空氣源熱泵機(jī)組新型智能化霜控制的研究

黃智強(qiáng)　王建凱　丁財豐

摘? 要：基于空氣源熱泵機(jī)組化霜控制邏輯的研究，以實現(xiàn)熱泵機(jī)組化霜的精確控制，研究出一種“空氣源熱泵機(jī)組新型化霜”的智能控制技術(shù)。該技術(shù)根據(jù)化霜結(jié)束后翅片換熱器分液頭組件四個區(qū)域感溫包絕對溫度的差值，來判斷化霜是否徹底。如果差值在正常范圍內(nèi)，則化霜周期不進(jìn)行調(diào)整;如果差值超出設(shè)定范圍，則智能調(diào)整化霜的周期。該研究優(yōu)化了空氣源熱泵機(jī)組除霜的控制邏輯，減少了化霜后翅片“冰層”現(xiàn)象的發(fā)生，提升了機(jī)組的制熱能效。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵;制熱能效比;智能化霜

中圖分類號：TU834? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 空氣源熱泵機(jī)組

空氣源熱泵機(jī)組以節(jié)能、環(huán)保以及一機(jī)多用等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。機(jī)組制熱模式下的翅片表面溫度較低，當(dāng)?shù)陀谥車諝獾穆饵c(diǎn)溫度，又低于水的三相點(diǎn)溫度，即0℃時空氣中的水蒸氣將在其表面以固態(tài)凝結(jié)，發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象。霜的形成與生長是一個復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，與環(huán)境溫度、空氣相對濕度、 氣流速度、空氣潔凈度、冷表面溫度以及表面特性等六大主要因素息息相關(guān)。由于機(jī)組實際運(yùn)行時，無法對上述參數(shù)進(jìn)行全面測試，霜層生長過程難以準(zhǔn)確監(jiān)測，因此很難做到按需除霜，誤除霜事故時有發(fā)生。

由于生產(chǎn)制造誤差、零部件加工一致性、設(shè)備安裝空間大小和環(huán)境變化等原因?qū)е鲁崞瑩Q熱器分液頭組件分液不均勻，導(dǎo)致翅片存在溫度差異，溫度低的地方冰霜厚，溫度高的地方冰霜薄，所以在機(jī)組進(jìn)入化霜的時候，冰層薄的地方翅片溫度已經(jīng)達(dá)到退出除霜的點(diǎn)，翅片溫度傳感器處于冰層薄的區(qū)域，導(dǎo)致機(jī)組退出化霜，而冰霜厚的地方依然有冰層的覆蓋，周而復(fù)始該區(qū)域的冰霜厚度越來越厚，面積越來越大，嚴(yán)重影響了熱泵機(jī)組的運(yùn)行能效。

傳統(tǒng)的除霜判定方法有定時除霜法、時間——溫度法、空氣壓差法等，存在各種缺陷，導(dǎo)致有霜不化或無霜化霜。馬最良團(tuán)隊[1]實驗研究發(fā)現(xiàn)，無霜化霜時會系統(tǒng)高壓壓力會達(dá)到高壓限值，電流和功率急劇增加，從而影響熱泵機(jī)組性能。因此，國內(nèi)外學(xué)者逐漸重視對智能除霜技術(shù)的研究。江樂新等人[2]關(guān)于空氣源熱泵熱水機(jī)組模糊除霜控制器的研究極大的推動了除霜控制技術(shù)的發(fā)展。

2 新型智能化霜控制技術(shù)

