一种基于5G物联网技术的空气源热泵除霜调控方法和系统与流程

一种基于5g物联网技术的空气源热泵除霜调控方法和系统
技术领域
1.本发明涉及新能源节能技术领域，特别是一种基于5g物联网技术的空气源热泵除霜调控方法和系统。


背景技术：

2.空气源热泵是一种采用电动机驱动，采用蒸气压缩制冷循环，将低品位热源空气中的热量转移到水或空气等高位热源的设备。在环境温度较低和湿度较大时，空气源热泵在制热过程中，会出现结霜现象，影响制热效率。此时，空气源热泵需要进行除霜。现有空气源热泵由其本身对结霜情况进行判断和控制除霜。对于结霜情况的判断，现有空气源热泵多根据环境温度和翅片温度判断结霜条件，或采用定时除霜的方式。如果满足结霜条件，则使用逆循环的方法进行除霜。但现有技术中的空气源热泵存在除霜控制不合理的情况，造成能源的浪费。


技术实现要素：

3.针对上述指出的空气源热泵存在除霜控制不合理的问题，本发明旨在提供一种基于5g物联网技术的空气源热泵除霜调控方法和系统。
4.本发明的目的采用以下技术方案来实现：
5.一方面，本发明示出一种基于5g物联网技术的空气源热泵除霜调控方法，应用于空气源热泵集群的后台管理端，其中空气源热泵集群包括至少两台空气源热泵，各空气源热泵与后台管理端通信连接；该方法包括：
6.s1获取空气源热泵集群中各空气源热泵的状态信息，其中空气源热泵的状态信息包括状态采集信息或工作状态信息；其中工作状态包括待机状态、制热状态、自然除霜状态和逆循环除霜状态；
7.s2根据当前空气源热泵集群的总进出水温度信息和空气源热泵的状态信息控制各空气源热泵的工作状态转换。
8.一种实施方式中，空气源热泵上设置有热泵控制单元，热泵控制单元用于获取空气源热泵的状态信息，以及根据后台管理端发送的控制指令控制空气源热泵完成工作状态转换，其中热泵控制单元与后台管理端通信连接；
9.步骤s1中，获取空气源热泵集群中各空气源热泵的状态信息，包括：
10.接收由热泵控制单元传输的空气源热泵的状态信息，其中状态采集信息包括由热泵控制单元采集的空气源热泵的环境温度、环境湿度、翅片温度和吸气压力。
11.一种实施方式中，步骤s2中，根据当前空气源热泵集群的总进出水温度信息和空气源热泵的状态信息控制各空气源热泵的工作状态转换，具体包括：
12.s21根据当前空气源热泵集群的总进出水温度信息判断是否有制热需求；如果有制热需求，则选择一台待机状态的空气源热泵并向其发送控制指令，使该空气源热泵转换到制热状态；
13.s22根据当前空气源热泵集群的总进出水温度信息判断是否有停止制热需求；如果有停止制热需求，则选择一台制热状态的空气源热泵并向其发送控制指令，使该空气源热泵转换到自然除霜状态；
14.s23针对自然除霜状态的空气源热泵，根据空气源热泵的冷媒温度和翅片温度判断自然除霜状态是否完成，如果的冷媒温度和翅片温度均大于0℃，则向该空气源热泵发出控制指令，使该空气源热泵转换到待机状态。
15.一种实施方式中，当空气源热泵转处于自然除霜状态时，热泵控制单元根据接收到的控制指令控制空气源热泵的压缩机处于关闭状态，四通换向阀处于制热状态，电子膨胀阀保持待机开度使蒸发器内的制冷剂和储液器连通，风机处于自动运行状态；
16.其中风机的自动运行状态与该热泵检测的环境温度有关，如果环境温度≤0℃则风机停止，如果环境温度＞0℃则风机按照设定的周期间歇运行。
17.一种实施方式中，步骤s21还包括：
18.如果没有制热需求，后台管理终端进一步判断当前空气源热泵集群是否有待机除霜置换需求，如果有待机除霜置换需求，则选择一台制热状态的空气源热泵并向其发送控制指令，使该空气源热泵转换到自然除霜状态，并选择一台待机状态的空气源热泵向其发送控制指令，使该空气源热泵转换到制热状态。
19.一种实施方式中，步骤s21中，如果有制热需求，还包括：
20.进一步检测当前空气源热泵集群中是否存在待机状态的空气源热泵，如果存在待机状态的空气源热泵，则选择一台待机状态的空气源热泵并向其发送控制指令，使该空气源热泵转换到制热状态；如果不存在待机状态的空气源热泵，则选择一台自然除霜状态的空气源热泵并向其发送控制指令，使该空气源热泵转换到逆循环除霜状态。
