一種高水溫?zé)岜脽崴骺刂破脚_(tái)的搭建和算法研究

孫成龍 楊磊 杜順祥 田金城

青島海爾新能源電器有限公司 山東青島 266103

1 引言

隨著行業(yè)技術(shù)發(fā)展及人民生活水平提高，人們對(duì)生活熱水的需求越來越大。熱水消耗能源已占家庭能耗中較大比重，當(dāng)前電熱水器使用量幾乎占熱水器市場(chǎng)的1/2，能耗很大。近幾年快速發(fā)展的空氣源熱泵熱水器，能效比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電熱水器，大幅降低能源消耗和減少二氧化碳排放。

熱泵熱水器作為能源型熱水器的新細(xì)分產(chǎn)品，于2004年正式進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，為熱水器行業(yè)注入了新鮮血液。與其他熱水器相比，熱泵熱水器節(jié)能、安全的優(yōu)勢(shì)十分突出[1]。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的空氣源熱泵熱水器大多只能加熱到55℃或65℃，如果用戶需要更高溫度的熱水，就需要電輔助加熱器來完成，因?yàn)殡娂訜崞飨碾娔苁菬岜脽崴鞯?倍左右，因此還是會(huì)消耗大量電能。能夠產(chǎn)出更高溫度熱水的熱泵熱水器必然會(huì)更能滿足用戶節(jié)能需求。同時(shí)，生產(chǎn)更高溫度的熱水可以減小熱泵熱水器儲(chǔ)水箱容積，節(jié)約用戶安裝空間，便于熱泵熱水器的普及推廣。

2 高水溫?zé)岜脽崴骺刂葡到y(tǒng)組成及控制方案

2.1 高水溫?zé)岜脽崴鞯拈_發(fā)路線和問題分析

目前業(yè)內(nèi)高水溫系統(tǒng)開發(fā)有兩條技術(shù)路線：

（1）CO2系統(tǒng)自然工質(zhì)，但排氣壓力高，超臨界運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求非常高。

（2）R134a系統(tǒng)環(huán)保冷媒，排氣壓力低，排氣溫度低，和現(xiàn)有熱泵系統(tǒng)差異很小，是目前高水溫機(jī)種的優(yōu)選冷媒。

鑒于CO2系統(tǒng)高要求設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性，一般很少考慮實(shí)施該方案；R134a系統(tǒng)雖然有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于高溫水控制存在如下問題：

（1）常規(guī)壓縮機(jī)運(yùn)行范圍不足以生產(chǎn)80℃熱水；（2）高水溫時(shí)蒸發(fā)器分流不均勻，導(dǎo)致能效下降和壓比增大；（3）高水溫時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度過高或過載，壓縮機(jī)壽命下降。

通過改善泵體結(jié)構(gòu)強(qiáng)化、電機(jī)能力提升、循環(huán)油路優(yōu)化，改善不同工況蒸發(fā)器各流路壓降及冷媒循環(huán)總量變化規(guī)律可以解決上述兩個(gè)問題。本文闡述通過控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)和算法來改善節(jié)流元件——電子膨脹閥的調(diào)節(jié)，從而解決R134a系統(tǒng)高水溫時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度過高或過載的問題。

2.2 常見普通熱泵熱水器的控制方案

家用熱泵熱水器在調(diào)試系統(tǒng)時(shí)常用的控制電子膨脹閥的算法有吸氣過熱度和排氣過熱度兩種，吸氣過熱度在低水溫區(qū)段能夠很好的保證蒸發(fā)器里面的冷媒氣態(tài)化，系統(tǒng)調(diào)試平穩(wěn)且效率高，但是面向高水溫對(duì)排氣溫度、系統(tǒng)的高壓力、高負(fù)荷調(diào)試存在困難；排氣過熱度能夠很好的調(diào)節(jié)高溫水段對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)平衡，但是對(duì)于低溫水段，很難做到吸氣過熱度調(diào)節(jié)的平滑，蒸發(fā)器系統(tǒng)的高效性，所以熱水器行業(yè)很少用排氣過熱度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)流元件[3]。本文控制方案的提出也是按照吸氣過熱度和改善后的新算法來對(duì)比展開的。

2.3 高水溫?zé)岜脽崴鞯南到y(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的高水溫?zé)岜脽崴骺刂葡到y(tǒng)如圖1所示（其中紅色代表高溫冷媒流向，黑色代表低溫冷媒流向），系統(tǒng)包含壓縮機(jī)、四通閥、蒸發(fā)器、風(fēng)機(jī)、冷凝器水箱等五大部門；系統(tǒng)選用R134A環(huán)保冷媒、日立WHP05100BUV-G4AQ壓縮機(jī)，可在-7℃的工況下工作，且衰減較小。

