CN110542273B - 一种热泵系统的分级除霜起止判定方法 - Google Patents

一种热泵系统的分级除霜起止判定方法 Download PDF

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    • F25D21/125—Removing frost by hot-fluid circulating system separate from the refrigerant system the hot fluid being ambient air

Abstract

一种热泵系统的分级除霜起止判定方法，热泵系统包括压缩机、冷凝器、节流装置、换流器和套管式蒸发器，还包括除霜支路，除霜支路自冷凝器进口处为起点，依次经过换流器和套管式蒸发器，最后汇流至节流装置前；压缩机的吸排气口上分别设置有第一温度传感器和第二温度传感器，套管式蒸发器上设有第三温度传感器，套管式蒸发器的空气侧进出口处分别设有第一湿度传感器和第二湿度传感器和微压差传感器。本发明的热泵系统分级除霜起止判定方法能准确地判定除霜的起止点以及高效而精确地按结霜程度进行分级除霜，有效改善热提高热泵系统的用户舒适度，提高热泵系统运行的稳定性，并提高融霜效率，从而提高能源利用率。

Description

一种热泵系统的分级除霜起止判定方法
技术领域
本发明涉及热泵系统领域，特别涉及一种热泵系统的分级除霜起止判定方法。
背景技术
空气源热泵在冬季制热运行时，室外侧套管式蒸发器起蒸发器的作用，由于蒸发温度较低，蒸发器表面的温度也随之下降，甚至低于0℃，当室外空气流经蒸发器盘管时，其所含的水分就会析出形成霜层，逐步变厚的霜层增加了导热热阻，使流过蒸发器的空气流量大幅降低，进而降低了蒸发器的传热系数。随着霜层的增厚，最终将出现蒸发温度下降、制热量下降、风机性能衰减，进而影响系统整体的制热效率，严重时会出现停机，机组无法正常工作。因此需要对室外蒸发器进行定期除霜操作，目前传统热泵系统主要采用的是逆循环除霜以及附加电加热除霜。
空气源热泵以逆循环除霜模式运行时，蒸发器除霜起始点的判定方法主要有时间判定法、时间-温度判定法、压力判定法、光学判定法等。以上诸多方法普遍存在除霜工况测量误差偏大、除霜热能浪费明显、用户舒适性差而且不能按照结霜情况进行分级别除霜等问题。
目前出现了一种采用除霜支路进行正循环除霜的新型热泵系统，如何对新型系统的除霜情况进行精确判定，并进行分级除霜，是本领域技术人员需要解决的问题。
因此，有必要做进一步改进。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种结构简单、判定精确、热泵运行稳定性高、改善用户舒适性、有效节约除霜热能的热泵系统的分级除霜起止判定方法，以克服现有技术中的不足之处。
按此目的设计的一种热泵系统，包括压缩机、冷凝器、节流装置、换流器和套管式蒸发器，所述冷凝器分别与压缩机、节流装置和换流器相连接，所述换流器分别与节流装置、套管式蒸发器连接，套管式蒸发器分别与压缩机和节流装置连接，其特征在于：还包括除霜支路，所述除霜支路自冷凝器进口处为起点，依次经过换流器和套管式蒸发器，最后汇流至节流装置前；所述压缩机的吸排气口上分别设置有第一温度传感器和第二温度传感器，套管式蒸发器上设有第三温度传感器，套管式蒸发器的空气侧进出口处分别设有第一湿度传感器和第二湿度传感器和微压差传感器。
所述除霜支路上设有第一电磁阀，套管式蒸发器的内管入口处设有第二电磁阀，热泵系统的主循环流量以及除霜强度通过调节第一电磁阀和第二电磁阀的开度大小以及换流器控制管路共同完成。
所述套管式蒸发器上设有外管和内管，除霜支路经过外管后汇流至节流装置前。
所述热泵系统的分级除霜起止判定方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.测量套管式蒸发器总表面积A、空气过流截面积AL、翅片间距S等；
B.根据风机型号获得空气流量Va；