21.一种实施方式中，步骤s22还包括：
22.如果没有停止制热需求，则进一步判断制热状态的空气源热泵是否达到最佳除霜时间，如果没有达到最佳除霜时间，则控制该空气源热泵保持制热状态；如果达到最佳除霜时间，则进一步判断当前空气源热泵集群中是否存在待机状态的空气源热泵，如果当前没有待机状态的空气源热泵，则向该到达最佳除霜时间空气源热泵发出控制指令，使其转换到逆循环除霜状态；如果当前存在待机状态的空气源热泵，则生成待机除霜置换需求，向该到达最佳除霜时间空气源热泵发出控制指令，使其转换到自然除霜状态，并选择一台待机状态的空气源热泵向其发送控制指令，使该空气源热泵转换到制热状态。
23.一种实施方式中，步骤s2中，根据当前空气源热泵集群的总进出水温度信息和空气源热泵的状态信息控制各空气源热泵的工作状态转换，还包括：
24.s24针对逆循环除霜状态的空气源热泵，根据该空气源热泵的翅片温度判断逆循环除霜是否完成，如果逆循环除霜完成，则向该空气源热泵发送控制指令，使该空气源热泵转换到制热状态。
25.一种实施方式中，该方法还包括：针对各空气源热泵采集到的环境温度数据，对所有空气源热泵采集的环境温度数据进行均方差计算，如果均方差小于等于设定阈值，则该热泵集群的环境温度等于所有空气源热泵采集的环境温度数据的平均值；如果均方差大于设定阈值，则判断为存在外在条件使检测数据不准确，对所有环境温度数据进行数据处理，依次过滤有偏差的环境温度数据，直到剩余数据的均方差小于等于设定阈值，使用剩余环
境温度数据的平均值作为空气源热泵集群的环境温度。
26.另一方面，一种基于5g物联网技术的空气源热泵除霜调控系统，包括后台管理端和空气源热泵集群，其中空气源热泵集群包括至少两个空气源热泵，每个空气源热泵上设置有热泵控制单元；热泵控制单元与后台管理端通信连接；
27.其中热泵控制单元用于获取空气源热泵的状态信息，以及根据后台管理端发送的控制指令控制空气源热泵完成工作状态转换；
28.后台管理端用于实现上述任一种实施方式所示的基于5g物联网技术的空气源热泵除霜调控方法。
29.本发明的有益效果为：
30.本发明基于后台管理端对空气源热泵的除霜及工作状态进行智能化控制，有助于提高空气源热泵除霜控制的节能水平。
31.本发明通过利用5g或其它移动通信网络，建立空气源热泵和后台管理端之间的数据连接。利用计算机的强大的信息处理能力，由后台管理端采集空气源热泵集群的状态信息，经数据处理和计算，发送控制指令到各空气源热泵，实现热泵机组的集群控制。
32.本发明增加空气源热泵的“自然除霜”运行状态，最大限度利用环境温度进行化霜。在自然除霜状态下，使用翅片温度和蒸发器内制冷剂的饱和蒸发温度相结合，判断化霜是否完成。能够有效提高空气源热泵除霜的节能水平。
附图说明
33.利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
34.图1为本发明一种基于5g物联网技术的空气源热泵除霜调控方法示例性实施例的方法流程图；
35.图2为本发明一种实施例所示的空气源热泵除霜控制流程图；
36.图3为本发明一种实施例所示的热泵控制单元框架结构图；
37.图4为本发明一种实施例所示的空气源热泵工作状态转换控制示意图；
38.图5为本发明一种实施例所示的空气源热泵工作状态示意图；
39.图6为本发明一种基于5g物联网技术的空气源热泵除霜调控系统示例性实施例的框架结构图。
具体实施方式
40.结合以下应用场景对本发明作进一步描述。
41.参见图1，其示出本发明一种基于5g物联网技术的空气源热泵除霜调控方法，其中该方法应用于空气源热泵集群的后台管理端，其中空气源热泵集群包括至少两台空气源热泵，各空气源热泵上设置有热泵控制单元，热泵控制单元用于获取空气源热泵的状态信息发送到后台管理端，以及根据后台管理端发送的控制指令控制空气源热泵完成工作状态转换，热泵控制单元与后台管理端通信连接；该方法包括：
42.s0后台管理端执行初始化操作，加载空气源热泵集群中的空气源热泵信息。
