基于平均性能最優(yōu)的空氣源熱泵除霜控制方法的研究

邢 震　郭憲民　李景善

(天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　天津　300134)

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基于平均性能最優(yōu)的空氣源熱泵除霜控制方法的研究

邢 震郭憲民李景善

(天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津300134)

本文選擇空氣源熱泵機(jī)組的性能惡化點(diǎn)作為除霜的開(kāi)始時(shí)刻，提出了一種基于平均性能最優(yōu)的空氣源熱泵除霜控制方法。為驗(yàn)證該方法的可行性與適用性，采用四種不同的除霜方案對(duì)一臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組的除霜特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)不同的結(jié)霜工況條件，測(cè)量了翅片表面霜層厚度及機(jī)組輸入功率、制熱量等參數(shù)隨時(shí)間的變化，并以此為基礎(chǔ)分析了空氣源熱泵在整個(gè)結(jié)霜/除霜循環(huán)中的總耗功、總制熱量以及平均COP的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)空氣源熱泵機(jī)組選擇以性能惡化點(diǎn)作為除霜開(kāi)始時(shí)刻時(shí)，系統(tǒng)在整個(gè)結(jié)霜/除霜循環(huán)中的平均COP達(dá)到最大，即驗(yàn)證該除霜控制方法的可行性，能夠用于空氣源熱泵機(jī)組的最佳除霜開(kāi)始時(shí)刻控制。

空氣源熱泵；除霜實(shí)驗(yàn)；除霜判據(jù)；最佳除霜時(shí)刻

空氣源熱泵冬季運(yùn)行時(shí)室外換熱器表面的結(jié)霜現(xiàn)象是其需要解決的首要問(wèn)題。霜層增加了空氣與工質(zhì)之間的換熱熱阻，使空氣流動(dòng)阻力增加、空氣流量減小，導(dǎo)致風(fēng)冷換熱器性能惡化、熱泵系統(tǒng)COP降低[1-3]。目前，常見(jiàn)的除霜控制方法有定時(shí)除霜法、時(shí)間-溫度法、空氣壓差法等，但均存在各種缺點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致誤除霜的發(fā)生。Baxter V D等[4]研究發(fā)現(xiàn)，大約27%的除霜在翅片表面結(jié)霜不嚴(yán)重、不需要除霜的情況下進(jìn)行，而馮穎超[5]研究指出在中國(guó)北京的供熱季節(jié)，這一比例高達(dá)68%。韓志濤等[6]還發(fā)現(xiàn)誤除霜的頻繁發(fā)生會(huì)增大系統(tǒng)高壓側(cè)部件的損壞概率，進(jìn)而嚴(yán)重影響熱泵工作壽命?；诖耍S虎等[7]提出了自調(diào)整模糊除霜控制思想；江樂(lè)新等[8]設(shè)計(jì)了空氣源熱泵的模糊除霜控制方案并對(duì)除霜控制器進(jìn)行了深入研究；Zhu J H等[9]提出了一種溫度-濕度-時(shí)間除霜控制法，能夠有效減小誤除霜的次數(shù)且系統(tǒng)平均性能，可提高約5.3%；另外，Jiang Y Q等[10]提出的制冷劑過(guò)熱度法、Xiao J等[11]的光電感應(yīng)技術(shù)法、Kim Min-Hwan等[12]提出的有效質(zhì)量流量法，Zhu J H等[13]提出的結(jié)霜分布圖法等對(duì)空氣源熱泵的除霜開(kāi)始時(shí)刻等進(jìn)行了研究，但并沒(méi)有指出熱泵在整個(gè)結(jié)霜/除霜過(guò)程中系統(tǒng)性能及平均COP的變化。

本文提出了基于平均性能最優(yōu)的空氣源熱泵除霜控制方法，選擇熱泵機(jī)組的性能惡化點(diǎn)作為除霜開(kāi)始的時(shí)間，以避免熱泵運(yùn)行在性能急劇惡化的區(qū)域。為了驗(yàn)證該除霜控制方法的可行性，采用四種不同的除霜方案，在不同工況下，對(duì)空氣源熱泵除霜特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了系統(tǒng)總耗功、總制熱量及平均COP的變化，以驗(yàn)證基于平均性能最優(yōu)的空氣源熱泵除霜控制方法的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

