空氣源熱泵熱水器控制系統(tǒng)的分析

朱華東

摘 要：主要對(duì)空氣源熱泵熱水器的控制系統(tǒng)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(guān)單位的需要提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵熱水器；控制系統(tǒng)；加熱效果；自來水

中圖分類號(hào)：TU822 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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?zé)崃?，?jīng)過氟介質(zhì)的氣化，通過壓縮機(jī)增壓升溫，并通過換熱器轉(zhuǎn)化給水加熱（壓縮后的高溫?zé)崮芸捎脕砑訜崴?。為了更好地?shí)現(xiàn)空氣源熱泵熱水器的加熱效果，需要對(duì)其的控制系統(tǒng)進(jìn)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(chǎn)品在一定時(shí)間和空間中完成相關(guān)任務(wù)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(xué)、合理的氣溫空間內(nèi)（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(dá)到加熱溫度，其主要影響因素有以下5個(gè)：①空氣源熱泵熱水器的構(gòu)造比較復(fù)雜，在以往很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，研究人員比較注重產(chǎn)品的效能，對(duì)其可靠性的研究較少。值得注意的是，產(chǎn)品可靠性的基礎(chǔ)是產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)。②目前，我國(guó)空氣源熱泵熱水器還處在不斷探索的階段，很多企業(yè)采用小批量生產(chǎn)的方式，大多數(shù)工作程序都采用手工作業(yè)的方式，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品的可靠性造成了影響。比如，氣液分離器、蒸發(fā)器、電磁換向四通閥和壓縮機(jī)都與熱泵機(jī)組相連。其中，統(tǒng)管彎折部分與銅管的連接是手工進(jìn)行的，這可能會(huì)受到人為因素的影響，進(jìn)而對(duì)機(jī)組的可能性造成影響。③空氣源熱泵熱水器相關(guān)制度的落實(shí)較晚?？諝庠礋岜脽崴鞯拇蟛糠峙浼碜杂诳照{(diào)配件，且未根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)改造。而空氣源熱泵熱水器與空調(diào)的工作環(huán)境不同，這樣就會(huì)對(duì)壓縮機(jī)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(yǎng)存在不足，尤其是在后期保養(yǎng)方面，嚴(yán)重影響了設(shè)備的使用。比如，機(jī)組安裝位置需要根據(jù)有關(guān)規(guī)定選擇、蒸發(fā)器應(yīng)及時(shí)清洗等，否則，會(huì)直接影響設(shè)備的可靠性。⑤可靠性工程的實(shí)踐過程較為煩瑣，很多研究人員和企業(yè)的管理人員對(duì)其的認(rèn)識(shí)還不夠充分，進(jìn)而無法有效保證產(chǎn)品的可靠性。

綜上所述，應(yīng)將可靠性工程技術(shù)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(yùn)行狀態(tài)

構(gòu)建家用型空氣源熱泵熱水器的可靠性模型時(shí)，不僅要考慮可能出現(xiàn)的安全問題，還要考慮后期的保養(yǎng)和維修工作。只有考慮過上述問題后，所構(gòu)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(chǎn)品可能出現(xiàn)的運(yùn)行問題的，屬于全串聯(lián)模型。設(shè)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(shè)備。對(duì)熱泵熱水器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，由于家用壓縮機(jī)與氣液分離器是相互融合的，因此，基礎(chǔ)的可靠性框架可建立成圖1中的模式。任務(wù)可靠性模型是為了估測(cè)產(chǎn)品在實(shí)際操作中完成限定功能的概率的，即在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品各個(gè)部分所產(chǎn)生的預(yù)定效用而建立起來的可靠性模型。依據(jù)構(gòu)建的基礎(chǔ)可靠性框架和可靠性數(shù)學(xué)模型、任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型，并利用相關(guān)概率學(xué)知識(shí)，研究了基礎(chǔ)可靠性框架和任務(wù)可靠性模型。研究發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)可靠性模型的各個(gè)環(huán)節(jié)是相互串聯(lián)的，任務(wù)可靠性模型是串與混相互融合的，因此，利用概率學(xué)的知識(shí)可建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。

3 空氣源熱泵熱水器的可靠性構(gòu)建

根據(jù)用戶的實(shí)際需求，應(yīng)先建立空氣源熱泵熱水器的可靠性和定量性目標(biāo)，利用系統(tǒng)構(gòu)建可靠性模型、可靠性分配，并利用預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行分析，最終通過研究、檢驗(yàn)和改善產(chǎn)品，將可靠性的定量需求融合到產(chǎn)品技術(shù)文件中。值得注意的是，應(yīng)盡量節(jié)約資金、縮短研究時(shí)間和提升研究效率。產(chǎn)品主要分為上市產(chǎn)品和研究產(chǎn)品，因此，要采用不同的可靠性研究方式。具體而言，上市產(chǎn)品的可靠性研究主要是以新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的，且上市產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)分配是新產(chǎn)品研究的重要參考因素之一。

