淺議提高空氣源熱泵熱水器性能途徑

1、淺議提高空氣源熱泵熱水器性能途徑摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的 逐步提高，節(jié)能降耗成了緩解能源緊張的有效手段之一，作 為耗能產(chǎn)品的熱水器的節(jié)能也日益被人們重視。文章主要針 對(duì)空氣源熱熱水器性能進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：空氣源；熱泵熱水器；性能中圖分類號(hào)：055文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a空氣源熱泵熱水器是繼燃?xì)鉄崴鳌㈦姛崴骱吞柲?熱水器之后的新一代熱水裝置，具有高效節(jié)能、安全可靠、 環(huán)保等特點(diǎn)，在我國(guó)得到高速發(fā)展。然而，我國(guó)在2009年9 月1日起實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb/t23137-2008家用和類似用途 熱泵熱水器的引導(dǎo)下，熱泵熱水器產(chǎn)品開始發(fā)展，市場(chǎng)份 額在2009年初不足3%, 2010年

2、剛超過5%。熱泵熱水器在國(guó) 內(nèi)發(fā)展比較緩慢的主要原因是：技術(shù)難度大、受影響因素多、 產(chǎn)品的可靠性不易保障。雖然熱泵熱水器系統(tǒng)和熱泵空調(diào)系 統(tǒng)工作原理相同，但是運(yùn)行工況更惡劣、運(yùn)行溫度范圍更寬。 熱泵空調(diào)將室外低溫空氣中的熱量泵到室內(nèi)空氣環(huán)境中，室 內(nèi)溫度運(yùn)行的范圍一般在183ctc之間，但熱泵熱水器室內(nèi) 側(cè)水箱中的熱水溫度范圍為555°c,此種運(yùn)行溫度范圍對(duì) 熱泵熱水器系統(tǒng)提出了更高的要求。1影響空氣源熱泵熱水器性能的因素分析空氣源熱泵熱水器性能是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī) 定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。空氣源熱泵熱水器的性能 要求是在額定功率下，在規(guī)定的氣溫范圍內(nèi)（一般為5*以 上）

3、把自來水加熱到設(shè)定溫度（一般為506ctc左右）的加 熱速度。但一些空氣源熱泵熱水器由于各種原因達(dá)不到這個(gè) 要求，主要有以下幾個(gè)方面：（1）空氣源熱泵熱水器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長(zhǎng)期以來研發(fā)人員 主要關(guān)心產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)其可靠性很少進(jìn)行研究，而產(chǎn) 品的設(shè)計(jì)是決定了產(chǎn)品固有可靠性。（2）目前我國(guó)空氣源熱泵熱水器處于市場(chǎng)培育階段， 多數(shù)企業(yè)是小批量生產(chǎn)，很多工序采用手工作業(yè)，降低了產(chǎn) 品的可靠性水平。例如，熱泵機(jī)組中連接壓縮機(jī)、電磁換向 四通閥、蒸發(fā)器、換熱器和氣液分離器等部件的銅管折彎以 及銅管的焊接，采用手工完成，人為因素會(huì)影響整個(gè)機(jī)組可 靠性水平。（3）空氣源熱泵熱水器的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定和實(shí)施時(shí) 間比

4、較晚。空氣源熱泵熱水器的很多零部件都是使用空調(diào)的 配件，還沒有全部按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。空氣源熱泵 熱水器和空調(diào)的工作環(huán)境不同，空氣源熱泵熱水器的工作環(huán) 境惡劣些。例如空氣源熱泵熱水器直接采用空調(diào)壓縮機(jī)，勢(shì) 必會(huì)影響壓縮機(jī)的壽命以及可靠性水平。（4）空氣源熱泵熱水器的安裝和使用維護(hù)，特別是使 用維護(hù)方面，存在很多問題，進(jìn)而影響到其使用過程可靠性。 例如，機(jī)組安裝的位置要符合規(guī)定要求，蒸發(fā)器要定期清理 等，否則會(huì)影響其可靠性。2空氣源熱泵熱水器故障模式分析空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)是由管道連接的各種設(shè)備而組 成相互關(guān)聯(lián)、相互影響的系統(tǒng)，如果系統(tǒng)中有一個(gè)部件出現(xiàn) 故障，則會(huì)影響其它部件的工作，進(jìn)而影

