盧炳奇 蔣建平 周志成 李偉

青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司 山東青島 266101

1 引言

太陽(yáng)能熱水器通過吸收太陽(yáng)能輻射將低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)化為生活用的高溫?zé)嵩?，不但?jié)能環(huán)保、價(jià)格低廉，而且提高了太陽(yáng)能的能源品位，在生活上為用戶提供便利，是太陽(yáng)能應(yīng)用于節(jié)能環(huán)保的具體體現(xiàn)之一。但是太陽(yáng)能熱水器的制熱性能存在不穩(wěn)定性，如遇光照強(qiáng)度不足或者光照時(shí)間較短的條件時(shí)，太陽(yáng)能集熱器的集熱效率低下，無法滿足用戶對(duì)熱水的需求。

直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)通過將太陽(yáng)能集熱技術(shù)與熱泵集熱技術(shù)相結(jié)合的方式制取熱水，冷媒在蒸發(fā)器中既可以吸收太陽(yáng)能輻射能量又可以與周圍空氣換熱，在太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度不足時(shí)仍能繼續(xù)工作，收集熱量，滿足用戶全天候的熱水需求。

直膨式太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中主要受環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻照影響，環(huán)溫不同和太陽(yáng)能輻射的波動(dòng)性，導(dǎo)致系統(tǒng)加熱時(shí)間長(zhǎng)短不同，很難滿足用戶當(dāng)天用水需求。定頻式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不可控，因此很難控制系統(tǒng)的加熱時(shí)間，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的節(jié)能效果，因此本文提出了通過研究直膨式變頻太陽(yáng)能熱泵熱水器運(yùn)行規(guī)律，通過控制系統(tǒng)加熱時(shí)間調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的方法。

2 直膨式變頻太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)

2.1 工作原理

直膨式變頻太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)主要包括水箱、變頻壓縮機(jī)、電子膨脹閥、冷凝器、帶有吸收涂層的蒸發(fā)器。太陽(yáng)能熱泵運(yùn)行原理圖如圖1所示，工作原理與空氣源熱泵熱水器加熱原理相同，都是采用逆卡諾循環(huán)原理加熱熱水。不同之處是直膨式變頻太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)的蒸發(fā)器涂有吸熱涂層，將蒸發(fā)器安裝于室外，在太陽(yáng)光照射下，蒸發(fā)器可以吸收太陽(yáng)能輻射熱量，沒有太陽(yáng)輻照時(shí)，蒸發(fā)器可以與周圍空氣進(jìn)行換熱。

冷媒通過蒸發(fā)器吸收太陽(yáng)能輻照熱量和周圍空氣中的熱量變成高溫低壓氣體，經(jīng)過變頻壓縮機(jī)壓縮變成高溫高壓氣體通過冷凝器與水箱進(jìn)行熱量交換，交換完成后變成高溫高壓液體，再通過電子膨脹閥節(jié)流作用變成低溫低壓氣體，再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量完成一次加熱循環(huán)。系統(tǒng)主要通過控制變頻壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥的開度實(shí)現(xiàn)控制。

3 系統(tǒng)測(cè)試及分析

3.1 系統(tǒng)測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)首先通過固定壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的方式，測(cè)試變頻太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)制熱水過程中的參數(shù)和性能。其中環(huán)境溫度和輻照強(qiáng)度為蒸發(fā)器所處環(huán)境的參數(shù)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，選取了比較有代表性的幾次實(shí)驗(yàn)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行總體結(jié)果分析處理，表2固定頻率性能測(cè)試為青島6月份測(cè)試的數(shù)據(jù)。

從表2可以看出，直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水器在6月份制熱性能比較高，COP基本在4.0以上，最高可達(dá)5.56，制熱量越大，加熱時(shí)間越短溫升越快，功耗也就越大。表2中壓縮機(jī)以42Hz運(yùn)行和以75Hz運(yùn)行時(shí)，在環(huán)溫相同、輻照強(qiáng)度相差不大條件下，以42Hz運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)性能明顯高于以75Hz運(yùn)行時(shí)，因此在外界環(huán)境相同時(shí)，通過降低壓縮機(jī)頻率，延長(zhǎng)加熱時(shí)間將有利于提升系統(tǒng)的COP。而以38Hz或者更低頻率運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)制熱時(shí)間接近7個(gè)小時(shí)，加熱時(shí)間較長(zhǎng)但是系統(tǒng)效率沒有明顯提高，因此不能無限制的降低壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，需要選擇合適的運(yùn)行頻率，即選擇合適的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間可以提升系統(tǒng)的效率。控制系統(tǒng)在適當(dāng)時(shí)間內(nèi)完成加熱可以在滿足用戶對(duì)制熱水時(shí)間的需求，同時(shí)也有利于提升系統(tǒng)性能。

