低溫空氣源熱泵雙電子膨脹閥控制策略研究

竇秀華 魏忠鑫 張偉東 吳衛(wèi)平 張偉

山東阿爾普爾節(jié)能裝備有限公司

2011 年北方城鎮(zhèn)供暖能耗達(dá)到1.66億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占建筑總能耗的24%[1]，通過對北京霧霾污染物初始排放源進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)18.7%的污染物來源于供暖燃煤[2]，為了治理大氣污染，2013 年國務(wù)院發(fā)布了“大氣污染防治行動計(jì)劃”，要求通過集中供熱和清潔能源替代，全面淘汰工業(yè)燃煤小鍋爐[3]。提高能源利用效率，要求能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。能源利用效率提高，鼓勵各種節(jié)能設(shè)備和技術(shù)的推廣，未來幾年，空氣源熱泵市場將得到飛速發(fā)展，由于空氣源熱泵技術(shù)在國內(nèi)尚屬新興技術(shù)，且受到低溫環(huán)境下的熱轉(zhuǎn)換效率低這一技術(shù)瓶頸的制約，因此亟需這方面的深入研究[4-6]。本文提出一種采用雙電子膨脹閥控制主回路以及補(bǔ)焓回路節(jié)流量的控制方法，該方法主回路采用排氣過熱度控制，補(bǔ)焓回路采用經(jīng)濟(jì)器過熱度控制，再經(jīng)過兩者協(xié)同控制，達(dá)到整個熱泵系統(tǒng)在低環(huán)境溫度下性能最優(yōu)。

1 超低溫?zé)岜孟到y(tǒng)原理

圖1超低溫空氣源熱泵系統(tǒng)原理。壓縮機(jī)吸入一定過熱度的低壓氣體制冷劑進(jìn)行壓縮成高壓氣體由排氣口經(jīng)四通閥流至換熱器1與用戶使用側(cè)返回的低溫循環(huán)水進(jìn)行熱交換加熱循環(huán)水。放出熱量后產(chǎn)生相變后的制冷劑，經(jīng)流至高壓儲液器后分出兩路：輔路經(jīng)電子膨脹閥2節(jié)流降壓后在經(jīng)濟(jì)器內(nèi)與主路制冷劑進(jìn)行換熱，吸收主路內(nèi)制冷劑熱量后流至壓機(jī)吸器口2。主路內(nèi)的制冷劑在經(jīng)濟(jì)器中被冷卻后經(jīng)電子膨脹閥1節(jié)流降壓然后流至冷凝器。制冷劑通過冷凝器與外界空氣進(jìn)行強(qiáng)制熱交換吸收外界熱量后，再流經(jīng)四通閥、氣液分離器后回到壓機(jī)吸氣口1完成一次制熱循環(huán)。

圖1 超低溫空氣源熱泵系統(tǒng)原理

2 主路電子膨脹閥1控制方法

壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)t時(shí)間內(nèi)，閥初始開度按照表1進(jìn)行。

表1 前三分鐘不同環(huán)境對應(yīng)的初始閥開度

壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)t時(shí)間后進(jìn)入正常調(diào)閥階段，當(dāng)前室外環(huán)境溫度下的過熱度偏差Δt1如表2所示。

表2 不同環(huán)境溫度下偏差值

開關(guān)閥的速度按照表3進(jìn)行。

表3 不同過熱度值開關(guān)閥的速度

3 補(bǔ)焓回路電子膨脹閥2控制方法

當(dāng)Dn＞Dn2時(shí)

當(dāng)Dn＜Dn1時(shí)

當(dāng)Dn1≤Dn≤Dn2時(shí)，保持上一次。

表4為不同室外環(huán)境溫度下的過熱度設(shè)定值。

表4 不同室外環(huán)境溫度下的過熱度設(shè)定值

4 協(xié)同控制方法

通過不同環(huán)境溫度下主閥與補(bǔ)焓閥的上下限值，來達(dá)到兩者之間的協(xié)同控制。表5為不同室外環(huán)境溫度下主閥、補(bǔ)焓閥的上下限值。

表5 不同室外環(huán)境溫度下主閥、補(bǔ)焓閥的上下限值

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 實(shí)驗(yàn)對象

阿爾普爾5P超低溫空氣源熱泵機(jī)組。

5.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

阿爾普爾10P 超低溫實(shí)驗(yàn)室（合肥通用機(jī)械研究所2016年建成，實(shí)驗(yàn)室工況最低到-30 ℃）。

本試驗(yàn)裝置，可以準(zhǔn)確測量低溫空氣源熱泵（冷水）機(jī)組、空氣源熱泵熱水機(jī)、風(fēng)冷冷熱水機(jī)組的制冷（熱）量、耗功、COP等技術(shù)數(shù)據(jù)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)采用可編程序控制器，直觀性和可靠性都有了非?？煽康谋ＷC。測量值由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理并存檔，自動打印試驗(yàn)報(bào)告，并可分析試驗(yàn)結(jié)果和測試數(shù)據(jù)。

5.3 主要測試精度

名義工況時(shí)制熱量重復(fù)性誤差（一次性裝機(jī)）≤2%。表6為主要設(shè)備及測試精度。

表6 主要設(shè)備及測試精度

5.4 測試標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 25127.2-2010 《低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組》 第 2部分：戶用及類似用途熱泵（冷水）機(jī)組。

