專利名稱：無霜空氣源熱泵熱水機組及其比例-積分-微分控制方法
技術領域：
本發明屬于空調領域，涉及一種無霜空氣源熱泵熱水機組及其比例-積分-微分控制方法。
背景技術：
空氣源熱泵是一種以空氣為冷熱源，既能制冷水也能制熱水的空調裝置。機組省去了一套復雜的冷卻水系統和鍋爐加熱系統，安置使用方便，有著廣泛的應用。但是，空氣源熱泵在冬季制熱工況運行時有兩個比較明顯的缺陷。一是制熱量和COP隨室外空氣溫度的降低迅速降低，這個問題并不足以撼動空氣源熱泵的地位，首先制熱量的降低可以通過選用容量較大的機組加以預防，其次南方地區冬季室外氣溫一般不會太低，COP的衰減量有限；二是當室外蒸發器翅片表面溫度低于o°c且低于空氣露點溫度時，翅片表面將會結霜。結霜不僅增加換熱器 與空氣的傳熱熱阻，而且增加了空氣側阻力，導致空氣流量減小，使熱泵制熱量大幅度降低，嚴重時將導致熱泵無法正常運行，引起電機燒毀等故障。目前常用的除霜方法有電加熱法、逆向運行法、熱氣旁通法和蓄能除霜法。電加熱法通過電加熱的方式融霜，簡單易行，但需要消耗高品位的電能，不符合熱泵節能環保的理念，已淡出應用；逆向運行法即改變制冷劑流向，機組由制熱運行轉變為制冷運行，制冷劑從室內吸熱用于除霜，造成室內“冷吹”效應，室內溫度波動大，導致熱舒適性降低，且換向會對系統造成壓力沖擊和熱沖擊，縮短機組壽命；熱氣旁通閥是指壓縮機排出的高溫高壓氣體通過旁通管旁通一部分至室蒸發器(外側換熱器)進行融霜，缺點是除霜時間較長，且會降低機組出力；蓄能除霜方式能較好地避免以上三種除霜的缺點，但系統復雜、控制繁瑣，且對相變材料要求高。美國橡樹嶺國家實驗室在“The Development of a Fross-Less Heat Pump” 論文中認為向氣液分離器中的制冷劑加入適量的熱量，可以升高壓縮機的吸氣溫度和吸氣壓力，進而可以提高室外蒸發器盤管表面溫度，降低室外蒸發器盤管上霜形成和堆積的速度，同時可以提高熱泵系統室內送風溫度。但是蒸發器表面溫度的升高會降低與空氣之間的傳熱溫差，制冷劑從空氣中吸收的熱量減少，甚至完全吸收不到熱量而變成完全電加熱；向氣液分離器中加入適量的熱量，并沒有確切的數值表達，沒有實用價值，而且電加熱器功率不可調節，不能隨室外溫度的變化加以調節，有可能在室外溫度調節不是很惡劣時導致壓縮機排氣溫度過高，影響壓縮機的正常運行，并且有可能導致室內送風溫度過高，反而降低室內熱舒適性?，F有的專利技術，如ZL200910098008.5 “無霜型空氣源熱泵系統”，ZL200610041213.4 “熱泵熱水器的熱泵系統”等都只是片面地關注了空氣源熱泵的結霜和化霜問題，在系統外部間斷地進行除霜，忽視機組以及壓縮機的平穩連續運行的重要性，長期使用會影響機組的使用壽命。ZL201010572661.3 “智能風冷熱泵化霜控制方法”，ZL200910033545.1 “一種基于圖像識別技術的空氣源熱泵及方法”只片面的關注了空氣源熱泵的控制問題，簡單的將蒸發器的結霜參數測點設定在蒸發器中間，忽略了蒸發器是多支路盤管換熱器，具有復雜的結構，溫度傳感器的安裝位置很敏感，因而容易造成除霜不凈或有霜不除。

發明內容
技術問題:針對現有空氣源熱泵運行效率不高，冬季制熱工況結霜，系統壽命短等缺陷，本發明提供一種運行效率高，監測控制精確，在低溫潮濕的環境下能連續運行，電加熱器功率可根據室外氣象條件調節以降低能耗，能保證壓縮機安全運行，系統壽命長的無霜空氣源熱泵熱水機組，同時還提供了一種該機組的比例-積分-微分控制方法。技術方案:為了實現上述目的，本發明的無霜空氣源熱泵熱水機組，包括壓縮機組件、四通換向閥、熱水換熱器、電子膨脹閥、蒸發器總成和可控硅功率調整器。壓縮機組件的進氣端和排氣端分別與四通換向閥上相對的兩個接口連接，熱水換熱器的制熱進口和蒸發器總成的制熱出口分別與四通換向閥上另外兩個相對的接口連接，熱水換熱器的制熱出口和儲液罐的制熱進口連接，熱水換熱器的制熱出口通過電子膨脹閥與蒸發器總成的制熱進口連接。蒸發器總成包括風機、多支路蒸發盤管、過熱盤管、溫濕度傳感器、第一溫度傳感器、第一壓力傳感器和計算控制器，過熱盤管設置在蒸發器總成中換熱效果最差的位置并與多支路蒸發盤管平行。多支路蒸發盤管的制熱出口和過熱盤管的制熱進口連接，溫濕度傳感器和第一壓力傳感器設置在蒸發器總成的進風口處，第一溫度傳感器設置在多支路蒸發盤管的迎風前排中換熱最差管路的管壁上，計算控制器采用裝載有露點溫度計算和溫度比較程序的芯片，通過數據連接線分別與溫濕度傳感器、第一溫度傳感器、第一壓力傳感器和電子膨脹閥連接。