表3為不同頻率、水溫條件下變頻系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)，在壓機(jī)運(yùn)行頻率不變，水溫上升時(shí)間段內(nèi)，制熱量變化不大，但是系統(tǒng)COP逐漸減?。辉趬簷C(jī)運(yùn)行頻率上升，水溫不變間段內(nèi)，制熱量逐漸增大，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率逐漸減小。由此可以看出系統(tǒng)制熱量和系統(tǒng)COP與壓縮機(jī)頻率和水箱水溫密切相關(guān)，對(duì)整機(jī)性能有顯著影響，因此壓縮機(jī)運(yùn)行頻率調(diào)節(jié)是直膨式變頻太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)的關(guān)鍵。

3.2 理論數(shù)據(jù)分析

首先在相同環(huán)境條件、加熱時(shí)間、加熱水量前提下，分析頻率變化對(duì)系統(tǒng)的影響，可以簡(jiǎn)單分為定速加熱，升速加熱，降速加熱三種模式，如圖2所示。以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)學(xué)方法對(duì)三種方式進(jìn)行理論計(jì)算，比較三種加熱方式COP的差異。

總制熱量和加熱時(shí)間一定以及外界環(huán)境參數(shù)都不變的情況下，三種加熱方式的數(shù)學(xué)模型可以用式（1）表示：

其中，a為0、正、負(fù)分別代表定速加熱、升速加熱、降速加熱。其中f為運(yùn)行頻率，Tw為當(dāng)前水溫，b為常數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，選取以下數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

（1）在環(huán)溫24±2℃，輻射強(qiáng)度750w/m2，水溫45℃時(shí)，在不同壓機(jī)運(yùn)行頻率下，系統(tǒng)制熱量Qh和COP如圖3所示。

（2）在環(huán)溫24±2℃，輻射強(qiáng)度750w/m2，壓機(jī)運(yùn)行頻率60Hz時(shí)，系統(tǒng)制熱量Qh和COP如圖4所示。

由圖3和圖4中制熱功率和COP隨頻率和水溫的變化曲線，通過公式擬合可以得出制熱量Qh和COP與運(yùn)行頻率有一次線性關(guān)系，與水溫有二次曲線關(guān)系，即

通過測(cè)試測(cè)試數(shù)據(jù)和參數(shù)擬合可求出A1、A2、A3、B1、B2；a1、a2、a3、b1、b2的值。當(dāng)前水溫和運(yùn)行頻率下系統(tǒng)制熱功量和COP可以用q（f，Tw），COP（f，Tw）標(biāo)示。

根據(jù)擬合公式進(jìn)行壓縮機(jī)運(yùn)行頻率優(yōu)化計(jì)算，COP計(jì)算公式：

表1 主要部件參數(shù)

圖1 太陽(yáng)能熱泵運(yùn)行原理圖

表2 固定頻率性能測(cè)試

表3 不同頻率、水溫條件下變頻系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)

為了保證系統(tǒng)制熱在規(guī)定時(shí)間完成，需要對(duì)加熱時(shí)間限定條件：

在運(yùn)行過程中當(dāng)氣溫/輻照高時(shí)，降低運(yùn)行功率，達(dá)到最節(jié)能省電的效果；當(dāng)氣溫/輻照低時(shí)，加大運(yùn)轉(zhuǎn)功率，保證機(jī)組處于最有效吸熱狀態(tài)。

系統(tǒng)水溫加熱范圍設(shè)定為15～55℃。加熱限定時(shí)間需要根據(jù)環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻照條件等參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試確定，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)為夏季工況數(shù)據(jù)，因此將加熱時(shí)間設(shè)定為270分鐘，將實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)帶入可以求出系統(tǒng)參數(shù)。

在輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度和水的溫升相同的條件下，當(dāng)加熱時(shí)間相同時(shí)，三種加熱方式的COP相差很小，當(dāng)加熱時(shí)間不同時(shí)，系統(tǒng)COP變化明顯，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，COP越高。因此在在規(guī)定時(shí)間允許的范圍內(nèi)，以較低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)加熱時(shí)間，是獲得較高COP的關(guān)鍵。通過控制系統(tǒng)加熱時(shí)間調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，即根據(jù)不同水溫段溫升速率調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)行頻率。

