CN114459151A - 基于压电形变和热能除霜的空气能热水器除霜方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电形变和热能除霜的空气能热水器除霜方法，包括以下步骤：S1：结霜程度的检测；S2：除霜控制：通过获取所述S1给出的结霜程度，在判定为结霜时控制盘型铜管上的压电除霜单元和加热除霜单元进行除霜；所述的压电除霜单元是压电材料组成，紧贴或者缠绕在盘型铜管上；所述加热单元是紧贴或者缠绕在盘型铜管上的发热材料。本发明通过检测结霜程度的结果，将压电形变除霜和热能除霜有效结合，能有效提高除霜效果，加快除霜过程，减小除霜能耗，还能消除水温/室温大幅度下降，提高空气能热水器整体性能。

Description

基于压电形变和热能除霜的空气能热水器除霜方法

技术领域

本发明涉及空气能热泵领域，特别涉及一种基于压电形变和热能 除霜的空气能热水器除霜方法。

背景技术

空气能热水器因其具有高效、节能、环保的优势，广泛应用于家 庭、企事业单位及小区楼栋的热水供应及冬季室内取暖。然而，在冬 季使用过程中，由于室外温度较低，蒸发器换热装置铜管会结霜。结 霜是空气能热水器面临的一个严重问题，一方面，结霜不仅影响空气 能热水器的效能和用户使用舒适度；另一方面，空气能热水器在结霜 状态长时间运行会导致寿命及可靠性大大降低。所以，快速、可靠地 对空气能热水器进行除霜有利于提高热水器的制热量和效率，确保系 统稳定运行。

目前，常规的是通过温度传感器检测到蒸发换热器盘管温度很低 时，通过控制四通阀的工作模态，改变冷媒流动方向，使空气源热泵 系统中的冷媒在流经冷媒水换热器时进行吸热，并在流经室外换热器 时进行放热，从而达到去除室外换热器上结霜的目的，但是该方式存 在以下问题：一方面，由于该方案需要从室内/热水箱中吸收大量的 热量进行除霜，导致室内/水箱温度大幅下降，影响了用户体验；另 一方面，需要复杂增加四通阀和切换控制算法，增加了压缩机系统的 复杂性和成本。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于压电形变和热能除霜的空气能 热水器除霜方法。本发明通过检测结霜程度的结果，将压电形变除霜 和热能除霜有效结合，能有效提高除霜效果，加快除霜过程，减小除 霜能耗，还能消除水温/室温大幅度下降，提高空气能热水器整体性 能。

