一种高铁跨临界二氧化碳热泵空调系统及其控制方法

1.本发明属于高铁热泵空调控制技术领域，特别涉及一种高铁跨临界二氧化碳热泵空调系统及其控制方法。


背景技术：

2.高铁制冷剂从传统hfcs向co2等天然制冷剂的替代步伐将会加快；其中，传统氢氟烃hfcs制冷剂全球变暖潜能值gwp高并且低温制热性能差，而co2作为一种天然制冷剂，具有gwp低且制热性能好，不可燃、无毒可靠等优点，是理想的制冷剂替代方案。由于co2制冷剂及其跨临界空调热泵系统近年来才开始推广至轨道车辆应用领域，因此有必要提出新的轨道车辆热泵空调控制方法以适用于跨临界co2热泵空调。
3.现有高铁空调系统一般采用双系统运行模式，通过双系统压缩机的启停控制来实现制冷量 0％、50％与100％调节；另外，由于传统制冷剂低温制热性能差，还需要添加电加热器以保持供暖充足。上述这种控制模式存在一定的缺陷，主要包括：制冷量调节级数少会导致能耗较大；高铁运行地域广外界环境变化大，车厢热负荷变化大，单一的制冷量调节模式不能适应热负荷的变化，往往制冷量偏大；此外，跨临界co2循环系统往往具有最优排气压力，在最优排气压力下系统能效比cop最高，系统能耗最低，因此需要控制系统在最优排气压力下工作，并控制电子膨胀阀的阀开度以达到最优排气压力。
4.现有其他交通工具(例如乘用车与客车)的跨临界co2系统相关控制方法在高铁上并不适用，主要原因在于：从系统配置结构上，高铁空调一般为双系统，而乘用车与客车一般为单系统；并且高铁运行速度快、地理跨度较大，运行工况变化大，而乘用车与客车运行工况变化小；此外高铁室外风机结构紧凑导致换热温差大、室内风道长导致空气压损大。因此，需要重新提出一套适用于高铁跨临界co2系统的控制思路。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高铁跨临界二氧化碳热泵空调系统及其控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明采用二氧化碳作为制冷剂，全球变暖潜能值gwp低且制热性能好，有利于高铁的节能减排。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.本发明提供的一种高铁跨临界二氧化碳热泵空调系统，包括：完全相同的两个单元以及两个单元共同使用的室内风机和新风阀；
8.所述两个单元中的每个单元均包括压缩机、第一电动三通球阀、第二电动三通球阀、电子膨胀阀、车内换热器、车外换热器、回热器、气液分离器和室外风机；其中，所述压缩机的出口与所述第一电动三通球阀的b端口相连通，所述第一电动三通球阀的a端口一次经所述车外换热器的第一通道、所述回热器的第一通道、所述电子膨胀阀、所述车内换热器的第一通道与所述第一电动三通球阀的c端口相连通；所述压缩机的进口依次经所述回热器的第二通道、所述气液分离器与所述第二电动三通球阀的e端口相连通，所述第二电动三通
球阀的d端口与所述车外换热器的第一通道的进口相连通，所述第二电动三通球阀的f端口与所述车内换热器的第一通道的出口相连通；所述车外换热器设置有所述室外风机；所述车内换热器设置有所述室内风机和新风阀；循环的制冷剂为co2。
9.本发明的进一步改进在于，所述压缩机为变频压缩机。
10.本发明提供的一种高铁跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法，包括以下步骤：
11.制冷运行模式下，co2制冷剂从第一电动三通阀的b端口流向a端口到达车外换热器，从第二电动三通阀的f端口流向e端口到达气液分离器；制热运行模式下，co2制冷剂从第一电动三通阀的b端口流向c端口到达车内换热器，从第一电动三通阀的d端口流向e端口到达气液分离器；
12.获取车厢温度ti、车外环境温度to、新风比r
fresh
、车厢载客率w
pass
、车辆行驶速度vs、当前系统排气压力pn以及当前系统电子膨胀阀的阀开度op；基于所述车厢温度ti与目标车厢温度选择压缩机运行台数；根据车厢温度ti、环境温度to、新风比r
fresh
、车厢载客率w
pass
和车辆行驶速度vs确定压缩机运行频率；根据车厢温度ti、车外环境温度to、新风比r
