CN213901582U - 基于最佳除霜控制点的空气源热泵风机电流除霜控制系统 - Google Patents

Abstract

基于最佳除霜控制点的空气源热泵风机电流除霜控制系统，属于空气源热泵除霜技术领域。以风机电流增量作为除霜控制参数，以风机平均电流增长速率判断机组所处结霜工况(重霜/一般结霜/轻霜或无霜)；然后，采用“最佳除霜控制点”理论，确定不同结霜工况下机组的最佳除霜控制阈值；最后辅以换热温差和持续制热运行时间的限制条件，保障机组安全稳定运行。本发明避免“误除霜”事故的发生，提高了机组运行能效；操作简单、实现成本较低。

Description

基于最佳除霜控制点的空气源热泵风机电流除霜控制系统

技术领域

本发明属于空气源热泵除霜技术领域，具体地说，是针对空气源热泵，利用室外风机电流进行除霜控制的系统与方法。

背景技术

空气源热泵技术具有节能、环保、易于维护等优势，其被作为热源广泛地应用于中小型建筑供暖系统。然而，空气源热泵实际应用中经常出现“误除霜”事故，导致机组出现制热量衰减、运行性能降低等问题，严重时甚至会导致压缩机烧毁等安全事故。因此，除霜控制是目前空气源热泵研究领域的重要方向之一。现有测霜技术研究主要分为“直接测霜”和“间接测霜”两个方向，由于直接测霜法的监测设备成本较大，间接测霜法更受到空气源热泵生产厂家的青睐。目前市场销售的空气源热泵机组大多采用“温度-时间”(TT)间接测霜法，该方法简单易行，但忽略了环境湿度对结霜影响，影响对霜层准确判断，造成“误除霜”事故。开发低成本、易于工程应用的准确测霜方法仍然是空气源热泵机组的迫切需求。

当空气源热泵室外换热器结霜时，霜层会逐步堵塞空气流通通道，造成风机运行工况点发生偏移，风机电流和功率等参数会随着霜量增加而变化，因此可以利用风机运行状态参数反映机组结霜情况。发明专利CN104061650A公开了一种风冷热泵空调的结霜判定方法，包括：实时监测风机功率；根据室外温度判定是否满足结霜条件；以风机转速判断机组是否正常运行；根据风机功率变化判断是否除霜。发明专利CN110779265A公开了一种基于风机电流的空气源热泵除霜远程监控系统及监控方法，包括：从风机电流入手，将采集到的风机电流数据通过数据预处理和特征提取，再结合机器学习等数据分析从而对空气源热泵的室外侧换热器结霜的情况加以判断。

虽然上述研究已初步证明风机运行参数在除霜控制中应用的可行性，但是尚存在一些问题：(1)以单一的风机电流或功率等作为除霜控制参数，由于机组实际运行时室外换热器可能会存在脏堵，会造成结霜判断不准确；(2)现有研究对于除霜控制点的选择多采用经验取值的方法，不能达到最佳除霜性能，影响空气源热泵运行效率。

综上所述，以风机运行状态参数为基础的除霜控制技术，尚需综合考虑工程应用因素，合理选择除霜控制参数以及最佳除霜控制点，以提高空气源热泵机组运行能效和稳定性。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种基于最佳除霜控制点的空气源热泵风机电流除霜控制系统及方法。该系统以风机电流增量作为除霜控制参数，并对初始风机电流进行修正，有效避免脏堵问题的影响；利用风机平均电流增长速率判断机组当前所处结霜工况，结合“最佳除霜控制点”理论，确定不同工况下除霜控制阈值，结合盘管温度和运行时间，进行空气源热泵除霜控制。

为达到上述实用新型目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型解决技术问题所采用的控制系统包括压缩机(1)、四通换向阀(2)、冷凝器 (3)、节流装置(4)、蒸发器(5)、室外风机(6)、电流互感器(7)、除霜控制器(8)和机组控制器(9)、温湿度传感器(10)；

