CN109654775A - 一种除霜控制方法及空气源热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种除霜控制方法及空气源热泵系统，包括以下步骤：（1）、检测靠近蒸发器冷媒入口位置处的空气温度Ts以及环境温度Th；（2）、将相同时刻所检测的空气温度Ts与环境温度Th求差值计算；（3）、若步骤（2）中的差值不小于第一设定阈值，则系统进入除霜过程，否则，系统运行制热过程。本除霜控制方法的除霜判断机理是基于蒸发器结霜过程霜层的生长特点和分布规律，判断准确，能够实现“按需除霜”，不会出现现有的双温度传感器法在寒冷干燥环境下频繁出现误除霜的现象，大大提高了系统运行的能效比和可靠性。与其它激光探测、光电转换等除霜控制方法相比，本发明结构简单，成本低，非常容易与现有的空气源热泵系统结合推广使用。

Description

一种除霜控制方法及空气源热泵系统

技术领域

本发明涉及暖通空调热泵领域，具体地说，是涉及一种除霜控制方法及应用于该控制方法的空气源热泵系统。

背景技术

空气源热泵在冬季供热运行时，室外换热器通常要发生结霜现象，当霜层达到一定厚度时，需要对换热器进行除霜，目前应用最为广泛的除霜方法是室内/室外双温度－时间法，该方法简单、廉价、容易实施，但其应用在寒冷干燥工况（如华北地区）下 ，却经常出现误除霜事故，研究表明，在该工况下，“无霜除霜”事故占总除霜次数的比例高达70%，致使系统的有效供热量大幅损失，COP大幅下降，而且威胁机组的安全运行，系统运行的可靠性大大降低，还有一些其它除霜方法，如温度－湿度－时间、空气侧压差、风机电流－蒸发温度、激光测霜、光电耦合及转换方法等，这些方法由于不易实行、造价过高等原因导致其在实践中难以应用，所以研发简单可靠、成本低、无论什么环境都能实现“按需除霜”的除霜方法是非常有必要的，是空气源热泵高效可靠运行的重要保证。

发明内容

本发明为了解决现有空气源热泵进入除霜条件判断不准确，容易出现误除霜故障，导致能量损失，同时威胁机组安全运行的技术问题，提出了一种除霜控制方法，可以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种除霜控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、检测靠近蒸发器冷媒入口位置处的空气温度Ts以及环境温度Th；

（2）、将相同时刻所检测的空气温度Ts与环境温度Th求差值计算；

（3）、若步骤（2）中的差值不小于第一设定阈值，则系统进入除霜过程，否则，系统运行制热过程。

进一步的，步骤（1）之前，还包括对系统连续制热运行时间计时的步骤，步骤（3）中若同时满足系统运行时间不小于第一设定时间，则系统进入除霜过程。

进一步的，步骤（3）中还包括判断当前空气温度Ts的步骤，当Ts同时满足一定条件时，系统才能进入除霜过程，否则，系统运行制热过程。

进一步的，若当前空气温度Ts大于第一设定温度且小于第二设定温度，则系统进入除霜过程，其中，第一设定温度小于第二设定温度。

进一步的，若同时满足当前空气温度Ts大于第三设定温度且当小于第四设定温度，系统进入除霜过程,则压缩机停止运行，蒸发器的风扇正常运行，其中，第三设定温度大于第一设定温度且小于第四设定温度。

进一步的，系统的除霜过程为逆循环除霜方式或热气旁通除霜方式时，还包括判断当前空气温度Ts的步骤，若当前空气温度Ts大于第五设定温度，则系统除霜过程结束，恢复正常的制热过程，其中，第五设定温度大于0。

进一步的，步骤（3）中系统进入除霜过程之后的第三设定时间内，还包括计算当前空气温度Ts变化率的步骤，若当前空气温度Ts变化率大于第二设定阈值，则系统退出除霜过程。

进一步的，当系统的除霜过程为逆循环除霜方式之外的其他除霜方式时，步骤（3）中进入除霜过程之后还包括对除霜时长进行计时的步骤，若除霜时长不小于第二设定时间，则系统退出除霜过程。

