CN115574487B - 一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法，包括对空气源热泵供热系统进行试验，测量供热系统的制冷剂流量、蒸发器进出口温度、蒸发器进出口压力、冷凝器进出口温度、冷凝器进出口压力、热泵机组的压缩机耗电量、热泵机组的风机耗电量、换热器进口水温、换热器出口水温以及水流量，采用积分方式计算得到除霜蒸发器在各个制热除霜周期的蒸发器除霜耗热量和除霜时段机组耗电量，判断机组在除霜时是否存在冷热抵消、是否停止制热，计算各个制热除霜周期除霜能效、等效供热能力和综合系统能效。本发明基于各种不同除霜方式的特点提出了一种通用的评价模型，用来在同一个基准上对结除霜工况下不同空气源热泵供热系统进行性能评价。

Description

一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法
技术领域
本发明涉及供热技术领域，特别是一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法。
背景技术
当空气源热泵在冬季高湿度、低温度的环境下运行时，空气换热器会出现结霜问题，使得机组供热能力大幅衰减，同时降低了换热效率。针对该问题当前主要通过防结霜技术和除霜措施保证机组正常制热运行。防结霜技术例如采用疏水材料等无法完全克服结霜问题，因此除霜仍然是当前主要手段。由于除霜能耗占据空气源热泵供热系统总能耗的20%，频繁的除霜极大降低了机组能效。当前逆循环除霜是最常见的除霜方式，逆循环除霜是通过切换四通换向阀来改变制冷剂的流向，使蒸发器与冷凝器功能互换，从热用户侧吸收热量融化霜层，虽然能够有效除霜，但是逆循环除霜从用户侧吸热导致了供热水温度降低大约12℃，影响室内人员的热舒适性。其次，机组为用户制取的热量用于除霜，存在冷热抵消现象，导致用户有效制热量衰减，除霜能效极大降低。当前为了解决传统逆循环除霜技术的缺陷，出现了包括热气旁通除霜、蓄热除霜、电热除霜等一系列除霜技术，蓄热除霜方式吸收制热时段蓄存在相变材料中的热量用于除霜，克服了除霜水温降低的缺陷，但本质上属于逆循环除霜，同样存在机组供热冷热抵消，造成用户有效制热量衰减，除霜能效降低。热气旁通除霜和电热除霜虽然同时克服了水温降低和冷热抵消的问题，但除霜能效仅为1.0。各类除霜技术有各自的优缺点，当前针对各种除霜技术缺少一种统一的评价模型和测试方法，帮助用户技术选择。
因此，为了评价不同空气源热泵供热系统在结除霜工况下的供热性能和机组除霜技术的适用性，提出一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法，能够评价不同空气源热泵供热系统在结除霜工况下的供热性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法，包括以下步骤：
步骤一：对空气源热泵供热系统进行试验，并测量供热系统的制冷剂流量、蒸发器进口温度、蒸发器进口压力、蒸发器出口温度、蒸发器出口压力、冷凝器进口温度、冷凝器进口压力、冷凝器出口温度、冷凝器出口压力、热泵机组的压缩机耗电量、热泵机组的风机耗电量、换热器进口水温、换热器出口水温以及水流量，
步骤二：采用积分方式计算得到除霜蒸发器在各个制热除霜周期的蒸发器除霜耗热量Q d和除霜时段机组耗电量W d，
步骤三：判断机组在除霜时是否存在冷热抵消，
若存在冷热抵消，则除霜时段机组制热量Q dh为0，并计算制热时段无效制热量Q hi，以及无效制热量Q hi所消耗的无效电耗W hi，
若不存在冷热抵消，则无效制热量Q hi为0，无效电耗W hi为0，继续判断在除霜时段是否停止制热，若停止制热，则除霜时段机组制热量Q dh为0，否则Q dh>0，
步骤四：计算各个制热除霜周期除霜能效COP d、等效供热能力q eq和综合系统能效CCOP，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，/>
Figure 461453DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
式中， Q h为制热时段机组制热量，W为热泵机组在一个制热除霜周期内的总耗电量，τ1为前一次除霜结束时间，τ3为除霜结束时间，
计算至少2个完整制热除霜周期的除霜能效COPd、等效供热能力qeq和综合系统能效CCOP，并取平均值。
作为本发明的优选方案，步骤四还包括：计算各个制热除霜周期供热系统供水温降低幅度T drop，计算公式如下：
Figure 927069DEST_PATH_IMAGE004
，
