的本身的设计和使用都不是最优的。另一方面，随着热泵系统的自动化程度提高，很多系统都自带简单的采集和控制系统，如何利用有限的采集和控制资源来提高这些热泵系统的性能，是现有技术中没有考虑去解决的问题。本发明在跨临界二氧化碳热泵系统相对固定的情况下，通过数据采集、分析、检测，进行系统的控制，从而使得系统整体性能保持在较佳的水平，对于结构相对固定，调整有难度的系统提供了动态控制的解决思路，通过连接图和实体系统的简单对应，提供了自动控制的基础，对于设备的调整可以通过节点属性调整来简单实现；在判断阶段引入大数据分析使得当前系统能够逐渐向较大范围内的较佳的系统控制方式靠近，同时在控制阶段借鉴当前系统的历史控制经验，使得控制方式便于实现；本发明不仅仅适用于二氧化碳热泵系统，对于一些混合热泵系统的也是适用的。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种跨临界二氧化碳热泵系统控制方法，所述方法包含：
4.步骤a：跨临界二氧化碳热泵系统静态分析；具体的，包括如下步骤：
5.步骤b：跨临界二氧化碳热泵系统控制状态转换判断，通过分析历史数据以确定是否需要进行动态控制；
6.步骤c：采集并分析系统参数以进行动态控制。
7.进一步的，所述步骤s1具体为：
8.步骤sa1：获取跨临界二氧化碳热泵系统的拓扑连接关系，并将所述拓扑连接关系表示为连接图；
9.步骤sa2：分析所述连接图以获得可调整节点。
10.进一步的，所述步骤s2具体为:获取系统运行的历史数据，基于历史数据获取多个目标参数；根据多个目标参数计算第一目标参数，基于连接图获取第一目标阈值，当所有第一目标参数均优于目标阈值时，确定不需要进行动态控制；当所有第一目标参数均差于目标阈值时，确定需要进行动态控制并进入下一步骤；否则，基于多个目标参数计算和不同环境参数关联的多个第二目标参数，根据连接图获取第二目标阈值，并将多个第二参数和第二目标阈值比较以确定是否需要进行动态控制。
11.进一步的，连接图中的节点类型为受热端、热泵压缩机、电磁阀。
12.进一步的，节点参数包括节点标识、节点类型、节点运行状态、节点运行参数。
13.进一步的，可调整节点可以根据动态控制方式的不同来设置其工作状态。
14.进一步的，所述方法应用于跨临界二氧化碳热泵系统。
15.进一步的，其中，所述跨临界二氧化碳热泵系统具有采集和控制模块用于进行动态控制。
16.进一步的，节点之间的边的属性用于标识连接关系的属性信息。
17.进一步的，系统中热泵/压缩机的数量大于等于2。
18.本发明的有益效果包括：在跨临界二氧化碳热泵系统相对固定的情况下，通过数据采集、分析、检测，进行系统的控制，从而使得系统整体性能保持在较佳的水平，对于结构相对固定，调整有难度的系统提供了动态控制的解决思路，通过连接图和实体系统的简单对应，提供了自动控制的基础，对于设备的调整可以通过节点属性调整来简单实现；在判断阶段引入大数据分析使得当前系统能够逐渐向较大范围内的较佳的系统控制方式靠近，同时在控制阶段借鉴当前系统的历史控制经验，使得控制方式便于实现；本发明不仅仅适用于二氧化碳热泵系统，对于一些混合热泵系统的也是适用的。本发明将静态和动态控制相结合，进行状态变化控制是考虑了系统本身的连接结果，在控制临界状态下，引入系列目标值进行相对精确的判断，从而在保证准确性的同时不带来过多的系统开销。
附图说明
19.此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
20.图1为本发明的跨临界二氧化碳热泵系统控制方法示意图。
具体实施方式
21.下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
22.本发明所应用的跨临界二氧化碳热泵系统中，系统中热泵安装时间不同、类型也是多样的，热泵和系统中的受热终端之间的拓扑连接关系和连接方式也是多样的，这些连接和拓扑不是最优的设计，是受限于经费、物理位置、人为因素等多方面因素。在这样的情况下，热泵系统的本身的设计和使用都不是最优的，如何提高这些系统的性能，是很重要的问题。另外，因为，二氧化碳空气源热泵的运行性能受气候条件和运行参数的影响较大，其最优的工作方式是动态变化的，需要根据这些动态变化的信息进行系统的控制。实际上，本
发明中的方法不仅仅适用于二氧化碳热泵系统，对于一些混合热泵系统的也是适用的；基于上述的考虑提出本发明。
23.本发明的跨临界二氧化碳热泵系统控制方法，包含如下步骤：
24.步骤a：跨临界二氧化碳热泵系统静态分析；具体的，包括如下步骤：
25.步骤sa1：获取跨临界二氧化碳热泵系统的拓扑连接关系，并将所述拓扑连接关系表示为连接图；其中：连接图中的节点类型为受热端、热泵压缩机、电磁阀等；边为节点之间的连接关系；节点参数包括节点标识、节点类型、节点运行状态、节点运行参数等；其中：节点的运行状态和节点工作模式相关；通过连接图的方式来表示和存储系统的信息。
