电加热器控制方法及系统、热泵取暖装置与流程

本发明属于空气调节技术领域，尤其涉及一种电加热器控制方法及系统、热泵取暖装置。

背景技术：

随着国家对节能减排要求及对环境管控力度的逐渐提高，越来越多的人们开始在冬季使用热泵取暖装置为房间供暖，热泵取暖装置包括热泵系统和取暖系统，其中热泵系统通过冷媒从低温热源(比如室外空气、地下水、地表水、土壤等)中吸收热量并传递给取暖系统，取暖系统通过循环水吸收热泵系统传递的热量并通过终端散热设备(地暖盘管、风机盘管、暖气片等)向室内空气供热，从而提高室内温度。

需要说明的是，当低温热源的温度较低时(比如空气源热泵系统所在室外空气温度低于-20℃)，热泵系统的制热能力将随之大大降低，即热泵系统具有热衰减性能，为了满足用户的舒适性，所述热泵取暖装置一般设置有电加热器，所述电加热器设置于取暖系统的入口处，用于加热取暖系统入口处的循环水，以满足热泵取暖装置的温度立上性，提高用户的舒适性。

现有技术中，对热泵取暖装置中电加热器的控制主要依据低温热源的温度或者取暖系统入口处的水温，依据入口水温控制电加热器开启的控制方法中，当入口水温低于预设水温时即开启电加热器，从而保证了用户的舒适性，但是会造成电加热器频繁开启，降低热泵取暖装置的能效系数；依据低温热源的温度控制控制电加热器开启的控制方法中，当低温热源的温度低于预设环温时才开启电加热器，有利于提高热泵取暖装置的能效系数，但是大大降低了用户的舒适性。

技术实现要素：

本发明针对上述的技术问题，提出一种电加热器控制方法及系统、热泵取暖装置，能够满足用户的舒适性要求，并有利于提高热泵取暖装置的能效系数。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种电加热器控制方法，所述电加热器设置于热泵取暖装置中，所述热泵取暖装置包括取暖系统和冷媒循环水换热器，所述电加热器设置于所述冷媒循环水换热器的出水口和取暖系统的终端入口之间，所述电加热器控制方法包括以下步骤：

s1：设定节能温差td、能力系数kp和舒适系数kc；

s2：用户设定取暖系统目标温度tcs；

s3：采集所述冷媒循环水换热器的出水口温度to和进水口温度ti；

s4：计算电加热器工作目标温度值teht；

s5：计算所述热泵取暖装置的负荷率lr；

s6：重复执行步骤s3-s5，并判断负荷率lr为上升趋势或者下降趋势，若上升趋势，则顺次执行步骤s7-s8，若下降趋势，则顺次执行步骤s9-s10；

s7：判断负荷率lr是否大于或者等于第一预设负荷率lr值；

s8：若是，则开启所述电加热器，若否，则重复执行步骤s6；

s9：判断负荷率lr是否小于或者等于第二预设负荷率lr值；

s10：若是，则关闭所述电加热器，若否，则重复执行步骤s6。

作为优选，步骤s4中，所述电加热器的工作目标温度值teht的计算公式为：teht＝tcs–td。

作为优选，步骤s5中，所述负荷率lr的计算公式为：lr＝kc×(teht-t0)-kp×(t0-ti)。

作为优选，所述热泵取暖装置包括热泵系统，所述能力系数kp根据所述热泵系统的性能试验得出，所述舒适系数kc根据所述热泵取暖装置的性能试验得出。

作为优选，所述第一预设负荷率lr值为50％，所述第二预设负荷率lr值为30％。

一种电加热器控制系统，用于利用前述的电加热器控制方法控制所述电加热器，包括：

接收模块：用于接收并转发设定的节能温差td、能力系数kp和舒适系数kc，以及用于接收并转发用户设定的取暖系统目标温度tcs；

采集模块：用于采集并转发冷媒循环水换热器的出水口温度to和进水口温度ti；

计算模块：用于接收所述节能温差td和取暖系统目标温度tcs，并计算电加热器工作目标温度值teht；并用于接收所述能力系数kp、舒适系数kc、出水口温度to和进水口温度ti，并计算和转发负荷率lr，所述计算模块分别与接收模块、采集模块电性连接；

