空氣能熱泵控制與效能的研究

張國(guó)政

（山西焦煤集團(tuán)森源節(jié)能環(huán)保有限公司， 山西 太原 030000）

引言

隨著能源供給的日趨緊張，高效、清潔的能源供給方式越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注和研究。熱泵技術(shù)作為一種清潔、低耗能、環(huán)境友好的技術(shù)受到熱捧。熱泵技術(shù)中典型的技術(shù)為空氣能熱泵技術(shù)，其以低溫?zé)嵩醋鳛槟茉垂┙o；空氣無(wú)處不在，可以隨意取用，具有很高的實(shí)用價(jià)值。當(dāng)前空氣能熱泵取得了一定的應(yīng)用，需對(duì)其進(jìn)行分析和研究，找出影響其效能的因子，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)，使得空氣能熱泵系統(tǒng)效能到達(dá)較好的水平。

1 空氣能熱泵熱水機(jī)組的研究現(xiàn)狀

空氣能熱泵技術(shù)的起源可追溯到1924 年，當(dāng)時(shí)國(guó)外就已經(jīng)開始對(duì)其研究。但是由于當(dāng)時(shí)人們對(duì)此技術(shù)認(rèn)識(shí)的局限性，該技術(shù)蘊(yùn)含的巨大潛在價(jià)值并沒有被人們認(rèn)識(shí)和利用。直到20 世紀(jì)70 年代，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)資源和能源的消耗逐漸加劇，帶來(lái)的環(huán)境污染和破壞越來(lái)越嚴(yán)重，迫切需要人們對(duì)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為人類社會(huì)首要解決的問(wèn)題，空氣能熱泵技術(shù)重新進(jìn)入研究機(jī)構(gòu)的視線，并且加大了研究的力度。而后空氣能熱泵技術(shù)系列產(chǎn)品迅速得到發(fā)展，在很多國(guó)家空氣能熱泵熱水器，已經(jīng)進(jìn)入了普通人的家庭，成了家庭電器中必不可少的一部分。相比國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)的空氣能熱泵發(fā)展較為滯后，不管從技術(shù)上還是從產(chǎn)品上都起步較晚，目前還處在初始階段。隨著資源消耗和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)對(duì)空氣能熱泵技術(shù)越來(lái)越重視。空氣能熱泵產(chǎn)品近幾年得到迅速的發(fā)展，占據(jù)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的一定份額，并且其增長(zhǎng)速度迅速，市場(chǎng)的潛力也非常大[1]。空氣能熱泵的實(shí)質(zhì)就是廉價(jià)、可靠的熱源，是一種產(chǎn)熱裝置，可以用來(lái)家用或者采暖。目前商用的空氣能熱泵技術(shù)產(chǎn)品通常設(shè)置在樓頂，設(shè)備占地面積大，控制設(shè)備數(shù)量眾多，不利于工作人員的檢測(cè)、維修，更不利于實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，設(shè)備的出水溫度，液位位置、除霜啟停動(dòng)作等參數(shù)都需要人為控制，不利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制精度和智能化水平，當(dāng)前急需建立一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)加強(qiáng)對(duì)空氣能熱泵系統(tǒng)的控制，從而提高空氣能熱泵系統(tǒng)的效能。

2 空氣能熱泵運(yùn)行原理及性能的研究

熱泵是一種能量輸送裝置，而傳熱需要載體，這種載體被定義為冷媒。熱泵從低溫物質(zhì)吸熱，并將它傳遞給高溫物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了熱量的提升。熱泵的循環(huán)過(guò)程實(shí)際上是卡諾循環(huán)的反過(guò)程，熱泵工作時(shí)蒸發(fā)器和冷凝器同時(shí)運(yùn)行，蒸發(fā)器吸收熱量，冷凝器釋放熱量。與使用電熱絲發(fā)熱相比，熱泵消耗同樣的電能，向系統(tǒng)供給的熱量要高很多。熱泵能流圖如圖1 所示。