其中，压缩机(1)的排气口与四通换向阀(2)的进气口相连，四通换向阀(2)的出气口在与压缩机(1)的进气口相连；四通换向阀(2)的另外两个接口分别与蒸发器(5) 的第一接口和冷凝器(3)的第一接口相连；冷凝器(3)的第二接口通过节流装置(4)与蒸发器(5)的第二接口相连，室外风机(6)用于对蒸发器(5)吹风降温，室外和蒸发器制冷剂环路侧盘管处均设有温湿度传感器(10)，温湿度传感器(10)并与除霜控制器(8) 电路或信号连接；电流互感器(7)为可进行数据通讯的电流测量仪表，安装在室外风机的机柜上与室外风机(6)电路或信号连接，用于监测室外风机耗电情况，电流互感器(7)并与除霜控制器(8)电路或信号连接；除霜控制器(8)与机组控制器(9)电路或信号连接，机组控制器(9)分别与压缩机(1)、四通换向阀(2)、节流装置(4)、室外风机(6)电路或信号连接，可控制压缩机(1)、四通换向阀(2)、节流装置(4)和室外风机(6)的启停。

数据测试设备包括：温湿度传感器和电流互感器，温湿度传感器用于对机组空气侧环境即室外温湿度、蒸发器制冷剂环路侧盘管温度进行实时监测，电流互感器用于对风机电流进行实时监测；除霜控制器主要用于读取风机电流、盘管温度和室外环境温湿度，并集成了风机电流除霜控制逻辑，在达到逻辑除霜条件时传达除霜信号；机组控制器控制压缩机、四通换向阀、膨胀阀和室外风机启停以及机组启停和执行/停止除霜操作。

本实用新型还提供一种基于最佳除霜控制点的空气源热泵风机电流除霜控制方法，包括：以风机电流增量作为除霜控制参数，以风机平均电流增长速率判断机组所处结霜工况(重霜 /一般结霜/轻霜或无霜)；然后，采用“最佳除霜控制点”理论，确定不同结霜工况下机组的最佳除霜控制阈值；最后辅以换热温差和持续制热运行时间的限制条件，保障机组安全稳定运行。具体步骤如下：

S1：实时测量风机电流I_F、环境温度T_a、盘管温度T_e，并计算风机初始电流I₀、累计制热运行时间t₁、单次制热运行时间t₂、电流增量ΔI、平均电流增长速率I_v和换热温差ΔT；

S2：根据风机电流平均增长速率I_v，判断当前机组运行所处的结霜工况；

S3：根据步骤S2中的实验结果，将风机电流和电流增量进行对比分析，采用风机电流增量ΔI，作为除霜控制参数；

S4：根据“最佳除霜控制点”理论，计算出最小名义制热量损失系数，确定不同结霜工况的最佳除霜控制阈值ΔI_df；

S5：将实时电流增量ΔI与当前结霜工况下的最佳除霜控制阈值ΔI_df进行比较，当ΔI≥ΔI_df时，或者当换热温差ΔT和持续制热运行时间分别达到设定值后，除霜控制器向机组控制器发出除霜信号，机组开始除霜；

S6：以盘管温度T_e和除霜持续时间t_df作为退出除霜判定条件，当满足以下任一条件时退出除霜：

①盘管温度T_e≥L；

②机组除霜时间t_df＞M。

进一步地，步骤S1中出现的各个参数的定义和计算方法如下：

①风机初始电流I₀：

I₀＝min{累计制热运行时间3min时的风机电流，I₀₀} 单位：A

其中：I₀₀为上一个周期的风机初始电流。将本次循环累计制热运行时间3min时的风机电流值与I₀₀进行比较，选择最小值作为本次循环的电流初始值I₀。

该设定的目的是为了防止机组因在上次循环除霜不净导致机组出现结冰现象，从而导致本次循环开始时初始电流I₀因冰层的阻塞而超出正常范围，在计算风机电流增量和平均电流增长速率时引起误差，导致“误除霜”操作。