壓縮機組件包括壓縮機、高壓開關、油分離器、氣液分離器、低壓開關、可控功率電加熱器、第二溫度傳感器和第二壓力傳感器，氣液分離器的出口經低壓開關與壓縮機的吸氣口連接，壓縮機的排氣口依次通過單向閥和高壓開關后與油分離器的進口連接，低壓開關與壓縮機吸氣口之間的管路 上設置有一開口，開口與油分離器的潤滑油出口連接，可控功率電加熱器設置在氣液分離器中，第二溫度傳感器和第二壓力傳感器分別設置在壓縮機的吸氣管管壁上和吸氣口處；氣液分離器的進口即壓縮機組件的吸氣端，油分離器的制冷劑出口即壓縮機組件的排氣端，可控硅功率調整器通過數據線分別與第二溫度傳感器、第二壓力傳感器和可控功率電加熱器連接。本發明中，熱水換熱器的制熱出口和電子膨脹閥之間設置有儲液器，所述儲液器的制熱進口與熱水換熱器的制熱出口連接，儲液器的制熱出口與電子膨脹閥連接。本發明中，壓縮機的排氣口和高壓開關之間的管路上設置有單向閥，所述單向閥的流通方向是壓縮機排氣口至高壓開關的方向。本發明中，油分離器的潤滑油出口依次連接有過濾網和第一毛細管，然后再同低壓開關與壓縮機吸氣口之間管路上的開口連接。本發明中，多支路蒸發盤管由多支路蒸發管構成，制冷劑經分液裝置分為多路進入這些蒸發盤管中，并在其中充分換熱，再經集氣裝置匯成一路經過位于空氣換熱效果最差處的過熱盤管實現過熱。共同過熱段的設置，使得制冷劑混合均勻，并且獲得一定的過熱度，從而提高了系統的性能，同時系統運行的穩定性和安全性也得以保證。對于多支路蒸發盤管，又包括換熱性能相對較好和換熱性能相對較差的管段，在結霜工況下由于換熱效果不同，多支路蒸發管各管段的快速化霜能力也有所不同。而蒸發器單位時間內的總結霜量集中在最前排管上，尤其第一排。故最易結霜的管段位于多支路蒸發管中迎風排換熱效果最差的管段。輔助裝置包括溫濕度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、計算控制器、可控硅功率調整器和可調功率電加熱器。溫濕度傳感器裝設在蒸發器的進風口處用于感知空氣的溫度和濕度參數；第一溫度傳感器裝設在蒸發器總成中多支路蒸發盤管迎風前排換熱最差管路的管壁上；第二溫度傳感器裝設在壓縮機的吸氣管上；第一壓力傳感器和第二壓力傳感器分別裝設在蒸發器的進風側和壓縮機的吸氣口 ；計算控制器采用裝載有露點溫度計算和溫度比較程序的芯片，計算控制器設在蒸發器的入口側，并通過數據連接線與溫濕度傳感器、第一溫度傳感器、第一壓力傳感器和電子膨脹閥連接；可控硅功率調整器通過數據連接線與第二溫度傳感器、第二壓力傳感器和可調功率電加熱器連接。在冬季融霜工況下，溫濕度傳感器實時檢測室外側空氣的溫度和濕度，并傳輸給計算控制器。當計算控制器接收到的溫濕度傳感器傳輸來的溫度參數低于(TC時，則根據接收到的空氣溫度、濕度、壓力參數計算空氣的露點溫度，并與接收到的由第一溫度傳感器傳送來的蒸發器表面溫度參數進行比較，從而控制電子膨脹閥的開度。當該機組運行時，經壓縮機壓縮排出的氣態高溫高壓制冷劑經過油分離器分離出潤滑油后通過四通換向閥進入熱水換熱器冷凝，電子膨脹閥根據計算控制器傳輸的運算結果調節自身開度，增大或減小制冷劑的流量，改變制冷劑的溫度，從而使蒸發器翅片表面溫度始終高于結霜點。節流后的低溫低壓制冷劑經過單向閥到蒸發器，制冷劑在多支路蒸發盤管中吸收熱量后匯集成一路進入共同的過熱盤管段實現過熱，隨后具有一定過熱度的制冷劑經四通換向閥進入氣液分離器中，氣液分離器中的可調功率電加熱器根據可控硅功率調整器的傳輸結果調節電加熱功率給制冷劑加熱，從而保證壓縮機進口的吸氣過熱度。最后具有一定過熱度的制冷劑蒸汽回到壓縮機，完成整個制熱循環。如此連續不斷循環，通過熱水換熱器向水流放出熱量，制取熱水。制冷劑在蒸發器中吸收熱量，對于蒸發器總成中的多支路蒸發盤管，換熱效果好的管段蒸發速率快不容易結霜， 換熱效果差的管段更容易結霜。而蒸發器單位時間內的總結霜量集中在最前排管上，尤其第一排。所以，將第一溫度傳感器裝設在蒸發器總成中多支路蒸發盤管迎風前排換熱最差管路的管壁上能檢測到翅片表面的最低溫度。當該溫度傳感器檢測到室外蒸發器盤管出口的壁面溫度無限接近空氣露點溫度即翅片將結霜時，計算控制器會及時作出反饋，控制增大電子膨脹閥的開度10步長即增大通過蒸發器的制冷劑流量，蒸發器內的換熱量一定時，流經蒸發器蒸發盤管的制冷劑的進出口焓差會減小，制冷劑的溫度會提高，從而提高蒸發器的翅片表面溫度，維持制冷劑與室外空氣之間足夠的傳熱溫差，使翅片表面始終保持無霜。當電子膨脹閥開度增大時，制冷劑流量隨之增大，盡管經過了過熱盤管段，但由于過熱盤管段換熱效果差，仍極有可能造成蒸發器內的制冷劑不完全蒸發，即蒸發器出口的氣態制冷劑中混有液態制冷劑，即使安裝氣液分離器也不能做到完全分離，壓縮機進口的吸氣過熱度也會減小，嚴重時甚至會導致壓縮機吸氣帶液，影響壓縮機的安全運行。