多功能空气源热泵空调热水器控制策略试验研究

张欣然

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）



多功能空气源热泵空调热水器控制策略试验研究

张欣然

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

摘 要：为了对家用热泵空调器进行冷凝热回收，提出了一种新型多功能空气源热泵空调热水器系统，并对该系统进行了试验分析。总结了该系统各个工况的控策略及控制原理，为以后的机器研发提供思路。

关键词：空气源热泵；生活热水试验研究；控制策略

目前，我国夏季空调能耗已经成为居住建筑的主要能耗之一，而城镇住宅生活热水的能耗也已成为第二大建筑能耗。

一般，家用生活热水所需求的温度不高，在40℃～45℃左右，但热水器大多数都是电或者燃气的，这种消耗高品位能获得低品位能的做法是不合理的。而家用空调压缩机的排气温度是高于这个温度的。所以，在夏季回收空调冷凝热，获得生活热水，而在其他时间利用热泵吸收室外空气热量，加热生活热水。这样不仅能提高系统利用率，而且还能提高系统运行性能。

国内外已经有很多学者在这一领域展开研究。早期的研究主要集中在空调冷凝热回收装置的原理分析及可行性研究，随后发展到分析热回收技术对系统性能的影响。主要采用试验和计算机模拟两种研究方法。

虽然国内外对家用空调热水器的研究很多，但对于系统控制策略的探讨还不多。这使得该系统从研究到成品生产的转换上仍然存在着一定的障碍。基于这些问题，本研究优化设计了多功能空气源热泵空调热水系统，并提出了相应的控制策略，为以后的研究提供参考。

1. 系统运行模式

系统原理如图1所示。下面介绍了该系统主要的几种运行工况。

1.1 夏季制冷兼制热水工况

这种工况是这个系统最理想的运行情况。此时，大压缩机单独运行，空调冷凝热由水全部吸收，室外机风冷换热器被旁通。在系统刚开机时，板式换热器进水温度较低，所以换热效率较高。高温高压的气态制冷剂在板式换热器中冷凝放热，变成高温液态。然后制冷剂流经旁通管和毛细管，在室内机中蒸发吸热，变为低温气体，最后回到压缩机，完成循环。冷水在循环水泵的驱动下，吸收热量，然后储存在储水箱中。

当水温升高到一定温度，板式换热器水冷不足以全部吸收系统的冷凝热，这时取消旁通室外机风冷换热器，并开启室外风机。板式换热器和室外机串联，共同吸收空调冷凝热，确保系统能稳定地继续运行。

1.2 单独制热水工况

在制热水初期，大压缩机运行，快速产生热水。制冷剂经过压缩，在板式换热器中与水换热，加热生活用水，随后流经室内机，但是室内风机不开启，制冷剂不与室内空气换热。在经过毛细管节流后，流过室外机蒸发吸热，最后回到压缩机完成循环。当生活热水达到某一温度，系统自动切换成小压缩机运行，继续加热并保温。保证系统连续稳定运行的同时避免过多的热量排放到室内。

1.3 供热兼制热水工况

这个工况是此系统耗能最大的工况，此时，大、小压缩机共同运行，通过部分旁通板换，使一部分制冷剂在与水换热，另一部分直接室内空气换热，从而保证室内温度。

制冷剂从压缩机出来，在板式换热器中和房间内冷凝放热，然后经过毛细管节流，在室外机蒸发吸热，最后通过气液分离器循环回到压缩机，满足供热和制热水双重要求。

表1系统各模式控制策略

2. 系统控制策略

对于本系统来说，合理的控制策略是非常重要的，它不仅能够实现产品功能，保证产品安全、稳定地运行还可以节省系统运行费用，节约能耗。

该系统的控制策略总结为表1，以压缩机排气温度为参考。各个工况的具体控制流程如下：

（1）制冷兼制热水工况。此工况首先要保证系统的制冷功能。开机后先旁通风冷冷凝器，压缩机排气度达到45℃时之后再开启循环水泵。起初板式换热器中的水可以完全吸收空调冷凝热，室外风机不需要开启。压缩机排气温度高于48℃后，取消旁通室外机冷凝器，开启室外风机。当水箱中的水温达到45℃时，已经满足用户需求，这时关闭水泵，系统变成普通的制冷工况。

（2）单独制热水工况。开机时，室内风机不运行，利用室外空气的热量加热热水。当压缩机排气温度达到50℃时开启水泵，同时为了保护系统稳定，压缩机排气温度大于55℃时关闭室外风机。同样，水箱中的水温高于45℃时，制热水工况结束。

（3）供热兼制热水工况。压缩机排气温度在50℃～60℃之间时开启水泵，其余时间关闭水泵，这样使系统一直处于高效工作状态。如果采用室内供热优先策略，则开机后开启室外风机，旁通板换并且关闭水泵。这时完全不制取热水。当室内热量足够时，取消旁通，使压缩机排气先进入板式换热器，开始加热生活热水，并开启水泵；如果采用保证制热水优先策略，则不旁通板换且水泵连续运行，可以通过调整旁通板换的比例，平衡供热与制热水的矛盾问题。

3. 控制流程图

由于控制得比较复杂，为了更清晰地整理控制思路，为编程和自动化打下基础，下面分别给出主要3个工况的系统控制流程图，如图2～图4所示。

参考文献

［1］清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2013［M］.北京：中国建筑工业出版社，2013：40-64.

［2］ C.T. Healy， Jr.T.I. Wetherington. Water Heating by Recovery of Rejected Heat from Heat Pump［J］. ASHRAE Journal. 1965， April：68-74.

［3］ R.S. Jr. Mason， H.S. Bierenbaum. Energy Conservation through Heat Recovery Water Heating［J］.ASHRAE Journal. 1977， August：36-40.

［4］ M. Perlman. Heat Pump Water Heater—a Better Water Heating Approach［J］. ASHRAE Transactions， 1984， 90（1B）： 191-205.

中图分类号：TU822

文献标识码：A

Abstract：In order to recover the condensing heat of domestic heat pump air conditioner， a new type of multi-functional air source heat pump with water heater system is put forward， and the system is tested and analyzed. The control strategy and control principle of each working condition of the system are summarized， which provides ideas for the development of the machine in the future. Keywords： air source heat pump； domestic hot water； experimental study； control strategy