进一步的，用于检测空气温度Ts的温度传感器设置于靠近蒸发器冷媒入口位置处的相邻两翅片之间。

本发明同时提出了一种空气源热泵系统，包括压缩机、蒸发器、节流阀、冷凝器，所述蒸发器包括与所述压缩机连通的盘管以及与所述盘管固定的翅片，还包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器设置于系统制热模式时靠近蒸发器冷媒入口位置处，位于相邻两翅片之间，用于检测该位置处的空气温度Ts，所述第二温度传感器设置于远离所述蒸发器的位置处，用于检测环境温度，所述第一温度传感器与所述翅片以及盘管均存在间隙，所述空气源热泵系统按照前面任一条所记载的除霜控制方法进行除霜过程开始和结束的判断。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的除霜控制方法，通过检测靠近蒸发器冷媒入口位置处的空气温度Ts，在系统制热运行时，该位置处最后结霜，而该位置在未结霜前的温度接近于环境温度，不同时刻的空气温度差值变化不大，该位置结霜后，用于检测空气温度Ts的传感器被被霜层覆盖，而霜层又与盘管紧密接触，所以所检测的空气温度骤降，其与环境温度的差值大幅增加，当差值超过一定限值时，说明该位置已经结满霜，进而说明整个翅片已经结满霜，然后系统进入除霜过程，本除霜控制方法的除霜判断机理是基于蒸发器结霜过程霜层的生长特点和分布规律，判断准确，能够实现“按需除霜”，不会出现现有的双温度传感器法在寒冷干燥环境下频繁出现误除霜的现象，可大大提高系统运行的的能效比和可靠性。与其它激光探测、光电转换等除霜控制方法相比，本发明结构简单，成本低，非常容易与现有的热泵系统结合推广使用。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提出的除霜控制方法的一种实施例流程图；

图2是本发明所提出的热泵系统的一种实施例原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，空气源热泵在冬季环境温度较低工况下制热运行时，蒸发器的翅片管表面通常都会结霜，在结霜过程中，翅片管表面霜层的分布情况与其表面的温度有关，而翅片管表面的温度与管里低温冷媒的流动换热特性有关。研究表明，冷低温冷媒在管内流动时，由于管壁摩擦阻力的存在，冷媒的压力会逐渐下降，理论上，紊流时摩阻压降与流体速度的平方成正比，所以冷媒流速的变化对摩阻压降的影响非常大，而冷媒流速的变化与冷媒的气液比例有关，液体所占的比例越大（质量越大），冷媒流速越小（通常在0.5-1.0m/s之间），随着液态冷媒的吸热汽化，气体所占的比例逐渐增大，流速逐渐增加（通常在2.0m/s以上），冷媒的压力降逐渐增加，即冷媒的蒸发温度逐渐下降，对应于翅片管表面的温度也较低，越容易结霜，所以一般冷媒（液态）进口处所对应的翅片管温度较高，往往最后结霜，冷媒（气态）出口处所对应的翅片管温度较低，往往最先结霜，发明人前期做结除霜实验时蒸发器表面结霜不均的现象也证明了这一点。因此，本实施例通过检测靠近蒸发器冷媒入口位置处相邻两翅片之间的空气温度Ts，当该位置处未结霜时，所检测到的温度Ts与环境温度Th的差值的绝对值变化不大（不超过2℃），当该位置处发生结霜被霜层完全覆盖和堵塞时，所检测的是霜层的温度，而霜层又与盘管紧密接触（环境温度与盘管表面的温度之差约为7~12℃），所以检测到的温度Ts骤降，由于用于检测环境温度的温度传感器远离蒸发器，检测结果不受其结霜状态的影响，检测的始终是环境温度，而在短时间内环境温度的变化很小，因此，在结霜状态和未结霜状态，空气温度Ts与环境温度Th之间的差值之差较大，约5~10℃，因此本方案中通过判断相同时刻空气温度Ts与环境温度Th之间的差值超过一定限值（如超过5℃）时，说明该位置出现了结霜，由于靠近蒸发器冷媒入口位置最后结霜，进而可判断出整个翅片已经结满霜，遂系统进入除霜过程，具体的，本实施例的除霜控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、检测靠近蒸发器冷媒入口位置处的空气温度Ts以及环境温度Th；

S2、将相同时刻所检测的空气温度Ts与环境温度Th求差值计算；

S3、若步骤S2中的温度差值不小于第一设定阈值，则系统进入除霜过程，否则，系统运行制热过程。

步骤S1中Ts为靠近蒸发器冷媒入口位置处且位于相邻两翅片之间的温度，该位置较为特殊，在未结霜时有空气流动，所检测的温度为环境温度或者接近环境温度，当结霜时该位置会被霜层覆盖，空气无法流动，因此所检测的温度为霜层温度，因此，空气温度Ts与环境温度Th之间的差值在未结霜时与结霜时的差值较大，通过判断两者之间的差值，进而判断靠近蒸发器冷媒入口位置处且位于相邻两翅片之间的结霜状态，优选的，第一设定阈值取5℃。

