魏許建 彭萼忠 陳駿驥

（廣東長菱空調(diào)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(jié)能、安全可靠、環(huán)保等特點,在我國得到高速發(fā)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(chǎn)品開始發(fā)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(nèi)發(fā)展比較緩慢的主要原因是：技術(shù)難度大、受影響因素多、產(chǎn)品的可靠性不易保障。雖然熱泵熱水器系統(tǒng)和熱泵空調(diào)系統(tǒng)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(diào)將室外低溫空氣中的熱量泵到室內(nèi)空氣環(huán)境中，室內(nèi)溫度運行的范圍一般在18～30℃之間，但熱泵熱水器室內(nèi)側(cè)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(tǒng)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(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)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(guī)定的氣溫范圍內(nèi)(一般為5℃以上)把自來水加熱到設(shè)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(tǒng)故障樹

（1）空氣源熱泵熱水器結(jié)構(gòu)復雜，長期以來研發(fā)人員主要關(guān)心產(chǎn)品功能的實現(xiàn)，對其可靠性很少進行研究，而產(chǎn)品的設(shè)計是決定了產(chǎn)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(shù)企業(yè)是小批量生產(chǎn)，很多工序采用手工作業(yè)，降低了產(chǎn)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(fā)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(guān)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{(diào)的配件，還沒有全部按照國家標準進行設(shè)計制造?？諝庠礋岜脽崴骱涂照{(diào)的工作環(huán)境不同，空氣源熱泵熱水器的工作環(huán)境惡劣些。例如空氣源熱泵熱水器直接采用空調(diào)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(guī)定要求，蒸發(fā)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(tǒng)是由管道連接的各種設(shè)備而組成相互關(guān)聯(lián)、相互影響的系統(tǒng)，如果系統(tǒng)中有一個部件出現(xiàn)故障，則會影響其它部件的工作，進而影響整個系統(tǒng)。家用型空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)有不同層次的系統(tǒng)組成，如制熱系統(tǒng)，除霜系統(tǒng)等。熱水器系統(tǒng)出現(xiàn)的故障很多、也很復雜，根據(jù)不同的特征進行歸類；根據(jù)故障顯現(xiàn)程度，可分為顯性故障和隱形故障。如：風機停轉(zhuǎn)，水管漏水等容易察覺的故障屬于顯性故障；換熱器結(jié)垢等不易察覺的故障稱為隱性故障。根據(jù)故障對系統(tǒng)造成的影響程度，可分為軟故障和硬故障。如電機燒壞等設(shè)備完全失效的故障稱為硬故障。儀表漂移等設(shè)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(tǒng)是家用型空氣源熱泵熱水器的核心，同時也是容易發(fā)生故障的單元。制熱系統(tǒng)由壓縮機、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器、冷凝器、電磁四通閥、風機、控制部分等組成，其中節(jié)流裝置由毛細管和電子膨脹閥并聯(lián)組成。把制熱系統(tǒng)故障作為頂事件，導致頂事件發(fā)生的事件又有許多基本事件，根據(jù)具體情況分析得到制熱系統(tǒng)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(shù)化簡法和矩陣排列法等，這里采用布爾代數(shù)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(shù)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(shè)在各個底層事件發(fā)生的概率差別不大的條件下，根據(jù)每個最小割集的階數(shù)，階數(shù)越小的最小割集最重要，可見要提高制熱系統(tǒng)的可靠性，提高壓縮機、蒸發(fā)器、電磁四通閥、冷凝器等的可靠性是提高整個制熱系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。節(jié)流裝置采用毛細管節(jié)流裝置和電子膨脹閥并聯(lián)組成，能提高其任務(wù)可靠度。

4 空氣源熱泵熱水器的可靠性設(shè)計

（1）上市產(chǎn)品，大都具有比較完善的數(shù)據(jù)，如故障模式、故障影響、故障檢測方法、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等。從節(jié)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(guān)鍵問題，針對問題進行專項攻關(guān)改進；然后再通過設(shè)計評審對改進進行研究，保證改進確實能夠提高產(chǎn)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(chǎn)品可靠性經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，也為以后建立該產(chǎn)品的可靠性標準打下基礎(chǔ)和同類或類似新產(chǎn)品的開發(fā)提供可靠性方面的參考。

（2）研發(fā)產(chǎn)品，首先分析市場的需求以及客戶的需要來確定產(chǎn)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(chǎn)品的故障分析結(jié)果，進行可靠性指標的分配和預計；再經(jīng)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(shè)計方案，直到滿足要求為止?？煽啃灶A計和分配指標如圖2所示。

5 優(yōu)化空氣源熱泵熱水器控制系統(tǒng)

5.1 設(shè)計多模式流程控制，提高系統(tǒng)全年運行性能

空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品標示的性能系數(shù)是名義工況時的性能系數(shù)，研究表明環(huán)境溫度對空氣源熱泵熱水器的性能系數(shù)影響顯著，環(huán)境溫度30℃附近時系統(tǒng)運行性能最佳，因此對同樣的空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品使用時間及環(huán)境不同，運行時性能系數(shù)也不同。若采用單一控制模式，由于環(huán)境的變化，空氣源熱泵熱水器大部分時間運行性能系數(shù)不高。為了充分發(fā)揮空氣源熱泵熱水器的節(jié)能優(yōu)勢，在空氣源熱泵熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計時，可根據(jù)用戶需求不同、典型的季節(jié)變化特點及每天的溫度變化規(guī)律設(shè)計午間模式、冬季節(jié)能模式、谷電模式等多模式流程控制系統(tǒng)，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(yōu)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(qū)運行時性能不理想，主要原因是蒸發(fā)器結(jié)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(huán)熱氣除霜，而除霜自動控制方法是影響除霜效果的關(guān)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(shù)引入空氣源熱泵熱水器的除霜控制，整個除霜控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與AID轉(zhuǎn)換、輸入量?；?、模糊推理、除霜控制、除霜監(jiān)控及控制規(guī)則調(diào)整五個功能模塊組成。通過對除霜過程的相應(yīng)分析，對除霜監(jiān)控及控制規(guī)則進行修正，以使除霜控制自動適應(yīng)機組工作環(huán)境的變化，達到智能除霜的要求。

5.3 設(shè)置水箱蓄水量智能控制系統(tǒng)

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(shù)，節(jié)約能源，將模糊控制和其它優(yōu)化理論方法和控制技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計蓄水量智能控制系統(tǒng)是較好的解決辦法。蓄水量智能控制系統(tǒng)能根據(jù)一周用水規(guī)律，自動保證每天最適宜的熱水加熱量。

結(jié)語

總之，空氣源熱泵熱水器是一種高效節(jié)能裝置，但在實際推廣使用的過程中，暴露了產(chǎn)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(yōu)化控制系統(tǒng)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(jié)能環(huán)保、提高人們生活水平的目的。

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