C.根据公式获得套管式蒸发器迎面风速，按以下公式计算：
va＝Va/AL
D.热泵系统运行后，通过套管式蒸发器上的第三温度传感器、第一湿度传感器、第一湿度传感器、微压差传感器以及压缩机吸排气口上的第一温度传感器、第二温度传感器获得热泵系统运行后蒸发器翅片平均温度Tf、套管式蒸发器前后的空气湿度da,in、da,out、套管式蒸发器前后的空气压差DP以及压缩机进出口处上温度的实时参数；
E.判断套管式蒸发器翅片平均温度Tf是否小于0℃，若高于Tf>0℃则热泵系统不动作，若Tf<0℃则热泵系统执行下一步；
F.采用Hosuda模型计算结霜厚度δ，按以下公式计算：
ρfr＝340|Tf|-0.455+85va
Figure GDA0003061171330000021
其中：ρfr为霜层密度：kg/m3，Tf为套管式蒸发器翅片平均温度：K，va为套管式蒸发器迎面风速:m/s，ma为空气流量：m3/s，t为Tf<0℃后热泵系统继续运行的时间：s,A为蒸发器总表面积：m2；
G.采用结霜厚度δ以及压缩机吸排气温差DT进行结霜程度双判据判定分析，本判据划分为等级Ⅰ-等级V，其中压缩机(1)吸排气温差DT在不同等级下的相互关系如下：N1＜N2＜N3＜N4，具体分级如下：
先判定等级Ⅰ：第一电磁阀、第二电磁阀均保持关闭，判据：
同时满足：
Figure GDA0003061171330000031
压缩机(1)吸排气温差DT＜N1
再判定等级Ⅱ：第一电磁阀开度k1、第二电磁阀开度K1，判据：
同时满足：
Figure GDA0003061171330000032
压缩机吸排气温差DT≥N1
然后判定等级Ⅲ：第一电磁阀开度k2、第二电磁阀开度K2，判据：
同时满足：
Figure GDA0003061171330000033
压缩机吸排气温差DT≥N2
之后判定等级IV：第一电磁阀开度k3、第二电磁阀开度K3，判据：
同时满足：
Figure GDA0003061171330000034
压缩机吸排气温差DT≥N3
最后判定等级V：第一电磁阀开度K4、第二电磁阀关闭，判据：
同时满足：
Figure GDA0003061171330000035
压缩机吸排气温差DT≥N4
其中，S为翅片间距：m，δ为霜层厚度：m；
H.当双判据中只有1个判据满足第N级指标，则执行第N-1级除霜响应，具体如下：
先判定等级Ⅰ：第一电磁阀、第二电磁阀均保持关闭，判据：
满足：
Figure GDA0003061171330000036
或压缩机吸排气温差DT≥N1
再判定等级Ⅱ：第一电磁阀开度k1、第二电磁阀开度K1，判据：
满足：
Figure GDA0003061171330000037
或压缩机吸排气温差DT≥N2
然后判定等级Ⅲ：第一电磁阀开度k2、第二电磁阀开度K2，判据：
满足：
Figure GDA0003061171330000038
或压缩机吸排气温差DT≥N3
最后判定等级IV：第一电磁阀开度k3、第二电磁阀开度K3，判据：
满足：
Figure GDA0003061171330000039
或压缩机吸排气温差DT≥N4
G.热泵系统执行第G或H步除霜响应后，则继续执行判定循环第D步，然后按前述步骤，继续重复执行D-H步除霜判定循环。
本热泵系统分级除霜起止判定方法采用结霜厚度以及压缩机吸排气温差为双判据判定结霜程度。
本热泵系统分级除霜起止判定方法依据具体的结霜厚度以及压缩机吸排气温差进行分级，并依据分级进行除霜强度调节。其中，压缩机吸排气温差大小的判据：吸排气温差DT≤N1；N2≥吸排气温差DT≥N1；N3≥吸排气温差DT≥N2；N4≥吸排气温差DT≥N3；吸排气温差DT≥N4。
结霜厚度以及压缩机吸排气温差双判据不能同时到达第N级时，则除霜强度开启第N-1级，具体为：当结霜厚度满足第N级，压缩机吸排气温差不满足第N级，则除霜强度开启第N-1级；当压缩机吸排气温差满足第N级，结霜厚度不满足第N级，则除霜强度开启第N-1级。