控制模块：用于接收不同时刻的所述负荷率lr并控制所述电加热器的开启或者关闭，包括：

比较单元：用于接收并比较不同时刻的所述负荷率lr，以判断负荷率lr处于上升趋势或者下降趋势，并生成和转发负荷率lr趋势信号，所述比较单元与计算模块电性连接；

控制单元：所述控制单元与比较单元电性连接以接收所述负荷率lr趋势信号，所述控制单元预设有第一预设负荷率lr值和第二预设负荷率lr值：

若所述负荷率lr处于上升趋势并大于或者等于所述第一预设负荷率lr值，则所述控制单元控制所述电加热器开启；

若所述负荷率lr处于下降趋势并小于或者等于所述第二预设负荷率lr值，则所述控制单元控制所述电加热器关闭。

作为优选，所述计算模块计算所述电加热器工作目标温度值teht的计算公式为：teht＝tcs–td。

作为优选，所述计算模块计算所述负荷率lr的计算公式为：lr＝kc×(teht-t0)-kp×(t0-ti)。

作为优选，所述第一预设负荷率lr值为50％，所述第二预设负荷率lr值为30％。

一种热泵取暖装置，包括电加热器和前述的电加热器控制系统。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明电加热器控制方法，其通过设定节能温差td、能力系数kp和舒适系数kc，采集冷媒循环水换热器的出水口温度to和进水口温度ti，并接收用户设定的取暖系统目标温度tcs，以计算得到电加热器工作目标温度值teht和热泵取暖装置的负荷率lr值，通过计算不同时刻的负荷率lr值以判断负荷率lr处于上升趋势或者下降趋势，并与第一预设负荷率lr值或者第二预设负荷率lr值进行比较，以实时计算用户对热泵取暖装置能力的需求程度，进而判断电加热开启或者关闭，不仅能够满足用户的舒适性要求，并有利于提高热泵取暖装置的能效系数。

2、本发明电加热器控制系统，其通过设置接收模块以接收节能温差td、能力系数kp、舒适系数kc和取暖系统目标温度tcs的设定值，通过设置采集模块以采集冷媒循环水换热器的出水口温度to和进水口温度ti，通过设置计算模块计算得到电加热器工作目标温度值teht和热泵取暖装置的负荷率lr值，其控制模块通过设置比较单元以根据不同时刻的负荷率lr值判断负荷率lr处于上升趋势或者下降趋势，其控制单元通过设置控制单元以根据负荷率lr的趋势信号和负荷率lr值来实时判断用户对热泵取暖装置能力的需求程度，进而控制电加热开启或者关闭，不仅能够满足用户的舒适性要求，并有利于提高热泵取暖装置的能效系数。

附图说明

图1为现有技术中热泵取暖装置的部分结构示意图；

图2为本发明一种电加热器控制方法的流程图；

图3为本发明所述电加热器控制方法中电加热器开关条件的示意图；

图4为本发明一种电加热控制系统的结构示意图。

以上各图中：1、热泵系统；11、室外机；12、高温冷媒管路；2、取暖系统；21、终端散热设备；211、终端入口；212、终端出口；3、冷媒循环水换热器；31、进水口；32、出水口；4、电加热器；5、接收模块；6、采集模块；61、进水口温度传感器；62、出水口温度传感器；7、计算模块；8、控制模块；81、比较单元；82、控制单元。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1，现有技术中热泵取暖装置包括热泵系统1、取暖系统2、冷媒循环水换热器3和电加热器4，所述热泵系统1包括室外机11和高温冷媒管路12，所述取暖系统2包括终端散热设备21和循环水管路22，所述终端散热设备21包括入口和出口，部分所述高温冷媒管路12和循环水管路22设置于所述冷媒循环水换热器3中，在冷媒循环水换热器3中，所述高温冷媒管路12能够将热量传递给所述循环水管路22的循环水中。所述冷媒循环水换热器3包括出水口32和进水口31，所述终端散热设备21包括终端入口211和终端出口212，所述出水口32和终端入口211相连通，所述进水口31和终端出口212相连通；所述电加热器4设置于所述出水口32和终端入口211之间，所述终端散热设备21中的循环水依次通过所述终端出口212和进水口31进入所述冷媒循环水换热器3中，所述循环水吸收所述高温冷媒管路12中冷媒的热量后通过出水口32流入所述终端入口211进而返回所述终端散热设备21以提高室内温度；当所述电加热器4开启时，所述出水口32的热水再次被所述电加热器4加热后流入所述终端散热设备21，以保证用户的舒适性。所述高温冷媒管路12中冷媒放出热量后返回所述室外机11，所述冷媒吸收低温热源的热量并被压缩后再次返回至冷媒循环水换热器3内高温冷媒管路12中，以再次加热循环水。

