基于TRIZ理論的CO2熱泵機(jī)組產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計

石征錦 富斯盟 蘇新宇 皇甫尚偉 張孝順

（1.沈陽理工大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽 110159；2.沈陽群賀新能源科技有限公司，沈陽 110168）

近年來，CO2空氣源熱泵機(jī)組產(chǎn)品發(fā)展非常迅速，由于其具有無污染、能效比高、運(yùn)行費(fèi)用低、節(jié)能、控制技術(shù)先進(jìn)、占地面積小等優(yōu)勢，正逐步取代燃煤鍋爐，成為新一代重要熱源，特別是在冬季最低溫度不低于零下20℃的地區(qū)，市場發(fā)展非常迅猛。但是，這種熱泵機(jī)組產(chǎn)品在一些地區(qū)遇到了較大的推廣瓶頸，主要原因是目前國內(nèi)市場上的空氣源熱泵產(chǎn)品存在一些缺點(diǎn)。

一是北方冬季寒冷，由于CO2空氣源熱泵介質(zhì)交換的閥門國內(nèi)還無法突破關(guān)鍵技術(shù)，在-20℃以下時，其常常無法可靠工作；二是由于CO2空氣源熱泵介質(zhì)交換的整個循環(huán)過程系統(tǒng)壓力在0～0.8MPa，造成過程控制不平穩(wěn)，嚴(yán)重影響了換熱后水箱出水溫度；三是空氣源熱泵頻繁啟停，縮短壽命，能耗高，運(yùn)行成本加大，用戶采用意愿不高；四是控制動作頻繁變化時故障率偏高，影響用戶使用[1]。

為此，筆者分析現(xiàn)有CHP-80Y型CO2空氣源熱泵機(jī)組產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)存在不足，根據(jù)TRIZ創(chuàng)新理論提煉出現(xiàn)有CHP-80Y型CO2空氣源熱泵機(jī)組17個矛盾對立的技術(shù)參數(shù)和13個標(biāo)準(zhǔn)解，組成矛盾矩陣，針對系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，開發(fā)新型CHP-90Y型CO2空氣源熱泵機(jī)組。

1 矛盾沖突矩陣的分析和建立

根據(jù)TRIZ創(chuàng)新理論39個系統(tǒng)矛盾對立的技術(shù)參數(shù)、解決矛盾的40個標(biāo)準(zhǔn)方法，針對現(xiàn)有CHP-80Y型CO2空氣源熱泵機(jī)組，筆者提煉出17個矛盾對立的技術(shù)參數(shù)[2]。具體涉及的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

依據(jù)17個矛盾對立的技術(shù)參數(shù)，筆者通過分析40個發(fā)明原理，去除不合適的方案，確定了可用的13個發(fā)明原理，如表2所示。

2 基于TRIZ理論的CO2空氣源熱泵機(jī)組產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計

CO2空氣源熱泵機(jī)組由于牽扯的元件多，控制技術(shù)復(fù)雜，相互關(guān)聯(lián)度高。在進(jìn)行TRIZ理論產(chǎn)品設(shè)計過程中，人們需要結(jié)合多種創(chuàng)新方法，其涉及了13個發(fā)明原理。

2.1 CO2空氣源熱泵機(jī)組產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計

根據(jù)機(jī)組結(jié)構(gòu)，筆者從熱泵安裝位置、介質(zhì)循環(huán)回路、吸出風(fēng)機(jī)功率匹配、吸風(fēng)機(jī)與機(jī)組的余熱利用、機(jī)組運(yùn)行噪聲抑制等方面找出8個矛盾對立的技術(shù)參數(shù)，5個標(biāo)準(zhǔn)解，構(gòu)建矛盾矩陣，分析原因，采用噴射式雙極性結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計機(jī)組整體結(jié)構(gòu)[3]。

表1 17個矛盾對立的技術(shù)參數(shù)

表2 13個可用發(fā)明原理

筆者利用沖突解決矩陣分析以上問題，在39個標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)中確定技術(shù)沖突的一對特定參數(shù)。如提高機(jī)組的穩(wěn)定性（13），則CO2機(jī)組的降低機(jī)組的能量損失變壞（22），根據(jù)沖突矩陣表，其解決的方法是：No.02抽取/分離原則、No.14曲面化原則、No.06多用性原則以及No.39惰性環(huán)境原則。經(jīng)分析，No.02、No.14、No.39不合適，只保留No.06方案。

原有CHP-80Y型CO2空氣源熱泵機(jī)組采用的是上寬下窄式外形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由于沒有考慮高寒地區(qū)的特殊情況，機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較緊湊，循環(huán)風(fēng)力較小，無防凍功能。

改進(jìn)后，CHP-90Y型CO2空氣源熱泵機(jī)組采用上下寬窄相同的外形結(jié)構(gòu)，如圖2所示，增加風(fēng)扇換氣面積，采用逆流回路布置，保證冷媒的過冷度，有效提高了制熱效率和機(jī)組低溫的正常運(yùn)行?？紤]高寒地區(qū)的特殊情況，機(jī)組柜體內(nèi)部結(jié)構(gòu)加裝預(yù)熱防凍裝置，防止水泵、水管凍裂，循環(huán)風(fēng)力加大，大大提高換熱效率，更加適合高寒地區(qū)使用。

