淺談提高空氣源熱泵熱水器性能的途徑

魏許建 彭萼忠 陳駿驥

（廣東長(zhǎng)菱空調(diào)冷氣機(jī)制造有限公司，廣東 佛山 528313）

空氣源熱泵熱水器是繼燃?xì)鉄崴?、電熱水器和太陽能熱水器之后的新一代熱水裝置,具有高效節(jié)能、安全可靠、環(huán)保等特點(diǎn),在我國得到高速發(fā)展。然而，我國在2009年9月1日起實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T23137－2008《家用和類似用途熱泵熱水器》的引導(dǎo)下，熱泵熱水器產(chǎn)品開始發(fā)展，市場(chǎng)份額在2009年初不足3%，2010年剛超過5%。熱泵熱水器在國內(nèi)發(fā)展比較緩慢的主要原因是：技術(shù)難度大、受影響因素多、產(chǎn)品的可靠性不易保障。雖然熱泵熱水器系統(tǒng)和熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理相同，但是運(yùn)行工況更惡劣、運(yùn)行溫度范圍更寬。熱泵空調(diào)將室外低溫空氣中的熱量泵到室內(nèi)空氣環(huán)境中，室內(nèi)溫度運(yùn)行的范圍一般在18～30℃之間，但熱泵熱水器室內(nèi)側(cè)水箱中的熱水溫度范圍為5～55℃，此種運(yùn)行溫度范圍對(duì)熱泵熱水器系統(tǒng)提出了更高的要求。

1 影響空氣源熱泵熱水器性能的因素分析

空氣源熱泵熱水器性能是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。空氣源熱泵熱水器的性能要求是在額定功率下，在規(guī)定的氣溫范圍內(nèi)(一般為5℃以上)把自來水加熱到設(shè)定溫度(一般為50～60℃左右)的加熱速度。但一些空氣源熱泵熱水器由于各種原因達(dá)不到這個(gè)要求，主要有以下幾個(gè)方面：

圖1 整個(gè)系統(tǒng)故障樹

（1）空氣源熱泵熱水器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長(zhǎng)期以來研發(fā)人員主要關(guān)心產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)其可靠性很少進(jìn)行研究，而產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是決定了產(chǎn)品固有可靠性。

（2）目前我國空氣源熱泵熱水器處于市場(chǎng)培育階段，多數(shù)企業(yè)是小批量生產(chǎn)，很多工序采用手工作業(yè)，降低了產(chǎn)品的可靠性水平。例如，熱泵機(jī)組中連接壓縮機(jī)、電磁換向四通閥、蒸發(fā)器、換熱器和氣液分離器等部件的銅管折彎以及銅管的焊接，采用手工完成，人為因素會(huì)影響整個(gè)機(jī)組可靠性水平。

（3）空氣源熱泵熱水器的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)制定和實(shí)施時(shí)間比較晚?？諝庠礋岜脽崴鞯暮芏嗔悴考际鞘褂每照{(diào)的配件，還沒有全部按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造?？諝庠礋岜脽崴骱涂照{(diào)的工作環(huán)境不同，空氣源熱泵熱水器的工作環(huán)境惡劣些。例如空氣源熱泵熱水器直接采用空調(diào)壓縮機(jī)，勢(shì)必會(huì)影響壓縮機(jī)的壽命以及可靠性水平。

（4）空氣源熱泵熱水器的安裝和使用維護(hù)，特別是使用維護(hù)方面，存在很多問題，進(jìn)而影響到其使用過程可靠性。例如，機(jī)組安裝的位置要符合規(guī)定要求，蒸發(fā)器要定期清理等，否則會(huì)影響其可靠性。