26.优选的：节点之间的边的属性用于标识连接关系的属性信息。
27.步骤sa2：分析所述连接图以获得可调整节点；具体的：分析节点类型以确定节点的运行状态是否是可调整的；例如：电磁阀的工作状态包括关闭、打开，特定类型的电磁阀的工作状态还包括打开程度等；根据节点的类型是电磁阀，可知其运行状态是可调整的；热泵压缩机的工作状态根据其工作模式的不同也是可调整的；受热端类型可以认为是不可调整的，如果系统中有储热装置如储热箱等，储热装置根据其工作模式是否为固定的，可以确定是否是可调整节点；在控制过程中，需要根据当前节点运行状态进行调整。
28.可调整节点可以根据动态控制方式的不同来设置其工作状态。
29.通过上述静态分析为后续的动态分析做好准备，步骤a的执行和步骤b，c的执行位于不同的模块中，步骤b，c的执行由跨临界二氧化碳热泵系统的采集和控制模块来完成，步骤a的执行由第三方服务器或者分析终端执行。
30.步骤b：跨临界二氧化碳热泵系统控制状态转换判断，通过分析历史数据以确定是否需要进行动态控制；具体的：获取系统运行的历史数据，基于历史数据获取多个目标参数；根据多个目标参数计算第一目标参数，基于连接图获取第一目标阈值，当所有第一目标参数均优于目标阈值时，确定不需要进行动态控制；当所有第一目标参数均差于目标阈值时，确定需要进行动态控制并进入下一步骤；否则，基于多个目标参数计算和不同环境参数关联的多个第二目标参数，根据连接图获取第二目标阈值，并将多个第二参数和第二目标阈值比较以确定是否需要进行动态控制。
31.现有技术中往往采用一刀切的方式进行控制判断的，甚至，现有技术中均没有考虑到需要或者有可能进行动态控制；但是实际上，对热泵系统来说其目标参数和外部环境，拓扑结构来说很多因素都密切相关，必须充分考虑诸多因素，才能在合适的时候启动控制系统；其中：第一目标参数和环境参数、系统负载的变化情况是无关；第二目标参数和环境参数、系统负载的动态变化相关；初步判断发生的频率很高，对精确度的要求是有限的；配合的做法是，步骤b采用硬件固化实现，从而加快这种判断的速度，简单的通过与或门来确定是否需要进入后续判断。
32.系统运行的历史数据包括目标参数等多种类型的数据，从中提取需要进行比较的目标参数，例如：制热功率和系统性能系数cop等；系统的目标参数是和系统本身的外部环境以及负荷动态有关的，考虑外部环境(外部环境实际上和时间相关)进行比较会增加时间复杂度，但是如果每次分析都启动第二目标参数的比较无疑会增加控制系统的软硬件负担；将目标参数处理成和环境参数、系统负荷的动态变化无关以成为第一目标参数，例如：目标参数求取均值等；这样针对每类目标参数来说，其第一目标参数均是一个值；实际上，
从大数据的角度出发，直接根据连接图来获取用于比较的阈值而不考虑具体的目标参数和环境，是一个很好的准确性和速度之间的折衷。
33.所述基于连接图获取第一目标阈值，具体为：获取连接图中节点类型及其对应数量，基于所述节点类型及其对应数量查询标准服务器以获取第一目标阈值；标准服务器中保存有跨临界二氧化碳热泵系统的大数据，分析不同系统的连接图和目标参数，以获取节点类型及其对应数量和第一目标阈值的对应关系；例如：(n1.4,n2.8,n3.7)对应第一目标阈值为(y1，y2)；n1-n3为节点类型，4,8,7为相应节点类型的数量；y1和y2分别两个第一目标阈值值；第一目标阈值值为一个或多个；类似的，第一目标阈值的一个简单的计算方法为计算同类型连接图对应的第一目标参数的平均值。
34.可替换的做法是根据连接图进行图的比较，已找到相似连接图对应的第一标准阈值；由于很多系统的构建是基于类似的模板或者样板来设计的，因此，这样的基于连接图的比较是有可行性的，而且准确对会大幅度提高。
35.优选的：所述基于连接图获取第一目标阈值为根据连接图进行考虑节点属性的图的比较。
36.优选的：在检测到系统拓扑连接关系发生更新时，获取更新后的连接图对应的节点类型及其对应数量，查询所对应的第一目标阈值，将第一目标阈值写入系统的硬件存储装置中；通过主动将第一目标阈值推送到系统内部存储，直接通过硬件触发控制方式的动态改变。
37.所述基于多个目标参数计算和不同环境参数关联的多个第二目标参数，具体为：确定特定环境参数，基于目标参数确定特定环境参数对应的第二目标参数；特定环境参数是环境参数为特定取值时的环境参数，例如:当外界环境为冬季时，或者，多个环境温度区间范围内对应的环境参数下系统的目标参数值；例如：获取外界温度为20摄氏度时的目标参数，并基于所述目标参数来计算第二目标参数；一种简单的计算方式是加权平均值；实际上，多个特定环境参数下的第二目标参数值构成了第二参数值和特定环境参数的散列抽样点，但是这时候不需要通过拟合来增加准确度。
