CN109614663A - 一种评价空气源热泵抑霜能力的方法 - Google Patents

Abstract

一种评价空气源热泵抑霜能力的方法，属于抑霜技术领域。基于室外侧蒸发器在空气侧、制冷剂侧及换热器的换热，根据能量守恒，建立以换热温差(即环境温度‑蒸发温度)为目标的数学模型，提出换热温差与关键部件设计参数的关系，定义配比系数R，基于抑霜评价参数并结合R，建立抑霜目标的数学计算模型，即建立抑霜目标参数ΔT、v与R的数学模型，在标准结霜工况下提出抑霜评价基准，进行不同配置机组的抑霜能力评价。本发明可以评价不同配置机组抑霜能力。

Description

一种评价空气源热泵抑霜能力的方法

技术领域

本发明属于空气源热泵抑霜技术领域，涉及空气源热泵压缩机、室外侧风机和室外侧蒸发器的配比计算模型和抑霜评价模型，可评价不同配置机组的抑霜能力。

背景技术

“空气源热泵”是近年来全世界倍受关注的节能技术，欧盟、日本等国家早已将其列入可再生能源技术，美国能源部将空气源热泵列为21世纪最具节能潜力的15项空调技术措施之一，我国住房和城乡建设部于2015年正式将其纳入可再生能源利用技术范畴，空气源热泵已成为我国重要的建筑能源形式，并广泛用于我国寒冷和夏热冬冷(暖)地区。目前，空气源热泵已在京津冀地区“煤改电”中广泛利用，更是长江流域和川西藏区解决供暖问题的首选节能技术。可见，空气源热泵作为高效的可再生能源利用技术，在我国具有广阔的应用空间和价值。

空气源热泵在冬季运行中“结霜”现象是不可避免，一旦室外蒸发器表面温度同时低于空气“露点”温度及水蒸气“冰点”温度，蒸发器表面就会结霜。结霜会导致蒸发温度降低、压缩比增大、过热度减少，造成机组运行不稳定及制热性能衰减等问题。研究表明，霜层的覆盖会造成机组COP下降35％～60％，制热能力下降30％～57％。可见，有效抑制空气源热泵“频繁结霜”，可以提高机组实际运行性能。

然而，目前机组在设计时其名义工况(干湿球温度7/6℃，-12/-14℃)偏离结霜工况，未充分体现结霜性能，不能清晰的描述机组的抑霜能力。因此，能够准确评价机组的抑霜能力，将有效推动抑霜技术的发展，促进机组运行性能的提升，同时可为空气源热泵技术在我国应用与发展助力。

发明内容

空气源热泵在冬季供热运行中“结霜”现象会造成机组运行性能下降，抑制结霜可以有效提高机组实际运行性能，为了能评价不同机组的抑霜能力，本发明的目的是提供一种评价空气源热泵抑霜能力的方法，用于评价机组抑霜能力，为机组的抑霜能力优化指明方向。

为达到上述目标,本发明的一种评价空气源热泵抑霜能力的方法是：基于室外侧蒸发器在空气侧、制冷剂侧及换热器的换热，根据能量守恒，建立以换热温差(即环境温度-蒸发温度)为目标的数学模型，提出换热温差与关键部件设计参数的关系，定义配比系数R，基于抑霜评价参数并结合R，建立抑霜目标的数学计算模型，在标准结霜工况下提出抑霜评价基准，进行不同配置机组的抑霜能力评价，具体步骤如下：

第一步，提出换热温差与关键部件设计参数的关系。根据蒸发器在空气侧、制冷剂侧及换热器的换热能量守恒，建立以换热温差ΔT(环境温度-蒸发温度)为因变量，机组本构参数、制冷剂和空气物性等参数为自变量的数学模型；

第二步，提出配比系数R。根据上述第一步得到的数学模型，综合反映机组本构特性的参数，定义配比系数R，R＝f₁(n,V₀,F_e,G)，其中，n为压缩机转速，单位为r/s；V₀为压缩机排气量，m³/rev；F_e为蒸发器换热面积，单位为m²；G为风机风量，单位为m³/s；该系数R可以反映机组中风机、蒸发器以及压缩机的配比关系；

