CN107289693A - 一种热泵除霜方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明所涉及的热泵除霜方法，包括以下步骤：步骤1，通过实验获取所述热泵的相关数据，并得到对应的蒸发温度随时间变化曲线和霜层厚度及增长速率随时间的变化曲线，并设定最小运行预定时间TMin；步骤2，设定性能恶化点；步骤3，对室外换热器表面的积霜进行判定，如无霜，设定结霜判定时间TM，当TM≥TMin时，和B≤B′时，开启除霜模式；如有霜，当ΔT≥ΔT′时，开启除霜模式。本发明所涉及的热泵除霜方法提出了基于热泵机组性能恶化点作为除霜判定依据，避免了由于除霜累计时间与实际结霜情况的不适用而造成的不除霜或误除霜的情况，提高了机组在极端工况下的适应性。

Description

一种热泵除霜方法

技术领域

本发明属于制冷领域，具体涉及一种热泵除霜方法。

背景技术

空气源热泵是以空气为低温热源制取高于环境温度的热水(或热风)的热泵装置，是重要的采暖和生活热水设备之一。然而，当空气源热泵的蒸发器表面温度低于室外空气露点温度且低于0℃时会发生结霜，蒸发器表面霜层的形成一方面增加了空气流过换热器表面时的阻力，导致空气流量减少；另一方面降低了空气与换热器之间的传热效率，使换热器的换热量大大降低。随着霜层厚度的逐渐增加，机组运行状况急速恶化，机组能效比下降，严重影响机组的正常运行。因此，为保证机组的正常运行，周期性的除霜操作必不可少。

目前常用的除霜控制方法有：

(1)定时除霜控制法

这是早期采用的方法，当机组运行至设定时间时切换至除霜模式。为防止蒸发器严重结霜，影响机组的工作性能，在设定时间时，往往忽略了最恶劣的环境条件，因此必然产生不必要的除霜动作，目前己较少采用。

(2)温度-时间除霜控制法

这是目前普遍采用的一种方法。当除霜检测元件感受到换热器翅片管表温度及热泵制热时间均达到设定值时，开始除霜。这种方法由于盘管温度设定为定值，不能兼顾环境温度和湿度的变化，容易产生误操作。

(3)空气压差除霜控制法

室外换热器的空气流通阻力与翅片间距相关。随着霜层的增厚，空气流通面积减小，换热器进出风的压差增大。当其值增至设定值时，控制系统就会发出除霜指令，使机组进入除霜状态。随着除霜的进行，霜层逐渐变薄。当换热器进出风侧的压差降到除霜终止的设定值时，控制系统又会发出终止除霜的指令。该方法要根据运行时间的长短等因素来定期调整压差设定值。这种方法可以实现按需除霜，但在蒸发器表面有异物遮挡或严重积灰时，会出现误动作，现已很少使用。

(4)模糊智能控制法

整个除霜控制系统由数据采集与A/D转换、输入量模糊化、模糊推理、除霜控制、除霜监控及控制规则调整等功能模块组成。模糊控制除霜的过程为：数据采集与A/D转换模块以一定的时间间隔采集数据并将模拟信号转换为数字信号；模糊化模块根据事先确定的各输入参数的隶属函数对各输入量进行模糊化；模糊推理模块根据一组模糊控制规则进行推理，除霜控制模块根据推理的结果查询除霜控制规则，确定是否除霜；若需除霜，则发出除霜控制信号并由除霜监控模块对除霜过程进行监控，分析除霜控制是否达到要求，若满足要求，则维持原除霜控制规则；若不满足要求，则修改除霜控制规则。由上述模糊除霜控制过程可看出5个功能模块根据大气环境和机组运行状态相对独立而又相互协调地共同完成除霜控制。这种控制方法的关键在于怎样得到合适的模糊控制规则和采用什么样的标准对控制规则进行修改，根据一般经验得到的控制规则有局限性和片面性。若根据实验制定控制规则又存在工作量太大的问题。

(5)温差-时间控制法

机组在冬季制热时，翅片盘管换热器内的制冷剂和室外空气之间将保持适当的温差，液体制冷剂在低于室外空气的条件下蒸发吸热。盘管空气表面结霜后，进风温度和盘管温差增大，当该温差达到机组设定温差且距上一次的除霜间隔也已达到设定值a时，机组即进入除霜模式。当盘管温度(或排气压力)上升至设定值或除霜时间达到设定的最长除霜时间b时除霜结束。

