CN114484866B - 一种空气能热水器高效除霜装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气能热水器高效除霜装置及方法，其中，除霜装置包括冷媒回路切换单元和热膨胀单元，其中：所述冷媒回路切换单元包括蒸发器、四通阀、气液分离器、压缩机、换热器、储液罐、膨胀阀和过滤器；其中，所述四通阀、气液分离器与压缩机依次连接形成闭合回路；所述四通阀、换热器、储液罐、膨胀阀、过滤器和蒸发器依次连接形成闭合回路；除霜方法包括以下步骤：结霜程度的检测、控制执行除霜。本发明能够保证空气能热水器的效能和用户使用的舒适程度，还能够防止空气能热水器在结霜状态下长时间使用而导致的寿命与可靠性大幅度下降的情况出现。

Description

一种空气能热水器高效除霜装置及方法

技术领域

本发明涉及空气能热泵领域，特别涉及一种空气能热水器高效除霜装置及方法。

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，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、可靠的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。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种空气能热水器高效除霜装置及方法。本发明可以有效提高除霜效果，加快除霜过程，减小除霜能耗以及消除水温/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：一种空气能热水器高效除霜装置，包括冷媒回路切换单元和热膨胀单元，其中：

所述冷媒回路切换单元包括蒸发器、四通阀、气液分离器、压缩机、换热器、储液罐、膨胀阀和过滤器；其中，所述四通阀、气液分离器与压缩机依次连接形成闭合回路；所述四通阀、换热器、储液罐、膨胀阀、过滤器和蒸发器依次连接形成闭合回路；

所述热膨胀单元包括设置在所述蒸发器的铜管上的热膨胀材料，所述热膨胀材料内部嵌设有电热材料。

前述的一种空气能热水器高效除霜装置中，所述热膨胀材料粘贴或者缠绕在蒸发器的铜管表面。

根据上述的空气能热水器高效除霜装置的除霜方法，包括以下步骤：

S1：结霜程度的检测：对需要检测的所述压缩机的运行功率和冷媒气体压力进行采样，再对压缩机的运行功率和冷媒气体压力进行模糊化得到模糊化变量，再对所述模糊化变量进行模糊推理得到模糊推理结果，再对所述模糊推理结果进行解模糊，进而判定空气能热水器的蒸发器上的铜管是否结霜以及结霜程度；

S2：控制执行除霜，通过获取所述S1给出的结霜程度，在判定为结霜时执行包括以下步骤进行除霜：

S2.1：热膨胀除霜：调节所述电热材料流过的电流，使所述热膨胀材料吸收热量而产生膨胀形变，使附着在所述蒸发器的铜管上的冰霜受到巨大的应力而破裂，加快后续热除霜过程；

S2.2：切换冷媒回路工作模式：所述四通阀切换工作模态实现冷媒从热交换器中吸收水的热能，在所述蒸发器的铜管上释放热量，产生的热量迅速被附着在所述铜管上的已经破裂的冰霜吸收，吸热之后的破碎的冰霜会加速融化。

前述的空气能热水器高效除霜方法中，所述S1中的结霜程度检测方法包括以下步骤：

(1)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边界范围；

(2)以此时刻开始每隔ΔT时间执行一次结霜预测算法，并且每次预测算法执行时均需对所述压缩机的功率P_comp和冷媒高压气体压力P_press(也就是压缩机的出口压力)采样并得到n个数据，采样周期为T_s；

(3)采样的所述压缩机的功率P_comp和冷媒高压气体压力P_press的n个数据，分别记为：{P_comp(1),P_comp(2),…,P_comp(n)}和{P_press(1),P_press(2),…,P_press(n)}，计算所述压缩机功率为{P_comp(1),P_comp(2),…,P_comp(n)}时，正常未结霜工作情况下的冷媒高压气体压力得到P_comp与/>在正常未结霜工作情况下的关系；

(4)计算比值{λ(1),λ(2),…,λ(n)}，满足：计算{λ(1),λ(2),…,λ(n)}的标准方差s，并判断s≤θ是否成立，如果是，进入步骤(5)；否则，返回步骤(2)，其中θ为人为设定大于零的数；