2.4 高水溫?zé)岜脽崴鞯南到y(tǒng)控制平臺(tái)搭建

根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出需求，將系統(tǒng)的傳感器、水流量等輸入?yún)?shù)，壓縮機(jī)、四通閥、風(fēng)機(jī)等輸出執(zhí)行單元通過高微處理器串在一起，通過電腦板硬件搭配組成控制平臺(tái)（圖2）。

微處理器采用R5F212A7SNFA-QFP64，利用輸入傳感器采集相關(guān)參數(shù)，結(jié)合EEPROM，通過控制算法驅(qū)動(dòng)相關(guān)電子執(zhí)行元件，調(diào)節(jié)空氣源熱泵熱水器冷媒流量，從而達(dá)到靜態(tài)80度高水溫，排氣不超溫、系統(tǒng)不過載的要求，控制系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖3所示，其中To代表吸氣溫度；Tci代表蒸發(fā)溫度；Te代表環(huán)溫；TS代表設(shè)定水溫；Tr代表實(shí)際水溫。

2.5 高水溫?zé)岜脽崴鞯目刂扑惴?/h3>

S1、建立并存儲(chǔ)

環(huán)溫—水溫—初始開度查找表、排氣溫度分段—環(huán)溫分段—目標(biāo)吸氣過熱度查找表、排氣溫度差—調(diào)閥步數(shù)—調(diào)閥頻率表，計(jì)算并存儲(chǔ)臨界排氣溫度Tmax，所述臨界排氣溫度Tmax為利用吸氣過熱度控制調(diào)閥時(shí)，水溫逐漸升高，在滿足系統(tǒng)性能參數(shù)曲線波動(dòng)位于設(shè)定范圍內(nèi)的前提下，所對(duì)應(yīng)的最大排氣溫度值；系統(tǒng)性能參數(shù)至少包括：排氣溫度、吸氣溫度、水溫、蒸發(fā)器溫度等。

其中，上述各查找表及臨界排氣溫度Tmax通過預(yù)先試驗(yàn)獲得，僅利用吸氣過熱度控制調(diào)閥，在不同環(huán)溫下進(jìn)行試驗(yàn)，獲得初始數(shù)據(jù)，節(jié)流元件的初始開度、臨界排氣溫度Tmax等。

圖1 高水溫?zé)岜孟到y(tǒng)示意圖

圖2 高微處理器R5F212A7SNFAQFP64輸入輸出

圖3 控制平臺(tái)對(duì)應(yīng)的拓?fù)鋱D

圖4 控制控制算法流程圖

表1 與其他類型熱泵熱水器節(jié)電量與環(huán)保效果對(duì)比

圖5 系統(tǒng)參數(shù)隨著時(shí)間變化曲線

圖6 系統(tǒng)參數(shù)隨著時(shí)間變化曲線

環(huán)溫—水溫—初始開度查找表、排氣溫度分段—環(huán)溫分段—目標(biāo)吸氣過熱度查找表、排氣溫度差—調(diào)閥步數(shù)—調(diào)閥頻率表、臨界排氣溫度Tmax可以存儲(chǔ)于EEPROM中。

S2、檢測(cè)當(dāng)前環(huán)溫和水溫

從所述環(huán)溫-水溫-初始開度查找表中查找出所對(duì)應(yīng)的初始開度，并將節(jié)流元件調(diào)節(jié)至該初始開度；系統(tǒng)開機(jī)后，即進(jìn)行檢測(cè)當(dāng)前環(huán)溫和水溫，并查找初始開度。環(huán)溫-水溫-初始開度查找表是預(yù)先試驗(yàn)測(cè)得，不同環(huán)溫、水溫時(shí)所對(duì)應(yīng)的能夠使熱水器處于最佳性能狀態(tài)時(shí)的節(jié)流元件開度。

S3、周期采集壓縮機(jī)的排氣溫度T

將排氣溫度T與臨界排氣溫度Tmax進(jìn)行比較，當(dāng)T＜Tmax時(shí)，采用吸氣過熱度控制調(diào)節(jié)所述節(jié)流元件的開度，當(dāng)T≥Tmax時(shí)，采用排氣過熱度控制調(diào)節(jié)所述節(jié)流元件的開度。