2.1 智能判斷原理

在制熱模式下，翅片換熱器作為蒸發(fā)器，換熱管內(nèi)部的冷媒通過蒸發(fā)器與空氣發(fā)生熱交換，理想條件下翅片換熱器不同之路分液和集液是均勻的，在制冷原理的作用下，空氣中的水蒸氣被凝結(jié)在翅片的鋁箔上，當(dāng)水膜厚度小于翅片間距時，凝結(jié)核生長的速度很慢，隨著制熱工況的持續(xù)進(jìn)行，有越來越多的水膜集聚在鋁箔表面。在進(jìn)入化霜模式之前，該現(xiàn)象循環(huán)持續(xù)直到水膜厚度大于翅片間距時，水膜快速生長為霜。當(dāng)熱泵機(jī)組的吸氣壓力明顯減低和排氣溫度和壓力明顯升高時，控制邏輯基本可以判斷進(jìn)入化霜模式，也就是制冷模式，此時，翅片換熱器變?yōu)槔淠?，利用逆卡諾循環(huán)原理將翅片上的冰霜融化消除。

在實際工程中，由于環(huán)境氣候等多種不可控因素導(dǎo)致霜在迎風(fēng)面積為2 m2翅片換熱器上很難化干凈，工程師結(jié)合不同地域的結(jié)霜/化霜現(xiàn)象，對實驗機(jī)組的翅片換熱器進(jìn)行分區(qū)，從高到低分為4個區(qū)，即上部、中上、中下、下部。每個區(qū)域分別在翅片換熱器的分液頭支管距離翅片邊板相等距離的位置處，焊接高精度溫度傳感器，在化霜模式下，高溫高壓的氣態(tài)冷媒經(jīng)過分液管組件冷媒進(jìn)口進(jìn)入翅片換熱器，冷凝器冷凝散熱實現(xiàn)化霜動作，當(dāng)化霜結(jié)束時，如果冰霜全部被融化，那么4個區(qū)域的感溫包溫度是相等的，否則溫差比較大。利用這個原理判斷不同區(qū)域在化霜模式下化霜的徹底性。翅片換熱器分液包組件的支管上分別焊接翅片換熱器上、中上、中下、下4個區(qū)域的溫度感溫包（圖1所示序號4，5，6，7號零件）進(jìn)行溫度采集，感溫包采集到的溫度分別對應(yīng)T1， T2， T3， T4。

4個區(qū)域的感溫包數(shù)值兩兩比較，即|T1- T2|=Q1，|T1- T3|= Q2，|T1- T4|= Q3， |T2- T3|=Q4，|T2- T4|=Q5，|T3- T4|=Q6，其差值Q共有6種可能Q1～Q6，排除感溫包精度差異性的影響，當(dāng)Q超過設(shè)定值時便可判斷除霜的徹底性。除霜結(jié)束后，當(dāng)溫差Q≤2℃，則認(rèn)為化霜徹底，當(dāng)溫差Q>2℃則認(rèn)為化霜不徹底，因為冰霜包圍著換熱管影響其換熱效果，對應(yīng)的溫度感溫包數(shù)值偏小，而無冰霜包裹的位置換熱效果就好，對應(yīng)的溫度感溫包數(shù)值就偏大。

2.2 智能調(diào)節(jié)化霜周期

當(dāng)滿足基本化霜條件后，熱泵機(jī)組控制器CPU判斷已經(jīng)啟動過除霜動作，則控制器開始讀取q，以便判斷是否更換化霜周期。首先，如果判斷上次化霜徹底，則延遲化霜周期，并且根據(jù)連續(xù)徹底化霜的次數(shù)選擇對應(yīng)的化霜周期，連續(xù)化霜徹底的次數(shù)越多，CPU就會選擇越長的化霜周期，熱泵設(shè)備的能效則會越高，采暖效果就越好。相反，如果判斷上次化霜不徹底則縮短化霜周期，并且根據(jù)連續(xù)化霜不徹底的次數(shù)CPU選擇不同的化霜周期，連續(xù)不徹底的次數(shù)越多化霜周期則會越短。

2.3 低環(huán)溫實驗驗證

低溫環(huán)境實驗室是根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求由國家第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計與建設(shè)和備案的焓差實驗室。該實驗室主要功能是模擬實際環(huán)境的下溫度和濕度，以便驗證機(jī)組的能力和能效數(shù)據(jù)。

