浅谈提高空气源热泵热水器性能的途径

魏许建 彭萼忠 陈骏骥

（广东长菱空调冷气机制造有限公司，广东 佛山 528313）

空气源热泵热水器是继燃气热水器、电热水器和太阳能热水器之后的新一代热水装置,具有高效节能、安全可靠、环保等特点,在我国得到高速发展。然而，我国在2009年9月1日起实施的国家标准GB/T23137－2008《家用和类似用途热泵热水器》的引导下，热泵热水器产品开始发展，市场份额在2009年初不足3%，2010年刚超过5%。热泵热水器在国内发展比较缓慢的主要原因是：技术难度大、受影响因素多、产品的可靠性不易保障。虽然热泵热水器系统和热泵空调系统工作原理相同，但是运行工况更恶劣、运行温度范围更宽。热泵空调将室外低温空气中的热量泵到室内空气环境中，室内温度运行的范围一般在18～30℃之间，但热泵热水器室内侧水箱中的热水温度范围为5～55℃，此种运行温度范围对热泵热水器系统提出了更高的要求。

1 影响空气源热泵热水器性能的因素分析

空气源热泵热水器性能是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。空气源热泵热水器的性能要求是在额定功率下，在规定的气温范围内(一般为5℃以上)把自来水加热到设定温度(一般为50～60℃左右)的加热速度。但一些空气源热泵热水器由于各种原因达不到这个要求，主要有以下几个方面：

图1 整个系统故障树

（1）空气源热泵热水器结构复杂，长期以来研发人员主要关心产品功能的实现，对其可靠性很少进行研究，而产品的设计是决定了产品固有可靠性。

（2）目前我国空气源热泵热水器处于市场培育阶段，多数企业是小批量生产，很多工序采用手工作业，降低了产品的可靠性水平。例如，热泵机组中连接压缩机、电磁换向四通阀、蒸发器、换热器和气液分离器等部件的铜管折弯以及铜管的焊接，采用手工完成，人为因素会影响整个机组可靠性水平。

（3）空气源热泵热水器的相关国家标准制定和实施时间比较晚。空气源热泵热水器的很多零部件都是使用空调的配件，还没有全部按照国家标准进行设计制造。空气源热泵热水器和空调的工作环境不同，空气源热泵热水器的工作环境恶劣些。例如空气源热泵热水器直接采用空调压缩机，势必会影响压缩机的寿命以及可靠性水平。

（4）空气源热泵热水器的安装和使用维护，特别是使用维护方面，存在很多问题，进而影响到其使用过程可靠性。例如，机组安装的位置要符合规定要求，蒸发器要定期清理等，否则会影响其可靠性。

2 空气源热泵热水器故障模式分析

空气源热泵热水器系统是由管道连接的各种设备而组成相互关联、相互影响的系统，如果系统中有一个部件出现故障，则会影响其它部件的工作，进而影响整个系统。家用型空气源热泵热水器系统有不同层次的系统组成，如制热系统，除霜系统等。热水器系统出现的故障很多、也很复杂，根据不同的特征进行归类；根据故障显现程度，可分为显性故障和隐形故障。如：风机停转，水管漏水等容易察觉的故障属于显性故障；换热器结垢等不易察觉的故障称为隐性故障。根据故障对系统造成的影响程度，可分为软故障和硬故障。如电机烧坏等设备完全失效的故障称为硬故障。仪表漂移等设备性能下降等故障成为软故障。

3 空气源热泵热水器故障树分析

制热系统是家用型空气源热泵热水器的核心，同时也是容易发生故障的单元。制热系统由压缩机、节流装置、蒸发器、冷凝器、电磁四通阀、风机、控制部分等组成，其中节流装置由毛细管和电子膨胀阀并联组成。把制热系统故障作为顶事件，导致顶事件发生的事件又有许多基本事件，根据具体情况分析得到制热系统的故障树如图1中虚框所示。评价故障树的最好方法就是利用它的最小割集，确定故障树最小割集的算法有布尔代数化简法和矩阵排列法等，这里采用布尔代数化简法求其最小割集。