43.s1后台管理端获取空气源热泵集群中各空气源热泵的状态信息，其中空气源热泵的状态信息包括状态采集信息或工作状态信息；其中工作状态包括待机状态、制热状态、自然除霜状态和逆循环除霜状态等；其中状态采集信息包括由热泵控制单元采集的空气源热泵的环境温度、环境湿度、翅片温度和吸气压力等。
44.s2后台管理端根据当前空气源热泵集群的总进出水温度信息和空气源热泵的状态信息控制各空气源热泵的工作状态转换。
45.针对空气源热泵的结霜受环境温度、湿度、风速、热泵运行状态等多种因素影响。针对现有的空气源热泵通常由单台热泵自身内部的单片机进行结霜判断和控制除霜，受限于单片机的信息处理能力，对结霜的判断和除霜的控制都不够准确，造成能源的浪费。本发明上述实施方式，通过利用5g或其它移动通信网络，建立空气源热泵和后台管理端之间的数据连接。利用计算机的强大的信息处理能力，由后台管理端采集空气源热泵集群的状态信息，经数据处理和计算，发送控制指令到各空气源热泵，实现热泵机组的集群控制。
46.其中空气源热泵集群包含了多台空气源热泵共同完成目标加热任务。
47.一种实施方式中，后台管理端包括后台计算机、系统管理平台、云服务器等智能终端设备；热泵控制单元包括设置在各空气源热泵上的控制电路，或者空气源热泵的专用装置和外接控制装置等。
48.一种场景中，参见图2，空气源热泵集群除霜控制流程由空气源热泵控制电路和后台计算机共同完成，空气源热泵控制电路实现传感器信息的采集和状态转换的执行，后台计算机实现数据计算和控制指令下发。
49.后台计算机执行初始化操作，加载空气源热泵集群中的空气源热泵信息。
50.空气源热泵控制电路每个循环首先执行传感器信号的采集。
51.空气源热泵控制电路按照设定的时间间隔，发送到后台计算机。
52.后台计算机根据接收到空气源热泵发送的信息，使用该集群所有空气源热泵的数据进行数据计算，形成控制指令。
53.后台计算机发送控制指令到相关空气源热泵。
54.空气源热泵接收到后台计算机的控制指令后，判断是否需要改变工作状态，如果需要，则转换工作状态。
55.空气源热泵控制电路执行热泵的自动控制功能。
56.一种实施方式中，参见图3，热泵控制单元包括中央处理模块、电源模块、采集模块、驱动模块和5g通信模块；
57.电源模块用于将220v交流电源转换为热泵控制单元需要的低压直流电源；
58.采集模块用于采集空气源热泵的状态采集信息，其中状态采集信息包括环境温度、环境湿度、翅片温度和吸气压力等；
59.驱动模块包括空气源热泵的压缩机、四通换向阀、风机和电子膨胀阀等；
60.中央处理模块用于将采集模块采集的空气源热泵的状态采集信息传输到后台管理端，以及用于接收由后台管理端传输的控制指令，并根据接收到的控制指令控制驱动模块完成工作状态转换；
61.5g通信模块连接sim卡，用于建立热泵控制单元和后台管理端之间的tcp/ip数据通道，实现热泵控制单元和后台管理端的双向数据传输。
62.一种实施方式中，参见图4，步骤s2中，根据当前空气源热泵集群的总进出水温度信息和空气源热泵的状态信息控制各空气源热泵的工作状态转换，具体包括：
63.s21后台管理端根据当前空气源热泵集群的总进出水温度信息判断是否有制热需求(例如是否需要增加制热设备以提高水温)；如果有制热需求，则后台管理端选择一台待机状态的空气源热泵并向其发送控制指令，使该空气源热泵转换到制热状态；
64.s22后台管理端根据当前空气源热泵集群的总进出水温度信息判断是否有停止制热需求；如果有停止制热需求，则后台管理端选择一台制热状态的空气源热泵并向其发送控制指令，使该空气源热泵转换到自然除霜状态；
65.s23针对自然除霜状态的空气源热泵，后台管理端根据空气源热泵的冷媒温度和翅片温度判断自然除霜状态是否完成，如果的冷媒温度和翅片温度均大于0℃，则后台管理端向该空气源热泵发出控制指令，使该空气源热泵转换到待机状态。
