空氣源熱泵熱水機變頻技術(shù)研究

王天舒

（江蘇天舒電器股份有限公司 江蘇 南通 226010）

1 引言

當(dāng)前煤炭、石油、天然氣等“化石類能源”的不可再生性及全球儲量的高速減少，帶來了世界性的能源短缺，加上地球生態(tài)環(huán)境的日益惡化，使得保護生態(tài)環(huán)境、加速開發(fā)和利用可再生能源，成為人類緊迫而艱巨的任務(wù)。

熱泵熱水機除了具有環(huán)保、節(jié)能的特點外，還有系統(tǒng)簡單、初投資低、維護方便、調(diào)節(jié)靈活等特點，因此已經(jīng)得到了大面積的推廣應(yīng)用。由于市場上大量推廣的熱泵熱水機為定頻機組，定頻熱泵熱水機因為夏季用水量少而制熱量大，機組工作時間很短，一天只需要工作不到一半的時間，而冬季需求的水量大而制熱量小，在溫度很低時，有時熱水還達不到需求的量，這樣就需要電加熱進行輔助加熱。還有在不同水溫時，機組要安全穩(wěn)定的運行，制冷劑的循環(huán)流量也有很大的差別。

變頻技術(shù)在中央空調(diào)和家用空調(diào)里已經(jīng)得到了廣泛的推廣，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、舒適性、節(jié)能性也得到了消費都廣泛的認(rèn)可。但是熱泵熱水機的變頻控制理論和空調(diào)的不能一并而論，因為熱水的需求情況、運行的工況范圍都不一樣，需根據(jù)熱泵熱水機自身的特點來設(shè)計變頻控制模塊，主要考慮的參數(shù)有熱水的需要量、環(huán)境溫度、水溫、吸氣溫度等，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行綜合分析和判斷，得出最佳的壓縮機工作頻率和制冷劑循環(huán)流量，讓機組更能安全穩(wěn)定的運行，同時可以提高產(chǎn)品的節(jié)能效果，從而更好的滿足顧客的需求，為空氣源熱泵熱水機推廣打下了堅實的基礎(chǔ)。同時隨著北方用熱泵熱水機進行采暖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤采暖已經(jīng)列入國家的煤改電重點支持推廣的項目，通過變頻去適應(yīng)變工況的采暖要求顯得尤其重要。國標(biāo)委已經(jīng)將變頻熱泵采暖國家標(biāo)準(zhǔn)進行立項，也可以看出國家對變頻采暖的重視度。

2 普通定頻熱泵熱水機在使用的存在的部分局限性

2.1 高環(huán)境溫度時，機組大部分時間處于待機狀態(tài)機組在高環(huán)境下運行，機組的制熱量大、需求的制熱水量小、需加熱的熱水溫差小，因此熱泵機組經(jīng)常處于不工作狀態(tài)，不能有效地利用煤一天24小時的工作時間。

2.2 高環(huán)境溫度時，機組處于過載運行狀態(tài)高環(huán)境溫度時，吸氣過熱度高、排氣溫度高、排氣壓力高，壓縮機容易處于過負荷狀態(tài)，引起壓縮機損壞。同時低壓壓力可到達0.9MPA,超過壓縮機低壓側(cè)的吸氣閥片的設(shè)計值。

2.3 機組產(chǎn)熱量與用戶用水量的矛盾

由于環(huán)境空氣溫度隨地區(qū)和季節(jié)不同變化較大，而我國幅員遼闊，氣候特征多異，空氣源熱泵熱水機的制熱量和制熱效率，隨著環(huán)境溫度的降低而不斷降低，冬季用戶仍然需要較高溫度的熱水，這時候的產(chǎn)熱量卻遠遠不及春夏季，造成了產(chǎn)熱量與用熱量之間的矛盾。這樣對于熱泵熱水機來說，選型過大則造成初投資太大，選型過小則難以滿足低溫環(huán)境下熱水供應(yīng)要求。

2.4 回油、回液問題

低溫環(huán)境下，蒸發(fā)溫度過低時，壓縮機壓縮比增大引起排氣溫度快速升高，使?jié)櫥宛ざ燃眲∠陆?，影響壓縮機潤滑，系統(tǒng)還會出現(xiàn)回液、回油不正常，嚴(yán)重時會導(dǎo)致壓縮機損壞等問題。

