空氣源熱泵熱水器控制系統的分析

朱華東

摘 要：主要對空氣源熱泵熱水器的控制系統展開了分析，探討了降低空氣源熱泵熱水器可靠性的主要因素，并給出了一系列的解決措施，以期為相關單位的需要提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：空氣源熱泵熱水器；控制系統；加熱效果；自來水

中圖分類號：TU822 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.111

空氣源熱泵熱水器的原理為：吸收空氣中的低溫熱量，經過氟介質的氣化，通過壓縮機增壓升溫，并通過換熱器轉化給水加熱（壓縮后的高溫熱能可用來加熱水）。為了更好地實現空氣源熱泵熱水器的加熱效果，需要對其的控制系統進行研究和分析。

1 影響空氣源熱泵熱水器可靠性的因素

可靠性主要是指產品在一定時間和空間中完成相關任務的能力?？諝庠礋岜脽崴鞯目煽啃灾饕侵冈谝欢ǖ念~定功率中，在科學、合理的氣溫空間內（通常在5 ℃以上），將自來水加熱到指定溫度（通常為50～60 ℃）。但有些空氣源熱泵熱水器無法達到加熱溫度，其主要影響因素有以下5個：①空氣源熱泵熱水器的構造比較復雜，在以往很長一段時間內，研究人員比較注重產品的效能，對其可靠性的研究較少。值得注意的是，產品可靠性的基礎是產品的實際設計。②目前，我國空氣源熱泵熱水器還處在不斷探索的階段，很多企業采用小批量生產的方式，大多數工作程序都采用手工作業的方式，進而對產品的可靠性造成了影響。比如，氣液分離器、蒸發器、電磁換向四通閥和壓縮機都與熱泵機組相連。其中，統管彎折部分與銅管的連接是手工進行的，這可能會受到人為因素的影響，進而對機組的可能性造成影響。③空氣源熱泵熱水器相關制度的落實較晚?？諝庠礋岜脽崴鞯拇蟛糠峙浼碜杂诳照{配件，且未根據國家相關標準改造。而空氣源熱泵熱水器與空調的工作環境不同，這樣就會對壓縮機的使用壽命、可靠性造成影響。④空氣源熱泵熱水器的安裝和后期保養存在不足，尤其是在后期保養方面，嚴重影響了設備的使用。比如，機組安裝位置需要根據有關規定選擇、蒸發器應及時清洗等，否則，會直接影響設備的可靠性。⑤可靠性工程的實踐過程較為煩瑣，很多研究人員和企業的管理人員對其的認識還不夠充分，進而無法有效保證產品的可靠性。

綜上所述，應將可靠性工程技術融合到空氣源熱泵熱水器中，從而有效提升空氣源熱泵熱水器的可靠性。

2 空氣源熱泵熱水器的理想運行狀態

構建家用型空氣源熱泵熱水器的可靠性模型時，不僅要考慮可能出現的安全問題，還要考慮后期的保養和維修工作。只有考慮過上述問題后，所構建的模型才能被為稱為可靠性模型。

可靠性模型是用來解決產品可能出現的運行問題的，屬于全串聯模型。設備中的組成部分越多，其基本的可靠性就越低。要想提升基本可靠性，則需要最大限度地減少設備。對熱泵熱水器的結構進行了研究，由于家用壓縮機與氣液分離器是相互融合的，因此，基礎的可靠性框架可建立成圖1中的模式。任務可靠性模型是為了估測產品在實際操作中完成限定功能的概率的，即在執行任務時，根據產品各個部分所產生的預定效用而建立起來的可靠性模型。依據構建的基礎可靠性框架和可靠性數學模型、任務可靠性數學模型，并利用相關概率學知識，研究了基礎可靠性框架和任務可靠性模型。研究發現，基礎可靠性模型的各個環節是相互串聯的，任務可靠性模型是串與混相互融合的，因此，利用概率學的知識可建立相關的數學模型。

3 空氣源熱泵熱水器的可靠性構建

根據用戶的實際需求，應先建立空氣源熱泵熱水器的可靠性和定量性目標，利用系統構建可靠性模型、可靠性分配，并利用預測技術對產品的可靠性進行分析，最終通過研究、檢驗和改善產品，將可靠性的定量需求融合到產品技術文件中。值得注意的是，應盡量節約資金、縮短研究時間和提升研究效率。產品主要分為上市產品和研究產品，因此，要采用不同的可靠性研究方式。具體而言，上市產品的可靠性研究主要是以新產品的設計為基礎的，且上市產品的可靠性指標分配是新產品研究的重要參考因素之一。

