徐進(jìn)兵，汪謙旭，周宇文，李偉，王壽川

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥，230071）

20世紀(jì)50年代，熱泵熱水技術(shù)開始興起。相對于傳統(tǒng)的熱水供應(yīng)技術(shù)，熱泵熱水技術(shù)具有節(jié)能高效、適用性強(qiáng)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。近年來，能源危機(jī)背景下，安裝簡便的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)市場需求得到了快速增長。隨著居民生活質(zhì)量的提高，熱水使用末端逐步多樣化，如沐浴、清潔、地暖，而需求則逐漸衍生出即時(shí)響應(yīng)、穩(wěn)定供應(yīng)、寬溫域、大流量、精確溫控等要求［1-7］，這需要熱水系統(tǒng)有更高的氣候適應(yīng)性［8］：特別是在低氣溫下，受制于壓縮機(jī)性能和機(jī)組進(jìn)水溫度，能源效率明顯下降，當(dāng)用戶末端要求出水溫度較高下運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)快速響應(yīng)出水能力有限，用戶用水流量受限。為了更好的解決這個(gè)問題，本文提出了一種并聯(lián)式自動(dòng)控制熱泵熱水系統(tǒng)，可以自動(dòng)切換夏、冬季運(yùn)行模式。

1 并聯(lián)式自動(dòng)控制空氣源熱泵熱水系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概況

并聯(lián)式自動(dòng)控制空氣源熱泵熱水系統(tǒng)裝有自動(dòng)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有復(fù)雜的邏輯控制，可實(shí)現(xiàn)多級并聯(lián)控制，也可以有序控制設(shè)備的啟停。除此之外。在熱泵熱水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，可以通過通訊方式讀取壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力，溫度，熱水溫度等數(shù)據(jù)，通過自動(dòng)控制調(diào)節(jié)壓縮機(jī)等部件的運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到用戶的需求。因此將該系統(tǒng)運(yùn)用于熱泵熱水系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)控制。

1.2 系統(tǒng)的構(gòu)成

自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由主控制器，壓縮機(jī)控制器、水泵控制器、閥門控制器、遠(yuǎn)程監(jiān)視服務(wù)器、溫濕度傳感器等設(shè)備構(gòu)成，見圖1，通過將相關(guān)參數(shù)、報(bào)警信息及自動(dòng)控制邏輯傳輸?shù)椒?wù)器中，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制，并且便于技術(shù)人員維護(hù)調(diào)試。

圖1 并聯(lián)熱泵熱水系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

主控制器是系統(tǒng)的核心設(shè)備，其功能主要體現(xiàn)對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、設(shè)定、修改、以及與遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器連接，通過反饋信息對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。壓縮機(jī)控制器作為系統(tǒng)重要的組成部分，主要由電源、DI、AI、DO、RS485等接口構(gòu)成，各自發(fā)揮的作用不同，其中電源主要控制壓縮機(jī)的啟停；DI主要作用是對單臺壓縮機(jī)的低液位、機(jī)組缺相等問題進(jìn)行信息警報(bào)；AI主要發(fā)揮監(jiān)測作用，對整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行溫度進(jìn)行監(jiān)測；DO主要負(fù)責(zé)相關(guān)設(shè)備的輸出；RS485則負(fù)責(zé)通訊連接、參數(shù)信息上傳等［9］。水泵控制器，根據(jù)用戶用水流量的設(shè)置，自動(dòng)切換水泵頻率，實(shí)現(xiàn)變流量供水和水流量自動(dòng)控制，減小能耗，閥門控制器主要運(yùn)用于并聯(lián)式熱泵熱水機(jī)組在夏季和冬季運(yùn)行時(shí)的模式切換，通過對啟動(dòng)壓縮機(jī)的數(shù)量和閥門的開閉進(jìn)行控制。溫度傳感器、流量計(jì)作為系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)的重要傳感器，能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的溫度、流量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，經(jīng)過服務(wù)器將信息處理后再反過來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)、水泵等部件的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對熱泵熱水系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