(5)计算{λ(1),λ(2),…,λ(n)}的平均值并对/>进行模糊化得到模糊化变量；

(6)将所述模糊化变量作为模糊规则的输入，完成模糊推理，得到模糊推理结果；

(7)依据重心法对所述模糊推理结果解模糊化，得出空气能热水器结霜程度α。

前述的空气能热水器高效除霜方法中，所述S2中的控制执行除霜工作包括以下步骤：

(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)获取所述结霜程度α，依据δ＝s(α)，计算出结霜程度为α时所述热膨胀单元所需产生的膨胀形变δ，依据I＝g(δ)，计算热膨胀单元产生膨胀形变δ时所需流过所述热膨胀单元的电流设定值I^set；

(3)控制所述四通阀由制热模式切换到除霜模式，并依据除霜模式下所述压缩机的功率P_comp与结霜程度α之间的数学关系P_comp＝D_frost(α)，获得压缩机的运行功率设定值实现快速可靠除霜；

(4)将I^set和分别作为所述热膨胀单元的控制电源输出电流设定值和所述压缩机的运行功率设定值，并对所述热膨胀单元与压缩机进行控制；

(5)驱动所述热膨胀单元、四通阀及压缩机进行除霜工作；

(6)程序退出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过调节所述热膨胀单元中的电热材料流过的电流，致使热膨胀材料吸收热量而产生较大的膨胀形变，使附着在所述盘型铜管上的冰霜受到巨大的应力而破裂，加快后续热除霜过程，能够保证空气能热水器的效能和用户使用的舒适程度，还能够防止空气能热水器在结霜状态下长时间使用而导致的寿命与可靠性大幅度下降的情况出现。

2、本发明所述四通阀切换工作模态实现冷媒从热交换器中吸收水的热能，在室外蒸发器的所述盘型铜管上释放热量，产生的热量迅速被附着在所述盘型铜管上的已经破碎的冰霜吸收，与热膨胀除霜相配合，能够进一步加快对冰霜的融化去除，从而进一步提高了空气能热水器的使用能效，保证用户的体验舒适度，还能够进一步延长空气能热水器的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的空气能热水器冷媒回路结构图；

图2是本发明蒸发器的铜管与热膨胀单元粘贴安装时的结构示意图；

图3是本发明蒸发器盘型铜管与热膨胀单元缠绕安装时的结构示意图。

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：一种空气能热水器高效除霜装置，包括冷媒回路切换单元和热膨胀单元，其中：

如附图1所示，所述冷媒回路切换单元包括蒸发器、四通阀、气液分离器、压缩机、换热器、储液罐、膨胀阀和过滤器；其中，所述四通阀、气液分离器与压缩机依次连接形成闭合回路；所述四通阀、换热器、储液罐、膨胀阀、过滤器和蒸发器依次连接形成闭合回路；

如附图2和附图3所示，所述热膨胀单元包括设置在所述蒸发器的铜管上的热膨胀材料，所述热膨胀材料粘贴或者缠绕在蒸发器的铜管表面，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，所述热膨胀材料内部嵌设有电热材料。

根据上述的空气能热水器高效除霜装置的除霜方法，包括以下步骤：

S1：结霜程度的检测：本申请中，对结霜程度的检测发方法主要是基于空气能热水器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，即结霜情况下，相同流量的冷媒蒸发后气体的体积和热量小于正常情况。结霜程度越严重，蒸发后气体的体积和热量就越小于正常情况。在相同压缩机运行功率对上述气体进行压缩工作时，结霜情况下压缩后的气体压力小于正常情况下压缩后的气体压力。结霜程度越严重，压缩后的气体压力越小于正常情况下压缩后的气体压力。

检测方法如下：对需要检测的所述压缩机的运行功率和冷媒气体压力进行采样，再对压缩机的运行功率和冷媒气体压力进行模糊化得到模糊化变量，模糊化时，采用三角隶属函数来进行，再对所述模糊化变量进行模糊推理得到模糊推理结果，再对所述模糊推理结果进行解模糊，解模糊时采用重心法来实现，进而判定空气能热水器的蒸发器上的铜管是否结霜以及结霜程度，相关参数计算公式如下：

其中：f为未结霜情况下压缩机运行功率P_comp与冷媒高压气体压力之间的函数关系，λ(i)为冷媒高压气体压力比值，/>为{λ(1),λ(2),…,λ(n)}的平均值，s为{λ(1),λ(2),…,λ(n)}标准方差。

