一種直膨式變頻太陽能熱泵熱水系統及控制方法

盧炳奇 蔣建平 周志成 李偉

青島經濟技術開發區海爾熱水器有限公司 山東青島 266101

1 引言

太陽能熱水器通過吸收太陽能輻射將低溫熱源轉化為生活用的高溫熱源，不但節能環保、價格低廉，而且提高了太陽能的能源品位，在生活上為用戶提供便利，是太陽能應用于節能環保的具體體現之一。但是太陽能熱水器的制熱性能存在不穩定性，如遇光照強度不足或者光照時間較短的條件時，太陽能集熱器的集熱效率低下，無法滿足用戶對熱水的需求。

直膨式太陽能熱泵熱水系統通過將太陽能集熱技術與熱泵集熱技術相結合的方式制取熱水，冷媒在蒸發器中既可以吸收太陽能輻射能量又可以與周圍空氣換熱，在太陽能輻照強度不足時仍能繼續工作，收集熱量，滿足用戶全天候的熱水需求。

直膨式太陽能熱泵系統在運行過程中主要受環境溫度和太陽輻照影響，環溫不同和太陽能輻射的波動性，導致系統加熱時間長短不同，很難滿足用戶當天用水需求。定頻式壓縮機轉速不可控，因此很難控制系統的加熱時間，實現最優的節能效果，因此本文提出了通過研究直膨式變頻太陽能熱泵熱水器運行規律，通過控制系統加熱時間調整壓縮機運行頻率的方法。

2 直膨式變頻太陽能熱泵熱水系統

2.1 工作原理

直膨式變頻太陽能熱泵熱水系統主要包括水箱、變頻壓縮機、電子膨脹閥、冷凝器、帶有吸收涂層的蒸發器。太陽能熱泵運行原理圖如圖1所示，工作原理與空氣源熱泵熱水器加熱原理相同，都是采用逆卡諾循環原理加熱熱水。不同之處是直膨式變頻太陽能熱泵熱水系統的蒸發器涂有吸熱涂層，將蒸發器安裝于室外，在太陽光照射下，蒸發器可以吸收太陽能輻射熱量，沒有太陽輻照時，蒸發器可以與周圍空氣進行換熱。

冷媒通過蒸發器吸收太陽能輻照熱量和周圍空氣中的熱量變成高溫低壓氣體，經過變頻壓縮機壓縮變成高溫高壓氣體通過冷凝器與水箱進行熱量交換，交換完成后變成高溫高壓液體，再通過電子膨脹閥節流作用變成低溫低壓氣體，再次進入蒸發器吸收熱量完成一次加熱循環。系統主要通過控制變頻壓縮機的轉速和電子膨脹閥的開度實現控制。

3 系統測試及分析

3.1 系統測試

本實驗首先通過固定壓縮機運行頻率的方式，測試變頻太陽能熱泵熱水系統制熱水過程中的參數和性能。其中環境溫度和輻照強度為蒸發器所處環境的參數。數據處理時，選取了比較有代表性的幾次實驗工況數據進行總體結果分析處理，表2固定頻率性能測試為青島6月份測試的數據。

從表2可以看出，直膨式太陽能熱泵熱水器在6月份制熱性能比較高，COP基本在4.0以上，最高可達5.56，制熱量越大，加熱時間越短溫升越快，功耗也就越大。表2中壓縮機以42Hz運行和以75Hz運行時，在環溫相同、輻照強度相差不大條件下，以42Hz運行時系統性能明顯高于以75Hz運行時，因此在外界環境相同時，通過降低壓縮機頻率，延長加熱時間將有利于提升系統的COP。而以38Hz或者更低頻率運行時，系統制熱時間接近7個小時，加熱時間較長但是系統效率沒有明顯提高，因此不能無限制的降低壓縮機運行頻率，需要選擇合適的運行頻率，即選擇合適的系統運行時間可以提升系統的效率。控制系統在適當時間內完成加熱可以在滿足用戶對制熱水時間的需求，同時也有利于提升系統性能。

表3為不同頻率、水溫條件下變頻系統性能數據，在壓機運行頻率不變，水溫上升時間段內，制熱量變化不大，但是系統COP逐漸減小；在壓機運行頻率上升，水溫不變間段內，制熱量逐漸增大，壓縮機運行頻率逐漸減小。由此可以看出系統制熱量和系統COP與壓縮機頻率和水箱水溫密切相關，對整機性能有顯著影響，因此壓縮機運行頻率調節是直膨式變頻太陽能熱泵熱水系統的關鍵。

3.2 理論數據分析

首先在相同環境條件、加熱時間、加熱水量前提下，分析頻率變化對系統的影響，可以簡單分為定速加熱，升速加熱，降速加熱三種模式，如圖2所示。以實驗數據為基礎，通過數學方法對三種方式進行理論計算，比較三種加熱方式COP的差異。

