空氣源熱泵熱水機變頻技術研究

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，加上地球生態環境的日益惡化，使得保護生態環境、加速開發和利用可再生能源，成為人類緊迫而艱巨的任務。

熱泵熱水機除了具有環保、節能的特點外，還有系統簡單、初投資低、維護方便、調節靈活等特點，因此已經得到了大面積的推廣應用。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，機組要安全穩定的運行，制冷劑的循環流量也有很大的差別。

變頻技術在中央空調和家用空調里已經得到了廣泛的推廣，產品的穩定性、舒適性、節能性也得到了消費都廣泛的認可。但是熱泵熱水機的變頻控制理論和空調的不能一并而論，因為熱水的需求情況、運行的工況范圍都不一樣，需根據熱泵熱水機自身的特點來設計變頻控制模塊，主要考慮的參數有熱水的需要量、環境溫度、水溫、吸氣溫度等，根據采集的數據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流量，讓機組更能安全穩定的運行，同時可以提高產品的節能效果，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。同時隨著北方用熱泵熱水機進行采暖代替傳統的煤采暖已經列入國家的煤改電重點支持推廣的項目，通過變頻去適應變工況的采暖要求顯得尤其重要。國標委已經將變頻熱泵采暖國家標準進行立項，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 高環境溫度時，機組大部分時間處于待機狀態機組在高環境下運行，機組的制熱量大、需求的制熱水量小、需加熱的熱水溫差小，因此熱泵機組經常處于不工作狀態，不能有效地利用煤一天24小時的工作時間。

2.2 高環境溫度時，機組處于過載運行狀態高環境溫度時，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，引起壓縮機損壞。同時低壓壓力可到達0.9MPA,超過壓縮機低壓側的吸氣閥片的設計值。

2.3 機組產熱量與用戶用水量的矛盾

由于環境空氣溫度隨地區和季節不同變化較大，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，這時候的產熱量卻遠遠不及春夏季，造成了產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境下熱水供應要求。

2.4 回油、回液問題

低溫環境下，蒸發溫度過低時，壓縮機壓縮比增大引起排氣溫度快速升高，使潤滑油黏度急劇下降，影響壓縮機潤滑，系統還會出現回液、回油不正常，嚴重時會導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、高環境溫度時，此時高低壓壓差較小，制冷劑循環的動力太低，機組的制熱量較小，產品的蒸發和冷凝匹配不合理，產品性能達不到最佳的狀態。

3 變頻熱泵熱水機研究

具體研究開發內容和要重點解決的關鍵技術問題

3.1 對熱泵熱水機內壓縮機的變頻控制

對熱泵熱水機的壓縮機的變頻控制包括以下步驟：

設環境溫度為T環，熱泵熱水機水箱的標準溫度為T標，水箱的實際溫度為T實，得水箱標準溫度和實際溫度間的溫差為△T=T標-T實；

當熱泵熱水機開機時間少于20分鐘，壓縮機的運行頻率根據如下規定執行，具體為：

（1）當T環≥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7℃＜T環≤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-5℃＜T環≤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）當環≤-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 熱泵熱水機節流采用電子膨脹閥變流量控制

（1）當熱泵熱水機上電后，所述電子膨脹閥復位，其開度調到P初為200開度，

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

當SH平均＜=-1時,KP=3，

當-1＜SH 平均 ＜=0時,KP=2，

當SH平均＞0時,KP=1；

平均過熱度SH=Ts-T’s，

Ts為吸氣溫度，T’s為對應吸氣壓力Ps的飽和溫度

SH平均為30s內實際過熱度的平均值，每5s取樣一次，

TSH為目標過熱度，

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的變頻控制和對熱泵熱水機的排氣溫度的變頻控制

當所述壓縮機的運轉時間達50分鐘以上時，連續檢測翅片溫度T翅片，環境溫度T環，滿足以下條件之一且保持5分鐘以上，則進入除霜狀態

（1）T環≥5℃且T翅片≤-3℃；

（2）T環＜10℃且T環境-T翅片＞7℃。

所述熱泵熱水機進入除霜狀態具體為：

（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）狀態下運行20秒后，風機停止運行，四通閥得電，10秒后，壓縮機以1Hz/S的速度升到標準頻率運行，進行除霜；

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

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

同時還根據壓縮縮排氣溫度控制壓縮機的運行頻率，設壓縮機排氣溫度為T排氣，當T排氣≥110℃時，壓縮機運行頻率下降20Hz；當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品優越性

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，減少了其啟動電流過大對電網帶來的沖擊；在高溫環境下通過降低壓縮機的吸氣壓力，保證壓縮機的穩定運行。

4.2 節流機構采用電子膨脹閥控制。與傳統的熱力膨脹閥相比，電子膨脹閥有比較寬的溫度調節范圍，能夠通過控制閥門開度將溫度在某一范圍內任意調節。電子膨脹閥能將過熱度控制得非常平穩數值較小，具有明顯的節能效果。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節使過熱度恢復正值的特性，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：當水箱溫度快達到時，壓縮機運行頻率能隨之降低，實現無極調節，而不用壓縮機停機來實現制熱量調節．減少了熱泵熱水機的啟停次數及溫度波動，尤其是大大降低了啟動電流，減小了對電網電壓的沖擊。保證了所述熱泵熱水機的水箱溫度波動小，具有良好的節能效果；同時也可以提高熱泵熱水機在低溫環境下的制熱能力，增大循環流量，降低排氣溫度，降低壓縮比，在滿足熱水需求的同時，產品能更節能、高效、安全、穩定運行。

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

4.5 在所述熱泵熱水機除霜時，通過提高循環流量，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重故障發生。

5 結語

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