張國政

（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越受到社會的關(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；空氣無處不在，可以隨意取用，具有很高的實(shí)用價值。當(dāng)前空氣能熱泵取得了一定的應(yīng)用，需對其進(jìn)行分析和研究，找出影響其效能的因子，通過優(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)時國外就已經(jīng)開始對其研究。但是由于當(dāng)時人們對此技術(shù)認(rèn)識的局限性，該技術(shù)蘊(yùn)含的巨大潛在價值并沒有被人們認(rèn)識和利用。直到20 世紀(jì)70 年代，隨著社會的發(fā)展，人們對資源和能源的消耗逐漸加劇，帶來的環(huán)境污染和破壞越來越嚴(yán)重，迫切需要人們對環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為人類社會首要解決的問題，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。相比國外而言，國內(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)保意識的增強(qiáng)，國內(nèi)對空氣能熱泵技術(shù)越來越重視?？諝饽軣岜卯a(chǎn)品近幾年得到迅速的發(fā)展，占據(jù)了國內(nèi)市場的一定份額，并且其增長速度迅速，市場的潛力也非常大[1]?？諝饽軣岜玫膶?shí)質(zhì)就是廉價、可靠的熱源，是一種產(chǎn)熱裝置，可以用來家用或者采暖。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、維修，更不利于實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測。同時，設(shè)備的出水溫度，液位位置、除霜啟停動作等參數(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)，來加強(qiáng)對空氣能熱泵系統(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)過程實(shí)際上是卡諾循環(huán)的反過程，熱泵工作時蒸發(fā)器和冷凝器同時運(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)動空氣壓縮機(jī)使管路里的冷媒循環(huán)流動，通過管路里冷媒的蒸發(fā)和冷凝過程，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]?？諝饽軣岜玫墓ぷ鬟^程如下：低溫液態(tài)冷媒在換熱器中通過吸收周圍環(huán)境中的熱量從液態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)；而后經(jīng)過管路通道氣態(tài)冷媒進(jìn)入壓縮機(jī)，通過少量電能的輸入驅(qū)動壓縮機(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)過熱力膨脹閥部分變?yōu)闅鈶B(tài)，氣液混合物重新來到蒸發(fā)器中完成一次循環(huán)過程。通過冷媒在系統(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程主要是在換熱器中通過冷媒的高溫放熱進(jìn)行的?？諝饽軣岜玫男芘c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熱泵性能影響很大。對空氣能熱泵使用過程進(jìn)行分析，設(shè)定環(huán)境溫度為恒定值，通過設(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，COP 值呈下降趨勢。當(dāng)取環(huán)境溫度為25 ℃時，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COP 值的影響如圖3 所示?？諝饽軣岜檬褂弥欣涠撕蜔岫藴囟炔顒e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。

熱泵使用過程結(jié)霜現(xiàn)象時有發(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，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，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，降低了通過蒸發(fā)器表面的空氣流量，影響了熱量的傳輸過程，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。因此除霜過程對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，不僅不能對外供熱，還會吸熱，采取正確的方法和時機(jī)對系統(tǒng)非常重要。

圖3 制水溫度對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)制水溫度是一個復(fù)雜的、時變的參數(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?？諝饽軣岜迷诮Y(jié)霜的工況運(yùn)行時，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，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)備的過熱。當(dāng)結(jié)霜很厚時，系統(tǒng)沒有啟動結(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、不確定問題的優(yōu)勢和LabVIEW 程序的穩(wěn)定、可靠、易于提取數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)[4]?？諝饽軣岜孟到y(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?？刂浦靼鍖?shù)據(jù)傳給上位機(jī)，Lab VIEW 后臺程序通過通信協(xié)議來實(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)過檢驗(yàn)確定數(shù)據(jù)沒問題后，送入對應(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）除霜過程對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)了對空氣能熱泵系統(tǒng)的有效控制，通過系統(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。