論空氣能熱泵熱水機的電氣控制原理

摘 要：文章論述了空氣能熱泵熱水機的自動控制原理、組成及機組控制要求。

關鍵詞：空氣能；熱水機；電氣；自動控制

中圖分類號：TU822.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2015） 02-0000-02

空氣能熱泵熱水機主要工作原理是依靠電力驅動壓縮機，利用制冷劑作為媒介，將一種沸點-10℃或以下的制冷劑循環到蒸發器中，制冷劑通過蒸發器由液態蒸發變為氣態并吸收空氣中大量熱量，通過壓縮機不斷壓縮，溫度升到80--120℃，此時，高溫高壓的氣體通過冷凝器變成液態，同時釋放大量的熱量，從而加熱水箱中的水，低溫低壓的液態制冷劑通過節流裝置回到蒸發器，如此往復循環。空氣能熱泵熱水機是目前空氣能技術應用較為成熟的領域。用少量的電能驅動壓縮機，從空氣中吸收大量熱能來加熱水箱中的水。它的推廣與應用對于促進環境保護、節約能源有重要作用。

一、空氣能熱泵熱水機核心部件

系統一般由壓縮機、蒸發器、、冷凝器、節流閥、四通電磁閥、水泵、風機、水箱等。

二、空氣能熱泵熱水機電氣自動化系統

（一）熱水機電氣自動化控制I/O定義

（1）數字量輸入：電源保護、壓縮機高壓、低壓、排氣高溫報警、過流保護、風機過流保護、水泵電機過流保護、水流、水壓開關保護；（2）模擬量輸入：1#盤管溫度、2#盤管溫度、1#板出水溫度、2#板出水溫度、生活熱水水箱溫度、環境溫度、機組總進水溫度；（3）數字量輸出：熱水循環泵、冷水增壓泵、輔助電加熱、補水電磁閥、1#壓縮機、2#壓縮機、1#冷凝風機、2#冷凝風機、1#四通閥、2#四通閥、運行指示、故障指示。

（二）熱水機自動控制目標

（1）水箱水位：默認水箱水位100%滿水位；100%（S1）、75%（S2）、50%（S3）、25%（S4）可調；（2）水箱溫度：默認水箱溫度為50℃，可調范圍40～60℃。

（三）熱水機自動控制要求

機組有三種運行模式：自動模式、循環模式、制冷模式。自動模式情況下，機組依據水箱水位與水箱溫度為依據，自動在直熱運行與循環運行間轉換運行。循環模式情況下，機組只按照循環模式運行。

四、空氣能熱泵熱水機電氣自動化控制流程與原理

（一）機組自動模式運行

直熱運行：先檢測1#再啟動延時時間，1#再啟動延時時間滿足后打開補水電磁閥，5秒后檢測冷水水壓是否在正常范圍內，若水壓正常，水壓開關閉合持續5秒，允許進入直熱運行；如水壓不足則開啟冷水增壓水泵，30秒后檢測水壓保護開關信號，若水壓正常，水壓開關閉合持續5秒，允許進入直熱運行；開1#冷凝風機，延時3秒開1#壓縮機；溫控周期之后檢測2#再啟動延時時間，開2#冷凝風機，延時3秒開2#壓縮機。壓縮機執行均衡磨損原則。

1.當控制器設定水箱水位為S1，而實際水位低于S2，機組運行直熱，當水位高于S1或溫度達到設定時，退出直熱，轉為待機，待機時如滿足循環式制熱水方式條件，機組自動進入循環式制熱水方式。

2.當控制器設定水箱水位為S2，而實際水位低于S3，機組運行直熱，當水位高于S2或溫度達到設定時，退出直熱，轉為待機，待機時如滿足循環式制熱水方式條件，機組自動進入循環式制熱水方式。

3.當控制器設定水箱水位為S3，而實際水位低于S4，機組運行直熱，當水位高于S3或溫度達到設定時，退出直熱，轉為待機，待機時如滿足循環式制熱水方式條件，機組自動進入循環式制熱水方式。

循環運行：檢測水箱溫度，如水箱溫度低于設定溫度減壓機啟動溫差時，打開循環水泵，30秒后檢測水流開關，檢測1#再啟動延時時間，開1#冷凝風機，延時3秒開1#壓縮機；溫控周期之后檢測2#再啟動延時時間，開2#冷凝風機，延時3秒開2#壓縮機。當水箱溫度高于設定溫度加壓機停機溫差時，當兩壓機停止后30秒停止循環水泵，退出循環模式或關機后30秒停止循環水泵。壓縮機執行均衡磨損原則。當水箱溫度滿足：T5≤（設定溫度-5℃），并且滿足以下條件之一，機組運行循環。

4.當控制器設定水箱水位為S1，而實際水位高于S2，機組運行循環，之后如果實際水位低于S2，轉為直熱，直到水位高于S1，退出直熱，轉為待機，直到再次進入循環。溫度達到設定時轉為待機。

5.當控制器設定水箱水位為S2，而實際水位高于S3，機組運行循環，之后如果實際水位低于S3，轉為直熱，直到水位高于S2，退出直熱，轉為待機，直到再次進入循環。溫度達到設定時轉為待機。

6.當控制器設定水箱水位為S3，而實際水位高于S4，機組運行循環，之后如果實際水位低于S4，轉為直熱，直到水位高于S3，退出直熱，轉為待機，直到再次進入循環。溫度達到設定時轉為待機。

