CN112413948B - 一种空气源热泵除霜控制点实验室测定系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种空气源热泵除霜控制点实验室测定系统及方法，属于空气源热泵除霜技术领域。前提是需要依据空气源热泵机组的基本信息对机组最佳除霜控制点的时刻所在区间进行预估，基本信息包括机组容量大小、内部系统形式特点、结除霜名义工况性能等。之后以机组实际应用地域的典型气象参数分别确定3个或以上的典型结霜，此处可依据取温湿度均值的方法进行确定。使机组除霜控制系统能够依据可靠的除霜控制参数有效准确控制除霜操作，解决现有空气源热泵除霜控制方法实际应用时出现的“误除霜”问题，保证机组高效运行。

Description

一种空气源热泵除霜控制点实验室测定系统及方法

技术领域

本发明属于空气源热泵除霜技术领域，具体的说，涉及一种基于最佳除霜控制点理论的空气源热泵除霜控制点实验室测定系统及方法。

背景技术

空气源热泵机组冬季制热运行时，在一定的湿度条件下若室外换热器盘管温度过低会出现结霜现象。随着换热器表面霜层的生长累积，空气流过翅片管的阻力加大，流量减少，传热热阻增加，造成机组的制热性能衰减，严重时会导致机组停机，影响用户体验。因此周期性的除霜操作必不可少。

现有除霜控制方法按照除霜判断依据的不同，大致可分为三类：一是基于“间接测量”思想判断结霜程度的方法，如温度-时间除霜控制法、温度-湿度-时间除霜控制法、空气压差除霜控制法、风机电流除霜控制法等；二是基于“直接测量”思想监测霜层厚度的方法，如光-电耦合技术测量霜层厚度、显微成像技术观测霜层厚度、千分尺技术测量霜层厚度等；三是基于“人工智能”思想智能判断结霜程度的方法，如模糊智能除霜控制技术、综合结霜指数(FI)判断的除霜控制技术、模糊自修正除霜控制技术等。

在工程应用中，空气源热泵的高效除霜控制不仅需要可靠准确的结霜监测方法，还应注重对科学合理的除霜控制点进行选取。以上各类除霜控制方法均通过不同技术手段实现了对换热器霜层生长的监测，但采用的除霜控制点多为依靠经验确定，导致除霜控制的准确性偏低。针对于此，有学者提出了“最佳除霜控制点”理论，并基于大量实际测试建立预测模型为除霜控制点的确定提供了方法。然而在机组除霜控制系统的实际开发中，受到研发成本与研发周期的限制，进行多工况测试并建立预测模型的可行性是比较小的。由此可见，将最佳除霜控制点理论加以简化，提出一种简便实用的除霜控制点实验室测定方法是高效除霜控制方法开发的迫切需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于最佳除霜控制点理论的空气源热泵除霜控制点实验室测定系统及方法，使机组除霜控制系统能够依据可靠的除霜控制参数有效准确控制除霜操作，解决现有空气源热泵除霜控制方法实际应用时出现的“误除霜”问题，保证机组高效运行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于最佳除霜控制点理论的空气源热泵除霜控制点实验室测定系统，包括人工环境实验室、空气源热泵机组、实时数据监控记录平台以及相关的各个测试传感器。上述人工环境室需为空气源热泵机组提供稳定的温湿度运行工况，保证机组室外换热器所处工况基本恒定在可接受范围；上述实时数据监控记录平台与各个测试传感器相连，对传输得到的数据进行实时读取与记录；上述测试传感器安装于空气源热泵机组各个位置进行参数检测，主要包括：机组冷凝器进/出水温度T_in/T_out(若为空气源热泵热风机，则为冷凝器进/出风口空气温度)、冷凝器循环水流量Q(若为空气源热泵热风机，则为冷凝器循环空气流量即风量)以及机组耗电功率P。

本发明提供的一种基于最佳除霜控制点理论的空气源热泵除霜控制点实验室测定方法，前提是需要依据空气源热泵机组的基本信息对机组最佳除霜控制点的时刻所在区间进行预估，基本信息包括机组容量大小、内部系统形式特点、结除霜名义工况性能等。之后以机组实际应用地域的典型气象参数分别确定3个或以上的典型结霜，此处可依据取温湿度均值的方法进行确定。

对机组最佳除霜控制点所在时刻的区间进行预估，应得出结霜开始影响制热性能的时刻以及结霜严重影响制热甚至发生硬件故障的时刻，分别定义为Time1和Time2。以对选取3个典型室外环境工况Case1、Case2、Case3进行最佳除霜控制点的实验室测试为例进行说明，其中工况Case1、Case2、Case3具体信息如下：