開機(jī)后隨著換熱系統(tǒng)工作，水溫逐漸上升，低水溫時(shí)，相應(yīng)排氣溫度較低，對(duì)壓縮機(jī)造成的壓力較小，此時(shí)首先考慮提高蒸發(fā)器內(nèi)冷媒的蒸發(fā)效率，也即保證進(jìn)入蒸發(fā)器更多的冷媒且能夠完全蒸發(fā)，以給水箱內(nèi)的水提供更多的熱量進(jìn)行加熱，因此，采用吸氣過熱度進(jìn)行控制調(diào)閥，且調(diào)閥平穩(wěn)且換熱效率最高，隨著水溫的逐漸上升，排氣溫度相應(yīng)升高，當(dāng)升高至大于或等于Tmax時(shí)，排氣溫度過高將會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部線圈溫度太高，相應(yīng)絕緣性降低，造成壓縮機(jī)油碳化，而此時(shí)需要加大節(jié)流元件開度以間接控制排氣溫度，此時(shí)采用排氣過熱度控制調(diào)閥的方式相對(duì)來說更直接，更有效，可以快速有效降低對(duì)壓縮機(jī)的損壞。圖4為控制控制算法流程圖。

步驟S1中，在不同環(huán)溫下進(jìn)行吸氣過熱度控制調(diào)節(jié)所述節(jié)流元件的開度試驗(yàn)，其中，每個(gè)環(huán)溫下進(jìn)行吸氣過熱度控制調(diào)節(jié)所述節(jié)流元件的開度試驗(yàn)時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)最大排氣溫度值，臨界排氣溫度Tmax為所有環(huán)溫下所對(duì)應(yīng)最大排氣溫度值中的最小值，以盡可能保證臨界排氣溫度Tmax適合于所有環(huán)溫。

排氣溫度分段—環(huán)溫分段—目標(biāo)吸氣過熱度查找表中，各排氣溫度分段和環(huán)溫分段所對(duì)應(yīng)的能夠使得蒸發(fā)器內(nèi)冷媒全部蒸發(fā)時(shí)的吸氣過熱度為目標(biāo)吸氣過熱度。

步驟S2中，采用吸氣過熱度控制調(diào)節(jié)節(jié)流元件的開度的方法為：

檢測(cè)當(dāng)前吸氣溫度To、蒸發(fā)器溫度Tci、排氣溫度，查找排氣溫度所落入的排氣溫度分段，以及查找環(huán)溫所落入的環(huán)溫分段，從排氣溫度分段-環(huán)溫分段-目標(biāo)吸氣過熱度查找表中查找出當(dāng)前排氣溫度以及環(huán)溫下所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)吸氣過熱度Δt1，計(jì)算目標(biāo)調(diào)閥步數(shù)ΔP：

ΔP=（To-Tci）Δt1

根據(jù)目標(biāo)調(diào)閥步數(shù)ΔP計(jì)算節(jié)流元件下一時(shí)刻開度Pi+1：

Pi+1-Pi+ΔP

其中，Pi為節(jié)流元件當(dāng)前開度。

采用吸氣過熱度控制調(diào)閥的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在確保蒸發(fā)器完全蒸發(fā)的前提下輸入更多的冷媒，以提高換熱效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱內(nèi)水的快速加熱。此時(shí)排氣過熱度小于設(shè)定閾值，因此，系統(tǒng)運(yùn)行性能較為平穩(wěn)，不會(huì)對(duì)壓縮機(jī)造成額外損害。

為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，還包括對(duì)開機(jī)時(shí)間計(jì)時(shí)的步驟，在開機(jī)時(shí)間小于t1分鐘時(shí)間內(nèi)不調(diào)節(jié)節(jié)流元件，其中t1＞0。

本實(shí)施例的步驟S2中，采用排氣過熱度控制調(diào)節(jié)節(jié)流元件的開度的方法為：

計(jì)算目標(biāo)排氣溫度Tm：

其中，Tr為當(dāng)前水溫，Tr1為從吸氣過熱度控制調(diào)節(jié)所述節(jié)流元件的開度切換到排氣過熱度控制調(diào)節(jié)所述節(jié)流元件的開度時(shí)的水溫，Ts為設(shè)定水溫，γ為大于零的常系數(shù)；目標(biāo)排氣溫度是用于在最大化滿足熱水器性能時(shí)又不會(huì)對(duì)壓縮機(jī)造成過度損害的排氣溫度。

計(jì)算排氣溫度差Δt2：

根據(jù)排氣溫度差Δt2從排氣溫度差—調(diào)閥步數(shù)—調(diào)閥頻率表中查找出所對(duì)應(yīng)的調(diào)閥步數(shù)和調(diào)閥頻率，并按照所述調(diào)閥步數(shù)和調(diào)閥頻率調(diào)節(jié)所述節(jié)流元件的開度。采用排氣過熱度控制調(diào)閥，調(diào)閥步數(shù)和調(diào)閥頻率在計(jì)算出排氣溫度差Δt2之后可以直接差別得到，當(dāng)Δt2落在排氣溫度差—調(diào)閥步數(shù)—調(diào)閥頻率表的某一溫度區(qū)間，節(jié)流元件就會(huì)相應(yīng)地以一定的速率開閥、關(guān)閥、或者保持不變直到加熱到設(shè)定水溫。