66.参见图5，本方案定义了空气源热泵的四种工作状态：待机状态、制热状态、逆循环除霜状态和自然除霜状态。其中前三种工作状态采用现有技术。当空气源热泵处于自然除霜状态时，热泵控制单元根据接收到的控制指令控制空气源热泵的压缩机处于关闭状态，四通换向阀处于制热状态，电子膨胀阀保持待机开度使蒸发器内的制冷剂和储液器连通，风机处于自动运行状态；其中风机的自动运行状态与该热泵检测的环境温度有关，如果环境温度≤0℃则风机停止，如果环境温度＞0℃则风机按照设定的周期间歇运行。空气源热泵各工作状态的转换受后台计算机控制。
67.针对现有技术中热泵在判断空气源热泵满足除霜条件时，立即转到逆循环除霜模式，除霜完成后再返回制热模式，存在除霜方法不合理的现象，造成能源的浪费技术问题。而在实际运行中，如果环境条件允许，完全可以停掉该热泵并启动另一台待机的热泵，利用自然条件化霜。本发明增加空气源热泵的“自然除霜”运行状态，最大限度利用环境温度进行化霜。在自然除霜状态下，使用翅片温度和蒸发器内制冷剂的饱和蒸发温度相结合，判断化霜是否完成。能够有效提高空气源热泵除霜的节能水平。
68.一种实施方式中，步骤s21还包括：
69.如果没有制热需求，后台管理终端进一步判断当前空气源热泵集群是否有待机除霜置换需求(例如时集群中某一台设备需要从制热状态转到自然除霜状态，为了维持热源输出，需要补充一台待机设备进行制热)，如果有待机除霜置换需求，则后台管理端选择一台制热状态的空气源热泵并向其发送控制指令，使该空气源热泵转换到自然除霜状态，同时后台管理端选择一台待机状态的空气源热泵向其发送控制指令，使该空气源热泵转换到制热状态。
70.一种实施方式中，步骤s21中，如果有制热需求，还包括：
71.后台管理端进一步检测当前空气源热泵集群中是否存在待机状态的空气源热泵，如果存在待机状态的空气源热泵，则后台管理端选择一台待机状态的空气源热泵并向其发送控制指令，使该空气源热泵转换到制热状态；如果不存在待机状态的空气源热泵，则后台管理端选择一台自然除霜状态的空气源热泵并向其发送控制指令，使该空气源热泵转换到逆循环除霜状态。
72.一种实施方式中，步骤s22还包括：
73.如果没有停止制热需求，则后台管理端进一步判断制热状态的空气源热泵是否达
到最佳除霜时间，如果没有达到最佳除霜时间，则后台管理端控制该空气源热泵保持制热状态；如果达到最佳除霜时间，则后台管理端进一步判断当前环境温度是否大于0℃，如果环境温度小于或等于0℃，则后台管理端向该空气源热泵发出控制指令，使其转换到逆循环除霜状态；如果环境温度大于0℃，则后台管理端进一步判断当前空气源热泵集群中是否存在待机状态的空气源热泵，如果当前没有待机状态的空气源热泵，则后台管理端向该到达最佳除霜时间空气源热泵发出控制指令，使其转换到逆循环除霜状态；如果当前存在待机状态的空气源热泵，则后台管理端生成待机除霜置换需求，向该到达最佳除霜时间空气源热泵发出控制指令，使其转换到自然除霜状态，同时后台管理端选择一台待机状态的空气源热泵向其发送控制指令，使该空气源热泵转换到制热状态。
74.一种实施方式中，步骤s22中，判断制热状态的空气源热泵是否达到最佳除霜时间，具体包括：
75.后台管理端根据空气源热泵的状态采集信息计算当前的结霜程度，包括：根据每台热泵发送的数据，自动记录每一次结霜过程，利用大数据计算，生成各种温湿度环境下结霜过程中各状态采集信息变化特征值，并根据采集的状态采集信息，得到当前的结霜程度。
76.后台管理端根据当前的结霜程度，计算最佳除霜时间。
77.由于空气源热泵在结霜条件下制热会降低能效，热泵的每次启停同样需要一段时间才能达到最佳能效状态。本发明方法中通过在后台管理端中建立了结霜、除霜启动过程的能效曲线，利用最优算法，得到最佳的除霜时间点。
78.针对现有技术使用固定的判断条件作为触发除霜的依据，如果达不到该条件，则不进行除霜。空气源热泵随着结霜的加剧，能效逐渐下降，如果长时间达不到除霜触发条件，会影响热泵的整体能效。上述实施方式，利用大数据技术建立每台热泵在各个工况点的数据，在热泵制热状态下，通过数据对比，计算结霜程度。根据热泵集群的综合运行状态，使用最优算法判断热泵是否需要除霜，代替现有技术采用单机自身除霜判断的方法，使能源使用更加合理。
79.一种实施方式中，步骤s2中，后台管理端根据当前空气源热泵集群的总进出水温度信息和空气源热泵的状态信息控制各空气源热泵的工作状态转换，还包括：