式中，T set为供热系统设定温度，T low为由于除霜导致系统供热温度下降最低温度，
计算至少2个完整制热除霜周期的供水温降低幅度Tdrop并取平均值。
作为本发明的优选方案，蒸发器除霜耗热量Q d的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，
除霜时段机组制热量Q dh的计算公式如下：
Figure 451592DEST_PATH_IMAGE006
，
式中，τ为试验时间，τ2代表除霜开始时间，ω为制冷剂和润滑油的混合液中制冷剂与混合液的质量比，M为制冷剂与润滑油的混合液的质量流量，h 4为蒸发器出口处制冷剂的焓值， h 3为蒸发器进口处制冷剂的焓值，c w为水的比热容，ρ为水的密度，ν为水流量， T out为换热器出水温度， T in为换热器进水温度。
作为本发明的优选方案，步骤一中还包括计算制冷剂侧机组制热时段制热量Q h1和水侧机组制热时段制热量Q h2，当Q h1和Q h2的试验误差小于阈值时，认为试验误差可接受，否则重新试验。
作为本发明的优选方案，制冷剂侧机组制热时段制热量Q h1的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
水侧机组制热时段制热量Q h2的计算公式为：
Figure 2659DEST_PATH_IMAGE008
，
式中， h 2为冷凝器出口处制冷剂的焓值， h 1为冷凝器进口处制冷剂的焓值。
作为本发明的优选方案，步骤一中，试验进入预处理阶段并持续运行至少10 min，然后进行一次除霜循环，除霜完成后进入数据采集阶段，直到机组完成至少三个完整的除霜周期，结束试验。
作为本发明的优选方案，步骤一中，通过在冷凝器与节流阀之间的液体管道中安装的流量计测量系统的制冷剂流量。
作为本发明的优选方案，步骤一中，通过安装在热泵机组的温度计和压力计测量得到蒸发器进口温度、蒸发器进口压力、蒸发器出口温度、蒸发器出口压力、冷凝器进口温度、冷凝器进口压力、冷凝器出口温度、冷凝器出口压力。
作为本发明的优选方案，步骤一中，通过两个带积分计算功能的电功率表分别测量热泵机组的压缩机耗电量、热泵机组的风机耗电量。
作为本发明的优选方案，步骤一中，水环路在换热器进出口水管分别安装温度计测量换热器进口水温、换热器出口水温，并设置一台流量计测量水流量，用于计算水侧换热器热交换量。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明基于各种不同除霜方式的特点提出了一种通用的评价模型，用来在同一个基准上对结除霜工况下不同空气源热泵供热系统在一个制热除霜周期内进行性能评价，使得用户能够采用一种统一的评价模型对各种除霜技术进行评价，帮助用户进行技术选择。
2、空气源热泵供热系统性能指标主要包括供热稳定性、供热能力和能效三个方面，因此本发明的性能评价方法包括供热系统供水温降低幅度T drop、等效供热能力q eq、除霜能效COP d和综合系统能效CCOP指标，能够对不同类型的空气源热泵供热系统性能进行全面有效的评价。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2是本发明的试验系统原理图。
图3是本发明的试验数据采集流程示意图。
图4是逆循环机组试验得到的测试制热功率图。
图标：1-压缩机，2-冷凝器，3-截止阀，4-液体流量计，5-玻璃窥镜，6-节流阀，7-蒸发器，8-压力计，9-温度计，10-流量调节阀。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法，包括以下步骤：
步骤一：对空气源热泵供热系统进行试验，并测量供热系统的制冷剂流量、蒸发器进口温度、蒸发器进口压力、蒸发器出口温度、蒸发器出口压力、冷凝器进口温度、冷凝器进口压力、冷凝器出口温度、冷凝器出口压力、热泵机组的压缩机耗电量、热泵机组的风机耗电量、换热器进口水温、换热器出口水温以及水流量。
具体的，如图2所示，试验系统由测试热泵机组和水环路构成，热泵机组通过在冷凝器2与节流阀6之间的液体管道中安装的液体流量4计测量系统的制冷剂流量，蒸发器7和冷凝器2进出口的温度和压力分别通过安装在热泵机组的温度计9和压力计8测量得到。热泵机组的压缩机1、风机耗电分别由两个带积分计算功能的电功率表测量。水环路在换热器进出口水管分别安装温度计9测量换热器进出水温，并设置一台液体流量计4，测量水流量，用于计算水侧换热器热交换量。另外还设置了截止阀3、玻璃窥镜5、流量调节阀10便于进行参数调控。试验工况统一设定为干球温度2℃，湿球温度1℃。