總制熱量和加熱時間一定以及外界環境參數都不變的情況下，三種加熱方式的數學模型可以用式（1）表示：

其中，a為0、正、負分別代表定速加熱、升速加熱、降速加熱。其中f為運行頻率，Tw為當前水溫，b為常數。根據實驗測試數據，選取以下數據進行分析：

（1）在環溫24±2℃，輻射強度750w/m2，水溫45℃時，在不同壓機運行頻率下，系統制熱量Qh和COP如圖3所示。

（2）在環溫24±2℃，輻射強度750w/m2，壓機運行頻率60Hz時，系統制熱量Qh和COP如圖4所示。

由圖3和圖4中制熱功率和COP隨頻率和水溫的變化曲線，通過公式擬合可以得出制熱量Qh和COP與運行頻率有一次線性關系，與水溫有二次曲線關系，即

通過測試測試數據和參數擬合可求出A1、A2、A3、B1、B2；a1、a2、a3、b1、b2的值。當前水溫和運行頻率下系統制熱功量和COP可以用q（f，Tw），COP（f，Tw）標示。

根據擬合公式進行壓縮機運行頻率優化計算，COP計算公式：

表1 主要部件參數

圖1 太陽能熱泵運行原理圖

表2 固定頻率性能測試

表3 不同頻率、水溫條件下變頻系統性能數據

為了保證系統制熱在規定時間完成，需要對加熱時間限定條件：

在運行過程中當氣溫/輻照高時，降低運行功率，達到最節能省電的效果；當氣溫/輻照低時，加大運轉功率，保證機組處于最有效吸熱狀態。

系統水溫加熱范圍設定為15～55℃。加熱限定時間需要根據環境溫度和太陽輻照條件等參數實驗測試確定，本實驗測試數據為夏季工況數據，因此將加熱時間設定為270分鐘，將實驗測試數據帶入可以求出系統參數。

在輻射強度、環境溫度和水的溫升相同的條件下，當加熱時間相同時，三種加熱方式的COP相差很小，當加熱時間不同時，系統COP變化明顯，加熱時間越長，COP越高。因此在在規定時間允許的范圍內，以較低轉速運轉，延長加熱時間，是獲得較高COP的關鍵。通過控制系統加熱時間調整壓縮機運行頻率，即根據不同水溫段溫升速率調整壓縮機運行頻率。

3.3 變頻控制基本步驟

（1）根據制熱需求和實時環境參數確定需要的加熱時間，計算太陽能熱水器加熱完成所需要的平均制熱功量Qh；

（2）根據制熱量Qh與初始頻率之間的公式，確定壓縮機初始頻率f；

（3）計算壓縮機制熱過程中不同水溫段的實際制熱量，將實際制熱量與期望制熱量進行對比：當實際大于期望時，可以判斷外界環境或者輻照比開始制熱時條件好有利于熱泵制熱，降低壓機運行頻率延長制熱時間；當實際小于期望時，可以判斷外界環境或者輻照比開始制熱時條件差不利于熱泵制熱，增加壓機運行頻率保證機組處于最有效制熱狀態；

（4）根據對比結果實時調整壓縮機頻率。

4 實際應用

將變頻控制策略進行實驗測試，因蒸發器所在的環溫和環境無法控制，因此只選擇在輻射強度750±50w/m2選取測試數據，表4為青島地區8月份的測試數據。

從表4中可以看出，通過控制太陽能熱泵系統制熱時間的方法調整壓縮機運行頻率，在8月份時制熱性能都比較高，COP均大于5.0，最高達5.78節能效果比較明顯，系統加熱時間控制在270分鐘左右，在此段時間內太陽能熱泵可以充分利用太陽輻照能量，每天都可以滿足生活用水的需求，實現白天制熱水晚上使用的目標。

從表5不同水溫段運行頻率與COP數據的分析中可以看出，當系統制熱量增大時降低壓機運行頻率提升系統制熱性能，當系統制熱量較小時提高壓縮機運行頻率增大系統制熱量，保證系統制熱效率。系統可以實現在外界條件變化時調整壓縮機運行頻率，保證系統制熱時間和系統制熱效率。

5 結論

直膨式變頻太陽能熱泵熱水系統性能的影響因素很多，本文只從系統運行加熱時間的角度上分析，采用固定頻率的方法獲得系統在不同壓機運行頻率下系統運行參數的變化規律。為了更好的適應外界環境變化，滿足用戶制熱水時間的需求，提出根據控制壓縮機運行頻率實現控制加熱時間的的方法。經過數據模擬和實驗分析驗證，得出控制壓機運行頻率的方法。通過數據分析和實驗驗證，控制系統運行加熱時間，根據預期溫升與實際溫升對比調整壓機運行頻率的可行性。該方法可以在保證變頻熱泵系統高效運行的同時，準確控制加熱時間，系統節能效果明顯，對于推廣直膨式變頻熱泵熱水系統有一定的指導意義。

表4 青島地區8月份測試數據

表5 不同水溫段運行頻率與COP數據分析

圖2 加熱示意圖

圖3 制熱量Q和COP隨頻率的變化曲線

圖4 制熱功率和COP隨水溫的變化曲線

直膨式變頻太陽能熱泵目前在市場上的應用還比較少，但是直膨式太陽能熱泵熱水系統可以通過將太陽能集熱技術與熱泵集熱技術相結合的方式，在太陽輻照強度高或者環溫高的地區具有明顯的優勢。另外，系統加熱時間的控制需要結合當地的環境條件，否則不僅不能提高系統效率，還會導致系統運行不穩定，下一步還需要結合全年的氣候條件進行驗證測試，并且調整控制方法中的參數。

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