本发明的技术方案：基于压电形变和热能除霜的空气能热水器除 霜方法，包括以下步骤：

S1：结霜程度的检测；

S2：除霜控制：通过获取所述S1给出的结霜程度，在判定为结 霜时控制盘型铜管上的压电除霜单元和加热除霜单元进行除霜；

所述的压电除霜单元是压电材料组成，紧贴或者缠绕在盘型铜管 上；

所述加热单元是紧贴或者缠绕在盘型铜管上的发热材料。

2、根据权利要求1所述的基于压电形变和热能除霜的空气能热 水器除霜方法，其特征在于：所述步骤S1中结霜程度的检测方法包 括以下步骤：

①通过天气信息获取当天环境温度T_amb、环境相对湿度H_amb，确 定空气能热水器当前处于结霜运行范围；

②每隔ΔT时间的执行一次结霜程度预测算法，每次分别获取出 风口处温度

出风口处相对湿度

风扇运行转速n_fan、风扇截 面积S_fan和压缩机的功率P_comp；依据公式分别计算风扇出口的空气流 量

质量m_air＝ρ(T_amb,H_amb)×Q_air、空气热交换量

平均热交换量

压缩机的平均功率

和压缩机平均吸热效能

③将

与临界结霜条件下吸热效能阈值σ比较，确定空气能热 水器是否处于结霜低效运行范围；如果是，进入步骤④；否则，退出；

④将

代入结霜程度α与吸热效能

之间的预测函数曲线

得出结霜程度

⑤计算相对湿度变化率

⑥将λ_H代入结霜程度α与相对湿度变化率λ_H之间的预测函数曲 线

得出结霜程度α(λ_H)；

⑦计算α(λ_H)和

的平均值

并求解偏移程度

⑧判断偏移程度

是否不大于设定阈值ζ，如果是，则结霜程 度

并退出程序；否则，进入步骤⑨；

⑨取最大结霜程度

判断是为保证空气能 热水器在最大结霜情况下仍能可靠工作，并退出程序。

4、根据权利要求2所述的基于压电形变和热能除霜的空气能热 水器除霜方法，其特征在于：所述S2中的除霜控制方法包括以下步 骤：

①获取结霜程度α；依据δ＝s(α)和F＝f(α)，计算出结霜程度为α 时压电材料所需产生的形变δ和频率F；依据

计算产生形 变δ和频率F时需施加给出压电材料的电压

依据I_hot＝h(α)，计算 出结霜程度为α时加热单元对应的电流值I_hot；

②将

和I_hot分别作为压电除霜单元控制电源输出参考值和加热 除霜单元电源输出电流参考值，并对其进行控制；

③驱动压电除霜单元和加热除霜单元进行除霜；

④完成后退出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过对空气能热水器结霜程度进行确定，将压电形变 除霜和热能除霜有效结合，能有效提高除霜效果，加快除霜过程，减 小除霜能耗，还能消除水温/室温大幅度下降，提高空气能热水器整 体性能。

2、本发明通过具体的结霜程度检测方法，能准确可靠的获得盘 型铜管上是否有结霜以及结霜程度，从而提高除霜的效果，简化除霜 装置的结果，降低成本。

3、本发明具有除霜速度快、效果好、能耗低、智能化程度高等 优点。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明的结霜程度预测算法流程图；

图3是本发明的压电除霜单元和加热除霜单元的结构示意图；

图4是本发明的压电除霜单元和加热除霜单元的另一结构示意 图；

图5是图4的侧视图；

图6是

的函数曲线示意图；

图7是

的函数曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对 本发明限制的依据。

实施例：基于压电形变和热能除霜的空气能热水器除霜方法，如 图1所示，包括以下步骤：

S1：结霜程度的检测；

S2：除霜控制：通过获取所述S1给出的结霜程度，在判定为结 霜时控制盘型铜管上的压电除霜单元和加热除霜单元进行除霜；实现 对附着在室外蒸发器铜管上的冰霜进行压电应力破冰和热熔冰，加快 除霜速度和减小除霜能耗。

所述的压电除霜单元是压电材料组成，紧贴或者缠绕在盘型铜管 上；

所述加热单元是紧贴或者缠绕在盘型铜管上的发热材料。

压电除霜单元主要基于逆压电应力原理，通过控制压电材料两端 电压的幅值和频率，调节材料的应变幅度和频率，对附着的冰霜施加 应力，达到将冰霜破碎的目的，加快冰霜的吸热融化过程。加热除霜 单元主要基于吸热融霜原理，通过控制流过发热体的电流调控热量， 实现融化冰霜的目的。

结霜程度检测方法主要是基于空气能热水器蒸发器低温大湿度 工况时，其在结霜情况下热交换效能相较于正常运行时热交换效能显 著下降的特征。在获取多传感器数据等基础上，得到结霜程度α与吸 热效能

和相对湿度变化率λ_H的函数关系

和

在此基础上，通过实时得到的

和λ_H，依据

和

准确得到结霜程度α，进而判定空气能 热水器蒸发器结霜程度，为除霜控制提供准确详实的数据。除霜控制 方法在获取结霜程度α的基础上，根据α的大小优化控制压电除霜单 元和加热除霜单元的控制参数，进而达到快速、高效除霜。