5.5 測試工況

表7為測試工況。

表7 測試工況

5.6 測試方法

空氣側(cè)提供工況條件，水側(cè)采用水側(cè)量熱計(jì)法。

將機(jī)組調(diào)節(jié)與最大制熱量位置，在表7規(guī)定的熱泵名工況下，按照 GB/T25127.2-2010 要求，測定制熱量QN及消耗功率Q0。

式中：C OP為名義工況能效系數(shù)。

使用行業(yè)當(dāng)前通用的電子膨脹閥依據(jù)不同環(huán)溫固定開度的方式，-12℃名義制熱量 8.5 kW，能效系數(shù)2.2。

使用本文控制算法，實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果為，-12 ℃名義制熱量為9.2 kW，能效系數(shù)2.52。

其中本文控制算法室外環(huán)境溫度-12 ℃時(shí)參數(shù)選擇如下（參數(shù)選取依據(jù)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果多次整定）：

1）Δt1為40 K。

2）ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5、ΔT6、ΔT7、ΔT8、ΔT9依 次為0 ℃、5 ℃、8 ℃、12 ℃、15 ℃、-15 ℃、-12 ℃、-8 ℃、-5 ℃。

3）ΔK1、ΔK2、ΔK3、ΔK4、ΔK5、ΔK6、ΔK7、ΔK8依次為10 步、20 步、30 步、40步、30 步、20步、10 步、5步。

4）t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8依 次 為60 s、90 s、120 s、120 s、120 s、90 s、120 s、90 s、60 s。

5）Dn1為2，Dn2為5.5，Ds為5。

6）Kzs為200，Kzx為60，Kfs為450，Kfx為50。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表8）可以得出，本文控制算法的有效性及可行性。

在課程設(shè)置上，現(xiàn)有的會計(jì)學(xué)本科生課程偏重財(cái)務(wù)會計(jì)專業(yè)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，對管理會計(jì)教學(xué)重視不足。學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)往往把大量精力放在基礎(chǔ)會計(jì)、中級財(cái)務(wù)會計(jì)等課程上，只著眼于各類科目規(guī)定、計(jì)量方式、會計(jì)分錄、記賬對賬等基礎(chǔ)核算內(nèi)容，而這些恰巧是在以后實(shí)際工作中容易被人工智能替代的內(nèi)容。相反，作為以后會計(jì)發(fā)展大方向的管理會計(jì)、模塊設(shè)計(jì)有關(guān)內(nèi)容卻沒有得到應(yīng)有的重視。

表8 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果對比

6 結(jié)論

長期以來，如何解決低環(huán)境溫度下熱泵制熱能效衰減問題是困擾研究者的難題。本文通過提出一種采用雙電子膨脹閥控制主回路以及補(bǔ)焓回路節(jié)流量的控制方法來解決這方面的矛盾，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明了該方法的有效性及可行性。

符號表：

Ta———當(dāng)前室外環(huán)境溫度值，℃；

T1、T2、T3、T4、T5———環(huán) 境溫度設(shè)定值，℃；

K1、K2、K3、K4、K5、K6———不同室外環(huán)境溫度下的閥初始開度設(shè)定值，步；

t———壓縮機(jī)初始運(yùn)行時(shí)間設(shè)定值，s；

Δt1———當(dāng)前室外環(huán)境溫度下的過熱度偏差，K；

Δt2———當(dāng)前室外環(huán)境溫度下的實(shí)際排氣過熱度，K；

Δt11、Δt12、Δt13、Δt14、Δt15、Δt16———不同環(huán)境溫度下的過熱度偏差設(shè)定值，K；

ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5、ΔT6、ΔT7、ΔT8、ΔT9———不同的排氣過熱度設(shè)定值，K；

ΔK1、ΔK2、ΔK3、ΔK4、ΔK5、ΔK6、ΔK7、ΔK8———不同閥開度變化量設(shè)定值，步；

t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8———不同的時(shí)間段設(shè)定值，s；

Tp———實(shí)測排氣溫度，℃；

C———出水溫度，℃；

Sp———實(shí)測排氣溫度，℃；

Kn———電子膨脹閥實(shí)際開度，步；

Kn-1———電子膨脹閥上一次的開度，步；

Kp———輔膨脹閥過熱度比例系數(shù)，默認(rèn)值為2

KD———輔膨脹閥過熱度微分系數(shù)，默認(rèn)值為1

Dn———實(shí)際目標(biāo)過熱度（經(jīng)濟(jì)器出口溫度-經(jīng)濟(jì)器進(jìn)口溫度），K；

Ds———不同環(huán)境溫度下設(shè)置的目標(biāo)過熱度，K；

Kzs———主電子膨脹閥上限值設(shè)定值，步；

Kzx———主 電子膨脹閥下限值設(shè)定值，步；

Kfs———補(bǔ)焓電子膨脹閥上限值設(shè)定值，步；

Kfx———補(bǔ)焓電子膨脹閥下限值設(shè)定值，步；

Kzs1、Kzs2、Kzs3、Kzs4、Kzs5、Kzs6———不同室外環(huán)境溫度下主電子膨脹閥上限值設(shè)定值，步；

Kzx1、Kzx2、Kzx3、Kzx4、Kzx5、Kzx6———不同室外環(huán)境溫度下主電子膨脹閥下限值設(shè)定值，步；

Kfs1、Kfs2、Kfs3、Kfs4、Kfs5、Kfs6———不同室外環(huán)境溫度下補(bǔ)焓電子膨脹閥上限值設(shè)定值，步；

Kfx1、Kfx2、Kfx3、Kfx4、Kfx5、Kfx6———不同室外環(huán)境溫度下補(bǔ)焓電子膨脹閥下限值設(shè)定值，步 。