一种直膨式变频太阳能热泵热水系统及控制方法

卢炳奇 蒋建平 周志成 李伟

青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101

1 引言

太阳能热水器通过吸收太阳能辐射将低温热源转化为生活用的高温热源，不但节能环保、价格低廉，而且提高了太阳能的能源品位，在生活上为用户提供便利，是太阳能应用于节能环保的具体体现之一。但是太阳能热水器的制热性能存在不稳定性，如遇光照强度不足或者光照时间较短的条件时，太阳能集热器的集热效率低下，无法满足用户对热水的需求。

直膨式太阳能热泵热水系统通过将太阳能集热技术与热泵集热技术相结合的方式制取热水，冷媒在蒸发器中既可以吸收太阳能辐射能量又可以与周围空气换热，在太阳能辐照强度不足时仍能继续工作，收集热量，满足用户全天候的热水需求。

直膨式太阳能热泵系统在运行过程中主要受环境温度和太阳辐照影响，环温不同和太阳能辐射的波动性，导致系统加热时间长短不同，很难满足用户当天用水需求。定频式压缩机转速不可控，因此很难控制系统的加热时间，实现最优的节能效果，因此本文提出了通过研究直膨式变频太阳能热泵热水器运行规律，通过控制系统加热时间调整压缩机运行频率的方法。

2 直膨式变频太阳能热泵热水系统

2.1 工作原理

直膨式变频太阳能热泵热水系统主要包括水箱、变频压缩机、电子膨胀阀、冷凝器、带有吸收涂层的蒸发器。太阳能热泵运行原理图如图1所示，工作原理与空气源热泵热水器加热原理相同，都是采用逆卡诺循环原理加热热水。不同之处是直膨式变频太阳能热泵热水系统的蒸发器涂有吸热涂层，将蒸发器安装于室外，在太阳光照射下，蒸发器可以吸收太阳能辐射热量，没有太阳辐照时，蒸发器可以与周围空气进行换热。

冷媒通过蒸发器吸收太阳能辐照热量和周围空气中的热量变成高温低压气体，经过变频压缩机压缩变成高温高压气体通过冷凝器与水箱进行热量交换，交换完成后变成高温高压液体，再通过电子膨胀阀节流作用变成低温低压气体，再次进入蒸发器吸收热量完成一次加热循环。系统主要通过控制变频压缩机的转速和电子膨胀阀的开度实现控制。

3 系统测试及分析

3.1 系统测试

本实验首先通过固定压缩机运行频率的方式，测试变频太阳能热泵热水系统制热水过程中的参数和性能。其中环境温度和辐照强度为蒸发器所处环境的参数。数据处理时，选取了比较有代表性的几次实验工况数据进行总体结果分析处理，表2固定频率性能测试为青岛6月份测试的数据。

从表2可以看出，直膨式太阳能热泵热水器在6月份制热性能比较高，COP基本在4.0以上，最高可达5.56，制热量越大，加热时间越短温升越快，功耗也就越大。表2中压缩机以42Hz运行和以75Hz运行时，在环温相同、辐照强度相差不大条件下，以42Hz运行时系统性能明显高于以75Hz运行时，因此在外界环境相同时，通过降低压缩机频率，延长加热时间将有利于提升系统的COP。而以38Hz或者更低频率运行时，系统制热时间接近7个小时，加热时间较长但是系统效率没有明显提高，因此不能无限制的降低压缩机运行频率，需要选择合适的运行频率，即选择合适的系统运行时间可以提升系统的效率。控制系统在适当时间内完成加热可以在满足用户对制热水时间的需求，同时也有利于提升系统性能。

表3为不同频率、水温条件下变频系统性能数据，在压机运行频率不变，水温上升时间段内，制热量变化不大，但是系统COP逐渐减小；在压机运行频率上升，水温不变间段内，制热量逐渐增大，压缩机运行频率逐渐减小。由此可以看出系统制热量和系统COP与压缩机频率和水箱水温密切相关，对整机性能有显著影响，因此压缩机运行频率调节是直膨式变频太阳能热泵热水系统的关键。

3.2 理论数据分析

首先在相同环境条件、加热时间、加热水量前提下，分析频率变化对系统的影响，可以简单分为定速加热，升速加热，降速加热三种模式，如图2所示。以实验数据为基础，通过数学方法对三种方式进行理论计算，比较三种加热方式COP的差异。