針對這一問題，我們在氣液分離器中設置了可調功率電加熱器?？煽毓韫β收{整器通過接受到壓縮機吸氣溫度和吸氣壓力判斷壓縮機吸氣過熱度，調節氣液分離器中的電加熱器功率增大或減小，維持壓縮機吸氣過熱度保持在6°C，精度±0.5°C。本發明通過電子膨脹閥開度的調節和氣液分離器中電加熱器功率調節的配合，實現維持系統安全、高效運行的目的。本發明對上述機組進行比例-積分-微分控制的方法為:同步進行壓縮機的吸氣過熱度調節和蒸發器翅片表面溫度調節，其中蒸發器翅片表面溫度調節的具體方法為:溫濕度傳感器實時檢測進風口的空氣溫度和濕度，并傳輸給計算控制器，當計算控制器接收到的溫濕度傳感器溫度參數低于0°c時，則根據由溫濕度傳感器傳輸來的空氣溫度和濕度參數、由第一壓力傳感器傳輸來的空氣壓力參數進行運算，計算出空氣露點溫度后，與由第一溫度傳感器傳輸來的蒸發器翅片表面溫度比較:當翅片表面溫度高于空氣露點溫度的值不大于0.2°C時，則計算控制器控制增大電子膨脹閥的開度10步長，當翅片表面溫度高于空氣露點溫度的值大于0.2°C且不大于0.5°C時，則計算控制器維持電子膨脹閥的開度不變；當翅片表面溫度高于空氣露點溫度0.5°C時，減小電子膨脹閥的開度5步長;壓縮機的吸氣過熱度調節的具體方法為:可控硅功率調整器接收由第二壓力傳感器傳輸來的壓力參數，通過該壓力參數得到對應的制冷劑飽和溫度，并與 接收到的由第二溫度傳感器傳輸來的溫度參數進行對比:當所接收溫度參數高于制冷劑飽和溫度的值大于6°C時，則可控硅功率調整器減小可調功率電加熱器的功率，維持壓縮機吸氣過熱度保持在設定值范圍內并節約能量；否則，可控硅功率調整器增大可調功率電加熱器的功率。電子膨脹閥和氣分可調電加熱的控制方法如下:(I)控制電子膨脹閥開度，調節蒸發器的翅片表面溫度:電子膨脹閥的開度范圍為0-100%，步長為0.1，共1000步。制熱工況下，電子膨脹閥的開度通常維持在40-45%，計算控制器每次調控電子膨脹閥開度增大10步長，每次減小5步長。溫濕度傳感器實時檢測室外側空氣的溫度和濕度，并傳輸給計算控制器，當計算控制器接收到的溫度參數低于(TC時，則根據由溫濕度傳感器傳輸來的空氣溫度和濕度參數、由第一壓力傳感器傳輸來的空氣壓力參數進行運算，計算出空氣露點溫度后，與由第一溫度傳感器傳輸來的蒸發器總成中多支路盤管迎風排換熱最差管路壁面溫度比較:當壁面溫度高于空氣露點溫度的值不大于0.2°C時，則計算控制器控制增大電子膨脹閥的開度10步長維持制冷劑與室外空氣之間足夠的傳熱溫差，使翅片表面始終保持無霜；當壁面溫度高于空氣露點溫度的值不小于
0.5°C時，則計算控制器維持電子膨脹閥的開度不變；當壁面溫度高于空氣露點溫度的值大于0.5°C時，則計算控制器控制減小電子膨脹閥的開度5步長以減小制冷劑流量，節約氣液分離器中電加熱器的能耗。(2)控制氣液分離器中電加熱器功率，調節壓縮機進口的吸氣過熱度:可控硅功率調整器接收由第二壓力傳感器傳輸來的壓力參數，通過該壓力參數得到對應的制冷劑飽和溫度，并與接收到的由第二溫度傳感器傳輸來的溫度參數進行對比:當所接收溫度參數高于制冷劑飽和溫度的值不大于6°C時，則可控硅功率調整器連續調節加大電加熱器功率，提高壓縮機進口的吸氣過熱度；當所接收溫度參數高于制冷劑飽和溫度的值大于6°C時，則可控硅功率調整器連續控制電加熱器減小加熱量。對可調電加熱器功率進行PID調節控制吸氣過熱度，在壓縮機吸氣過熱度發生變化時迅速作出反應，維持壓縮機吸氣過熱度6°C，精度±0.5°C有益效果:本發明與現有技術相比，具有以下優點:1.機組內部平穩連續的調節確保無霜運行，延長壓縮機使用壽命:不論是傳統的除霜方法還是相關專利中提到的各種方法，其出發點都在于如何除霜或是減少結霜，且片面地強調結霜和除霜對系統運行效率的影響。這些除霜方法通常選擇在系統外部間斷地進行除霜，系統始終處在一個波動的狀態，不能保證機組以及壓縮機的平穩連續運行，完全忽視對壓縮機壽命的影響，導致除霜效果未必好，但壓縮機壽命很短，達不到設計使用時長；本發明通過電子膨脹閥開度的調節和氣液分離器中電加熱器功率調節的配合完全克服了這些偏見，達到意想不到的效果。先是基于熱泵系統無霜運行確保系統的出力和運行效率，進而采用一系列技術手段保證壓縮機在安全區域內運行，在系統內部實現一種平穩連續的調節，確保壓縮機以及整個系統安全、高效、長期運行。2.機組無需周期換向，制熱能力高。