實驗機(jī)組技術(shù)方案按照 GB/T 25127.1標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。制熱名義工況下，實驗室環(huán)境情況為環(huán)境干球溫度7℃，濕球溫度6℃，熱水出水溫度45℃;制熱設(shè)計工況為環(huán)境干球溫度-12℃，濕球溫度-14℃，熱水出水溫度41℃。通過刷新不同的除霜控制程序分別得到不同的制熱能效系數(shù)，測試數(shù)據(jù)見表1。

熱泵機(jī)組進(jìn)入化霜模式由以下4個參數(shù)決定條件務(wù)必同時滿足4個條件。1）翅片溫度小于20℃。2）環(huán)境溫度小于8℃。3）翅片溫度與環(huán)境溫度的差值大于目標(biāo)值。4）運(yùn)行時間大于設(shè)定時間。滿足以上4個條件后即可進(jìn)入除霜模式。

對表1進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)環(huán)境溫度為-12℃時，普通化霜技術(shù)在一個化霜周期內(nèi)COP為2.01，智能化霜技術(shù)在一個化霜周期內(nèi)的COP為2.3，提升16.6%;當(dāng)環(huán)境溫度為-10℃時，智能化霜技術(shù)的COP與普通化霜技術(shù)相比提升20.9%;當(dāng)環(huán)境溫度為-5℃時，智能化霜技術(shù)的COP與普通化霜技術(shù)相比提升23.4%;當(dāng)環(huán)境溫度為0℃時，智能化霜技術(shù)的COP與普通化霜技術(shù)相比提升26.2%;當(dāng)環(huán)境溫度為5℃時，智能化霜技術(shù)的COP與普通化霜技術(shù)相比提升26.8%，當(dāng)環(huán)境溫度為7℃時，智能化霜技術(shù)的COP與普通化霜技術(shù)相比提升20.0%。

綜合以上實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過優(yōu)化化霜控制邏輯，改善化霜方法可以提高熱泵設(shè)備能效20%以上，平均能效提高22%。

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

綜合以上實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過優(yōu)化化霜控制邏輯，改善化霜方法可以提高熱泵設(shè)備能效20%以上，平均能效提高22%。以華北地區(qū)石家莊某小區(qū)20萬m2的住宅建筑面積為例，按照一級節(jié)能建筑熱負(fù)荷為35 W/m2，石家莊供暖季天數(shù)為120天，石家莊供熱享受峰谷電政策，平均電價為0.4元/kW·h，按照傳統(tǒng)的空氣源熱泵除霜控制邏輯，該小區(qū)整個供暖季消耗的電量為448萬度，電費(fèi)為179.2萬元，見表2。通過改善控制邏輯可節(jié)約20%，大約89.6萬度電，折合電費(fèi)為35.84萬元。

3 結(jié)論

空氣源熱泵機(jī)組的結(jié)霜過程主要和翅片溫度、環(huán)境溫度以及濕度有關(guān)，該文通過“環(huán)境溫度-除霜周期-翅片溫度”化霜方法，準(zhǔn)確判斷除霜進(jìn)入點(diǎn)，并將檢測的翅片分液管路不同區(qū)域的溫度數(shù)值進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，自動判斷機(jī)組是否化霜干凈，并進(jìn)行化霜周期的智能調(diào)整。新型智能化霜控制技術(shù)，除霜進(jìn)入和退出及時，除霜干凈。該技術(shù)的應(yīng)用，提高了翅片換熱器換熱效果以及機(jī)組能效比，及時化霜減輕了壓縮機(jī)的負(fù)載，提高了壓縮機(jī)使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]韓志濤，姚楊，馬最良，等.空氣源熱泵誤除霜特性的實驗研究[J].暖通空調(diào)，2006，36（2） ： 15-19.

[2]江樂新，張學(xué)文，樓靜，等.空氣源熱泵熱水機(jī)組模糊除霜控制器的研[J].制冷與空調(diào)，2008，8（2） ：37 -43.