②累计制热运行时间t₁：机组开始制热运行时，开始计时，除霜时，结束计时并清零；

③单次制热运行时间t₂：机组开始制热运行时，开始计时，机组停止运行时，结束计时并清零；

④电流增量ΔI：

ΔI＝I_F-I₀ (A)

⑤电流平均增长速率I_v：

⑥换热温差ΔT：

ΔT＝环境温度T_a-盘管温度T_e(℃)

进一步地，步骤S2中判定机组所处结霜工况的具体方法如下：

S21：在人工环境实验室，对不同典型结霜工况，分别进行结霜实验，测试机组结霜过程中，风机电流的变化；具体工况信息如下：

①重霜测试工况：干球温度2℃，相对湿度85％；

②一般结霜测试工况：干球温度-1℃，相对湿度65％；

③轻霜测试工况：干球温度0℃，相对湿度45％。

S22：根据实验室测试结果，利用风机平均电流增长速率在不同结霜区呈现显著差异的特点，以风机平均电流增长速率判断机组所处结霜工况；比较不同结霜工况下的风机平均电流增长速率，发现存在第一风机平均电流增长速率I_v-s1，用于区分重霜和一般结霜工况；存在第二风机平均电流增长速率I_v-s2，用于区分一般结霜和轻霜工况；

S23：在实际运行中，根据风机平均电流增长速率，判断结霜工况：

①当I_v≥I_v-s1时，判定工况为重霜工况；

②当I_v-s1＞I_v≥I_v-s2时，判定工况为一般结霜工况；

③当I_v＜I_v-s2时，判定工况为轻霜或无霜工况。

进一步地，步骤S3中选择以风机电流增量作为除霜控制参数的原因是：根据步骤S2 中的实验室测试结果，对比发现，风机电流与电流增量均能灵敏地反映机组结霜情况；而当机组受到脏堵影响时，风机的初始电流会发生变化，相应地，结霜后的风机电流值也会受到影响，而电流增量值与初始值无关，因此选择以风机电流增量作为除霜控制参数。

进一步地，步骤S4具体包括以下步骤：

S41：对不同典型结霜工况，在人工环境实验室分别进行霜层生长初期(Time1)和霜层布满时刻(Time2)除霜的结除霜实验，实时记录冷凝器进出水温度T_in/T_out、循环水流量Q和风机电流增量ΔI，并根据下式计算实时瞬时制热功率q_h1：

q_h1＝ρc×(T_out-T_in)×Q

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

具体测试工况信息如下：

①重霜测试工况：干球温度2℃，相对湿度85％；

②一般结霜测试工况：干球温度-1℃，相对湿度65％；

③轻霜测试工况：干球温度0℃，相对湿度45％。

S42：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_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。

S43：针对不同除霜时刻的除霜循环，计算除霜过程制热量损失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名义除霜损失和名义除霜损失系数：

S44：计算不同除霜时刻下的机组名义制热量损失系数：

ε_NL(τ_d)＝ε_NL1(τ_d)+ε_NL2(τ_d)

S45：在不同结霜工况，可以分别得到一条名义制热量损失系数和一条风机电流增量随时间变化的关系曲线，并能得到一个最小名义制热量损失系数，该点对应的电流增量即为该工况下的除霜控制阈值ΔI_df：

式中，

—ε_NL取最小值时的电流值，A。

S46：根据步骤S2的工况判断结果和名义制热量损失系数的计算结果，当判定机组所处工况为重霜工况时，除霜启动时的电流增量设定为ΔI_df＝C；当判定机组所处工况为一般结霜工况时，除霜启动时的电流增量设定为ΔI_df＝D；当判定机组所处工况为轻霜工况时，除霜启动时的电流增量设定为ΔI_df＝E；其中C、D、E为根据