具体是：所述步骤S1中结霜程度的检测方法包括以下步骤：

①通过天气信息获取当天环境温度T_amb、环境相对湿度H_amb，确 定空气能热水器当前处于结霜运行范围；

②在ΔT时间内，分别获取出风口处温度

出风口处相对湿度

风扇运行转速n_fan、风扇截面积S_fan和压缩机的功率P_comp；依据 公式分别计算风扇出口的空气流量

质量 m_air＝ρ(T_amb,H_amb)×Q_air、空气热交换量

平均热交换量

压缩机的平均功率

和压缩机平 均吸热效能

③将

与临界结霜条件下吸热效能阈值σ比较，确定空气能热 水器是否处于结霜低效运行范围；如果是，进入步骤④；否则，退出；

④将

代入结霜程度α与吸热效能

之间的预测函数曲线

得出结霜程度

⑤计算相对湿度变化率

⑥将λ_H代入结霜程度α与相对湿度变化率λ_H之间的预测函数曲 线

得出结霜程度α(λ_H)；

⑦计算α(λ_H)和

的平均值

并求解偏移程度

⑧判断偏移程度

是否不大于设定阈值ζ，如果是，则结霜程 度

并退出程序；否则，进入步骤⑨；

⑨取最大结霜程度

判断是为保证空气能 热水器在最大结霜情况下仍能可靠工作，并退出程序。

5、根据权利要求2所述的基于压电形变和热能除霜的空气能热 水器除霜方法，其特征在于：所述S2中的除霜控制方法包括以下步 骤：

①获取结霜程度α；依据δ＝s(α)和F＝f(α)，计算出结霜程度为α 时压电材料所需产生的形变δ和频率F；依据

计算产生形 变δ和频率F时需施加给出压电材料的电压

依据I_hot＝h(α)，计算 出结霜程度为α时加热单元对应的电流值I_hot；

②将

和I_hot分别作为压电除霜单元控制电源输出参考值和加热 除霜单元电源输出电流参考值，并对其进行控制；

③驱动压电除霜单元和加热除霜单元进行除霜；

④完成后退出。

图3-5所示为蒸发器铜管、压电除霜单元(压电材料)和加热除 霜单元(发热材料)的安装示意图，压电材料和发热材料可以分别缠 绕或者粘贴在铜管上，也可以将两种材料按照比例混编在一起做成线 缆，然后再缠绕或者粘贴在铜管上。图3为分开安装方式，图4和5 为混编缠绕方式。为方便说明，下面以混编线缆为例进行说明。混编 线缆以一定的间距缠绕在铜管上，其缠绕或者粘贴间距必须综合考虑 换热效能和除霜效能，既不能过大，也不能过小。间距过大，则会导 致除霜效果不佳；而间距过小，又会导致换热效能变差，其间距值可 通过实际测试数据优化确定。混编线缆中的发热材料和压电材料分别 连接在可变输出的电源上，通过调节各自电源的电学参数，达到优化 控制除霜目的。

图6为结霜程度α与

的函数关系

图7为结 霜程度α与相对湿度变化率λ_H的函数关系

其中：

为压缩机吸热效能，λ_H为出风口空气相对湿度与环境相对湿度H_amb的 变化率。

和λ_H的计算过程及变量定义如下：

T_amb为环境温度，H_amb为环境相对湿度，

为出风口处温度，

为出风口处相对湿度，n_fan为风扇运行转速，S_fan为风扇截面积，P_comp为压缩机实时运行功率，ρ(T_amb,H_amb)为环境温湿度分别为T_amb和H_amb时 空气的密度，C(T_amb,H_amb)为环境温湿度分别为T_amb和H_amb时空气的比热 容，Q_air为ΔT时间内风扇空气流量，m_air为ΔT时间内风扇空气质量，

为ΔT时间内风扇空气热量交换量，

为ΔT时间内风扇空气平均 热量交换量，

为ΔT时间内压缩机平均运行功率。

由物理学知识可知，在ΔT时间内，风扇鼓风空气流量Q_air满足：

对应的空气质量m_air为：

m_air＝ρ(T_amb,H_amb)×Q_air (2)

