一種高水溫熱泵熱水器控制平臺的搭建和算法研究

孫成龍 楊磊 杜順祥 田金城

青島海爾新能源電器有限公司 山東青島 266103

1 引言

隨著行業技術發展及人民生活水平提高，人們對生活熱水的需求越來越大。熱水消耗能源已占家庭能耗中較大比重，當前電熱水器使用量幾乎占熱水器市場的1/2，能耗很大。近幾年快速發展的空氣源熱泵熱水器，能效比遠遠高于電熱水器，大幅降低能源消耗和減少二氧化碳排放。

熱泵熱水器作為能源型熱水器的新細分產品，于2004年正式進入國內市場，為熱水器行業注入了新鮮血液。與其他熱水器相比，熱泵熱水器節能、安全的優勢十分突出[1]。

國內現有的空氣源熱泵熱水器大多只能加熱到55℃或65℃，如果用戶需要更高溫度的熱水，就需要電輔助加熱器來完成，因為電加熱器消耗電能是熱泵熱水器的4倍左右，因此還是會消耗大量電能。能夠產出更高溫度熱水的熱泵熱水器必然會更能滿足用戶節能需求。同時，生產更高溫度的熱水可以減小熱泵熱水器儲水箱容積，節約用戶安裝空間，便于熱泵熱水器的普及推廣。

2 高水溫熱泵熱水器控制系統組成及控制方案

2.1 高水溫熱泵熱水器的開發路線和問題分析

目前業內高水溫系統開發有兩條技術路線：

（1）CO2系統自然工質，但排氣壓力高，超臨界運行，對系統設計要求非常高。

（2）R134a系統環保冷媒，排氣壓力低，排氣溫度低，和現有熱泵系統差異很小，是目前高水溫機種的優選冷媒。

鑒于CO2系統高要求設計和生產工藝的復雜性，一般很少考慮實施該方案；R134a系統雖然有眾多優點，但是對于高溫水控制存在如下問題：

（1）常規壓縮機運行范圍不足以生產80℃熱水；（2）高水溫時蒸發器分流不均勻，導致能效下降和壓比增大；（3）高水溫時壓縮機排氣溫度過高或過載，壓縮機壽命下降。

通過改善泵體結構強化、電機能力提升、循環油路優化，改善不同工況蒸發器各流路壓降及冷媒循環總量變化規律可以解決上述兩個問題。本文闡述通過控制平臺的設計和算法來改善節流元件——電子膨脹閥的調節，從而解決R134a系統高水溫時壓縮機排氣溫度過高或過載的問題。

2.2 常見普通熱泵熱水器的控制方案

家用熱泵熱水器在調試系統時常用的控制電子膨脹閥的算法有吸氣過熱度和排氣過熱度兩種，吸氣過熱度在低水溫區段能夠很好的保證蒸發器里面的冷媒氣態化，系統調試平穩且效率高，但是面向高水溫對排氣溫度、系統的高壓力、高負荷調試存在困難；排氣過熱度能夠很好的調節高溫水段對應的系統平衡，但是對于低溫水段，很難做到吸氣過熱度調節的平滑，蒸發器系統的高效性，所以熱水器行業很少用排氣過熱度來調節系統節流元件[3]。本文控制方案的提出也是按照吸氣過熱度和改善后的新算法來對比展開的。

2.3 高水溫熱泵熱水器的系統組成

本文設計的高水溫熱泵熱水器控制系統如圖1所示（其中紅色代表高溫冷媒流向，黑色代表低溫冷媒流向），系統包含壓縮機、四通閥、蒸發器、風機、冷凝器水箱等五大部門；系統選用R134A環保冷媒、日立WHP05100BUV-G4AQ壓縮機，可在-7℃的工況下工作，且衰減較小。

2.4 高水溫熱泵熱水器的系統控制平臺搭建

根據系統的輸入輸出需求，將系統的傳感器、水流量等輸入參數，壓縮機、四通閥、風機等輸出執行單元通過高微處理器串在一起，通過電腦板硬件搭配組成控制平臺（圖2）。

微處理器采用R5F212A7SNFA-QFP64，利用輸入傳感器采集相關參數，結合EEPROM，通過控制算法驅動相關電子執行元件，調節空氣源熱泵熱水器冷媒流量，從而達到靜態80度高水溫，排氣不超溫、系統不過載的要求，控制系統的拓撲圖如圖3所示，其中To代表吸氣溫度；Tci代表蒸發溫度；Te代表環溫；TS代表設定水溫；Tr代表實際水溫。

