基于TRIZ理论的CO2热泵机组产品创新设计

石征锦 富斯盟 苏新宇 皇甫尚伟 张孝顺

（1.沈阳理工大学自动化与电气工程学院，沈阳 110159；2.沈阳群贺新能源科技有限公司，沈阳 110168）

近年来，CO2空气源热泵机组产品发展非常迅速，由于其具有无污染、能效比高、运行费用低、节能、控制技术先进、占地面积小等优势，正逐步取代燃煤锅炉，成为新一代重要热源，特别是在冬季最低温度不低于零下20℃的地区，市场发展非常迅猛。但是，这种热泵机组产品在一些地区遇到了较大的推广瓶颈，主要原因是目前国内市场上的空气源热泵产品存在一些缺点。

一是北方冬季寒冷，由于CO2空气源热泵介质交换的阀门国内还无法突破关键技术，在-20℃以下时，其常常无法可靠工作；二是由于CO2空气源热泵介质交换的整个循环过程系统压力在0～0.8MPa，造成过程控制不平稳，严重影响了换热后水箱出水温度；三是空气源热泵频繁启停，缩短寿命，能耗高，运行成本加大，用户采用意愿不高；四是控制动作频繁变化时故障率偏高，影响用户使用[1]。

为此，笔者分析现有CHP-80Y型CO2空气源热泵机组产品的结构、控制系统存在不足，根据TRIZ创新理论提炼出现有CHP-80Y型CO2空气源热泵机组17个矛盾对立的技术参数和13个标准解，组成矛盾矩阵，针对系统进行创新设计，开发新型CHP-90Y型CO2空气源热泵机组。

1 矛盾冲突矩阵的分析和建立

根据TRIZ创新理论39个系统矛盾对立的技术参数、解决矛盾的40个标准方法，针对现有CHP-80Y型CO2空气源热泵机组，笔者提炼出17个矛盾对立的技术参数[2]。具体涉及的技术参数如表1所示。

依据17个矛盾对立的技术参数，笔者通过分析40个发明原理，去除不合适的方案，确定了可用的13个发明原理，如表2所示。

2 基于TRIZ理论的CO2空气源热泵机组产品创新设计

CO2空气源热泵机组由于牵扯的元件多，控制技术复杂，相互关联度高。在进行TRIZ理论产品设计过程中，人们需要结合多种创新方法，其涉及了13个发明原理。

2.1 CO2空气源热泵机组产品外观结构及结构的创新设计

根据机组结构，笔者从热泵安装位置、介质循环回路、吸出风机功率匹配、吸风机与机组的余热利用、机组运行噪声抑制等方面找出8个矛盾对立的技术参数，5个标准解，构建矛盾矩阵，分析原因，采用喷射式双极性结构，优化设计机组整体结构[3]。

表1 17个矛盾对立的技术参数

表2 13个可用发明原理

笔者利用冲突解决矩阵分析以上问题，在39个标准工程参数中确定技术冲突的一对特定参数。如提高机组的稳定性（13），则CO2机组的降低机组的能量损失变坏（22），根据冲突矩阵表，其解决的方法是：No.02抽取/分离原则、No.14曲面化原则、No.06多用性原则以及No.39惰性环境原则。经分析，No.02、No.14、No.39不合适，只保留No.06方案。

原有CHP-80Y型CO2空气源热泵机组采用的是上宽下窄式外形结构，如图1所示。由于没有考虑高寒地区的特殊情况，机组内部结构比较紧凑，循环风力较小，无防冻功能。

改进后，CHP-90Y型CO2空气源热泵机组采用上下宽窄相同的外形结构，如图2所示，增加风扇换气面积，采用逆流回路布置，保证冷媒的过冷度，有效提高了制热效率和机组低温的正常运行。考虑高寒地区的特殊情况，机组柜体内部结构加装预热防冻装置，防止水泵、水管冻裂，循环风力加大，大大提高换热效率，更加适合高寒地区使用。

图1 CHP-80Y型机组外形图

图2 CHP-90Y型机组外形图

2.2 CO2热泵机组控制系统的创新设计

根据TRIZ创新理论，针对本项目内容，笔者提炼出9个矛盾对立的技术参数、8个标准解，然后组成矛盾矩阵，针对CHP-80Y型CO2热泵机组控制系统进行创新设计，形成CHP-90Y型CO2热泵机组控制系统[4]。由于CO2热泵机组对控制系统要求比较复杂，其必须采用先进的控制算法，实现温度的平稳控制[5]。

如提高机组的自动化程度（38），则CO2机组的自动化程度变坏（38），根据冲突矩阵表，其解决的方法是：No.05组合/合并原则、No.12等势原则、No.26复制原理以及No.35改变物体性质原则。经分析，No.12、No.26、No.35不合适，只保留No.05方案。

2.2.1 水源热泵控制

将水源热泵的加热端进、出水接口连接到空气源热泵工位处的进、出水端接口，通过温度变送器采集现场温水槽及冰水槽水温，在水温达到设定温度后自动停止温水及冰水槽的加温及制冷循环，通过变频泵进入冷热水混合调节阀。其中变频泵受泵出口压力控制（1～1.5kg/cm2），采用PID调节器自动控制变频器，使水泵输出始终跟踪在设定值。

2.2.2 二氧化碳空气源热泵控制

通过温度变送器采集现场温水槽温度及冰水槽水温，通过变频泵进入冷热水混合调节阀。其中，变频泵受泵出口压力控制（1～1.5kg/cm2），使混合后达到设定温度进入空气源热泵。加热后的热水根据热水槽温度进行判断，选择流入热水槽或排出。

2.2.3 采用PLC控制来分时段控制空气源热泵

采用PLC控制，根据峰谷平电价对空气源热泵分时段进行控制，在谷时段工作，并进行一定程度的储能，减少空气源热泵在峰平时段的工作时间，降低运行费用。

2.2.4 采用耦合控制算法进行温度的平稳控制

采用先进的耦合控制算法，通过对机组结构、管路的优化，采集温度、压力、流量等参数，实现温度的平稳控制，提高系统的稳定性与准确性，实现室温的稳定。

2.2.5 添加变频器进行闭环控制

在控制系统中添加变频器，对用户侧水泵进行PID调节，实现闭环控制，节省大量的电能，增加热泵启停间隔时间，减少热泵故障率，提高热泵的使用寿命。

3 结论

通过创新设计，笔者研制出CHP-90Y型CO2空气源热泵机组。经过一个采暖期的使用，其展现出如下优点。

（1）制热效率高，加热水至相同温度，与输入同功率的电加热相比较，时间可减少60%～80%，可快速满足用户的需求；节能，CHP-90Y型CO2空气源热泵机组与传统的燃气锅炉、燃油锅炉、电加热器对比，可节省40%～66.5%的运行费用；利用峰谷平电价对空气源热泵分时段进行控制，在谷时段工作，并进行一定的储能，减少在峰时段的工作时间，降低运行费用。

（2）采用先进的控制算法，通过对机组结构、管路的优化，提高了系统的稳定性与准确性，实现了温度的平稳控制；循环系统采用变频控制，通过PID调节，实现闭环控制；增加热泵启停间隔时间，减少热泵故障率，提高热泵的使用寿命；热泵采用喷射式双极性结构，辅以先进的耦合和变频控制技术，提高了机组COP，使CO2热泵机组在高寒地区仍有很高的效率，扩展了CO2热泵机组的应用区域。