低温空气源热泵双电子膨胀阀控制策略研究

窦秀华 魏忠鑫 张伟东 吴卫平 张伟

山东阿尔普尔节能装备有限公司

2011 年北方城镇供暖能耗达到1.66亿吨标准煤，占建筑总能耗的24%[1]，通过对北京雾霾污染物初始排放源进行分析，发现18.7%的污染物来源于供暖燃煤[2]，为了治理大气污染，2013 年国务院发布了“大气污染防治行动计划”，要求通过集中供热和清洁能源替代，全面淘汰工业燃煤小锅炉[3]。提高能源利用效率，要求能源结构调整。能源利用效率提高，鼓励各种节能设备和技术的推广，未来几年，空气源热泵市场将得到飞速发展，由于空气源热泵技术在国内尚属新兴技术，且受到低温环境下的热转换效率低这一技术瓶颈的制约，因此亟需这方面的深入研究[4-6]。本文提出一种采用双电子膨胀阀控制主回路以及补焓回路节流量的控制方法，该方法主回路采用排气过热度控制，补焓回路采用经济器过热度控制，再经过两者协同控制，达到整个热泵系统在低环境温度下性能最优。

1 超低温热泵系统原理

图1超低温空气源热泵系统原理。压缩机吸入一定过热度的低压气体制冷剂进行压缩成高压气体由排气口经四通阀流至换热器1与用户使用侧返回的低温循环水进行热交换加热循环水。放出热量后产生相变后的制冷剂，经流至高压储液器后分出两路：辅路经电子膨胀阀2节流降压后在经济器内与主路制冷剂进行换热，吸收主路内制冷剂热量后流至压机吸器口2。主路内的制冷剂在经济器中被冷却后经电子膨胀阀1节流降压然后流至冷凝器。制冷剂通过冷凝器与外界空气进行强制热交换吸收外界热量后，再流经四通阀、气液分离器后回到压机吸气口1完成一次制热循环。

图1 超低温空气源热泵系统原理

2 主路电子膨胀阀1控制方法

压缩机运转t时间内，阀初始开度按照表1进行。

表1 前三分钟不同环境对应的初始阀开度

压缩机运转t时间后进入正常调阀阶段，当前室外环境温度下的过热度偏差Δt1如表2所示。

表2 不同环境温度下偏差值

开关阀的速度按照表3进行。

表3 不同过热度值开关阀的速度

3 补焓回路电子膨胀阀2控制方法

当Dn＞Dn2时

当Dn＜Dn1时

当Dn1≤Dn≤Dn2时，保持上一次。

表4为不同室外环境温度下的过热度设定值。

表4 不同室外环境温度下的过热度设定值

4 协同控制方法

通过不同环境温度下主阀与补焓阀的上下限值，来达到两者之间的协同控制。表5为不同室外环境温度下主阀、补焓阀的上下限值。

表5 不同室外环境温度下主阀、补焓阀的上下限值

5 实验验证

5.1 实验对象

阿尔普尔5P超低温空气源热泵机组。

5.2 实验设备

阿尔普尔10P 超低温实验室（合肥通用机械研究所2016年建成，实验室工况最低到-30 ℃）。

本试验装置，可以准确测量低温空气源热泵（冷水）机组、空气源热泵热水机、风冷冷热水机组的制冷（热）量、耗功、COP等技术数据，设备运转采用可编程序控制器，直观性和可靠性都有了非常可靠的保证。测量值由计算机进行数据采集处理并存档，自动打印试验报告，并可分析试验结果和测试数据。