2.5 高水溫熱泵熱水器的控制算法

S1、建立并存儲

環溫—水溫—初始開度查找表、排氣溫度分段—環溫分段—目標吸氣過熱度查找表、排氣溫度差—調閥步數—調閥頻率表，計算并存儲臨界排氣溫度Tmax，所述臨界排氣溫度Tmax為利用吸氣過熱度控制調閥時，水溫逐漸升高，在滿足系統性能參數曲線波動位于設定范圍內的前提下，所對應的最大排氣溫度值；系統性能參數至少包括：排氣溫度、吸氣溫度、水溫、蒸發器溫度等。

其中，上述各查找表及臨界排氣溫度Tmax通過預先試驗獲得，僅利用吸氣過熱度控制調閥，在不同環溫下進行試驗，獲得初始數據，節流元件的初始開度、臨界排氣溫度Tmax等。

圖1 高水溫熱泵系統示意圖

圖2 高微處理器R5F212A7SNFAQFP64輸入輸出

圖3 控制平臺對應的拓撲圖

圖4 控制控制算法流程圖

表1 與其他類型熱泵熱水器節電量與環保效果對比

圖5 系統參數隨著時間變化曲線

圖6 系統參數隨著時間變化曲線

環溫—水溫—初始開度查找表、排氣溫度分段—環溫分段—目標吸氣過熱度查找表、排氣溫度差—調閥步數—調閥頻率表、臨界排氣溫度Tmax可以存儲于EEPROM中。

S2、檢測當前環溫和水溫

從所述環溫-水溫-初始開度查找表中查找出所對應的初始開度，并將節流元件調節至該初始開度；系統開機后，即進行檢測當前環溫和水溫，并查找初始開度。環溫-水溫-初始開度查找表是預先試驗測得，不同環溫、水溫時所對應的能夠使熱水器處于最佳性能狀態時的節流元件開度。

S3、周期采集壓縮機的排氣溫度T

將排氣溫度T與臨界排氣溫度Tmax進行比較，當T＜Tmax時，采用吸氣過熱度控制調節所述節流元件的開度，當T≥Tmax時，采用排氣過熱度控制調節所述節流元件的開度。

開機后隨著換熱系統工作，水溫逐漸上升，低水溫時，相應排氣溫度較低，對壓縮機造成的壓力較小，此時首先考慮提高蒸發器內冷媒的蒸發效率，也即保證進入蒸發器更多的冷媒且能夠完全蒸發，以給水箱內的水提供更多的熱量進行加熱，因此，采用吸氣過熱度進行控制調閥，且調閥平穩且換熱效率最高，隨著水溫的逐漸上升，排氣溫度相應升高，當升高至大于或等于Tmax時，排氣溫度過高將會導致壓縮機內部線圈溫度太高，相應絕緣性降低，造成壓縮機油碳化，而此時需要加大節流元件開度以間接控制排氣溫度，此時采用排氣過熱度控制調閥的方式相對來說更直接，更有效，可以快速有效降低對壓縮機的損壞。圖4為控制控制算法流程圖。

步驟S1中，在不同環溫下進行吸氣過熱度控制調節所述節流元件的開度試驗，其中，每個環溫下進行吸氣過熱度控制調節所述節流元件的開度試驗時對應一個最大排氣溫度值，臨界排氣溫度Tmax為所有環溫下所對應最大排氣溫度值中的最小值，以盡可能保證臨界排氣溫度Tmax適合于所有環溫。

排氣溫度分段—環溫分段—目標吸氣過熱度查找表中，各排氣溫度分段和環溫分段所對應的能夠使得蒸發器內冷媒全部蒸發時的吸氣過熱度為目標吸氣過熱度。

步驟S2中，采用吸氣過熱度控制調節節流元件的開度的方法為：

檢測當前吸氣溫度To、蒸發器溫度Tci、排氣溫度，查找排氣溫度所落入的排氣溫度分段，以及查找環溫所落入的環溫分段，從排氣溫度分段-環溫分段-目標吸氣過熱度查找表中查找出當前排氣溫度以及環溫下所對應的目標吸氣過熱度Δt1，計算目標調閥步數ΔP：

ΔP=（To-Tci）Δt1

根據目標調閥步數ΔP計算節流元件下一時刻開度Pi+1：

Pi+1-Pi+ΔP

其中，Pi為節流元件當前開度。

采用吸氣過熱度控制調閥的優點在于能夠在確保蒸發器完全蒸發的前提下輸入更多的冷媒，以提高換熱效率，實現對水箱內水的快速加熱。此時排氣過熱度小于設定閾值，因此，系統運行性能較為平穩，不會對壓縮機造成額外損害。

