CN105716340B - 一种基于多区域结霜图谱的空气源热泵除霜控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于多区域结霜图谱的空气源热泵除霜控制方法，属于除霜技术领域。针对空气源热泵冷热水机组、热泵型房间空调器等空气源热泵机组，通过监测温度、湿度和时间，基于多区域结霜图谱实现高效除霜的一种控制方法。其技术方案为：首先开发出多区域的结霜图谱，该图谱中包含“两线、三区、五域”，根据分区域结霜图谱可以判断空气源热泵在不同环境条件下的结霜速度；然后，通过监测空气源热泵在不同结霜分区内的运行时间，折算出一个标准化的除霜时间，当该时间的累计值与设定的最佳除霜间隔时间相等时，空气源热泵机组开始除霜操作。利用本方法，能准确的判断除霜出时刻，避免“误除霜”事故的发生，除霜效率高；不受地域和气候的限制，实用性强。

Description

一种基于多区域结霜图谱的空气源热泵除霜控制方法
技术领域
本发明涉及一种新型除霜控制方法，具体地说，涉及一种基于多区域结霜图谱的空气源热泵除霜控制方法，属于除霜技术领域。
背景技术
结霜是影响空气源热泵机组运行效率的关键问题。霜层的存在与生长，增加了空气源热泵机组室外换热器的传热热阻，降低了传热系数，增大了空气流动阻力，必须对其进行除霜控制。现有的除霜控制方法包括：1)定时除霜方法；2)换热器表面温度-时间除霜控制方法；3)压力-温度除霜控制方法；4)换热器表面温度变化率除霜控制方法；5)换热器表面与空气温差除霜控制方法；6)人工智能除霜控制方法。以上除霜控制方法，通过测量影响结霜过程的变量，如温度、压力、时间等，作为除霜控制的判据，均忽略或没有同时完全考虑影响结霜最重要的三个因素：空气温度、空气湿度及冷表面温度。此外，目前对可用于预测和判断结霜图谱的研究尚不精确，缺乏现场的实测验证，难以运用到实际中指导除霜控制方法的开发。因此，空气源热泵机组在实际运行过程中，经常出现“无霜除霜”和“有霜不除”的“误除霜”事故。“误除霜”导致的后果不仅表现在能源浪费、供热不足以及室内热舒适性降低等方面，严重时还会出现高压侧压力超过系统高压保护值，压缩机功率急剧上升，造成压缩机烧毁的恶性事故。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，考虑了影响结霜最重要的三个因素：空气温度、空气湿度及冷表面温度，提供了一种以多区域结霜图谱为基础开发出的除霜控制策略。运用多区域结霜图谱，判断空气源热泵在不同环境条件下的结霜速度，再根据空气源热泵在不同结霜分区内的运行时间，折算出标准化除霜时间，根据标准化除霜时间来实现空气源热泵准确除霜的新型控制方法。该方法可准确控制空气源热泵机组、热泵型房间空调器等制冷装置的除霜操作，有效避免“误除霜”事故的发生。
为解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案。
一种基于多区域结霜图谱的空气源热泵除霜控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，绘制多区域结霜图谱：多区域结霜图谱包括横坐标空气温度、纵坐标空气相对湿度、临界结霜线、临界结露线、等结霜速率曲线。临界结露线将整个图谱分为上下两部分，临界结露线的下方为非结霜区，临界结露线的上方有一条与纵坐标平行且下端终于临界结露线的临界结霜线；在临界结露线上面，临界结霜线的左边为结霜区，右边为结露区；在结霜区有四条等结霜速率曲线，将结霜区分为多个区域，每个区域结霜速率基本相似；
图谱中的临界线，其描述方程分别为：
临界结霜线：Ta＝x，5℃≤x≤12℃
等结霜速率曲线A:RHA＝k1A+k2ATa+k3ATa 2；
等结霜速率曲线B：RHB＝k1B+k2BTa+k3BTa 2；
等结霜速率曲线C：RHC＝k1C+k2CTa+k3CTa 2；
等结霜速率曲线D：RHD＝k1D+k2DTa+k3DTa 2；
临界结露线(相同结霜速率临界线E)：RHE＝RHx–k3ETa+k3E Ta 2，35.52≤RHx≤45.25；上式中的RH与Ta均为无量纲参数。
