空氣能熱泵控制與效能的研究

張國政

（山西焦煤集團森源節能環保有限公司， 山西 太原 030000）

引言

隨著能源供給的日趨緊張，高效、清潔的能源供給方式越來越受到社會的關注和研究。熱泵技術作為一種清潔、低耗能、環境友好的技術受到熱捧。熱泵技術中典型的技術為空氣能熱泵技術，其以低溫熱源作為能源供給；空氣無處不在，可以隨意取用，具有很高的實用價值。當前空氣能熱泵取得了一定的應用，需對其進行分析和研究，找出影響其效能的因子，通過優化系統，使得空氣能熱泵系統效能到達較好的水平。

1 空氣能熱泵熱水機組的研究現狀

空氣能熱泵技術的起源可追溯到1924 年，當時國外就已經開始對其研究。但是由于當時人們對此技術認識的局限性，該技術蘊含的巨大潛在價值并沒有被人們認識和利用。直到20 世紀70 年代，隨著社會的發展，人們對資源和能源的消耗逐漸加劇，帶來的環境污染和破壞越來越嚴重，迫切需要人們對環境進行保護，環境保護已經成為人類社會首要解決的問題，空氣能熱泵技術重新進入研究機構的視線，并且加大了研究的力度。而后空氣能熱泵技術系列產品迅速得到發展，在很多國家空氣能熱泵熱水器，已經進入了普通人的家庭，成了家庭電器中必不可少的一部分。相比國外而言，國內的空氣能熱泵發展較為滯后，不管從技術上還是從產品上都起步較晚，目前還處在初始階段。隨著資源消耗和環保意識的增強，國內對空氣能熱泵技術越來越重視。空氣能熱泵產品近幾年得到迅速的發展，占據了國內市場的一定份額，并且其增長速度迅速，市場的潛力也非常大[1]。空氣能熱泵的實質就是廉價、可靠的熱源，是一種產熱裝置，可以用來家用或者采暖。目前商用的空氣能熱泵技術產品通常設置在樓頂，設備占地面積大，控制設備數量眾多，不利于工作人員的檢測、維修，更不利于實現對設備的實時監測。同時，設備的出水溫度，液位位置、除霜啟停動作等參數都需要人為控制，不利于實現設備的控制精度和智能化水平，當前急需建立一套遠程監控系統，來加強對空氣能熱泵系統的控制，從而提高空氣能熱泵系統的效能。

2 空氣能熱泵運行原理及性能的研究

熱泵是一種能量輸送裝置，而傳熱需要載體，這種載體被定義為冷媒。熱泵從低溫物質吸熱，并將它傳遞給高溫物質，實現了熱量的提升。熱泵的循環過程實際上是卡諾循環的反過程，熱泵工作時蒸發器和冷凝器同時運行，蒸發器吸收熱量，冷凝器釋放熱量。與使用電熱絲發熱相比，熱泵消耗同樣的電能，向系統供給的熱量要高很多。熱泵能流圖如圖1 所示。

圖1 熱泵能流圖

空氣能熱泵是以空氣為熱源，利用少量的電能驅動空氣壓縮機使管路里的冷媒循環流動，通過管路里冷媒的蒸發和冷凝過程，將環境空氣中的熱量轉移到水中，從而實現供熱的功能[2]。空氣能熱泵的工作過程如下：低溫液態冷媒在換熱器中通過吸收周圍環境中的熱量從液態轉變成氣態；而后經過管路通道氣態冷媒進入壓縮機，通過少量電能的輸入驅動壓縮機做功，使空氣壓縮溫度升高；高壓高溫空氣進入換熱器后，通過熱交換將熱量傳遞給低溫水中，使得水溫升高，熱水供給到使用端，同時高壓高溫空氣由于失去能量由氣態變為液態；液態的冷媒經過熱力膨脹閥部分變為氣態，氣液混合物重新來到蒸發器中完成一次循環過程。通過冷媒在系統中的不停循環實現空氣能熱泵的供熱過程，其工作機理如圖2 所示。