圖1 熱泵能流圖

空氣能熱泵是以空氣為熱源，利用少量的電能驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)使管路里的冷媒循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)管路里冷媒的蒸發(fā)和冷凝過(guò)程，將環(huán)境空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到水中，從而實(shí)現(xiàn)供熱的功能[2]。空氣能熱泵的工作過(guò)程如下：低溫液態(tài)冷媒在換熱器中通過(guò)吸收周圍環(huán)境中的熱量從液態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)；而后經(jīng)過(guò)管路通道氣態(tài)冷媒進(jìn)入壓縮機(jī)，通過(guò)少量電能的輸入驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)做功，使空氣壓縮溫度升高；高壓高溫空氣進(jìn)入換熱器后，通過(guò)熱交換將熱量傳遞給低溫水中，使得水溫升高，熱水供給到使用端，同時(shí)高壓高溫空氣由于失去能量由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)；液態(tài)的冷媒經(jīng)過(guò)熱力膨脹閥部分變?yōu)闅鈶B(tài)，氣液混合物重新來(lái)到蒸發(fā)器中完成一次循環(huán)過(guò)程。通過(guò)冷媒在系統(tǒng)中的不停循環(huán)實(shí)現(xiàn)空氣能熱泵的供熱過(guò)程，其工作機(jī)理如圖2 所示。

圖2 空氣能熱泵工作機(jī)理圖

3 空氣能熱泵控制技術(shù)的研究與應(yīng)用

空氣能熱泵的供熱過(guò)程主要是在換熱器中通過(guò)冷媒的高溫放熱進(jìn)行的。空氣能熱泵的效能與蒸汽的溫度和冷凝后液態(tài)的溫度有直接關(guān)系。蒸汽的溫度、冷凝后液態(tài)的溫度和用戶設(shè)定的供水端熱水的輸出溫度直接相關(guān)，即空氣能熱泵制水溫度對(duì)熱泵性能影響很大。對(duì)空氣能熱泵使用過(guò)程進(jìn)行分析，設(shè)定環(huán)境溫度為恒定值，通過(guò)設(shè)定不同的制水溫度，研究系統(tǒng)COP 值的變化情況，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)COP 值接近線性變化，當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，COP 值呈下降趨勢(shì)。當(dāng)取環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，制水溫度從12 ℃逐漸升到48 ℃，系統(tǒng)COP 值從6.5 銳減到2.4，降幅達(dá)63%[3]。制水溫度對(duì)COP 值的影響如圖3 所示。空氣能熱泵使用中冷端和熱端溫度差別越大，即設(shè)定的制水溫度越高，系統(tǒng)的COP 值越低。日常使用過(guò)程中制水溫度的設(shè)定有兩種情況，一是設(shè)定制水溫度與用戶使用溫度相同，二是設(shè)定制水溫度高于用戶使用溫度，此時(shí)使用前需用冷水與之混合。在同等使用情況下，第二種情況系統(tǒng)COP 值較低，需消耗的電能多于第一種情況。故而在空氣能熱泵實(shí)際應(yīng)用中，在滿足需求的前提下，應(yīng)盡量設(shè)定較低的制水溫度，保證系統(tǒng)較高效的運(yùn)行，從而更加的節(jié)能。

熱泵使用過(guò)程結(jié)霜現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，是影響空氣能熱泵制熱性能的重要因素。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度也逐漸降低，當(dāng)蒸發(fā)器表面溫度降低到0 ℃時(shí)，在蒸發(fā)器表面便形成結(jié)霜。隨著結(jié)霜層的不斷加厚，蒸發(fā)器有效流通面積減小，降低了通過(guò)蒸發(fā)器表面的空氣流量，影響了熱量的傳輸過(guò)程，使系統(tǒng)效能下降。在結(jié)霜情況下，不僅影響系統(tǒng)效率，還可能導(dǎo)致液態(tài)的冷媒進(jìn)入壓縮機(jī)給設(shè)備造成損害。因此除霜過(guò)程對(duì)空氣能熱泵的正常運(yùn)行十分重要。除霜方法包括空氣除霜法、電加熱除霜法、熱氣旁通除霜法、四通閥換向除霜法等方法。設(shè)備除霜時(shí)，不僅不能對(duì)外供熱，還會(huì)吸熱，采取正確的方法和時(shí)機(jī)對(duì)系統(tǒng)非常重要。

