低溫空氣源熱泵雙電子膨脹閥控制策略研究

竇秀華 魏忠鑫 張偉東 吳衛平 張偉

山東阿爾普爾節能裝備有限公司

2011 年北方城鎮供暖能耗達到1.66億噸標準煤，占建筑總能耗的24%[1]，通過對北京霧霾污染物初始排放源進行分析，發現18.7%的污染物來源于供暖燃煤[2]，為了治理大氣污染，2013 年國務院發布了“大氣污染防治行動計劃”，要求通過集中供熱和清潔能源替代，全面淘汰工業燃煤小鍋爐[3]。提高能源利用效率，要求能源結構調整。能源利用效率提高，鼓勵各種節能設備和技術的推廣，未來幾年，空氣源熱泵市場將得到飛速發展，由于空氣源熱泵技術在國內尚屬新興技術，且受到低溫環境下的熱轉換效率低這一技術瓶頸的制約，因此亟需這方面的深入研究[4-6]。本文提出一種采用雙電子膨脹閥控制主回路以及補焓回路節流量的控制方法，該方法主回路采用排氣過熱度控制，補焓回路采用經濟器過熱度控制，再經過兩者協同控制，達到整個熱泵系統在低環境溫度下性能最優。

1 超低溫熱泵系統原理

圖1超低溫空氣源熱泵系統原理。壓縮機吸入一定過熱度的低壓氣體制冷劑進行壓縮成高壓氣體由排氣口經四通閥流至換熱器1與用戶使用側返回的低溫循環水進行熱交換加熱循環水。放出熱量后產生相變后的制冷劑，經流至高壓儲液器后分出兩路：輔路經電子膨脹閥2節流降壓后在經濟器內與主路制冷劑進行換熱，吸收主路內制冷劑熱量后流至壓機吸器口2。主路內的制冷劑在經濟器中被冷卻后經電子膨脹閥1節流降壓然后流至冷凝器。制冷劑通過冷凝器與外界空氣進行強制熱交換吸收外界熱量后，再流經四通閥、氣液分離器后回到壓機吸氣口1完成一次制熱循環。

圖1 超低溫空氣源熱泵系統原理

2 主路電子膨脹閥1控制方法

壓縮機運轉t時間內，閥初始開度按照表1進行。

表1 前三分鐘不同環境對應的初始閥開度

壓縮機運轉t時間后進入正常調閥階段，當前室外環境溫度下的過熱度偏差Δt1如表2所示。

表2 不同環境溫度下偏差值

開關閥的速度按照表3進行。

表3 不同過熱度值開關閥的速度

3 補焓回路電子膨脹閥2控制方法

當Dn＞Dn2時

當Dn＜Dn1時

當Dn1≤Dn≤Dn2時，保持上一次。

表4為不同室外環境溫度下的過熱度設定值。

表4 不同室外環境溫度下的過熱度設定值

4 協同控制方法

通過不同環境溫度下主閥與補焓閥的上下限值，來達到兩者之間的協同控制。表5為不同室外環境溫度下主閥、補焓閥的上下限值。

表5 不同室外環境溫度下主閥、補焓閥的上下限值

5 實驗驗證

5.1 實驗對象

阿爾普爾5P超低溫空氣源熱泵機組。

5.2 實驗設備

阿爾普爾10P 超低溫實驗室（合肥通用機械研究所2016年建成，實驗室工況最低到-30 ℃）。

本試驗裝置，可以準確測量低溫空氣源熱泵（冷水）機組、空氣源熱泵熱水機、風冷冷熱水機組的制冷（熱）量、耗功、COP等技術數據，設備運轉采用可編程序控制器，直觀性和可靠性都有了非常可靠的保證。測量值由計算機進行數據采集處理并存檔，自動打印試驗報告，并可分析試驗結果和測試數據。