fresh
与压缩机频率计算系统最优排气压力；基于系统最优排气压力，调节电子膨胀阀的阀开度以达到系统最优排压压力实现控制。
13.本发明控制方法的进一步改进在于，所述基于所述车厢温度ti与目标车厢温度选择压缩机运行台数的步骤包括：
14.制冷运行模式时，设定目标车厢温度为t
cs
，t
c1
为制冷时车厢温度波动的上限值，t
c4
为制冷时车厢温度波动的下限值，t
cs
＝1/2*(t
c1
+t
c4
)，切换控制状态的几个温度边界值分别为t
c1
、 t
c2
、t
c3
、t
c4
，t
c1
＞t
c2
＞t
c3
＞t
c4
且|t
c1-t
c2
|:|t
c2-t
c3
|:|t
c3-t
c4
|＝a1:a2:a3，a1＞a2＞a3；当车厢温度 ti＞t
c1
时开启两台压缩机、频率运行在较高频状态，t
c2
＜ti≤t
c1
时开启两台压缩机、频率运行在较中频状态，t
c3
＜ti≤t
c2
时开启两台压缩机、频率运行在较低频状态t
c4
＜ti≤t
c3
时开启一台压缩机、频率运行在较低频状态，ti≤t
c4
时压缩机关机且直到ti＞t
c1
时开机；
15.制热运行模式时，设定目标车厢温度为t
hs
，t
h1
为制热时车厢温度波动的上限值，t
h4
为制热时车厢温度波动的下限值，t
hs
＝1/2*(t
h1
+t
h4
)，切换控制状态的几个温度边界值分别为t
h1
、 t
h2
、t
h3
、t
h4
，t
h1
＜t
h2
＜t
h3
＜t
h4
且|t
h1-t
h2
|:|t
h2-t
h3
|:|t
h3-t
h4
|＝b1:b2:b3，b1＞b2＞b3，当车厢温度ti＜t
h1
时开启两台压缩机、频率运行在较高频状态，t
h1
≤ti＜t
h2
时开启两台压缩机、频率运行在较中频状态，t
h2
≤ti＜t
h3
时开启两台压缩机、频率运行在较低频状态，t
h3
≤ti＜t
h4
时开启一台压缩机、频率运行在较低频状态，ti≥t
h4
时压缩机关机且直到ti＜t
h1
时开机。
16.本发明控制方法的进一步改进在于，所述根据车厢温度ti、车外环境温度to、新风比r
fresh
、车厢载客率w
pass
和车辆行驶速度vs确定压缩机运行频率的步骤包括：
17.制冷运行模式时，将车外环境温度t
oc
作为分割线，车外环境温度to高于t
oc
时的总体压缩机频率高于车外环境温度to低于t
oc
时的总体压缩机频率；频率f
cool
按照以下关联式控制：
18.当to≥t
oc
时，f
cool
＝f1(to，ti，r
fresh
，w
pass
，vs)；
19.当to＜t
oc
时，f
cool
＝f2(to，ti，r
fresh
，w
pass
，vs)；
20.制热运行模式时，将车外环境温度t
oh
作为分割线，车外环境温度to低于t
oh
时的总体压缩机频率高于车外环境温度to高于t
oh
时的总体压缩机频率；频率f
heat
按照以下关联式控制：
21.当to≤t
oh
时，f
heat
＝f3(to，ti，r
fresh
，w
pass
，vs)；
22.当to＞t
oh
时，f
heat
＝f4(to，ti，r
fresh
，w
pass
，vs)。
23.本发明控制方法的进一步改进在于，所述根据车厢温度ti、车外环境温度to、新风比r
fresh
与压缩机频率计算系统最优排气压力的步骤包括：
24.根据车厢温度ti、车外环境温度to、新风比r
fresh
与压缩机频率计算系统最优排气压力p
op
；其中，制冷最优排气压力为p
op，cool
，制热最优排气压力p
op，heat
，按照以下关联式计算最优排气压力：p
op，cool
＝fc(to，ti，r
fresh
，f
cool
)；p
op，heat
＝fh(to，ti，r
fresh
，f
cool
)。
25.本发明控制方法的进一步改进在于，如果计算获得的系统最优排气压力值大于13mpa，则将系统最优排气压力设定为13mpa。
26.本发明控制方法的进一步改进在于，所述基于系统最优排气压力，调节电子膨胀阀的阀开度以达到系统最优排压压力实现控制的步骤包括：
27.监测系统排压值pn，若与设定排压值差值p