3.3 變頻控制基本步驟

（1）根據(jù)制熱需求和實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)確定需要的加熱時(shí)間，計(jì)算太陽(yáng)能熱水器加熱完成所需要的平均制熱功量Qh；

（2）根據(jù)制熱量Qh與初始頻率之間的公式，確定壓縮機(jī)初始頻率f；

（3）計(jì)算壓縮機(jī)制熱過程中不同水溫段的實(shí)際制熱量，將實(shí)際制熱量與期望制熱量進(jìn)行對(duì)比：當(dāng)實(shí)際大于期望時(shí)，可以判斷外界環(huán)境或者輻照比開始制熱時(shí)條件好有利于熱泵制熱，降低壓機(jī)運(yùn)行頻率延長(zhǎng)制熱時(shí)間；當(dāng)實(shí)際小于期望時(shí)，可以判斷外界環(huán)境或者輻照比開始制熱時(shí)條件差不利于熱泵制熱，增加壓機(jī)運(yùn)行頻率保證機(jī)組處于最有效制熱狀態(tài)；

（4）根據(jù)對(duì)比結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整壓縮機(jī)頻率。

4 實(shí)際應(yīng)用

將變頻控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，因蒸發(fā)器所在的環(huán)溫和環(huán)境無法控制，因此只選擇在輻射強(qiáng)度750±50w/m2選取測(cè)試數(shù)據(jù)，表4為青島地區(qū)8月份的測(cè)試數(shù)據(jù)。

從表4中可以看出，通過控制太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)制熱時(shí)間的方法調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，在8月份時(shí)制熱性能都比較高，COP均大于5.0，最高達(dá)5.78節(jié)能效果比較明顯，系統(tǒng)加熱時(shí)間控制在270分鐘左右，在此段時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)能熱泵可以充分利用太陽(yáng)輻照能量，每天都可以滿足生活用水的需求，實(shí)現(xiàn)白天制熱水晚上使用的目標(biāo)。

從表5不同水溫段運(yùn)行頻率與COP數(shù)據(jù)的分析中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)制熱量增大時(shí)降低壓機(jī)運(yùn)行頻率提升系統(tǒng)制熱性能，當(dāng)系統(tǒng)制熱量較小時(shí)提高壓縮機(jī)運(yùn)行頻率增大系統(tǒng)制熱量，保證系統(tǒng)制熱效率。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在外界條件變化時(shí)調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，保證系統(tǒng)制熱時(shí)間和系統(tǒng)制熱效率。

5 結(jié)論

直膨式變頻太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)性能的影響因素很多，本文只從系統(tǒng)運(yùn)行加熱時(shí)間的角度上分析，采用固定頻率的方法獲得系統(tǒng)在不同壓機(jī)運(yùn)行頻率下系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化規(guī)律。為了更好的適應(yīng)外界環(huán)境變化，滿足用戶制熱水時(shí)間的需求，提出根據(jù)控制壓縮機(jī)運(yùn)行頻率實(shí)現(xiàn)控制加熱時(shí)間的的方法。經(jīng)過數(shù)據(jù)模擬和實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證，得出控制壓機(jī)運(yùn)行頻率的方法。通過數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，控制系統(tǒng)運(yùn)行加熱時(shí)間，根據(jù)預(yù)期溫升與實(shí)際溫升對(duì)比調(diào)整壓機(jī)運(yùn)行頻率的可行性。該方法可以在保證變頻熱泵系統(tǒng)高效運(yùn)行的同時(shí)，準(zhǔn)確控制加熱時(shí)間，系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，對(duì)于推廣直膨式變頻熱泵熱水系統(tǒng)有一定的指導(dǎo)意義。

表4 青島地區(qū)8月份測(cè)試數(shù)據(jù)

表5 不同水溫段運(yùn)行頻率與COP數(shù)據(jù)分析

圖2 加熱示意圖

圖3 制熱量Q和COP隨頻率的變化曲線

圖4 制熱功率和COP隨水溫的變化曲線

直膨式變頻太陽(yáng)能熱泵目前在市場(chǎng)上的應(yīng)用還比較少，但是直膨式太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)可以通過將太陽(yáng)能集熱技術(shù)與熱泵集熱技術(shù)相結(jié)合的方式，在太陽(yáng)輻照強(qiáng)度高或者環(huán)溫高的地區(qū)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。另外，系統(tǒng)加熱時(shí)間的控制需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件，否則不僅不能提高系統(tǒng)效率，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，下一步還需要結(jié)合全年的氣候條件進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，并且調(diào)整控制方法中的參數(shù)。

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