2.5 部分運行工況時，機組運行可靠性問題在低水溫、高環(huán)境溫度時，此時高低壓壓差較小，制冷劑循環(huán)的動力太低，機組的制熱量較小，產(chǎn)品的蒸發(fā)和冷凝匹配不合理，產(chǎn)品性能達不到最佳的狀態(tài)。

3 變頻熱泵熱水機研究

具體研究開發(fā)內(nèi)容和要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

3.1 對熱泵熱水機內(nèi)壓縮機的變頻控制

對熱泵熱水機的壓縮機的變頻控制包括以下步驟：

設(shè)環(huán)境溫度為T環(huán)，熱泵熱水機水箱的標(biāo)準(zhǔn)溫度為T標(biāo)，水箱的實際溫度為T實，得水箱標(biāo)準(zhǔn)溫度和實際溫度間的溫差為△T=T標(biāo)-T實；

當(dāng)熱泵熱水機開機時間少于20分鐘，壓縮機的運行頻率根據(jù)如下規(guī)定執(zhí)行，具體為：

（1）當(dāng)T環(huán)≥20℃時，△T＞10℃時，所述壓縮機運行頻率為40Hz，0℃≤△T≤10℃時，所述壓縮機運行頻率為30Hz。

（2）當(dāng)7℃＜T環(huán)≤20℃時，△T＞10℃時，所述壓縮機運行頻率為50Hz，0℃≤△T≤10℃時，所述壓縮機運行頻率為40Hz。

（3）當(dāng)-5℃＜T環(huán)≤7℃時，△T＞10℃時，所述壓縮機運行頻率為60Hz，0℃≤△T≤10℃時，所述壓縮機運行頻率為50Hz。

（4）當(dāng)環(huán)≤-5℃時，△T＞10℃時，所述壓縮機運行頻率為80Hz，0℃≤△T≤10℃時，所述壓縮機運行頻率為60Hz。

3.2 熱泵熱水機節(jié)流采用電子膨脹閥變流量控制

（1）當(dāng)熱泵熱水機上電后，所述電子膨脹閥復(fù)位，其開度調(diào)到P初為200開度，

（2）當(dāng)壓縮機啟動后，設(shè)所述電子膨脹閥的開度變化量▽P=系數(shù)KP*（平均過熱度SH平均-目標(biāo)過熱度TSH），其中

當(dāng)SH平均＜=-1時,KP=3，

當(dāng)-1＜SH 平均 ＜=0時,KP=2，

當(dāng)SH平均＞0時,KP=1；

平均過熱度SH=Ts-T’s，

Ts為吸氣溫度，T’s為對應(yīng)吸氣壓力Ps的飽和溫度

SH平均為30s內(nèi)實際過熱度的平均值，每5s取樣一次，

TSH為目標(biāo)過熱度，

則，電子膨脹閥實際開度P=P初+▽P。

3.3 對熱泵熱水機的除霜機構(gòu)的變頻控制和對熱泵熱水機的排氣溫度的變頻控制

當(dāng)所述壓縮機的運轉(zhuǎn)時間達50分鐘以上時，連續(xù)檢測翅片溫度T翅片，環(huán)境溫度T環(huán)，滿足以下條件之一且保持5分鐘以上，則進入除霜狀態(tài)

（1）T環(huán)≥5℃且T翅片≤-3℃；

（2）T環(huán)＜10℃且T環(huán)境-T翅片＞7℃。

所述熱泵熱水機進入除霜狀態(tài)具體為：

（1）所述壓縮機以1Hz/S的速度降頻至30Hz運行；

（2）所述壓縮機在步驟1）狀態(tài)下運行20秒后，風(fēng)機停止運行，四通閥得電，10秒后，壓縮機以1Hz/S的速度升到標(biāo)準(zhǔn)頻率運行，進行除霜；

