空气源热泵热水器控制系统的分析

朱华东

摘 要：主要对空气源热泵热水器的控制系统展开了分析，探讨了降低空气源热泵热水器可靠性的主要因素，并给出了一系列的解决措施，以期为相关单位的需要提供有益的参考和借鉴。

关键词：空气源热泵热水器；控制系统；加热效果；自来水

中图分类号：TU822 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.111

空气源热泵热水器的原理为：吸收空气中的低温热量，经过氟介质的气化，通过压缩机增压升温，并通过换热器转化给水加热（压缩后的高温热能可用来加热水）。为了更好地实现空气源热泵热水器的加热效果，需要对其的控制系统进行研究和分析。

1 影响空气源热泵热水器可靠性的因素

可靠性主要是指产品在一定时间和空间中完成相关任务的能力。空气源热泵热水器的可靠性主要是指在一定的额定功率中，在科学、合理的气温空间内（通常在5 ℃以上），将自来水加热到指定温度（通常为50～60 ℃）。但有些空气源热泵热水器无法达到加热温度，其主要影响因素有以下5个：①空气源热泵热水器的构造比较复杂，在以往很长一段时间内，研究人员比较注重产品的效能，对其可靠性的研究较少。值得注意的是，产品可靠性的基础是产品的实际设计。②目前，我国空气源热泵热水器还处在不断探索的阶段，很多企业采用小批量生产的方式，大多数工作程序都采用手工作业的方式，进而对产品的可靠性造成了影响。比如，气液分离器、蒸发器、电磁换向四通阀和压缩机都与热泵机组相连。其中，统管弯折部分与铜管的连接是手工进行的，这可能会受到人为因素的影响，进而对机组的可能性造成影响。③空气源热泵热水器相关制度的落实较晚。空气源热泵热水器的大部分配件来自于空调配件，且未根据国家相关标准改造。而空气源热泵热水器与空调的工作环境不同，这样就会对压缩机的使用寿命、可靠性造成影响。④空气源热泵热水器的安装和后期保养存在不足，尤其是在后期保养方面，严重影响了设备的使用。比如，机组安装位置需要根据有关规定选择、蒸发器应及时清洗等，否则，会直接影响设备的可靠性。⑤可靠性工程的实践过程较为烦琐，很多研究人员和企业的管理人员对其的认识还不够充分，进而无法有效保证产品的可靠性。

综上所述，应将可靠性工程技术融合到空气源热泵热水器中，从而有效提升空气源热泵热水器的可靠性。

2 空气源热泵热水器的理想运行状态

构建家用型空气源热泵热水器的可靠性模型时，不仅要考虑可能出现的安全问题，还要考虑后期的保养和维修工作。只有考虑过上述问题后，所构建的模型才能被为称为可靠性模型。

可靠性模型是用来解决产品可能出现的运行问题的，属于全串联模型。设备中的组成部分越多，其基本的可靠性就越低。要想提升基本可靠性，则需要最大限度地减少设备。对热泵热水器的结构进行了研究，由于家用压缩机与气液分离器是相互融合的，因此，基础的可靠性框架可建立成图1中的模式。任务可靠性模型是为了估测产品在实际操作中完成限定功能的概率的，即在执行任务时，根据产品各个部分所产生的预定效用而建立起来的可靠性模型。依据构建的基础可靠性框架和可靠性数学模型、任务可靠性数学模型，并利用相关概率学知识，研究了基础可靠性框架和任务可靠性模型。研究发现，基础可靠性模型的各个环节是相互串联的，任务可靠性模型是串与混相互融合的，因此，利用概率学的知识可建立相关的数学模型。

3 空气源热泵热水器的可靠性构建

根据用户的实际需求，应先建立空气源热泵热水器的可靠性和定量性目标，利用系统构建可靠性模型、可靠性分配，并利用预测技术对产品的可靠性进行分析，最终通过研究、检验和改善产品，将可靠性的定量需求融合到产品技术文件中。值得注意的是，应尽量节约资金、缩短研究时间和提升研究效率。产品主要分为上市产品和研究产品，因此，要采用不同的可靠性研究方式。具体而言，上市产品的可靠性研究主要是以新产品的设计为基础的，且上市产品的可靠性指标分配是新产品研究的重要参考因素之一。

