（青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司，山東青島 266106）

直膨式太陽能熱泵，簡稱太空能，是一種新型的空氣能熱水器，因其能夠充分利用太陽能，越來越多的人開始研究、生產(chǎn)太空能，使用太空能制熱水和采暖[1-3]。根據(jù)對直膨式太陽能熱泵的性能研究，影響太空能系統(tǒng)COP 和蒸發(fā)器的吸熱量的環(huán)境因素主要為太陽輻照強度和環(huán)境溫度[4-6]。太陽輻射強度和環(huán)境溫度是實時變化的，為實現(xiàn)太空能的效率最大化，通過自學(xué)習(xí)算法，建立對應(yīng)的資料庫，實現(xiàn)對太空能制熱自適應(yīng)控制，可提高太空能效率，節(jié)省電能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 太空能系統(tǒng)圖

太空能系統(tǒng)如圖1 所示，蒸發(fā)器吸收太陽和空氣中的熱量，將“低溫低壓”的液態(tài)冷媒，變?yōu)椤暗蜏氐蛪骸钡臍鈶B(tài)冷媒；壓縮機做功將“低溫低壓”的氣態(tài)冷媒，變?yōu)椤案邷馗邏骸钡臍鈶B(tài)冷媒；“高溫高壓”的氣態(tài)冷媒，在冷凝器（水箱內(nèi)膽外壁上貼裝的微通道換熱器）中放熱，從而加熱水箱內(nèi)膽中的水，然后變?yōu)椤暗蜏卮胃邏骸钡囊簯B(tài)冷媒；“低溫次高壓”的液態(tài)冷媒，經(jīng)過電子膨脹閥后，變?yōu)椤暗蜏氐蛪骸钡囊簯B(tài)冷媒，如此循環(huán)反復(fù)，將水箱內(nèi)的水加熱到目標溫度。四通閥用來切換制熱和化霜兩個相反的過程。

1.2 控制方法

圖1 太空能系統(tǒng)圖

目前，為充分利用太空能，設(shè)置一種光熱節(jié)能模式，每天早上開始檢測，滿足壓縮機啟動條件，則啟動壓縮機進行制熱。加熱到目標溫度則停止制熱。系統(tǒng)設(shè)置一個開始時間及一個停止時間，此開始時間和停止時間，用戶可根據(jù)實際情況進行設(shè)置。為保證各時區(qū)、各種天氣情況下用戶的使用，此時間范圍較寬，而且時間一經(jīng)設(shè)定，則一直按照此時間進行運行控制，因此壓縮機制熱時段很可能不是太陽輻照較好、環(huán)境溫度較高的時段。

為解決這個問題，設(shè)置一個輻照傳感器，根據(jù)輻照值、水箱容量、實際水溫與目標水溫之差、壓縮機制熱功率，進行制熱自學(xué)習(xí)，對系統(tǒng)進行加熱效率最優(yōu)化控制，實現(xiàn)太空能的自適應(yīng)控制。不需要人為設(shè)置，簡單、高效。

2 檢測原理

2.1 自學(xué)習(xí)算法

為得到最佳的啟動輻照值，需要先確定加熱所需要的熱量，即熱泵制熱量Q，Q的計算公式如式（1）：

其中，V為水箱容積，H為加熱所需要的時間，Tm為目標溫度，Ts為初始溫度，ΔT為目標溫度和初始溫度的之差，簡稱溫差。μ稱之為制熱速率，制熱量與溫差和制熱速率的乘積成正比。

同一臺機器，當溫差一定時，獲得最大的制熱速率，則可以最快完成制熱。為得到最大的制熱速率，讓太空能在太陽輻照較強、環(huán)溫較高的時段完成制熱。因此，自學(xué)習(xí)過程，即是通過自學(xué)習(xí)，通過初始溫差，得到最佳的開始加熱輻照值。

自學(xué)習(xí)的過程簡介如下：

根據(jù)初始溫差及環(huán)境溫度，結(jié)合實驗測試數(shù)據(jù)，設(shè)置一個熱泵開始制熱的輻照值（單位：W/m2）及初始加熱速率μ0。W0的值如表1 所示。當溫差越大、環(huán)境溫度越低，則啟動輻照值設(shè)置越小。不同的壓縮機制熱功率、水箱容量，啟動輻照值稍有不同，但對同種規(guī)格的機器來說，是固定的。