80.s24后台管理端针对逆循环除霜状态的空气源热泵，根据该空气源热泵的翅片温度判断逆循环除霜是否完成，如果逆循环除霜完成，则后台管理端向该空气源热泵发送控制指令，使该空气源热泵转换到制热状态。
81.一种实施方式中，该方法还包括：后台管理端针对各空气源热泵采集到的环境温度数据，对所有空气源热泵采集的环境温度数据进行均方差计算，如果均方差小于等于设定阈值，则该热泵集群的环境温度等于所有热泵采集数据的平均值；如果均方差大于设定阈值，则判断为存在外在条件使检测数据不准确，对所有数据进行数据处理，依次过滤有偏差的数据，直到剩余数据的均方差小于等于设定阈值，使用剩余数据的平均值作为空气源热泵集群的环境温度。
82.针对现有技术中对空气源单台热泵根据环境温度和翅片温度判断结霜条件，存在环境温度采集不准确的问题。为了保证测量的准确性，标准测量环境空气温度的方法需要使用百叶箱，而空气源热泵一般不具备这种条件，因此测量环境温度存在偏差。单台热泵用环境温度和翅片温度的温差作为结霜判断的条件，环境温度测量的偏差会造成结霜判断不
准确，造成两种浪费能源的现象：一是产生误除霜现象，即热泵未结霜时就执行除霜操作；二是产生延误除霜或除霜不彻底的现象，热泵存在长时间结霜运行的情况，制热能效会大大低于正常值。
83.本发明基于后台管理端，采集所有空气源热泵的环境温度传感器数值作为计算数据，对数据进行均方差计算，过滤温度值偏高及个别偏低的数据。使用计算处理后的环境温度值代替单热泵的采集数值判断每一台热泵的结霜情况，降低因日晒或结冰等因素造成的测量偏差，提高判断的准确性。
84.一种场景中，空气湿度数据也可以采用上述方式来进行处理，以过滤个别湿度值偏高及偏低的数据，提高测量和判断的准确性。
85.参见图6，其示出本发明一种基于5g物联网技术的空气源热泵除霜调控系统，包括后台管理端和空气源热泵集群，其中空气源热泵集群包括至少两个空气源热泵，每个空气源热泵上设置有热泵控制单元；热泵控制单元与后台管理端通信连接；
86.其中热泵控制单元用于获取空气源热泵的状态信息，以及根据后台管理端发送的控制指令控制空气源热泵完成工作状态转换；
87.后台管理端用于实现上述任一种实施方式所示的基于5g物联网技术的空气源热泵除霜调控方法。
88.其中，本发明上述提出的空气源热泵除霜调控系统分为两部分，第一部分是空气源热泵机组的热泵控制单元，用来实现空气源热泵的状态信息采集和运行控制。在本发明中，每台空气源热泵均由一个控制电路(热泵控制单元)进行控制，多台空气源热泵共同构成成空气源热泵集群。第二部分是连接在因特网上的后台管理终端(后台计算机)，用来远程自动控制空气源热泵集群中的每一台热泵的运行状态。其中空气源热泵的制热原理、逆循环除霜控制原理、热泵集群的水温调控等为已知技术，本技术不再重复说明。
89.需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能单元/模块可以集成在一个处理单元/模块中，也可以是各个单元/模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元/模块集成在一个单元/模块中。上述集成的单元/模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元/模块的形式实现。
90.通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理设备(dspd)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于ram、rom、eeprom、cd
‑
rom或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。
91.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，而非对本发明保
护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。