通过公式(1)～(4)的计算，可以得到空气能热水器的冷媒高压气体压力比值λ(i)，以及{λ(1),λ(2),…,λ(n)}的平均值和标准方差s。

所述S1中的结霜程度检测方法包括以下步骤：

(1)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边界范围；

(2)以此时刻开始每隔ΔT时间执行一次结霜预测算法，并且每次预测算法执行时均需对所述压缩机的功率P_comp和冷媒高压气体压力P_press(压缩机的出口压力)采样并得到n个数据，采样周期为T_s；

(3)采样的所述压缩机的功率P_comp和冷媒高压气体压力P_press的n个数据，分别记为：{P_comp(1),P_comp(2),…,P_comp(n)}和{P_press(1),P_press(2),…,P_press(n)}，计算所述压缩机功率为{P_comp(1),P_comp(2),…,P_comp(n)}时，正常未结霜工作情况下的冷媒高压气体压力得到P_comp与/>在正常未结霜工作情况下的关系；

(4)计算比值{λ(1),λ(2),…,λ(n)}，满足：计算{λ(1),λ(2),…,λ(n)}的标准方差s，并判断s≤θ是否成立，如果是，进入步骤(5)；否则，返回步骤(2)，其中θ为人为设定大于零的数；

(5)计算{λ(1),λ(2),…,λ(n)}的平均值并对/>进行模糊化得到模糊化变量；

(6)将所述模糊化变量作为模糊规则的输入，完成模糊推理，得到模糊推理结果；

(7)依据重心法对所述模糊推理结果解模糊化，得出空气能热水器结霜程度α。

S2：控制执行除霜，通过获取所述S1给出的结霜程度，在判定为结霜时执行包括以下步骤进行除霜：

S2.1：热膨胀除霜：调节所述电热材料流过的电流，使所述热膨胀材料吸收热量而产生膨胀形变，使附着在所述蒸发器的铜管上的冰霜受到巨大的应力而破裂，加快后续热除霜过程；

S2.2：切换冷媒回路工作模式：所述四通阀切换工作模态实现冷媒从热交换器中吸收水的热能，在所述蒸发器的铜管上释放热量，产生的热量迅速被附着在所述铜管上的已经破裂的冰霜吸收，吸热之后的破碎的冰霜会加速融化。

具体地，在制热工作模式时，冷媒的循环顺序为箭头实线流向；在除霜工作模式时，其冷媒的循环顺序为箭头虚线流向。制热/除霜模式下冷媒流向的切换是通过控制四通阀实现的。在制热工作模式，冷媒在蒸发器处吸收空气中的热能，成为低温低压气体。经压缩机压缩后，为高温高压气体，并流经热交换器，进行热交换。释放热能后，经过储液罐、膨胀阀和过滤器后再次回到蒸发器进行下一次热交换。在除霜工作模式，冷媒在热交换器处吸收热能，成为低温低压气体。经压缩机压缩后，为高温高压气体，并流经蒸发器，对铜管加热除霜。释放热能后，经过过滤器、膨胀阀和储液罐后再次回到热交换器进行下一次除霜热交换。通过调节压缩机的输入功率即可调控制热/除霜模式的热交换能量，实现快速制热或除霜。

所述S2中的控制执行除霜工作包括以下步骤：

(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)获取所述结霜程度α，依据δ＝s(α)，计算出结霜程度为α时所述热膨胀单元所需产生的膨胀形变δ，依据I＝g(δ)，计算热膨胀单元产生膨胀形变δ时所需流过所述热膨胀单元的电流设定值I^set；

(3)控制所述四通阀由制热模式切换到除霜模式，并依据除霜模式下所述压缩机的功率P_comp与结霜程度α之间的数学关系P_comp＝D_frost(α)，获得压缩机的运行功率设定值实现快速可靠除霜；

(4)将I^set和分别作为所述热膨胀单元的控制电源输出电流设定值和所述压缩机的运行功率设定值，并对所述热膨胀单元与压缩机进行控制；

(5)驱动所述热膨胀单元、四通阀及压缩机进行除霜工作；

(6)程序退出。

Claims (2)

