建筑工地内直膨式太阳能热泵热水器运行方法研究

袁春保 刘创业 杨腾飞 史山山

（中国建筑第七工程局有限公司 郑州 450048）

0 引言

直膨式太阳能热泵热水器由于在压缩机容量控制、制冷剂节流控制、运行时间控制、热泵控制方面较传统太阳能热泵热水器有明显优势，越来越被市场所接受[1]。但直膨式太阳能热泵热水器仍然在过热度控制、能耗等方面存在不足，一些热水器设计专家针对这些问题进行过相关研究。孔祥强等人[2]针对直膨式太阳能热泵系统的运行控制问题，提出一种基于电子膨胀阀开度的过热度控制策略，主要包括电子膨胀阀初始开度算法和过热度控制算法，并搭建以制冷剂R134a 为工质的直膨式太阳能热泵热水器试验平台，对提出的过热度控制策略进行了全工况测试。试验结果表明：在系统开机后的25min 内，过热度有效控制在目标范围5～10℃内；在系统正常运行阶段，过热度控制平稳，最大超调量小于4℃，测试结果表明，所提出的全工况过热度控制策略有助于系统稳定高效运行。姚剑等人[3]为提高直膨式太阳能热泵热水器的加热效率，将光伏/光热逐渐结合到热水器系统中，并开展仿真分析，结果表明，加入该组件后，热水器的集热与总效率较未改造前均有显著提升。但是一方面从能够直接影响热水器过热控制与能耗的电子膨胀阀运行与压缩机转速控制方法角度进行优化的研究还很少，而从理论上看这种思路具有较大的优化热水器性能的潜力，另一方面，建筑工地由于热水需求量大，环境温差变化更为剧烈，需要加热性能更为迅速且稳定的太阳能热泵热水器，所以有必要开展本研究。

1 建筑工地内直膨式太阳能热泵热水器改进运行控制方法设计

1.1 直膨式太阳能热泵热水器硬件系统

建筑工地，特别是桥梁等需要施工浇筑大量高性能混凝土的建筑工地上，出于养护混凝土等目的，对特定温度的热水有更大的使用量需求和更高的水温控制精度需求，例如冬季施工中，为防止桥梁立柱混凝土在浇筑完成后因环境散热收缩开裂而影响结构稳定性与受力能力，需要在养护期（一般是浇筑后的24 小时内）内定期向混凝土表面上浇洒20±3℃的水，浇洒量以使得浇筑混凝土全部表面在养护期内一直处于润湿状态为标准确定。因此需要设计更能适应建筑工地使用环境的直膨式太阳能热泵热水器。在设计建筑工地内使用的直膨式太阳能热泵热水器（Direct-expansion solarassisted heat pump，下文简称DSHP）运行控制方法之前，需要先构建运行控制方法的DSHP 硬件系统[4-6]。DSHP 硬件系统主要的组成部件有压缩机、集热器、微通道冷凝器、水箱、电子膨胀阀，下面根据建筑工地的使用环境，依次设计每种主要硬件[7,8]。核心硬件的参数展示如表1 所示。其中，微通道冷凝器有15 根由纯铝材制造的微通道扁管组，每根管道内均含18 个流道，且均采用“5-4-3-3”结构（制冷剂进入冷凝器后，依次并列流入5 根、4 根、3 根、3 根微通道扁管）布置，如图1 所示。水箱外壁与冷凝器之间设置温度传感器且使用聚氨酯发泡技术保温。完成主要部件设计与筛选后，再构建实验用的DSHP 硬件系统的整体结构，整体结构示意图如图2 所示。

表1 设计的DSHP 核心硬件参数Table 1 Designed DSHP core hardware parameters

图1 冷凝器微通道扁管结构Fig.1 Condenser microchannel flat tube structure

图2 DSHP 硬件系统的整体结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the overall structure of the DSHP hardware system

图2 中硬件系统各部件通过铜管连接，且为降低硬件系统中制冷剂在管路上的降温效应，连接铜管需要通过保温管进行保温处理。另外整机搭建完成后需要对其采用真空检测法进行密封性检验。至此，DSHP 硬件系统构建完毕。