5、響整個(gè)系統(tǒng)。家用 型空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)有不同層次的系統(tǒng)組成，如制熱系 統(tǒng)，除霜系統(tǒng)等。熱水器系統(tǒng)出現(xiàn)的故障很多、也很復(fù)雜， 根據(jù)不同的特征進(jìn)行歸類；根據(jù)故障顯現(xiàn)程度，可分為顯性 故障和隱形故障。如：風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，水管漏水等容易察覺的故 障屬于顯性故障；換熱器結(jié)垢等不易察覺的故障稱為隱性故 障。根據(jù)故障對(duì)系統(tǒng)造成的影響程度，可分為軟故障和硬故 障。如電機(jī)燒壞等設(shè)備完全失效的故障稱為硬故障。儀表漂 移等設(shè)備性能下降等故障成為軟故障。3空氣源熱泵熱水器故障樹分析制熱系統(tǒng)是家用型空氣源熱泵熱水器的核心，同時(shí)也是 容易發(fā)生故障的單元。制熱系統(tǒng)由壓縮機(jī)、節(jié)流裝置、蒸發(fā) 器、冷凝器、電磁四通閥、風(fēng)機(jī)、控制部分

6、等組成，其中節(jié) 流裝置由毛細(xì)管和電子膨脹閥并聯(lián)組成。把制熱系統(tǒng)故障作 為頂事件，導(dǎo)致頂事件發(fā)生的事件又有許多基本事件，根據(jù) 具體情況分析得到制熱系統(tǒng)的故障樹如圖1中虛框所示。評(píng) 價(jià)故障樹的最好方法就是利用它的最小割集，確定故障樹最 小割集的算法有布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法和矩陣排列法等，這里采用 布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法求其最小割集。圖1中虛框所示的故障樹可運(yùn)用布爾代數(shù)邏輯運(yùn)算簡(jiǎn) 化：z3=y1+y2+y3+x7+x8+x9+x10=x1+x2+x3+x4+x5x6+x7+x8+x9+x10其中“ + ”表示邏輯加法，“ ”表示邏輯乘法。所以 該故障樹的最小割集為:xi, x2, x3, x4, x5、 x6, x

7、7, x8, x9 , x10。假設(shè)在各個(gè)底層事件發(fā) 生的概率差別不大的條件下，根據(jù)每個(gè)最小割集的階數(shù)，階 數(shù)越小的最小割集最重要，可見要提高制熱系統(tǒng)的可靠性， 提高壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、電磁四通閥、冷凝器等的可靠性是提 高整個(gè)制熱系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。節(jié)流裝置采用毛細(xì)管節(jié)流裝 置和電子膨脹閥并聯(lián)組成，能提高其任務(wù)可靠度。4空氣源熱泵熱水器的可靠性設(shè)計(jì)(1) 上市產(chǎn)品，大都具有比較完善的數(shù)據(jù)，如故障模 式、故障影響、故障檢測(cè)方法、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等。從節(jié)約成本和 減少工作量的角度考慮，一般采用故障模式及其影響分析 (fmea)和故障樹分析(fta)等，先找出制約可靠度提高 的關(guān)鍵問題，針對(duì)問題進(jìn)行專項(xiàng)攻關(guān)改進(jìn)；

8、然后再通過設(shè) 計(jì)評(píng)審對(duì)改進(jìn)進(jìn)行研究，保證改進(jìn)確實(shí)能夠提高產(chǎn)品的可靠 性水平；最后通過可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證是否達(dá)到了預(yù)定的可靠性 要求，同時(shí)建立起該產(chǎn)品可靠性經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，也為以后建立 該產(chǎn)品的可靠性標(biāo)準(zhǔn)打下基礎(chǔ)和同類或類似新產(chǎn)品的開發(fā) 提供可靠性方面的參考。（2）研發(fā)產(chǎn)品，首先分析市場(chǎng)的需求以及客戶的需要 來確定產(chǎn)品的定性和定量的可靠性指標(biāo)；然后參考同類或類 似上市產(chǎn)品的故障分析結(jié)果，進(jìn)行可靠性指標(biāo)的分配和預(yù) 計(jì)；再經(jīng)過對(duì)比分析可靠性預(yù)計(jì)與可靠性指標(biāo)，如不能滿足 客戶要求，修正各部分的可靠性指標(biāo)或者修正設(shè)計(jì)方案，直 到滿足要求為止?？煽啃灶A(yù)計(jì)和分配指標(biāo)如圖2所示。5優(yōu)化空氣源熱泵熱水器控制系統(tǒng)5.1設(shè)

