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Tamb、环境相对湿度Hamb,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
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);
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。
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Tamb、环境相对湿度Hamb,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
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);
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Qair满足:
对应的空气质量mair为:
mair=ρ(Tamb,Hamb)×Qair (2)
定义出口空气的相对湿度变化度为λH,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Tamb和环境相对湿度Hamb(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
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);
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。