相比于傳統的逆向運行除霜法，本發明的熱泵系統不需要周期換向，避免了室內溫度波動、換向運行對設備造成的壓力沖擊和熱沖擊以及對機組壽命的影響；熱泵熱水機組可以在更寬的溫度范圍內高效運行，制熱能力比常規熱泵熱水機組高。3.機組經濟節能、結構簡單、可靠高效。傳統的熱氣旁通法雖然能在一定程度上緩解熱泵系統結霜，但是會造成系統·出力減少且消耗電能增加，而且除霜時間很長。本發明的熱泵系統則有效解決了這些問題，電加熱器功率可根據室外氣象條件調節以降低能耗，只需要消耗相對很少的電能即可實現機組無霜運行。相比于系統復雜且對相變材料要求高、控制復雜的蓄能除霜系統，本發明只需要在原有熱泵系統的基礎上增加一些探測設備和相應的控制機構，對原有系統幾乎不做改動，從而實現了控制簡單、可靠、高效的目的。4.結合多支路蒸發器的實際結構，合理安排溫度傳感器的監測點。蒸發器總成包括多支路蒸發盤管、集氣裝置、過熱盤管、蒸發器風機，制冷劑在多支路蒸發盤管中蒸發吸熱，再一起匯成一路經過空氣換熱效果最差處的過熱盤管實現過熱，增加了共同過熱段，使其制冷劑混合均勻，可控制其過熱度，從而提高了制冷系統的性能，同時其穩定性和安全性也得以保證。制冷劑在蒸發器多支路蒸發盤管中吸收熱量，對于蒸發器總成中的多支路蒸發盤管，換熱效果好的管段蒸發速率快不容易結霜，換熱效果差的管段更容易結霜。而蒸發器單位時間內的總結霜量集中在最前排管上，尤其第一排。所以，將第一溫度傳感器裝設在蒸發器總成中多支路蒸發盤管迎風第一排換熱最差管路的管壁上能檢測到翅片表面的最低溫度。相比于專利ZL201010572661.3 “智能風冷熱泵化霜控制方法”，ZL200910033545.1 “一種基于圖像識別技術的空氣源熱泵及方法”只簡單的將蒸發器的結霜參數測點設定在蒸發器中間，本專利中溫度傳感器的位置設置更科學合理。5.通過控制電子膨脹閥開度，調節蒸發器的翅片表面溫度，確保機組無霜。傳統熱泵熱水機組中，膨脹閥的作用是確保制冷劑在蒸發器中完全蒸發，保證壓縮機的吸氣過熱度，實現機組平穩運行。而本發明恰恰反其道而行，結霜工況下調節電子膨脹閥開度，使制冷劑在蒸發器總成中多支路盤管內不完全蒸發，在實時反饋調節中實現對制冷劑蒸發壓力和蒸發溫度的調節，有效調節蒸發器的翅片表面溫度，實現機組無霜運行。同時，維持制冷劑與室外空氣之間足夠的傳熱溫差，確保從空氣中吸收足夠的熱量，保證了機組制熱量。而制冷劑在蒸發盤管的多支路中蒸發吸熱后，再一起匯成一路經過空氣換熱效果最差處的過熱盤管實現過熱，增加了共同過熱段，使其制冷劑混合均勻，提高了制冷系統的性能，同時其穩定性和安全性也得以保證。6.通過控制氣液分離器中電加熱器功率，調節壓縮機進口的吸氣過熱度，避免吸氣帶液。對可調節功率電加熱器功率進行PID調節控制吸氣過熱度，可以在壓縮機吸氣過熱度發生變化時迅速作出反應，維持壓縮機吸氣過熱度在6°C，精度±0.5°C，有效避免壓縮機吸氣帶液，確保壓縮機安全運行，同時過熱度范圍足夠大，容易實現；電加熱器功率可以根據壓縮機吸氣過熱度進行調節，可以降低耗電量，實現節能的目的。通過控制電子膨脹閥的開度直接調節制冷劑的流量從而控制制冷劑的溫度，進而間接控制室外側換熱器(蒸發器)表面溫度和與空氣之間的溫差，保證蒸發器表面無霜且能夠從空氣中吸收足夠的熱量；通過氣液分離器中可調功率的電加熱控制壓縮機的吸氣過熱度，保證壓縮機安全穩定運行。電子膨脹閥開度調節和氣液分離器中電加熱器功率調節技術的結合，克服了現存各種除霜方法片面強調除霜而忽略系統安全運行的偏見，本發明具有熱泵系統無霜運行、效率高、運行安全、運行時間長等其他各種方法所不能實現的優點。


圖1是本發明的無霜空氣源熱泵熱水機組原理圖。圖2是本發明的壓縮機組件的結構原理3是本發明實施例中平出風蒸發器的結構圖。圖4是本發明實施例中平出風蒸發器的空氣風速場矢量圖。圖中:1-壓縮機組件，11-壓縮機，12-單向閥，13-高壓開關，14-油分離器，141-過濾網，142-第一毛細管，15-第二溫度傳感器，16-第二壓力傳感器，17-氣液分離器，18-低壓開關，19-可調功率電加熱器，2-四通換向閥，3熱水換熱器，4-儲液器，5-電子膨脹閥，51-第二毛細管，6蒸發器總成，`61-風機，62-多支路蒸發盤管，621-多支路蒸發盤管中迎風前排換熱效果最差管路，63-過熱盤管,64-溫濕度傳感器,65-第一溫度傳感器,66第一壓力傳感器，67-計算控制器，7可控硅功率調整器，8-過濾器，9-截止閥。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細的說明。