CN105387665A - 一种以空气源热泵综合性能最佳为目标的除霜控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种以空气源热泵综合性能最佳为目标的除霜控制方法，包括：机组启动时，检测翅片管换热器蒸发压力/温度及进口空气温度和湿度、冷凝器冷凝压力/温度及热水侧进口温度和流量，由机组模型模拟计算不同运行周期的性能参数，并由计算出的不同运行周期性能评价系数COP_c最大值得到该工况下机组最佳结霜时间，当机组制热运行到最佳结霜时间时，启动除霜；通过检测翅片管换热器底部翅片温度，当其达到设定值时，机组停止除霜，恢复制热模式。该除霜控制方法通过实时检测机组运行工况和运行状态，由机组模型能够准确地判断翅片管换热器霜层生长状况，并更新机组最佳结霜时间，使机组能够适应任何工况下高效运行。

Description

一种以空气源热泵综合性能最佳为目标的除霜控制方法

技术领域

本发明涉及空气源热泵技术领域，具体是一种以空气源热泵综合性能最佳为目标的除霜控制方法。

背景技术

空气源热泵在冬季制热运行时，室外换热器产生结霜现象。随着翅片管表面霜层厚度不断增加，空气流通面积减小，导致空气流动阻力增大。同时，霜层增大了空气与翅片管换热器的换热热阻，使热泵性能衰减，甚至导致热泵不能正常工作。因此，热泵需适时除霜，以保证热泵正常运行。

目前空气源热泵空调器采用定时除霜或根据环境温度和翅片管换热器温度进行除霜，定时除霜存在无霜除霜、延迟除霜和除霜不净等问题，严重影响空调舒适性，减少机组使用寿命；根据环境温度和翅片管换热器管壁温度进行除霜，虽在一定环境工况，该方法具有较高正确率。随着环境工况的变化，当环境温度较低且湿度也较低时，测量管壁温度达到设定的除霜温度，而此时并未降到空气露点温度，翅片上几乎未结霜，此时进行除霜，导致机组误除霜，造成能源浪费，影响空调舒适性。

发明内容

技术问题：本发明提供一种能够解决空气源热泵在冬季运行时，除霜控制存在误判或延判的问题，优化运行工况、提高运行效率和室内舒适度的以空气源热泵综合性能最佳为目标的除霜控制方法。

技术方案：本发明的以空气源热泵综合性能最佳为目标的除霜控制方法，包括以下步骤：

1)检测机组制热模式下翅片管换热器的蒸发压力/温度、进口空气温度和湿度，以及冷凝器的冷凝压力/温度和热水侧进口温度和流量；

2)根据所述步骤1)检测到的参数值输入空气源热泵结霜/除霜模型，模拟计算运行不同结霜时间后空气源热泵系统的性能参数以及以各结霜时间截止点为除霜起点的除霜性能参数和机组恢复至除霜前状态时的性能参数；

3)计算机组不同运行周期性能系数COP_c，取其最大值对应的结霜时间，作为该工况下机组最佳结霜时间，所述运行周期由结霜时间、除霜时间和恢复时间构成；

4)再次检测翅片管换热器的蒸发压力/温度、进口空气温度和湿度，以及冷凝器的冷凝压力/温度、热水侧进口温度和流量，基于所述步骤2)得到的参数，再次计算机组不同运行周期性能系数COP_c，取其最大值对应的结霜时间，替换更新上次计算得到的机组最佳结霜时间；

5)判断机组在当前周期内累计制热运行时间是否达到最佳结霜时间，若达到最佳结霜时间，则机组启动除霜并进入步骤6)；否则，返回步骤4)；

6)检测翅片管换热器的底部翅片温度，在其达到设定值后，机组停止除霜，恢复制热模式。

进一步的，本发明方法中，步骤3)中根据下式计算机组不同运行周期性能系数COP_c：

${\mathrm{COP}}_c=\frac{{\∫}_0^{T_{fr}}{q}_{o}dt}{{\∫}_0^{T_{fr}}wdt+{\∫}_{T_{fr}}^{T_{dfr}}wdt+{\∫}_{T_{dfr}}^{T_{rec}}wdt}=\frac{{\∫}_0^{T_{fr}}{q}_{o}dt}{{\∫}_0^{T_{cyc}}wdt}$