3.1 上市產(chǎn)品

多數(shù)上市產(chǎn)品具備比較完整的資料，比如故障形式、故障因素、故障檢驗(yàn)方式和產(chǎn)品構(gòu)造等。以節(jié)約資金和減少工作量為基礎(chǔ)進(jìn)行研究時(shí)，主要采用故障模式研究產(chǎn)品可靠性的影響因素和進(jìn)行故障樹研究等。在研究過程中，應(yīng)找到降低產(chǎn)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(chǎn)品的可靠性；利用可靠性試驗(yàn)測(cè)試產(chǎn)品的可靠性，并構(gòu)建相應(yīng)的資料庫，從而為今后構(gòu)建相應(yīng)產(chǎn)品的可靠性準(zhǔn)則奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為新產(chǎn)品的研發(fā)提供幫助和指導(dǎo)。

3.2 研究產(chǎn)品

對(duì)于研究產(chǎn)品，應(yīng)根據(jù)市場(chǎng)的實(shí)際狀況和客戶需求確定產(chǎn)品的性能和相關(guān)可靠性指標(biāo)，根據(jù)相關(guān)類型的產(chǎn)品進(jìn)行問題分析，從而建立可靠性指標(biāo)分配和預(yù)計(jì)準(zhǔn)則；利用對(duì)比研究，分析研究產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。如果無法滿足客戶的實(shí)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(yōu)化空氣源熱泵熱水器的控制系統(tǒng)

4.1.1 設(shè)計(jì)多模式流程控制，提升系統(tǒng)性能

空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品標(biāo)示的性能系數(shù)是在名義工況下生成的。研究表明，環(huán)境溫度會(huì)直接影響空氣源熱泵熱水器的性能系數(shù)。比如，環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行性能最佳。因此，相同的空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品在使用時(shí)間、使用環(huán)境不同的情況下，其性能系數(shù)并不相同。如果采用單一的控制模式，由于環(huán)境可能發(fā)生變化，所以，空氣源熱泵熱水器大部分時(shí)間的運(yùn)行性能較差。為了充分發(fā)揮空氣源熱泵熱水器的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)空氣源熱泵熱水器控制系統(tǒng)時(shí)，可根據(jù)用戶的需求、典型季節(jié)的變化特點(diǎn)及每日的溫度變化規(guī)律設(shè)計(jì)午間模式、冬季節(jié)能模式、谷電模式等控制系統(tǒng)供用戶選擇，從而有效提高空氣源熱泵熱水器全年的運(yùn)行性能。

4.1.2 優(yōu)化除霜控制

目前，從空氣源熱泵熱水器的實(shí)際運(yùn)行效果看，機(jī)組在氣溫偏低、相對(duì)濕度較大的地區(qū)的運(yùn)行性能較差。其主要原因是蒸發(fā)器結(jié)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(shí)除霜?？諝庠礋岜米畛Ｓ玫某椒槟嫜h(huán)熱氣除霜，而除霜自動(dòng)控制可大幅度提升除霜效果。目前，除霜自動(dòng)控制方法較多，較為先進(jìn)、實(shí)用的為模糊智能控制除霜法。該方法將模糊控制技術(shù)引入空氣源熱泵熱水器的除霜控制，整個(gè)除霜控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、AID轉(zhuǎn)換、輸入量?；?、模糊推理、除霜控制、除霜監(jiān)控和控制規(guī)則調(diào)整模塊組成。通過對(duì)除霜過程的分析及對(duì)除霜監(jiān)控規(guī)則的修正，可提升除霜控制自動(dòng)適應(yīng)機(jī)組的性能，從而滿足智能除霜的要求。

4.1.3 設(shè)置水箱蓄水量智能控制系統(tǒng)

為了減小水箱的散熱損失、減少保溫加熱次數(shù)、節(jié)約能源和避免不必要的重新加熱，應(yīng)將模糊控制及其優(yōu)化理論方法與控制技術(shù)相結(jié)合，并設(shè)計(jì)蓄水量智能控制系統(tǒng)。蓄水量智能控制系統(tǒng)能根據(jù)一周的用水規(guī)律，自動(dòng)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(tǒng)方框圖。蓄水量智能控制的過程為：A/D轉(zhuǎn)換器將水流量傳感器測(cè)得的水流量的模擬值f轉(zhuǎn)換為數(shù)字量F，并存入系統(tǒng)的定長(zhǎng)數(shù)據(jù)移位存儲(chǔ)器中。該存儲(chǔ)器以循環(huán)移位的方式存儲(chǔ)前7 d的熱水量，并將數(shù)字量F1～F7傳給模糊控制器進(jìn)行模糊處理。其輸出量為預(yù)設(shè)定水箱的水位H0經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的h0，水箱中的水位傳感器測(cè)量值h與標(biāo)準(zhǔn)值h0會(huì)送入供水控制模塊，由模塊自動(dòng)比較驅(qū)動(dòng)水泵的運(yùn)行。

4.2 采用高效換熱器

目前，市場(chǎng)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(huì)影響空氣源熱泵熱水器的整體性能。經(jīng)過專業(yè)人員對(duì)熱水換熱器性能的優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn)，采用帶導(dǎo)流套筒的熱水換熱器及非等徑螺旋盤管是提升產(chǎn)品可靠性的有效方法。

5 結(jié)束語

綜上所述，空氣源熱泵熱水器是一種新型的供熱設(shè)備。因此，為了確保空氣源熱泵熱水器的使用效果，需要對(duì)空氣源熱泵熱水器的可靠性進(jìn)行研究和分析，從而更好地提升產(chǎn)品的運(yùn)行性能。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