2 控制策略優(yōu)化及節(jié)能改造

2.1 現(xiàn)有控制策略

以空氣源熱泵熱水采暖輻射系統(tǒng)為例，啟?？刂剖亲顬槌Ｒ姷摹Ｍㄟ^溫度傳感器對室內(nèi)溫度進(jìn)行采集，當(dāng)室內(nèi)溫度高于上限值時(shí)，控制裝置將會關(guān)閉閥門，當(dāng)溫度低于下限值時(shí)，控制裝置將會打開閥門。實(shí)際中的項(xiàng)目供水溫度通過經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)，一般室外溫度每降低2～3℃，供水溫度就會提高1℃［10］。但實(shí)際上由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身蓄熱放熱性能帶來熱量傳遞的延遲性，使通過經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)的結(jié)果離理想結(jié)果所差甚遠(yuǎn)，甚至無法保證室內(nèi)溫度。

另一方面，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)受環(huán)境影響很大，同一機(jī)組在夏季運(yùn)行和冬季運(yùn)行，其COP值和供熱水能力差別也較大。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造及控制策略優(yōu)化

夏季由于室外溫度較高，機(jī)組整體運(yùn)行的COP值較高，供熱水能力強(qiáng)，而在冬季比較寒冷的天氣，室外溫度低，機(jī)組整體運(yùn)行的COP值較低，供熱水能力不足。

因此，本文提出一種并聯(lián)式空氣源熱泵熱水機(jī)組，包括熱泵系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)。熱泵系統(tǒng)主要是由高壓壓縮機(jī)、中壓壓縮機(jī)、低壓壓縮機(jī)、高溫冷凝器、中溫冷凝器、低溫冷凝器及蒸發(fā)器等設(shè)備組成。熱水系統(tǒng)主要有蓄水箱、水泵等設(shè)備及管道組成，見圖2。

圖2 并聯(lián)熱泵熱水系統(tǒng)裝置示意圖

通過設(shè)定進(jìn)水口溫度監(jiān)控來自動(dòng)控制整個(gè)系統(tǒng)。在夏季時(shí)，進(jìn)水口溫度高，控制系統(tǒng)自動(dòng)將閥門17關(guān)閉，低壓壓縮機(jī)不啟動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)只啟動(dòng)中壓壓縮機(jī)和高壓壓縮機(jī)，可以滿足供熱水需求。在冬季時(shí)，進(jìn)水口溫度低，控制系統(tǒng)自動(dòng)打開閥門17，低壓壓縮機(jī)啟動(dòng)，通過低壓壓縮機(jī)和低壓冷凝器將水加熱到一定的溫度再送入中壓冷凝器，可以提高中壓冷凝器的換熱效率和整體系統(tǒng)的COP值［11］。此外，系統(tǒng)可以通過PID控制調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的頻率和水泵的頻率來適用不同的供水需求，降低系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能耗，延長設(shè)備使用壽命。

3 系統(tǒng)節(jié)能分析

3.1 CYCLEPAD簡介

CYCLEPAD是1個(gè)工程熱力學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，能構(gòu)造和分析各種熱力循環(huán)，由西北大學(xué)、美國海軍學(xué)院和牛津大學(xué)聯(lián)合完成。 應(yīng)用CYCLEPAD軟件可以進(jìn)行能源動(dòng)力、低溫制冷、動(dòng)力機(jī)械等熱力學(xué)方面的設(shè)計(jì)工作［12-13］。

熱力循環(huán)實(shí)際上是通過一系列基本元件組合，實(shí)現(xiàn)從環(huán)境中獲得熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能等其他形式，或者通過輸入功使熱能在環(huán)境或者其他因素之間傳遞轉(zhuǎn)化的過程，制冷機(jī)組和熱泵都屬于這一類熱機(jī)。CYCLEPAD軟件通過對不同的基本元件相互組合，構(gòu)成不同的熱力循環(huán)，因此，在工程熱力學(xué)和能源動(dòng)力方面仿真研究中具有極強(qiáng)的適應(yīng)性。

圖3 CYCLEPAD軟件操作界面

下面運(yùn)用CYCLEPAD對并聯(lián)自動(dòng)控制熱泵熱水系統(tǒng)及常規(guī)熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行全年運(yùn)行系統(tǒng)計(jì)算分析，得到了系統(tǒng)全年每月運(yùn)行的COP值以及能源消耗。