其中，q_o为系统制热量，w为压缩机功率，T_fr、T_dfr、T_rec、T_cyc分别为机组结霜时间、除霜时间、恢复除霜前状态所用时间、机组运行周期。

进一步的，本发明方法中，机组恢复除霜前状态所用时间为：从机组除霜结束时，至冷凝器热水侧制热能量等于除霜时从热水侧吸热能量时所用时间。

进一步的，本发明方法中，步骤2)中，运行不同结霜时间后空气源热泵系统的性能参数包括压缩机功率、系统制热量、霜层高度、霜层厚度、空气流量，除霜性能参数包括压缩机功率、系统制热量，机组恢复至除霜前状态时的性能参数包括压缩机功率、系统制热量。

进一步的，本发明方法中，步骤4)中，基于再次检测到的翅片管换热器蒸发压力/温度及空气进口温度和湿度、冷凝器压力/温度及热水侧温度和流量，以及步骤2)得到的运行不同结霜时间后空气源热泵系统的性能系数，计算该工况下机组最佳结霜时间。

本发明能够准确判定机组翅片管换热器结霜状态，并实时检测机组运行工况，更新机组最佳结霜时间，使得机组运行效率最大化。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明利用空气源热泵结霜/除霜模型，对机组运行状态进行模拟，能够实现对机组翅片管换热器结霜状况的预测，避免“无霜除霜”、“有霜不除”等误除霜操作，提高了室内舒适度。

2.本发明提出了一个机组运行周期性能评价系数COP_c，以机组综合性能最佳为目标，由该评价系数得出机组最佳结霜时间，机组在该时刻启动除霜能够避免运行工况恶化，保证较高运行效率。

3.本发明机组模型由检测值进行模拟计算时，基于上次检测工况机组模拟结果的相关参数，如：空气流量、霜层质量和高度以及压缩机功率和系统制热量等值，由现检测空气温度和湿度以及热水侧进口温度和流量等机组运行工况，翅片管换热器蒸发压力/温度和冷凝器冷凝压力/温度等机组运行状态对进行模拟，更为准确地模拟机组运行状态，精确地计算出该工况下最佳结霜时间。

4.本发明实时检测机组运行工况和运行状态，模拟计算出机组在现检测工况下最佳结霜时间，并替换上次检测工况下模拟计算出的机组最佳结霜时间，以机组现运行工况下作出除霜判断，提高了机组对工况变化的适应性。

附图说明

图1为本发明空气源热泵除霜控制测点布置图。

图2为本发明空气源热泵控制器工作流程示意图。

图3为本发明空气源热泵除霜控制流程图。

图中有：1.压缩机；2.四通阀；3.套管式换热器；4.热力膨胀阀；5.翅片管换热器；6.风机；7.控制器；8.温湿度传感器；9.第一温度传感器；10.第二温度传感器；11.流量传感器；12.第三温度传感器；13.第四温度传感器；14.第一压力传感器；15.第二压力传感器；Ⅰ.结霜过程；Ⅱ.除霜过程；Ⅲ.恢复过程。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

图1为空气源热泵除霜控制测点布置图，在翅片管换热器5空气进口处布置温湿度传感器8，实时检测进口空气温度和湿度；在翅片管换热器5底部翅片上布置第一温度传感器9，检测翅片管换热器翅片温度，在除霜过程中，当翅片温度达到设定值时，机组停止除霜；在套管式冷凝器3热水侧进口处布置第二温度传感器10和流量传感器11，实时检测热水侧进口温度和流量；在套管式换热器3出口布置第一压力传感器14和第三温度传感器12；在翅片管换热器5进口处布置第四温度传感器13和第二压力传感器15，实时检测机组运行状态。