步驟S2中，當(dāng)檢測(cè)到T≥Tmax時(shí)，持續(xù)時(shí)間t2之后切換為采用排氣過熱度控制調(diào)節(jié)所述節(jié)流元件的開度，其中，t2＞0。

隨著熱水器處于的工況變化，排氣溫度也時(shí)刻變化，因此，采用排氣過熱度控制調(diào)閥還是吸氣過熱度控制調(diào)閥也是可以相應(yīng)的相互轉(zhuǎn)換的，在排氣過熱度控制調(diào)閥此過程中若因?yàn)橛脩舸罅髁坑盟?、或者機(jī)器停機(jī)再開機(jī)等導(dǎo)致排氣溫度小于Tmax時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)相應(yīng)的切換到吸氣過熱度控制調(diào)閥，適時(shí)轉(zhuǎn)換直至達(dá)到設(shè)定水溫[4]。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)參數(shù)隨著時(shí)間變化曲線

當(dāng)環(huán)境溫度40℃時(shí)，水溫從29℃加熱到80℃過程中，

采用電子膨脹閥吸氣過熱控制系統(tǒng)在水溫70℃以上開始反復(fù)開停風(fēng)機(jī)，平均間隔6分鐘，壓縮機(jī)吸氣在回液和過熱狀態(tài)間波動(dòng)（見圖5）。

采用電子膨脹閥吸氣過熱及排氣溫度綜合控制技術(shù)的系統(tǒng)在高排氣溫度區(qū)間開始進(jìn)行電子膨脹閥反向調(diào)節(jié)，見圖6（高壓和低壓參數(shù)分別在原來的基礎(chǔ)上面變化10倍，方便繪圖對(duì)比）。

壓縮機(jī)吸氣始終在過熱狀態(tài)間波動(dòng)，未出現(xiàn)停風(fēng)機(jī)動(dòng)作，這樣能有效防止壓縮機(jī)過熱或過載現(xiàn)象發(fā)生，減少蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)保護(hù)的次數(shù)和頻度，提高熱泵系統(tǒng)制熱能力，并減少對(duì)壓縮機(jī)壽命的損害。

3.2 名義工況下兩種控制算法的性能對(duì)比

在名義工況干球20度，濕球15度工況下，進(jìn)水15度，出水55度（水側(cè)溫度±0.5℃，濕球球±0.5℃，干球±1℃）條件下，同一個(gè)機(jī)器兩種控制算法的性能對(duì)比如圖7所示。

4 結(jié)論

第一，本實(shí)例的熱泵熱水器節(jié)流元件控制方法，會(huì)隨著排氣溫度的變化適時(shí)轉(zhuǎn)換采用吸氣過熱度控制調(diào)閥和排氣過熱度控制調(diào)閥，這樣既能夠保證低水溫區(qū)域系統(tǒng)調(diào)試平穩(wěn)且效率高，又能夠在高水溫時(shí)，采用排氣過熱度控制更直接有效，解決了由于排氣溫度高導(dǎo)致的壓縮機(jī)內(nèi)部線圈溫度太高，絕緣性降低，壓縮機(jī)油碳化的問題。

圖7 新舊算法前后的性能對(duì)比

圖8 與其他類型熱泵熱水器節(jié)能對(duì)比

第二，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以看出本控制平臺(tái)和相應(yīng)的算法能夠有效避免壓縮機(jī)吸氣在回液和過熱狀態(tài)間波動(dòng)導(dǎo)致的各項(xiàng)參數(shù)波動(dòng)，有效防止壓縮機(jī)過熱或過載現(xiàn)象發(fā)生，減少蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)保護(hù)的次數(shù)和頻度，提高熱泵系統(tǒng)制熱能力，并減少對(duì)壓縮機(jī)壽命的損害。

第三，名義工況下系統(tǒng)的制熱量、COP、消耗功率也優(yōu)于單獨(dú)的吸氣過熱度調(diào)節(jié)。

第四，本文設(shè)計(jì)的新型熱泵熱水器、普通R22或者R410A 、普通熱泵 R134A節(jié)能對(duì)比[5]如圖8所示。

第五，本文設(shè)計(jì)的新型熱泵熱水器、電熱水器和普通熱泵熱水器節(jié)電量與環(huán)保效果對(duì)比。按1萬個(gè)用戶，每天每戶用水300L為例，每年的節(jié)電量和減少的二氧化碳排放量如表1所示。

[1] 董際鼎，付吉鋒. 高水溫空氣源熱泵熱水器的研制[J]. 制冷與空調(diào)，2015, 15(5): 12-16.

[2] EPLA. Global Market Outlook for Photovoltaic until 2015[OL],2010.

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[5] 宋光前，徐新華，吳丹. 復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)及運(yùn)行控制模擬分析[J].制冷與空調(diào)，2013,27(3): 280-283.