1)以目前空气源热泵主要适用的温度范围将结霜图谱横坐标(空气温度)下限定为-15℃，上限可根据条件设定，一般在6～12℃；纵坐标取空气相对湿度的范围为0～100％；
2)根据结露和结霜的条件，利用空气的温度和相对湿度计算出结霜图上任意一点的露点温度，再把露点温度相等的线连接起来形成等露点温度线，如图1；
3)根据换热温差与盘管温度和空气温度的关系，对空气源热泵进行现场测试以及数据的统计学分析，得出盘管温度Tw与空气温度的Ta的计算线性关系式为：Tw＝(1-k2)Ta-k1；
4)根据3)中的关系式，任取一个Ta均可得出一个Tw，找到同Tw相等的等露点温度线与此空气温度Ta的交点即为临界结露点，在图谱中将所有的临界结露点连接起来得出临界结露线；根据换热器表面是否明显发生结霜现象，以现场测试的方法确定出图谱的临界结霜线。此时图谱包括三个区域：非结霜区、结露区与结霜区；
5)利用冷平板结霜特性预测模型以及线性拟合，在结霜区内，将结霜速率相同的点拟合、连接后形成四条曲线，结霜区从上往下被细化为(A)、(B)、(C)、(D)、(E)五个区域：当空气源热泵机组分别在每一个结霜区域内运行时，其室外换热器的结霜速率是相似的，并且从上往下的(A)、(B)、(C)、(D)、(E)五个结霜区域的结霜速率逐渐降低；即机组在结霜区域(A)中运行时，其室外换热器表面的结霜速率是最快的，相反，在结霜区域(E)中运行时，结霜速率最慢。
6)实验测试验证图谱各个区域的结霜情况，得出最终图谱。
第二步，在多区域结霜图谱的基础上，提供除霜控制法：
当空气温度Ta≤Y℃且RH≥k1A+k2ATa+k3ATa 2时，代表机组在结霜区域A中运行，于是tA开始计时，否则tA保持其数值不变；
当Ta≤Y℃，k1B+k2BTa+k3BTa 2≤RH＜k1A+k2ATa+k3ATa 2时，代表机组在结霜区域B中运行，tB开始计时，否则tB保持其数值不变；
当Ta≤Y℃，k1C+k2CTa+k3CTa 2≤RH＜k1B+k2BTa+k3BTa 2时，代表机组在结霜区域C中运行，tC开始计时，否则tC保持其数值不变；
当Ta≤Y℃，k1D+k2DTa+k3DTa 2≤RH＜k1C+k2CTa+k3CTa 2时，代表机组在结霜区域D中运行，tD开始计时，否则tD保持其数值不变；
当Ta≤Y℃，k1E+k2ETa+k3ETa 2≤RH＜k1D+k2DTa+k3DTa 2时，代表机组在结霜区域E中运行，tE开始计时，否则tE保持其数值不变；
连续监测室外空气温、湿度，由以上控制逻辑监测空气源热泵机组在不同结霜分区内的运行时间ti，折算出一个与各区相对应的标准化的除霜间隔计时ti’；再设定前后两次除霜的最佳除霜间隔时间tsdef，当除霜间隔总计时ttot的累计值达到或超过设定的最佳除霜间隔时间的设定值tsdef时，空气源热泵机组开始除霜操作；ti’折算方法如下：
标准化的除霜间隔计时的折算方法：
ti'＝Xiti(i＝A，B，C，D，E)；其中ti为机组在各个区的运行时间；
(分子45为厂家常用的标准除霜间隔时间；分母为各区域推荐除霜间隔时间，min)
除霜间隔总计时计算方法：ttot＝∑ti'(i＝A、B、C、D、E)
上式中，分子45为热泵机组常用的标准除霜间隔时间，min；分母为各区域设定的最佳除霜间隔时间(见附表2，表中的数据经多次现场测试总结得出)，min；ti'为折算出的标准化除霜间隔计时，min；Xi(i＝A、B、C、D、E)总共为5个分区计时对应的标准化系数；ttot为除霜间隔总计时。
进一步：连续监测空气温、湿度，并计算空气源热泵机组在各结霜分区制热工况下的运行时间；计算除霜间隔总计时，并与最佳除霜时间设定值进行比较判断除霜与否：当前后两次除霜间隔总计时ttot的累计值大于等于设定的最佳除霜间隔时间的设定值tsdef时，空气源热泵机组开始除霜；在除霜过程中，当盘管Tw大于等于设定值Tsdef(根据需要设定，一般为20℃)时，空气源热泵机组停止除霜操作，机组恢复供热。