①Case1(重霜区)：干球温度2℃±0.5，相对湿度≥80％；

②Case2(一般结霜区)：干球温度-1℃±0.5，相对湿度60％～86％；

③Case3(轻霜区)：干球温度0℃±0.5，相对湿度44％～57％。

具体测试分为以下步骤：

(1)调节人工环境实验室的温湿度设定，直至环境温湿度达到典型室外环境工况Case1的要求；

(2)控制空气源热泵机组以制热模式开始运行，同时数据监控记录平台进行实时数据的读取及记录(注：测试时的数据记录间隔推荐为10s以内，最大不得超过1min)；

(3)使被测空气源热泵机组持续制热运行，并控制机组在Time1时刻进行除霜操作，得到第1组完整结除霜过程的测试数据记录，应包括机组冷凝器进出水温度T_in/T_out、循环水流量Q、瞬时耗电功率w_com的变化，并根据下式计算瞬时制热功率的q_h1：

q_h1＝ρc×Q×(T_out-T_in)

其中：q_h1为机组瞬时制热功率；ρ为水的密度，kg/m³；c为水的比热，kJ/(kg·℃)；Q为循环水流量，m³/h；T_in/T_out分别为冷凝器进/出水温度，℃；

(4)使被测空气源热泵机组持续制热运行，并控制机组在Time2时刻进行除霜操作，得到第2组完整结除霜过程的测试数据记录；

(5)计算综合能效比和名义制热量损失系数：

1)基于Time2时刻除霜的结除霜实验数据，针对不同除霜时刻的结除霜循环，计算结霜过程制热量Q_L1和制热量损失Q_S1，以及名义制热量结霜损失系数ε_NL1。计算公式如下：

其中，τ_d为机组除霜时刻，取值范围为[Time1,Time2]，min；τ_n为机组除霜结束时间，min；q_h为机组名义制热功率，kW；Q_L1(τ_d)为机组结霜过程制热量，kJ；Q_S1(τ_d)为机组名义结霜损失，kJ；Q_N(τ_n)为机组结除霜过程总的名义制热量，kJ。

2)针对不同除霜时刻的除霜循环，计算除霜过程制热量Q_L2和制热量损失Q_S2，以及名义制热量除霜损失系数ε_NL2。由于测量不同除霜时刻的结除霜循环实验成本较高，因此基于霜层生长初期(Time1)和霜层布满时刻(Time2)除霜的结除霜实验数据，假定机组除霜过程制热量和制热量损失随着机组除霜时刻的不断延后而线性变化，插值计算获得机组在其他时刻除霜的制热量Q_L2和名义除霜损失Q_S2，以及名义除霜损失系数ε_NL2，计算过程和公式如下：

①根据实验数据，计算Time1和Time2时刻除霜的除霜过程制热量和名义除霜损失：

其中，τ_n1和τ_n2分别为机组在Time1和Time2时刻除霜的机组除霜结束时间，min。

②计算不同除霜时刻下的机组除霜过程制热量、名义除霜损失和名义除霜损失系数：

③计算不同除霜时刻下的机组名义制热量损失系数和综合能效比COPm：

其中，COP_m为机组结除霜过程总能效比；w_com为机组瞬时耗功率，kW；W为机组结除霜过程总耗功，kJ；

(6)在Time1～Time2区间内，选取总能效比最大且名义制热量损失系数最小的时刻为最佳的机组除霜控制点，从而得到典型室外环境工况Case1的最佳除霜控制点；

t_opt＝t{ε_NL-min且COP_m-max}

式中：t_opt为最佳除霜时刻，min；ε_NL-min且COP_m-max代表总能效比最大且名义制热量损失系数最小。

(7)调节人工环境实验室的温湿度设定，使环境温湿度达到典型室外环境工况Case2及Case3的要求，重复以上(2)、(3)、(4)、(5)、(6)的测试步骤；最终得到3个典型室外环境工况Case1、Case2、Case3的空气源热泵机组最佳除霜控制点。

本发明的有益效果是：(1)可较为有效地确定空气源热泵机组在不同环境工况下的除霜时机；(2)可指导机组控制系统准确控制除霜操作，避免机组“误除霜”事故；(3)实验室测试的操作简单、实现成本较低、测试周期较短。

附图说明

图1是本发明的一种基于最佳除霜控制点理论的空气源热泵除霜控制点实验室测定系统原理图；

图2是本发明的一种基于最佳除霜控制点理论的空气源热泵除霜控制点实验室测定方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图针对本发明作进一步实例描述：