5.3 主要測試精度

名義工況時制熱量重復性誤差（一次性裝機）≤2%。表6為主要設備及測試精度。

表6 主要設備及測試精度

5.4 測試標準

GB/T 25127.2-2010 《低環境溫度空氣源熱泵（冷水）機組》 第 2部分：戶用及類似用途熱泵（冷水）機組。

5.5 測試工況

表7為測試工況。

表7 測試工況

5.6 測試方法

空氣側提供工況條件，水側采用水側量熱計法。

將機組調節與最大制熱量位置，在表7規定的熱泵名工況下，按照 GB/T25127.2-2010 要求，測定制熱量QN及消耗功率Q0。

式中：C OP為名義工況能效系數。

使用行業當前通用的電子膨脹閥依據不同環溫固定開度的方式，-12℃名義制熱量 8.5 kW，能效系數2.2。

使用本文控制算法，實驗室測試結果為，-12 ℃名義制熱量為9.2 kW，能效系數2.52。

其中本文控制算法室外環境溫度-12 ℃時參數選擇如下（參數選取依據經驗及實驗結果多次整定）：

1）Δt1為40 K。

2）ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5、ΔT6、ΔT7、ΔT8、ΔT9依 次為0 ℃、5 ℃、8 ℃、12 ℃、15 ℃、-15 ℃、-12 ℃、-8 ℃、-5 ℃。

3）ΔK1、ΔK2、ΔK3、ΔK4、ΔK5、ΔK6、ΔK7、ΔK8依次為10 步、20 步、30 步、40步、30 步、20步、10 步、5步。

4）t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8依 次 為60 s、90 s、120 s、120 s、120 s、90 s、120 s、90 s、60 s。

5）Dn1為2，Dn2為5.5，Ds為5。

6）Kzs為200，Kzx為60，Kfs為450，Kfx為50。

從實驗結果（表8）可以得出，本文控制算法的有效性及可行性。

在課程設置上，現有的會計學本科生課程偏重財務會計專業基礎知識的學習，對管理會計教學重視不足。學生學習時往往把大量精力放在基礎會計、中級財務會計等課程上，只著眼于各類科目規定、計量方式、會計分錄、記賬對賬等基礎核算內容，而這些恰巧是在以后實際工作中容易被人工智能替代的內容。相反，作為以后會計發展大方向的管理會計、模塊設計有關內容卻沒有得到應有的重視。

表8 實驗測試結果對比

6 結論

長期以來，如何解決低環境溫度下熱泵制熱能效衰減問題是困擾研究者的難題。本文通過提出一種采用雙電子膨脹閥控制主回路以及補焓回路節流量的控制方法來解決這方面的矛盾，實驗測試結果表明了該方法的有效性及可行性。

符號表：

Ta———當前室外環境溫度值，℃；

T1、T2、T3、T4、T5———環 境溫度設定值，℃；

K1、K2、K3、K4、K5、K6———不同室外環境溫度下的閥初始開度設定值，步；

t———壓縮機初始運行時間設定值，s；

Δt1———當前室外環境溫度下的過熱度偏差，K；

Δt2———當前室外環境溫度下的實際排氣過熱度，K；

Δt11、Δt12、Δt13、Δt14、Δt15、Δt16———不同環境溫度下的過熱度偏差設定值，K；

ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5、ΔT6、ΔT7、ΔT8、ΔT9———不同的排氣過熱度設定值，K；

ΔK1、ΔK2、ΔK3、ΔK4、ΔK5、ΔK6、ΔK7、ΔK8———不同閥開度變化量設定值，步；

t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8———不同的時間段設定值，s；

Tp———實測排氣溫度，℃；

C———出水溫度，℃；

Sp———實測排氣溫度，℃；

Kn———電子膨脹閥實際開度，步；

Kn-1———電子膨脹閥上一次的開度，步；

Kp———輔膨脹閥過熱度比例系數，默認值為2

KD———輔膨脹閥過熱度微分系數，默認值為1

Dn———實際目標過熱度（經濟器出口溫度-經濟器進口溫度），K；

Ds———不同環境溫度下設置的目標過熱度，K；

Kzs———主電子膨脹閥上限值設定值，步；

Kzx———主 電子膨脹閥下限值設定值，步；

Kfs———補焓電子膨脹閥上限值設定值，步；

Kfx———補焓電子膨脹閥下限值設定值，步；

Kzs1、Kzs2、Kzs3、Kzs4、Kzs5、Kzs6———不同室外環境溫度下主電子膨脹閥上限值設定值，步；

Kzx1、Kzx2、Kzx3、Kzx4、Kzx5、Kzx6———不同室外環境溫度下主電子膨脹閥下限值設定值，步；

Kfs1、Kfs2、Kfs3、Kfs4、Kfs5、Kfs6———不同室外環境溫度下補焓電子膨脹閥上限值設定值，步；

Kfx1、Kfx2、Kfx3、Kfx4、Kfx5、Kfx6———不同室外環境溫度下補焓電子膨脹閥下限值設定值，步 。