参见图2，本发明提出一种电加热器控制方法，包括以下步骤：

s1：设定节能温差td、能力系数kp和舒适系数kc；

s2：用户设定取暖系统目标温度tcs；

s3：采集所述冷媒循环水换热器3的出水口温度to、所述冷媒循环水换热器3的进水口温度ti；

s4：计算所述电加热器4工作目标温度值teht；

s5：计算所述热泵取暖装置的负荷率lr；

s6：重复执行步骤s3-s5，并判断负荷率lr为上升趋势或者下降趋势，若上升趋势，则执行步骤s7，若下降趋势，则执行步骤s9；

s7：判断负荷率lr是否大于或者等于第一预设负荷率lr值；

s8：若是，则开启所述电加热器4，若否，则重复执行步骤s6-s8；

s9：判断负荷率lr是否小于或者等于第二预设负荷率lr值；

s10：若是，则关闭所述电加热器4，若否，则重复执行步骤s9-s10。

需要说明的是，所述节能温差td是所述热泵取暖装置在出厂前或者出厂后由工作人员进行设定，所述节能温差td的取值根据用户的节能需求、所述热泵取暖装置的类型和型号，以及所述热泵取暖装置所处环境的气候条件进行设定，所述节能温差td越高，则电加热器4需要开启的可能性越小。

进一步地，所述能力系数kp用于评价所述热泵取暖装置的热泵系统1向所述取暖系统2提供热量的能力，即所述热泵系统1中冷媒加热所述取暖系统2中循环水的能力，该能力越高，则电加热器4需要开启的可能性越小；所述能力系数kp的取值根据所述热泵系统1在各种工况下的性能试验数据分析得到。

进一步地，所述舒适系数kc用于评价所述热泵取暖装置能够加热室内空气的能力，即所述热泵取暖装置能够带给用户的舒适度，所述舒适系数kc的取值根据所述热泵取暖装置在各种工况下的性能试验数据分析得到。

进一步地，所述取暖系统目标温度tcs是指用户期望所述取暖系统2达到的温度，即用户期望所述终端散热设备21的终端入口211处循环水的水温。

进一步地，所述负荷率lr用于评价在当前环境下(当前节能温差td、能力系数kp、舒适系数kc、取暖系统目标温度tcs、出水口温度to和进水口温度ti的情况下)，为了同时满足能效和用户舒适性条件，用户对所述热泵取暖装置能力的需求程度，当所述负荷率lr的值逐渐上升时，说明用户对所述热泵取暖装置的能力需求程度较高，所述电加热器4需要开启的可能性越大；上所述负荷率lr的值逐渐下降时，说明用户对所述热泵取暖装置的能力需求程度较小，所述电加热器4需要关闭的可能性较大。

本发明所述电加热器控制方法，其通过设定所述节能温差td、能力系数kp和舒适系数kc，采集所述冷媒循环水换热器3的出水口温度to和进水口温度ti，并接收用户设定的所述取暖系统目标温度tcs，以计算得到所述电加热器4工作目标温度值teht和所述热泵取暖装置的负荷率lr值，通过计算不同时刻的负荷率lr值以判断所述负荷率lr处于上升趋势或者下降趋势，并且当在所述负荷率处于上升趋势且负荷率大于或者等于第一预设负荷率lr值时控制所述电加热器4开启，当在所述负荷率lr值处于下降趋势且所述负荷率lr值小于或者等于第二预设负荷率lr值时控制所述电加热器4关闭，本发明所述电加热器控制方法实时计算用户对所述热泵取暖装置能力的需求程度进而判断所述电加热开启或者关闭，不仅能够满足用户的舒适性要求，而且有利于并有利于提高热泵取暖装置的能效系数。

进一步地，步骤s4中，所述电加热器4工作目标温度值teht是指所述电加热器4最高达到的温度值，也就是流经所述电加热器4的循环水最高可以达到的温度值，即所述终端散热设备21的终端入口211处循环水最高可以达到的温度值。所述电加热器4工作目标温度值teht的取值根据用户设定的所述取暖系统目标温度tcs和节能温差td计算得到，所述电加热器4工作目标温度值teht的计算公式为：teht＝tcs–td；所述电加热器4工作目标温度值teht越高，则用户对所述热泵取暖装置的能力需要越高，则所述电加热器4需要开启的可能性越大。