9、計(jì)多模式流程控制，提高系統(tǒng)全年運(yùn)行性能空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品標(biāo)示的性能系數(shù)是名義工況時(shí) 的性能系數(shù)，研究表明環(huán)境溫度對(duì)空氣源熱泵熱水器的性能 系數(shù)影響顯著，環(huán)境溫度3（rc附近時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行性能最佳，因 此對(duì)同樣的空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品使用時(shí)間及環(huán)境不同，運(yùn) 行時(shí)性能系數(shù)也不同。若采用單一控制模式，由于環(huán)境的變 化，空氣源熱泵熱水器大部分時(shí)間運(yùn)行性能系數(shù)不高。為了 充分發(fā)揮空氣源熱泵熱水器的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，在空氣源熱泵熱水 器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)用戶需求不同、典型的季節(jié)變化 特點(diǎn)及每天的溫度變化規(guī)律設(shè)計(jì)午間模式、冬季節(jié)能模式、 谷電模式等多模式流程控制系統(tǒng)，供用戶選擇，可有效提高 空氣源熱泵熱水器全年的運(yùn)

10、行性能。5. 2優(yōu)化除霜控制目前從空氣源熱泵熱水器的實(shí)際運(yùn)行效果來看，機(jī)組在 氣溫偏低且相對(duì)濕度比較大的地區(qū)運(yùn)行時(shí)性能不理想，主要 原因是蒸發(fā)器結(jié)霜及除霜造成的供熱能力下降，因此，必須 使用有效的除霜方法及時(shí)除霜。目前，空氣源熱泵最常用的 除霜方式是逆循環(huán)熱氣除霜，而除霜自動(dòng)控制方法是影響除 霜效果的關(guān)鍵。目前除霜自動(dòng)控制方法較多，較為先進(jìn)實(shí)用 的有模糊智能控制除霜法。模糊智能控制除霜法將模糊控制 技術(shù)引入空氣源熱泵熱水器的除霜控制，整個(gè)除霜控制系統(tǒng) 由數(shù)據(jù)采集與aid轉(zhuǎn)換、輸入量?；?、模糊推理、除霜控制、 除霜監(jiān)控及控制規(guī)則調(diào)整五個(gè)功能模塊組成。通過對(duì)除霜過 程的相應(yīng)分析，對(duì)除霜監(jiān)控及控制規(guī)則進(jìn)行修正，以使除霜 控制自動(dòng)適應(yīng)機(jī)組工作環(huán)境的變化，達(dá)到智能除霜的要求。5.3設(shè)置水箱蓄水量智能控制系統(tǒng)為了減少水箱的散熱損失，避免不必要的重新加熱，減 少保溫加熱次數(shù)，節(jié)約能源，將模糊控制和其它優(yōu)化理論方 法和控制技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)蓄水量智能控制系統(tǒng)是較好的解 決辦法。蓄水量智能控制系統(tǒng)能根據(jù)一周用水規(guī)律，自動(dòng)保 證每天最適宜的熱水加熱量。結(jié)語總之，空氣源熱泵熱水器是一種高效節(jié)能裝置，但在實(shí) 際推廣使用的過程中，暴露了產(chǎn)品可靠性不高的缺點(diǎn)。為提高空氣源熱泵熱水器性能，通過優(yōu)化控制系統(tǒng)提高運(yùn)行性 能、采用高效換熱器等有效途徑，進(jìn)一步完善空氣源熱泵熱 水器性能，不斷降低成本，將有效促進(jìn)