本發明無霜空氣源熱泵熱水機組，包括壓縮機組件1，四通換向閥2，熱水換熱器3，儲液器4，電子膨脹閥5，蒸發器總成6和可控硅功率調整器7。壓縮機組件I的進氣端和排氣端分別與四通換向閥2上相對的兩個接口連接，熱水換熱器3的制熱進口和蒸發器總成6的制熱出口分別與四通換向閥2上另外兩個相對的接口連接，熱水換熱器3的制熱出口和儲液罐4的制熱進口連接，儲液器4的制熱出口通過電子膨脹閥5與蒸發器總成6的制熱進口連接。蒸發器總成6包括風機61、多支路蒸發盤管62、過熱盤管63、溫濕度傳感器64、第一溫度傳感器65、第一壓力傳感器66和計算控制器67。過熱盤管63設置在蒸發器總成6中換熱效果最差的位置并與多支路蒸發盤管62平行。分液裝置的制熱出口和多支路蒸發盤管62的制熱進口連接，多支路蒸發盤管62的制熱出口和集氣裝置的制熱進口連接，集氣裝置的制熱出口和過熱盤管63的制熱進口連接，過熱盤管63的制熱出口和四通換向閥2的一個相對的接口連接。過熱盤管63位于蒸發器總成6中空氣換熱效果最差處并與多支路換熱盤管62平行，共同過熱段的設置，使得制冷劑混合均勻，并且獲得一定的過熱度，從而提高了系統的性能，同時系統運行的穩定性和安全性也得以保證。對于多支路蒸發盤管62，又包括換熱性能相對較好和換熱性能相對較差的管段，在結霜工況下由于換熱效果不同，多支路蒸發管各管段的快速化霜能力也有所不同。而蒸發器單位時間內的總結霜量集中在最前排管上，尤其第一排。故最易結霜的管段位于多支路蒸發管中迎風排換熱效果最差的管段621。壓縮機組件I包括壓縮機11、單向閥12、高壓開關13、油分離器14、第二溫度傳感器15、第二壓力傳感器16、氣液分離器17、低壓開關18、可控功率電加熱器19。氣液分離器17的出口經低壓開關18與壓縮機11的吸氣口連接，壓縮機11的排氣口先后經單向閥12和高壓開關13和油分離器14的進口連接。氣液分離器17的進口即壓縮機組件I的吸氣端，油分離器14的制冷劑出口即壓縮機組件I的排氣端，潤滑油出口經過濾網141和第一毛細管142與壓縮機11吸氣管道連接。輔助裝置包括溫濕度傳感器64、第一溫度傳感器65、第二溫度傳感器15、第一壓力傳感器66、第二壓力傳感器16、計算控制器67、可控硅功率調整器7和可調功率電加熱器19。溫濕度傳感器64為一個市售產品，裝設在蒸發器總成6 (室外側換熱器)進風口處，并通過數據連接線與計算控制器67連接，用以實時而準確地檢測室外側空氣的溫度和濕度，并傳輸給計算控制器67進行計算控制。第一溫度傳感器65和第二溫度傳感器15為兩個市售產品，分別裝蒸發器總成6中多支路蒸發盤管迎風前排換熱最差管路621的管壁和壓縮機11的吸氣管，用于實時而準確地檢測翅片表面最低溫度和壓縮機11吸氣溫度；第一壓力傳感器66和第二壓力傳感器16為兩個市售產品，分別裝設在蒸發器總成6進風側用于檢測大氣壓力和壓縮機I吸氣口用于檢測壓縮機I吸氣壓力。計算控制器67為定制的裝載有露點溫度計算和溫度比較程序的芯片。本計算控制器67設置在蒸發器總成6的入口側，連接溫濕度傳感器64、第一溫度傳感器65、第一壓力傳感器66,用以實時接收室外空氣的溫度和濕度，大氣壓力以及翅片表面和蒸發器盤管出口壁面溫度。計算控制器67同時與電子膨脹閥5連接，根據接收到的溫度、壓力信號及時做出反饋，控制電子膨脹閥5的開度，從而保證蒸發器無霜穩定運行。可控硅功率調整器7與第二溫度傳感器15、第二壓力傳感器16以及可調功率電加熱器19通過數據傳輸線連接，可根據溫度、壓力傳感器傳輸回來的壓縮機11吸氣溫度、壓力信號及時作出反饋，控制可調功率電加熱器19的加熱功率，從而保證壓縮機11吸氣口的制冷劑氣體過熱度保持在6°C，精度±0.5°C。本發明的無霜空氣源熱泵熱水機組，蒸發器總成風機61出風位置有三種:上出風、下出風、平出風，與此相對應的空氣風速場矢量圖為上三角形、下三角形、正三角。本發明以蒸發器總成風機61平出風為例，對本發明做進一步詳細的說明。本發明的實施例中，蒸發器風機61為平出風，風速的分布矢量圖符合正三角形。換熱器結構形式確定的情況下，這種特定的送風方式和風速的正三角形分布矢量圖具有
--對應的關系。由正三角形風速分布矢量圖可見，換熱器中部風速大，故當外部空氣橫掠