38.所述根据连接图获取第二目标阈值，具体为：获取连接图中节点类型及其对应数量，基于所述节点类型及其对应数量查询标准服务器以获取同类型连接图对应的目标参数，选取特定环境参数下的目标参数值，对目标参数值进行拟合得到环境参数和目标参数之间的拟合函数，基于拟合函数求取特定环境参数对应的目标参数值作为第二目标阈值；由于特定环境参数为一个或者多个，对应的，第二目标阈值也为一个或者多个。
39.所述将多个第二目标参数和第二目标阈值比较以确定是否需要进行动态控制，具体为：确定第二目标参数优于第二目标阈值的次数的比例是否超过比例阈值，如果是，则确定不需要进行动态控制，否则，确定需要进行动态控制；其中：比例阈值为预设值；比例通过优于的次数除以第二目标参数的个数得到；通过曲线拟合等的方式克服一些环境参数下样本数量不够大致大数据分析不够精确的问题，获取综合来说准确的第二目标阈值，只有在必要的情况下进行系统控制，减少了系统控制开销。
40.步骤c：采集并分析系统参数以进行动态控制；具体的，包含如下步骤：
41.步骤c1：采集并分析系统参数以获取动态控制方式列表；具体的：采集环境参数、系统负荷参数，查找和(环境参数、系统负荷参数)组合对应的动态控制方式列表；这里需要
预先存储(环境参数、系统负荷参数)和动态控制方式的对应关系，基于当前的环境参数、系统负荷参数，查找相似的(环境参数、系统负荷参数)所对应的动态控制方式的集合，按照相似程度排序以得到动态控制方式列表；通过相似的程度的变化，查找到的相似的(环境参数、系统负荷参数)为一个或者多个，从而构成控制方式也能一个集合；这里查找所针对的组合可以扩展，不限于环境参数、系统负荷参数这两个系统参数；也可以通过主成分分析法进行简化。
42.优选的：所述动态控制方式集合中的动态控制方式对应目标参数优于系统采集和计算得到的目标参数。
43.所述对应关系根据当前系统的历史运行数据获取，在历史运行数据中选取目标参数较佳的控制方式存储、和/或通过对系统创建仿真模型的方式仿真获取、和/或根据经验设置。
44.系统参数包括环境参数、系统负荷参数、运行状态参数，运行参数、目标参数；环境参数包括室外环境温度等系统环境参数；系统负荷包括各种类型受热终端等；运行状态包括连接图中各类节点的工作模式，例如：开、关等；运行参数包含系统工作过程中通过传感器采集到的各个节点处的参数值，例如：节点a处的出口温度值、入口温度等；目标参数为动态控制的目标，例如：周期时间内的热力性能、碳排放量、运行消耗等；各类型参数的数量为一个或多个，从而从多个角度进行特征描述；上述参数仅仅是示例，可以根据采集手段或者硬件资源的限制进行扩展和减少。
45.优选的：根据新的控制方式下需要改变工作状态的节点是否均是可调整节点来删除不可能实现的动态控制方式。
46.步骤c2：根据运行参数和/或运行状态参数从动态控制方式列表中选择一个新的控制方式；具体的：从动态控制方式列表中选择一个新的控制方式，所述新的控制方式对应的运行状态参数和/或运行参数与当前运行状态参数和/或运行参数之间的差异最小；从而系统本身的角度出发，避免设备发生损坏，也避免了对老旧设备的反复调整。
47.优选的：所选出的新的控制方式中，需要进行工作状态改变的节点在连接图中均为可调整节点；如果节点本身是可以调整的，但是调整较为困难，可以将所述节点设置为不可调整的。
48.步骤c3:根据所述新的控制方式进行系统控制；具体的：基于所新的控制方式对应的运行状态参数和/或运行参数进行调整；这里调整的对象是连接图中的可调整节点。
49.优选的：实时采集运行参数并判断运行参数是否和所述新的控制方式所预期的运行参数一致，如果一致，则所述新的控制方式完成。
50.从新的控制方式中获取连接图中的可调整节点或可调整节点组的工作状态，进行所述可调整节点/可调整节点组的工作状态的调整。
51.通过上述步骤a和步骤b的循环执行，能够在负荷或者环境发生变化或者较大的变化时，进行系统的动态控制，从而使得系统保持在一个最优的工作状态下；系统是否需要调整的判断依据于大数据，从而使得系统控制在不断的和大数据之间学习，从而不断的寻求更优的控制方式，同时，控制方式本身是基于当前系统的实际情况的，更适合当前的系统，通过这样远程学习，本地实施的方式，使得学习和实施能够结合起来，适用性更强。
52.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实
体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
53.本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
54.本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称得的存储介质，如：rom/ram、磁碟、光盘等。
55.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。