对于温差-时间除霜控制法，由于除霜判定时间TM以及传热温差ΔT设置的不合理，使得机组在实际运行过程中会出现一些“不除霜”和“误除霜”的现象，影响机组的正常运行。

发明内容

本发明是为了解决上述由于除霜累计时间与实际结霜情况的不适用而造成的不除霜或误除霜的问题而进行的，提出了基于热泵机组性能恶化点作为除霜判定依据，提供一种提高机组在极端工况下的适应性的热泵除霜方法。

本发明提供了一种热泵除霜方法，具有这样的特征，包括以下步骤：

步骤1，在预定的环境参数下，通过实验获取热泵的蒸发温度值、测量时间值、霜层厚度以及结霜时间数据，得到对应的结霜过程中蒸发温度随时间变化曲线和霜层厚度及增长速率随时间的变化曲线，并设定最小运行预定时间TMin；

步骤2，设定性能恶化点，性能恶化点为在结霜过程中蒸发温度随时间变化曲线中蒸发温度开始迅速下降的点，通过计算得到性能恶化点对应的蒸发温度速率变化范围值B′，在霜层厚度及增长速率随时间的变化曲线中，设定性能恶化点时刻的传热温差ΔT′；

步骤3，热泵机组启动，对室外换热器表面的积霜进行判定，判断与热泵机组相连的室外换热器表面有无霜的情况，如无霜，进入下一步，如有霜，进入步骤6；

步骤4，设定结霜判定时间TM，并与最小运行预定时间TMin进行比较，当TM<TMin时，说明机组在稳定阶段内运行，可以继续制热；当TM≥TMin时，进入下一步；

步骤5，采用数据记录仪每隔一定的时间段记录一次蒸发温度，得到蒸发温度随时间的变化率B，并与性能恶化点对应的蒸发温度速率变化范围值B′进行比较，当B>B′时，说明空气源热泵机组在稳定段内正常运行，可以正常继续制热；当B≤B′时，进入步骤7；

步骤6，测量机组启动时传热温差ΔT，并与ΔT′进行比较，当ΔT<ΔT′时，说明机组在稳定阶段内运行，继续制热；当ΔT≥ΔT′时，说明机组即将进入快速结霜期，进入下一步；

步骤7，开启除霜模式。

在本发明提供的热泵除霜方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤2中，B′＝ΔT′_e/Δt；ΔT′_e为性能恶化点对应的蒸发温度变化量，Δt为时间间隔。

另外，在本发明提供的热泵除霜方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤5中，B＝ΔT_e/Δt，ΔT_e为蒸发温度变化量。

另外，在本发明提供的热泵除霜方法中，还可以具有这样的特征：其中，TMin为从热泵机组制热模式下盘管温度<0℃并且压缩机开启开始计时，到结霜减速生长阶段时停止计时，通过实验测得的数值。

另外，在本发明提供的热泵除霜方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤4中，结霜判定时间TM为从热泵机组制热模式下盘管温度<0℃并且压缩机启动时开始计时，通过热泵内部的时间记录仪采集结霜判定时间。

另外，在本发明提供的热泵除霜方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤4前，对环境温度Ta和室外机翅片表面温度Tw进行判断，当Ta≤12℃且Tw≤0℃时进入步骤4。

另外，在本发明提供的热泵除霜方法中，还可以具有这样的特征：其中，数据记录仪采用安捷伦数据记录仪。

另外，在本发明提供的热泵除霜方法中，还可以具有这样的特征，还包括：步骤8，当Tw≥Tw′或TR≥TR′二者任一条件满足时，结束除霜，Tw为室外机翅片表面温度，TR为实际化霜时间，Tw′为翅片表面烘干时翅片温度，TR′为翅片表面烘干时的化霜时间。

发明的作用与效果

本发明所涉及的热泵除霜方法提出了基于热泵机组性能恶化点作为除霜判定依据，避免了由于除霜累计时间与实际结霜情况的不适用而造成的不除霜或误除霜的情况，提高了机组在极端工况下的适应性。

附图说明

图1是本发明的实施例中热泵结霜过程中蒸发温度随时间变化曲线图；

图2是本发明的实施例中热泵结霜过程中系统COP随时间变化曲线图；

图3是本发明的实施例中霜层厚度及增长速率随时间的变化曲线图；

图4是本发明的实施例中除霜的工作流程图；以及

图5是本发明的实施例中退出除霜的工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所涉及的热泵除霜方法作具体阐述。