換熱器中部支路時與管內制冷劑發生強制 換熱效果好，換熱器上部以及下部風速小，故當外部空氣橫掠換熱器上部或者下部支路時與管內制冷劑換熱效果差，那么在蒸發器總成6中過熱盤管63的設置上就有三種選擇方式，分別是最上部的一個支路、最下部的一個支路或者最上部與最下部的兩個支路同時做為過熱盤管63，本實施例選擇最上部的一個支路為過熱盤管63，并且過熱盤管63與多支路蒸發盤管62互相平行，則多支路蒸發盤管的最下部的一個支路621由于換熱效果差作為第一溫度傳感器65安裝的管路。在冬季融霜工況下，溫濕度傳感器64實時檢測室外側空氣的溫度和濕度，并傳輸給計算控制器67。當計算控制器67接收到的溫濕度傳感器64傳輸來的溫度參數低于0°C時，則根據接收到的空氣溫度、濕度、壓力參數計算空氣的露點溫度，并與接收到的由第一溫度傳感器65傳送來的蒸發器表面溫度參數進行比較，從而控制電子膨脹閥5的開度。當該機組運行時，經壓縮機11壓縮排出的氣態高溫高壓制冷劑經過油分離器14分離出潤滑油后通過四通換向閥2進入熱水換熱器3冷凝，電子膨脹閥5根據計算控制器67傳輸的運算結果調節自身開度，增大或減小制冷劑的流量，改變制冷劑的溫度，從而使蒸發器翅片表面溫度始終高于結霜點。節流后的低溫低壓制冷劑經過單向閥到蒸發器，制冷劑在多支路蒸發盤管62中吸收熱量后匯集成一路進入共同的過熱盤管63段實現過熱，隨后具有一定過熱度的制冷劑經四通換向閥2進入氣液分離器17中，氣液分離器中的可調功率電加熱器19根據可控硅功率調整器7的傳輸結果調節電加熱功率給制冷劑加熱，從而保證壓縮機11進口的吸氣過熱度。最后具有一定過熱度的制冷劑蒸汽回到壓縮機11，完成整個制熱循環。如此連續不斷循環，通過熱水換熱器3向水流放出熱量，制取熱水。本發明的比例-積分-微分控制控制過程:(1)控制器內露點溫度的計算環境溫度低于0°C時，空氣露點溫度是判斷翅片表面是否結霜的重要參數，滿足翅片表面溫度高于空氣露點溫度即可實現翅片表面不結霜，實現熱泵機組無霜運行?？諝饴饵c溫度的具體 計算過程如下:1.計算飽和濕空氣分壓力P,.bT=273.15+tt=_100 (TC 時lni/'U) = ^ + c, +cJ' + cJ1 +cj +c:r +C-1n(/ )式中:Cl=-5674.5359，c2=6.3925247，C3=-0.9677843 X I(T2C4=0.62215701 X 10_6，c5=0.20747825 X 10_18C6=-0.9484024 X 10_12，c7=4.1635019t=0 20(TC 時= Y +c9 + cW^ + ciiT_ + C12T3 + +C13 In(T)式中:c8=-5800.2206，c9=l.3914993，C10=-0.048640239C11=0.41764768 X 1(T4C12=-0.14452093 X 10_7，c13=6.5459673I1.計算濕 空氣分壓力Pq
其中:_為空氣相對濕度II1.計算空氣露點溫度&七=0 93。〇時I^=CjC15In (Pq) +C16 [In (Pq) ] 2+c17 [In (Pq) ] 3+c18 (Pq)α 1984式中:c14=6.54, c15=14.526, C16=0.7389C17=0.09486，C18=0.4569t=0 20(TC 時t!=6.09+12.6081η (Pq) +0.4959 [In (Pq) ]2(2 )計算控制器67控制過程: 計算控制器67將計算所得的空氣露點溫度與接收到的多支路蒸發盤管62迎風前排換熱最差管路621的管壁溫度比較，當壁面溫度高于空氣露點溫度不大于0.2°C時，則增大電子膨脹閥5開度10步長；當壁面溫度高于空氣露點溫度大于0.2°C且小于0.5°C時，則維持電子膨脹閥5開度不變；當壁面溫度高于空氣露點溫度大于0.5°C時，則減小電子膨脹閥5開度5步長。(3)可控硅功率調整器7控制過程:可控硅功率調整器7接受第二壓力傳感器16和第二溫度傳感器15傳輸的壓力和溫度參數，通過壓力 參數得到對應的制冷劑飽和溫度。以制冷劑R22為例，第二壓力傳感器的實時壓力參數為P，根據公式Tc=-2025.45/(InP)-21.25)-247.94即可得到制冷劑飽和溫度T。。當所接受溫度參數高于制冷劑飽和溫度不小于6°C時，則減小可調功率電加熱器19功率,否則,加大可調功率電加熱器19功率。電加熱器19加熱功率值以制冷劑R22、蒸發溫度7°C為例。其飽和氣態下的比焓h0=407.4kJ/kg，過熱度10°C對應的比焓4=415.4kJ/kg，過熱度6°C對應的比焓h2=412kj/
kg。根據蒸發壓力、冷凝壓力，壓縮機11實時制冷劑流量為"_ kg/S。當所接收溫度參數高
于制冷劑飽和溫度的值不大于6°C時，可控硅功率調整器7線性加大電加熱器19功率至
!.1mQil-h0) = 9.6m Id/s,當所接收溫度參數高于制冷劑飽和溫度的值大于6°C時，則可控硅
功率調整器7控制維持電加熱器19功率為)-!%) = 4.6 U s可控硅功率調整器7連續