第三步，引入抑霜评价参数。换热温差ΔT和结霜速率v作为抑霜评价参数，其中换热温差ΔT表示为环境温度和蒸发温度的差值，可以间接揭示机组的抑霜潜力；结霜速率v定义为蒸发器单位面积单位时间化霜水的质量，即可以直接反映机组的结霜能力，式中M为一个结除霜周期内所承接的化霜水的质量，单位为g，F_e为室外蒸发器的换热面积，单位为m²，t为结霜时间，单位为min；

第四步，建立抑霜目标计算模型。标准结霜工况下，通过实验测试研究，建立抑霜目标参数ΔT、v与R的关系模型，即ΔT＝f₂(R)和v＝f₃(R)，其中，ΔT单位为℃，v单位为g/(m².min)，该模型可以计算机组不同设计配比下的抑霜目标ΔT_n、v_n；

第五步，提出抑霜评价基准。根据文章《不同除霜周期对空气源热泵运行性能影响的实测研究》的研究，机组在轻霜下名义结除霜损失系数最低。因此，以室外蒸发器表面轻霜为目标，在标准结霜工况(2/1℃)下，拟定抑霜评价基准为：ΔT_jz＝3℃，v_jz＝0.3g/(m².min)；

第六步，评价机组抑霜能力。通过第二步配比系数计算特定机组配比即特定的风机、蒸发器以及压缩机的配置下计算出的配比系数，并进一步根据第四步中的模型ΔT＝f₂(R)和v＝f₃(R)，计算标准结霜工况下的ΔT_n、和v_n，对比第五步中的ΔT_jz和v_jz，明确与抑霜目标的差距，按照公式计算抑霜潜力γ_ΔT、抑霜程度χ_v，进而评价机组，若γ_ΔT和χ_v小于0抑霜能力需要优化；若大于0，则不需优化。

进一步优选采用如下步骤：

(1)提出换热温差与关键部件设计参数的关系

室外侧换热器制冷剂侧的沸腾换热：

q_r＝nρ_rη_vV₀(h_eo-h_ei) (1)

式中：n为压缩机转速，r/s；η_v为压缩机的容积效率；V₀为压缩机排气量，m³/rev；ρ_r为压缩机吸入口制冷密度，kg/m³；h_ei，h_eo分别为室外侧换热器入口和出口制冷剂的比焓，kJ/(kg.℃)。

室外侧换热器的对流换热：

式中：K_e为室外侧换热器传热系数，W/(m²/℃)；F_e为室外侧换热器换热面积，m²；T_e为蒸发温度，℃；T_ai，T_ao分别为室外侧换热器进、出风温度，℃。

蒸发温度与冷却空气出口温度存在一定差值，通常情况下取6～8℃，即

ΔT_o＝T_ao-T_e (3)

又

ΔT＝T_ai-T_e (4)

则有

室外侧换热器空气侧的对流换热：

q_a＝ρ_ac_pG(T_ai-T_ao)＝ρ_ac_pG(ΔT-ΔT_o) (6)

式中：c_p为空气比热，J/(kg.℃)；ρ_a空气密度，kg/m³；G风机的风量，m³/s；T_ai，T_ao分别为蒸发器进、出风温度，℃。

根据能量守恒，可知，

两边对ΔT进行求导，

令则

ΔT²-ΔT_oΔT-X＝0 (11)

当ΔT_o ²-4X≥0，求得根为：

将系数X进行分项整理，如下：

可以发现在系数X中，第一项中G，F_e和nV₀可分别反映风机、蒸发器以及压缩机的本构特征，第二项中为制冷剂的物性参数，可反映不同制冷剂的物性差异，第三项中为空气物性参数以及换热器传热系数。

(2)定义配比系数R

基于(1)中提出的换热温差与关键部件设计参数的关系，在此定义配比系数即R＝f₁(n,V₀,F,G)，该参数可以反映机组中风机、蒸发器以及压缩机的配比关系，其中A₀为偏差修正系数取值范围为0.1～1。

同时结合公式(12)和(13)则有

ΔT＝f(R) (14)