本发明提供的一种基于多区域结霜图谱的空气源热泵除霜控制方法的步骤：
1)确定结霜图谱的范围：以目前空气源热泵主要适用的温度范围将结霜图谱横坐标(空气温度)下限定为-15℃，纵坐标取空气相对湿度的范围为0～100％；
2)绘制等露点温度线：根据结露和结霜的条件，利用空气的温度和相对湿度计算出结霜图上任意一点的露点温度，再把露点温度相等的线连接起来形成等露点温度线；
3)确定临界结露线和临界结霜线：根据换热温差与盘管温度和空气温度的关系，分析得出盘管温度Tw与空气温度的Ta的计算关系式为：Tw＝(1-k2)Ta-k1，任取一个Ta求出Tw即为临界结露温度点，将所有不同的临界结露温度点连接起来得出临界结露线；以现场测试的方法确定出图谱的临界结霜线Y。此时图谱包括三个区域：非结霜区、结露区与结霜区；
4)结霜区的的四条分界线的确定：利用冷平板结霜特性预测模型以及线性拟合，在结霜区内，将结霜速率相同的点拟合、连接后形成四条曲线A、B、C、D，结霜区从上往下被细化为(A)、(B)、(C)、(D)、(E)五个区域。
5)对图谱的可靠性与正确性进行现场实测；
6)根据得出的分区域结霜图谱编写控制逻辑，并将程序下载至控制器DDC中，程序遵循“分区计时，累加评判”的原则；
7)连续监测空气温、湿度，并计算空气源热泵机组在各结霜分区制热工况下的运行时间；计算除霜间隔总计时，并与最佳除霜间隔时间设定值进行比较判断除霜与否：当前后两次除霜间隔总计时ttot大于等于设定的最佳除霜间隔时间tsdef时，空气源热泵机组开始除霜；在除霜过程中，当盘管Tw等于设定值Tsdef(一般为20℃)时，空气源热泵机组停止除霜操作。
本发明在绘制图谱时：首先确定结霜图谱横、纵坐标的范围；根据结露、结霜的条件，以及空气的温、湿度绘制出等露点温度线；再通过对空气源热泵的现场实测与数据分析得出盘管温度与空气温度的对应关系，结合结霜、结露的条件确定出临界结露线和临界结霜线；再以等结霜速率曲线细化结霜图谱中的结霜区并现场试验验证图谱的正确性。最终图谱中包含三个区域：结霜区，结露区和非结霜区；两条分界线和四条等速率结霜曲线。
本发明的有益效果是：(1)能准确的判断除霜出时刻，可靠性高；(2)能有效控制空气源热泵机组的除霜操作，并避免“误除霜”事故的发生，除霜效率高；(3)适用性广泛，不受地域和气候的限制；(4)软件与硬件的配置简易，实用性强。
以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
附图说明
图1是本发明中技术基础：多区域结霜图谱。图中，结霜区：(A)——重霜区；(B)、(C)——一般结霜区；(D)、(E)——轻霜区；结霜速率：S(A)＞S(B)＞S(C)＞S(D)＞S(E)
非结霜区——位于临界结露线之下(Tw>Td)。当空气源热泵机组在此区域内运行时，其室外换热器表面将保持干燥，不会发生结露现象；
结露区——位于临界结露线之上，且在临界结霜线的右方(Tw<Td且Tw>Tf)。当空气源热泵机组在此区域内运行时，其室外换热器表面将发生结露现象；
图2是本发明的现场实测图谱：Tx＝11.5℃，临界温度线Ta＝6℃；
图3是本发明基于多区域结霜图谱的除霜控制方法的技术原理图，图中：1—空气温、湿度传感器；2—温度传感器；3—DDC控制器；4—空气源热泵机组室外换热器；5—风机。
图4是本发明的空气源热泵除霜控制方法的具体控制逻辑图，图中：Ta—空气温度(℃)；Tw—空气源热泵机组室外换热器盘管表面温度(℃)；RH—空气相对湿度(％)；A、B、C、D、E—结霜分区编号；k、X—常数；Y—临界结霜线；kni(n＝1，2，3；i＝A、B、C、D、E)—系数；ti—除霜计时(s)；ttot—除霜间隔总计时(s)；tsdef—最佳除霜间隔时间设定值(s)；Tsdef—除霜退出温度设定值(℃)；
图5为包含等露点温度线的结霜图谱。
具体实施方式
确定图谱的范围：图1中，根据空气源热泵主要适用的温度范围以及无采暖季地区的空气源热泵供暖的温度条件(以半月平均温度作为分界线)，将结霜图谱的横坐标(空气温度)范围定为-15℃～11.5℃，纵坐标取空气相对湿度的范围为0～100％；