op，cool
或p
op，heat
绝对值小于0.05mpa则电子膨胀阀的阀开度不变，若比设定排压值大0.05mpa则减小电子膨胀阀的阀开度，若比设定排压值小0.05mpa则增大电子膨胀阀的阀开度，并且在调节电子膨胀阀时将压差转换为阀开度变化量δop＝c*|p
n-p
op
|，c为比例系数。
28.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
29.本发明中，提供了适用于跨临界co2高铁热泵空调的压缩机频率及系统最优排气压力控制方法。相较于传统氢氟烃hfcs制冷剂二氧化碳制冷剂环保清洁，全球变暖潜能值gwp低且制热性能好，有利于高铁的节能减排。
30.本发明的控制方法，可控制压缩机运行台数、实现能量多级调节；可选择压缩机运行频率、实现能量优化分配保证车厢舒适度；通过寻找系统最优排气压力并调节膨胀阀开度，节约系统能效。
31.本发明中，将车厢温度范围分为多个小区间、多级控制，每级对应不同的制冷量范围，缩小温度波动范围，并保护压缩机避免频繁启停。
32.本发明中，针对不同外界环境温度与车厢温度，提出压缩机频率的关联式。
33.本发明中，跨临界co2系统在最优排气压力下系统能耗最低，由于最优排气压力与环境温度、新风比、车厢温度相关度较高，还提出了最优排气压力的关联式，并给出电子膨胀阀的阀开度的控制方法。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是本发明实施例的一种高铁跨临界二氧化碳热泵空调系统的结构示意图；
36.图2是本发明实施例的一种高铁跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法的流程
示意图；
37.图3是本发明实施例中，跨临界二氧化碳高铁热泵空调系统的压缩机台数的确定流程示意图；
38.图4是本发明实施例中，跨临界二氧化碳高铁热泵空调系统的频率的确定流程示意图；
39.图5是本发明实施例中，跨临界二氧化碳高铁热泵空调系统的最优排气压力控制方法流程示意图；
40.图中，1、压缩机；2、第一电动三通球阀；3、第二电动三通球阀；4、电子膨胀阀；5、车内换热器；6、车外换热器；7、回热器；8、气液分离器；9、室外风机；10、室内风机；11、新风阀；12、室内换热器；13、其余部件。
具体实施方式
41.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
42.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
43.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
44.请参阅图1，本发明实施例的一种高铁跨临界二氧化碳热泵空调系统，包含部件完全相同的两个单元；每个单元均包括压缩机1、第一电动三通球阀2、第二电动三通球阀3、电子膨胀阀4、车内换热器5、车外换热器6、回热器7、气液分离器8、室外风机9，两个单元共同使用两个室内风机10和新风阀11，为简化表示，单元二示例性的表述为包含室内换热器12 与除去室内换热器12的其余部件13。
45.本发明实施例中，压缩机1的出口连接第一电动三通球阀2的b端口，第一电动三通球阀 2的a端口连接车外换热器6的进口，c端口连接车内换热器5的出口，车外换热器6的出口连接回热器7的第一进口，回热器7的第一出口连接电子膨胀阀4的进口，电子膨胀阀4的出口连接车内换热器5的进口，车内换热器5的出口连接第二电动三通球阀3的f端口，第二电动三通球阀3的e端口连接气液分离器8的进口，d端口连接车外换热器6的进口，气液分离器8的出口连接回热器7的第二进口，回热器7的第二出口连接变频压缩机1的进口。
46.本发明实施例的系统主要工作模式为制冷模式与制热模式，系统通过两个电动三通阀实现制冷模式和制热模式的转换；其中，制冷模式下制冷剂二氧化碳从第一电动三通阀的b端口流向a端口到达车外换热器，从第二电动三通阀的f端口流向e端口到达气液分离
器；制热模式下制冷剂二氧化碳从第一电动三通阀的b端口流向c端口到达车内换热器，从第一电动三通阀的d端口流向e端口到达气液分离器。