图2为空气源热泵控制器工作流程示意图，其中机组结霜/除霜模型分别由压缩机、节流阀、蒸发器、冷凝器等部件数学模型构建而成，现分别将各部件数学模型列出如下。

压缩机数学模型：

压缩机功率为

$w={\mathrm{\λ\ηV}}_{th}\frac{P_e\·m}{m-1}\[{\left(\frac{P_c}{P_e}\right)}^{\frac{m-1}{m}}-1\]$

压缩机排气温度为

$\frac{T_{dis}}{T_{suc}}={\left(\frac{P_c}{P_e}\right)}^{\frac{m-1}{m}}$

节流阀数学模型：

节流阀制冷剂流量为

$m_r=C_D{A}_V\sqrt{2(p_1-p_2)/{\mathrm{\ν}}_1}$

蒸发器数学模型：

蒸发器结霜模型，空气侧空气与霜层之间进行显热和潜热交换，

Q＝h_aA_t(T_ai-T_f)+h_mA_ti_SV(d_ai-d_ao)

制冷剂侧分为单相区和两相区，对于单相区，制冷剂侧对流换热系数为

$a_{sh}=0.023\left(\frac{\mathrm{\λ}}{d_i}\right){\mathrm{Re}}^{0.8}{\mathrm{Pr}}^{0.3}$

对于两相区，制冷剂侧沸腾换热系数为

$a_{tp}=0.023\left(\frac{\mathrm{\λ}}{d_i}\right){\mathrm{Re}}^{0.8}{\mathrm{Pr}}^{0.4}F$

蒸发器除霜模型，制冷剂侧仍分为单相区和两相区，对于单相区，制冷剂侧对流换热系数公式采用结霜模型中单相区制冷剂侧换热系数公式。对于两相区，制冷侧对流换热系数为

${\mathrm{\α}}_{tp}={\mathrm{\α}}_{sh}\[{(1-x)}^{0.8}+\frac{3.8x^{0.76}{(1-x)}^{0.04}}{{\mathrm{Pr}}^{0.83}}\]$

冷凝器数学模型：

冷凝器结霜模型，制冷剂侧分为过热单相区、两相区和过冷单相区，过热单相区制冷剂换热系数为蒸发器结霜模型中单相区制冷剂侧换热系数；两相区制冷剂侧换热系数为蒸发器除霜模型中两相区制冷剂侧换热系数，过冷单相区制冷剂侧换热系数为

Nu＝0.036Re^0.688Pr^0.33

冷凝器除霜模型，制冷剂侧同蒸发器结霜模型制冷剂侧。

冷凝器为制冷剂/水换热形式时，水侧换热系数为

Nu_w＝0.2121Re_w ^0.78Pr_w ^0.33

由压缩机、节流阀、冷凝器和蒸发器等数学模型构建的空气源热泵模型能够模拟系统参数随时间的变化，如：压缩机功率、系统制热量、蒸发压力/温度、冷凝压力/温度、霜层质量、霜层高度、空气流量……机组模型将检测到的翅片管换热器进口空气温度和湿度以及冷凝器热水侧进口温度和流量作为运行工况值，其中空气初始流量已预先设定在模型中；将检测到的翅片管换热器蒸发压力/温度以及冷凝器冷凝压力/温度作为运行状态值，机组结霜模型根据运行工况值和运行状态值进行结霜模拟。

