建筑工地內直膨式太陽能熱泵熱水器運行方法研究

袁春保 劉創業 楊騰飛 史山山

（中國建筑第七工程局有限公司 鄭州 450048）

0 引言

直膨式太陽能熱泵熱水器由于在壓縮機容量控制、制冷劑節流控制、運行時間控制、熱泵控制方面較傳統太陽能熱泵熱水器有明顯優勢，越來越被市場所接受[1]。但直膨式太陽能熱泵熱水器仍然在過熱度控制、能耗等方面存在不足，一些熱水器設計專家針對這些問題進行過相關研究。孔祥強等人[2]針對直膨式太陽能熱泵系統的運行控制問題，提出一種基于電子膨脹閥開度的過熱度控制策略，主要包括電子膨脹閥初始開度算法和過熱度控制算法，并搭建以制冷劑R134a 為工質的直膨式太陽能熱泵熱水器試驗平臺，對提出的過熱度控制策略進行了全工況測試。試驗結果表明：在系統開機后的25min 內，過熱度有效控制在目標范圍5～10℃內；在系統正常運行階段，過熱度控制平穩，最大超調量小于4℃，測試結果表明，所提出的全工況過熱度控制策略有助于系統穩定高效運行。姚劍等人[3]為提高直膨式太陽能熱泵熱水器的加熱效率，將光伏/光熱逐漸結合到熱水器系統中，并開展仿真分析，結果表明，加入該組件后，熱水器的集熱與總效率較未改造前均有顯著提升。但是一方面從能夠直接影響熱水器過熱控制與能耗的電子膨脹閥運行與壓縮機轉速控制方法角度進行優化的研究還很少，而從理論上看這種思路具有較大的優化熱水器性能的潛力，另一方面，建筑工地由于熱水需求量大，環境溫差變化更為劇烈，需要加熱性能更為迅速且穩定的太陽能熱泵熱水器，所以有必要開展本研究。

1 建筑工地內直膨式太陽能熱泵熱水器改進運行控制方法設計

1.1 直膨式太陽能熱泵熱水器硬件系統

建筑工地，特別是橋梁等需要施工澆筑大量高性能混凝土的建筑工地上，出于養護混凝土等目的，對特定溫度的熱水有更大的使用量需求和更高的水溫控制精度需求，例如冬季施工中，為防止橋梁立柱混凝土在澆筑完成后因環境散熱收縮開裂而影響結構穩定性與受力能力，需要在養護期（一般是澆筑后的24 小時內）內定期向混凝土表面上澆灑20±3℃的水，澆灑量以使得澆筑混凝土全部表面在養護期內一直處于潤濕狀態為標準確定。因此需要設計更能適應建筑工地使用環境的直膨式太陽能熱泵熱水器。在設計建筑工地內使用的直膨式太陽能熱泵熱水器（Direct-expansion solarassisted heat pump，下文簡稱DSHP）運行控制方法之前，需要先構建運行控制方法的DSHP 硬件系統[4-6]。DSHP 硬件系統主要的組成部件有壓縮機、集熱器、微通道冷凝器、水箱、電子膨脹閥，下面根據建筑工地的使用環境，依次設計每種主要硬件[7,8]。核心硬件的參數展示如表1 所示。其中，微通道冷凝器有15 根由純鋁材制造的微通道扁管組，每根管道內均含18 個流道，且均采用“5-4-3-3”結構（制冷劑進入冷凝器后，依次并列流入5 根、4 根、3 根、3 根微通道扁管）布置，如圖1 所示。水箱外壁與冷凝器之間設置溫度傳感器且使用聚氨酯發泡技術保溫。完成主要部件設計與篩選后，再構建實驗用的DSHP 硬件系統的整體結構，整體結構示意圖如圖2 所示。

表1 設計的DSHP 核心硬件參數Table 1 Designed DSHP core hardware parameters

圖1 冷凝器微通道扁管結構Fig.1 Condenser microchannel flat tube structure

圖2 DSHP 硬件系統的整體結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the overall structure of the DSHP hardware system

圖2 中硬件系統各部件通過銅管連接，且為降低硬件系統中制冷劑在管路上的降溫效應，連接銅管需要通過保溫管進行保溫處理。另外整機搭建完成后需要對其采用真空檢測法進行密封性檢驗。至此，DSHP 硬件系統構建完畢。