5.3 主要测试精度

名义工况时制热量重复性误差（一次性装机）≤2%。表6为主要设备及测试精度。

表6 主要设备及测试精度

5.4 测试标准

GB/T 25127.2-2010 《低环境温度空气源热泵（冷水）机组》 第 2部分：户用及类似用途热泵（冷水）机组。

5.5 测试工况

表7为测试工况。

表7 测试工况

5.6 测试方法

空气侧提供工况条件，水侧采用水侧量热计法。

将机组调节与最大制热量位置，在表7规定的热泵名工况下，按照 GB/T25127.2-2010 要求，测定制热量QN及消耗功率Q0。

式中：C OP为名义工况能效系数。

使用行业当前通用的电子膨胀阀依据不同环温固定开度的方式，-12℃名义制热量 8.5 kW，能效系数2.2。

使用本文控制算法，实验室测试结果为，-12 ℃名义制热量为9.2 kW，能效系数2.52。

其中本文控制算法室外环境温度-12 ℃时参数选择如下（参数选取依据经验及实验结果多次整定）：

1）Δt1为40 K。

2）ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5、ΔT6、ΔT7、ΔT8、ΔT9依 次为0 ℃、5 ℃、8 ℃、12 ℃、15 ℃、-15 ℃、-12 ℃、-8 ℃、-5 ℃。

3）ΔK1、ΔK2、ΔK3、ΔK4、ΔK5、ΔK6、ΔK7、ΔK8依次为10 步、20 步、30 步、40步、30 步、20步、10 步、5步。

4）t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8依 次 为60 s、90 s、120 s、120 s、120 s、90 s、120 s、90 s、60 s。

5）Dn1为2，Dn2为5.5，Ds为5。

6）Kzs为200，Kzx为60，Kfs为450，Kfx为50。

从实验结果（表8）可以得出，本文控制算法的有效性及可行性。

在课程设置上，现有的会计学本科生课程偏重财务会计专业基础知识的学习，对管理会计教学重视不足。学生学习时往往把大量精力放在基础会计、中级财务会计等课程上，只着眼于各类科目规定、计量方式、会计分录、记账对账等基础核算内容，而这些恰巧是在以后实际工作中容易被人工智能替代的内容。相反，作为以后会计发展大方向的管理会计、模块设计有关内容却没有得到应有的重视。

表8 实验测试结果对比

6 结论

长期以来，如何解决低环境温度下热泵制热能效衰减问题是困扰研究者的难题。本文通过提出一种采用双电子膨胀阀控制主回路以及补焓回路节流量的控制方法来解决这方面的矛盾，实验测试结果表明了该方法的有效性及可行性。

符号表：

Ta———当前室外环境温度值，℃；

T1、T2、T3、T4、T5———环 境温度设定值，℃；

K1、K2、K3、K4、K5、K6———不同室外环境温度下的阀初始开度设定值，步；

t———压缩机初始运行时间设定值，s；

Δt1———当前室外环境温度下的过热度偏差，K；

Δt2———当前室外环境温度下的实际排气过热度，K；

Δt11、Δt12、Δt13、Δt14、Δt15、Δt16———不同环境温度下的过热度偏差设定值，K；

ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5、ΔT6、ΔT7、ΔT8、ΔT9———不同的排气过热度设定值，K；

ΔK1、ΔK2、ΔK3、ΔK4、ΔK5、ΔK6、ΔK7、ΔK8———不同阀开度变化量设定值，步；

t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8———不同的时间段设定值，s；

Tp———实测排气温度，℃；

C———出水温度，℃；

Sp———实测排气温度，℃；

Kn———电子膨胀阀实际开度，步；

Kn-1———电子膨胀阀上一次的开度，步；

Kp———辅膨胀阀过热度比例系数，默认值为2

KD———辅膨胀阀过热度微分系数，默认值为1

Dn———实际目标过热度（经济器出口温度-经济器进口温度），K；

Ds———不同环境温度下设置的目标过热度，K；

Kzs———主电子膨胀阀上限值设定值，步；

Kzx———主 电子膨胀阀下限值设定值，步；

Kfs———补焓电子膨胀阀上限值设定值，步；

Kfx———补焓电子膨胀阀下限值设定值，步；

Kzs1、Kzs2、Kzs3、Kzs4、Kzs5、Kzs6———不同室外环境温度下主电子膨胀阀上限值设定值，步；

Kzx1、Kzx2、Kzx3、Kzx4、Kzx5、Kzx6———不同室外环境温度下主电子膨胀阀下限值设定值，步；

Kfs1、Kfs2、Kfs3、Kfs4、Kfs5、Kfs6———不同室外环境温度下补焓电子膨胀阀上限值设定值，步；

Kfx1、Kfx2、Kfx3、Kfx4、Kfx5、Kfx6———不同室外环境温度下补焓电子膨胀阀下限值设定值，步 。