2 空氣源熱泵熱水器故障模式分析

空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)是由管道連接的各種設(shè)備而組成相互關(guān)聯(lián)、相互影響的系統(tǒng)，如果系統(tǒng)中有一個(gè)部件出現(xiàn)故障，則會(huì)影響其它部件的工作，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)。家用型空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)有不同層次的系統(tǒng)組成，如制熱系統(tǒng)，除霜系統(tǒng)等。熱水器系統(tǒng)出現(xiàn)的故障很多、也很復(fù)雜，根據(jù)不同的特征進(jìn)行歸類；根據(jù)故障顯現(xiàn)程度，可分為顯性故障和隱形故障。如：風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，水管漏水等容易察覺的故障屬于顯性故障；換熱器結(jié)垢等不易察覺的故障稱為隱性故障。根據(jù)故障對(duì)系統(tǒng)造成的影響程度，可分為軟故障和硬故障。如電機(jī)燒壞等設(shè)備完全失效的故障稱為硬故障。儀表漂移等設(shè)備性能下降等故障成為軟故障。

3 空氣源熱泵熱水器故障樹分析

制熱系統(tǒng)是家用型空氣源熱泵熱水器的核心，同時(shí)也是容易發(fā)生故障的單元。制熱系統(tǒng)由壓縮機(jī)、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器、冷凝器、電磁四通閥、風(fēng)機(jī)、控制部分等組成，其中節(jié)流裝置由毛細(xì)管和電子膨脹閥并聯(lián)組成。把制熱系統(tǒng)故障作為頂事件，導(dǎo)致頂事件發(fā)生的事件又有許多基本事件，根據(jù)具體情況分析得到制熱系統(tǒng)的故障樹如圖1中虛框所示。評(píng)價(jià)故障樹的最好方法就是利用它的最小割集，確定故障樹最小割集的算法有布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法和矩陣排列法等，這里采用布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法求其最小割集。

圖1中虛框所示的故障樹可運(yùn)用布爾代數(shù)邏輯運(yùn)算簡(jiǎn)化：

Z3=Y1+Y2+Y3+X7+X8+X9+X10=X1+X2+X3+X4+X5·X6+X7+X8+X9+X10

其中“+”表示邏輯加法，“·”表示邏輯乘法。所以該故障樹的最小割集為:{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5、X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}。假設(shè)在各個(gè)底層事件發(fā)生的概率差別不大的條件下，根據(jù)每個(gè)最小割集的階數(shù)，階數(shù)越小的最小割集最重要，可見要提高制熱系統(tǒng)的可靠性，提高壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、電磁四通閥、冷凝器等的可靠性是提高整個(gè)制熱系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。節(jié)流裝置采用毛細(xì)管節(jié)流裝置和電子膨脹閥并聯(lián)組成，能提高其任務(wù)可靠度。

4 空氣源熱泵熱水器的可靠性設(shè)計(jì)

（1）上市產(chǎn)品，大都具有比較完善的數(shù)據(jù)，如故障模式、故障影響、故障檢測(cè)方法、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等。從節(jié)約成本和減少工作量的角度考慮，一般采用故障模式及其影響分析（FMEA）和故障樹分析（FTA）等，先找出制約可靠度提高的關(guān)鍵問題，針對(duì)問題進(jìn)行專項(xiàng)攻關(guān)改進(jìn)；然后再通過設(shè)計(jì)評(píng)審對(duì)改進(jìn)進(jìn)行研究，保證改進(jìn)確實(shí)能夠提高產(chǎn)品的可靠性水平；最后通過可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證是否達(dá)到了預(yù)定的可靠性要求，同時(shí)建立起該產(chǎn)品可靠性經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，也為以后建立該產(chǎn)品的可靠性標(biāo)準(zhǔn)打下基礎(chǔ)和同類或類似新產(chǎn)品的開發(fā)提供可靠性方面的參考。

（2）研發(fā)產(chǎn)品，首先分析市場(chǎng)的需求以及客戶的需要來確定產(chǎn)品的定性和定量的可靠性指標(biāo)；然后參考同類或類似上市產(chǎn)品的故障分析結(jié)果，進(jìn)行可靠性指標(biāo)的分配和預(yù)計(jì)；再經(jīng)過對(duì)比分析可靠性預(yù)計(jì)與可靠性指標(biāo)，如不能滿足客戶要求，修正各部分的可靠性指標(biāo)或者修正設(shè)計(jì)方案，直到滿足要求為止?？煽啃灶A(yù)計(jì)和分配指標(biāo)如圖2所示。

