CN110736277A - 风冷热泵系统的自适应除霜控制方法 - Google Patents

风冷热泵系统的自适应除霜控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风冷热泵系统的自适应除霜控制方法，其技术方案要点是，设定四个控制参数，①除霜时间设定值
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE002
，②进入除霜循环的温度差值设定值
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE004
，③退出除霜循环的翅片温度的设定值
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE006
，④两次除霜循环的间隔时间（除霜周期）的设定值
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE008
，比较实际除霜时间和设定除霜时间
Figure 880013DEST_PATH_IMAGE002
，记录每一次的实际的除霜时间
Figure 95094DEST_PATH_IMAGE010
和除霜时间的设定值
Figure 121956DEST_PATH_IMAGE002
的比值，根据比值范围设定区间，根据所属区间范围确定除霜间隔时间
Figure 713474DEST_PATH_IMAGE008
，除霜时间
Figure 142182DEST_PATH_IMAGE010
以两次作为一个修正区间，根据当前次数及上一次数所记录的两次除霜时间区间
Figure 777431DEST_PATH_IMAGE010
，调整除霜间隔时间的设定值
Figure 822748DEST_PATH_IMAGE008
，不断修正除霜周期，使其成为具有自修正变步长的自动适应环境温湿度变化。

Description

风冷热泵系统的自适应除霜控制方法
技术领域
本发明涉及除霜控制方法技术领域，特别涉及风冷热泵系统的自适应除霜控制方法。
背景技术
系统在制冷或制热时，都有可能产生结霜现象，如在结霜后除霜不及时，就会影响制冷系统或制热系统的使用。
制冷结霜一般位于室内机的蒸发器，当制冷时，室外机散热，室内机吸热，蒸发器的目的是吸收热量(降温)，而吸收热量需要有空气的流通，利用空气的传导带走热量，当空气流通量不足，蒸发器就会结霜，而空气不足的原因往往在于滤网没有清洗或蒸发器的散热片没有清洗，阻碍了空气流动。
制热结霜一般位于室外机的蒸发器上，当制热模式开启时，室外机吸热，室内机散热，一般制热模式的启动，室外温度都是在十度以下，室外温度低，室外机还需要吸收热量时，蒸发器本体温度会降到0度以下，周围的水分(类似制冷时的除湿)很快的就会凝结成霜。
如若出现除霜不及时的情况，则会出现严重影响系统正常运作的情况，①堵塞翅片间通道，增加空气流动阻力；②增加换热器热阻，换热能力下降；③蒸发温度下降，能效比降低，系统运行性能恶化，直到不能正常工作。
也正是因为考虑到结霜对系统运行的不利影响，在发展的过程中人们试验了许多能够自动除霜的控制方法，以下是曾经和目前正被使用的几种控制方案：
(一)定时除霜法：这是早期采用的方法，为防止蒸发器严重结霜影响空调器的工作性能。在设定时间时往往考虑了最恶劣的环境条件，因此在不同的环境条件下必然产生不必要的能源浪费。
(二)时间－温度控制法：这是目前普遍采用的一种方法。由于在时间量的基础上考虑了温度量，比单纯的时间法有进步，部分的考虑了空调器室外工作环境的影响，但仍不能正确反映结霜对空调器性能的影响，会出现不必要的除霜运作，也会在需要除霜时而不发除霜信号。
(三)蒸发温度与大气温度差除霜控制法：在蒸发器表面结霜严重时，蒸发温度与大气温度的差会加大，根据这一变化来控制除霜反映了结霜后空调器工作特性产生的影响，但仅根据一个量的变化进行判断也会有误动作产生
(四)在蒸发器表面结霜严重时，冷凝温度会降低，根据冷凝温度的变化和制热运行的时间来控制除霜反映了结霜对空调器工作特性的影响，但仅根据一个量的变化进行判断只是实验室条件下最简单的一种情况，而实际使用过程中冷凝温度的变化，不仅仅受到蒸发器结霜的影响，还受到室内、外环境温度的影响，室内机风速、辅助电加热、卸载、温控停机等因素的影响。所以，不考虑这些影响因素也会出现霜厚不除霜或无霜不除霜的现象。
但是目前市面上普遍使用的自动除霜系统均不够稳定，误差较大，对机组运行时的稳定性不能起到保障作用，除霜的性能直接影响到制冷/制热系统的正常运行以及整套设备的工作寿命。