熱泵空調(diào)器性能測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)能夠模擬實(shí)驗(yàn)所需的室內(nèi)、外側(cè)環(huán)境。環(huán)境溫、濕度的波動(dòng)值可控制在±0.5 ℃及3%以內(nèi)。室內(nèi)換熱器空氣流量采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴測(cè)量，其進(jìn)出口空氣干、濕球溫度采用Pt100Ω鉑電阻溫度傳感器測(cè)量，并由此計(jì)算出室內(nèi)機(jī)換熱量。室外換熱器入口空氣溫/濕度、風(fēng)量由迎風(fēng)面均勻布置的8個(gè)溫/濕度探頭及8個(gè)風(fēng)速傳感器測(cè)量；出口溫/濕度由出風(fēng)面均勻布置的4個(gè)溫/濕度探頭儀測(cè)量；室外換熱器換熱量由換熱器前后空氣焓差及風(fēng)量計(jì)算；結(jié)霜量由室外換熱器進(jìn)出口含濕量差及風(fēng)量計(jì)算；室外換熱器壁面溫度采用T型熱電偶測(cè)量，熱電偶均經(jīng)過(guò)標(biāo)定，采用貼敷在管道壁面上的方式布置在室外換熱器進(jìn)出口以及管路中間彎頭處；制冷劑壓力由焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)預(yù)留的4個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)采集；霜層厚度由顯微放大鏡測(cè)量，最大放大倍數(shù)為90倍。

圖1 熱泵測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

熱泵樣機(jī)額定制冷量為12.1 kW，額定制熱量為13.3 kW，使用R22制冷劑，以毛細(xì)管作為節(jié)流裝置，換熱器采用平翅片管式。實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)、數(shù)據(jù)處理方法等詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14-15]。

1.2 性能惡化點(diǎn)的確定

我們前期研究發(fā)現(xiàn)，空氣源熱泵冬季運(yùn)行時(shí)，翅片表面霜層生長(zhǎng)大致可分為三個(gè)階段：初始階段、減速生長(zhǎng)段及加速生長(zhǎng)段。其中，在結(jié)霜的第三階段，霜層厚度快速增長(zhǎng)，蒸發(fā)器表面溫度快速下降，熱泵性能開(kāi)始迅速衰減，其制熱量和COP的衰減速度為霜層減速生長(zhǎng)段的2.8～6倍[16]，因此，將COP開(kāi)始迅速下降的點(diǎn)稱為性能惡化點(diǎn)。而基于平均性能最優(yōu)的除霜控制方法的原理就是選擇熱泵機(jī)組的性能惡化點(diǎn)作為除霜開(kāi)始的時(shí)間，以避免熱泵處于性能急劇惡化的范圍內(nèi)運(yùn)行，其核心是如何確定性能惡化點(diǎn)。進(jìn)一步研究表明，室外換熱器內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度與系統(tǒng)COP隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致。

圖2和圖3分別為熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度、COP隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，系統(tǒng)性能惡化點(diǎn)出現(xiàn)在約65～70 min處，在此點(diǎn)以后，系統(tǒng)的COP、室外換熱器蒸發(fā)溫度也同時(shí)快速下降。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度隨時(shí)間的變化率與系統(tǒng)COP隨時(shí)間的變化趨勢(shì)完全一致?？紤]溫度參數(shù)易于測(cè)量、信號(hào)穩(wěn)定等因素，選取蒸發(fā)溫度隨時(shí)間的變化率作為性能惡化點(diǎn)的判據(jù)是合理的。

圖2 結(jié)霜過(guò)程中蒸發(fā)溫度的變化Fig.2 Measured temperature of evaporatorunder frosting cycle

因此，本文的設(shè)計(jì)方案就是通過(guò)檢測(cè)蒸發(fā)溫度隨時(shí)間的變化率B(B=dT/dt)，找出性能惡化點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻。實(shí)施過(guò)程中采用蒸發(fā)溫度變化量ΔT與時(shí)間間隔之比ΔT/Δt代替蒸發(fā)溫度隨時(shí)間的變化率B，并以此作為除霜開(kāi)始的判據(jù)。具體實(shí)施方法為：用溫度傳感器采集實(shí)時(shí)蒸發(fā)溫度信號(hào)并送入控制器，計(jì)算蒸發(fā)溫度隨時(shí)間的變化率，然后與蒸發(fā)溫度的最佳控制范圍ΔT/Δt>A(A<0)進(jìn)行比較：當(dāng)B>A時(shí)說(shuō)明空氣源熱泵機(jī)組在穩(wěn)定段正常運(yùn)行；當(dāng)B≤A時(shí)，說(shuō)明機(jī)組進(jìn)入了快速結(jié)霜期，應(yīng)開(kāi)啟除霜模式；為防止偶然因素帶來(lái)的誤動(dòng)作和頻繁除霜，在運(yùn)行預(yù)定時(shí)間Tp且連續(xù)三次滿足該條件后才開(kāi)始除霜。系統(tǒng)控制原理圖如圖4所示。