确定的不同工况ΔI_df具体值；

进一步地，步骤S5具体包括以下步骤：

S51：在确定结霜工况后，若满足ΔI≥ΔI_df，则除霜控制器发出除霜信号；否则，继续执行步骤S52；

S52：为保障机组安全稳定运行，辅以换热温差与持续制热运行时间限制条件，若满足以下任意条件，则开始除霜：

①单次制热运行时间t₂＞H；

②单次制热运行时间t₂≤H，盘管温度T_e＜0℃且ΔT＞J且持续K分钟；

其中H、J、K、L和M均为预先设定值。

当满足步骤S52中任意除霜启动条件时，除霜控制器发出除霜信号，机组控制器开始除霜操作。

本实用新型的有益效果是：(1)以风机电流增量作为除霜控制参数可灵敏地反映结霜程度，消除脏堵影响；(2)可以实时判断机组运行时所处的结霜工况；(3)依据“最佳除霜控制点”理论确定最佳除霜时刻；(4)避免“误除霜”事故的发生，提高了机组运行能效；(5) 操作简单、实现成本较低。

附图说明

图1是本实用新型的一种基于最佳除霜控制点的空气源热泵风机电流除霜控制系统原理图；

压缩机1，四通换向阀2，冷凝器3，节流装置4，蒸发器5，室外风机6，电流互感器 7，除霜控制器8和机组控制器9；

图2是本实用新型的一种基于最佳除霜控制点的空气源热泵风机电流除霜控制方法流程图；

图3为不同结霜工况最佳除霜点的确定；a)重霜工况，b)一般结霜工况。

具体实施方式

下面结合附图针对本实用新型作进一步实例描述：

结合图1，本实用新型的一种基于风机电流的空气源热泵除霜控制系统，包括压缩机1，四通换向阀2，冷凝器3，节流装置4，蒸发器5，室外风机6，电流互感器7，除霜控制器 8和机组控制器9。

其中，压缩机1的排气口与四通换向阀2的进气口相连；四通换向阀2的另外两个接口分别与蒸发器5的第一接口和冷凝器3的第一接口相连，节流装置的两端分别与蒸发器5的第二接口和冷凝器3的第二接口相连；电流互感器7为可进行数据通讯的电流测量仪表，安装在空气源热泵风机的室外机柜上，用于监测室外风机耗电情况，并与除霜控制器8相连；电流除霜控制器连接于机组控制器9，机组控制器9可控制压缩机1，四通换向阀2，节流装置4和室外侧风机6的启停。

结合图2，本实用新型提供了一种基于风机电流的空气源热泵除霜控制方法，包括：以风机电流增量作为除霜控制参数，以风机平均电流增长速率判断机组所处结霜工况(重霜/ 一般结霜/轻霜或无霜)；然后，结合“最佳除霜控制点”理论，计算出不同工况下的最小名义制热量损失系数，从而确定不同结霜工况下机组的除霜控制阈值；最后辅以换热温差和持续制热运行时间的限制条件，保障机组安全稳定运行。整体步骤包括以下步骤：

S1：机组控制器9发出指令控制机组启动，空气源热泵机组制热模式运行开始，控制压缩机1、四通换向阀2、节流装置4，并开启室外风机6，同时除霜控制器8开始对机组数据进行采集和处理，读取实时风机电流值I_F、环境温度T_a、盘管温度T_e，实时计算风机初始电流I₀、累计制热运行时间t₁、单次制热运行时间t₂、电流增量ΔI、平均电流增长速率I_v和换热温差ΔT；

S2：基于典型气象数据选择重霜、一般结霜和轻霜三种工况，在实验室进行测试，根据结果，存在风机平均电流增长速率设定值I_v-s1和I_v-s2(如0.003A/min和0.006A/min)，区分不同结霜工况。工况判断方法如下：

