[发明专利]一种跨临界二氧化碳热泵系统电子膨胀阀控制方法

说明书

本发明公开了一种跨临界二氧化碳热泵系统电子膨胀阀控制方法，包括以下步骤：步骤一、采集排气压力值；步骤二、确定水路控制参数；步骤三、确认跨临界二氧化碳热泵系统最优排气压力；步骤四、调节排气压力；步骤五、计算系统稳态时COP；步骤六、通过粒子群优化算法(PSO)对最优排气压力进行验证。本发明采用以电子膨胀阀开度调节和排气温度变化的配合，实现对排气压力控制的方法，采样速度快、精度高、时间滞后小，具有较强的鲁棒性，还克服了传统排气温度控制法中因避免压缩机排气温度过高而带来回液隐患的缺陷。本发明对跨临界二氧化碳热泵系统这种具有强烈非线性特性的制冷系统进行压力控制，使跨临界二氧化碳热泵系统在不同工况下运行时具有更快的调节控制能力。

技术领域

本发明属于暖通制冷及热泵技术领域，涉及一种跨临界二氧化碳热泵系统电子膨胀阀控制方法。

背景技术

近年来，随着温室效应和臭氧层的持续破坏，研究机构所及其政府部门开始更多的关注对臭氧层没有破坏的制冷剂。自然工质制冷剂也受到越来越多的关注。CO₂制冷工质属于环保型制冷工质，破坏臭氧层潜能值ODP＝0，它不破坏臭氧层，也不需回收和再生。它的全球变暖潜力指数GWP＝1，是较理想的天然制冷剂。早在19世纪80年代，CO₂就被引入制冷空调领域，并使用了相当长的时间，已被证明对人类无害，受到了制冷业界的一致关注。CO₂作为天然存在的无机化合物，具有良好的安全性和化学稳定性，安全无毒，不可燃，常温常压下为气态(无相变爆炸风险)，不管是生产、运输还是使用，均对环境无污染。同时CO₂的单位容积制冷量是传统制冷剂的3～5倍，这意味着提供相同热泵能力所需要的压缩机排量更小，所充注工质量更少，客观上减轻了其运行压力较高所带来的安全问题。同时CO₂绝热指数较高，跨临界制冷循环的压缩比较小，致使压缩效率高。前国际制冷学会主席G.Lorentzen提出了标准跨临界CO₂循环系统，CO₂在制冷学科中再次回归到主流的研究中来。

随着人们生活水平的不断提高，生活热水的需求量也逐步提高，现代家庭为满足热水需求所消耗的能源已达到生活总能源消耗量的20％～30％。传统的生活热水制取方式包括燃烧热能(化石燃料、生物燃料)直接加热、电热转换、太阳能集热等方式。这些传统的热水制取方式不仅能源利用率低而且会造成一定程度上的环境污染。采用跨临界CO₂热泵技术，可以直接一次性提供高于65℃以上的热水。同时，还可以利用商用废热供应热源，大量节约一次能源消耗，减少环境污染指标。利用跨临界CO₂热泵系统提供65℃的热水，全年系统可以节约至少64％能源消耗。因此，无论是在民用还是在商用领域，跨临界CO₂热泵系统均具有其他热泵系统所不能够比拟的节能和环保优势。

电子膨胀阀是制冷系统中最重要的部件之一，其开度与其他部件的良好匹配性是改善系统运行并适应系统负荷变化的基础。电子膨胀阀由步进电机驱动器控制，步进电机驱动器所接受的每一个脉冲都对应固定的电子膨胀阀开度，因此电子膨胀阀的开度由步进电机驱动器接受的脉冲个数决定，同时步进电机的速度和加速度也可由给定脉冲的频率来决定，进而实现对膨胀阀开度及速度精准可靠的控制。电子膨胀阀可以接受来自控制器的电子指令信号进行制冷剂流量调节。常用的电子膨胀阀控制方法有两种，一种是PID调节控制法，其原理简单、易于实现、适用面广，但若调节参数K_p、K_i、K_d选择不当，易使控制系统发生振荡，难以达到稳定运行状态，严重时将导致系统报警停机。另一种是排气温度或过热度控制法，其采样速度快、能适应大范围内的能量调节，但是过热度控制模式在压缩机压比过高时，排气温度矛盾突出，给系统安全性带来隐患；而排气温度控制模式的最大长处是能控制蒸发器出口处的制冷剂状态，有效避免压缩机湿压缩机。但排气温度控制法为保证压缩机排气温度而易带来回液隐患，影响系统运行的安全性。

由此可见，对电子膨胀阀进行深入研究，制定可靠的控制方法，提高其控制精度与控制效率，对改善跨临界CO₂热泵系统运行具有深远的意义。