1.一种空气能热水器高效除霜方法，其特征在于：应用于空气能热水器高效除霜装置，空气能热水器高效除霜装置包括冷媒回路切换单元和热膨胀单元，其中：

所述冷媒回路切换单元包括蒸发器、四通阀、气液分离器、压缩机、换热器、储液罐、膨胀阀和过滤器；其中，所述四通阀、气液分离器与压缩机依次连接形成闭合回路；所述四通阀、换热器、储液罐、膨胀阀、过滤器和蒸发器依次连接形成闭合回路；

所述热膨胀单元包括设置在所述蒸发器的铜管上的热膨胀材料，所述热膨胀材料内部嵌设有电热材料，所述热膨胀材料粘贴或者缠绕在蒸发器的铜管表面；

除霜方法包括以下步骤：

S1：结霜程度的检测：对需要检测的所述压缩机的运行功率和冷媒气体压力进行采样，再对压缩机的运行功率和冷媒气体压力进行模糊化得到模糊化变量，再对所述模糊化变量进行模糊推理得到模糊推理结果，再对所述模糊推理结果进行解模糊，进而判定空气能热水器的蒸发器上的铜管是否结霜以及结霜程度；

S2：控制执行除霜，通过获取所述S1给出的结霜程度，在判定为结霜时执行包括以下步骤进行除霜：

S2.1：热膨胀除霜：调节所述电热材料流过的电流，使所述热膨胀材料吸收热量而产生膨胀形变，使附着在所述蒸发器的铜管上的冰霜受到巨大的应力而破裂，加快后续热除霜过程；

S2.2：切换冷媒回路工作模式：所述四通阀切换工作模态实现冷媒从热交换器中吸收水的热能，在所述蒸发器的铜管上释放热量，产生的热量迅速被附着在所述铜管上的已经破裂的冰霜吸收，吸热之后的破碎的冰霜会加速融化；

所述S1中的结霜程度检测方法包括以下步骤：

a：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边界范围；

b：以此时刻开始每隔ΔT时间执行一次结霜预测算法，并且每次预测算法执行时均需对所述压缩机的功率P_comp和冷媒高压气体压力P_press采样并得到n个数据，采样周期为T_s；

c：采样的所述压缩机的功率P_comp和冷媒高压气体压力P_press的n个数据，分别记为：{P_comp(1),P_comp(2),…,P_comp(n)}和{P_press(1),P_press(2),…,P_press(n)}，计算所述压缩机功率为{P_comp(1),P_comp(2),…,P_comp(n)}时，正常未结霜工作情况下的冷媒高压气体压力得到P_comp与/>在正常未结霜工作情况下的关系；

d：计算比值{λ(1),λ(2),…,λ(n)}，满足：计算{λ(1),λ(2),…,λ(n)}的标准方差s，并判断s≤θ是否成立，如果是，进入步骤e；否则，返回步骤b，其中θ为人为设定大于零的数；

e：计算{λ(1),λ(2),…,λ(n)}的平均值并对/>进行模糊化得到模糊化变量；

f：将所述模糊化变量作为模糊规则的输入，完成模糊推理，得到模糊推理结果；

g：依据重心法对所述模糊推理结果解模糊化，得出空气能热水器结霜程度α。

2.根据权利要求1所述的一种空气能热水器高效除霜方法，其特征在于：所述S2中的控制执行除霜工作包括以下步骤：

(1)调用结霜预测算法子程序，并判断是否结霜，如果是，进入步骤(2)；否则，程序退出；

(2)获取所述结霜程度α，依据δ＝s(α)，计算出结霜程度为α时所述热膨胀单元需产生的膨胀形变δ，依据I＝g(δ)，计算热膨胀单元产生膨胀形变δ时所需流过所述热膨胀单元的电流设定值I^set；

(3)控制所述四通阀由制热模式切换到除霜模式，并依据除霜模式下所述压缩机的功率P_comp与结霜程度α之间的数学关系P_comp＝D_frost(α)，获得压缩机的运行功率设定值实现快速可靠除霜；

(4)将I^set和分别作为所述热膨胀单元的控制电源输出电流设定值和所述压缩机的运行功率设定值，并对所述热膨胀单元与压缩机进行控制；

(5)驱动所述热膨胀单元、四通阀及压缩机进行除霜工作；

(6)程序退出。