在机组结霜模型中，当霜层厚度达到翅片管换热器翅片间距的一半时，程序会自动终止运行，可得到该工况下机组最长结霜时间(如150min)，由该结霜时间依次向前推5min，得到其他九组结霜时间(145min、140min……105min)，机组结霜模型运行到设定的结霜时间，将该时刻的霜层质量、霜层高度、蒸发压力/温度、冷凝压力/温度、热水侧进口温度和流量传输给机组除霜模型进行模拟计算。在机组除霜模型中，当翅片管换热器底部翅片温度达到设定值时，会自动终止运行，即认为机组除霜完成。机组除霜模型能够把除霜结束时蒸发压力/温度、冷凝压力/温度以及热水侧进口温度和流量传输给机组结霜模型，机组结霜模型再次运行一定时间(可设为10min)停止运行。机组结霜/除霜模型完成结霜、除霜和恢复过程，能够输出压缩机功率、系统制热量、结霜时间、除霜时间。恢复时间是机组在恢复过程中系统制热量对时间的积分等于系统制热量在除霜过程中对除霜时间的积分时，即认为机组恢复到了除霜前状态，此时机组所用时间为恢复时间。由COPc定义公式计算上述工况下不同运行周期的COPc值，取其最大值所对应的结霜时间，该结霜时间即为该工况下机组最佳结霜时间。对机组制热运行时间进行计时，判断计时是否达到机组最佳结霜时间，若未达到，则再次检测运行工况和运行状态值，基于上次结霜运行状态参数进行模拟计算机组所测工况下的最佳结霜时间；若计时到达机组最佳结霜时间，则机组启动除霜。机组在除霜过程中，通过检测翅片管换热器底部翅片温度，当翅片温度达到设定值时，机组停止除霜，恢复到制热模式。

图3为空气源热泵除霜控制流程图，在步骤1中，机组启动制热模式，检测翅片管换热器的蒸发压力/温度、进口空气温度和湿度以及冷凝器的冷凝压力/温度、热水侧进口温度和流量，将检测值输送到步骤2，将空气温度和湿度以及热水侧进口温度和流量作为机组模型运行工况初始值，其中空气流量初始值预先设定在模型中，将翅片管换热器蒸发压力/温度和冷凝器冷凝压力/温度作为机组模型运行状态初始值，机组模型进行不同运行周期的结霜/除霜模拟。

在步骤3中，由步骤2机组模型模拟得到不同运行周期的压缩机功率、系统制热量、结霜时间、除霜时间、系统恢复除霜前状态所用时间，计算出机组在该工况下不同运行周期的性能系数COP_c。COP_c随不同运行周期的变化存在一个峰值，即所计算不同运行周期性能系数中存在一个最大值，且该最大值不在最小运行周期和最大运行周期取得，取最大COP_c值所对应的结霜时间，该结霜时间即为该工况下机组最佳结霜时间，现将COP_c定义公式表示如下：

${\mathrm{COP}}_c=\frac{{\∫}_0^{T_{fr}}{q}_{o}dt}{{\∫}_0^{T_{fr}}wdt+{\∫}_{T_{fr}}^{T_{dfr}}wdt+{\∫}_{T_{dfr}}^{T_{rec}}wdt}=\frac{{\∫}_0^{T_{fr}}{q}_{o}dt}{{\∫}_0^{T_{cyc}}wdt}$

其中，q_o为系统制热量，w为压缩机功率，T_fr、T_dfr、T_rec、T_cyc为机组结霜时间、除霜时间、恢复除霜前状态所用时间、运行周期。由COP_c定义式可知，在某一工况下，机组不同运行周期，其周期性能系数不同，且COP_c随结霜时间变化过程中，存在一峰值，而系统主要参数在此时变化较大，此时启动除霜，不仅避免机组运行工况恶化，而且保证机组运行效率最大化。取峰值所对应的结霜时间，该结霜时间即为机组在该工况下最佳结霜时间。

进入步骤4，重新检测翅片管换热器蒸发压力/温度、进口空气温度和湿度以及冷凝器冷凝压力/温度、热水侧进口温度和流量，基于上次结霜运行状态参数，机组再次进行模拟计算，得出所检测工况下机组最佳结霜时间，并替换掉上次计算得到的机组最佳结霜时间，故在机组控制器中仅有一个机组最佳结霜时间。通过实时检测机组运行工况和运行状态，并模拟计算所检测工况下机组最佳结霜时间，实时更新机组最佳结霜时间，使得机组能够适应任何工况运行。