圖3 結(jié)霜過(guò)程中系統(tǒng)COP的變化Fig.3 Measured COP under frosting cycle

圖4 除霜控制原理圖Fig.4 Schematic diagram of defrosting control procedure

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證上述除霜控制方法的準(zhǔn)確性和可靠性，針對(duì)不同的工況，采用A、B、C、D四種方案分別在不同時(shí)刻開(kāi)始除霜進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。其中，B方案為根據(jù)本文提出的判據(jù)進(jìn)行的除霜控制方案，D方案為當(dāng)室外換熱器結(jié)滿霜時(shí)開(kāi)始除霜。C方案的除霜時(shí)刻在B、D兩種方案的中間時(shí)刻。A方案的除霜時(shí)刻在B方案之前，且A、B方案除霜時(shí)刻的間隔等于B、C方案除霜時(shí)刻的間隔。實(shí)驗(yàn)中采用統(tǒng)一霜層厚度的方法作為結(jié)滿霜的判據(jù)，即兩相鄰翅片霜層的間距達(dá)到0.2 mm。對(duì)于每一組實(shí)驗(yàn)工況，首先進(jìn)行D方案的實(shí)驗(yàn)，確定出性能惡化點(diǎn)以后即可確定B方案除霜時(shí)刻，進(jìn)一步可確定C方案和A方案的除霜時(shí)刻，然后分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

為了消除再結(jié)霜對(duì)性能的影響，四個(gè)方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)霜時(shí)間間隔至少為2 h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5所示為室外環(huán)境溫度為0 ℃、相對(duì)濕度為75%工況下四種不同方案結(jié)霜/除霜過(guò)程的動(dòng)態(tài)制熱量(kW)，即單位時(shí)間內(nèi)向室內(nèi)提供的熱能(kJ)隨時(shí)間的變化曲線。曲線下的面積表示的是在一個(gè)完整的結(jié)霜/除霜循環(huán)中熱泵向室內(nèi)提供的有效總熱能(kJ)。x軸上方面積表示供熱時(shí)熱泵向室內(nèi)提供的熱能，x軸下方面積表示逆循環(huán)除霜時(shí)熱泵從室內(nèi)吸收的熱能，二者絕對(duì)值之差為熱泵向室內(nèi)提供的有效總熱能(kJ)。從圖5可以看出，對(duì)于四種不同除霜方案，結(jié)霜過(guò)程制熱量-時(shí)間曲線幾乎完全重合，說(shuō)明四種除霜方案比較的基礎(chǔ)一致。隨著結(jié)霜時(shí)間的增大，曲線下的面積，即向空調(diào)房間放熱量逐漸增大，但同時(shí)除霜過(guò)程中從空調(diào)房間吸熱也相應(yīng)增大。這主要是由于除霜時(shí)間加長(zhǎng)及換熱的壁面溫度降低所致。

圖5 不同方案結(jié)霜/除霜循環(huán)總制熱量Fig.5 Measured heating capacity under frosting/defrosting cycles

圖6所示為室外環(huán)境溫度為0 ℃、相對(duì)濕度為75%工況下不同除霜方案下一個(gè)完整的結(jié)霜/除霜循環(huán)的功率(kW)動(dòng)態(tài)曲線，曲線與x軸圍成的面積代表循環(huán)中壓縮機(jī)消耗的總電能(kJ)，即制熱循環(huán)與除霜環(huán)兩個(gè)過(guò)程的耗功之和。與制熱量曲線相似，四種方案的結(jié)霜過(guò)程功耗曲線幾乎完全重合。由于在整個(gè)結(jié)霜/除霜過(guò)程中機(jī)組耗功始終為正值，且在除霜過(guò)程中機(jī)組耗功較小，因此其對(duì)總耗功的影響較小，總耗功的大小主要取決于結(jié)霜運(yùn)行時(shí)間，結(jié)霜工況下運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，則耗功越大。由于D方案運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)、耗功最大，其面積能將其他三種方案覆蓋，為了便于觀察，只給出功率的變化曲線。

圖6 不同方案結(jié)霜/除霜循環(huán)耗功Fig.6 Measured input power under frosting/defrosting cycles

在不同的工況下，熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間及除霜頻率也不盡相同，因而其綜合性能應(yīng)由系統(tǒng)平均COP來(lái)確定，而一個(gè)完整循環(huán)過(guò)程的平均COP等于熱泵提供的有效總熱能與總耗功(壓縮機(jī)消耗的總電能)之比。將圖5中各個(gè)時(shí)刻的制熱量(kW)乘以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔(5 s)可得出該時(shí)段熱泵機(jī)組的提供的熱能(kJ)，將各個(gè)時(shí)刻的數(shù)值累加就可以得出整個(gè)結(jié)霜/除霜循環(huán)中熱泵機(jī)組提供的有效總熱能(kJ)。同樣的方法，由圖6可得整個(gè)結(jié)霜/除霜循環(huán)中的總耗功(kJ)。整個(gè)循環(huán)過(guò)程的平均COP為有效總制熱能與總耗功的比值。具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同除霜方案的平均性能