发明内容
本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种风冷热泵系统的自适应除霜控制方法。
本发明进一步限定的技术方案是：一种风冷热泵系统的自适应除霜控制方法，设定四个控制参数，①除霜时间设定值Δtdefrost_set，②进入除霜循环的温度差值设定值ΔTdefrost_entr_set，③退出除霜循环的翅片温度的设定值Tdefrost_fin_coil_set，④两次除霜循环的间隔时间(除霜周期)的设定值Δτdefrost_set，比较实际除霜时间Δtdefrost_actual和设定除霜时间Δtdefrost_set。
进一步的，记录每一次的实际的除霜时间Δtdefrost_actual和除霜时间的设定值Δtdefrost_set的比值，当实际的除霜时间为设定值的50％以内，则记录实际除霜区间A；当实际的除霜时间为设定值的50％-75％之间，则记录实际除霜区间B；当实际的除霜时间为设定值的75％-100％之间，则记录实际除霜区间C；当实际的除霜时间为设定值的100％-150％之间，则记录实际除霜区间D；当实际的除霜时间为设定值的150％以上，则记录实际除霜区间E。
进一步的，所述除霜时间Δtdefrost_actual间接反映了翅片表面的霜层厚度，当实际的除霜时间Δtdefrost_actual处于A和B区间，则标明翅片表面霜层覆盖较少，此时提高除霜间隔时间Δτdefrost_set，机组的控制系统将调整下次除霜和此次除霜之间的间隔时间τdefrost_set大于100％；当实际的除霜时间Δtdefrost_actual处于C区间，则保持和略微缩短除霜间隔时间Δτdefrost_set；当实际的除霜时间Δtdefrost_actual处于D和E区间，则标明翅片表面霜层覆盖较多，此时缩短除霜间隔时间Δτdefrost_set，机组的控制系统将调整下次除霜和此次除霜之间的间隔时间Δτdefrost_set小于100％。
进一步的，所述除霜时间Δtdefrost_actual以两次作为一个修正区间，根据当前次数及上一次数所记录的两次除霜时间区间Δtdefrost_actual，调整除霜间隔时间的设定值Δτdefrost_set，不断修正除霜周期，使其成为具有自修正变步长的自动适应环境温湿度变化，保证系统除霜控制的平稳性。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中，除霜控制方法中实现了不断修正除霜周期的方式，具有自修正变步长的自动适应环境温湿度变化的特点；
(2)本发明中，进入除霜循环的进入条件为两个，互为补充，但并不互相制约，进入除霜循环的温度差设定值可以作为上次除霜循环确认的此次除霜周期的一次修正，因此在两个除霜间隔周期内有可能发生的变化；
(3)本发明中，对于可能情况，如无法退出除霜，则采用时间控制，保证机组可靠运行；
(4)本发明中，采用前两次的除霜时间作为自动调整百分比率可以避免机组频繁调节间隔周期导致的机组控制不稳定，也可以消除干扰造成的控制误差，使机组除霜控制运行更加稳定平滑；
(5)本发明中，从除霜控制来看，除霜的控制对于延长除霜周期比较谨慎，需两次连续的低于除霜时间区间后才确认更改，主要从担心结霜严重可能会对导致系统工作恶化方面考虑。而多数情况下，对于间隔时间的调整不会过于频繁。
附图说明
图1是实施例1中实际除霜时间Δtdefrost_actual和设定除霜时间Δtdefrost_set的比较值示意图；
图2是实施例1中除霜间隔时间(除霜周期)Δτdefrost_set的调和下调的调整示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：如图1与图2所示，一种风冷热泵系统的自适应除霜控制方法，基于风冷热泵的各个参数的动态变化特性，自适应的优化除霜控制方法，这一控制方式需要四个控制参数：(1)除霜时间设定值Δtdefrost_set，(2)进入除霜循环的温度差值的设定值ΔTdefrost_entr_set，(3)退出除霜循环的翅片温度的设定值Tdefrost_fin_coil_set，(4)两次除霜循环的间隔时间(除霜周期)的设定值Δτdefrost_set。
Δtdefrost_set：除霜时间的设定值，是指从进入除霜循环到退出除霜循环之间的用于除霜的时间；