在步骤5中，通过对机组制热运行时间的计时，判断机组制热运行时间是否达到最佳结霜时间，若达到最佳结霜时间，则机组启动除霜并进入步骤6)；否则，返回步骤4)。

在步骤6中，通过检测到翅片管换热器底部翅片温度，在其达到设定值后，机组停止除霜，恢复制热模式。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种以空气源热泵综合性能最佳为目标的除霜控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)检测机组制热模式下翅片管换热器的蒸发压力/温度、进口空气温度和湿度，以及冷凝器的冷凝压力/温度和热水侧进口温度和流量；

2)根据所述步骤1)检测到的参数值输入空气源热泵结霜/除霜模型，模拟计算运行不同结霜时间后空气源热泵系统的性能参数以及以各结霜时间截止点为除霜起点的除霜性能参数和机组恢复至除霜前状态时的性能参数；

3)计算机组不同运行周期性能系数COP_c，取其最大值对应的结霜时间，作为该工况下机组最佳结霜时间，所述运行周期由结霜时间、除霜时间和恢复时间构成；

4)再次检测翅片管换热器的蒸发压力/温度、进口空气温度和湿度，以及冷凝器的冷凝压力/温度、热水侧进口温度和流量，基于所述步骤2)得到的参数，再次计算机组不同运行周期性能系数COP_c，取其最大值对应的结霜时间，替换更新上次计算得到的机组最佳结霜时间；

5)判断机组在当前周期内累计制热运行时间是否达到最佳结霜时间，若达到最佳结霜时间，则机组启动除霜并进入步骤6)；否则，返回步骤4)；

6)检测翅片管换热器的底部翅片温度，在其达到设定值后，机组停止除霜，恢复制热模式。

2.根据权利要求1所述的以空气源热泵综合性能最佳为目标的除霜控制方法，其特征在于：步骤3)中根据下式计算机组不同运行周期性能系数COP_c：

${\mathrm{COP}}_c=\frac{{\∫}_0^{T_{fr}}{q}_{o}dt}{{\∫}_0^{T_{fr}}wdt+{\∫}_{T_{fr}}^{T_{dfr}}wdt+{\∫}_{T_{dfr}}^{T_{rec}}wdt}=\frac{{\∫}_0^{T_{fr}}{q}_{o}dt}{{\∫}_0^{T_{cyc}}wdt}$

其中，q_o为系统制热量，w为压缩机功率，T_fr、T_dfr、T_rec、T_cyc分别为机组结霜时间、除霜时间、机组恢复至除霜前状态所用时间、机组运行周期。

3.根据权利要求2所述的以空气源热泵综合性能最佳为目标的除霜控制方法，其特征在于：所述机组恢复至除霜前状态所用时间为：从机组除霜结束时，至冷凝器热水侧制热能量等于除霜时从热水侧吸热能量时所用时间。

4.根据权利要求1、2或3所述的以空气源热泵综合性能最佳为目标的除霜控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，运行不同结霜时间后空气源热泵系统的性能参数包括压缩机功率、系统制热量、霜层高度、霜层厚度、空气流量，除霜性能参数包括压缩机功率、系统制热量，机组恢复至除霜前状态时的性能参数包括压缩机功率、系统制热量。

5.根据权利要求1、2或3所述的以空气源热泵综合性能最佳为目标的除霜控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，基于再次检测到的翅片管换热器蒸发压力/温度及空气进口温度和湿度、冷凝器压力/温度及热水侧进口温度和流量，以及步骤2)得到的运行不同结霜时间后空气源热泵系统的性能系数，计算该工况下机组最佳结霜时间。