图1中虚框所示的故障树可运用布尔代数逻辑运算简化：

Z3=Y1+Y2+Y3+X7+X8+X9+X10=X1+X2+X3+X4+X5·X6+X7+X8+X9+X10

其中“+”表示逻辑加法，“·”表示逻辑乘法。所以该故障树的最小割集为:{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5、X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}。假设在各个底层事件发生的概率差别不大的条件下，根据每个最小割集的阶数，阶数越小的最小割集最重要，可见要提高制热系统的可靠性，提高压缩机、蒸发器、电磁四通阀、冷凝器等的可靠性是提高整个制热系统可靠性的关键。节流装置采用毛细管节流装置和电子膨胀阀并联组成，能提高其任务可靠度。

4 空气源热泵热水器的可靠性设计

（1）上市产品，大都具有比较完善的数据，如故障模式、故障影响、故障检测方法、产品结构等。从节约成本和减少工作量的角度考虑，一般采用故障模式及其影响分析（FMEA）和故障树分析（FTA）等，先找出制约可靠度提高的关键问题，针对问题进行专项攻关改进；然后再通过设计评审对改进进行研究，保证改进确实能够提高产品的可靠性水平；最后通过可靠性试验验证是否达到了预定的可靠性要求，同时建立起该产品可靠性经验数据库，也为以后建立该产品的可靠性标准打下基础和同类或类似新产品的开发提供可靠性方面的参考。

（2）研发产品，首先分析市场的需求以及客户的需要来确定产品的定性和定量的可靠性指标；然后参考同类或类似上市产品的故障分析结果，进行可靠性指标的分配和预计；再经过对比分析可靠性预计与可靠性指标，如不能满足客户要求，修正各部分的可靠性指标或者修正设计方案，直到满足要求为止。可靠性预计和分配指标如图2所示。

5 优化空气源热泵热水器控制系统

5.1 设计多模式流程控制，提高系统全年运行性能

空气源热泵热水器产品标示的性能系数是名义工况时的性能系数，研究表明环境温度对空气源热泵热水器的性能系数影响显著，环境温度30℃附近时系统运行性能最佳，因此对同样的空气源热泵热水器产品使用时间及环境不同，运行时性能系数也不同。若采用单一控制模式，由于环境的变化，空气源热泵热水器大部分时间运行性能系数不高。为了充分发挥空气源热泵热水器的节能优势，在空气源热泵热水器控制系统设计时，可根据用户需求不同、典型的季节变化特点及每天的温度变化规律设计午间模式、冬季节能模式、谷电模式等多模式流程控制系统，供用户选择，可有效提高空气源热泵热水器全年的运行性能。

图2 可靠性预计和分配指标框图

5.2 优化除霜控制

目前从空气源热泵热水器的实际运行效果来看，机组在气温偏低且相对湿度比较大的地区运行时性能不理想，主要原因是蒸发器结霜及除霜造成的供热能力下降，因此，必须使用有效的除霜方法及时除霜。目前，空气源热泵最常用的除霜方式是逆循环热气除霜，而除霜自动控制方法是影响除霜效果的关键。目前除霜自动控制方法较多，较为先进实用的有模糊智能控制除霜法。模糊智能控制除霜法将模糊控制技术引入空气源热泵热水器的除霜控制，整个除霜控制系统由数据采集与AID转换、输入量模化、模糊推理、除霜控制、除霜监控及控制规则调整五个功能模块组成。通过对除霜过程的相应分析，对除霜监控及控制规则进行修正，以使除霜控制自动适应机组工作环境的变化，达到智能除霜的要求。

5.3 设置水箱蓄水量智能控制系统

为了减少水箱的散热损失，避免不必要的重新加热，减少保温加热次数，节约能源，将模糊控制和其它优化理论方法和控制技术相结合，设计蓄水量智能控制系统是较好的解决办法。蓄水量智能控制系统能根据一周用水规律，自动保证每天最适宜的热水加热量。

结语

总之，空气源热泵热水器是一种高效节能装置，但在实际推广使用的过程中，暴露了产品可靠性不高的缺点。为提高空气源热泵热水器性能，通过优化控制系统提高运行性能、采用高效换热器等有效途径，进一步完善空气源热泵热水器性能，不断降低成本，将有效促进空气源热泵热水器在家用市场占有率的提高，达到节能环保、提高人们生活水平的目的。

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