空气源热泵热水系统自动控制及节能分析

徐进兵，汪谦旭，周宇文，李伟，王寿川

（合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥，230071）

20世纪50年代，热泵热水技术开始兴起。相对于传统的热水供应技术，热泵热水技术具有节能高效、适用性强、安全可靠等优点。近年来，能源危机背景下，安装简便的空气源热泵热水系统市场需求得到了快速增长。随着居民生活质量的提高，热水使用末端逐步多样化，如沐浴、清洁、地暖，而需求则逐渐衍生出即时响应、稳定供应、宽温域、大流量、精确温控等要求［1-7］，这需要热水系统有更高的气候适应性［8］：特别是在低气温下，受制于压缩机性能和机组进水温度，能源效率明显下降，当用户末端要求出水温度较高下运行时，系统快速响应出水能力有限，用户用水流量受限。为了更好的解决这个问题，本文提出了一种并联式自动控制热泵热水系统，可以自动切换夏、冬季运行模式。

1 并联式自动控制空气源热泵热水系统

1.1 系统概况

并联式自动控制空气源热泵热水系统装有自动控制系统，该控制系统具有复杂的逻辑控制，可实现多级并联控制，也可以有序控制设备的启停。除此之外。在热泵热水系统实际运行中，可以通过通讯方式读取压缩机进出口压力，温度，热水温度等数据，通过自动控制调节压缩机等部件的运转，达到用户的需求。因此将该系统运用于热泵热水系统中，可实现真正的自动控制。

1.2 系统的构成

自动控制系统主要由主控制器，压缩机控制器、水泵控制器、阀门控制器、远程监视服务器、温湿度传感器等设备构成，见图1，通过将相关参数、报警信息及自动控制逻辑传输到服务器中，可以实现系统自动控制，并且便于技术人员维护调试。

图1 并联热泵热水系统自动控制系统构成示意图

主控制器是系统的核心设备，其功能主要体现对所有数据进行查看、设定、修改、以及与远程监控服务器连接，通过反馈信息对整个系统的运行实现自动控制。压缩机控制器作为系统重要的组成部分，主要由电源、DI、AI、DO、RS485等接口构成，各自发挥的作用不同，其中电源主要控制压缩机的启停；DI主要作用是对单台压缩机的低液位、机组缺相等问题进行信息警报；AI主要发挥监测作用，对整个机组的运行温度进行监测；DO主要负责相关设备的输出；RS485则负责通讯连接、参数信息上传等［9］。水泵控制器，根据用户用水流量的设置，自动切换水泵频率，实现变流量供水和水流量自动控制，减小能耗，阀门控制器主要运用于并联式热泵热水机组在夏季和冬季运行时的模式切换，通过对启动压缩机的数量和阀门的开闭进行控制。温度传感器、流量计作为系统反馈调节的重要传感器，能够对整个系统运行的温度、流量进行实时采集，经过服务器将信息处理后再反过来调节压缩机、水泵等部件的运行，实现对热泵热水系统的自动控制。

2 控制策略优化及节能改造

2.1 现有控制策略

以空气源热泵热水采暖辐射系统为例，启停控制是最为常见的。通过温度传感器对室内温度进行采集，当室内温度高于上限值时，控制装置将会关闭阀门，当温度低于下限值时，控制装置将会打开阀门。实际中的项目供水温度通过经验来调节，一般室外温度每降低2～3℃，供水温度就会提高1℃［10］。但实际上由于围护结构自身蓄热放热性能带来热量传递的延迟性，使通过经验调节的结果离理想结果所差甚远，甚至无法保证室内温度。

另一方面，空气源热泵热水系统受环境影响很大，同一机组在夏季运行和冬季运行，其COP值和供热水能力差别也较大。

2.2 系统结构改造及控制策略优化

夏季由于室外温度较高，机组整体运行的COP值较高，供热水能力强，而在冬季比较寒冷的天气，室外温度低，机组整体运行的COP值较低，供热水能力不足。

因此，本文提出一种并联式空气源热泵热水机组，包括热泵系统和热水系统。热泵系统主要是由高压压缩机、中压压缩机、低压压缩机、高温冷凝器、中温冷凝器、低温冷凝器及蒸发器等设备组成。热水系统主要有蓄水箱、水泵等设备及管道组成，见图2。