如图2所示，本实施例的蒸发器包括翅片12和固定在翅片12上的盘管11，在翅片12和盘管11的一侧还设置有风机（图中未示出），翅片12和盘管11相互垂直组成翅片管，风机位于翅片12和盘管11的一侧，风机运行时抽吸空气流过翅片管结构，与盘管11里的低温冷媒换热，系统制热时蒸发器中冷媒的流向如图中箭头所示，第一温度传感器13设置于系统制热模式时靠近蒸发器冷媒入口位置处，且位于相邻两翅片之间，第一温度传感器13置于蒸发器最后结霜的位置，第一温度传感器13置于相邻两片翅片12的间隙中，且第一温度传感器13不与其周围的翅片12和盘管11相接触，其用于检测该位置处的空气的温度，当该位置未结霜时，被风机带动的空气流经此处，第一温度传感器检测的温度为环境温度或者接近环境温度，当该位置结霜时，温度传感器检测的温度为霜层的温度。第二温度传感器14设置于远离所述蒸发器的位置处，用于检测环境温度，温度传感器13不同于传统的环境温度传感器，由于其所处的特殊位置，在结霜和未结霜状态下所检测的温度值与环境温度之间的差值很大，因此本方案中通过判断相同时刻空气温度Ts与环境温度Th之间的差值超过一定限值（如超过5℃）时，说明该位置出现了结霜，由于靠近蒸发器冷媒入口位置最后结霜，进而可判断出整个翅片已经结满霜，遂系统进入除霜过程。本实施例中除霜控制方法的除霜判断机理是基于蒸发器结霜过程霜层的生长特点和分布规律，判断准确，能够实现“按需除霜”，不会出现现有的双温度传感器法在寒冷干燥环境下频繁出现误除霜的现象，大大提高了系统运行的能效比和可靠性。与其它激光探测、光电转换等除霜控制方法相比，本发明结构简单，成本低，非常容易与现有的热泵系统结合推广使用。

空气温度Ts的检测周期T可以设定为定值（可取3~8分钟），也可以根据空气湿度设定，空气湿度越高，结霜速率越快，相应的周期T越小。

作为一个优选的实施例，步骤S1之前，还包括对系统连续制热运行时间计时的步骤，其中系统是指空气源热泵系统，步骤S3中，若步骤S2中的温度差值不小于设定阈值且系统连续制热运行时间不小于第一设定时间，则系统进入除霜过程。由于结霜速率的快慢与空气湿度有直接关系，研究表明，空气的相对湿度越大，结霜速率越快，但即使在相对湿度大于95%的工况下，蒸发器表面结满霜也得40分钟以上，所以优选的，第一设定时间可设定为40分钟，也就是说，系统至少要连续制热运行40分钟才能发出除霜指令，从而进一步提高本除霜控制方法的精准性。

除霜方式有多种，如逆循环除霜、热气旁通除霜、电加热除霜等，无论采用何种除霜方式，采用本除霜控制方法作为系统判断进入除霜的条件时，均属于本专利的保护范围。

步骤S3中还包括判断当前空气温度Ts的步骤，若同时满足当前空气温度Ts大于第一设定温度且小于第二设定温度，则系统进入除霜过程。研究表明，蒸发器在环境温度-10℃~5℃之间时才有可能结霜，超出这个范围基本不会结霜，相应的霜层温度为-15℃~0℃，优选的，第一设定温度可设定为-15℃，第二设定温度可设定为0℃，步骤S3中可能是存在其他意外状况导致不同时刻所检测的空气温度差满足了进入除霜过程的条件，从而引发误除霜，本步骤通过进一步条件判断解决了这一问题，从而提高了本除霜控制方法的精准性。

若当前空气温度Ts大于第三设定温度且当小于第四设定温度，系统进入除霜过程,则压缩机停止运行，蒸发器的风扇正常运行，其中，第三设定温度大于第一设定温度且小于第四设定温度，优选的，第三设定温度为-5℃，第四设定温度为0℃，即当环境温度在1℃~5℃之间（相应的霜层温度为-5℃~0℃）时，本发明利用环境中的热量自然融霜，可大大减少除霜能耗（除霜能量仅为风机的耗功，非常少）。