试验流程如图3所示，整个试验分为预处理阶段和数据采集阶段，机组启动后，当试验参数满足试验工况参数时，试验进入预处理阶段并持续运行至少10 min。然后进行一次除霜循环，除霜完成后进入数据采集阶段，直到机组完成至少三个完整的除霜周期，结束试验。
制冷剂侧机组制热时段制热量Q h1的计算公式为：
Figure 5250DEST_PATH_IMAGE007
，
水侧机组制热时段制热量Q h2的计算公式为：
Figure 794214DEST_PATH_IMAGE008
，
式中，τ为试验时间，ω为制冷剂和润滑油的混合液中制冷剂与混合液的质量比，M为制冷剂与润滑油的混合液的质量流量，kg/h，h2为冷凝器出口处制冷剂的焓值，kJ/kg，h1为冷凝器进口处制冷剂的焓值，kJ/kg，cw为水的比热容，kJ/(kg·K)，ρ为水的密度，kg/m3，ν为水流量，m3/h，Tout为换热器出水温度，℃，Tin为换热器进水温度，℃，τ1代表前一次除霜结束时间，h，τ2代表除霜开始时间，h。
试验采用制冷剂侧计算得到的制热量Q h1与水侧制热量Q h2相互验证，两个计算结果的相对误差小于5%则认为试验误差可接受，如果超过5%，则认为试验误差过大，需要重新试验。
步骤二：采用积分方式计算得到除霜蒸发器在各个制热除霜周期的蒸发器除霜耗热量Q d和除霜时段机组耗电量W d，其中，
蒸发器除霜耗热量Q d的计算公式为：
Figure 991103DEST_PATH_IMAGE005
，
式中， h 4为蒸发器出口处制冷剂的焓值，kJ/kg， h 3为蒸发器进口处制冷剂的焓值，kJ/kg，τ3代表除霜结束时间，h。上式所示计算公式以1个完整除霜周期为例，其余除霜周期计算方法相同。
而除霜时段机组耗电量W d中的热泵机组的压缩机1、风机耗电分别由两个带积分计算功能的电功率表测量。
步骤三：判断机组在除霜时是否存在冷热抵消，
若存在冷热抵消，则说明除霜时段不继续制热，除霜时段机组制热量Q dh为0，同时制热时段制热量中有部分热量被除霜冷抵消，对供热系统而言该部分热量为无效制热量Q hi，与之对应的制取该部分热量消耗的电能为无效电耗W hi。因此，需计算无效制热量Q hi和无效电耗W hi。由于存在冷热抵消的除霜方式除霜热量来自除霜时段压缩机的电耗W dc和除霜前制热时段机组制得的热量Q hi，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，根据逆卡诺循环原理，Q hi包含无效电耗W hi和空气吸热Q hia两部分，/>
Figure 763887DEST_PATH_IMAGE010
，W hi为无效制热量Q hi和制热时段的平均制热性能系数COPh两者之比，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE011
。因此，可得到存在冷热抵消时系统在各个制热除霜周期内的除霜能效COPd、等效制热能力qeq和综合供热能效CCOP指标。
若不存在冷热抵消，机组在除霜时没有热量来自于正常制热时段，则无效制热量Q hi为0，说明机组除霜热量全部来自除霜时段，制热时段机组制取的热量完全用于为用户供热。
然后需要判断机组在除霜时段是否停止制热，如果除霜时段机组继续制热，Q dh>0机组总制热量增加，制热能力增加，考虑到由于除霜时段耗电量既产生了除霜热量同时又产生了制热量，除霜时段机组制热量Q dh的计算公式为：
Figure 835748DEST_PATH_IMAGE012
，
因此，可得各个除霜周期除霜能效COP d、等效制热能力q eq和综合供热能效CCOP指标的计算公式。
如果除霜时段机组停止制热，Q dh=0，可得各个除霜周期除霜能效COP d、等效制热能力q eq和综合供热能效CCOP指标的计算公式。
步骤四：计算各个制热除霜周期供热系统供水温降低幅度T drop、除霜能效COP d、等效供热能力q eq和综合系统能效CCOP，其中，
Figure 744798DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 345544DEST_PATH_IMAGE001
，/>
Figure 340044DEST_PATH_IMAGE002
，/>
Figure 684438DEST_PATH_IMAGE003
，
式中，T set为供热系统设定温度，℃，T low为由于除霜导致系统供热温度下降最低温度，℃，Q h为制热时段机组制热量，kWh，W为热泵机组在一个制热除霜周期内的总耗电量，kWh。
计算至少2个完整制热除霜周期的供水温降低幅度Tdrop、除霜能效COPd、等效供热能力qeq和综合系统能效CCOP，并取平均值。
供热系统供水温降低幅度T drop通过将设定供热温度T set与最低温度T low之差与设定温度T set求比值得到，通过T drop可评价该除霜技术对供热稳定性的破坏程度。