3.1 上市产品

多数上市产品具备比较完整的资料，比如故障形式、故障因素、故障检验方式和产品构造等。以节约资金和减少工作量为基础进行研究时，主要采用故障模式研究产品可靠性的影响因素和进行故障树研究等。在研究过程中，应找到降低产品可靠性的主要因素，并消除其中的主要因素，从而更好地提升产品的可靠性；利用可靠性试验测试产品的可靠性，并构建相应的资料库，从而为今后构建相应产品的可靠性准则奠定坚实的基础，为新产品的研发提供帮助和指导。

3.2 研究产品

对于研究产品，应根据市场的实际状况和客户需求确定产品的性能和相关可靠性指标，根据相关类型的产品进行问题分析，从而建立可靠性指标分配和预计准则；利用对比研究，分析研究产品的可靠性指标。如果无法满足客户的实际需求，就需要建立修改方案，从而更好地满足客户需求。

4 提高空气源热泵热水器性能的途径

4.1 优化空气源热泵热水器的控制系统

4.1.1 设计多模式流程控制，提升系统性能

空气源热泵热水器产品标示的性能系数是在名义工况下生成的。研究表明，环境温度会直接影响空气源热泵热水器的性能系数。比如，环境温度为30 ℃时，系统运行性能最佳。因此，相同的空气源热泵热水器产品在使用时间、使用环境不同的情况下，其性能系数并不相同。如果采用单一的控制模式，由于环境可能发生变化，所以，空气源热泵热水器大部分时间的运行性能较差。为了充分发挥空气源热泵热水器的节能优势，在设计空气源热泵热水器控制系统时，可根据用户的需求、典型季节的变化特点及每日的温度变化规律设计午间模式、冬季节能模式、谷电模式等控制系统供用户选择，从而有效提高空气源热泵热水器全年的运行性能。

4.1.2 优化除霜控制

目前，从空气源热泵热水器的实际运行效果看，机组在气温偏低、相对湿度较大的地区的运行性能较差。其主要原因是蒸发器结霜、除霜造成的供热能力下降，因此，必须采取有效的除霜方法及时除霜。空气源热泵最常用的除霜方法为逆循环热气除霜，而除霜自动控制可大幅度提升除霜效果。目前，除霜自动控制方法较多，较为先进、实用的为模糊智能控制除霜法。该方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、AID转换、输入量模化、模糊推理、除霜控制、除霜监控和控制规则调整模块组成。通过对除霜过程的分析及对除霜监控规则的修正，可提升除霜控制自动适应机组的性能，从而满足智能除霜的要求。

4.1.3 设置水箱蓄水量智能控制系统

为了减小水箱的散热损失、减少保温加热次数、节约能源和避免不必要的重新加热，应将模糊控制及其优化理论方法与控制技术相结合，并设计蓄水量智能控制系统。蓄水量智能控制系统能根据一周的用水规律，自动保证每日最适宜的热水加热量，图2为蓄水量智能控制系统方框图。蓄水量智能控制的过程为：A/D转换器将水流量传感器测得的水流量的模拟值f转换为数字量F，并存入系统的定长数据移位存储器中。该存储器以循环移位的方式存储前7 d的热水量，并将数字量F1～F7传给模糊控制器进行模糊处理。其输出量为预设定水箱的水位H0经D/A转换生产的h0，水箱中的水位传感器测量值h与标准值h0会送入供水控制模块，由模块自动比较驱动水泵的运行。

4.2 采用高效换热器

目前，市场上的家用空气源热泵热水器因成本问题，普遍以等径螺旋盘管沉浸在水箱下部的热水换热器作为冷凝器。其换热性能较差，会影响空气源热泵热水器的整体性能。经过专业人员对热水换热器性能的优化研究发现，采用带导流套筒的热水换热器及非等径螺旋盘管是提升产品可靠性的有效方法。

5 结束语

综上所述，空气源热泵热水器是一种新型的供热设备。因此，为了确保空气源热泵热水器的使用效果，需要对空气源热泵热水器的可靠性进行研究和分析，从而更好地提升产品的运行性能。

参考文献

[1]黄楚顺，林淑勤.空气源热泵热水器控制器设计[J].电器，2012（S1）.

[2]欧丹，李凯.太阳能工程热水器控制器的设计与实现[J].现代电子技术，2010（21）.

〔编辑：张思楠〕