本发明的热泵系统分级除霜起止判定方法以测量热泵系统中套管式蒸发器前后空气压差，套管式蒸发器前后空气含湿量，翅片平均温度，压缩机吸排气温度等基本参数为基础进行计算，包括以下主要特点：采用结霜厚度计算模型以及压缩机吸排气温差为双判据，并预设结霜厚度以及吸排气温差分级，根据分级控制融霜管路循环中的电磁阀开度以及控制主循环制冷剂流向与流量的电磁阀。本发明的热泵分级除霜起止判定方法能准确地判定除霜的起止点以及高效而精确地按结霜程度进行分级除霜，有效改善热提高热泵系统的用户舒适度，提高热泵系统运行的稳定性，并提高融霜效率，从而提高能源利用率。
附图说明
图1为本发明一实施例中热泵系统的结构原理图。
图2为本发明一实施例中换流器的内部结构图。
图3为本发明一实施例中热泵系统分级除霜起止判定方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
参见图1-图3，本热泵系统拥有主循环以及除霜支路，其中沿制冷剂流向主循环主要包括：压缩机1、冷凝器2、节流装置3、换流器4和套管式蒸发器5，冷凝器2分别与压缩机1、节流装置3和换流器4相连接，换流器4分别与节流装置3、套管式蒸发器5连接，套管式蒸发器5分别与压缩机1和节流装置3连接；还包括除霜支路6，除霜支路6自冷凝器2进口处为起点，依次经过换流器4和套管式蒸发器5，最后汇流至节流装置3前；压缩机1的吸排气口上分别设置有第一温度传感器10和第二温度传感器11，套管式蒸发器5上设有第三温度传感器9，套管式蒸发器5的空气侧进出口处分别设有第一湿度传感器13和第二湿度传感器14和微压差传感器12。
除霜支路6上设有第一电磁阀7，套管式蒸发器5的内管入口处设有第二电磁阀8，热泵系统的主循环流量以及除霜强度通过调节第一电磁阀7和第二电磁阀8的开度大小以及换流器4控制管路共同完成。
套管式蒸发器5上设有外管51和内管52，除霜支路6经过外管51后汇流至节流装置3前。
热泵系统的分级除霜起止判定方法，包括以下步骤：
A.测量套管式蒸发器5总表面积A、空气过流截面积AL、翅片间距S等；
B.根据风机型号获得空气流量Va；
C.根据公式获得套管式蒸发器5迎面风速，按以下公式计算：
va＝Va/AL
D.热泵系统运行后，通过套管式蒸发器5上的第三温度传感器9、第一湿度传感器13、第一湿度传感器14、微压差传感器12以及压缩机1吸排气口上的第一温度传感器10、第二温度传感器11获得热泵系统运行后蒸发器翅片平均温度Tf、套管式蒸发器5前后的空气湿度da,in、da,out、套管式蒸发器5前后的空气压差DP以及压缩机1进出口处上温度的实时参数；
E.判断套管式蒸发器5翅片平均温度Tf是否小于0℃，若高于Tf>0℃则热泵系统不动作，若Tf<0℃则热泵系统执行下一步；
F.采用Hosuda模型计算结霜厚度δ，按以下公式计算：
ρfr＝340|Tf|-0.455+85va
Figure GDA0003061171330000051
其中：ρfr为霜层密度：kg/m3，Tf为套管式蒸发器5翅片平均温度：K，va为套管式蒸发器5迎面风速:m/s，ma为空气流量：m3/s，t为Tf<0℃后热泵系统继续运行的时间：s,A为蒸发器总表面积：m2；
G.采用结霜厚度δ以及压缩机1吸排气温差DT进行结霜程度双判据判定分析，本判据划分为等级Ⅰ-等级V，其中压缩机(1)吸排气温差DT在不同等级下的相互关系如下：N1＜N2＜N3＜N4，具体分级如下：
先判定等级Ⅰ：第一电磁阀7、第二电磁阀8均保持关闭，判据：
同时满足：
Figure GDA0003061171330000061
压缩机(1)吸排气温差DT＜N1
再判定等级Ⅱ：第一电磁阀7开度k1、第二电磁阀8开度K1，判据：
同时满足：
Figure GDA0003061171330000062
压缩机1吸排气温差DT≥N1
然后判定等级Ⅲ：第一电磁阀7开度k2、第二电磁阀8开度K2，判据：
同时满足：
Figure GDA0003061171330000063
压缩机1吸排气温差DT≥N2