结合图1，本发明的一种基于最佳除霜控制点理论的空气源热泵除霜控制点实验室测定系统，包括人工环境实验室1，实时数据监控记录平台2，被测空气源热泵机组3以及监测传感器设备若干。

其中，人工环境实验室1的室外侧空间设置温湿度传感器监测点，测试被测空气源热泵机组3蒸发器所处的环境温湿度；对被测空气源热泵机组3安装耗电监测设备，实时监测机组耗电功率P；在被测空气源热泵机组3的冷凝器进/出水管上分别安装插入式温度传感器，测试机组进/出水温度T_in/T_out；在被测空气源热泵机组3的冷凝器出水管上安装水流量监测设备，测试机组冷凝器循环水流量Q；实时数据监控记录平台2可对人工环境实验室1的室外侧空间温湿度及机组运行模式进行控制，同时与前述传感器及监测设备相连，对各个参数进行读取记录。

结合图2，一种基于最佳除霜控制点理论的空气源热泵除霜控制点实验室测定方法，首先，对机组最佳除霜控制点所在时刻的区间进行预估，得出机组结霜开始影响制热性能的除霜时刻以及结霜严重影响制热甚至发生硬件故障的除霜时刻，定义为Time1和Time2。之后，选取3个典型室外环境工况Case1、Case2、Case3进行实验测试，详细测试步骤如下：

(1)使用实时数据监控记录平台2调节人工环境实验室1的温湿度设定，直至环境温湿度达到典型室外环境工况Case1的要求；

(2)被测空气源热泵机组3以制热模式开始运行，同时实时数据监控记录平台2进行数据的读取及记录；

(3)使被测空气源热泵机组3持续制热运行，当时间达到Time1时控制进行除霜操作，得到完整结除霜过程的测试数据记录，包括机组瞬时耗电功率P的变化、瞬时制热量的变化以及瞬时COP变化；

(4)待上一次除霜结束后，使被测空气源热泵机组3持续制热运行并在时间达到Time2时进行除霜操作，同样得到完整结除霜过程的测试数据记录；

(5)假定名义结霜损失量与名义除霜损失量随时间延长为均匀变化，以两个完整结除霜过程测试数据为样本，经过处理计算得到在Time1～Time2区间内逐分钟结除霜过程的总能效比(COPm)与名义制热量损失系数；

(6)在Time1～Time2区间内，选取总能效比最大且名义制热量损失系数最小的时刻为最佳的机组除霜控制点，从而得到典型室外环境工况Case1的最佳除霜控制点；

(7)使用实时数据监控记录平台2调节人工环境实验室1的温湿度设定，使环境温湿度达到典型室外环境工况Case2及Case3的要求，重复以上(2)、(3)、(4)、(5)、(6)的测试步骤。最终得到3个典型室外环境工况Case1、Case2、Case3的空气源热泵机组最佳除霜控制点。

本发明的实施系统实例可有效确定不同典型结霜工况下空气源热泵机组的最佳除霜控制点，为高效除霜控制方法的开发提供参考，保障空气源热泵机组稳定高效运行。

Claims (4)

1.一种空气源热泵除霜控制点实验室测定方法，其特征在于，对机组最佳除霜控制点所在时刻的区间进行预估，得出结霜开始影响制热性能的时刻以及结霜严重影响制热甚至发生硬件故障的时刻，分别定义为Time1和Time2；选取3个典型室外环境工况Case1、Case2、Case3进行最佳除霜控制点的实验室测试，其中工况Case1、Case2、Case3具体信息如下：

①Case1为重霜区：干球温度2℃±0.5，相对湿度≥80％；

②Case2为一般结霜区：干球温度-1℃±0.5，相对湿度60％～86％；

③Case3为轻霜区：干球温度0℃±0.5，相对湿度44％～57％；

具体测试分为以下步骤：

(1)调节人工环境实验室的温湿度设定，直至环境温湿度达到典型室外环境工况Case1的要求；

(2)控制空气源热泵机组以制热模式开始运行，同时数据监控记录平台进行实时数据的读取及记录，测试时的数据记录间隔推荐为10s以内，最大不得超过1min；

(3)使被测空气源热泵机组持续制热运行，并控制机组在Time1时刻进行除霜操作，得到第1组完整结除霜过程的测试数据记录，应包括机组冷凝器进出水温度Tin/Tout、循环水流量Q、瞬时耗电功率w_com的变化，并根据下式计算瞬时制热功率的q_h1：

q_h1＝ρc×Q×(T_out-T_in)

