空气源热泵热水机变频技术研究

王天舒

（江苏天舒电器股份有限公司 江苏 南通 226010）

1 引言

当前煤炭、石油、天然气等“化石类能源”的不可再生性及全球储量的高速减少，带来了世界性的能源短缺，加上地球生态环境的日益恶化，使得保护生态环境、加速开发和利用可再生能源，成为人类紧迫而艰巨的任务。

热泵热水机除了具有环保、节能的特点外，还有系统简单、初投资低、维护方便、调节灵活等特点，因此已经得到了大面积的推广应用。由于市场上大量推广的热泵热水机为定频机组，定频热泵热水机因为夏季用水量少而制热量大，机组工作时间很短，一天只需要工作不到一半的时间，而冬季需求的水量大而制热量小，在温度很低时，有时热水还达不到需求的量，这样就需要电加热进行辅助加热。还有在不同水温时，机组要安全稳定的运行，制冷剂的循环流量也有很大的差别。

变频技术在中央空调和家用空调里已经得到了广泛的推广，产品的稳定性、舒适性、节能性也得到了消费都广泛的认可。但是热泵热水机的变频控制理论和空调的不能一并而论，因为热水的需求情况、运行的工况范围都不一样，需根据热泵热水机自身的特点来设计变频控制模块，主要考虑的参数有热水的需要量、环境温度、水温、吸气温度等，根据采集的数据进行综合分析和判断，得出最佳的压缩机工作频率和制冷剂循环流量，让机组更能安全稳定的运行，同时可以提高产品的节能效果，从而更好的满足顾客的需求，为空气源热泵热水机推广打下了坚实的基础。同时随着北方用热泵热水机进行采暖代替传统的煤采暖已经列入国家的煤改电重点支持推广的项目，通过变频去适应变工况的采暖要求显得尤其重要。国标委已经将变频热泵采暖国家标准进行立项，也可以看出国家对变频采暖的重视度。

2 普通定频热泵热水机在使用的存在的部分局限性

2.1 高环境温度时，机组大部分时间处于待机状态机组在高环境下运行，机组的制热量大、需求的制热水量小、需加热的热水温差小，因此热泵机组经常处于不工作状态，不能有效地利用煤一天24小时的工作时间。

2.2 高环境温度时，机组处于过载运行状态高环境温度时，吸气过热度高、排气温度高、排气压力高，压缩机容易处于过负荷状态，引起压缩机损坏。同时低压压力可到达0.9MPA,超过压缩机低压侧的吸气阀片的设计值。

2.3 机组产热量与用户用水量的矛盾

由于环境空气温度随地区和季节不同变化较大，而我国幅员辽阔，气候特征多异，空气源热泵热水机的制热量和制热效率，随着环境温度的降低而不断降低，冬季用户仍然需要较高温度的热水，这时候的产热量却远远不及春夏季，造成了产热量与用热量之间的矛盾。这样对于热泵热水机来说，选型过大则造成初投资太大，选型过小则难以满足低温环境下热水供应要求。

2.4 回油、回液问题

低温环境下，蒸发温度过低时，压缩机压缩比增大引起排气温度快速升高，使润滑油黏度急剧下降，影响压缩机润滑，系统还会出现回液、回油不正常，严重时会导致压缩机损坏等问题。

2.5 部分运行工况时，机组运行可靠性问题在低水温、高环境温度时，此时高低压压差较小，制冷剂循环的动力太低，机组的制热量较小，产品的蒸发和冷凝匹配不合理，产品性能达不到最佳的状态。