（二）機組循環模式運行

循環運行：檢測水箱溫度，如水箱溫度低于設定溫度減壓機啟動溫差時，打開循環水泵，30秒后檢測水流開關，檢測1#再啟動延時時間，開1#冷凝風機，延時3秒開1#壓縮機；溫控周期之后檢測2#再啟動延時時間，開2#冷凝風機，延時3秒開2#壓縮機。當水箱溫度高于設定溫度加壓機停機溫差時，當兩壓機停止后30秒停止循環水泵，退出循環模式或關機后30秒停止循環水泵。壓縮機執行均衡磨損原則。當水箱溫度高于設定溫度后，轉為待機。

（三）機組制冷模式運行

制冷模式按照循環方式運行：開循環水泵，30秒后檢測水流開關，檢測水箱溫度，檢測1#再啟動延時時間，開1#冷凝風機，延時3秒開1#壓縮機；溫控周期之后檢測2#再啟動延時時間，開2#冷凝風機，延時3秒開2#壓縮機。壓縮機執行均衡磨損原則。當水箱溫度低于設定溫度后，轉為待機。

（四）機組除霜運行

1.智能除霜（制熱狀態時運行）。除霜過程：除霜開始→四通閥換向→風機停止→判斷除霜結束條件（滿足）→風機運行→延時（可調）→四通閥換向（恢復制熱）→除霜結束。（1）壓縮機開機運行7分鐘后，才允許進行除霜條件判斷；（2）除霜過程中不進行能量控制，正在除霜的壓縮機不啟停（故障停機除外）；（3）每一系統均采用各自的翅片溫度、時間作為除霜開始和結束的判斷條件；（4）除霜時，為了避免水溫波動過大，規定在同一時刻多個系統同時滿足進入除霜條件，則除霜時隔長的系統優先進入除霜控制，其它系統進入等待狀態，直至第一進入系統除霜結束或滿足最長除霜等待時間（5分鐘，3～15分鐘可調），才能進入除霜狀態。共用風時，如另一系統不滿足除霜退出條件，兩系統一起進入除霜；（5）自動除霜模式，除霜起始條件：A、必要條件是（室外溫度Ta）-（翅片溫度Tf）≥Td=10℃（可調5～20℃）。B、分下列兩種條件：1）當室外溫度≥-5℃時，除霜周期≥TM1分鐘；2）當室外溫度<-5℃時，除霜周期≥TM2分鐘。C、盤管溫度≤-2℃。D、環境溫度≤12℃。滿足以上A、B、C、D四條件，便開始融霜；（6）除霜結束條件：條件一：（翅片溫度）≥16℃（可調6～30℃）。條件二：（融霜時間）≥N=3分鐘（可調2-10分鐘）。條件三：跳高壓。條件四：出水溫度≤4℃且持續10秒。

四者條件之一滿足便結束融霜。共用風系統控制融霜情況：A）除霜進入：同一模塊中一個系統滿足除霜進入條件時，該系統進入除霜運行狀態，若另一系統不滿足除霜退出條件，則此系統也同時進入除霜狀態，否則此系統壓縮機停機。B）除霜退出：同一模塊中如兩個系統均進入融霜運行，只有兩個系統都滿足除霜退出條件（時間或溫度）時同時退出，高壓退出除外。

2.手動除霜。在系統制熱運行時，如果不想利用控制模塊自動判斷除霜條件或在系統初始運行時由于積雪可能過多，需進行強制除霜時，可利用手動除霜方式實現強制化霜：若出水溫度≥10℃且翅片溫度≤2℃，壓縮機開機運行7分鐘，不滿足除霜退出條件，機組立即進入除霜運行。但只能有一個系統進入除霜，見（3）、（4）條控制要求。此除霜過程結束條件同（6）除霜結束條件。除霜過程水系統按照循環模式運行，開循環水泵，如果除霜過程中，水箱水位小于最低水位（水箱25%），立即退出除霜運行，按照直熱模式對水箱內進行補水。除霜過程若出現低壓保護則立即退出除霜運行。

（五）機組防凍運行

機組冬季停機或待機時為防止水管、水泵凍裂，按室外溫度及出水溫度自動進行水泵或熱泵運行。滿足以下任一條件，起動防凍模式：（1）當1℃<環境溫度≤4℃時，且停機狀態維持60分鐘；（2）當環境溫度≤1℃，且停機狀態維持30分鐘；（3）任一系統出水溫度≤3℃；（4）若環境感溫頭故障，則保持水泵持續運行以防止凍結；（5）防凍模式下先運行循環水泵2分鐘，檢測出水與水箱溫度，如果都大于10度，按照前面的溫度和時間等待下一次運行水泵，如果溫度低于10度，則運行循環模式，加熱水箱，直到高于20度后停止運行，等待下一次檢測。

五、結束語

空氣能熱泵熱水機優點：節能，有利于能源的綜合利用；環保，無有害氣體排放到大氣中；冷熱結合，設備應用率高，有效節省投資；電力驅動，調控相對比較方便。因此空氣能熱泵熱水機的運行和使用備受大家關注，本文論述了空氣能熱泵熱水機的自動化控制原理與要求等。如何有效提高其機組整體性能，優化其自動控制過程，是一名技術工作者不斷的追求。只有在設計與制造中做到舉一反三，不斷的提高，不斷改進與創新才能找到更理想有效的辦法。

[作者簡介]彭海龍（1978.01-），男，湖南安化人，大專，設備科科長，電氣工程師，研究方向：電氣設計與設備管理。