由于不同除霜方式在除霜时段有不同的制热性能，存在冷热抵消的除霜方式需要从制热时段产热中吸收热量，该部分制热量不能用于为用户供热，因此机组的有效制热量被削减。而不存在冷热抵消的除霜方式存在边除霜的同时持续不间断制热，因此，机组有效制热量增加。为了评价不同除霜方式下的机组供热能力，提出等效供热能力q eq，该指标对存在冷热抵消的机组供热能力计算时扣除了用于除霜被吸收的热量，对不存在冷热抵消并且在除霜时不间断制热的机组供热能力计算时增加了除霜时段的制热量。计算制热时长定义为制热与除霜全周期时长，该定义能有效评价不同除霜方式以及不同除霜控制策对制热能力的影响。
与等效供热能力q eq相同，不同除霜方式对用户最终有效地供热量不同，并且能耗也不同，因此采用CCOP替代传统的COP，用来评价机组的综合能效。CCOP评价指标能有效评价一个周期内机组制热能效、除霜能效和冷热抵消导致的能效衰减。
其中各种情境下的除霜能效COPd、等效供热能力qeq和综合系统能效CCOP分别为：
（1）若机组在除霜时存在冷热抵消，则除霜时段机组制热量Q dh为0，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，/>
Figure 979153DEST_PATH_IMAGE014
，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE015
。
（2）若机组在除霜时不存在冷热抵消，且除霜时段机组停止制热，则无效制热量Q hi=0，无效电耗W hi=0，除霜时段机组制热量Q dh=0，
Figure 281958DEST_PATH_IMAGE016
，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 265220DEST_PATH_IMAGE018
。
（3）若机组在除霜时不存在冷热抵消，且除霜时段机组继续制热，则无效制热量Q hi=0，无效电耗W hi=0，除霜时段机组制热量Q dh>0，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，/>
Figure 678884DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
。
实施例2
以某厂家压缩机功率为10P的逆循环除霜热泵机组为例进行试验测试，根据统计，在标准试验工况下总试验时长共计260 min，制热时长为224min，除霜时长为19min，其余为预处理时间。试验机组全过程逐时制热量如图4所示，制热时段机组制热功率大约21kW，随着制热运行机组逐渐结霜，导致制热量逐渐衰减，由于逆循环除霜空气源热泵供热系统在除霜时段存在冷热抵消、因此除霜开后机组制热量迅速衰减至负数，即从用户热水吸收热量。
根据数据统计，3次除霜平均水温降低幅度为6.5℃，根据其定义计算得到水温降低幅度为14.4%。等效供热能力q eq、除霜能效COP d和综合系统能效CCOP指标根据图1所示方法进行计算，除霜蒸发器在各个周期除霜时段的除霜耗热量Q d为1.6kW·h，机组耗电量W d为0.24 kW·h。机组为逆循环除霜机组，从图4可看出除霜存在冷热抵消现象，因此首先计算无效制热量Qhi为1.36kW·h，其次各个周期内制热时段总制热量Q h为75.0kW·h，总耗电量W h为27.2kW·h，平均制热能效COP h为2.76，然后通过无效制热量Qhi与制热能效COP h可计算出无效耗电量W hi为0.5kW·h，最终计算得到q eq、COP d和CCOP结果如下表1所示。
表1实施案例评价指标计算结果
Figure DEST_PATH_IMAGE023
可见逆循环除霜方式导致供水温度下降幅度明显，对空气源热泵供热系统供热舒适度有较大影响；等效供热能力相比机组无霜供热能力21kW衰减了16.2%，机组在结霜频繁工况下运行时，采用逆循环除霜容易引起机组制热能力衰减严重；综合考虑到制热时段的除霜能耗，除霜能效计算结算产生了极大的下降；同样由于冷热抵消导致了系统总制热量衰减的原因，系统的综合能效同样有一定降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对空气源热泵供热系统进行试验，并测量供热系统的制冷剂流量、蒸发器进口温度、蒸发器进口压力、蒸发器出口温度、蒸发器出口压力、冷凝器进口温度、冷凝器进口压力、冷凝器出口温度、冷凝器出口压力、热泵机组的压缩机耗电量、热泵机组的风机耗电量、冷凝器进口水温、冷凝器出口水温以及热水流量，