3.2 換熱量計(jì)算

通過查詢某地氣象部門數(shù)據(jù)獲得該地全年每月平均最高氣溫和最低氣溫。使用蔣新波等提出的計(jì)算方法，取當(dāng)?shù)厮畮?m水深平均水溫為全年每月平均冷水溫度，冬季水溫明顯低于夏季水溫，全年每月平均冷水溫度波動(dòng)較大，全年最高水溫為31.03℃（8月份），最低水溫為1.99 ℃（2月份），全年最大冷水溫差29.04 ℃。

設(shè)熱水終端溫度為60℃，根據(jù)全年每月冷水溫度及熱水終溫計(jì)算得出全年熱泵每月?lián)Q熱量，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 熱泵熱水系統(tǒng)全年每月?lián)Q熱量

由圖4可知：夏季熱泵每月?lián)Q熱量明顯比冬季的低，全年熱泵每月?lián)Q熱量波動(dòng)較大，全年最高月?lián)Q熱量為73.171 GJ（1 月份），最低月?lián)Q熱量為37.724 Gj（8月份）。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行COP

通過CYCLEPAD軟件對普通空氣源熱泵熱水系統(tǒng)和并聯(lián)式自動(dòng)控制熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行全年運(yùn)行模擬分析，計(jì)算出系統(tǒng)全年運(yùn)行COP值，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 并聯(lián)自動(dòng)控制熱泵熱水系統(tǒng)及常規(guī)熱泵熱水系統(tǒng)全年每月COP值

由圖5可知，并聯(lián)式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)全年運(yùn)行最大COP為6.8，最小運(yùn)行COP為4.7，平均COP值為5.7。相對于普通空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，該系統(tǒng)在夏季運(yùn)行（5—10月份）的平均COP值從5提高到6.2，提升了24%，冬季工況下（當(dāng)年11—次年4月份）平均COP從3.7升至5.3，提升了43%。

3.4 能源消耗分析

通過CYCLEPAD軟件計(jì)算出并聯(lián)自動(dòng)控制熱泵熱水系統(tǒng)與常規(guī)熱泵熱水系統(tǒng)全年運(yùn)行能源消耗，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 熱水系統(tǒng)全年每月能耗對比

由圖6可知并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)全年最大運(yùn)行能耗為4267 kW?h（1月份），最小運(yùn)行能耗為1556kW?h（7月份）；相對于普通空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，系統(tǒng)夏季工況平均每月運(yùn)行能耗從2492kW?h降至1980kW?h，降低21%；冬季工況平均每月運(yùn)行能耗從5122kW?h降至3642kW?h，降低29%。并聯(lián)自動(dòng)控制空氣源熱泵熱水系統(tǒng)較普通空氣源熱泵熱水系統(tǒng)具有較好節(jié)能效果，且在冬季節(jié)能效果更顯著［14］。

4 結(jié)論

本文針對空氣源熱泵熱水系統(tǒng)實(shí)行自動(dòng)控制，并在滿足智能控制的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，從而實(shí)現(xiàn)熱泵熱水系統(tǒng)的自動(dòng)控制及節(jié)能降耗。

1）相對于普通空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，并聯(lián)式自動(dòng)控制空氣源熱泵熱水系統(tǒng)能夠通過自動(dòng)控制閥門和壓縮機(jī)的狀態(tài)提高系統(tǒng)的COP值，該系統(tǒng)在夏季運(yùn)行（5—10月份）的平均COP值從5提高到6.2，提升了24%，冬季工況下（當(dāng)年11—次年4月份）的平均COP值從3.7升至5.3，提升了43%，全年最大運(yùn)行COP值為6.8。

2）并聯(lián)式自動(dòng)控制空氣源熱泵熱水系統(tǒng)能源消耗大幅降低，在全年各月均有較大改善，全年最大運(yùn)行能耗為4267 kW?h（1月份），最小運(yùn)行能耗為1556kW?h（7月份）；系統(tǒng)夏季工況平均每月運(yùn)行能耗從2492kW?h 降至1980kW?h，降低了21%；冬季工況平均月運(yùn)行能耗從5122kW?h降至3642kW?h，降低了29%。