一种变频co2热水机机组及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及空调机组技术领域，尤其涉及一种变频co2热水机机组及其控制方法。
背景技术：
2.随着人们对环境保护的日益重视，清洁环保的制冷剂越来越受人们的欢迎。co2的odp=0（中文意思为消耗臭氧潜能值），gwp=1（中文意思为全球变暖潜能值），热力性质极佳，制取容易，无毒不易分解，不可燃不爆炸，这些优点特性使得co2 十分适合作为制冷剂运用到空调系统中去。然而co2临界压力相当高，且其临界点温度较低，因而其冷凝散热处于超临界区中，因此co2空调系统的工作压力需高于其临界压力。因此，选用了co2双转子压缩机以达到排气压力高于co2临界压力的目的。而实际测试中发现，机组运行过程中会出现co2双转子压缩机中间腔压力高于排气压力的现象，此时机组的制热能力会下降，同时也会使压缩机使用寿命降低,会影响热水机组的正常运行，降低压缩机性能和使用寿命。
技术实现要素：
3.针对上述不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种变频co2热水机机组及其控制方法，解决了变频co2热水机机组运行过程中出现中间腔压力高于排气压力的技术问题，保证了机组的可靠运行，保证了压缩机的使用寿命和性能。
4.为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种变频co2热水机机组，包括控制单元、压缩机、气冷器、回热器、电子膨胀阀、蒸发器和气液分离器，所述压缩机为co2双转子压缩机，所述压缩机和所述蒸发器之间设有除霜旁通阀，所述压缩机、所述电子膨胀阀、所述除霜旁通阀分别与所述控制单元电连接；还包括与所述控制单元电连接的信号采集单元，所述信号采集单元用于采集环境温度、所述蒸发器的外盘管温度、所述气冷器出口的出水温度、所述压缩机的排气压力和中间腔压力，并转换成对应的电信号传输至所述控制单元；所述控制单元根据接收的电信号，控制所述压缩机在t1或t2 时间内升频或降频nhz、控制所述电子膨胀阀的开度及所述除霜旁通阀。
5.优选方式为，还包括高温储热水箱、进水三通阀和变频水泵，所述高温储热水箱的进水端与所述气冷器的出口连接，所述高温储热水箱还经所述进水三通阀和所述变频水泵与所述气冷器的进口连接；所述进水三通阀和所述变频水泵分别与所述控制单元电连接；所述信号采集单元还采集所述高温储热水箱内的水温、及所述气冷器的出口温度，并传输对应的电信号至所述控制单元，所述控制单元根据接收的电信号，控制所述进水三通阀和所述变频水泵。
6.一种变频co2热水机机组的控制方法，所述变频co2热水机机组为上述的变频co2热水机机组；所述控制方法包括压缩机控制，所述压缩机控制包括以下步骤：s10、获取所述机组的出水温度、所述压缩机的排气压力和中间腔压力；s11、利用公式s=排气压力-中间腔压力，计算得到压力差s；利用公式t1=出水温度-预设水温值，计算得到水温差t1；
s12、判断水温差t1是否小于预设定水温差阈值；s13、如果是，控制所述压缩机在t1时间内升频或降频nhz；再判断压力差s是否小于预设定压力差阈值；若不小于，控制所述压缩机在t2时间内升频或降频nhz；若小于，控制所述压缩机在t1时间内升频或降频nhz；s14、如果否，控制所述压缩机在t2时间内升频或降频nhz；再判断压力差s是否小于预设定压力差阈值；若不小于，控制所述压缩机在t2时间内升频或降频nhz；若小于，控制所述压缩机在t1时间内升频或降频nhz。
7.优选方式为，还包括电子膨胀阀控制，所述电子膨胀阀控制包括以下步骤：s20、获取气冷器出口温度和进水温度；s21、利用公式t2=气冷器出口温度-进水温度, 计算得到温度差t2；s22、利用pid控制器根据温度差t2和预设定接近温度目标值，调节电子膨胀阀的开度。
8.优选方式为，还包括变频水泵控制，所述变频水泵控制具体为：在所述压缩机启动后，所述变频水泵输出小流量，随着所述机组的出水温度升高，逐渐加大所述变频水泵输出流量。