由圖7可知，對(duì)于不同的環(huán)境溫濕度工況，采用B方案進(jìn)行除霜時(shí)，熱泵機(jī)組的平均COP均高于采用其他三種方案，即以熱泵機(jī)組的性能惡化點(diǎn)作為除霜的開(kāi)始時(shí)刻系統(tǒng)的平均運(yùn)行性能最優(yōu)，從而驗(yàn)證了本文所提的基于平均性能最優(yōu)的除霜控制方法的可行性與適用性。同時(shí)，由圖7可知，對(duì)于相對(duì)濕度相同(75%)而環(huán)境溫度不同(-5 ℃、0 ℃、3 ℃)的3個(gè)工況，當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，除霜方案對(duì)機(jī)組平均COP的影響較大。這可能是由環(huán)境溫度0 ℃為空氣源熱泵的嚴(yán)重結(jié)霜溫度所致[13]，在此工況下工作時(shí)結(jié)霜最為嚴(yán)重，因此除霜方案的影響較大。而對(duì)于不同相對(duì)濕度工況，高濕度工況下除霜方案的影響較小，因?yàn)樵诟邼穸惹闆r下結(jié)霜后期霜層比較疏松，除霜比較容易，因此，除霜方案的影響較小。

圖7 不同工況不同除霜方案平均COP比較Fig.7 Measured COP under frosting/defrosting cycles

3 結(jié)論

本文對(duì)一臺(tái)空氣源熱泵室外換熱器表面結(jié)霜/除霜特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分別比較了四種除霜方案的機(jī)組平均性能，得到了如下結(jié)論：

1)提出了一種基于平均性能最優(yōu)的空氣源熱泵除霜控制方案，即選擇熱泵機(jī)組的性能惡化點(diǎn)作為除霜的開(kāi)始時(shí)刻。

2)采用A、B、C、D四組除霜方案對(duì)比實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該除霜控制方案的可行性與適用性。結(jié)果表明：采用本文提出的除霜控制方法，即B方案進(jìn)行除霜控制時(shí)，熱泵系統(tǒng)在整個(gè)結(jié)霜/除霜循環(huán)中的COP最大，系統(tǒng)平均COP最大可提高約4.2%。

3)采用該除霜系統(tǒng)能夠提高空氣源熱泵機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。在相同的相對(duì)濕度下，環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)除霜方案對(duì)機(jī)組平均COP的影響最大，這可能是由于環(huán)境溫度0 ℃為空氣源熱泵的嚴(yán)重結(jié)霜溫度所致；對(duì)于不同的相對(duì)濕度工況，高濕度下除霜方案的影響較小，因?yàn)樵诟邼穸惹闆r下霜層比較疏松，除霜比較容易。

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About the corresponding author

Guo Xianmin, male, Ph. D., professor, Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, +86 13821309202, E-mail: xmguo@tjcu.edu.cn. Research fields: optimization and energy-saving technology of refrigeration system.

Study on the Defrosting Control Method Based on the Optimal Average Performance of an Air Source Heat Pump

Xing ZhenGuo XianminLi Jingshan

(Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Tianjin, 300134, China)

A defrosting control method based on the optimal average performance of an air source heat pump (ASHP) unit is presented. The deterioration point of an ASHP unit is selected as the defrosting initiation criterion. To verify the feasibility and applicability of the defrosting control method based on the optimal average performance, a test apparatus was established in the psychrometric rooms and the defrosting characteristics of an ASHP unit was investigated experimentally for four different defrosting initiation criteria under different frosting conditions. The frost thickness on the fins, the transient input power and heating capacity were measured. Based on the experimental results, the total heating capacity, total power consumption in the whole frosting/defrosting cycles and average COP of the ASHP unit were analyzed. The experimental results indicated that when the deterioration point of the ASHP unit is selected as the defrosting initiation criterion, the average COP in the whole frosting/defrosting cycles is the maximum, which confirmed that this defrosting initiation criterion is feasible and can be used for the optimal defrosting control of an ASHP unit.

air source heat pump; defrosting experiments; defrosting criterion; optimum defrosting initiation criterion

0253- 4339(2016) 03- 0017- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.017

2015年10月27日

TQ051.5; TU831.6

A

簡(jiǎn)介

郭憲民，男，博士，教授，天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，13821309202，E-mail: xmguo@tjcu.edu.cn。研究方向：制冷系統(tǒng)節(jié)能及優(yōu)化。