其中：q_h1为机组瞬时制热功率；ρ为水的密度，kg/m³；c为水的比热，kJ/(kg·℃)；Q为循环水流量，m³/h；T_in/T_out分别为冷凝器进/出水温度，℃；

(4)使被测空气源热泵机组持续制热运行，并控制机组在Time2时刻进行除霜操作，得到第2组完整结除霜过程的测试数据记录；

(5)计算综合能效比和名义制热量损失系数：

1)基于Time2时刻除霜的结除霜实验数据，针对不同除霜时刻的结除霜循环，计算结霜过程制热量Q_L1和制热量损失Q_S1，以及名义制热量结霜损失系数ε_NL1；计算公式如下：

其中，τ_d为机组除霜时刻，取值范围为[Time1,Time2]，min；τ_n为机组除霜结束时间，min；q_h为机组名义制热功率，kW；Q_L1(τ_d)为机组结霜过程制热量，kJ；Q_S1(τ_d)为机组名义结霜损失，kJ；Q_N(τ_n)为机组结除霜过程总的名义制热量，kJ；

2)针对不同除霜时刻的除霜循环，计算除霜过程制热量Q_L2和制热量损失Q_S2，以及名义制热量除霜损失系数ε_NL2；由于测量不同除霜时刻的结除霜循环实验成本较高，因此结霜开始影响制热性能的时刻即Time1和结霜严重影响制热甚至发生硬件故障的时刻即Time2除霜的结除霜实验数据，假定机组除霜过程制热量和制热量损失随着机组除霜时刻的不断延后而线性变化，插值计算获得机组在其他时刻除霜的制热量Q_L2和名义除霜损失Q_S2，以及名义除霜损失系数ε_NL2，计算过程和公式如下：

①根据实验数据，计算Time1和Time2时刻除霜的除霜过程制热量和名义除霜损失：

其中，τ_n1和τ_n2分别为机组在Time1和Time2时刻除霜的机组除霜结束时间，min；

②计算不同除霜时刻下的机组除霜过程制热量、名义除霜损失和名义除霜损失系数：

③计算不同除霜时刻下的机组名义制热量损失系数和综合能效比COPm：

ε_NL(τ_d)＝ε_NL1(τ_d)+ε_NL2(τ_d)

其中，COP_m为机组结除霜过程总能效比；w_com为机组瞬时耗功率，kW；W为机组结除霜过程总耗功，kJ；

(6)在Time1～Time2区间内，选取总能效比最大且名义制热量损失系数最小的时刻为最佳的机组除霜控制点，从而得到典型室外环境工况Case1的最佳除霜控制点：

t_opt＝t{ε_NL-min且COP_m-max}

其中：t_opt为最佳除霜时刻，s；ε_NL-min且COP_m-max代表总能效比最大且名义制热量损失系数最小；

(7)调节人工环境实验室的温湿度设定，使环境温湿度达到典型室外环境工况Case2及Case3的要求，重复以上(2)、(3)、(4)、(5)、(6)的测试步骤；最终得到3个典型室外环境工况Case1、Case2、Case3的空气源热泵机组最佳除霜控制点。

2.按照权利要求1所述的一种空气源热泵除霜控制点实验室测定方法，其特征在于，前提是需要依据空气源热泵机组的基本信息对机组最佳除霜控制点的时刻所在区间进行预估，基本信息包括机组容量大小、内部系统形式特点、结除霜名义工况性能；之后以机组实际应用地域的典型气象参数分别确定3个或以上的典型结霜，此处可依据取温湿度均值的方法进行确定。

3.按照权利要求1所述的一种空气源热泵除霜控制点实验室测定方法，其特征在于，进行上述方法采用的基于最佳除霜控制点理论的空气源热泵除霜控制点实验室测定系统，包括人工环境实验室、空气源热泵机组、实时数据监控记录平台以及相关的各个测试传感器；上述人工环境实验室需为空气源热泵机组提供稳定的温湿度运行工况，保证机组室外换热器所处工况基本恒定在可接受范围；上述实时数据监控记录平台与各个测试传感器相连，对传输得到的数据进行实时读取与记录；上述测试传感器安装于空气源热泵机组各个位置进行参数检测，主要包括：机组冷凝器进/出水温度T_in/T_out、冷凝器循环水流量Q以及机组瞬时耗电功率w_com。

4.按照权利要求1所述的一种空气源热泵除霜控制点实验室测定方法，其特征在于，机组冷凝器进/出水温度T_in/T_out的计算，若为空气源热泵热风机，则为冷凝器进/出风口空气温度，冷凝器循环水流量Q的计算，若为空气源热泵热风机，则为冷凝器循环空气流量即风量。

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