PID調節電加熱功率在4.6w 9.6兩范圍內保持吸氣過熱度在6°C，精度為±0.5°C。本發明的工作流程如下:氣態低溫制熱工質從蒸發器總成6中過熱盤管63排出，經四通換向閥2進入氣液分離器17，可控硅功率調整器7接收由第一壓力傳感器16和第二溫度傳感器15傳輸來的制冷劑壓力和溫度參數，判斷制冷劑過熱度即壓縮機11吸氣過熱度，根據制冷劑過熱度調節電加熱器19功率，維持制冷劑過熱度在(6±0.5) V ;過熱度滿足的制冷劑進入壓縮機11，經壓縮后變為高溫高壓的蒸汽進入熱水換熱器3 ;計算控制器67接收由溫濕度傳感器64、第一壓力傳感器66、第一溫度傳感器65傳輸來的參數調節電子膨脹閥5開度,使蒸發器總成6中多支路蒸發盤管迎風前排換熱最差管路621的管壁溫度高于結霜點，即使蒸發器所有翅片表面溫度均高于結霜點，實現熱泵熱水機組無霜運行。溫濕度傳感器64安裝在多支路蒸發盤管62和蒸發器風機61之間，用于感知空氣的溫度和濕度參數。當計算控制器67接收到的溫濕度傳感器64傳輸來的溫度參數低于(TC時，則根據溫濕度傳感器64傳輸來的空氣溫濕度參數、第一壓力傳感器66傳輸來的空氣壓力參數，按照前述(I)中的過程進行計算，得到空氣的露點溫度。計算控制器67將計算所得的露點溫度與蒸發器盤管出口壁面溫度即第一溫度傳感器65所傳輸來的溫度參數進行對比:當溫度傳感器65所傳輸來的溫度參數高于計算所得空氣露點溫度不大于0.2V時，則增大電子膨脹閥5開度10步長，隨著電子膨脹閥5開度的增大，制冷劑流量增大，制冷劑蒸發壓力升高，蒸發溫度升高，使得溫度傳感器65傳輸來的溫度參數增大，與計算所得空氣露點溫度差值增大；當溫度傳感器65所傳輸來的溫度參數高于計算所得空氣露點溫度大于0.2°C且不小于0.5°C時，則維持電子膨脹閥5的開度不變。當溫度傳感器65所傳輸來的溫度參數高于空氣露點溫度0.5°C時，減小電子膨脹閥5的開度5步長，隨著電子膨脹閥5開度的減小，制冷劑流量減小，制冷劑蒸發壓力降低，導致蒸發溫度降低，使得溫度傳感器65傳輸來的溫度參數減小，與計算所得空氣露點溫度差值減小。通過這種過程的重復進行，保證蒸發器總成6中多支路蒸發盤管62迎風前排換熱最差管路621的管壁表面溫度始終高于空氣露點溫度，確保熱泵機組無霜運行。當電子膨脹閥5開度變化時，制冷劑流量隨之變化，若電加熱器19加熱功率不變，則壓縮機11吸氣過熱度會發生變化。例如當膨脹閥5開度增大時，制冷劑流量增加，若不增加電加熱器19功率，則壓縮機11吸氣過熱度減小，嚴重時甚至會導致壓縮機11吸氣帶液，影響壓縮機11的安全運行?？煽毓韫β收{整器7通過第二壓力傳感器16傳輸來的壓力參數得出該壓力參數下制冷劑的飽和溫度，并與第二溫度傳感器15傳輸來的溫度參數進行對比，判斷制冷劑的過熱度。溫度傳感器15傳輸來的溫度參數與飽和溫度的差值即為壓縮機11吸氣過熱度。當壓縮機11吸氣過熱度不大于6°C時，可控硅功率調整器7控制增大電加熱器19功率，使過熱度增大；當壓縮機吸氣過熱度大于6°C時，減小電加熱器19功率，使過熱度減小。維持壓縮機 11吸氣過熱度在(6±0.5) °C之間，這個過熱度范圍不僅容易實現和控制，而且能夠確保壓縮機11安全運行，同時避免了能量浪費。本發明通過新型電子膨脹閥開度調節方法和壓縮機吸氣過熱度控制方法，不僅能夠實現熱泵機組無霜運行，而且能夠保證壓縮機安全運行。
權利要求
1.一種無霜空氣源熱泵熱水機組，其特征在于，該機組包括壓縮機組件(I)、四通換向閥(2)、熱水換熱器(3)、電子膨脹閥(5)、蒸發器總成(6)和可控硅功率調整器(7)，所述壓縮機組件(I)的進氣端和排氣端分別與四通換向閥(2)上相對的兩個接口連接，所述熱水換熱器(3)的制熱進口和蒸發器總成(6)的制熱出口分別與四通換向閥(2)上另外兩個相對的接口連接，熱水換熱器(3)的制熱出口通過電子膨脹閥(5)與蒸發器總成(6)的制熱進口連接； 所述蒸發器總成(6)包括風機(61)、多支路蒸發盤管(62)、過熱盤管(63)、溫濕度傳感器(64)、第一溫度傳感器(65)、第一壓力傳感器(66)和計算控制器(67)，所述過熱盤管(63)設置在蒸發器總成(6)中空氣換熱效果最差的位置并與所述多支路蒸發盤管(62)平行，所述多支路蒸發盤管(62)的制熱出口和過熱盤管(63)的制熱進口連接，所述溫濕度傳感器(64)和第一壓力傳感器(66)設置在蒸發器總成(6)的進風口處，所述第一溫度傳感器(65)設置在多支路蒸發盤管(62)的迎風前排中換熱最差管路(621)的管壁上，所述計算控制器(67)采用裝載有露點溫度計算和溫度比較程序的芯片，通過數據連接線分別與溫濕度傳感器(64)、第一溫度傳感器(65)、第一壓力傳感器(66)和電子膨脹閥(5)連接； 