一种高水温热泵热水器控制平台的搭建和算法研究

2018-03-06孙成龙杨磊杜顺祥田金城

家电科技 2018年2期

孙成龙杨磊杜顺祥田金城

青岛海尔新能源电器有限公司山东青岛 266103

1 引言

随着行业技术发展及人民生活水平提高，人们对生活热水的需求越来越大。热水消耗能源已占家庭能耗中较大比重，当前电热水器使用量几乎占热水器市场的1/2，能耗很大。近几年快速发展的空气源热泵热水器，能效比远远高于电热水器，大幅降低能源消耗和减少二氧化碳排放。

热泵热水器作为能源型热水器的新细分产品，于2004年正式进入国内市场，为热水器行业注入了新鲜血液。与其他热水器相比，热泵热水器节能、安全的优势十分突出[1]。

国内现有的空气源热泵热水器大多只能加热到55℃或65℃，如果用户需要更高温度的热水，就需要电辅助加热器来完成，因为电加热器消耗电能是热泵热水器的4倍左右，因此还是会消耗大量电能。能够产出更高温度热水的热泵热水器必然会更能满足用户节能需求。同时，生产更高温度的热水可以减小热泵热水器储水箱容积，节约用户安装空间，便于热泵热水器的普及推广。

2 高水温热泵热水器控制系统组成及控制方案

2.1 高水温热泵热水器的开发路线和问题分析

目前业内高水温系统开发有两条技术路线：

（1）CO2系统自然工质，但排气压力高，超临界运行，对系统设计要求非常高。

（2）R134a系统环保冷媒，排气压力低，排气温度低，和现有热泵系统差异很小，是目前高水温机种的优选冷媒。

鉴于CO2系统高要求设计和生产工艺的复杂性，一般很少考虑实施该方案；R134a系统虽然有众多优点，但是对于高温水控制存在如下问题：

（1）常规压缩机运行范围不足以生产80℃热水；（2）高水温时蒸发器分流不均匀，导致能效下降和压比增大；（3）高水温时压缩机排气温度过高或过载，压缩机寿命下降。

通过改善泵体结构强化、电机能力提升、循环油路优化，改善不同工况蒸发器各流路压降及冷媒循环总量变化规律可以解决上述两个问题。本文阐述通过控制平台的设计和算法来改善节流元件——电子膨胀阀的调节，从而解决R134a系统高水温时压缩机排气温度过高或过载的问题。

2.2 常见普通热泵热水器的控制方案

家用热泵热水器在调试系统时常用的控制电子膨胀阀的算法有吸气过热度和排气过热度两种，吸气过热度在低水温区段能够很好的保证蒸发器里面的冷媒气态化，系统调试平稳且效率高，但是面向高水温对排气温度、系统的高压力、高负荷调试存在困难；排气过热度能够很好的调节高温水段对应的系统平衡，但是对于低温水段，很难做到吸气过热度调节的平滑，蒸发器系统的高效性，所以热水器行业很少用排气过热度来调节系统节流元件[3]。本文控制方案的提出也是按照吸气过热度和改善后的新算法来对比展开的。

2.3 高水温热泵热水器的系统组成

本文设计的高水温热泵热水器控制系统如图1所示（其中红色代表高温冷媒流向，黑色代表低温冷媒流向），系统包含压缩机、四通阀、蒸发器、风机、冷凝器水箱等五大部门；系统选用R134A环保冷媒、日立WHP05100BUV-G4AQ压缩机，可在-7℃的工况下工作，且衰减较小。

2.4 高水温热泵热水器的系统控制平台搭建

根据系统的输入输出需求，将系统的传感器、水流量等输入参数，压缩机、四通阀、风机等输出执行单元通过高微处理器串在一起，通过电脑板硬件搭配组成控制平台（图2）。

微处理器采用R5F212A7SNFA-QFP64，利用输入传感器采集相关参数，结合EEPROM，通过控制算法驱动相关电子执行元件，调节空气源热泵热水器冷媒流量，从而达到静态80度高水温，排气不超温、系统不过载的要求，控制系统的拓扑图如图3所示，其中To代表吸气温度；Tci代表蒸发温度；Te代表环温；TS代表设定水温；Tr代表实际水温。

2.5 高水温热泵热水器的控制算法

S1、建立并存储

环温—水温—初始开度查找表、排气温度分段—环温分段—目标吸气过热度查找表、排气温度差—调阀步数—调阀频率表，计算并存储临界排气温度Tmax，所述临界排气温度Tmax为利用吸气过热度控制调阀时，水温逐渐升高，在满足系统性能参数曲线波动位于设定范围内的前提下，所对应的最大排气温度值；系统性能参数至少包括：排气温度、吸气温度、水温、蒸发器温度等。

其中，上述各查找表及临界排气温度Tmax通过预先试验获得，仅利用吸气过热度控制调阀，在不同环温下进行试验，获得初始数据，节流元件的初始开度、临界排气温度Tmax等。