（3）除霜過程中，連續(xù)檢測翅片溫度，并從除霜開始計時，當(dāng)翅片溫度T翅片上升到≥15℃或除霜時間已達12分鐘，則除霜結(jié)束，

（4）除霜結(jié)束后，壓縮機以1Hz/S的速度降頻至30Hz運行，30秒后，風(fēng)機運行，10秒后，四通閥得電，20秒后，壓縮機啟動，正常運行。

同時還根據(jù)壓縮縮排氣溫度控制壓縮機的運行頻率，設(shè)壓縮機排氣溫度為T排氣，當(dāng)T排氣≥110℃時，壓縮機運行頻率下降20Hz；當(dāng)T排氣≥115℃時，壓縮機運行頻率下降30Hz。

4 變頻空氣源熱泵熱水機產(chǎn)品優(yōu)越性

4.1 通過對熱泵熱水機的變頻控制，降低了壓縮機的啟停次數(shù)，減少了其啟動電流過大對電網(wǎng)帶來的沖擊；在高溫環(huán)境下通過降低壓縮機的吸氣壓力，保證壓縮機的穩(wěn)定運行。

4.2 節(jié)流機構(gòu)采用電子膨脹閥控制。與傳統(tǒng)的熱力膨脹閥相比，電子膨脹閥有比較寬的溫度調(diào)節(jié)范圍，能夠通過控制閥門開度將溫度在某一范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。電子膨脹閥能將過熱度控制得非常平穩(wěn)數(shù)值較小，具有明顯的節(jié)能效果。尤其在低溫裝置熱負荷偏小的情況下，電子膨脹閥具有通過自身調(diào)節(jié)使過熱度恢復(fù)正值的特性，這是熱力膨脹閥所不具備的。

4.3 通過對熱泵熱水機的變頻控制，無級調(diào)速，熱泵熱水機剛啟動時，由于水箱溫度較低，變頻壓縮機電機以高頻率快速運行。讓熱泵熱水機的制熱能力達到最大．使水箱溫度能在最短時間升上去：當(dāng)水箱溫度快達到時，壓縮機運行頻率能隨之降低，實現(xiàn)無極調(diào)節(jié)，而不用壓縮機停機來實現(xiàn)制熱量調(diào)節(jié)．減少了熱泵熱水機的啟停次數(shù)及溫度波動，尤其是大大降低了啟動電流，減小了對電網(wǎng)電壓的沖擊。保證了所述熱泵熱水機的水箱溫度波動小，具有良好的節(jié)能效果；同時也可以提高熱泵熱水機在低溫環(huán)境下的制熱能力，增大循環(huán)流量，降低排氣溫度，降低壓縮比，在滿足熱水需求的同時，產(chǎn)品能更節(jié)能、高效、安全、穩(wěn)定運行。

4.4 在高環(huán)境溫度下，可以降低壓縮機頻率，減小系統(tǒng)循環(huán)流量，從而降低吸氣壓力，保證壓縮機穩(wěn)定運行；低環(huán)境溫度下，可以通過增大壓縮機頻率，電子膨脹閥開啟度增大的方式，增大系統(tǒng)循環(huán)流量，降低排氣溫度，減小壓縮比，使壓縮機穩(wěn)定運行；

4.5 在所述熱泵熱水機除霜時，通過提高循環(huán)流量，解決霜除不盡的難題。

4.6 通過對壓縮機排氣溫度的識別和控制，防止了壓縮機因排氣溫度過高而壓縮機損壞的嚴(yán)重故障發(fā)生。

5 結(jié)語

變頻技術(shù)在空氣源熱泵熱水機應(yīng)用，能很好地保證熱泵熱水機在一年四季環(huán)境溫度變化情況下，解決高、低環(huán)境溫度時熱水的需求量和供給量不均衡的問題，同時也能根據(jù)水溫情況自動調(diào)節(jié)壓縮機運行頻率和制冷劑的循環(huán)流量，從而達到節(jié)能目的。在提高產(chǎn)品性能時，也提高了產(chǎn)品的化霜效果，解決了排氣溫度過高、高壓過高等問題，產(chǎn)品運行更安全、穩(wěn)定。空氣源熱泵熱水機變頻技術(shù)研究成熟及應(yīng)用，空氣源熱泵熱水機產(chǎn)品一定會得到跨越式發(fā)展。