1.2 熱水器改進電子膨脹閥運行與壓縮機轉速控制方法研究

建筑施工場所內，可能需要使用固定溫度范圍的熱水對某些建筑結構進行短期保溫處理，對熱水的溫度更加敏感[9]。且由于施工與人員生活所需，建筑工地的熱水器被使用的頻率較民用情況明顯更高。以上使用環境的特殊性對熱水器的控溫精度和能耗水平提出了更高的要求[10]。因此本研究對太陽能熱泵熱水器的電子膨脹閥和壓縮機轉速控制方法進行改進。

電子膨脹閥的初始開度對于DSHP 系統的平穩運行、熱水器控溫精度具有重要意義，因此需要對電子膨脹閥的初始開度方法進行優化，電子膨脹閥初始開度與多項環境參數以及壓縮機初始轉速具有較高相關性。環境參數包括平均環境溫度t a,m、平均太陽輻射強度Im、平均風速u a,m三種，但其中平均風速對初始開度的影響微小，不予考慮。本研究通過分析實驗數據的方式來尋找初始開度Kini與ta,m、Im的數值關系。開展若干次仿真實驗后發現，Kini可以看作Im和ta,m的二元函數，且后兩者對Kini的影響規則類似，則可以總結出公式（1）。

式中，Kini,f為K ini的函數形式；Kini,ref為電子膨脹閥的初始值，該參數取380 脈沖；I ref、t a,ref分別為太陽輻射和環境溫度的初始值，取值380W·m-2、18℃（由擬合數據的均值確定）；a1、a2為回歸函數中的擬合系數，各基準值由擬合數據的平均值代表。將實驗數據用式（1）方程擬合并優化后，得到參數為a1=0.00862、a2=0.000431，將各參數取值代入式（1）得到式（2）。

分析擬合誤差發現，當太陽輻射強度較高與較低時，擬合誤差變化較大，為進一步提高擬合效果，按照太陽輻射強度，進一步將擬合區間切分為到I m＜240W·m-2、I m≥240W·m-2兩種，重新分段擬合，得到式（3）。

另外實際DSHP 產品中并無太陽輻射照度儀，此次通過環境溫度和集熱器背面中心部位溫度指標來推算太陽輻射強度參數值。因為實驗數據表明，環境溫度ta,m、集熱器背面中心部位溫度tb,m與太陽輻射強度Im之間存在著如式（4）所示的函數關系。

將公式（4）代入公式（3）得到電子膨脹閥的最終初始開度計算方法，如公式（5）所示。

在0～400s 范圍內，以30s 為步長設定各種過熱度控制周期參數，發現設為90s時控制效果最好，則該參數設為90s。制冷劑體積流量Q按照式（6）計算。

式（6）中，Cd、A、 ΔP、ρ分別代表流量系數，閥孔流通面積（m2），電子膨脹閥兩端壓強（MPa），閥前制冷劑密度（kg/m3）。當開度不變時，Q與 ΔP的平方根之間有正比例關系，結合開度階躍變化量與過熱控制性能的關系，將電子膨脹閥的過熱控制過程設置如式（7）所示。

式（7）中，tsup代表電子膨脹閥的環境溫度。以上即為電子膨脹閥運行控制策略設計，下面再設計壓縮機的運行控制策略[11]。仿真實驗數據顯示，壓縮機轉速相同時，加熱時間越短，系統消耗電能越少，COP 值越高將相同體積的水加熱相同溫度耗時越短，但耗能越大，而且其他環境參數一致時，太陽輻射強度越高，壓縮機運行性能越好，耗時越小。綜上所述，參考到熱水使用需求，盡可能縮小各季的日均加熱時間，并將其加熱時間安排到每日太陽輻射整體最大時間段，相關參數如表2 所示。

表2 系統加熱參數設置Table 2 Setting of the system heating parameters

表2 中夏季COP 最高，主要原因是夏季太陽輻射整體最高，所以熱水器加熱速度最快。系統中熱水存在降速加熱、定速加熱、升速加熱三種加熱方式，如圖3 所示。但實驗數據顯示，三種加熱方式對系統加熱性能影響很小，且影響遠小于加熱時間參數，為簡化系統，選用加熱過程系統調節步驟最少的定速加熱模式。

圖3 DSHP 的三種加熱模式示意圖Fig.3 Schematic representation of the three heating modes of the DSHP