确定临界结露线：利用空气的温度和相对湿度计算出结霜图上任意一点的露点温度，再把露点温度相等的线连接起来形成等露点温度线；再根据盘管温度Tw与空气温度的Ta的计算关系式Tw＝(1－k2)Ta－k1，选定一台空气源热泵，现场测试得出主机对应的k1＝10.26，k2＝0.17；任取一个空气温度就可以得出一个盘管温度Tw，按上述方法找出临界结露线(曲线E)；
确定临界结霜线：针对选定的空气源热泵，以换热器表面明显发生结霜现象为依据，经过现场实测得对应的空气温度Ta＝6℃时换热器发生明显的结霜现象，故将其作为临界结霜线；
结霜区四条曲线(曲线A～曲线D)的确定：通过建立准确且通用性较强的冷平板结霜特性预测模型，模拟分析结霜区内不同工况下冷表面的结霜速率；利用线性拟合，将结霜速率相同的点拟合成曲线，形成等结霜速率曲线A、B、C、D，并得出明确的方程。最后现场实测验证图谱的正确性。
图3中，将空气温、湿度传感器1布置于空气源热泵机组室外换热器4的进风侧，将温度传感器2布置于空气源热泵机组室外换热器4的盘管表面。空气温、湿度传感器1将采集到的信号Ta，RH和温度传感器2采集到的信号Tw一并输入至DDC控制器3，DDC控制器3通过预先已经写入DDC中的除霜控制逻辑程序判断除霜与否。逻辑判断的具体情况如下：
1)计算空气源热泵机组在各结霜分区制热工况下的运行时间：
当空气温度Ta≤6℃且RH≥82.64-1.84Ta+0.1189Ta 2时，代表机组在结霜区域A中运行，于是tA开始计时，否则tA保持其数值不变；
当Ta≤6℃，69.28-1.09Ta+0.0698Ta 2≤RH＜82.64-1.84Ta+0.1189Ta 2时，代表机组在结霜区域B中运行，tB开始计时，否则tB保持其数值不变；
当Ta≤6℃，58.29-0.85Ta+0.065Ta 2≤RH＜69.28-1.09Ta+0.0698Ta 2时，代表机组在结霜区域C中运行，tC开始计时，否则tC保持其数值不变；
当Ta≤6℃，50.16-0.54Ta+0.063Ta 2≤RH＜58.29-0.85Ta+0.065Ta 2时，代表机组在结霜区域D中运行，tD开始计时，否则tD保持其数值不变；
当Ta≤6℃，44.27-0.66Ta+0.0157Ta 2≤RH＜50.16-0.54Ta+0.063Ta 2时，代表机组在结霜区域E中运行，tE开始计时，否则tE保持其数值不变。
2)计算总除霜计时，并与最佳除霜时间设定值进行比较判断除霜与否：
总除霜计时ttot等于XAtA,XBtB,XCtC,XDtD和XEtE五项的和。设定最佳除霜间隔时间tsdef为45min，当ttot的累计值达到或超过设定值45min(也就是设定值tsdef)时，空气源热泵机组开始除霜。
3)对比除霜退出温度设定值判断除霜结束与否：
在除霜过程中，当盘管温度Tw达到设定值Tsdef＝20℃时，空气源热泵机组停止除霜操作，否则未停止。
上述内容中的符号意义见下表：
表1符号意义附表
其中，推荐的各区域标准除霜间隔时间设定值tsdef如下表：
表2各区域最佳除霜间隔时间推荐表

Claims (2)

1.一种基于多区域结霜图谱的空气源热泵除霜控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，绘制多区域结霜图谱：多区域结霜图谱包括横坐标空气温度、纵坐标空气相对湿度、临界结霜线、临界结露线、等结霜速率曲线，临界结露线将整个图谱分为两部分，临界结露线的下侧为非结霜区，临界结露线的上侧有一条与纵坐标平行且下端终于临界结露线的临界结霜线；在临界结露线上面，临界结霜线的左侧为结霜区，右侧为结露区；在结霜区有四条等结霜速率曲线，将结霜区分为五区域，每个区域内的结霜速率相似；
图谱中的临界线，其描述方程分别为：
临界结霜线：Ta＝x，5℃≤x≤12℃
相同结霜速率临界线A:RHA＝k1A+k2ATa+k3ATa 2；
相同结霜速率临界线B：RHB＝k1B+k2BTa+k3BTa 2；
相同结霜速率临界线C：RHC＝k1C+k2CTa+k3CTa 2；