為了保證系統運行的穩定性，還包括對開機時間計時的步驟，在開機時間小于t1分鐘時間內不調節節流元件，其中t1＞0。

本實施例的步驟S2中，采用排氣過熱度控制調節節流元件的開度的方法為：

計算目標排氣溫度Tm：

其中，Tr為當前水溫，Tr1為從吸氣過熱度控制調節所述節流元件的開度切換到排氣過熱度控制調節所述節流元件的開度時的水溫，Ts為設定水溫，γ為大于零的常系數；目標排氣溫度是用于在最大化滿足熱水器性能時又不會對壓縮機造成過度損害的排氣溫度。

計算排氣溫度差Δt2：

根據排氣溫度差Δt2從排氣溫度差—調閥步數—調閥頻率表中查找出所對應的調閥步數和調閥頻率，并按照所述調閥步數和調閥頻率調節所述節流元件的開度。采用排氣過熱度控制調閥，調閥步數和調閥頻率在計算出排氣溫度差Δt2之后可以直接差別得到，當Δt2落在排氣溫度差—調閥步數—調閥頻率表的某一溫度區間，節流元件就會相應地以一定的速率開閥、關閥、或者保持不變直到加熱到設定水溫。

步驟S2中，當檢測到T≥Tmax時，持續時間t2之后切換為采用排氣過熱度控制調節所述節流元件的開度，其中，t2＞0。

隨著熱水器處于的工況變化，排氣溫度也時刻變化，因此，采用排氣過熱度控制調閥還是吸氣過熱度控制調閥也是可以相應的相互轉換的，在排氣過熱度控制調閥此過程中若因為用戶大流量用水、或者機器停機再開機等導致排氣溫度小于Tmax時，系統則會相應的切換到吸氣過熱度控制調閥，適時轉換直至達到設定水溫[4]。

3 實驗及結果分析

3.1 系統參數隨著時間變化曲線

當環境溫度40℃時，水溫從29℃加熱到80℃過程中，

采用電子膨脹閥吸氣過熱控制系統在水溫70℃以上開始反復開停風機，平均間隔6分鐘，壓縮機吸氣在回液和過熱狀態間波動（見圖5）。

采用電子膨脹閥吸氣過熱及排氣溫度綜合控制技術的系統在高排氣溫度區間開始進行電子膨脹閥反向調節，見圖6（高壓和低壓參數分別在原來的基礎上面變化10倍，方便繪圖對比）。

壓縮機吸氣始終在過熱狀態間波動，未出現停風機動作，這樣能有效防止壓縮機過熱或過載現象發生，減少蒸發器風機保護的次數和頻度，提高熱泵系統制熱能力，并減少對壓縮機壽命的損害。

3.2 名義工況下兩種控制算法的性能對比

在名義工況干球20度，濕球15度工況下，進水15度，出水55度（水側溫度±0.5℃，濕球球±0.5℃，干球±1℃）條件下，同一個機器兩種控制算法的性能對比如圖7所示。

4 結論

第一，本實例的熱泵熱水器節流元件控制方法，會隨著排氣溫度的變化適時轉換采用吸氣過熱度控制調閥和排氣過熱度控制調閥，這樣既能夠保證低水溫區域系統調試平穩且效率高，又能夠在高水溫時，采用排氣過熱度控制更直接有效，解決了由于排氣溫度高導致的壓縮機內部線圈溫度太高，絕緣性降低，壓縮機油碳化的問題。

圖7 新舊算法前后的性能對比

圖8 與其他類型熱泵熱水器節能對比

第二，通過實驗對比可以看出本控制平臺和相應的算法能夠有效避免壓縮機吸氣在回液和過熱狀態間波動導致的各項參數波動，有效防止壓縮機過熱或過載現象發生，減少蒸發器風機保護的次數和頻度，提高熱泵系統制熱能力，并減少對壓縮機壽命的損害。

第三，名義工況下系統的制熱量、COP、消耗功率也優于單獨的吸氣過熱度調節。

第四，本文設計的新型熱泵熱水器、普通R22或者R410A 、普通熱泵 R134A節能對比[5]如圖8所示。

第五，本文設計的新型熱泵熱水器、電熱水器和普通熱泵熱水器節電量與環保效果對比。按1萬個用戶，每天每戶用水300L為例，每年的節電量和減少的二氧化碳排放量如表1所示。

[1] 董際鼎，付吉鋒. 高水溫空氣源熱泵熱水器的研制[J]. 制冷與空調，2015, 15(5): 12-16.

[2] EPLA. Global Market Outlook for Photovoltaic until 2015[OL],2010.

[3] 中國新能源與可再生能源年鑒2010[Z]. 北京：中國可再生能源協會，2011.

[4] 陶永華. 新型PlD控制及其應用[M]. 北京：機械工業出版社，2002.

[5] 宋光前，徐新華，吳丹. 復合式地源熱泵系統及運行控制模擬分析[J].制冷與空調，2013,27(3): 280-283.