9.优选方式为，还包括制热除霜控制，所述制热除霜控制包括以下步骤：s30、获取环境温度、外盘管温度、压缩机运行时间及所述蒸发器的排气温度；s31、判断环境温度是否小于除霜温度阈值；判断环境温度与外盘管温度之差是否大于预设定除霜温度差；判断运行时间是否大于压缩机最小运行时间；s32、如果均是，进入除霜模式，控制除霜旁通阀打开，电子膨胀阀关闭，变频水泵关闭，变频风机关闭，启动计时除霜时间；s33、判断外盘管温度是否大于预设定退出温度阈值；判断除霜时间是否大于预设定退出时间阈值；判断排气温度是否小于预设定退出温度阈值；s34、如果任一项为是，则退出除霜模式，关闭除霜旁通阀，打开电子膨胀阀。
10.优选方式为，还包括进水三通阀控制，所述进水三通阀控制包括以下步骤：s40、获取机组的出水温度、水箱的热水温度和环境温度；s41、判断出水温度是否小于预设定防冻出水阈值；判断热水温度是否小于预设定防冻热水阈值；判断环境温度是否小于预设定防冻环境阈值；s42、如果任一项是，进入防冻模式，控制进水三通阀闭合，启动变频水泵和压缩机，进行制热；如果热水温度或出水温度任一项不小于，退出防冻模式，控制三通进水阀、变频水泵和压缩机关闭。
11.优选方式为，还包括气液分离器电加热控制，所述气液分离器电加热控制包括以下步骤：
判断是否为除霜模式；如果是，启动气液分离器电加热。
12.优选方式为，还包括中间压力旁通阀控制，所述中间压力旁通阀控制包括以下步骤：判断压力差s是否不大于预设定压力差阈值；如果否，打开中间压力旁通电磁阀，启动计时；判断计时时间是否为预设定时间；如果是，且压力差s大于预设定压力差阈值，则关闭中间压力旁通电磁阀，否，则中间压力旁通电磁阀持续打开。
13.优选方式为，所述压缩机控制还包括以下步骤：判断手动启停开关是否为启动状态；如果是，启动压缩机；如果否，关停压缩机；判断高液位开关是否为闭合状态；如果是，关停压缩机；如果否，保持压缩机运行；判断中液位开关是否为断开状态；如果是，开启压缩机；如果否，关停压缩机。
14.采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：由于本发明的变频co2热水机机组及其控制方法，机组包括控制单元、压缩机、气冷器、回热器、电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器及信号采集单元，压缩机和蒸发器之间设有除霜旁通阀，信号采集单元用于采集环境温度、蒸发器的外盘管温度、气冷器出口的出水温度、压缩机的排气压力和中间腔压力，并转换成对应的电信号传输至控制单元；控制单元根据接收的电信号，控制压缩机在t1或t2 时间内升频或降频nhz，以调整压缩机升频或降频的速度，从根本上消除导致中间腔压力大于排气压力的因素。可见，本发明通过调整压缩机升频或降频的时间，解决了变频co2热水机机组运行过程中出现的问题，保证机组可靠运行，保证压缩机的性能和使用寿命。
15.由于还包括高温储热水箱、进水三通阀和变频水泵，高温储热水箱的进水端与气冷器的出口连接，高温储热水箱还经进水三通阀和变频水泵与气冷器的进口连接；进水三通阀和变频水泵分别与控制单元电连接；信号采集单元还采集高温储热水箱内的水温、及气冷器的出口温度，并传输对应的电信号至控制单元，控制单元根据接收的电信号，控制进水三通阀和变频水泵；提供最高至95℃的热水，可满足用户更宽的热水温度需求。
附图说明
16.图1是本发明中变频co2热水机机组的结构示意图；图2是本发明中变频co2热水机机组的原理框图；图3是实施例二中压缩机控制的流程图；图4是实施例二中制热除霜控制的流程图；
图中：1-压缩机，2-气液分离器，3-回热器，4-气冷器，5-电子膨胀阀，6-蒸发器，7-除霜旁通阀，8-高温储热水箱，9-进水三通阀，10-变频水泵，11-信号采集单元，110-排气压力传感器，111-中间腔压力传感器，12-中间压力旁通阀。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
