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

（廣東長菱空調冷氣機制造有限公司，廣東 佛山 528313）

空氣源熱泵熱水器是繼燃氣熱水器、電熱水器和太陽能熱水器之后的新一代熱水裝置,具有高效節能、安全可靠、環保等特點,在我國得到高速發展。然而，我國在2009年9月1日起實施的國家標準GB/T23137－2008《家用和類似用途熱泵熱水器》的引導下，熱泵熱水器產品開始發展，市場份額在2009年初不足3%，2010年剛超過5%。熱泵熱水器在國內發展比較緩慢的主要原因是：技術難度大、受影響因素多、產品的可靠性不易保障。雖然熱泵熱水器系統和熱泵空調系統工作原理相同，但是運行工況更惡劣、運行溫度范圍更寬。熱泵空調將室外低溫空氣中的熱量泵到室內空氣環境中，室內溫度運行的范圍一般在18～30℃之間，但熱泵熱水器室內側水箱中的熱水溫度范圍為5～55℃，此種運行溫度范圍對熱泵熱水器系統提出了更高的要求。

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品在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力?？諝庠礋岜脽崴鞯男阅芤笫窃陬~定功率下，在規定的氣溫范圍內(一般為5℃以上)把自來水加熱到設定溫度(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不到這個要求，主要有以下幾個方面：

圖1 整個系統故障樹

（1）空氣源熱泵熱水器結構復雜，長期以來研發人員主要關心產品功能的實現，對其可靠性很少進行研究，而產品的設計是決定了產品固有可靠性。

（2）目前我國空氣源熱泵熱水器處于市場培育階段，多數企業是小批量生產，很多工序采用手工作業，降低了產品的可靠性水平。例如，熱泵機組中連接壓縮機、電磁換向四通閥、蒸發器、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，人為因素會影響整個機組可靠性水平。

（3）空氣源熱泵熱水器的相關國家標準制定和實施時間比較晚?？諝庠礋岜脽崴鞯暮芏嗔悴考际鞘褂每照{的配件，還沒有全部按照國家標準進行設計制造?？諝庠礋岜脽崴骱涂照{的工作環境不同，空氣源熱泵熱水器的工作環境惡劣些。例如空氣源熱泵熱水器直接采用空調壓縮機，勢必會影響壓縮機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，特別是使用維護方面，存在很多問題，進而影響到其使用過程可靠性。例如，機組安裝的位置要符合規定要求，蒸發器要定期清理等，否則會影響其可靠性。

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是由管道連接的各種設備而組成相互關聯、相互影響的系統，如果系統中有一個部件出現故障，則會影響其它部件的工作，進而影響整個系統。家用型空氣源熱泵熱水器系統有不同層次的系統組成，如制熱系統，除霜系統等。熱水器系統出現的故障很多、也很復雜，根據不同的特征進行歸類；根據故障顯現程度，可分為顯性故障和隱形故障。如：風機停轉，水管漏水等容易察覺的故障屬于顯性故障；換熱器結垢等不易察覺的故障稱為隱性故障。根據故障對系統造成的影響程度，可分為軟故障和硬故障。如電機燒壞等設備完全失效的故障稱為硬故障。儀表漂移等設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

制熱系統是家用型空氣源熱泵熱水器的核心，同時也是容易發生故障的單元。制熱系統由壓縮機、節流裝置、蒸發器、冷凝器、電磁四通閥、風機、控制部分等組成，其中節流裝置由毛細管和電子膨脹閥并聯組成。把制熱系統故障作為頂事件，導致頂事件發生的事件又有許多基本事件，根據具體情況分析得到制熱系統的故障樹如圖1中虛框所示。評價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化簡法和矩陣排列法等，這里采用布爾代數化簡法求其最小割集。

圖1中虛框所示的故障樹可運用布爾代數邏輯運算簡化：

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}。假設在各個底層事件發生的概率差別不大的條件下，根據每個最小割集的階數，階數越小的最小割集最重要，可見要提高制熱系統的可靠性，提高壓縮機、蒸發器、電磁四通閥、冷凝器等的可靠性是提高整個制熱系統可靠性的關鍵。節流裝置采用毛細管節流裝置和電子膨脹閥并聯組成，能提高其任務可靠度。