47.本发明实施例示例性优选的，系统压缩机为变频压缩机，因此系统可以实现制冷量与制热量的能量调节，并且两个单元用同一套压缩机控制方法调节频率，即压缩机频率保持相同当两个单元同时工作。
48.请参阅图2，本发明实施例的一种高铁跨临界二氧化碳热泵空调系统的控制方法，包括步骤：
49.s1、采集车厢温度ti，采集列车所经过地区的室外环境温度to，采集新风阀门开度，即采集新风比r
fresh
；采集车厢载客率w
pass
，采集车辆行驶速度vs，采集当前系统排气压力pn，采集当前系统电子膨胀阀的阀开度op；
50.s2、选择压缩机运行台数；
51.s3、计算压缩机运行频率；
52.s4、计算系统最优排气压力；调节电子膨胀阀的阀开度以达到系统最优排压压力；
53.具体解释性的，以上步骤均在实时动态地进行，以实现系统的动态调节。
54.请参阅图3，本发明实施例的一种高铁跨临界二氧化碳热泵空调系统选择压缩机运行台数的方法，具体包括以下步骤：
55.制冷运行模式时，设定目标车厢温度为t
cs
，t
c1
为制冷时车厢温度波动的上限值，t
c4
为制冷时车厢温度波动的下限值，t
cs
＝1/2*(t
c1
+t
c4
)，切换控制状态的几个温度边界值分别为t
c1
、 t
c2
、t
c3
、t
c4
，t
c1
＞t
c2
＞t
c3
＞t
c4
且|t
c1-t
c2
|:|t
c2-t
c3
|:|t
c3-t
c4
|＝a1:a2:a3，a1＞a2＞a3，当车厢温度 ti＞t
c1
时开启两台压缩机、频率运行在较高频状态，t
c2
＜ti≤t
c1
时开启两台压缩机、频率运行在较中频状态，t
c3
＜ti≤t
c2
时开启两台压缩机、频率运行在较低频状态t
c4
＜ti≤t
c3
时开启一台压缩机、频率运行在较低频状态，ti≤t
c4
时压缩机关机、直到ti＞t
c1
时开机；
56.制热运行模式时，设定目标车厢温度为t
hs
，t
h1
为制热时车厢温度波动的上限值，t
h4
为制热时车厢温度波动的下限值，t
hs
＝1/2*(t
h1
+t
h4
)，切换控制状态的几个温度边界值分别为t
h1
、 t
h2
、t
h3
、t
h4
，t
h1
＜t
h2
＜t
h3
＜t
h4
且|t
h1-t
h2
|:|t
h2-t
h3
|:|t
h3-t
h4
|＝b1:b2:b3，b1＞b2＞b3，当车厢温度ti＜t
h1
时开启两台压缩机、频率运行在较高频状态，t
h1
≤ti＜t
h2
时开启两台压缩机、频率运行在较中频状态，t
h2
≤ti＜t
h3
时开启两台压缩机、频率运行在较低频状态，t
h3
≤ti＜t
h4
时开启一台压缩机、频率运行在较低频状态，ti≥t
h4
时压缩机关机、直到ti＜t
h1
时开机。
57.本发明实施例示例性的，a1、a2、a3与b1、b2、b3与车厢温度ti与室外环境温度to相关度高，在一定的环境温度与设定车厢温度下，改变a1:a2与a2:a3，通过实验或模拟，以单位时间内压缩机启停次数少与温度波动幅值小为优化目标，若单位时间内压缩机启停次数最少与温度波动幅值较小，则取相应的a1:a2与a2:a3，此外，不同环境温度与车厢温度对应的a1:a2与a2:a3值不同，a1:a2＝f1(to，ti)，a2:a3＝f2(to，ti)，可通过有限次实验或模拟得到对应的相关函数关系。
58.请参阅图4，本发明实施例的一种高铁跨临界二氧化碳热泵空调系统计算压缩机运行频率的方法，具体包括以下步骤：
59.制冷运行模式时室外环境温度升高系统性能下降，为满足制冷量，把室外环境温
度t
oc
作为分割线，环境温度to高于t
oc
时的总体压缩机频率高于环境温度to低于t
oc
时的总体压缩机频率，因而制冷模式频率f
cool
按照以下关联式控制：
60.当to≥t
oc
时，f
cool
＝f1(to，ti，r
fresh
，w
pass
，vs)；
61.当to＜t
oc
时，f
cool
＝f2(to，ti，r
fresh
，w
pass
，vs)；
62.制热运行模式时室外环境温度降低系统性能下降，为满足制热量，把环境温度t
oh
作为分割线，环境温度低于t
