張欣然

（中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

?

多功能空氣源熱泵空調(diào)熱水器控制策略試驗研究

張欣然

（中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

摘 要：為了對家用熱泵空調(diào)器進行冷凝熱回收，提出了一種新型多功能空氣源熱泵空調(diào)熱水器系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了試驗分析?？偨Y了該系統(tǒng)各個工況的控策略及控制原理，為以后的機器研發(fā)提供思路。

關鍵詞：空氣源熱泵；生活熱水試驗研究；控制策略

目前，我國夏季空調(diào)能耗已經(jīng)成為居住建筑的主要能耗之一，而城鎮(zhèn)住宅生活熱水的能耗也已成為第二大建筑能耗。

一般，家用生活熱水所需求的溫度不高，在40℃～45℃左右，但熱水器大多數(shù)都是電或者燃氣的，這種消耗高品位能獲得低品位能的做法是不合理的。而家用空調(diào)壓縮機的排氣溫度是高于這個溫度的。所以，在夏季回收空調(diào)冷凝熱，獲得生活熱水，而在其他時間利用熱泵吸收室外空氣熱量，加熱生活熱水。這樣不僅能提高系統(tǒng)利用率，而且還能提高系統(tǒng)運行性能。

國內(nèi)外已經(jīng)有很多學者在這一領域展開研究。早期的研究主要集中在空調(diào)冷凝熱回收裝置的原理分析及可行性研究，隨后發(fā)展到分析熱回收技術對系統(tǒng)性能的影響。主要采用試驗和計算機模擬兩種研究方法。

雖然國內(nèi)外對家用空調(diào)熱水器的研究很多，但對于系統(tǒng)控制策略的探討還不多。這使得該系統(tǒng)從研究到成品生產(chǎn)的轉換上仍然存在著一定的障礙?；谶@些問題，本研究優(yōu)化設計了多功能空氣源熱泵空調(diào)熱水系統(tǒng)，并提出了相應的控制策略，為以后的研究提供參考。

1. 系統(tǒng)運行模式

系統(tǒng)原理如圖1所示。下面介紹了該系統(tǒng)主要的幾種運行工況。

1.1 夏季制冷兼制熱水工況

這種工況是這個系統(tǒng)最理想的運行情況。此時，大壓縮機單獨運行，空調(diào)冷凝熱由水全部吸收，室外機風冷換熱器被旁通。在系統(tǒng)剛開機時，板式換熱器進水溫度較低，所以換熱效率較高。高溫高壓的氣態(tài)制冷劑在板式換熱器中冷凝放熱，變成高溫液態(tài)。然后制冷劑流經(jīng)旁通管和毛細管，在室內(nèi)機中蒸發(fā)吸熱，變?yōu)榈蜏貧怏w，最后回到壓縮機，完成循環(huán)。冷水在循環(huán)水泵的驅(qū)動下，吸收熱量，然后儲存在儲水箱中。

當水溫升高到一定溫度，板式換熱器水冷不足以全部吸收系統(tǒng)的冷凝熱，這時取消旁通室外機風冷換熱器，并開啟室外風機。板式換熱器和室外機串聯(lián)，共同吸收空調(diào)冷凝熱，確保系統(tǒng)能穩(wěn)定地繼續(xù)運行。

1.2 單獨制熱水工況

在制熱水初期，大壓縮機運行，快速產(chǎn)生熱水。制冷劑經(jīng)過壓縮，在板式換熱器中與水換熱，加熱生活用水，隨后流經(jīng)室內(nèi)機，但是室內(nèi)風機不開啟，制冷劑不與室內(nèi)空氣換熱。在經(jīng)過毛細管節(jié)流后，流過室外機蒸發(fā)吸熱，最后回到壓縮機完成循環(huán)。當生活熱水達到某一溫度，系統(tǒng)自動切換成小壓縮機運行，繼續(xù)加熱并保溫。保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行的同時避免過多的熱量排放到室內(nèi)。