3.1 上市產品

多數上市產品具備比較完整的資料，比如故障形式、故障因素、故障檢驗方式和產品構造等。以節約資金和減少工作量為基礎進行研究時，主要采用故障模式研究產品可靠性的影響因素和進行故障樹研究等。在研究過程中，應找到降低產品可靠性的主要因素，并消除其中的主要因素，從而更好地提升產品的可靠性；利用可靠性試驗測試產品的可靠性，并構建相應的資料庫，從而為今后構建相應產品的可靠性準則奠定堅實的基礎，為新產品的研發提供幫助和指導。

3.2 研究產品

對于研究產品，應根據市場的實際狀況和客戶需求確定產品的性能和相關可靠性指標，根據相關類型的產品進行問題分析，從而建立可靠性指標分配和預計準則；利用對比研究，分析研究產品的可靠性指標。如果無法滿足客戶的實際需求，就需要建立修改方案，從而更好地滿足客戶需求。

4 提高空氣源熱泵熱水器性能的途徑

4.1 優化空氣源熱泵熱水器的控制系統

4.1.1 設計多模式流程控制，提升系統性能

空氣源熱泵熱水器產品標示的性能系數是在名義工況下生成的。研究表明，環境溫度會直接影響空氣源熱泵熱水器的性能系數。比如，環境溫度為30 ℃時，系統運行性能最佳。因此，相同的空氣源熱泵熱水器產品在使用時間、使用環境不同的情況下，其性能系數并不相同。如果采用單一的控制模式，由于環境可能發生變化，所以，空氣源熱泵熱水器大部分時間的運行性能較差。為了充分發揮空氣源熱泵熱水器的節能優勢，在設計空氣源熱泵熱水器控制系統時，可根據用戶的需求、典型季節的變化特點及每日的溫度變化規律設計午間模式、冬季節能模式、谷電模式等控制系統供用戶選擇，從而有效提高空氣源熱泵熱水器全年的運行性能。

4.1.2 優化除霜控制

目前，從空氣源熱泵熱水器的實際運行效果看，機組在氣溫偏低、相對濕度較大的地區的運行性能較差。其主要原因是蒸發器結霜、除霜造成的供熱能力下降，因此，必須采取有效的除霜方法及時除霜?？諝庠礋岜米畛Ｓ玫某椒槟嫜h熱氣除霜，而除霜自動控制可大幅度提升除霜效果。目前，除霜自動控制方法較多，較為先進、實用的為模糊智能控制除霜法。該方法將模糊控制技術引入空氣源熱泵熱水器的除霜控制，整個除霜控制系統由數據采集、AID轉換、輸入量?；⒛：评?、除霜控制、除霜監控和控制規則調整模塊組成。通過對除霜過程的分析及對除霜監控規則的修正，可提升除霜控制自動適應機組的性能，從而滿足智能除霜的要求。

4.1.3 設置水箱蓄水量智能控制系統

為了減小水箱的散熱損失、減少保溫加熱次數、節約能源和避免不必要的重新加熱，應將模糊控制及其優化理論方法與控制技術相結合，并設計蓄水量智能控制系統。蓄水量智能控制系統能根據一周的用水規律，自動保證每日最適宜的熱水加熱量，圖2為蓄水量智能控制系統方框圖。蓄水量智能控制的過程為：A/D轉換器將水流量傳感器測得的水流量的模擬值f轉換為數字量F，并存入系統的定長數據移位存儲器中。該存儲器以循環移位的方式存儲前7 d的熱水量，并將數字量F1～F7傳給模糊控制器進行模糊處理。其輸出量為預設定水箱的水位H0經D/A轉換生產的h0，水箱中的水位傳感器測量值h與標準值h0會送入供水控制模塊，由模塊自動比較驅動水泵的運行。

4.2 采用高效換熱器

目前，市場上的家用空氣源熱泵熱水器因成本問題，普遍以等徑螺旋盤管沉浸在水箱下部的熱水換熱器作為冷凝器。其換熱性能較差，會影響空氣源熱泵熱水器的整體性能。經過專業人員對熱水換熱器性能的優化研究發現，采用帶導流套筒的熱水換熱器及非等徑螺旋盤管是提升產品可靠性的有效方法。

5 結束語

綜上所述，空氣源熱泵熱水器是一種新型的供熱設備。因此，為了確?？諝庠礋岜脽崴鞯氖褂眯Ч?，需要對空氣源熱泵熱水器的可靠性進行研究和分析，從而更好地提升產品的運行性能。

參考文獻

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[2]歐丹，李凱.太陽能工程熱水器控制器的設計與實現[J].現代電子技術，2010（21）.

〔編輯：張思楠〕