作为优选，所述节能温差td设置为4℃-5℃，以保证所述热泵取暖装置的能效系数。

进一步地，步骤s5中，所述负荷率lr的计算公式为：lr＝kc×(teht-t0)-kp×(t0-ti)，其中，(teht-t0)表示所述电加热器4最高工作温度与当前所述冷媒循环水换热器3的出水口温度之间的差值，也就是表示当前所述冷媒循环水换热器3的出水口温度距离流经所述电加热器4后所能达到的最高温度的差值，(teht-t0)的值越高，则表示当前所述冷媒循环水换热器3的出水口温度距离流经所述电加热器4后所能达到的最高温度的差值越大，则用户能直接体会到舒适性，从而用户对所述热泵取暖装置的能力需求更大，所述电加热器4需要开启的可能性越大，有利于提高用户的舒适性；(t0-ti)表示当前所述；冷媒循环水换热器3的出水口温度t0和进水口温度ti之间的差值，反映当前所述热泵系统1提供热量的能力，(t0-ti)的值越高，表面当前热泵系统1提供热量的能力越高，则所述电加热器4需要开启的可能性越小，有利于提高所述热泵取暖装置的能效系数。

参见图3，在本发明所述电加热器控制方法一个实施例中，所述第一预设负荷率lr值为50％，所述第二预设负荷率lr值为30％。参见图4，本发明提出一种电加热器控制系统，用于利用前述的电加热器控制方法控制所述电加热器4的开启或者关闭，所述电加热控制系统包括接收模块5、采集模块6、计算模块7和控制模块8。所述接收模块5和采集模块6分别与所述计算模块7电性连接，所述计算模块7与控制模块8电性连接。

其中，所述接收模块5用于接收设定的节能温差td、能力系数kp和舒适系数kc，以及用于接收用户设定的取暖系统目标温度tcs，并将所述节能温差td、能力系数kp、舒适系数kc和取暖系统目标温度tcs转发至计算模块7；所述采集模块6用于采集所述冷媒循环水换热器3的出水口温度to和进水口温度ti，并将所述出水口温度to和进水口温度ti转发至计算模块7，所述采集模块6包括进水口温度传感器61和出水口温度传感器62，所述进水口温度传感器61设置于所述冷媒循环水换热器3的进水口31处，所述出水口温度传感器62设置于所述冷媒循环水换热器3的出水口32处；所述计算模块7用于接收节能温差td和取暖系统目标温度tcs后计算电加热器4工作目标温度值teht，以及用于接收能力系数kp、舒适系数kc、出水口温度to和进水口温度ti后计算负荷率lr，所述计算模块7将计算得到的负荷率lr转发至控制模块8；所述控制模块8用于接收不同时刻的负荷率lr并控制所述电加热器4的开启或者关闭，所述控制模块8包括比较单元81和控制单元82，所述比较单元81和控制单元82电性连接以发送负荷率lr趋势信号和负荷率lr值至所述控制单元82。

具体地，所述比较单元81用于接收并比较不同时刻的负荷率lr，以判断负荷率lr处于上升趋势或者下降趋势，并生成负荷率lr的趋势信号，所述比较单元81将所述负荷率lr趋势信号和负荷率lr值转发至所述控制单元82；所述控制单元82与所述电加热器4电性连接，所述控制单元82内预设有第一预设负荷率lr值和第二预设负荷率lr值，所述控制单元82所述接收负荷率lr趋势信号和负荷率lr值后与所述第一预设负荷率lr值或者第二预设负荷率lr值进行比较：

若所述负荷率lr处于上升趋势并大于或者等于所述第一预设负荷率lr值，则所述控制单元82控制所述电加热器4开启；

若所述负荷率lr处于下降趋势并小于或者等于所述第二预设负荷率lr值，则所述控制单元82控制所述电加热器4关闭。

需要说明的是，所述节能温差td是所述热泵取暖装置在出厂前或者出厂后由工作人员进行设定，所述节能温差td的取值根据用户的节能需求、所述热泵取暖装置的类型和型号，以及所述热泵取暖装置所处环境的气候条件进行设定，所述节能温差td越高，则电加热器4需要开启的可能性越小。

进一步地，所述能力系数kp用于评价所述热泵取暖装置的热泵系统1向所述取暖系统2提供热量的能力，即所述热泵系统1中冷媒加热所述取暖系统2中循环水的能力，该能力越高，则电加热器4需要开启的可能性越小；所述能力系数kp的取值根据所述热泵系统1在各种工况下的性能试验数据分析得到。

进一步地，所述舒适系数kc用于评价所述热泵取暖装置能够加热室内空气的能力，即所述热泵取暖装置能够带给用户的舒适度，所述舒适系数kc的取值根据所述热泵取暖装置在各种工况下的性能试验数据分析得到。