图1 高水温热泵系统示意图

图2 高微处理器R5F212A7SNFAQFP64输入输出

图3 控制平台对应的拓扑图

图4 控制控制算法流程图

表1 与其他类型热泵热水器节电量与环保效果对比

图5 系统参数随着时间变化曲线

图6 系统参数随着时间变化曲线

环温—水温—初始开度查找表、排气温度分段—环温分段—目标吸气过热度查找表、排气温度差—调阀步数—调阀频率表、临界排气温度Tmax可以存储于EEPROM中。

S2、检测当前环温和水温

从所述环温-水温-初始开度查找表中查找出所对应的初始开度，并将节流元件调节至该初始开度；系统开机后，即进行检测当前环温和水温，并查找初始开度。环温-水温-初始开度查找表是预先试验测得，不同环温、水温时所对应的能够使热水器处于最佳性能状态时的节流元件开度。

S3、周期采集压缩机的排气温度T

将排气温度T与临界排气温度Tmax进行比较，当T＜Tmax时，采用吸气过热度控制调节所述节流元件的开度，当T≥Tmax时，采用排气过热度控制调节所述节流元件的开度。

开机后随着换热系统工作，水温逐渐上升，低水温时，相应排气温度较低，对压缩机造成的压力较小，此时首先考虑提高蒸发器内冷媒的蒸发效率，也即保证进入蒸发器更多的冷媒且能够完全蒸发，以给水箱内的水提供更多的热量进行加热，因此，采用吸气过热度进行控制调阀，且调阀平稳且换热效率最高，随着水温的逐渐上升，排气温度相应升高，当升高至大于或等于Tmax时，排气温度过高将会导致压缩机内部线圈温度太高，相应绝缘性降低，造成压缩机油碳化，而此时需要加大节流元件开度以间接控制排气温度，此时采用排气过热度控制调阀的方式相对来说更直接，更有效，可以快速有效降低对压缩机的损坏。图4为控制控制算法流程图。

步骤S1中，在不同环温下进行吸气过热度控制调节所述节流元件的开度试验，其中，每个环温下进行吸气过热度控制调节所述节流元件的开度试验时对应一个最大排气温度值，临界排气温度Tmax为所有环温下所对应最大排气温度值中的最小值，以尽可能保证临界排气温度Tmax适合于所有环温。

排气温度分段—环温分段—目标吸气过热度查找表中，各排气温度分段和环温分段所对应的能够使得蒸发器内冷媒全部蒸发时的吸气过热度为目标吸气过热度。

步骤S2中，采用吸气过热度控制调节节流元件的开度的方法为：

检测当前吸气温度To、蒸发器温度Tci、排气温度，查找排气温度所落入的排气温度分段，以及查找环温所落入的环温分段，从排气温度分段-环温分段-目标吸气过热度查找表中查找出当前排气温度以及环温下所对应的目标吸气过热度Δt1，计算目标调阀步数ΔP：

ΔP=（To-Tci）Δt1

根据目标调阀步数ΔP计算节流元件下一时刻开度Pi+1：

Pi+1-Pi+ΔP

其中，Pi为节流元件当前开度。

采用吸气过热度控制调阀的优点在于能够在确保蒸发器完全蒸发的前提下输入更多的冷媒，以提高换热效率，实现对水箱内水的快速加热。此时排气过热度小于设定阈值，因此，系统运行性能较为平稳，不会对压缩机造成额外损害。

为了保证系统运行的稳定性，还包括对开机时间计时的步骤，在开机时间小于t1分钟时间内不调节节流元件，其中t1＞0。

本实施例的步骤S2中，采用排气过热度控制调节节流元件的开度的方法为：

计算目标排气温度Tm：

其中，Tr为当前水温，Tr1为从吸气过热度控制调节所述节流元件的开度切换到排气过热度控制调节所述节流元件的开度时的水温，Ts为设定水温，γ为大于零的常系数；目标排气温度是用于在最大化满足热水器性能时又不会对压缩机造成过度损害的排气温度。

计算排气温度差Δt2：

根据排气温度差Δt2从排气温度差—调阀步数—调阀频率表中查找出所对应的调阀步数和调阀频率，并按照所述调阀步数和调阀频率调节所述节流元件的开度。采用排气过热度控制调阀，调阀步数和调阀频率在计算出排气温度差Δt2之后可以直接差别得到，当Δt2落在排气温度差—调阀步数—调阀频率表的某一温度区间，节流元件就会相应地以一定的速率开阀、关阀、或者保持不变直到加热到设定水温。

步骤S2中，当检测到T≥Tmax时，持续时间t2之后切换为采用排气过热度控制调节所述节流元件的开度，其中，t2＞0。

随着热水器处于的工况变化，排气温度也时刻变化，因此，采用排气过热度控制调阀还是吸气过热度控制调阀也是可以相应的相互转换的，在排气过热度控制调阀此过程中若因为用户大流量用水、或者机器停机再开机等导致排气温度小于Tmax时，系统则会相应的切换到吸气过热度控制调阀，适时转换直至达到设定水温[4]。