由热学原理可知，空气热量交换量

为：

进而，平均热交换量

为：

在ΔT时间内，压缩机的平均功率

为：

定义压缩机平均吸热效能为

则有：

定义出口空气的相对湿度变化度为λ_H，则有：

同样由物理知识可知，结霜程度越严重，蒸发器的空气能交换越 小，即

越小，结霜度α越大。反之，结霜程度越轻，蒸发器的空 气能交换越大，即

越大，结霜度α越小。所以，

为 单调减函数。同理，结霜程度越严重，空气热交换越小，冷凝析出的 水分就越少，交换前后空气相对湿度变化率越小，即λ_H越小，α越大。 反之，结霜程度越轻，蒸发器的空气能交换之后相对湿度变化率越大， 即λ_H越大，α越小。所以，

也为单调减函数。在环境温 度和环境相对湿度分别为T_amb和H_amb时，定义α＝0为的临界结霜状态， α＝1为最严重结霜状态。至于临界结霜和最严重结霜状态对应的具体 数据指标，可以由厂家通过理论设计和实验数据分析得出，或者由专 家经验知识甚至大数据智能分析得出。图6中的σ为临界结霜状态下 的吸热效能最大阈值，满足：

λ_min为最严重结霜状态下 的吸热效能最小阈值，满足：

由物理学知识可知，即 便严重结霜状态，空气能热水器也会从空气中吸收微弱热能，所以 α＝1对应的不是

而是

同理，图7中的

为临 界结霜状态下的空气相对湿度变化率的最大阈值，满足：

为最严重结霜状态下的空气相对湿度变化率最小 阈值，满足：

同样由物理学知识可知，即便严重结霜 状态，由于空气能热水器会从空气中吸收微弱热能，导致空气相对湿 度变化程度较小，所以α＝1对应的不是λ_H＝0，而是

通过(1)～(7)公式实时求解得到

和λ_H，并依据

和

准确得到结霜程度α，进而判定空气能热水器蒸发器 结霜程度，为除霜控制提供准确详实的数据。

图1为除霜算法流程图，包括步骤如下：

①调用结霜程度预测算法子程序，并判断是否结霜？如果是，进 入步骤②；否则，程序退出；

②获取结霜程度α。依据δ＝s(α)和F＝f(α)，计算出结霜程度为α 时压电材料所需产生的形变δ和频率F；依据

计算产生形 变δ和频率F时需施加给出压电材料的电压

依据I_hot＝h(α)，计算 出结霜程度为α时加热单元对应的电流值I_hot。δ＝s(α)、F＝f(α)、

和I_hot＝h(α)的数学表达式可由实验测试数据、专家经验以 及理论仿真数据通过曲线拟合的方式得到；

③将

和I_hot分别作为压电材料控制电源输出参考值和加热单元 电源输出电流参考值，并对其进行控制；

④驱动压电除霜单元和加热除霜单元进行除霜；

⑤程序退出

图2为结霜程度预测算法的流程图，包括步骤如下：

①通过天气信息获取当天环境温度T_amb和环境相对湿度H_amb(根 据常规的数据进行判断)，判断空气能热水器当前是否处于结霜运行 边界范围；如果是，则进入结霜程度预测算法，即进入步骤②；否则， 退出；