4 空氣源熱泵熱水器的可靠性設計

（1）上市產品，大都具有比較完善的數據，如故障模式、故障影響、故障檢測方法、產品結構等。從節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鍵問題，針對問題進行專項攻關改進；然后再通過設計評審對改進進行研究，保證改進確實能夠提高產品的可靠性水平；最后通過可靠性試驗驗證是否達到了預定的可靠性要求，同時建立起該產品可靠性經驗數據庫，也為以后建立該產品的可靠性標準打下基礎和同類或類似新產品的開發提供可靠性方面的參考。

（2）研發產品，首先分析市場的需求以及客戶的需要來確定產品的定性和定量的可靠性指標；然后參考同類或類似上市產品的故障分析結果，進行可靠性指標的分配和預計；再經過對比分析可靠性預計與可靠性指標，如不能滿足客戶要求，修正各部分的可靠性指標或者修正設計方案，直到滿足要求為止。可靠性預計和分配指標如圖2所示。

5 優化空氣源熱泵熱水器控制系統

5.1 設計多模式流程控制，提高系統全年運行性能

空氣源熱泵熱水器產品標示的性能系數是名義工況時的性能系數，研究表明環境溫度對空氣源熱泵熱水器的性能系數影響顯著，環境溫度30℃附近時系統運行性能最佳，因此對同樣的空氣源熱泵熱水器產品使用時間及環境不同，運行時性能系數也不同。若采用單一控制模式，由于環境的變化，空氣源熱泵熱水器大部分時間運行性能系數不高。為了充分發揮空氣源熱泵熱水器的節能優勢，在空氣源熱泵熱水器控制系統設計時，可根據用戶需求不同、典型的季節變化特點及每天的溫度變化規律設計午間模式、冬季節能模式、谷電模式等多模式流程控制系統，供用戶選擇，可有效提高空氣源熱泵熱水器全年的運行性能。

圖2 可靠性預計和分配指標框圖

5.2 優化除霜控制

目前從空氣源熱泵熱水器的實際運行效果來看，機組在氣溫偏低且相對濕度比較大的地區運行時性能不理想，主要原因是蒸發器結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除霜。目前，空氣源熱泵最常用的除霜方式是逆循環熱氣除霜，而除霜自動控制方法是影響除霜效果的關鍵。目前除霜自動控制方法較多，較為先進實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引入空氣源熱泵熱水器的除霜控制，整個除霜控制系統由數據采集與AID轉換、輸入量?；?、模糊推理、除霜控制、除霜監控及控制規則調整五個功能模塊組成。通過對除霜過程的相應分析，對除霜監控及控制規則進行修正，以使除霜控制自動適應機組工作環境的變化，達到智能除霜的要求。

5.3 設置水箱蓄水量智能控制系統

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，節約能源，將模糊控制和其它優化理論方法和控制技術相結合，設計蓄水量智能控制系統是較好的解決辦法。蓄水量智能控制系統能根據一周用水規律，自動保證每天最適宜的熱水加熱量。

結語

總之，空氣源熱泵熱水器是一種高效節能裝置，但在實際推廣使用的過程中，暴露了產品可靠性不高的缺點。為提高空氣源熱泵熱水器性能，通過優化控制系統提高運行性能、采用高效換熱器等有效途徑，進一步完善空氣源熱泵熱水器性能，不斷降低成本，將有效促進空氣源熱泵熱水器在家用市場占有率的提高，達到節能環保、提高人們生活水平的目的。

[1]雍文濤.家用和類似用途熱泵熱水器國標分析研究［EB/OL］.環球家電網，2010.

[2]謝里陽，王正，周金宇，等.機械可靠性基本理論與方法［M］.科學出版社，2009:82-94.

[3]金蘇敏;組合式熱管蒸發器在污水源熱泵中的應用[J].流體機械，2011（04）.