基于TRIZ理論的CO2熱泵機組產品創新設計

石征錦 富斯盟 蘇新宇 皇甫尚偉 張孝順

（1.沈陽理工大學自動化與電氣工程學院，沈陽 110159；2.沈陽群賀新能源科技有限公司，沈陽 110168）

近年來，CO2空氣源熱泵機組產品發展非常迅速，由于其具有無污染、能效比高、運行費用低、節能、控制技術先進、占地面積小等優勢，正逐步取代燃煤鍋爐，成為新一代重要熱源，特別是在冬季最低溫度不低于零下20℃的地區，市場發展非常迅猛。但是，這種熱泵機組產品在一些地區遇到了較大的推廣瓶頸，主要原因是目前國內市場上的空氣源熱泵產品存在一些缺點。

一是北方冬季寒冷，由于CO2空氣源熱泵介質交換的閥門國內還無法突破關鍵技術，在-20℃以下時，其常常無法可靠工作；二是由于CO2空氣源熱泵介質交換的整個循環過程系統壓力在0～0.8MPa，造成過程控制不平穩，嚴重影響了換熱后水箱出水溫度；三是空氣源熱泵頻繁啟停，縮短壽命，能耗高，運行成本加大，用戶采用意愿不高；四是控制動作頻繁變化時故障率偏高，影響用戶使用[1]。

為此，筆者分析現有CHP-80Y型CO2空氣源熱泵機組產品的結構、控制系統存在不足，根據TRIZ創新理論提煉出現有CHP-80Y型CO2空氣源熱泵機組17個矛盾對立的技術參數和13個標準解，組成矛盾矩陣，針對系統進行創新設計，開發新型CHP-90Y型CO2空氣源熱泵機組。

1 矛盾沖突矩陣的分析和建立

根據TRIZ創新理論39個系統矛盾對立的技術參數、解決矛盾的40個標準方法，針對現有CHP-80Y型CO2空氣源熱泵機組，筆者提煉出17個矛盾對立的技術參數[2]。具體涉及的技術參數如表1所示。

依據17個矛盾對立的技術參數，筆者通過分析40個發明原理，去除不合適的方案，確定了可用的13個發明原理，如表2所示。

2 基于TRIZ理論的CO2空氣源熱泵機組產品創新設計

CO2空氣源熱泵機組由于牽扯的元件多，控制技術復雜，相互關聯度高。在進行TRIZ理論產品設計過程中，人們需要結合多種創新方法，其涉及了13個發明原理。

2.1 CO2空氣源熱泵機組產品外觀結構及結構的創新設計

根據機組結構，筆者從熱泵安裝位置、介質循環回路、吸出風機功率匹配、吸風機與機組的余熱利用、機組運行噪聲抑制等方面找出8個矛盾對立的技術參數，5個標準解，構建矛盾矩陣，分析原因，采用噴射式雙極性結構，優化設計機組整體結構[3]。

表1 17個矛盾對立的技術參數

表2 13個可用發明原理

筆者利用沖突解決矩陣分析以上問題，在39個標準工程參數中確定技術沖突的一對特定參數。如提高機組的穩定性（13），則CO2機組的降低機組的能量損失變壞（22），根據沖突矩陣表，其解決的方法是：No.02抽取/分離原則、No.14曲面化原則、No.06多用性原則以及No.39惰性環境原則。經分析，No.02、No.14、No.39不合適，只保留No.06方案。

原有CHP-80Y型CO2空氣源熱泵機組采用的是上寬下窄式外形結構，如圖1所示。由于沒有考慮高寒地區的特殊情況，機組內部結構比較緊湊，循環風力較小，無防凍功能。

改進后，CHP-90Y型CO2空氣源熱泵機組采用上下寬窄相同的外形結構，如圖2所示，增加風扇換氣面積，采用逆流回路布置，保證冷媒的過冷度，有效提高了制熱效率和機組低溫的正常運行。考慮高寒地區的特殊情況，機組柜體內部結構加裝預熱防凍裝置，防止水泵、水管凍裂，循環風力加大，大大提高換熱效率，更加適合高寒地區使用。