图2 并联热泵热水系统装置示意图

通过设定进水口温度监控来自动控制整个系统。在夏季时，进水口温度高，控制系统自动将阀门17关闭，低压压缩机不启动，此时系统只启动中压压缩机和高压压缩机，可以满足供热水需求。在冬季时，进水口温度低，控制系统自动打开阀门17，低压压缩机启动，通过低压压缩机和低压冷凝器将水加热到一定的温度再送入中压冷凝器，可以提高中压冷凝器的换热效率和整体系统的COP值［11］。此外，系统可以通过PID控制调节压缩机的频率和水泵的频率来适用不同的供水需求，降低系统运行过程中的能耗，延长设备使用寿命。

3 系统节能分析

3.1 CYCLEPAD简介

CYCLEPAD是1个工程热力学的虚拟实验室，能构造和分析各种热力循环，由西北大学、美国海军学院和牛津大学联合完成。 应用CYCLEPAD软件可以进行能源动力、低温制冷、动力机械等热力学方面的设计工作［12-13］。

热力循环实际上是通过一系列基本元件组合，实现从环境中获得热能转化为机械能等其他形式，或者通过输入功使热能在环境或者其他因素之间传递转化的过程，制冷机组和热泵都属于这一类热机。CYCLEPAD软件通过对不同的基本元件相互组合，构成不同的热力循环，因此，在工程热力学和能源动力方面仿真研究中具有极强的适应性。

图3 CYCLEPAD软件操作界面

下面运用CYCLEPAD对并联自动控制热泵热水系统及常规热泵热水系统进行全年运行系统计算分析，得到了系统全年每月运行的COP值以及能源消耗。

3.2 换热量计算

通过查询某地气象部门数据获得该地全年每月平均最高气温和最低气温。使用蒋新波等提出的计算方法，取当地水库5m水深平均水温为全年每月平均冷水温度，冬季水温明显低于夏季水温，全年每月平均冷水温度波动较大，全年最高水温为31.03℃（8月份），最低水温为1.99 ℃（2月份），全年最大冷水温差29.04 ℃。

设热水终端温度为60℃，根据全年每月冷水温度及热水终温计算得出全年热泵每月换热量，计算结果如图4所示。

图4 热泵热水系统全年每月换热量

由图4可知：夏季热泵每月换热量明显比冬季的低，全年热泵每月换热量波动较大，全年最高月换热量为73.171 GJ（1 月份），最低月换热量为37.724 Gj（8月份）。

3.3 系统运行COP

通过CYCLEPAD软件对普通空气源热泵热水系统和并联式自动控制热泵热水系统进行全年运行模拟分析，计算出系统全年运行COP值，计算结果如图5所示。

图5 并联自动控制热泵热水系统及常规热泵热水系统全年每月COP值

由图5可知，并联式空气源热泵热水系统全年运行最大COP为6.8，最小运行COP为4.7，平均COP值为5.7。相对于普通空气源热泵热水系统，该系统在夏季运行（5—10月份）的平均COP值从5提高到6.2，提升了24%，冬季工况下（当年11—次年4月份）平均COP从3.7升至5.3，提升了43%。

3.4 能源消耗分析

通过CYCLEPAD软件计算出并联自动控制热泵热水系统与常规热泵热水系统全年运行能源消耗，计算结果如图6所示。

图6 热水系统全年每月能耗对比

由图6可知并联冷凝式空气源热泵热水系统全年最大运行能耗为4267 kW•h（1月份），最小运行能耗为1556kW•h（7月份）；相对于普通空气源热泵热水系统，系统夏季工况平均每月运行能耗从2492kW•h降至1980kW•h，降低21%；冬季工况平均每月运行能耗从5122kW•h降至3642kW•h，降低29%。并联自动控制空气源热泵热水系统较普通空气源热泵热水系统具有较好节能效果，且在冬季节能效果更显著［14］。

4 结论

本文针对空气源热泵热水系统实行自动控制，并在满足智能控制的基础上对系统进行节能改造，从而实现热泵热水系统的自动控制及节能降耗。

1）相对于普通空气源热泵热水系统，并联式自动控制空气源热泵热水系统能够通过自动控制阀门和压缩机的状态提高系统的COP值，该系统在夏季运行（5—10月份）的平均COP值从5提高到6.2，提升了24%，冬季工况下（当年11—次年4月份）的平均COP值从3.7升至5.3，提升了43%，全年最大运行COP值为6.8。

2）并联式自动控制空气源热泵热水系统能源消耗大幅降低，在全年各月均有较大改善，全年最大运行能耗为4267 kW•h（1月份），最小运行能耗为1556kW•h（7月份）；系统夏季工况平均每月运行能耗从2492kW•h 降至1980kW•h，降低了21%；冬季工况平均月运行能耗从5122kW•h降至3642kW•h，降低了29%。