1.3 供熱兼制熱水工況

這個工況是此系統(tǒng)耗能最大的工況，此時，大、小壓縮機共同運行，通過部分旁通板換，使一部分制冷劑在與水換熱，另一部分直接室內(nèi)空氣換熱，從而保證室內(nèi)溫度。

制冷劑從壓縮機出來，在板式換熱器中和房間內(nèi)冷凝放熱，然后經(jīng)過毛細管節(jié)流，在室外機蒸發(fā)吸熱，最后通過氣液分離器循環(huán)回到壓縮機，滿足供熱和制熱水雙重要求。

表1系統(tǒng)各模式控制策略

2. 系統(tǒng)控制策略

對于本系統(tǒng)來說，合理的控制策略是非常重要的，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品功能，保證產(chǎn)品安全、穩(wěn)定地運行還可以節(jié)省系統(tǒng)運行費用，節(jié)約能耗。

該系統(tǒng)的控制策略總結為表1，以壓縮機排氣溫度為參考。各個工況的具體控制流程如下：

（1）制冷兼制熱水工況。此工況首先要保證系統(tǒng)的制冷功能。開機后先旁通風冷冷凝器，壓縮機排氣度達到45℃時之后再開啟循環(huán)水泵。起初板式換熱器中的水可以完全吸收空調(diào)冷凝熱，室外風機不需要開啟。壓縮機排氣溫度高于48℃后，取消旁通室外機冷凝器，開啟室外風機。當水箱中的水溫達到45℃時，已經(jīng)滿足用戶需求，這時關閉水泵，系統(tǒng)變成普通的制冷工況。

（2）單獨制熱水工況。開機時，室內(nèi)風機不運行，利用室外空氣的熱量加熱熱水。當壓縮機排氣溫度達到50℃時開啟水泵，同時為了保護系統(tǒng)穩(wěn)定，壓縮機排氣溫度大于55℃時關閉室外風機。同樣，水箱中的水溫高于45℃時，制熱水工況結束。

（3）供熱兼制熱水工況。壓縮機排氣溫度在50℃～60℃之間時開啟水泵，其余時間關閉水泵，這樣使系統(tǒng)一直處于高效工作狀態(tài)。如果采用室內(nèi)供熱優(yōu)先策略，則開機后開啟室外風機，旁通板換并且關閉水泵。這時完全不制取熱水。當室內(nèi)熱量足夠時，取消旁通，使壓縮機排氣先進入板式換熱器，開始加熱生活熱水，并開啟水泵；如果采用保證制熱水優(yōu)先策略，則不旁通板換且水泵連續(xù)運行，可以通過調(diào)整旁通板換的比例，平衡供熱與制熱水的矛盾問題。

3. 控制流程圖

由于控制得比較復雜，為了更清晰地整理控制思路，為編程和自動化打下基礎，下面分別給出主要3個工況的系統(tǒng)控制流程圖，如圖2～圖4所示。

參考文獻

［1］清華大學建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2013［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013：40-64.

［2］ C.T. Healy， Jr.T.I. Wetherington. Water Heating by Recovery of Rejected Heat from Heat Pump［J］. ASHRAE Journal. 1965， April：68-74.

［3］ R.S. Jr. Mason， H.S. Bierenbaum. Energy Conservation through Heat Recovery Water Heating［J］.ASHRAE Journal. 1977， August：36-40.

［4］ M. Perlman. Heat Pump Water Heater—a Better Water Heating Approach［J］. ASHRAE Transactions， 1984， 90（1B）： 191-205.

中圖分類號：TU822

文獻標識碼：A

Abstract：In order to recover the condensing heat of domestic heat pump air conditioner， a new type of multi-functional air source heat pump with water heater system is put forward， and the system is tested and analyzed. The control strategy and control principle of each working condition of the system are summarized， which provides ideas for the development of the machine in the future. Keywords： air source heat pump； domestic hot water； experimental study； control strategy