1.2 热水器改进电子膨胀阀运行与压缩机转速控制方法研究

建筑施工场所内，可能需要使用固定温度范围的热水对某些建筑结构进行短期保温处理，对热水的温度更加敏感[9]。且由于施工与人员生活所需，建筑工地的热水器被使用的频率较民用情况明显更高。以上使用环境的特殊性对热水器的控温精度和能耗水平提出了更高的要求[10]。因此本研究对太阳能热泵热水器的电子膨胀阀和压缩机转速控制方法进行改进。

电子膨胀阀的初始开度对于DSHP 系统的平稳运行、热水器控温精度具有重要意义，因此需要对电子膨胀阀的初始开度方法进行优化，电子膨胀阀初始开度与多项环境参数以及压缩机初始转速具有较高相关性。环境参数包括平均环境温度t a,m、平均太阳辐射强度Im、平均风速u a,m三种，但其中平均风速对初始开度的影响微小，不予考虑。本研究通过分析实验数据的方式来寻找初始开度Kini与ta,m、Im的数值关系。开展若干次仿真实验后发现，Kini可以看作Im和ta,m的二元函数，且后两者对Kini的影响规则类似，则可以总结出公式（1）。

式中，Kini,f为K ini的函数形式；Kini,ref为电子膨胀阀的初始值，该参数取380 脉冲；I ref、t a,ref分别为太阳辐射和环境温度的初始值，取值380W·m-2、18℃（由拟合数据的均值确定）；a1、a2为回归函数中的拟合系数，各基准值由拟合数据的平均值代表。将实验数据用式（1）方程拟合并优化后，得到参数为a1=0.00862、a2=0.000431，将各参数取值代入式（1）得到式（2）。

分析拟合误差发现，当太阳辐射强度较高与较低时，拟合误差变化较大，为进一步提高拟合效果，按照太阳辐射强度，进一步将拟合区间切分为到I m＜240W·m-2、I m≥240W·m-2两种，重新分段拟合，得到式（3）。

另外实际DSHP 产品中并无太阳辐射照度仪，此次通过环境温度和集热器背面中心部位温度指标来推算太阳辐射强度参数值。因为实验数据表明，环境温度ta,m、集热器背面中心部位温度tb,m与太阳辐射强度Im之间存在着如式（4）所示的函数关系。

将公式（4）代入公式（3）得到电子膨胀阀的最终初始开度计算方法，如公式（5）所示。

在0～400s 范围内，以30s 为步长设定各种过热度控制周期参数，发现设为90s时控制效果最好，则该参数设为90s。制冷剂体积流量Q按照式（6）计算。

式（6）中，Cd、A、 ΔP、ρ分别代表流量系数，阀孔流通面积（m2），电子膨胀阀两端压强（MPa），阀前制冷剂密度（kg/m3）。当开度不变时，Q与 ΔP的平方根之间有正比例关系，结合开度阶跃变化量与过热控制性能的关系，将电子膨胀阀的过热控制过程设置如式（7）所示。

式（7）中，tsup代表电子膨胀阀的环境温度。以上即为电子膨胀阀运行控制策略设计，下面再设计压缩机的运行控制策略[11]。仿真实验数据显示，压缩机转速相同时，加热时间越短，系统消耗电能越少，COP 值越高将相同体积的水加热相同温度耗时越短，但耗能越大，而且其他环境参数一致时，太阳辐射强度越高，压缩机运行性能越好，耗时越小。综上所述，参考到热水使用需求，尽可能缩小各季的日均加热时间，并将其加热时间安排到每日太阳辐射整体最大时间段，相关参数如表2 所示。

表2 系统加热参数设置Table 2 Setting of the system heating parameters

表2 中夏季COP 最高，主要原因是夏季太阳辐射整体最高，所以热水器加热速度最快。系统中热水存在降速加热、定速加热、升速加热三种加热方式，如图3 所示。但实验数据显示，三种加热方式对系统加热性能影响很小，且影响远小于加热时间参数，为简化系统，选用加热过程系统调节步骤最少的定速加热模式。