ΔTdefrost_entry_set＝Tfrost_Air-Tfrost_coil_fin：进入除霜循环的温度差值的设定值，是指当进风温度减去翅片表面温度的温度差值，当翅片表面温度低于进风温度到某个设定值时，表面翅片表面的结霜的霜层已经足够厚，严重堵塞了翅片间隙和空气流动传热空间，影响了翅片表面的空气侧传热，进而导致风冷换热器的传热效率显著降低，蒸发温度降低到某个程度后，必须进入到除霜循环，以消除翅片表面的霜层，恢复风冷换热器的设计传热性能。
Tdefrost_fin_coil_set：退出除霜循环的翅片温度的设定值，是指除霜过程中，高温高压的制冷剂气体进入换热管内以后，将和管外和翅片表面的结霜霜层进行传热，管内的制冷剂气体将放出大量的显热和潜热的热量后液化为制冷剂液体，管外和翅片表面的结霜霜层吸收管内制冷剂的热量后，融化为水或者气化为水蒸气，当霜层完全融化，翅片表面的霜层融化为水，并排出翅片间隙空间后，管内制冷剂气体将无法继续传递热量而液化，此时换热管和翅片就会被气体持续加热，当翅片表面的温度达到某个值时，表明霜层完全融化，应当退出除霜循环，进入到正常的热泵循环了，这个温度即为退出除霜循环的翅片温度。
Δτdefrost_set：两次除霜的间隔时间的设定值，也就是除霜周期，指的是两次除霜循环之间的间隔时间，这段时间即为热泵循环的运行时间。举例来说就是退出上一次除霜循环的时刻和进入下一次除霜循环的时刻，两个时刻之间的时长。
四个参数的设定范围和默认设定值如表1所示。
表1
按照表1的默认的参数设定，正常的风冷热泵机组运行在热泵循环中，当热泵循环的运行时间达到设定的除霜间隔时间60min，即满足除霜周期Δτdefrost＝60分钟时；并同时需要检测进入除霜循环的温差值ΔTdefrost_entry是否低于5℃，如果满足，则风冷热泵系统会控制进入到除霜循环运行，所以两个条件同时满足时，才会进入除霜循环。
当进入到除霜循环运行时，如果翅片表面温度TFin_actual高于退出除霜循环的翅片温度Tdefrost_fin_coil，也就是翅片表面温度TFin_actual高于16℃时，即退出除霜循环；如果翅片表面温度TFin_actual始终小于退出除霜循环的翅片温度设定值Tdefrost_fin_coil16℃，且除霜时间已经达到5min，那么仍然退出除霜循环。它不仅影响实际的除霜时间，也影响除霜间隔时间，同时也作为最长除霜时间的退出除霜条件。
记录每一次的实际的除霜时间Δtdefrost_actual和除霜时间的设定值Δtdefrost_set的比值，如果实际的除霜时间为设定值的50％以内，则记录实际除霜区间A；如果实际的除霜时间为设定值的50％-75％之间，为B区间；如果实际的除霜时间为设定值的75％-100％之间，为C区间；如果实际的除霜时间为设定值的100％-150％之间，为D区间；如果实际的除霜时间为设定值的150％以上，为E区间。实际的除霜进入是需要同时满足除霜间隔时间Δτdefrost_set和进入除霜循环的温度差设定值Δτdefrost_set的。
表2
Figure BDA0002240958520000061
当进入到除霜循环以后，压缩机排出的高温气体相变传热将热量传递给铜管和翅片表面的霜层，霜层融化成水或者气化为水蒸气，一旦霜层完全融化，则翅片表面温度会出现明显的突升，并迅速从0℃升高，直至达到设定的退出除霜循环的翅片温度Tdefrost_fin_coil_set＝16℃的翅片表面温度。实际的除霜时间Δtdefrost_actual间接反映了翅片表面的霜层厚度，如果实际的除霜时间Δtdefrost_actual处于A和B区间，则标明翅片表面霜层覆盖较少，那么就应当提高除霜间隔时间Δτdefrost_set，因此机组的控制系统将调整下次除霜和此次除霜之间的间隔时间τdefrost_set大于100％。如果实际的除霜时间Δtdefrost_actual处于C区间，则保持和略微缩短除霜间隔时间Δτdefrost_set。如果实际的除霜时间Δtdefrost_actual处于D和E区间，则标明翅片表面霜层覆盖较多，结霜眼中，那么就应当缩短除霜间隔时间Δτdefrost_set，因此机组的控制系统将调整下次除霜和此次除霜之间的间隔时间Δτdefrost_set小于100％。
根据表2比较实际的除霜时间Δtdefrost_actual和除霜时间的设定值Δtdefrost_set，最终确定不同的除霜周期Δτdefrost_set的调整量。新的修正后的除霜周期Δtdefrost_set将作为下次除霜的进入条件之一，任何一次的实际除霜时间Δtdefrost_actual都将作为下一次除霜周期Δτdefrost_set和进入除霜循环的条件。