自學(xué)習(xí)過程流程圖如圖2 所示。

圖2 自學(xué)習(xí)過程流程圖

根據(jù)輻照值，初步判斷白天和黑夜，當輻照值超過某個輻照度，例如50 W/m2，則認為是白天，此時開始檢測溫差及環(huán)境溫度。根據(jù)表1，當檢測到環(huán)溫在某個范圍，輻照值達到設(shè)定值W0并維持一定時間后，滿足壓機啟動條件，則啟動壓機進行制熱。從制熱開始，進行累計輻照值計算，直到加熱完成，計算加熱速率。得到加熱速率μ1，檢測停止加熱時的時間及輻照值W1，若W0和W1的關(guān)系，滿足下式：

且μ1＞μ0，則初始輻照值修正為，作為此溫差及環(huán)境溫度范圍內(nèi)，下次啟動輻照值。若不滿足上述條件，則不修改。通過不斷的加熱運行，逐漸的補充加熱速率表，得到最大的加熱速率對應(yīng)的開始制熱輻照值。根據(jù)最大加熱速率對應(yīng)的啟動輻照值，對表1 中的數(shù)據(jù)進行修正。

此自學(xué)習(xí)過程可將溫差和環(huán)溫的范圍進一步縮小，再根據(jù)自學(xué)習(xí)，得到最佳的啟動制熱輻照值。

2.2 特殊情況處理

對于天氣不好、加熱過程中有用熱水或者啟動了電輔助加熱，則制熱速率會明顯有偏差。和普通加熱速率進行對比，明顯偏差30%以上的加熱速率，可舍棄不記錄，本次輻照值不進行修正。

當天氣不好時，為保證白天可以制熱，則設(shè)置一個最遲的開始制熱時間，當輻照值一直較低且不能滿足啟動輻照值，則在某個時間，比如11:00，強制啟動熱泵進行制熱。強制啟動的，也不納入自學(xué)習(xí)修正。

為保證每天制熱能夠達到目標溫度，當檢測到北京時間過了下午某個時間，檢測溫差及輻照值，當溫差過大，且輻照值低于某個值后，認為太空能從陽光和空氣中吸收到的熱量，不能滿足此次加熱，則啟動電加熱進行輔助加熱。此次加熱數(shù)據(jù)也可不考慮。

以后每天開始檢測制熱的時候，以最大制熱速率對應(yīng)的輻照值為最佳啟動輻照值。因為同時考慮到了環(huán)境溫度，避免四季不同，對啟動輻照值的影響。

表1 自學(xué)習(xí)庫表格

表2 實驗對比數(shù)據(jù)表

通過不斷的自學(xué)習(xí)，完善自學(xué)習(xí)庫，可進一步細化溫差及環(huán)境溫度范圍，不斷完善啟動輻照值，使太空能可以根據(jù)溫差和環(huán)境溫度，得到最佳的制熱時段，此時段輻照值較高，環(huán)境溫度也較高，制熱速率最大。

2.3 實驗對比

同時準備兩臺一樣的機器，一臺機器按照固定開始時間，上午9:00 開機運行，一臺通過自學(xué)習(xí)進行控制，運行一段時間后，積累一定的自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)后，同時運行5 天，進行數(shù)據(jù)對比。初始溫度都從15℃進行加熱，加熱目標溫度58℃，水箱容積及蒸發(fā)器面積都一樣。對比如表2 所示。

表2 中，每大列內(nèi)，左列為每天早上九點準時啟動的太空能，右列為通過自學(xué)習(xí)的太空能。表中第4 行，由于天氣不好，輻照值一直較低且不能滿足啟動輻照值，則在11:00 啟動制熱。通過和常規(guī)控制方法的對比，發(fā)現(xiàn)運行一段時間后，同樣的溫升，通過自學(xué)習(xí)的太空能，能盡可能的在輻照較好的時段進行制熱，制熱時的平均輻照值大，縮短了制熱時間，減少了電能消耗，充分利用了太陽能，并保證用戶的熱水使用。根據(jù)表2 中第5 行自學(xué)習(xí)太空能的具體數(shù)據(jù)，繪制熱泵工作電流和太陽瞬時輻照值與時間的關(guān)系圖，如圖3 所示，有太空能工作電流的時候，說明太空能正在進行制熱。從圖3 可以看出，自學(xué)習(xí)一段時間后，太空能制熱的時候基本可在輻照值最好的時段進行。

圖3 瞬時輻照值及太空能工作電流圖

3 結(jié)束語

本文在太空能系統(tǒng)中增加輻照傳感器，太空能熱水器系統(tǒng)根據(jù)溫差、環(huán)境溫度，通過自學(xué)習(xí)，可實現(xiàn)在太陽輻照值較高、環(huán)境溫度較高的時段進行制熱，因此可提高制熱速率，縮短加熱時間，降低電能消耗。不需要用戶手動設(shè)置，方便、快捷，可有效提升用戶體驗。