进一步地，所述取暖系统目标温度tcs是指用户期望所述取暖系统2达到的温度，即用户期望所述终端散热设备21的终端入口211处循环水的水温。

进一步地，所述负荷率lr用于评价在当前环境下(当前节能温差td、能力系数kp、舒适系数kc、取暖系统目标温度tcs、出水口温度to和进水口温度ti的情况下)，为了同时满足能效和用户舒适性条件，用户对所述热泵取暖装置能力的需求程度，当所述负荷率lr的值逐渐上升时，说明用户对所述热泵取暖装置的能力需求程度较高，所述电加热器4需要开启的可能性越大；上所述负荷率lr的值逐渐下降时，说明用户对所述热泵取暖装置的能力需求程度较小，所述电加热器4需要关闭的可能性较大。

本发明所述电加热器控制系统，其通过设置接收模块5以接收所述节能温差td、能力系数kp、舒适系数kc和取暖系统目标温度tcs的设定值，通过设置采集模块6以采集所述冷媒循环水换热器3的出水口温度to和进水口温度ti，通过设置计算模块7计算得到所述电加热器4工作目标温度值teht和所述热泵取暖装置的负荷率lr值，其控制模块8通过设置比较单元81以根据不同时刻的负荷率lr值判断所述负荷率lr处于上升趋势或者下降趋势，其控制单元82通过设置控制单元82以根据所述负荷率lr的趋势信号和负荷率lr值来实时判断用户对所述热泵取暖装置能力的需求程度，进而控制所述电加热开启或者关闭，不仅能够满足用户的舒适性要求，而且有利于并有利于提高热泵取暖装置的能效系数。

进一步地，所述电加热器4工作目标温度值teht是指所述电加热器4最高达到的温度值，也就是流经所述电加热器4的循环水最高可以达到的温度值，即所述终端散热设备21的终端入口211处循环水最高可以达到的温度值。所述电加热器4工作目标温度值teht的取值根据用户设定的所述取暖系统目标温度tcs和节能温差td计算得到，所述计算模块7计算所述电加热器4工作目标温度值teht的计算公式为：teht＝tcs–td；所述电加热器4工作目标温度值teht越高，则用户对所述热泵取暖装置的能力需要越高，则所述电加热器4需要开启的可能性越大。

作为优选，所述节能温差td设置为4℃-5℃，以保证所述热泵取暖装置的能效系数。

进一步地，所述计算模块7根据以下计算公式计算所述负荷率lr：lr＝kc×(teht-t0)-kp×(t0-ti)，其中，(teht-t0)表示所述电加热器4最高工作温度与当前所述冷媒循环水换热器3的出水口温度之间的差值，也就是表示当前所述冷媒循环水换热器3的出水口温度距离流经所述电加热器4后所能达到的最高温度的差值，(teht-t0)的值越高，则表示当前所述冷媒循环水换热器3的出水口温度距离流经所述电加热器4后所能达到的最高温度的差值越大，则用户能直接体会到舒适性查，从而用户对所述热泵取暖装置的能力需求更大，所述电加热器4需要开启的可能性越大，有利于提高用户的舒适性；(t0-ti)表示当前所述；冷媒循环水换热器3的出水口温度t0和进水口温度ti之间的差值，反映当前所述热泵系统1提供热量的能力，(t0-ti)的值越高，表面当前热泵系统1提供热量的能力越高，则所述电加热器4需要开启的可能性越小，有利于提高所述热泵取暖装置的能效系数。

参见图3，在本发明所述电加热器控制系统一个实施例中，所述第一预设负荷率lr值为50％，所述第二预设负荷率lr值为30％。

当室外温度较低时，用户进入室内打开所述热泵取暖装置，此时所述热泵取暖装置刚开始运行，(teht-t0)的值较大，(t0-ti)的值较小，因此，此时所述负荷率lr的值较大(一般大于50％)，并且所述负荷率lr处于由零突然增加的上升趋势，此时本发明所述电加热器控制系统和电加热器控制方法控制所述电加热器4打开，从而满足了用户希望房间内温度快速升高的要求，有利于提高用户的舒适性；随着所述热泵取暖装置的持续运行，房间内的温度趋于稳定，(teht-t0)的值逐渐降低，(t0-ti)的值逐渐升高并趋于稳定，所述负荷率lr的值逐渐降低，当所述负荷率lr降低至30％时，本发明所述电加热器控制系统和电加热器控制方法控制所述电加热器4关闭，有利于降低所述热泵取暖装置的能耗，提高所述热泵取暖装置的能效系数。

本发明进一步提出一种热泵取暖装置，所述热泵取暖装置包括电加热器4和前述的电加热器控制系统，本发明所述热泵取暖装置，能够满足用户的舒适性要求，而且具有较高的能效系数，在此不再细述。

在本发明的一个实施例中，所述终端散热设备21为地暖盘管，所述冷媒循环水换热器3为板式换热器。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。