由此可知，除霜周期要根据最近的本次除霜时间和上一次除霜时间，来进行两次修正，第二次修正是为了第一次修正的除霜周期的合理性，因为从在更长的时间维度内，机组运行的环境温湿度发生了变化或者热负荷需求发生了改变；将变化了的运行工况传递至下一次除霜循环。
如果采用本次和上次的实际除霜时间作为判断依据，具有消除震荡的作用，类似于积分平均的作用，使系统除霜控制更为平稳，如表3所示。
表3
Figure BDA0002240958520000081
这一控制方法具有以下优点：1、不断修正除霜周期，具有自修正变步长的自动适应环境温湿度变化的特点；2、进入除霜循环的进入条件为两个，互为补充，但并不互相制约，进入除霜循环的温度差设定值可以作为上次除霜循环确认的此次除霜周期的一次修正，因此在两个除霜间隔周期内有可能发生的变化；3、对于可能情况，如无法退出除霜，则采用时间控制，保证机组可靠运行；4、采用前两次的除霜时间作为自动调整百分比率可以避免机组频繁调节间隔周期导致的机组控制不稳定，也可以消除干扰造成的控制误差，使机组除霜控制运行更加稳定平滑；5、从除霜控制来看，除霜的控制对于延长除霜周期比较谨慎，需两次连续的低于除霜时间区间后才确认更改，主要从担心结霜严重可能会对导致系统工作恶化方面考虑。而多数情况下，对于间隔时间的调整不会过于频繁。
上述的实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (4)

1.一种风冷热泵系统的自适应除霜控制方法，其特征在于：设定四个控制参数，①除霜时间设定值
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，②进入除霜循环的温度差值设定值，③退出除霜循环的翅片温度的设定值
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，④两次除霜循环的间隔时间（除霜周期）的设定值
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，比较实际除霜时间
Figure DEST_PATH_IMAGE010
和设定除霜时间
Figure 695613DEST_PATH_IMAGE002
。
2.根据权利要求1所述的风冷热泵系统的自适应除霜控制方法，其特征在于：记录每一次的实际的除霜时间
Figure 603526DEST_PATH_IMAGE010
和除霜时间的设定值
Figure 597896DEST_PATH_IMAGE002
的比值，当实际的除霜时间为设定值的50%以内，则记录实际除霜区间A；当实际的除霜时间为设定值的50%-75%之间，则记录实际除霜区间B；当实际的除霜时间为设定值的75%-100%之间，则记录实际除霜区间C；当实际的除霜时间为设定值的100%-150%之间，则记录实际除霜区间D；当实际的除霜时间为设定值的150%以上，则记录实际除霜区间E。
3.根据权利要求2所述的风冷热泵系统的自适应除霜控制方法，其特征在于：所述除霜时间
Figure 300273DEST_PATH_IMAGE010
间接反映了翅片表面的霜层厚度，当实际的除霜时间处于A和B区间，则标明翅片表面霜层覆盖较少，此时提高除霜间隔时间
Figure 311271DEST_PATH_IMAGE008
，机组的控制系统将调整下次除霜和此次除霜之间的间隔时间
Figure DEST_PATH_IMAGE012
大于100%；当实际的除霜时间
Figure 910880DEST_PATH_IMAGE010
处于C区间，则保持和略微缩短除霜间隔时间
Figure 784158DEST_PATH_IMAGE008
；当实际的除霜时间
Figure 102006DEST_PATH_IMAGE010
处于D和E区间，则标明翅片表面霜层覆盖较多，此时缩短除霜间隔时间
Figure 335411DEST_PATH_IMAGE008
，机组的控制系统将调整下次除霜和此次除霜之间的间隔时间
Figure 55105DEST_PATH_IMAGE008
小于100%。
4.根据权利要求3所述的风冷热泵系统的自适应除霜控制方法，其特征在于：所述除霜时间
Figure 99284DEST_PATH_IMAGE010
以两次作为一个修正区间，根据当前次数及上一次数所记录的两次除霜时间区间，调整除霜间隔时间的设定值
Figure 692257DEST_PATH_IMAGE008
，不断修正除霜周期，使其成为具有自修正变步长的自动适应环境温湿度变化，保证系统除霜控制的平稳性。
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