当系统除霜过程为逆循环或热气旁通除霜方式时，还包括判断当前空气温度Ts的步骤，除霜过程中，随着温度传感器周围霜层的融化，空气温度开始升高，当温度超过第五设定温度时，说明蒸发器表面的霜层已经全部融化，即除霜过程结束。根据经验，优选的，第五设定温度可取20℃。

系统进入除霜过程（逆循环或热气旁通除霜方式）之后的第三设定时间内，还包括计算当前空气温度Ts变化率的步骤，若当前空气温度Ts变化率大于第二设定阈值，则系统退出除霜过程。当系统发生误除霜时，由于温度传感器周围没有霜，因此温度在很短的时间内就会升的很高，优选的，5s内升高20℃，即第二设定阈值为4，该步骤可有效解决系统因发生误除霜而出现故障的问题。

当除霜过程为非逆循环和热气旁通除霜的其它除霜方式时，步骤S3中进入除霜过程之后还包括对除霜时长进行计时的步骤，若除霜时长不小于第二设定时间，则系统退出除霜过程，恢复正常的制热过程。该类除霜方式可通过固定除霜时长，经实验验证满足一定的除霜时长时，蒸发器表面的霜层基本上能够除去。第二设定时间可根据经验值设定，例如，可设定10分钟，当然，可根据实际状况设定，不限于本实施例中所举例。

只有空气源热泵系统在制热模式下，且室外环境温度处于一定范围（一般为-10℃~5℃）时，才有可能结霜，也即才需要除霜控制，因此，步骤S1之前，还包括判断当前运行模式的步骤，若判断为当前运行模式为室内制热模式，则执行步骤S1～S3。否则，不为室内制热模式，相应无需执行步骤S1～S3，此时所检测的空气温度Ts可作为室外环境温度为系统所使用。

考虑到空气的相对湿度对结霜速率的影响，相对湿度越大，结霜速率越快，对应于温度传感器对于温度检测的检测时间间隔越短，我国不同地区的湿度不一样，同一地区每一天的湿度也是变化的，因此，优选周期性检测靠近蒸发器冷媒入口位置处的空气温度Ts以及环境温度Th；本步骤通过检测蒸发器进风口处的空气相对湿度φ，并根据空气相对湿度φ确定温度检测周期T，以使得温度检测周期T适用于任何地区、任何湿度工况下工作。

作为一个优选的实施例，步骤S1中根据所述空气相对湿度φ确定温度检测周期T的方法为：

当空气相对湿度φ＜m1时，温度检测周期T取值0，即不检测空气温度Ts，

当m1≦φ＜m2时，温度检测周期T取值t1，

当m2≦φ＜m3时，温度检测周期T取值t2，

当m3≦φ＜m4时，温度检测周期T取值t3，

当φ≥m4时，温度检测周期T取值t4；

其中，0＜m1＜m2＜m3＜m4＜1，t1＞t2＞t3＞t4＞0。

空气湿度对结霜速率存在影响，相对湿度越大，结霜速率越快，对应于温度传感器对于温度检测的检测周期越短，上述空气湿度与检测周期的对应关系可做成查找表的方式存入存储器，热泵系统每次开机运行时，首先检测空气湿度，并查找当前湿度所对应的温度检测周期T，进而可灵活适用于不同地区、不同季节以及不同天气状态下的工况环境，使得除霜控制他判断条件更加精确。

实施例二，本实施例提出了一种热泵系统，该热泵系统可作为空气调节系统，也可应用在热泵热水器中，本实施例的热泵系统包括压缩机、蒸发器，如图2所示，蒸发器包括翅片12和固定在翅片12上的盘管11，在翅片12和盘管11的一侧还设置有风机（图中未示出），翅片12和盘管11相互垂直组成翅片管，风机位于翅片12和盘管11的一侧，风机运行时抽吸空气流过翅片管结构，与盘管11里的低温冷媒换热，系统制热时蒸发器中冷媒的流向如图中箭头所示，第一温度传感器13设置于系统制热模式时靠近蒸发器冷媒入口位置处，且位于相邻两翅片之间，第一温度传感器13置于蒸发器最后结霜的位置，第一温度传感器13置于相邻两片翅片12的间隙中，且第一温度传感器13不与其周围的翅片12和盘管11相接触，其用于检测该位置处的空气的温度，当该位置未结霜时，被风机带动的空气流经此处，第一温度传感器检测的温度为环境温度或者接近环境温度，当该位置结霜时，温度传感器检测的温度为霜层的温度。第二温度传感器14设置于远离所述蒸发器的位置处，用于检测环境温度，温度传感器13不同于传统的环境温度传感器，由于其所处的特殊位置，在结霜和未结霜状态下所检测的温度值与环境温度之间的差距很大，因此本方案中通过判断相同时刻空气温度Ts与环境温度Th之间的差值超过一定限值（如超过5℃）时，说明该位置出现了结霜，由于靠近蒸发器冷媒入口位置最后结霜，进而可判断出整个翅片已经结满霜，遂系统进入除霜过程。本实施例的热泵系统按照实施例一中所记载的除霜控制方法进行除霜控制，具体可参见实施例一所记载，在此不做赘述。