之后判定等级IV：第一电磁阀7开度k3、第二电磁阀8开度K3，判据：
同时满足：
Figure GDA0003061171330000064
压缩机1吸排气温差DT≥N3
最后判定等级V：第一电磁阀7开度K4、第二电磁阀8关闭，判据：
同时满足：
Figure GDA0003061171330000065
压缩机1吸排气温差DT≥N4
其中，S为翅片间距：m，δ为霜层厚度：m；
H.当双判据中只有1个判据满足第N级指标，则执行第N-1级除霜响应，具体如下：
先判定等级Ⅰ：第一电磁阀7、第二电磁阀8均保持关闭，判据：
满足：
Figure GDA0003061171330000066
或压缩机1吸排气温差DT≥N1
再判定等级Ⅱ：第一电磁阀7开度k1、第二电磁阀8开度K1，判据：
满足：
Figure GDA0003061171330000067
或压缩机1吸排气温差DT≥N2
然后判定等级Ⅲ：第一电磁阀7开度k2、第二电磁阀8开度K2，判据：
满足：
Figure GDA0003061171330000068
或压缩机1吸排气温差DT≥N3
最后判定等级IV：第一电磁阀7开度k3、第二电磁阀8开度K3，判据：
满足：
Figure GDA0003061171330000069
或压缩机1吸排气温差DT≥N4
I.热泵系统执行第G或H步除霜响应后，则继续执行判定循环第D步，然后按前述步骤，继续重复执行D-H步除霜判定循环。
本热泵系统分级除霜起止判定方法采用结霜厚度以及压缩机1吸排气温差为双判据判定结霜程度。
本热泵系统分级除霜起止判定方法依据具体的结霜厚度以及压缩机1吸排气温差进行分级，并依据分级进行除霜强度调节。其中，压缩机1吸排气温差大小的判据：吸排气温差DT≤N1；N2≥吸排气温差DT≥N1；N3≥吸排气温差DT≥N2；N4≥吸排气温差DT≥N3；吸排气温差DT≥N4。
结霜厚度以及压缩机1吸排气温差双判据不能同时到达第N级时，则除霜强度开启第N-1级，具体为：当结霜厚度满足第N级，压缩机1吸排气温差不满足第N级，则除霜强度开启第N-1级；当压缩机1吸排气温差满足第N级，结霜厚度不满足第N级，则除霜强度开启第N-1级。
本发明的热泵系统分级除霜起止判定方法以测量热泵系统中套管式蒸发器5前后空气压差，套管式蒸发器5前后空气含湿量，翅片平均温度，压缩机1吸排气温度等基本参数为基础进行计算，包括以下主要特点：采用结霜厚度计算模型以及压缩机1吸排气温差为双判据，并预设结霜厚度以及吸排气温差分级，根据分级控制融霜管路循环中的电磁阀开度以及控制主循环制冷剂流向与流量的电磁阀。本发明的热泵分级除霜起止判定方法能准确地判定除霜的起止点以及高效而精确地按结霜程度进行分级除霜，有效改善热提高热泵系统的用户舒适度，提高热泵系统运行的稳定性，并提高融霜效率，从而提高能源利用率。
上述为本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (1)

1.一种热泵系统的分级除霜起止判定方法，所述热泵系统包括压缩机(1)、冷凝器(2)、节流装置(3)、换流器(4)和套管式蒸发器(5)，所述冷凝器(2)分别与压缩机(1)、节流装置(3)和换流器(4)相连接，所述换流器(4)分别与节流装置(3)、套管式蒸发器(5)连接，套管式蒸发器(5)分别与压缩机(1)和节流装置(3)连接，还包括除霜支路(6)，所述除霜支路(6)自冷凝器(2)进口处为起点，依次经过换流器(4)和套管式蒸发器(5)，最后汇流至节流装置(3)前；所述压缩机(1)的吸排气口上分别设置有第一温度传感器(10)和第二温度传感器(11)，套管式蒸发器(5)上设有第三温度传感器(9)，套管式蒸发器(5)的空气侧进出口处分别设有第一湿度传感器(13)和第二湿度传感器(14)和微压差传感器(12)；
所述除霜支路(6)上设有第一电磁阀(7)，套管式蒸发器(5)的内管入口处设有第二电磁阀(8)，热泵系统的主循环流量以及除霜强度通过调节第一电磁阀(7)和第二电磁阀(8)的开度大小以及换流器(4)控制管路共同完成；
