一種CO2熱泵除霜方法的實(shí)現(xiàn)

楊軍紅（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心　昆明　650051）

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一種CO2熱泵除霜方法的實(shí)現(xiàn)

楊軍紅
（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心昆明650051）

【摘要】空氣源CO2熱泵在冬季運(yùn)行時(shí)，由于外部環(huán)境溫度低、空氣濕度大等原因，往往會(huì)在蒸發(fā)器表面形成霜層，從而降低熱泵運(yùn)行效率，甚至影響熱泵機(jī)組的正常運(yùn)行，根據(jù)CO2熱泵的實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)一種CO2熱泵智能除霜方法，用于解決空氣源CO2熱泵低溫、高濕環(huán)境下的除霜問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】CO2熱泵；結(jié)霜；除霜；蒸發(fā)器；熱氣旁通

作者（通訊作者）簡(jiǎn)介：楊軍紅（1984.11-），男，工學(xué)碩士，工程師，E-mail：a303537285@163.com

0　引言

空氣源CO2熱泵是一種以CO2作為冷媒、空氣作為低溫?zé)嵩吹闹茻嵩O(shè)備，其通過(guò)CO2吸收空氣中的熱量，然后經(jīng)過(guò)制冷循環(huán)，達(dá)到蓄熱的目的。CO2熱泵作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保的制熱設(shè)備，在酒店節(jié)能、替代燃煤和燃油供熱、居民集中供熱等工程中有著很好的應(yīng)用前景，發(fā)展和應(yīng)用CO2熱泵將是未來(lái)暖通行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基本方向。但是從目前運(yùn)行情況來(lái)看，CO2熱泵與其它空氣源熱泵一樣存在結(jié)霜問(wèn)題，當(dāng)CO2熱泵在冬季運(yùn)行時(shí)，隨著環(huán)境溫度的降低、空氣濕度的加大會(huì)在蒸發(fā)器的表面形成霜層從而降低CO2熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率及可靠性，因此有效的除霜方式將是空氣源CO2熱泵推廣與應(yīng)用的關(guān)鍵，本文將結(jié)合空氣源CO2熱泵實(shí)際應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)一種有效的智能除霜方式，以保障CO2熱泵在冬季可靠的運(yùn)行。

1　除霜方法介紹

目前空氣源熱泵常用的除霜方法主要有熱電除霜、逆循環(huán)除霜、熱氣旁通除霜、相變蓄能除霜等。

熱電除霜：熱電除霜的方法是通過(guò)在蒸發(fā)器上安裝適當(dāng)?shù)墓β孰娮瑁?dāng)蒸發(fā)器表面結(jié)霜到一定程度時(shí)，通過(guò)電阻絲通電發(fā)熱來(lái)化霜。

逆循環(huán)除霜：逆循環(huán)除霜是通過(guò)四通換向閥在除霜時(shí)改變制冷劑流向，改制熱狀態(tài)為制冷狀態(tài)，壓縮機(jī)排除的高溫氣體直接通至蒸發(fā)器進(jìn)行化霜。

熱氣旁通除霜：熱氣旁通除霜時(shí)，不改變制冷劑流向、制熱工作狀態(tài)，壓縮機(jī)排除的高溫氣體通過(guò)旁通管路直接流向蒸發(fā)器進(jìn)行化霜。

相變蓄能除霜：相變蓄能除霜是通過(guò)在熱泵系統(tǒng)中增加相變蓄能裝置，熱泵運(yùn)行時(shí)相變蓄能裝置進(jìn)行蓄能，熱泵除霜時(shí)相變蓄能裝置為蒸發(fā)器提供能量化霜。

2　除霜方法選擇

熱泵除霜的實(shí)質(zhì)是能量傳遞的過(guò)程，即將獲取的能量傳遞至蒸發(fā)器表面結(jié)霜層，從而達(dá)到融化蒸發(fā)器表面霜層的目的。而從能量的轉(zhuǎn)換與傳遞角度來(lái)看，除霜的關(guān)鍵在于除霜過(guò)程中能量的獲取與分配。

空氣源CO2熱泵運(yùn)行時(shí)高壓端一般工作在超零界（＞7.36MPa）狀態(tài)，其高壓端壓力比一般的熱泵要高出很多，若采用逆循環(huán)除霜，高低壓對(duì)接過(guò)程中會(huì)對(duì)系統(tǒng)各部件產(chǎn)生比較嚴(yán)重的沖擊，從而影響系統(tǒng)的可靠性。且CO2熱泵運(yùn)行過(guò)程中高壓端壓力、溫度比一般熱泵要高出很多，其自身蓄積的能量加上除霜過(guò)程中壓縮機(jī)產(chǎn)生的能量足夠除霜的使用。因此，在設(shè)計(jì)中采用熱氣旁通的方式進(jìn)行除霜，即在CO2熱泵壓縮機(jī)排氣端與蒸發(fā)器之間安裝旁通管路，在除霜時(shí)打開(kāi)旁通管路將CO2熱泵高壓端高溫、高壓氣體直接送入蒸發(fā)器以達(dá)到除霜的目的。

3　除霜方案設(shè)計(jì)