现有的小型家用空调器的制作厂家为了节省成本，蒸发器的分液一般都是使用多个三通并联分液（正常是使用专用的分液器分液，但价格较贵，一般都是大型机组用），所以会导致分液不均，加之蒸发器表面的局部风量会有所不同（风机结构的影响）的综合影响，最终导致了中部和上部最后结霜，发明人做的实验结果也证明了这一点，所以本发明提供的除霜控制方法主要应用在小型家用空调器上时，温度传感器优选的放在蒸发器的中部和上部，对于其他类型的机组，可根据蒸发器的实际结霜情况设置温度传感器的位置。

优选在蒸发器进风口处设置有湿度传感器15，用于检测蒸发器进风口处的空气湿度φ。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种除霜控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、检测靠近蒸发器冷媒入口位置处的空气温度Ts以及环境温度Th；

（2）、将相同时刻所检测的空气温度Ts与环境温度Th求差值计算；

（3）、若步骤（2）中的差值不小于第一设定阈值，则系统进入除霜过程，否则，系统运行制热过程。

2.根据权利要求1所述的除霜控制方法，其特征在于，步骤（1）之前，还包括对系统连续制热运行时间计时的步骤，步骤（3）中若同时满足系统运行时间不小于第一设定时间，则系统进入除霜过程。

3.根据权利要求1所述的除霜控制方法，其特征在于，步骤（3）中还包括判断当前空气温度Ts的步骤，当Ts同时满足一定条件时，系统才能进入除霜过程，否则，系统运行制热过程。

4.根据权利要求3所述的除霜控制方法，其特征在于，若同时满足当前空气温度Ts大于第一设定温度且小于第二设定温度，则系统进入除霜过程，其中，第一设定温度小于第二设定温度。

5.根据权利要求3或4所述的除霜控制方法，其特征在于，若当前空气温度Ts大于第三设定温度且当小于第四设定温度，系统进入除霜过程,则压缩机停止运行，蒸发器的风扇正常运行，其中，第三设定温度大于第一设定温度且小于第四设定温度。

6.根据权利要求1-4任一项所述的除霜控制方法，其特征在于，系统的除霜过程为逆循环除霜方式或热气旁通除霜方式时，还包括判断当前空气温度Ts的步骤，若当前空气温度Ts大于第五设定温度，则系统除霜过程结束，恢复正常的制热过程，其中，第五设定温度大于0。

7.根据权利要求1-4任一项所述的除霜控制方法，其特征在于，步骤（3）中系统进入除霜过程之后的第三设定时间内，还包括计算当前空气温度Ts变化率的步骤，若当前空气温度Ts变化率大于第二设定阈值，则系统退出除霜过程。

8.根据权利要求1-4任一项所述的除霜控制方法，其特征在于，当系统的除霜过程为逆循环除霜方式之外的其他除霜方式时，步骤（3）中进入除霜过程之后还包括对除霜时长进行计时的步骤，若除霜时长不小于第二设定时间，则系统退出除霜过程。

9.根据权利要求1-4任一项所述的除霜控制方法，其特征在于，用于检测空气温度Ts的温度传感器设置于靠近蒸发器冷媒入口位置处的相邻两翅片之间。

10.一种空气源热泵系统，包括压缩机、蒸发器、节流阀、冷凝器，所述蒸发器包括与所述压缩机连通的盘管以及与所述盘管固定的翅片，其特征在于，还包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器设置于系统制热模式时靠近蒸发器冷媒入口位置处，位于相邻两翅片之间，用于检测该位置处的空气温度Ts，所述第二温度传感器设置于远离所述蒸发器的位置处，用于检测环境温度，所述第一温度传感器与所述翅片以及盘管均存在间隙，所述空气源热泵系统按照权利要求1-9任一项所记载的除霜控制方法进行除霜过程开始和结束的判断。