2 改進直膨式太陽能熱泵熱水器在建筑工地環境的運行情況分析

2.1 熱水器性能系數分析

為研究設計出的DSHP 熱水器使用性能，本研究按照設計方案制造出樣機，并對其開展全工況實驗測試。DSHP 核心控制電路選用STC12C5A60S2單片機芯片，DSHP 中安裝A 級PT100 信號溫度傳感器、以及TED 型功率表用于檢測水溫和熱水器功率。按照建筑工地的普通熱水器使用需求，將設置實驗中DSHP 需加熱的水量設置為200L、春夏秋冬四季的待加熱溫差與平均太陽輻射分別設置為40℃、25℃、38℃、44℃與698W·m-2、763W·m-2、552W·m-2、534W·m-2。為對比該研究設計的DSHP 熱水器（后續簡稱XDSHP）性能，選擇普通DSHP 熱水器（后續簡稱ODSHP）開展對照實驗。統計得到兩熱水器全工況加熱結果見表3。

表3 熱水器全工況加熱結果參數Table 3 Heating result parameters of full water heater

由表3 可知，在加熱期間環境平均溫度、加熱溫差以及其他環節保持一致的條件下，兩種熱水器加熱時間無顯著差別，但XDSHP 在除夏季外的其他季節耗電量明顯更低，制熱量卻有所增加，例如在選出的冬季工況日中XDSHP 熱水器的耗電量、制熱量分別為2.65kWh、35917kJ 分別比ODSHP變化-15.61%、+5.87%。

2.2 熱水器過熱度控制與壓縮機運行控制性能分析

各季節的建筑在工地工況中仍然分別選出具有足夠代表性的一天分別進行過熱度控制效果對比，結果如圖4 所示。圖4 中橫軸為加熱時間、縱軸為過熱度，不同線型代表不同熱水器，不同顏色代表不同的季節工況。

圖4 各季節工況下熱水器的過熱度-加熱時間曲線Fig.4 Overheat-heating time curve of the water heater under each seasonal working condition

由圖4 可知，兩熱水器熱泵系統剛啟動的前20 分鐘內，過熱度較高，系統不穩定，隨后熱泵系統逐漸穩定下來。整體上看，熱泵系統穩定后，XDSHP、ODSHP 熱水器的在各季典型工況的過熱度范圍大致處于4.2℃～8.5℃、5.1℃～12.4℃范圍內?？芍罢咴谒募竟r的過熱控制效果優于后者。最后分析兩熱水器的壓縮機在四季中的功率消耗情況，統計結果如圖5 所示。

圖5 各季節工況下熱水器壓縮機的功率消耗情況Fig.5 Power consumption of water heater compressor under various seasonal working conditions

圖5 中各子圖橫軸代表選出工況日的加熱時刻，縱軸代表熱水器壓縮機的功率，不同圖線顏色代表不同的熱水器。觀察圖5 可知，在選出的各季節工況中，XDSHP 系統的壓縮機功率均低于ODSHP，同時夏季工況中兩者壓縮機功率整體差異最小，冬季工況中兩者壓縮機功率整體差異最大。例如在春夏秋冬各典型工況的下午15:00 時刻，XDSHP 系統的壓縮機功率分別為415W、438W、417W、425W，分別比ODSHP 低9.98%、7.99%、10.13%、20.11%。

3 結論

建筑工地對非生活熱水有更高的溫度控制需求與更低的能耗需求，為滿足建筑工地對熱水器的需求，本研究對直膨式太陽能熱泵熱水器的電子膨脹閥運行與壓縮機轉速控制方法進行改進，并開展實驗研究改進后的XDSHP 熱水器性能。實驗結果表明，熱泵系統穩定后，XDSHP、ODSHP 熱水器的在各季典型工況的過熱度范圍大致處于4.2℃～8.5℃、5.1℃～12.4℃范圍內。可知前者在四季工況的過熱控制效果優于后者。在選出的各季節工況中，XDSHP 系統的壓縮機功率均低于ODSHP，同時夏季工況中兩者壓縮機功率整體差異最小，冬季工況中兩者壓縮機功率整體差異最大。實驗數據證明，該研究設計的改進直膨式太陽能熱泵熱水器具有更好的控溫效果，比起傳統的直膨式太陽能熱泵熱水器，更適合應用于建筑工地環境。