圖1 CHP-80Y型機(jī)組外形圖

圖2 CHP-90Y型機(jī)組外形圖

2.2 CO2熱泵機(jī)組控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計

根據(jù)TRIZ創(chuàng)新理論，針對本項(xiàng)目內(nèi)容，筆者提煉出9個矛盾對立的技術(shù)參數(shù)、8個標(biāo)準(zhǔn)解，然后組成矛盾矩陣，針對CHP-80Y型CO2熱泵機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，形成CHP-90Y型CO2熱泵機(jī)組控制系統(tǒng)[4]。由于CO2熱泵機(jī)組對控制系統(tǒng)要求比較復(fù)雜，其必須采用先進(jìn)的控制算法，實(shí)現(xiàn)溫度的平穩(wěn)控制[5]。

如提高機(jī)組的自動化程度（38），則CO2機(jī)組的自動化程度變壞（38），根據(jù)沖突矩陣表，其解決的方法是：No.05組合/合并原則、No.12等勢原則、No.26復(fù)制原理以及No.35改變物體性質(zhì)原則。經(jīng)分析，No.12、No.26、No.35不合適，只保留No.05方案。

2.2.1 水源熱泵控制

將水源熱泵的加熱端進(jìn)、出水接口連接到空氣源熱泵工位處的進(jìn)、出水端接口，通過溫度變送器采集現(xiàn)場溫水槽及冰水槽水溫，在水溫達(dá)到設(shè)定溫度后自動停止溫水及冰水槽的加溫及制冷循環(huán)，通過變頻泵進(jìn)入冷熱水混合調(diào)節(jié)閥。其中變頻泵受泵出口壓力控制（1～1.5kg/cm2），采用PID調(diào)節(jié)器自動控制變頻器，使水泵輸出始終跟蹤在設(shè)定值。

2.2.2 二氧化碳空氣源熱泵控制

通過溫度變送器采集現(xiàn)場溫水槽溫度及冰水槽水溫，通過變頻泵進(jìn)入冷熱水混合調(diào)節(jié)閥。其中，變頻泵受泵出口壓力控制（1～1.5kg/cm2），使混合后達(dá)到設(shè)定溫度進(jìn)入空氣源熱泵。加熱后的熱水根據(jù)熱水槽溫度進(jìn)行判斷，選擇流入熱水槽或排出。

2.2.3 采用PLC控制來分時段控制空氣源熱泵

采用PLC控制，根據(jù)峰谷平電價對空氣源熱泵分時段進(jìn)行控制，在谷時段工作，并進(jìn)行一定程度的儲能，減少空氣源熱泵在峰平時段的工作時間，降低運(yùn)行費(fèi)用。

2.2.4 采用耦合控制算法進(jìn)行溫度的平穩(wěn)控制

采用先進(jìn)的耦合控制算法，通過對機(jī)組結(jié)構(gòu)、管路的優(yōu)化，采集溫度、壓力、流量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度的平穩(wěn)控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)室溫的穩(wěn)定。

2.2.5 添加變頻器進(jìn)行閉環(huán)控制

在控制系統(tǒng)中添加變頻器，對用戶側(cè)水泵進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，節(jié)省大量的電能，增加熱泵啟停間隔時間，減少熱泵故障率，提高熱泵的使用壽命。

3 結(jié)論

通過創(chuàng)新設(shè)計，筆者研制出CHP-90Y型CO2空氣源熱泵機(jī)組。經(jīng)過一個采暖期的使用，其展現(xiàn)出如下優(yōu)點(diǎn)。

（1）制熱效率高，加熱水至相同溫度，與輸入同功率的電加熱相比較，時間可減少60%～80%，可快速滿足用戶的需求；節(jié)能，CHP-90Y型CO2空氣源熱泵機(jī)組與傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐、電加熱器對比，可節(jié)省40%～66.5%的運(yùn)行費(fèi)用；利用峰谷平電價對空氣源熱泵分時段進(jìn)行控制，在谷時段工作，并進(jìn)行一定的儲能，減少在峰時段的工作時間，降低運(yùn)行費(fèi)用。

（2）采用先進(jìn)的控制算法，通過對機(jī)組結(jié)構(gòu)、管路的優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了溫度的平穩(wěn)控制；循環(huán)系統(tǒng)采用變頻控制，通過PID調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；增加熱泵啟停間隔時間，減少熱泵故障率，提高熱泵的使用壽命；熱泵采用噴射式雙極性結(jié)構(gòu)，輔以先進(jìn)的耦合和變頻控制技術(shù)，提高了機(jī)組COP，使CO2熱泵機(jī)組在高寒地區(qū)仍有很高的效率，擴(kuò)展了CO2熱泵機(jī)組的應(yīng)用區(qū)域。