3 变频热泵热水机研究

具体研究开发内容和要重点解决的关键技术问题

3.1 对热泵热水机内压缩机的变频控制

对热泵热水机的压缩机的变频控制包括以下步骤：

设环境温度为T环，热泵热水机水箱的标准温度为T标，水箱的实际温度为T实，得水箱标准温度和实际温度间的温差为△T=T标-T实；

当热泵热水机开机时间少于20分钟，压缩机的运行频率根据如下规定执行，具体为：

（1）当T环≥20℃时，△T＞10℃时，所述压缩机运行频率为40Hz，0℃≤△T≤10℃时，所述压缩机运行频率为30Hz。

（2）当7℃＜T环≤20℃时，△T＞10℃时，所述压缩机运行频率为50Hz，0℃≤△T≤10℃时，所述压缩机运行频率为40Hz。

（3）当-5℃＜T环≤7℃时，△T＞10℃时，所述压缩机运行频率为60Hz，0℃≤△T≤10℃时，所述压缩机运行频率为50Hz。

（4）当环≤-5℃时，△T＞10℃时，所述压缩机运行频率为80Hz，0℃≤△T≤10℃时，所述压缩机运行频率为60Hz。

3.2 热泵热水机节流采用电子膨胀阀变流量控制

（1）当热泵热水机上电后，所述电子膨胀阀复位，其开度调到P初为200开度，

（2）当压缩机启动后，设所述电子膨胀阀的开度变化量▽P=系数KP*（平均过热度SH平均-目标过热度TSH），其中

当SH平均＜=-1时,KP=3，

当-1＜SH 平均 ＜=0时,KP=2，

当SH平均＞0时,KP=1；

平均过热度SH=Ts-T’s，

Ts为吸气温度，T’s为对应吸气压力Ps的饱和温度

SH平均为30s内实际过热度的平均值，每5s取样一次，

TSH为目标过热度，

则，电子膨胀阀实际开度P=P初+▽P。

3.3 对热泵热水机的除霜机构的变频控制和对热泵热水机的排气温度的变频控制

当所述压缩机的运转时间达50分钟以上时，连续检测翅片温度T翅片，环境温度T环，满足以下条件之一且保持5分钟以上，则进入除霜状态

（1）T环≥5℃且T翅片≤-3℃；

（2）T环＜10℃且T环境-T翅片＞7℃。

所述热泵热水机进入除霜状态具体为：

（1）所述压缩机以1Hz/S的速度降频至30Hz运行；

（2）所述压缩机在步骤1）状态下运行20秒后，风机停止运行，四通阀得电，10秒后，压缩机以1Hz/S的速度升到标准频率运行，进行除霜；

（3）除霜过程中，连续检测翅片温度，并从除霜开始计时，当翅片温度T翅片上升到≥15℃或除霜时间已达12分钟，则除霜结束，

（4）除霜结束后，压缩机以1Hz/S的速度降频至30Hz运行，30秒后，风机运行，10秒后，四通阀得电，20秒后，压缩机启动，正常运行。

同时还根据压缩缩排气温度控制压缩机的运行频率，设压缩机排气温度为T排气，当T排气≥110℃时，压缩机运行频率下降20Hz；当T排气≥115℃时，压缩机运行频率下降30Hz。

4 变频空气源热泵热水机产品优越性

4.1 通过对热泵热水机的变频控制，降低了压缩机的启停次数，减少了其启动电流过大对电网带来的冲击；在高温环境下通过降低压缩机的吸气压力，保证压缩机的稳定运行。

4.2 节流机构采用电子膨胀阀控制。与传统的热力膨胀阀相比，电子膨胀阀有比较宽的温度调节范围，能够通过控制阀门开度将温度在某一范围内任意调节。电子膨胀阀能将过热度控制得非常平稳数值较小，具有明显的节能效果。尤其在低温装置热负荷偏小的情况下，电子膨胀阀具有通过自身调节使过热度恢复正值的特性，这是热力膨胀阀所不具备的。

4.3 通过对热泵热水机的变频控制，无级调速，热泵热水机刚启动时，由于水箱温度较低，变频压缩机电机以高频率快速运行。让热泵热水机的制热能力达到最大．使水箱温度能在最短时间升上去：当水箱温度快达到时，压缩机运行频率能随之降低，实现无极调节，而不用压缩机停机来实现制热量调节．减少了热泵热水机的启停次数及温度波动，尤其是大大降低了启动电流，减小了对电网电压的冲击。保证了所述热泵热水机的水箱温度波动小，具有良好的节能效果；同时也可以提高热泵热水机在低温环境下的制热能力，增大循环流量，降低排气温度，降低压缩比，在满足热水需求的同时，产品能更节能、高效、安全、稳定运行。

4.4 在高环境温度下，可以降低压缩机频率，减小系统循环流量，从而降低吸气压力，保证压缩机稳定运行；低环境温度下，可以通过增大压缩机频率，电子膨胀阀开启度增大的方式，增大系统循环流量，降低排气温度，减小压缩比，使压缩机稳定运行；

4.5 在所述热泵热水机除霜时，通过提高循环流量，解决霜除不尽的难题。

4.6 通过对压缩机排气温度的识别和控制，防止了压缩机因排气温度过高而压缩机损坏的严重故障发生。

5 结语

变频技术在空气源热泵热水机应用，能很好地保证热泵热水机在一年四季环境温度变化情况下，解决高、低环境温度时热水的需求量和供给量不均衡的问题，同时也能根据水温情况自动调节压缩机运行频率和制冷剂的循环流量，从而达到节能目的。在提高产品性能时，也提高了产品的化霜效果，解决了排气温度过高、高压过高等问题，产品运行更安全、稳定。空气源热泵热水机变频技术研究成熟及应用，空气源热泵热水机产品一定会得到跨越式发展。