18.实施例一：如图1和图2所示，一种变频co2热水机机组，包括控制单元、压缩机1、气冷器4、回热器3、电子膨胀阀5、蒸发器6和气液分离器2，压缩机1为co2双转子压缩机，压缩机1和蒸发器6之间设有除霜旁通阀7，压缩机1、电子膨胀阀5、除霜旁通阀7分别与控制单元电连接；机组还包括与控制单元电连接的信号采集单元11，信号采集单元11用于采集环境温度、蒸发器6的外盘管温度、气冷器4出口的出水温度、压缩机1的排气压力和中间腔压力，并转换成对应的电信号传输至控制单元；控制单元根据接收的电信号，控制压缩机1在t1或t2 时间内升频或降频nhz、控制电子膨胀阀5的开度及除霜旁通阀7。其中，信号采集单元11包括排气压力传感器110、中间腔压力传感器111、外盘温度传感器、出口温度传感器、环境温度传感器、热水温度传感器等，控制单元可包括但不限于stm系列单片机或plc。压缩机1进口和电子膨胀阀5出口之间设在有中间压力旁通阀12。
19.如图1所示，本实施例中还包括高温储热水箱8、进水三通阀9和变频水泵10，高温储热水箱8的进水端与气冷器4的出口连接，高温储热水箱8还经进水三通阀9和变频水泵10与气冷器4的进口连接；进水三通阀9和变频水泵10分别与控制单元电连接；信号采集单元11还采集高温储热水箱8内的水温、及气冷器4的出口温度，并传输对应的电信号至控制单元，控制单元根据接收的电信号，控制进水三通阀9和变频水泵10。
20.本发明的变频co2热水机机组，可采用实施例二的控制方法，机组运行过程中信号采集单元11采集气冷器4出口的出水温度、压缩机1的排气压力和中间腔压力，并转换成对应的电信号传输至控制单元，控制单元可先根据出水温度，控制压缩机1在t1或t2 时间内升频或降频nhz，同时再根据排气压力与中间腔压力，控制t1或t2 时间内升频或降频nhz，目的控制压缩机1升频或降频的速度，防止发生中间腔压力大于排气压力的情况发生，以保证压缩机1的性能和使用寿命，进而保证机组可靠运行。
21.控制单元具体的控制方式可为但不限于：先利用公式t1=出水温度-预设水温值，计算得到水温差t1，再判断水温差t1是否小于预设定水温差阈值；当水温差t1小于水温差阈值时，控制压缩机在t1时间内升频或降频nhz；当水温差t1不小于水温差阈值时，控制压缩机在t2时间内升频或降频nhz。还需利用公式s=排气压力-中间腔压力，计算得到压力差s，再判断压力差s是否小于预设定压力差阈值；若压力差s不小于压力差阈值，控制压缩机在t2时间内升频或降频nhz；若压力差s小于压力差阈值，控制压缩机在t1时间内升频或降频nhz。
22.当信号采集单元11采集到高温储热水箱8中的水温小于预设定热水阈值时，控制单元控制进水三通阀9闭合，令高温储热水箱8、进水三通阀9、变频水泵10以及气冷器4构成
回路，控制单元同时启动压缩机制热，调整变频水泵10减小水流量，以快速提高高温储热水箱8内的水温。而且，控制单元可通过控制进水三通阀9的开度、变频水泵10的流量，调整高温储热水箱8中的水温，以满足用户较宽的水温需求。
23.本发明还具有防冻模式，信号采集单元11采集的环境温度低于0摄氏度时，高温储热水箱8在中的水温低于预设定防冻水温阈值，或气冷器4出口的温度低于预设定防冻出口温度时，控制单元进入防冻模式，启动压缩机制热，进水三通阀9闭合，构成上述回路。
24.另外，当ec直流风机转速，在制冷时根据环境温度传感器检测到的环境温度和压缩机运行频率来调节风机转速、压缩机油温电加热的控制在空调控制系统方案中较为常见，故不做太多赘述。
