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该系统是指水在封闭的循环系统中运行,不会与外界直接接触,具有杜绝污染、压力平衡、热水舒适等优点。空气源热泵的效率受环境温度影响大,比如在低温环境下,制热效率会下降,甚至需要辅助加热,这可能导致温度波动。系统控制难点主要包括系统能效优化,需要根据环境温度、用户热水温度需求实时调整运行参数,比如压缩机的频率、制热量、水泵的循环流量等;需要热泵和循环水泵均采用变频控制,采用智能控制算法,如模糊控制或者PID调节,但算法的稳定性和响应速度如何保证系统能效是其关键要素。
1多变量耦合与动态响应难题
(1)多变量耦合与动态响应难题:压缩机频率、电子膨胀阀开度、风机/水泵转速、环境温度、负荷需求等多个参数相互影响,需实时协调。提高压缩机频率可增加制热量,但可能导致蒸发温度过低引发结霜;增大风机转速可强化换热,但可能因噪音或功耗过高触发保护。
(2)动态响应滞后:热泵系统存在热惯性(如制冷剂相变延迟、管路传热滞后),导致控制指令与实际效果不同步。
2 宽工况适应性挑战
(1)极端环境下的稳定性:低温制热(-15℃以下),蒸发器易结霜,变频需平衡制热需求与除霜频率;压缩机低频运行时润滑油回流困难,磨损风险上升;高温制热(40℃以上),冷凝温度过高,需降频防止高压保护,但可能牺牲热泵效率。
(2)负荷波动频繁:用户侧负荷随机变化(如热水用量突增),变频系统需快速调整输出功率,避免频繁启停或超调振荡。
3能效优化与保护机制的矛盾
(1)COP最大化的频率寻优:能效比(COP)随频率变化呈非线性关系,需通过实时算法(如模型预测控制MPC)寻找最优频率点。难点包括系统模型精度不足(受老化、结垢等因素影响),动态工况下最优频率点漂移(需在线自适应调整)。
(2)保护逻辑与效率的权衡:压缩机高频运行可提升制热速度,但可能触发电流或温度保护;为延长寿命限制频率上限,但牺牲了短期能效。
4、硬件与控制的匹配难题
(1)关键部件协同控制:变频压缩机转速变化需同步调整电子膨胀阀开度,否则可能引发液击或过热;需建立精确的流量-压力-频率匹配模型。高频谐波可能导致电机发热或电磁干扰,需优化PWM调制策略。
(2)传感器精度与可靠性:压力、温度传感器的微小误差会放大控制偏差(如±1℃温度误差可导致频率决策偏离10%);传感器故障时需启动容错控制(如基于模型估计替代真实信号)。
5、控制算法复杂度高
(1)传统PID的局限性:单一PID难以应对非线性、时变系统,易出现超调或振荡;模糊PID(根据误差动态调整参数);分段PID(不同频率区间采用不同参数组)。
(2)智能算法的工程化落地:模型预测控制(MPC),需高精度系统模型和实时计算能力,对控制器硬件要求高;神经网络控制,依赖大量训练数据,且存在“黑箱”风险,故障时难以追溯逻辑。
6、进水温度与水泵循环水量
(1)闭式系统传统贮热设施长期维持水温50℃,热泵进水温度过高,会导致冷凝温度升高,压缩机压缩比增大,可能触发系统过载保护,甚至停机。此时控制系统需调整压缩机频率或限制输出功率,以维持稳定运行。
(2)循环流量与水泵控制:进水温度变化时,系统需要通过调节水泵流量来平衡热交换效率,循环温差变小,则增大水流量以降低冷凝温度,避免压缩机过载;循环温差加大,则减小水流量以适应冷凝温度和机组制热量。
(3)高温进水(如>45℃):冷凝温度升高导致压缩机功耗增加,COP显著下降。例如,进水温度每升高1℃,COP可能下降2%~3%。
7、不同气温、不同水温的设备参数匹配关系见下表:
序号 |
参数 |
工况1 |
工况2 |
工况3 |
工况4
(名义工况)
|
工况5 |
工况6
(常温)
|
工况7 |
工况8 |
备注 |
1 |
气温(℃) |
-12 |
-7 |
0 |
7.00 |
15.00 |
20.00 |
30.00 |
35.00 |
|
2 |
制热量 |
31.08 |
41.85 |
56.92 |
72.00 |
89.23 |
100.00 |
121.54 |
132.31 |
|
3 |
冷水温度(℃) |
5 |
5 |
5 |
5.00 |
10.00 |
18.00 |
28.00 |
33.00 |
|
4 |
出水温度(℃) |
10.00 |
10.00 |
10.00 |
10.00 |
15.00 |
23.00 |
33.00 |
38.00 |
氟利昂热泵
循环式
|
5 |
水泵流量(m3/h) |
5.38 |
7.25 |
9.86 |
12.47 |
15.45 |
17.32 |
21.05 |
22.92 |
|
6 |
出水温度(℃) |
55 |
55 |
55 |
55.00 |
55.00 |
55.00 |
55.00 |
55.00 |
氟利昂热泵
直热式
|
7 |
水泵流量(m3/h) |
0.54 |
0.72 |
0.99 |
1.25 |
1.72 |
2.34 |
3.90 |
5.21 |
|
2 |
制热量 |
18.92 |
33.15 |
53.08 |
73.00 |
90.67 |
110.00 |
131.54 |
142.31 |
氧化碳热
泵直热式
|
8 |
出水温度(℃) |
50 |
50 |
50 |
50.00 |
55.00 |
65.00 |
75.00 |
80.00 |
|
9 |
水泵流量(m3/h) |
0.36 |
0.64 |
1.02 |
1.40 |
1.74 |
2.03 |
2.42 |
2.62 |
|
10 |
出水温度(℃) |
60 |
60 |
60 |
60.00 |
60.00 |
60.00 |
60/005 |
6 0 . 0 0 水 |
|
11 |
水泵流量(m3/h) |
0.30 |
0.52 |
0.84 |
1.15 |
1.57 |
2.27 |
3.56 |
4.56 |
备注:
(1)机组制热量与进出水温差、循环水泵流量存在线性关系(W=Q*△t);
(2)气温变化较大的地区(如华北地区,夏季35℃、冬季-15℃),制热量存在较大的季节差异(上表中夏季约132Kw,夏季约30Kw);过渡季节每日昼夜温差(约10~20℃),存在较大的制热量变化;
(3)循环水泵随热泵的制热量和循环温差随时进行变频调整,对流量、温度传感器精度与可靠性提出较高的要求,尤其是直热式系统控制精度要求更高;
8 其他:热泵控制影响因素还考虑防冻除霜、水质处理、能效优化、安全保护等方面。空气源热泵闭式热水系统及配套设施的控制是十分精细的“高科技”,实际工程证明目前的控制技术还有巨大的提升改善空间。