所述套管式蒸发器(5)上设有外管(51)和内管(52)，除霜支路(6)经过外管(51)后汇流至节流装置(3)前；
其特征在于：所述分级除霜起止判定方法包括以下步骤：
A.测量套管式蒸发器(5)总表面积A、空气过流截面积AL、翅片间距S等；
B.根据风机型号获得空气流量Va；
C.根据公式获得套管式蒸发器(5)迎面风速，按以下公式计算：
va＝Va/AL
D.热泵系统运行后，通过套管式蒸发器(5)上的第三温度传感器(9)、第一湿度传感器(13)、第一湿度传感器(14)、微压差传感器(12)以及压缩机(1)吸排气口上的第一温度传感器(10)、第二温度传感器(11)获得热泵系统运行后蒸发器翅片平均温度Tf、套管式蒸发器(5)前后的空气湿度da,in、da,out、套管式蒸发器(5)前后的空气压差DP以及压缩机(1)进出口处上温度的实时参数；
E.判断套管式蒸发器(5)翅片平均温度Tf是否小于0℃，若高于Tf>0℃则热泵系统不动作，若Tf<0℃则热泵系统执行下一步；
F.采用Hosuda模型计算结霜厚度δ，按以下公式计算：
ρfr＝340|Tf|-0.455+85va
Figure FDA0003061171320000021
其中：ρfr为霜层密度：kg/m3，Tf为套管式蒸发器(5)翅片平均温度：K，va为套管式蒸发器(5)迎面风速:m/s，ma为空气流量：m3/s，t为Tf<0℃后热泵系统继续运行的时间：s,A为蒸发器总表面积：m2；
G.采用结霜厚度δ以及压缩机(1)吸排气温差DT进行结霜程度双判据判定分析，本判据划分为等级Ⅰ-等级V，其中压缩机(1)吸排气温差DT在不同等级下的相互关系如下：N1＜N2＜N3＜N4，具体分级如下：
先判定等级Ⅰ：第一电磁阀(7)、第二电磁阀(8)均保持关闭，判据：
同时满足：
Figure FDA0003061171320000022
压缩机(1)吸排气温差DT＜N1
再判定等级Ⅱ：第一电磁阀(7)开度k1、第二电磁阀(8)开度K1，判据：
同时满足：
Figure FDA0003061171320000023
压缩机(1)吸排气温差DT≥N1
然后判定等级Ⅲ：第一电磁阀(7)开度k2、第二电磁阀(8)开度K2，判据：
同时满足：
Figure FDA0003061171320000024
压缩机(1)吸排气温差DT≥N2
之后判定等级IV：第一电磁阀(7)开度k3、第二电磁阀(8)开度K3，判据：
同时满足：
Figure FDA0003061171320000025
压缩机(1)吸排气温差DT≥N3
最后判定等级V：第一电磁阀(7)开度K4、第二电磁阀(8)关闭，判据：
同时满足：
Figure FDA0003061171320000026
压缩机(1)吸排气温差DT≥N4
其中，S为翅片间距：m，δ为霜层厚度：m；
H.当双判据中只有1个判据满足第N级指标，则执行第N-1级除霜响应，具体如下：
先判定等级Ⅰ：第一电磁阀(7)、第二电磁阀(8)均保持关闭，判据：
满足：
Figure FDA0003061171320000031
或压缩机(1)吸排气温差DT≥N1
再判定等级Ⅱ：第一电磁阀(7)开度k1、第二电磁阀(8)开度K1，判据：
满足：
Figure FDA0003061171320000032
或压缩机(1)吸排气温差DT≥N2
然后判定等级Ⅲ：第一电磁阀(7)开度k2、第二电磁阀(8)开度K2，判据：
满足：
Figure FDA0003061171320000033
或压缩机(1)吸排气温差DT≥N3
最后判定等级IV：第一电磁阀(7)开度k3、第二电磁阀(8)开度K3，判据：
满足：
Figure FDA0003061171320000034
或压缩机(1)吸排气温差DT≥N4
I.热泵系统执行第G或H步除霜响应后，则继续执行判定循环第D步，然后按前述步骤，继续重复执行D-H步除霜判定循环。
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