25.实施例二：如图1和图3所示，一种变频co2热水机机组的控制方法，变频co2热水机机组为实施例一的变频co2热水机机组；控制方法包括压缩机控制，压缩机控制包括以下步骤：s10、获取机组的出水温度、压缩机1的排气压力和中间腔压力；s11、利用公式s=排气压力-中间腔压力，计算得到压力差s；利用公式t1=出水温度-预设水温值，计算得到水温差t1；s12、判断水温差t1是否小于预设定水温差阈值；s13、如果温差t1小于水温差阈值，控制压缩机1在t1时间内升频或降频nhz；再判断压力差s是否小于预设定压力差阈值；若压力差s不小于压力差阈值，控制压缩机1在t2时间内升频或降频nhz；若压力差s小于压力差阈值，控制压缩机1在t1时间内升频或降频nhz；s14、如果温差t1不小于水温差阈值，控制压缩机1在t2时间内升频或降频nhz；再判断压力差s是否小于预设定压力差阈值；若压力差s不小于压力差阈值，控制压缩机1在t2时间内升频或降频nhz；若压力差s小于压力差阈值，控制压缩机1在t1时间内升频或降频nhz。
26.压缩机控制还包括以下步骤：判断手动启停开关是否为启动状态；如果是（启动状态），启动压缩机1；如果否（非启动状态），关停压缩机1；判断高液位开关是否为闭合状态；如果是（闭合状态），关停压缩机1；如果否（非闭合状态），保持压缩机1运行；判断中液位开关是否为断开状态；如果是（断开状态），开启压缩机1；如果否（非断开状态），关停压缩机1。本实施例中还包括电子膨胀阀控制，电子膨胀阀控制包括以下步骤：s20、获取气冷器出口温度和进水温度；s21、利用公式t2=气冷器出口温度-进水温度, 计算得到温度差t2；s22、利用pid控制器根据温度差t2和预设定接近温度目标值，调节电子膨胀阀5的开度。
27.本发明通过保持气冷器出口温度与进水温度之间的温差来调节电子膨胀阀5，可以实现热水机稳定高效的运行，排气温度、排气压力等均能做正常范围之内。气冷器出口温度-进水温度= 温度差t2。通过设定的接近温度目标值ts与实际气冷器出口温度-进水温度的温度差t2比较，通过pid控制器计算，来调节电子膨胀阀5的开度。
28.本实施例中还包括变频水泵控制，变频水泵控制具体为：在压缩机启动后，变频水泵输出小流量，随着机组的出水温度升高，逐渐加大变频水泵输出流量。
29.为保证热水机出水温度能快速到达设定温度，因为压缩机升降频速率受限，故增加变频水泵的控制。热水机启动时，因为压缩机启动后升频速度较慢，为使出水温度能够迅速达到设定温度，故减小变频水泵输出，减小水流量以达到高出水温度的目的。当随着压缩机频率上升，机组出水温度升高，则加大变频水泵的输出，从而保持较高出水温度且较快的使水箱蓄满热水。
30.如图4所示，本实施例中还包括制热除霜控制，制热除霜控制包括以下步骤：s30、获取环境温度、外盘管温度、压缩机运行时间及蒸发器的排气温度；s31、判断环境温度是否小于除霜温度阈值；判断环境温度与外盘管温度之差是否大于预设定除霜温度差；判断运行时间是否大于压缩机最小运行时间；s32、如果均是，即环境温度小于除霜温度阈值，且环境温度与外盘管温度之差大于除霜温度差，且运行时间大于压缩机最小运行时间，进入除霜模式，控制除霜旁通阀打开，电子膨胀阀关闭，变频水泵关闭，变频风机关闭，启动计时除霜时间；s33、判断外盘管温度是否大于预设定退出温度阈值；判断除霜时间是否大于预设定退出时间阈值；判断排气温度是否小于预设定退出温度阈值；s34、如果任一项为是，即外盘管温度大于退出温度阈值，或除霜时间大于退出时间阈值，或，排气温度小于退出温度阈值，则退出除霜模式，关闭除霜旁通阀，打开电子膨胀阀。
31.如图1所示，不同于其他空调除霜逻辑之处在于co2热水机采用热气旁通除霜，正常制热时制冷剂的流向为：压缩机1—气冷器4—回热器3—电子膨胀阀5—翅片蒸发器6—回热器3—气液分离器2—压缩机1。而当除霜运行时，当热水机达到除霜条件后，除霜旁通电磁阀打开，电子膨胀阀5关闭（除霜旁通电磁阀和电子膨胀阀5同时动作，压缩机不停机，可降低制冷剂循环系统产生气锤的概率，降低管路振裂的风险）。此时制冷剂的流向为：压缩机1—除霜旁通阀7—翅片蒸发器6—回热器3—气液分离器2—压缩机1。变频水泵10关闭、ec直流风机关闭，压缩机1不停机除霜。这一系列动作的目的是保证压缩机1制热运行时产生的热量尽量在蒸发器6中产生换热，融化蒸发器6上的积霜而不会与水系统中水和空气中的空气换热产生热量浪费。在除霜过程中压缩机1进入除霜转速（低转速运行），此目的是降低制冷剂系统中co2的流速，增加co2与积霜的换热效率，从而尽快除霜。且在气液分离器2上安装有气液分离器2电加热，当进入除霜控制时气液分离器2电加热启动，为热水机组除霜提供额外热量。