圖1 CHP-80Y型機組外形圖

圖2 CHP-90Y型機組外形圖

2.2 CO2熱泵機組控制系統的創新設計

根據TRIZ創新理論，針對本項目內容，筆者提煉出9個矛盾對立的技術參數、8個標準解，然后組成矛盾矩陣，針對CHP-80Y型CO2熱泵機組控制系統進行創新設計，形成CHP-90Y型CO2熱泵機組控制系統[4]。由于CO2熱泵機組對控制系統要求比較復雜，其必須采用先進的控制算法，實現溫度的平穩控制[5]。

如提高機組的自動化程度（38），則CO2機組的自動化程度變壞（38），根據沖突矩陣表，其解決的方法是：No.05組合/合并原則、No.12等勢原則、No.26復制原理以及No.35改變物體性質原則。經分析，No.12、No.26、No.35不合適，只保留No.05方案。

2.2.1 水源熱泵控制

將水源熱泵的加熱端進、出水接口連接到空氣源熱泵工位處的進、出水端接口，通過溫度變送器采集現場溫水槽及冰水槽水溫，在水溫達到設定溫度后自動停止溫水及冰水槽的加溫及制冷循環，通過變頻泵進入冷熱水混合調節閥。其中變頻泵受泵出口壓力控制（1～1.5kg/cm2），采用PID調節器自動控制變頻器，使水泵輸出始終跟蹤在設定值。

2.2.2 二氧化碳空氣源熱泵控制

通過溫度變送器采集現場溫水槽溫度及冰水槽水溫，通過變頻泵進入冷熱水混合調節閥。其中，變頻泵受泵出口壓力控制（1～1.5kg/cm2），使混合后達到設定溫度進入空氣源熱泵。加熱后的熱水根據熱水槽溫度進行判斷，選擇流入熱水槽或排出。

2.2.3 采用PLC控制來分時段控制空氣源熱泵

采用PLC控制，根據峰谷平電價對空氣源熱泵分時段進行控制，在谷時段工作，并進行一定程度的儲能，減少空氣源熱泵在峰平時段的工作時間，降低運行費用。

2.2.4 采用耦合控制算法進行溫度的平穩控制

采用先進的耦合控制算法，通過對機組結構、管路的優化，采集溫度、壓力、流量等參數，實現溫度的平穩控制，提高系統的穩定性與準確性，實現室溫的穩定。

2.2.5 添加變頻器進行閉環控制

在控制系統中添加變頻器，對用戶側水泵進行PID調節，實現閉環控制，節省大量的電能，增加熱泵啟停間隔時間，減少熱泵故障率，提高熱泵的使用壽命。

3 結論

通過創新設計，筆者研制出CHP-90Y型CO2空氣源熱泵機組。經過一個采暖期的使用，其展現出如下優點。

（1）制熱效率高，加熱水至相同溫度，與輸入同功率的電加熱相比較，時間可減少60%～80%，可快速滿足用戶的需求；節能，CHP-90Y型CO2空氣源熱泵機組與傳統的燃氣鍋爐、燃油鍋爐、電加熱器對比，可節省40%～66.5%的運行費用；利用峰谷平電價對空氣源熱泵分時段進行控制，在谷時段工作，并進行一定的儲能，減少在峰時段的工作時間，降低運行費用。

（2）采用先進的控制算法，通過對機組結構、管路的優化，提高了系統的穩定性與準確性，實現了溫度的平穩控制；循環系統采用變頻控制，通過PID調節，實現閉環控制；增加熱泵啟停間隔時間，減少熱泵故障率，提高熱泵的使用壽命；熱泵采用噴射式雙極性結構，輔以先進的耦合和變頻控制技術，提高了機組COP，使CO2熱泵機組在高寒地區仍有很高的效率，擴展了CO2熱泵機組的應用區域。