因此可以通过调整风机、蒸发器以及压缩机配置关系，改变配比系数，寻求抑制结霜的最佳换热温差，实现提高机组制热能效。

进一步公式(14)抑霜目标数学模型的建立：

关于公式(14)，基于多厂家空气源热泵机组，在标准结霜工况下进行测试研究，建立了抑霜目标参数ΔT、v与R的数学模型：

v＝f₃(R)＝-A₂R+B₂ (16)

式中：A₁，B₁，A₂，B₂为实验系数，分别根据机组制冷剂物性、空气参数修正系数以及测试工况实验确定。

本发明具有以下优点：

1)以抑霜为目标，提出了抑霜配比系数，该系数综合了机组多部件(压缩机、室外侧风机和室外侧蒸发器)进行匹配，可以反应机组的配比关系；

2)可以针对特定机组，通过计算实际ΔT、v，对比抑霜评价基准，进行评价机组抑霜能力，有利于明确机组下一步的优化空间；

3)首次提出了空气源热泵机组抑霜能力评价体系，将有效推动抑霜技术的发展，同时为空气源热泵技术在我国应用与发展助力。

附图说明

图1是空气源热泵(冷水)机组的原理图。

1压缩机、2蒸发器、3风机。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

本发明所提出来的一种评价空气源热泵抑霜能力的方法，可以用来评价机组的抑霜能力，明确机组的抑霜能力，为机组下一步的优化指明方向。下面针对某品牌空气源热泵(冷水)机组，结合附图对本发明的指导实施过程作进一步详细描述：

(1)图1为该机组原理图，根据机组的实际配置情况，确定额定工况下的压缩机1的运行转速n为75r/s和排气量V₀为41.5m³/rev，蒸发器2的换热面积F为83.4m²，室外侧风机3额定风量G为5000m³/h；

(2)根据计算该设计配置下的配比系数R_n为12×10⁶s/m；

(3)根据抑霜计算模型，即公式(15)和(16)，计算出设计抑霜目标ΔT_n为4.4℃，v_n为0.83g/(m².min)；

(4)根据抑霜评价基准ΔT_jz＝3℃，v_jz＝0.3g/(m².min)，计算出该目标下的γ_ΔT＝-0.47、χ_v＝-1.8，说明该机组抑霜能力低于目标基准值，进而可以明确该机组下一步的优化空间。

Claims (3)

1.一种评价空气源热泵抑霜能力的方法，其特征在于，基于室外侧蒸发器在空气侧、制冷剂侧及换热器的换热，根据能量守恒，建立以换热温差(即环境温度-蒸发温度)为目标的数学模型，提出换热温差与关键部件设计参数的关系，定义配比系数R，基于抑霜评价参数并结合R，建立抑霜目标的数学计算模型，在标准结霜工况下提出抑霜评价基准，进行不同配置机组的抑霜能力评价，具体步骤如下：

第一步，提出换热温差与关键部件设计参数的关系，根据蒸发器在空气侧、制冷剂侧及换热器的换热能量守恒，建立以换热温差ΔT(环境温度-蒸发温度)为因变量，机组本构参数、制冷剂和空气物性等参数为自变量的数学模型；

第二步，提出配比系数R，根据上述第一步得到的数学模型，综合反映机组本构特性的参数，定义配比系数R，R＝f₁(n,V₀,F_e,G)，其中，n为压缩机转速，单位为r/s；V₀为压缩机排气量，m³/rev；F_e为蒸发器换热面积，单位为m²；G为风机风量，单位为m³/s；该系数R可以反映机组中风机、蒸发器以及压缩机的配比关系；

第三步，引入抑霜评价参数，换热温差ΔT和结霜速率v作为抑霜评价参数，其中换热温差ΔT表示为环境温度和蒸发温度的差值，可以间接揭示机组的抑霜潜力；结霜速率v定义为蒸发器单位面积单位时间化霜水的质量，即可以直接反映机组的结霜能力，式中M为一个结除霜周期内所承接的化霜水的质量，单位为g，F_e为室外蒸发器的换热面积，单位为m²，t为结霜时间，单位为min；