①当I_v≥0.006A/min时，判定机组运行于重霜工况；

②当0.006A/min＞I_v≥0.003A/min时，判定机组运行于一般结霜工况；

③当I_v＜0.003A/min时，判定机组运行于轻霜工况。

S3：风机电流与电流增量均能灵敏地反映机组结霜情况，而当机组受到脏堵影响时，风机的初始电流会发生变化，相应地，结霜后的风机电流值也会受到影响，而电流增量值与初始值无关，因此选择以风机电流增量作为除霜控制参数；

S4：根据“最佳除霜控制点”理论，在人工环境实验测试，结果如下图3所示。该图分别描绘了机组在不同工况下的名义制热量损失系数和风机电流增量随时间的变化。根据不同工况下，名义制热量损失系数取最小值时的电流增量设定除霜控制阈值ΔI_df(例如重霜区设定ΔI_df＝1.52A，一般结霜区设定ΔI_df＝0.78A，轻霜区由于实验测试过程未发现明显结霜，故以机组最大运行保护时间控制除霜，以达到较好的除霜控制效果)；

S5：根据步骤S2判断机组所处运行工况，在对应工况下，当实时计算得到的ΔI≥ΔI_df时，或者满足以下任意条件时，启动除霜。

①单次制热运行时间t₂＞150min；

②单次制热运行时间t₂≤150min，盘管温度T_e＜0℃且ΔT＞10℃且持续5min；

否则，返回执行步骤S2；

S6：当盘管温度T_e≥15℃，或者除霜时间t_df＞10min时，除霜控制器8向机组控制器9 传达停止除霜信号，控制机组退出除霜，返回步骤S1，进行下一个结除霜循环；否则，继续执行除霜操作。

本实用新型的实施实例，可以看出采用该方法和系统能准确灵敏地反应结霜程度，消除脏堵影响，并确定最佳除霜控制阈值，提高机组运行能效，保护机组安全稳定运行，避免“误除霜”事故的发生，且操作简单、实现成本较低。

Claims (2)

1.一种基于最佳除霜控制点的空气源热泵风机电流除霜控制系统，其特征在于，包括压缩机(1)、四通换向阀(2)、冷凝器(3)、节流装置(4)、蒸发器(5)、室外风机(6)、电流互感器(7)、除霜控制器(8)和机组控制器(9)、温湿度传感器(10)；

其中，压缩机(1)的排气口与四通换向阀(2)的进气口相连，四通换向阀(2)的出气口在与压缩机(1)的进气口相连；四通换向阀(2)的另外两个接口分别与蒸发器(5)的第一接口和冷凝器(3)的第一接口相连；冷凝器(3)的第二接口通过节流装置(4)与蒸发器(5)的第二接口相连，室外风机(6)用于对蒸发器(5)吹风降温，室外和蒸发器制冷剂环路侧盘管处均设有温湿度传感器(10)，温湿度传感器(10)并与除霜控制器(8)电路或信号连接；电流互感器(7)为可进行数据通讯的电流测量仪表，安装在室外风机的机柜上与室外风机(6)电路或信号连接，用于监测室外风机耗电情况，电流互感器(7)并与除霜控制器(8)电路或信号连接；除霜控制器(8)与机组控制器(9)电路或信号连接，机组控制器(9)分别与压缩机(1)、四通换向阀(2)、节流装置(4)、室外风机(6)电路或信号连接，可控制压缩机(1)、四通换向阀(2)、节流装置(4)和室外风机(6)的启停。

2.按照权利要求1所述的一种基于最佳除霜控制点的空气源热泵风机电流除霜控制系统，其特征在于，数据测试设备包括：温湿度传感器和电流互感器，温湿度传感器用于对机组空气侧环境即室外温湿度、蒸发器制冷剂环路侧盘管温度进行实时监测，电流互感器用于对风机电流进行实时监测；除霜控制器主要用于读取风机电流、盘管温度和室外环境温湿度，并集成了风机电流除霜控制逻辑，在达到逻辑除霜条件时传达除霜信号；机组控制器控制压缩机、四通换向阀、膨胀阀和室外风机启停以及机组启停和执行/停止除霜操作。

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