oh
时的总体压缩机频率高于环境温度高于t
oh
时的总体压缩机频率，因此制热运行模式频率f
heat
按照以下关联式控制：
63.当to≤t
oh
时，f
heat
＝f3(to，ti，r
fresh
，w
pass
，vs)；
64.当to＞t
oh
时，f
heat
＝f4(to，ti，r
fresh
，w
pass
，vs)；
65.具体的控制关系式根据定量关系，按以上函数通过有限的实验获得。
66.原理解释性的，车厢负荷与环境温度to有着重要的关系，由环境温度直接影响的负荷包括新风负荷和围护结构负荷，所以压缩机频率不仅与车厢温度ti有关，不同环境温度下也应该采用不同的压缩机频率，此外新风负荷、人员负荷占比较大，因此新风比r
fresh
、车厢载客率w
pass
也对负荷有着较大影响，最后车辆行驶速度vs影响车体传热系数，对负荷也有着较大影响。综上，根据车厢温度、车外环境温度、新风比、车厢载客率、车辆行驶速度确定压缩机运行频率。
67.请参阅图5，本发明实施例中计算系统最优排气压力方法，具体包括以下步骤：根据车厢温度、车外环境温度、新风比与压缩机频率计算系统最优排气压力p
op
，制冷最优排气压力为p
op，cool
，制热最优排气压力p
op，heat
，按照以下关联式计算最优排气压力：
68.p
op，cool
＝fc(to，ti，r
fresh
，f
cool
)；
69.p
op，heat
＝fh(to，ti，r
fresh
，f
cool
)；
70.具体的控制关系式根据定量关系，按以上函数通过有限的实验获得；
71.考虑系统安全性，系统排气压力不能大于13mpa，如果计算最优排气压力值大于13mpa 则将设定排气压力为13mpa。
72.本发明实施例中，电子膨胀阀开度调节方法包含：监测系统排压值pn，若与设定排压值差值p
op，cool
或p
op，heat
绝对值小于0.05mpa则电子膨胀阀的阀开度不变，若比设定排压值大 0.05mpa则减小电子膨胀阀的阀开度，若比设定排压值小0.05mpa则增大电子膨胀阀的阀开度，并且在调节电子膨胀阀时将压差转换为阀开度变化量δop＝c*|p
n-p
op
|，c为比例系数，当前排气压力与最优排气压力相差较大时，电子膨胀阀的阀开度变化量较大，当前排气压力与最优排气压力相差较小时，电子膨胀阀的阀开度变化量较小。
73.综上，本发明实施例公开了一种高铁跨临界二氧化碳热泵空调系统及其控制方法，机组包括2套独立热泵空调单元，所述单元包括变频压缩机、电动三通球阀、电子膨胀阀、车内换热器、车外换热器、回热器、气液分离器，此外机组还包括室外风机、室内风机、新风阀；本发明将车厢温度范围分为多个区间、多级控制，每级对应不同的制冷量范围，缩小温度波动范围并保护压缩机；同时针对不同外界环境温度与车厢温度等影响参数，提出压缩机频率的关联式，保证高铁空调热泵在宽工况范围的正常运行，同时提出了高铁空调系统最优排气压力关联式，采集环境温度、车厢温度、新风比等信号，计算获得最优排气压力，以达到跨临界二氧化碳系统的最佳性能，并根据给出电子膨胀阀的控制方法。本发明实施例提供的一种高铁跨临界二氧化碳热泵空调系统控制方法用于控制压缩机运行台数、实现
能量多级调节，选择压缩机运行频率、实现能量优化分配保证车厢舒适度，寻找系统最优排气压力并调节膨胀阀开度，节约系统能效。相较于传统氢氟烃hfcs制冷剂二氧化碳制冷剂环保清洁，全球变暖潜能值gwp低且制热性能好，有利于高铁的节能减排。现有高铁空调系统控制模式下的能量调节范围只有50％和100％，往往制冷量偏大，同时单一的制冷量调节模式不能适应热负荷的变化，本发明将车厢温度范围分为多个区间、多级控制，每级对应不同的制冷量范围，缩小温度波动范围，并保护压缩机避免频繁启停。其次，本发明提出了适用于跨临界co2高铁热泵空调控制方法，跨临界co2循环系统往往具有最优排气压力，在最优排气压力下系统能效比cop最高，系统能耗最低，针对该系统，最优排气压力与环境温度、新风比、车厢温度等因素相关度较高，因此本发明提出系统最优排气压力关联式及调节方法。
74.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。