圖2 空氣能熱泵工作機理圖

3 空氣能熱泵控制技術的研究與應用

空氣能熱泵的供熱過程主要是在換熱器中通過冷媒的高溫放熱進行的。空氣能熱泵的效能與蒸汽的溫度和冷凝后液態的溫度有直接關系。蒸汽的溫度、冷凝后液態的溫度和用戶設定的供水端熱水的輸出溫度直接相關，即空氣能熱泵制水溫度對熱泵性能影響很大。對空氣能熱泵使用過程進行分析，設定環境溫度為恒定值，通過設定不同的制水溫度，研究系統COP 值的變化情況，發現系統COP 值接近線性變化，當環境溫度一定時，COP 值呈下降趨勢。當取環境溫度為25 ℃時，制水溫度從12 ℃逐漸升到48 ℃，系統COP 值從6.5 銳減到2.4，降幅達63%[3]。制水溫度對COP 值的影響如圖3 所示。空氣能熱泵使用中冷端和熱端溫度差別越大，即設定的制水溫度越高，系統的COP 值越低。日常使用過程中制水溫度的設定有兩種情況，一是設定制水溫度與用戶使用溫度相同，二是設定制水溫度高于用戶使用溫度，此時使用前需用冷水與之混合。在同等使用情況下，第二種情況系統COP 值較低，需消耗的電能多于第一種情況。故而在空氣能熱泵實際應用中，在滿足需求的前提下，應盡量設定較低的制水溫度，保證系統較高效的運行，從而更加的節能。

熱泵使用過程結霜現象時有發生，是影響空氣能熱泵制熱性能的重要因素。當環境溫度降低時，熱泵系統的蒸發溫度也逐漸降低，當蒸發器表面溫度降低到0 ℃時，在蒸發器表面便形成結霜。隨著結霜層的不斷加厚，蒸發器有效流通面積減小，降低了通過蒸發器表面的空氣流量，影響了熱量的傳輸過程，使系統效能下降。在結霜情況下，不僅影響系統效率，還可能導致液態的冷媒進入壓縮機給設備造成損害。因此除霜過程對空氣能熱泵的正常運行十分重要。除霜方法包括空氣除霜法、電加熱除霜法、熱氣旁通除霜法、四通閥換向除霜法等方法。設備除霜時，不僅不能對外供熱，還會吸熱，采取正確的方法和時機對系統非常重要。

圖3 制水溫度對COP 值的影響

4 提高空氣能熱泵效能的策略

當前，空氣能熱泵主要采取的控制方式為本地監控，制水溫度由人工設定為某一固定值，系統的制熱效率沒有最優化，運行過程造成電能的浪費。由于環境溫度復雜多變以及用戶需求的不確定性，和系統匹配的最優制水溫度是一個復雜的、時變的參數，若要實現系統高效的運行必須為系統引入高效的控制程序。空氣能熱泵在結霜的工況運行時，影響的主要因素為環境溫度，系統需根據實際情況做出判斷。當結霜很薄或沒有結霜時，系統誤判進行結霜操作，不僅影響系統的制熱性能，造成電能的浪費，還有可能造成設備的過熱。當結霜很厚時，系統沒有啟動結霜操作，將導致系統性能迅速下降，甚至喪失制熱性能。建立良好的除霜策略和控制手段對提高空氣能熱泵效能具有重要的意義。考慮到制水溫度和除霜操作均是影響空氣能熱泵效能的主要因素，要使空氣能熱泵效能較優需為系統設置智能的控制手段。本文基于模糊控制方法和LabVIEW 程序建立了空氣能熱泵遠程監控系統。利用了模糊控制方法善于處理多變、不確定問題的優勢和LabVIEW 程序的穩定、可靠、易于提取數據的優點[4]。空氣能熱泵系統采用主從式通訊方式，由主機、從機、線控器、通訊總線組成。傳感器和電子閥門采集系統運行的數據，經匯總后以數據幀的形式發送到控制主板。控制主板將數據傳給上位機，Lab VIEW 后臺程序通過通信協議來實現串口通訊。而后數據進入緩沖區經數據幀識別程序進行讀取，讀取的數據可能發生丟失，需經過檢驗確定數據沒問題后，送入對應的主機或從機進行顯示。系統經調試運行，遠程控制效果良好，智能控制能夠較好的適應環境溫度的變化和設備運行的監測需求。

5 結論

1）空氣能熱泵系統效能的主要影響因子為制水溫度的設置和除霜操作；

2）空氣能熱泵使用中冷端和熱端溫度差別越大，即設定的制水溫度越高，系統的COP 值越低，在滿足需求的前提下，應盡量設定較低的制水溫度，保證系統較高效的運行，從而更加節能；

3）除霜過程對空氣能熱泵的正常運行十分重要，除霜操作不當，不僅影響系統效能，還可能使設備受到損害；

4）通過模糊控制方法和LabVIEW 程序建立的遠程監控系統，實現了對空氣能熱泵系統的有效控制，通過系統的智能控制可很好地根據環境溫度的變化進行有效的調節，使得系統具有良好的效能。