圖3 制水溫度對(duì)COP 值的影響

4 提高空氣能熱泵效能的策略

當(dāng)前，空氣能熱泵主要采取的控制方式為本地監(jiān)控，制水溫度由人工設(shè)定為某一固定值，系統(tǒng)的制熱效率沒有最優(yōu)化，運(yùn)行過(guò)程造成電能的浪費(fèi)。由于環(huán)境溫度復(fù)雜多變以及用戶需求的不確定性，和系統(tǒng)匹配的最優(yōu)制水溫度是一個(gè)復(fù)雜的、時(shí)變的參數(shù)，若要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效的運(yùn)行必須為系統(tǒng)引入高效的控制程序。空氣能熱泵在結(jié)霜的工況運(yùn)行時(shí)，影響的主要因素為環(huán)境溫度，系統(tǒng)需根據(jù)實(shí)際情況做出判斷。當(dāng)結(jié)霜很薄或沒有結(jié)霜時(shí)，系統(tǒng)誤判進(jìn)行結(jié)霜操作，不僅影響系統(tǒng)的制熱性能，造成電能的浪費(fèi)，還有可能造成設(shè)備的過(guò)熱。當(dāng)結(jié)霜很厚時(shí)，系統(tǒng)沒有啟動(dòng)結(jié)霜操作，將導(dǎo)致系統(tǒng)性能迅速下降，甚至喪失制熱性能。建立良好的除霜策略和控制手段對(duì)提高空氣能熱泵效能具有重要的意義。考慮到制水溫度和除霜操作均是影響空氣能熱泵效能的主要因素，要使空氣能熱泵效能較優(yōu)需為系統(tǒng)設(shè)置智能的控制手段。本文基于模糊控制方法和LabVIEW 程序建立了空氣能熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。利用了模糊控制方法善于處理多變、不確定問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)和LabVIEW 程序的穩(wěn)定、可靠、易于提取數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)[4]。空氣能熱泵系統(tǒng)采用主從式通訊方式，由主機(jī)、從機(jī)、線控器、通訊總線組成。傳感器和電子閥門采集系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，經(jīng)匯總后以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送到控制主板。控制主板將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，Lab VIEW 后臺(tái)程序通過(guò)通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通訊。而后數(shù)據(jù)進(jìn)入緩沖區(qū)經(jīng)數(shù)據(jù)幀識(shí)別程序進(jìn)行讀取，讀取的數(shù)據(jù)可能發(fā)生丟失，需經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)確定數(shù)據(jù)沒問(wèn)題后，送入對(duì)應(yīng)的主機(jī)或從機(jī)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試運(yùn)行，遠(yuǎn)程控制效果良好，智能控制能夠較好的適應(yīng)環(huán)境溫度的變化和設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)測(cè)需求。

5 結(jié)論

1）空氣能熱泵系統(tǒng)效能的主要影響因子為制水溫度的設(shè)置和除霜操作；

2）空氣能熱泵使用中冷端和熱端溫度差別越大，即設(shè)定的制水溫度越高，系統(tǒng)的COP 值越低，在滿足需求的前提下，應(yīng)盡量設(shè)定較低的制水溫度，保證系統(tǒng)較高效的運(yùn)行，從而更加節(jié)能；

3）除霜過(guò)程對(duì)空氣能熱泵的正常運(yùn)行十分重要，除霜操作不當(dāng)，不僅影響系統(tǒng)效能，還可能使設(shè)備受到損害；

4）通過(guò)模糊控制方法和LabVIEW 程序建立的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣能熱泵系統(tǒng)的有效控制，通過(guò)系統(tǒng)的智能控制可很好地根據(jù)環(huán)境溫度的變化進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)具有良好的效能。