5 優(yōu)化空氣源熱泵熱水器控制系統(tǒng)

5.1 設(shè)計(jì)多模式流程控制，提高系統(tǒng)全年運(yùn)行性能

空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品標(biāo)示的性能系數(shù)是名義工況時(shí)的性能系數(shù)，研究表明環(huán)境溫度對(duì)空氣源熱泵熱水器的性能系數(shù)影響顯著，環(huán)境溫度30℃附近時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行性能最佳，因此對(duì)同樣的空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品使用時(shí)間及環(huán)境不同，運(yùn)行時(shí)性能系數(shù)也不同。若采用單一控制模式，由于環(huán)境的變化，空氣源熱泵熱水器大部分時(shí)間運(yùn)行性能系數(shù)不高。為了充分發(fā)揮空氣源熱泵熱水器的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，在空氣源熱泵熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)用戶需求不同、典型的季節(jié)變化特點(diǎn)及每天的溫度變化規(guī)律設(shè)計(jì)午間模式、冬季節(jié)能模式、谷電模式等多模式流程控制系統(tǒng)，供用戶選擇，可有效提高空氣源熱泵熱水器全年的運(yùn)行性能。

圖2 可靠性預(yù)計(jì)和分配指標(biāo)框圖

5.2 優(yōu)化除霜控制

目前從空氣源熱泵熱水器的實(shí)際運(yùn)行效果來看，機(jī)組在氣溫偏低且相對(duì)濕度比較大的地區(qū)運(yùn)行時(shí)性能不理想，主要原因是蒸發(fā)器結(jié)霜及除霜造成的供熱能力下降，因此，必須使用有效的除霜方法及時(shí)除霜。目前，空氣源熱泵最常用的除霜方式是逆循環(huán)熱氣除霜，而除霜自動(dòng)控制方法是影響除霜效果的關(guān)鍵。目前除霜自動(dòng)控制方法較多，較為先進(jìn)實(shí)用的有模糊智能控制除霜法。模糊智能控制除霜法將模糊控制技術(shù)引入空氣源熱泵熱水器的除霜控制，整個(gè)除霜控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與AID轉(zhuǎn)換、輸入量?；?、模糊推理、除霜控制、除霜監(jiān)控及控制規(guī)則調(diào)整五個(gè)功能模塊組成。通過對(duì)除霜過程的相應(yīng)分析，對(duì)除霜監(jiān)控及控制規(guī)則進(jìn)行修正，以使除霜控制自動(dòng)適應(yīng)機(jī)組工作環(huán)境的變化，達(dá)到智能除霜的要求。

5.3 設(shè)置水箱蓄水量智能控制系統(tǒng)

為了減少水箱的散熱損失，避免不必要的重新加熱，減少保溫加熱次數(shù)，節(jié)約能源，將模糊控制和其它優(yōu)化理論方法和控制技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)蓄水量智能控制系統(tǒng)是較好的解決辦法。蓄水量智能控制系統(tǒng)能根據(jù)一周用水規(guī)律，自動(dòng)保證每天最適宜的熱水加熱量。

結(jié)語

總之，空氣源熱泵熱水器是一種高效節(jié)能裝置，但在實(shí)際推廣使用的過程中，暴露了產(chǎn)品可靠性不高的缺點(diǎn)。為提高空氣源熱泵熱水器性能，通過優(yōu)化控制系統(tǒng)提高運(yùn)行性能、采用高效換熱器等有效途徑，進(jìn)一步完善空氣源熱泵熱水器性能，不斷降低成本，將有效促進(jìn)空氣源熱泵熱水器在家用市場(chǎng)占有率的提高，達(dá)到節(jié)能環(huán)保、提高人們生活水平的目的。

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