实施例

空气源热泵冬季运行时，翅片表面霜层生长大致分为三个阶段：初始阶段、减速生长段及加速生长段。在结霜初始阶段，霜层厚度增长速率逐渐加快，当霜层厚度达到最大值后霜层增长速率逐渐减小，进入霜层生长的第二阶段(减速生长段)，在此阶段，霜层厚度的增长速率明显放慢，持续一段时间，此后进入霜层生长第三阶段(加速生长段)，霜层厚度快速增长，蒸发器表面温度快速下降，热泵机组性能开始迅速衰减，其制热量和制热能效比COP(COP＝Q_c/W_o，其中：Q_c为制热量，W_o为制热消耗功率)的衰减速度为霜层减速生长阶段的2.8～6倍。

步骤1，在预定的环境参数下，通过实验获取热泵的蒸发温度值、测量时间值、霜层厚度以及结霜时间数据，得到对应的结霜过程中蒸发温度随时间变化曲线和霜层厚度及增长速率随时间的变化曲线，并设定最小运行预定时间TMin。

采用热泵机组额定制热量为13.3KW，环境参数设定为空气温度Ta＝0℃、空气相对湿度RH＝75％(空气相对湿度RH由温湿度测量仪测得)时，通过实验获取热泵机组的多个蒸发温度值、测量时间值、霜层厚度以及结霜时间数据，得到如图1所示的蒸发温度随时间的变化曲线和如图2所示的机组制热能效比COP随时间的变化曲线。

TMin为从热泵机组制热模式下盘管温度<0℃并且压缩机开启开始计时，到结霜减速生长阶段时停止计时，通过实验测得的数值。

步骤2，设定性能恶化点，性能恶化点为在结霜过程中蒸发温度随时间变化曲线中蒸发温度开始迅速下降的点，通过计算得到性能恶化点对应的蒸发温度速率变化范围值B′，在霜层厚度及增长速率随时间的变化曲线中，设定性能恶化点时刻的传热温差ΔT′。

将制热能效比COP开始迅速下降的点称为性能恶化点，如图1、图2中所示的性能恶化点。

步骤3，热泵机组启动，对室外换热器表面的积霜进行判定，判断与热泵机组相连的室外换热器表面有无霜的情况，如无霜，进入下一步，如有霜，进入步骤6；

步骤4，设定结霜判定时间TM，并与最小运行预定时间TMin进行比较，当TM<TMin时，说明机组在稳定阶段内运行，可以继续制热；当TM≥TMin时，进入下一步；

1.机组启机时室外换热器表面无霜工况

对于机组启机时室外换热器表面无霜工况，直接将机组性能恶化点作为除霜判定依据。

为防止因偶然因素带来的误操作和频繁除霜，设定一个结霜判定时间TM(从制热模式下盘管温度<0℃并且压缩机开启开始计时，通过热泵内部时间记录仪采集)。实际运行时，通过热泵内部时间记录仪采集TM，并与参考值TMin进行比较，当TM<TMin时，说明机组在稳定阶段内运行，可以继续制热；当TM≥TMin时，说明机组即将进入快速结霜期，满足这个条件以后，进行蒸发温度变化率B的判定。

步骤5，采用数据记录仪每隔一定的时间段记录一次蒸发温度，得到蒸发温度随时间的变化率B，并与性能恶化点对应的蒸发温度速率变化范围值B′进行比较，当B>B′时，说明空气源热泵机组在稳定段内正常运行，可以正常继续制热；当B≤B′时，应开启除霜模式；