CO2熱泵在運(yùn)行過(guò)程中隨著環(huán)境溫度的降低、空氣濕度的加大會(huì)在蒸發(fā)器的表面形成霜層從而降低CO2熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率及可靠性。因此針對(duì)不同地域、不同氣候條件，CO2熱泵結(jié)霜的判斷、除霜的周期及除霜結(jié)束自動(dòng)返回是除霜控制的關(guān)鍵。

3.1硬件配置

根據(jù)設(shè)計(jì)需求及系統(tǒng)特點(diǎn)，選擇瑞士ABB公司的AC500系列PLC作為控制器，AC500系列PLC 是ABB公司推出的一款可升級(jí)和靈活的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，其采用模塊化結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)需求選用合適的CPU以及I/O擴(kuò)展模塊。在設(shè)計(jì)中PLC選用ABB公司的PM554-TP-ETH及相應(yīng)I/O擴(kuò)展模塊，安裝在熱泵機(jī)組高、低壓端的溫度傳感器、壓力傳感器等信號(hào)通過(guò)相應(yīng)I/O擴(kuò)展模塊與PLC連接。

3.2軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括結(jié)霜判斷和除霜及返回兩部分。結(jié)霜判斷部分軟件主要是根據(jù)CO2熱泵機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中吸氣壓力的變化判斷蒸發(fā)器翅片是否結(jié)霜。除霜及返回部分則主要是完成除霜過(guò)程中熱泵機(jī)組相關(guān)部件的開(kāi)啟與關(guān)閉，同時(shí)根據(jù)除霜過(guò)程中熱泵機(jī)組吸氣壓力的變化判斷是否結(jié)束除霜，返回正常運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.1結(jié)霜判斷

除霜控制的最佳方式是按需除霜，即利用各種檢測(cè)元件和方法，直接或間接地檢測(cè)蒸發(fā)器表面結(jié)霜情況，判斷是否進(jìn)行除霜?jiǎng)幼鳎⒃诔_(dá)到預(yù)定效果時(shí)能夠及時(shí)的結(jié)束除霜，返回正常運(yùn)行狀態(tài)?？紤]到CO2熱泵運(yùn)行過(guò)程中吸氣壓力受外界干擾相對(duì)較小，壓力值相對(duì)而言比較穩(wěn)定，且吸氣壓力的變化能夠反映出蒸發(fā)器的結(jié)霜狀況。因此在設(shè)計(jì)中采用吸氣壓力值的變化作為除霜啟動(dòng)及結(jié)束的判斷依據(jù)。

當(dāng)CO2熱泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后，通過(guò)安裝在壓縮機(jī)前端的壓力傳感器采集吸氣壓力值作為參考?jí)毫χ担≒0），然后用參考?jí)毫χ蹬c實(shí)時(shí)的吸氣壓力值（P）進(jìn)行比較，當(dāng)吸氣壓力下降一定值（ΔP）后啟動(dòng)除霜。而在除霜過(guò)程中，當(dāng)吸氣壓力恢復(fù)到一定值或除霜時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后結(jié)束除霜，結(jié)霜判斷流程如圖1所示。

圖1　結(jié)霜判斷流程圖Fig.1 Flow chart of frost judgment

3.2.2除霜及返回

CO2熱泵機(jī)組化霜過(guò)程中為保證翅片上霜層完成融化，除壓縮機(jī)外其它部件均停止工作，其流程如圖2所示。當(dāng)機(jī)組進(jìn)入除霜程序后，首先是風(fēng)機(jī)停機(jī)、給水泵關(guān)閉、給水閥關(guān)閉，然后延時(shí)打開(kāi)除霜閥、關(guān)閉毛細(xì)管。當(dāng)除霜進(jìn)行時(shí)間超過(guò)預(yù)定或吸時(shí)間或吸氣壓力上升到預(yù)定值時(shí)除霜完成，重新開(kāi)啟風(fēng)機(jī)、毛細(xì)管、給水閥、給水泵，然后關(guān)閉除霜閥，CO2熱泵機(jī)組返回正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖2　除霜流程圖Fig.2 Flow chart of defrost

4　結(jié)束語(yǔ)

目前該除霜方法已應(yīng)用于某型空氣源CO2熱泵（該型空氣源CO2熱泵為“十二五”國(guó)家科技支撐項(xiàng)目），實(shí)際使用結(jié)果表明，運(yùn)行該除霜方式能夠很好的解決CO2熱泵在低溫、高濕環(huán)境下的除霜問(wèn)題，其除霜穩(wěn)定、可靠、干凈。

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The Realizationofa CO2HeatPump Defrosting Method
Yang Junhong
( Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming, 650051 )

【Abstract】Air sourceCO2heatpump runningin winter,duetothe external environmentoflow temperature,highair humidity and so on, often formation frost layer in the evaporator surface, thereby reducing the efficiency of the heat pump, and even affect the normal operation of the heat pump units, this paper will according to the practical application of the CO2heat pump, design a CO2heat pump intelligent defrosting method, is used to solve the CO2air source heat pump defrost problem under the low temperature,high humidity environment.

【Keywords】CO2heat pump;frost judgment;defrosting; evaporator; hot gay bypass

中圖分類號(hào)TK523

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)：1671-6612（2016）01-030-03

收稿日期：2015-03-04