总制热量和加热时间一定以及外界环境参数都不变的情况下，三种加热方式的数学模型可以用式（1）表示：

其中，a为0、正、负分别代表定速加热、升速加热、降速加热。其中f为运行频率，Tw为当前水温，b为常数。根据实验测试数据，选取以下数据进行分析：

（1）在环温24±2℃，辐射强度750w/m2，水温45℃时，在不同压机运行频率下，系统制热量Qh和COP如图3所示。

（2）在环温24±2℃，辐射强度750w/m2，压机运行频率60Hz时，系统制热量Qh和COP如图4所示。

由图3和图4中制热功率和COP随频率和水温的变化曲线，通过公式拟合可以得出制热量Qh和COP与运行频率有一次线性关系，与水温有二次曲线关系，即

通过测试测试数据和参数拟合可求出A1、A2、A3、B1、B2；a1、a2、a3、b1、b2的值。当前水温和运行频率下系统制热功量和COP可以用q（f，Tw），COP（f，Tw）标示。

根据拟合公式进行压缩机运行频率优化计算，COP计算公式：

表1 主要部件参数

图1 太阳能热泵运行原理图

表2 固定频率性能测试

表3 不同频率、水温条件下变频系统性能数据

为了保证系统制热在规定时间完成，需要对加热时间限定条件：

在运行过程中当气温/辐照高时，降低运行功率，达到最节能省电的效果；当气温/辐照低时，加大运转功率，保证机组处于最有效吸热状态。

系统水温加热范围设定为15～55℃。加热限定时间需要根据环境温度和太阳辐照条件等参数实验测试确定，本实验测试数据为夏季工况数据，因此将加热时间设定为270分钟，将实验测试数据带入可以求出系统参数。

在辐射强度、环境温度和水的温升相同的条件下，当加热时间相同时，三种加热方式的COP相差很小，当加热时间不同时，系统COP变化明显，加热时间越长，COP越高。因此在在规定时间允许的范围内，以较低转速运转，延长加热时间，是获得较高COP的关键。通过控制系统加热时间调整压缩机运行频率，即根据不同水温段温升速率调整压缩机运行频率。

3.3 变频控制基本步骤

（1）根据制热需求和实时环境参数确定需要的加热时间，计算太阳能热水器加热完成所需要的平均制热功量Qh；

（2）根据制热量Qh与初始频率之间的公式，确定压缩机初始频率f；

（3）计算压缩机制热过程中不同水温段的实际制热量，将实际制热量与期望制热量进行对比：当实际大于期望时，可以判断外界环境或者辐照比开始制热时条件好有利于热泵制热，降低压机运行频率延长制热时间；当实际小于期望时，可以判断外界环境或者辐照比开始制热时条件差不利于热泵制热，增加压机运行频率保证机组处于最有效制热状态；

（4）根据对比结果实时调整压缩机频率。

4 实际应用

将变频控制策略进行实验测试，因蒸发器所在的环温和环境无法控制，因此只选择在辐射强度750±50w/m2选取测试数据，表4为青岛地区8月份的测试数据。

从表4中可以看出，通过控制太阳能热泵系统制热时间的方法调整压缩机运行频率，在8月份时制热性能都比较高，COP均大于5.0，最高达5.78节能效果比较明显，系统加热时间控制在270分钟左右，在此段时间内太阳能热泵可以充分利用太阳辐照能量，每天都可以满足生活用水的需求，实现白天制热水晚上使用的目标。

从表5不同水温段运行频率与COP数据的分析中可以看出，当系统制热量增大时降低压机运行频率提升系统制热性能，当系统制热量较小时提高压缩机运行频率增大系统制热量，保证系统制热效率。系统可以实现在外界条件变化时调整压缩机运行频率，保证系统制热时间和系统制热效率。

5 结论

直膨式变频太阳能热泵热水系统性能的影响因素很多，本文只从系统运行加热时间的角度上分析，采用固定频率的方法获得系统在不同压机运行频率下系统运行参数的变化规律。为了更好的适应外界环境变化，满足用户制热水时间的需求，提出根据控制压缩机运行频率实现控制加热时间的的方法。经过数据模拟和实验分析验证，得出控制压机运行频率的方法。通过数据分析和实验验证，控制系统运行加热时间，根据预期温升与实际温升对比调整压机运行频率的可行性。该方法可以在保证变频热泵系统高效运行的同时，准确控制加热时间，系统节能效果明显，对于推广直膨式变频热泵热水系统有一定的指导意义。

表4 青岛地区8月份测试数据

表5 不同水温段运行频率与COP数据分析

图2 加热示意图

图3 制热量Q和COP随频率的变化曲线

图4 制热功率和COP随水温的变化曲线

直膨式变频太阳能热泵目前在市场上的应用还比较少，但是直膨式太阳能热泵热水系统可以通过将太阳能集热技术与热泵集热技术相结合的方式，在太阳辐照强度高或者环温高的地区具有明显的优势。另外，系统加热时间的控制需要结合当地的环境条件，否则不仅不能提高系统效率，还会导致系统运行不稳定，下一步还需要结合全年的气候条件进行验证测试，并且调整控制方法中的参数。

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