步骤二：采用积分方式计算得到除霜蒸发器在各个制热除霜周期的蒸发器除霜耗热量Q d和除霜时段机组耗电量W d，
步骤三：判断机组在除霜时是否存在冷热抵消，
若存在冷热抵消，则除霜时段机组制热量Q dh为0，并计算制热时段无效制热量Q hi，以及无效制热量Q hi所消耗的无效电耗W hi，
若不存在冷热抵消，则无效制热量Q hi为0，无效电耗W hi为0，继续判断在除霜时段是否停止制热，若停止制热，则除霜时段机组制热量Q dh为0，否则Q dh>0，
步骤四：计算各个制热除霜周期除霜能效COP d、等效供热能力q eq和综合系统能效CCOP，其中，
Figure QLYQS_1
，/>
Figure QLYQS_2
，
Figure QLYQS_3
，
式中， Q h 为制热时段机组制热量，W为热泵机组在一个制热除霜周期内的总耗电量，τ1为前一次除霜结束时间，τ3为除霜结束时间，
计算至少2个完整制热除霜周期的除霜能效COPd、等效供热能力qeq和综合系统能效CCOP，并取平均值。
2.根据权利要求1所述的一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法，其特征在于，步骤四还包括：计算各个制热除霜周期供热系统供水温降低幅度T drop，计算公式如下：
Figure QLYQS_4
，
式中，T set为供热系统设定温度，T low为由于除霜导致系统供热温度下降最低温度，
计算至少2个完整制热除霜周期的供水温降低幅度Tdrop并取平均值。
3.根据权利要求1所述的一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法，其特征在于，蒸发器除霜耗热量Q d的计算公式如下：
Figure QLYQS_5
，
除霜时段机组制热量Q dh的计算公式如下：
Figure QLYQS_6
，
式中，τ为试验时间，τ2代表除霜开始时间，ω为制冷剂和润滑油的混合液中制冷剂与混合液的质量比，M为制冷剂与润滑油的混合液的质量流量，h 4为蒸发器出口处制冷剂的焓值， h 3为蒸发器进口处制冷剂的焓值，c w为水的比热容，ρ为水的密度，ν为热水流量， T out为冷凝器出水温度， T in为冷凝器进水温度。
4.根据权利要求3所述的一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法，其特征在于，步骤一中还包括计算制冷剂侧机组制热时段制热量Q h1和水侧机组制热时段制热量Q h2，当Q h1和Q h2的试验误差小于阈值时，认为试验误差可接受，否则重新试验。
5.根据权利要求4所述的一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法，其特征在于，制冷剂侧机组制热时段制热量Q h1的计算公式为：
Figure QLYQS_7
，
水侧机组制热时段制热量Q h2的计算公式为：
Figure QLYQS_8
，
式中， h 2为冷凝器出口处制冷剂的焓值， h 1为冷凝器进口处制冷剂的焓值。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法，其特征在于，步骤一中，试验进入预处理阶段并持续运行至少10 min，然后进行一次除霜循环，除霜完成后进入数据采集阶段，直到机组完成至少三个完整的除霜周期，结束试验。
7.根据权利要求6所述的一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法，其特征在于，步骤一中，通过在冷凝器与节流阀之间的液体管道中安装的流量计测量系统的制冷剂流量。
8.根据权利要求6所述的一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法，其特征在于，步骤一中，通过安装在热泵机组的温度计和压力计测量得到蒸发器进口温度、蒸发器进口压力、蒸发器出口温度、蒸发器出口压力、冷凝器进口温度、冷凝器进口压力、冷凝器出口温度、冷凝器出口压力。
9.根据权利要求6所述的一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法，其特征在于，步骤一中，通过两个带积分计算功能的电功率表分别测量热泵机组的压缩机耗电量、热泵机组的风机耗电量。
10.根据权利要求6所述的一种结除霜工况下的空气源热泵供热系统性能评价方法，其特征在于，步骤一中，水环路在冷凝器进出口水管分别安装温度计测量冷凝器进口水温、冷凝器出口水温，并设置一台流量计测量热水流量，用于计算水侧冷凝器热交换量。
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