所述壓縮機組件(I)包括壓縮機(11)、高壓開關(13)、油分離器(14)、氣液分離器(17)、低壓開關(18)、可控功率電加熱器(19)、第二溫度傳感器(15)和第二壓力傳感器(16)，所述氣液分離器(17)的出口經低壓開關(18)與壓縮機(11)的吸氣口連接，壓縮機(11)的排氣口依次通過單 向閥(12)和高壓開關(13)后與油分離器(14)的進口連接，所述低壓開關(18)與壓縮機(11)吸氣口之間的管路上設置有一開口，所述開口與油分離器(14)的潤滑油出口連接，所述可控功率電加熱器(19)設置在氣液分離器(17)中，所述第二溫度傳感器(15 )和第二壓力傳感器(16 )分別設置在壓縮機(11)的吸氣管管壁上和吸氣口處；所述氣液分離器(17)的進口即壓縮機組件(I)的吸氣端，油分離器(14)的制冷劑出口即壓縮機組件(I)的排氣端，可控硅功率調整器(7)通過數據連接線分別與第二溫度傳感器(15)、第二壓力傳感器(16)和可控功率電加熱器(19)連接。
2.根據權利要求1所述的無霜空氣源熱泵熱水機組，其特征在于，所述熱水換熱器(3)的制熱出口和電子膨脹閥(5)之間設置有儲液器(4)，所述儲液器(4)的制熱進口與熱水換熱器(3)的制熱出口連接，儲液器(4)的制熱出口與電子膨脹閥(5)連接。
3.根據權利要求1或2所述的一種無霜空氣源熱泵熱水機組，其特征在于，所述壓縮機(11)的排氣口和高壓開關(13)之間的管路上設置有單向閥(12)，所述單向閥(12)的流通方向是壓縮機(11)排氣口至高壓開關(13)的方向。
4.根據權利要求1或2所述的一種無霜空氣源熱泵熱水機組，其特征在于，所述油分離器(14)的潤滑油出口依次連接有過濾網(141)和第一毛細管(142)，然后再同低壓開關(18)與壓縮機(11)吸氣口之間管路上的開口連接。
5.一種對權利要求1所述的無霜空氣源熱泵熱水機組進行比例-積分-微分控制的方法，其特征在于，該方法同步進行壓縮機(11)的吸氣過熱度調節和蒸發器翅片表面溫度調節，所述蒸發器翅片表面溫度調節的具體方法為: 溫濕度傳感器(64)實時檢測進風口的空氣溫度和濕度，并傳輸給計算控制器(67)，當計算控制器(67 )接收到的溫濕度傳感器(64 )溫度參數低于O °C時，則根據由溫濕度傳感器(64)傳輸來的空氣溫度和濕度參數、由第一壓力傳感器(66)傳輸來的空氣壓力參數進行運算，計算出空氣露點溫度后，與由第一溫度傳感器(65)傳輸來的蒸發器翅片表面溫度比較:當翅片表面溫度高于空氣露點溫度的值不大于0.2°C時，則計算控制器(67)控制增大電子膨脹閥(5)的開度10步長，當翅片表面溫度高于空氣露點溫度的值大于0.2°C且不大于0.5°C時，則計算控制器(67)維持電子膨脹閥(5)的開度不變；當翅片表面溫度高于空氣露點溫度0.5°C時，減小電子膨脹閥(5)的開度5步長； 所述壓縮機(11)的吸氣過熱度調節的具體方法為: 可控硅功率調整器(7)接收由第二壓力傳感器(16)傳輸來的壓力參數，通過該壓力參數得到對應的制冷劑飽和溫度，并與接收到的由第二溫度傳感器(15)傳輸來的溫度參數進行對比:當所接收溫度參數高于制冷劑飽和溫度的值大于6°C時，則可控硅功率調整器(7)減小可調功率電加熱器(19)的功率，維持壓縮機(11)吸氣過熱度保持在設定值范圍內，否貝U，可控硅功率 調整器(7)增大可調功率電加熱器(19)的功率。
全文摘要
本發明公開了一種無霜空氣源熱泵熱水機組及其比例-積分-微分控制方法，當計算控制器接收到溫濕度傳感器傳輸來的室外溫度參數低于0℃時，則根據接收到的空氣溫度濕度參數、空氣壓力參數和蒸發器表面溫度參數進行運算，根據運算結果控制電子膨脹閥的開度，通過電子膨脹閥開度的增大或減小調節蒸發器表面溫度，使蒸發器表面溫度始終高于結霜點；同時，可控硅功率調整器通過接收到壓縮機吸氣溫度和吸氣壓力判斷壓縮機吸氣過熱度，調節電加熱器功率增大或減小，維持壓縮機吸氣過熱度保持在設定值范圍內。本發明通過電子膨脹閥開度的調節和電加熱功率調節的配合，實現了維持系統安全、高效運行的目的。
文檔編號F25B47/02GK103245151SQ20131015570
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月28日 優先權日2013年4月28日
發明者黃虎, 張忠斌, 李克成, 張敬坤, 田光建, 姜睿, 龔長山 申請人:南京師范大學, 江蘇楓葉能源技術有限公司