相同结霜速率临界线D：RHD＝k1D+k2DTa+k3DTa 2；
临界结露线：RHE＝RHx–k3ETa+k3ETa 2，35.52≤RHx≤45.25；上式中的RH与Ta均为无量纲参数；
1)以目前空气源热泵主要适用的温度范围将结霜图谱横坐标即空气温度下限定为-15℃，上限设定在6～12℃；纵坐标取空气相对湿度的范围为0～100％；
2)根据结露和结霜的条件，利用空气的温度和相对湿度计算出结霜图上任意一点的露点温度，再把露点温度相等的线连接起来形成等露点温度线；
3)根据换热温差与盘管温度和空气温度的关系，对空气源热泵进行现场测试以及数据的统计学分析，得出盘管温度Tw与空气温度的Ta的计算线性关系式为：Tw＝(1-k2)Ta-k1；
4)根据3)中的关系式，任取一个Ta均可得出一个Tw，找到同Tw相等的等露点温度线与此空气温度Ta的交点即为临界结露点，在图谱中将所有的临界结露点连接起来得出临界结露线；根据换热器表面是否明显发生结霜现象，以现场测试的方法确定出图谱的临界结霜线；此时图谱包括三个区域：非结霜区、结露区与结霜区；
5)利用冷平板结霜特性预测模型以及线性拟合，在结霜区内，将结霜速率相同的点拟合、连接后形成四条曲线，结霜区从上往下被细化为A、B、C、D、E五个区域：当空气源热泵机组分别在每一个结霜区域内运行时，其室外换热器的结霜速率是相似的，并且从上往下的A、B、C、D、E五个结霜区域的结霜速率逐渐降低；即机组在结霜区域A中运行时，其室外换热器表面的结霜速率是最快的，相反，在结霜区域E中运行时，结霜速率最慢；
6)实验测试验证图谱各个区域的结霜情况，得出最终图谱；
第二步，在多区域结霜图谱的基础上，提供除霜控制法：
当空气温度Ta≤Y℃且RH≥k1A+k2ATa+k3ATa 2时，代表机组在结霜区域A中运行，于是tA开始计时，否则tA保持其数值不变；
当Ta≤Y℃，k1B+k2BTa+k3BTa 2≤RH＜k1A+k2ATa+k3ATa 2时，代表机组在结霜区域B中运行，tB开始计时，否则tB保持其数值不变；
当Ta≤Y℃，k1C+k2CTa+k3CTa 2≤RH＜k1B+k2BTa+k3BTa 2时，代表机组在结霜区域C中运行，tC开始计时，否则tC保持其数值不变；
当Ta≤Y℃，k1D+k2DTa+k3DTa 2≤RH＜k1C+k2CTa+k3CTa 2时，代表机组在结霜区域D中运行，tD开始计时，否则tD保持其数值不变；
当Ta≤Y℃，k1E+k2ETa+k3ETa 2≤RH＜k1D+k2DTa+k3DTa 2时，代表机组在结霜区域E中运行，tE开始计时，否则tE保持其数值不变；
连续监测室外空气温、湿度，由以上控制逻辑监测空气源热泵机组在不同结霜分区内的运行时间ti，折算出一个与各区相对应的标准化的除霜间隔计时ti’；再设定前后两次除霜的最佳除霜间隔时间tsdef，当除霜间隔总计时ttot的累计值达到或超过设定的最佳除霜间隔时间设定值tsdef时，空气源热泵机组开始除霜操作；ti’折算方法如下：
标准化的除霜间隔计时的折算方法：
ti'＝Xiti(i＝A，B，C，D，E)；ti为机组在各个区的运行时间；
除霜间隔总计时计算方法：ttot＝∑ti'，i＝A、B、C、D、E；
式中，分子45为热泵机组常用的标准除霜间隔时间，min；分母为各区域推荐除霜间隔时间，min；ti'为折算出的标准化除霜间隔计时，min；Xi总共为5个分区计时对应的标准化系数，i＝A、B、C、D、E；ttot为除霜间隔总计时。
2.按照权利要求1所述的一种基于多区域结霜图谱的空气源热泵除霜控制方法，其特征在于，计算除霜间隔总计时，并与最佳除霜时间设定值进行比较判断除霜与否：当前后两次除霜间隔总计时ttot的累计值大于等于设定的最佳除霜间隔时间的设定值tsdef时，空气源热泵机组开始除霜；在除霜过程中，当盘管Tw等于设定值Tsdef时，空气源热泵机组停止除霜操作，设定值Tsdef根据需要设定。
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