图3 DSHP 的三种加热模式示意图Fig.3 Schematic representation of the three heating modes of the DSHP

2 改进直膨式太阳能热泵热水器在建筑工地环境的运行情况分析

2.1 热水器性能系数分析

为研究设计出的DSHP 热水器使用性能，本研究按照设计方案制造出样机，并对其开展全工况实验测试。DSHP 核心控制电路选用STC12C5A60S2单片机芯片，DSHP 中安装A 级PT100 信号温度传感器、以及TED 型功率表用于检测水温和热水器功率。按照建筑工地的普通热水器使用需求，将设置实验中DSHP 需加热的水量设置为200L、春夏秋冬四季的待加热温差与平均太阳辐射分别设置为40℃、25℃、38℃、44℃与698W·m-2、763W·m-2、552W·m-2、534W·m-2。为对比该研究设计的DSHP 热水器（后续简称XDSHP）性能，选择普通DSHP 热水器（后续简称ODSHP）开展对照实验。统计得到两热水器全工况加热结果见表3。

表3 热水器全工况加热结果参数Table 3 Heating result parameters of full water heater

由表3 可知，在加热期间环境平均温度、加热温差以及其他环节保持一致的条件下，两种热水器加热时间无显著差别，但XDSHP 在除夏季外的其他季节耗电量明显更低，制热量却有所增加，例如在选出的冬季工况日中XDSHP 热水器的耗电量、制热量分别为2.65kWh、35917kJ 分别比ODSHP变化-15.61%、+5.87%。

2.2 热水器过热度控制与压缩机运行控制性能分析

各季节的建筑在工地工况中仍然分别选出具有足够代表性的一天分别进行过热度控制效果对比，结果如图4 所示。图4 中横轴为加热时间、纵轴为过热度，不同线型代表不同热水器，不同颜色代表不同的季节工况。

图4 各季节工况下热水器的过热度-加热时间曲线Fig.4 Overheat-heating time curve of the water heater under each seasonal working condition

由图4 可知，两热水器热泵系统刚启动的前20 分钟内，过热度较高，系统不稳定，随后热泵系统逐渐稳定下来。整体上看，热泵系统稳定后，XDSHP、ODSHP 热水器的在各季典型工况的过热度范围大致处于4.2℃～8.5℃、5.1℃～12.4℃范围内。可知前者在四季工况的过热控制效果优于后者。最后分析两热水器的压缩机在四季中的功率消耗情况，统计结果如图5 所示。

图5 各季节工况下热水器压缩机的功率消耗情况Fig.5 Power consumption of water heater compressor under various seasonal working conditions

图5 中各子图横轴代表选出工况日的加热时刻，纵轴代表热水器压缩机的功率，不同图线颜色代表不同的热水器。观察图5 可知，在选出的各季节工况中，XDSHP 系统的压缩机功率均低于ODSHP，同时夏季工况中两者压缩机功率整体差异最小，冬季工况中两者压缩机功率整体差异最大。例如在春夏秋冬各典型工况的下午15:00 时刻，XDSHP 系统的压缩机功率分别为415W、438W、417W、425W，分别比ODSHP 低9.98%、7.99%、10.13%、20.11%。

3 结论

建筑工地对非生活热水有更高的温度控制需求与更低的能耗需求，为满足建筑工地对热水器的需求，本研究对直膨式太阳能热泵热水器的电子膨胀阀运行与压缩机转速控制方法进行改进，并开展实验研究改进后的XDSHP 热水器性能。实验结果表明，热泵系统稳定后，XDSHP、ODSHP 热水器的在各季典型工况的过热度范围大致处于4.2℃～8.5℃、5.1℃～12.4℃范围内。可知前者在四季工况的过热控制效果优于后者。在选出的各季节工况中，XDSHP 系统的压缩机功率均低于ODSHP，同时夏季工况中两者压缩机功率整体差异最小，冬季工况中两者压缩机功率整体差异最大。实验数据证明，该研究设计的改进直膨式太阳能热泵热水器具有更好的控温效果，比起传统的直膨式太阳能热泵热水器，更适合应用于建筑工地环境。