32.本实施例中还包括进水三通阀控制，进水三通阀控制包括以下步骤：s40、获取机组的出水温度、水箱的热水温度和环境温度；
s41、判断出水温度是否小于预设定防冻出水阈值；判断热水温度是否小于预设定防冻热水阈值；判断环境温度是否小于预设定防冻环境阈值；s42、如果任一项是，即出水温度小于防冻出水阈值，或热水温度小于防冻热水阈值，或环境温度小于防冻环境阈值，进入防冻模式，控制进水三通阀闭合，启动变频水泵和压缩机，进行制热；如果热水温度不小于防冻热水阈值或出水温度不小于防冻出水阈值，退出防冻模式，控制三通进水阀、变频水泵和压缩机关闭。
33.如图1所示，当长时间不使用高温储热水箱8中热水，主控单元检测到高温储热水箱8中热水水温降低之后，主控单元会打开进水三通阀9，使高温储热水箱8、变频水泵，与热水机之间构成循环水路，然后主控单元启动压缩机制热、对高温储热水箱8中水进行提温。
34.当冬季环境温度较低，尤其是北方地区零下十几、二十几度时，需要对机组进行防冻保护，当检测到环境温度低于0℃，高温储热水箱8的热水温度或者机组的出水温度中任一温度低于设定值则进入防冻模式，进水三通阀闭合，使水箱、变频水泵、热水机之间构成回路，然后主控单元给变频水泵信号启动变频水泵，变频水泵运行之后压缩机启动，进行制热，对高温储热水箱8中水和管路中的水进行提温，当水温（高温储热水箱水温或者出水温度）高于退出防冻设定值，机组关闭、变频水泵关闭、进水三通阀9关闭。
35.水箱保温功能，当水箱的热水温度低于预设值时，进水三通阀9闭合，然后启动变频水泵，热水机启动进行制热，当达到水箱热水温度设定值后压缩机停止运行工、水泵停止运行、进水三通阀9关闭，机组进入待机状态。
36.本实施例中还包括气液分离器电加热控制，气液分离器电加热控制包括以下步骤：判断是否为除霜模式；如果是，启动气液分离器电加热。
37.气液分离器电加热的作用在于除霜时防止压缩机存储的热量不足以充分除去蒸发器6上的积霜。当进入除霜控制时，主控单元会启动气液分离器电加热，增加除霜时的热量，从而保证能够彻底除去蒸发器6上的积霜。
38.本实施例中还包括中间压力旁通阀12控制，中间压力旁通阀12控制包括以下步骤：判断压力差s是否不大于预设定压力差阈值；如果否，打开中间压力旁通电磁阀，启动计时；判断计时时间是否为预设定时间；如果是（计时时间为预设定时间），且压力差s大于预设定压力差阈值，则关闭中间压力旁通电磁阀，否，则中间压力旁通电磁阀持续打开。
39.co2双转子变频压缩机运行过程中需要保证:排气压力-中间腔压力＞s1bar，中间压力旁通电磁阀的作用是当：排气压力-中间腔压力≤s1bar时，主控单元输出信号，打开中间压力旁通电磁阀，使中间腔压力通过管路与co2双转子变频压缩机回气管路联通，达到降低中间腔压力，重新建立压差（排气压力-中间腔压力的差值，大于s1），中间压力旁通电磁阀运行一段时间t后关闭，电磁阀关闭之后仍能保证压差差值大于s1。
40.综上所述，采用本发明的控制方法后，能够防止压缩机的中间腔压力大于排气压力，能够控制变频水泵、进水三通阀防冻，以保持高温储热水箱的热水温度在用户所需的较宽范围内，能够控制除霜旁通电磁阀，在制热模式下除霜，能够使协调压缩机与电子膨胀阀，从而解决了变频co2热水机机组运行过程中出现的问题，保证机组可靠运行，保证压缩机的性能和使用寿命。
41.以上所述本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同一种变频co2热水机机组及其控制方法的改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。