②在ΔT时间内，分别获取出风口处温度

出风口处相对湿度

风扇运行转速n_fan、风扇截面积S_fan和压缩机的功率P_comp。依据 公式分别计算风扇出口的空气流量

质量 m_air＝ρ(T_amb,H_amb)×Q_air、空气热交换量

平均热交换量

压缩机的平均功率

和压缩机平 均吸热效能

③将

与临界结霜条件下吸热效能阈值σ比较，确定空气能热 水器是否真处于结霜低效运行范围；如果是，进入步骤④；否则，退 出；

④将

代入结霜程度α与吸热效能

之间的预测函数曲线

得出结霜程度

⑤计算相对湿度变化率

⑥将λ_H代入结霜程度α与相对湿度变化率λ_H之间的预测函数曲 线

得出结霜程度α(λ_H)；

⑦计算α(λ_H)和

的平均值

并求解偏移程度

⑧判断偏移程度

是否不大于设定阈值ζ，如果是，则结霜程 度

并退出程序；否则，进入步骤⑨；

⑨取最大结霜程度

这样判断是为保证空 气能热水器在最恶劣结霜情况下仍能可靠工作，并退出程序。

通过执行图2所示的结霜程度预测算法，得到结霜程度α。在此 基础上，根据拟合方法得到可靠破霜时，结霜程度α与压电材料所需 产生的形变δ和频率F的数学关系δ＝s(α)和F＝f(α)；其次，依据压 电材料形变参数δ、F与驱动电源电压之间的特性，确定数学关系

并将

作为驱动电源输出电压参考值对其进行控制，实 现可靠应力破冰。同理，根据实验测试数据、理论仿真分析及数据拟 合方法，可以得到满足快速、可靠融霜时结霜程度α与电加热单元电 流I_hot的数学关系I_hot＝h(α)，并同样将电流I_hot作为加热电源电流参考 值对其进行控制，进而实现快速、可靠融冰。

Claims (3)

1.基于压电形变和热能除霜的空气能热水器除霜方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：结霜程度的检测；

S2：除霜控制：通过获取所述S1给出的结霜程度，在判定为结霜时控制盘型铜管上的压电除霜单元和加热除霜单元进行除霜；

所述的压电除霜单元是压电材料组成，紧贴或者缠绕在盘型铜管上；

所述加热单元是紧贴或者缠绕在盘型铜管上的发热材料。

2.根据权利要求1所述的基于压电形变和热能除霜的空气能热水器除霜方法，其特征在于：所述步骤S1中结霜程度的检测方法包括以下步骤：

①通过天气信息获取当天环境温度T_amb、环境相对湿度H_amb，确定空气能热水器当前处于结霜运行范围；

②每隔ΔT时间的执行一次结霜程度预测算法，每次分别获取出风口处温度

出风口处相对湿度

风扇运行转速n_fan、风扇截面积S_fan和压缩机的功率P_comp；依据公式分别计算风扇出口的空气流量

质量m_air＝ρ(T_amb,H_amb)×Q_air、空气热交换量

平均热交换量

压缩机的平均功率

和压缩机平均吸热效能

③将

与临界结霜条件下吸热效能阈值σ比较，确定空气能热水器是否处于结霜低效运行范围；如果是，进入步骤④；否则，退出；

④将

代入结霜程度α与吸热效能

之间的预测函数曲线

得出结霜程度

⑤计算相对湿度变化率

⑥将λ_H代入结霜程度α与相对湿度变化率λ_H之间的预测函数曲线

得出结霜程度α(λ_H)；

⑦计算α(λ_H)和

的平均值

并求解偏移程度

⑧判断偏移程度

是否不大于设定阈值ζ，如果是，则结霜程度

并退出程序；否则，进入步骤⑨；

⑨取最大结霜程度

判断是为保证空气能热水器在最大结霜情况下仍能可靠工作，并退出程序。

3.根据权利要求2所述的基于压电形变和热能除霜的空气能热水器除霜方法，其特征在于：所述S2中的除霜控制方法包括以下步骤：

①获取结霜程度α；依据δ＝s(α)和F＝f(α)，计算出结霜程度为α时压电材料所需产生的形变δ和频率F；依据

计算产生形变δ和频率F时需施加给出压电材料的电压

依据I_hot＝h(α)，计算出结霜程度为α时加热单元对应的电流值I_hot；

②将

和I_hot分别作为压电除霜单元控制电源输出参考值和加热除霜单元电源输出电流参考值，并对其进行控制；

③驱动压电除霜单元和加热除霜单元进行除霜；

④完成后退出。

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