第四步，建立抑霜目标计算模型，标准结霜工况下，通过实验测试研究，建立抑霜目标参数ΔT、v与R的关系模型，即ΔT＝f₂(R)和v＝f₃(R)，其中，ΔT单位为℃，v单位为g/(m².min)，该模型可以计算机组不同设计配比下的抑霜目标ΔT_n、v_n；

第五步，提出抑霜评价基准，以室外蒸发器表面轻霜为目标，在标准结霜工况(2/1℃)下，拟定抑霜评价基准为：ΔT_jz＝3℃，v_jz＝0.3g/(m².min)；

第六步，评价机组抑霜能力，通过第二步配比系数计算特定机组配比即特定的风机、蒸发器以及压缩机的配置下计算出的配比系数，并进一步根据第四步中的模型ΔT＝f₂(R)和v＝f₃(R)，计算标准结霜工况下的ΔT_n、和v_n，对比第五步中的ΔT_jz和v_jz，明确与抑霜目标的差距，按照公式计算抑霜潜力γ_ΔT、抑霜程度χ_v，进而评价机组。

2.按照权利要求1所述的一种评价空气源热泵抑霜能力的方法，其特征在于采用如下步骤：

(1)提出换热温差与关键部件设计参数的关系

室外侧换热器制冷剂侧的沸腾换热：

q_r＝nρ_rη_vV₀(h_eo-h_ei) (1)

式中：n为压缩机转速，r/s；η_v为压缩机的容积效率；V₀为压缩机排气量，m³/rev；ρ_r为压缩机吸入口制冷密度，kg/m³；h_ei，h_eo分别为室外侧换热器入口和出口制冷剂的比焓，kJ/(kg.℃)；

室外侧换热器的对流换热：

式中：K_e为室外侧换热器传热系数，W/(m²/℃)；F_e为室外侧换热器换热面积，m²；T_e为蒸发温度，℃；T_ai，T_ao分别为室外侧换热器进、出风温度，℃；

蒸发温度与冷却空气出口温度存在一定差值，通常情况下取6～8℃，即

ΔT_o＝T_ao-T_e (3)

又

ΔT＝T_ai-T_e (4)

则有

室外侧换热器空气侧的对流换热：

q_a＝ρ_ac_pG(T_ai-T_ao)＝ρ_ac_pG(ΔT-ΔT_o) (6)

式中：c_p为空气比热，J/(kg.℃)；ρ_a空气密度，kg/m³；G风机的风量，m³/s；T_ai，T_ao分别为蒸发器进、出风温度，℃；

根据能量守恒，可知，

两边对ΔT进行求导，

令则

ΔT²-ΔT_oΔT-X＝0 (11)

当ΔT_o ²-4X≥0，求得根为：

将系数X进行分项整理，如下：

可以发现在系数X中，第一项中G，F_e和nV₀可分别反映风机、蒸发器以及压缩机的本构特征，第二项中为制冷剂的物性参数，可反映不同制冷剂的物性差异，第三项中为空气物性参数以及换热器传热系数；

(2)定义配比系数R

基于(1)中提出的换热温差与关键部件设计参数的关系，在此定义配比系数即R＝f₁(n,V₀,F,G)，该参数可以反映机组中风机、蒸发器以及压缩机的配比关系，其中A₀为偏差修正系数取值范围为0.1～1；

同时结合公式(12)和(13)则有

ΔT＝f(R) (14)

因此可以通过调整风机、蒸发器以及压缩机配置关系，改变配比系数，寻求抑制结霜的最佳换热温差；

进一步公式(14)抑霜目标数学模型的建立：

关于公式(14)，基于多厂家空气源热泵机组，在标准结霜工况下进行测试研究，建立了抑霜目标参数ΔT、v与R的数学模型：

v＝f₃(R)＝-A₂R+B₂ (16)

式中：A₁，B₁，A₂，B₂为实验系数，分别根据机组制冷剂物性、空气参数修正系数以及测试工况实验确定。

3.根据权利要求1所述的一种评价空气源热泵抑霜能力的方法，其特征在于，若γ_ΔT和χ_v小于0抑霜能力需要优化；若大于0，则不需优化。