本实施例核心是如何确定性能恶化点。如图1和图2所示，系统性能恶化点出现在约60～70min之间，在此点以后，系统的制热能效比COP、室外换热器温度也同时快速下降，可以看出室外换热器工质的蒸发温度随时间变化率与系统制热能效比COP随时间变化趋势完全一致。考虑温度参数易于测量、信号稳定等因素，选取蒸发温度随时间变化率作为性能恶化点的判据是合理的。本实施例自定义蒸发温度随时间变化率的物理量为B，因此通过检测蒸发温度随时间的变化率B(B＝dT_e/dt)，便可找出机组性能恶化点出现的时刻。实施过程中，因为数据采集是通过安捷伦数据记录仪每隔一定的时间段记录一次蒸发温度，因此采用蒸发温度变化量ΔT_e与时间间隔Δt之比(B＝ΔT_e/Δt)代替蒸发温度随时间的变化率B的微元计算，并以此作为除霜开始的判据。具体实施方法为：用温度传感器采集实时蒸发温度信号并传入安捷伦数据采集仪，计算蒸发温度随时间的变化率B，通过大量数据得出结霜第三阶段初始点(机组性能恶化点)时对应的蒸发温度速率变化范围B′＝ΔT′_e/Δt(B′<0)。其中，B为热泵实际运行时测得的蒸发温度随时间变化率，B′为通过实验测得的第三阶段初始点(机组性能恶化点)时对应的蒸发温度速率变化范围参考值，B要与B′进行比较来判断热泵的运行状况。当B>B′时，说明空气源热泵机组在稳定段内正常运行，可以正常继续制热；当B≤B′时，说明机组进入快速结霜期，应开启除霜模式。

步骤6，测量机组启动时传热温差ΔT，并与ΔT′进行比较，当ΔT<ΔT′时，说明机组在稳定阶段内运行，继续制热；当ΔT≥ΔT′时，说明机组即将进入快速结霜期，应开启除霜模式。

机组启机时室外换热器表面有霜工况

对于机组启机时室外换热器表面有霜工况，如果此时结霜状况发展到结霜第三阶段，而由于刚启机，不能满足制热能效比COP迅速下降这一条件，机组无法正确作出除霜判定，可能造成有霜不除的现象。此时，我们设定在机组性能恶化点时霜层厚度所对应的翅片温度与环境温度的传热温差作为判定是否除霜的依据。

当机组启机前，室外换热器翅片表面可能因为环境因素，有霜存在。如果此时结霜状况发展到结霜第三阶段，而由于刚启机，不能满足最小运行预计时间TMin，机组无法正确作出除霜判定，而造成有霜不除的现象。此时，我们设定在机组性能恶化点时霜层厚度所对应的翅片温度与环境温度的传热温差作为判定是否除霜的依据。

选用额定制冷量11.2KW的热泵机组，在空气温度Ta＝-15～5℃，空气相对湿度RH＝65％～90％时，通过实验得到如图3所示的典型实验工况下霜层厚度和霜层增长速率随结霜时间的变化曲线。

从图3中可看出，热泵机组室外换热器存在结霜的三个阶段，在结霜第三阶段，机组性能出现急剧恶化点，霜层增长速率急剧变大，霜层厚度急剧增长，且二者为对应关系，我们可以通过此时的霜层厚度来表征机组性能恶化点以作为除霜判定依据，且此霜层厚度不受机组是否运行的影响，可以作为机组启机时室外换热器表面有霜工况的判定依据。

由于霜层厚度不易测量，我们可以把性能恶化点时刻霜层厚度对应的翅片温度与环境温度的传热温差作为判定是否除霜的依据。机组性能恶化点时刻，环境温度Ta已知，室外机翅片温度Tw由温度传感器实时记录，直接由这两个参数确定机组性能恶化点时刻的传热温差ΔT′。当空气源热泵机组一旦结霜，换热器就会增加额外的热阻，使得蒸发器与环境之间的换热系数减小，传热温差ΔT增大。传热温差ΔT并不是一成不变的，ΔT随着环境温度Ta的改变而改变。在结霜区域内，ΔT的变化不大，实验过程中，可采用加权平均值的方法求出所优化的参数值ΔT′。当机组启动时所测传热温差ΔT<ΔT′时，说明机组在稳定阶段内运行，继续制热；当ΔT≥ΔT′时，说明机组即将进入快速结霜期，直接进入除霜状态。

本发明的实施例中除霜的工作流程图如图4所示。

其中，最小运行预定时间TMin设定，机组在制热模式下盘管温度<0℃并且压缩机处于开启状态，开始计时，到结霜第二阶段时停止计时。结霜判定时间TM从制热模式下盘管温度<0℃并且压缩机开始计时，通过热泵内部时间记录仪采集并与TMin进行比较。

除霜退出温度和化霜时间的优化

如果除霜退出过早，蒸发器表面霜层除不尽，容易在下一个循环周期内形成“二次结霜”现象，使霜层更厚；如果退出过晚，出水温度过低，室内温度下降，影响室内人体舒适度。因此，记录翅片表面霜层除尽时的翅片表面烘干时翅片温度Tw′和翅片表面烘干时的化霜时间TR′作为判定退出除霜的依据，如图5所示，当室外机翅片表面温度Tw≥Tw′或实际化霜时间TR≥TR′二者任一条件满足时，结霜除霜。

上述控制参数中，最小运行预定时间TMin、机组性能恶化点蒸发温度变化率B′、性能恶化点霜层厚度所对应的传热温差ΔT′、翅片表面霜层除尽时翅片表面温度Tw′、融霜时间TR′，由于不同机组所处地区不同，且功率等也不同，导致不同机组运行情况不同，各个参数也不同，具体实施方法在前面已经提到，在实际运行前各机组应根据各自的运行状况进行焓差实验，测出各自对应的判定条件参考值。本发明适用于采用温度-时间除霜控制法的热泵机组。

实施例的作用与效果

本实施例所涉及的热泵除霜方法提出了基于热泵机组性能恶化点作为除霜判定依据，避免了由于除霜累计时间与实际结霜情况的不适用而造成的不除霜或误除霜的情况，提高了机组在极端工况下的适应性。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种热泵除霜方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在预定的环境参数下，通过实验获取所述热泵的蒸发温度值、测量时间值、霜层厚度以及结霜时间数据，得到对应的结霜过程中蒸发温度随时间变化曲线和霜层厚度及增长速率随时间的变化曲线，并设定最小运行预定时间TMin；

步骤2，设定性能恶化点，所述性能恶化点为在所述结霜过程中蒸发温度随时间变化曲线中蒸发温度开始迅速下降的点，通过计算得到所述性能恶化点对应的蒸发温度速率变化范围值B′，在所述霜层厚度及增长速率随时间的变化曲线中，设定性能恶化点时刻的传热温差ΔT′；

步骤3，热泵机组启动，对室外换热器表面的积霜进行判定，判断与所述热泵机组相连的室外换热器表面有无霜的情况，如无霜，进入下一步，如有霜，进入步骤6；

步骤4，设定结霜判定时间TM，并与最小运行预定时间TMin进行比较，当TM<TMin时，说明机组在稳定阶段内运行，可以继续制热；当TM≥TMin时，进入下一步；

步骤5，采用数据记录仪每隔一定的时间段记录一次蒸发温度，得到蒸发温度随时间的变化率B，并与所述性能恶化点对应的蒸发温度速率变化范围值B′进行比较，当B>B′时，说明空气源热泵机组在稳定段内正常运行，可以正常继续制热；当B≤B′时，进入步骤7；

步骤6，测量机组启动时传热温差ΔT，并与ΔT′进行比较，当ΔT<ΔT′时，说明机组在稳定阶段内运行，继续制热；当ΔT≥ΔT′时，说明机组即将进入快速结霜期，进入下一步；

步骤7，开启除霜模式。

2.根据权利要求1所述的热泵除霜方法，其特征在于：

其中，在步骤2中，B′＝ΔT′_e/Δt

ΔT′_e为性能恶化点对应的蒸发温度变化量，Δt为时间间隔。

3.根据权利要求1所述的热泵除霜方法，其特征在于：

其中，在步骤5中，B＝ΔT_e/Δt，ΔT_e为蒸发温度变化量。

4.根据权利要求1所述的热泵除霜方法，其特征在于：

其中，TMin为从所述热泵机组制热模式下盘管温度<0℃并且压缩机开启开始计时，到结霜减速生长阶段时停止计时，通过实验测得的数值。

5.根据权利要求1所述的热泵除霜方法，其特征在于：

其中，在步骤4中，结霜判定时间TM为从所述热泵机组制热模式下盘管温度<0℃并且压缩机启动时开始计时，通过热泵内部的时间记录仪采集结霜判定时间。

6.根据权利要求1所述的热泵除霜方法，其特征在于：

其中，在步骤4前，对环境温度Ta和室外机翅片表面温度Tw进行判断，

当Ta≤12℃且Tw≤0℃时进入步骤4。

7.根据权利要求1所述的热泵除霜方法，其特征在于：

其中，所述数据记录仪采用安捷伦数据记录仪。

8.根据权利要求1所述的热泵除霜方法，其特征在于，还包括：

步骤8，当Tw≥Tw′或TR≥TR′二者任一条件满足时，结束除霜，

Tw为室外机翅片表面温度，TR为实际化霜时间，

Tw′为翅片表面烘干时翅片温度，TR′为翅片表面烘干时的化霜时间。