基于平均性能最优的空气源热泵除霜控制方法的研究

邢 震　郭宪民　李景善

(天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室　天津　300134)



基于平均性能最优的空气源热泵除霜控制方法的研究

邢 震郭宪民李景善

(天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室天津300134)

本文选择空气源热泵机组的性能恶化点作为除霜的开始时刻，提出了一种基于平均性能最优的空气源热泵除霜控制方法。为验证该方法的可行性与适用性，采用四种不同的除霜方案对一台空气源热泵机组的除霜特性进行实验研究。针对不同的结霜工况条件，测量了翅片表面霜层厚度及机组输入功率、制热量等参数随时间的变化，并以此为基础分析了空气源热泵在整个结霜/除霜循环中的总耗功、总制热量以及平均COP的变化。实验结果表明：当空气源热泵机组选择以性能恶化点作为除霜开始时刻时，系统在整个结霜/除霜循环中的平均COP达到最大，即验证该除霜控制方法的可行性，能够用于空气源热泵机组的最佳除霜开始时刻控制。

空气源热泵；除霜实验；除霜判据；最佳除霜时刻

空气源热泵冬季运行时室外换热器表面的结霜现象是其需要解决的首要问题。霜层增加了空气与工质之间的换热热阻，使空气流动阻力增加、空气流量减小，导致风冷换热器性能恶化、热泵系统COP降低[1-3]。目前，常见的除霜控制方法有定时除霜法、时间-温度法、空气压差法等，但均存在各种缺点，会导致误除霜的发生。Baxter V D等[4]研究发现，大约27%的除霜在翅片表面结霜不严重、不需要除霜的情况下进行，而冯颖超[5]研究指出在中国北京的供热季节，这一比例高达68%。韩志涛等[6]还发现误除霜的频繁发生会增大系统高压侧部件的损坏概率，进而严重影响热泵工作寿命。基于此，黄虎等[7]提出了自调整模糊除霜控制思想；江乐新等[8]设计了空气源热泵的模糊除霜控制方案并对除霜控制器进行了深入研究；Zhu J H等[9]提出了一种温度-湿度-时间除霜控制法，能够有效减小误除霜的次数且系统平均性能，可提高约5.3%；另外，Jiang Y Q等[10]提出的制冷剂过热度法、Xiao J等[11]的光电感应技术法、Kim Min-Hwan等[12]提出的有效质量流量法，Zhu J H等[13]提出的结霜分布图法等对空气源热泵的除霜开始时刻等进行了研究，但并没有指出热泵在整个结霜/除霜过程中系统性能及平均COP的变化。

本文提出了基于平均性能最优的空气源热泵除霜控制方法，选择热泵机组的性能恶化点作为除霜开始的时间，以避免热泵运行在性能急剧恶化的区域。为了验证该除霜控制方法的可行性，采用四种不同的除霜方案，在不同工况下，对空气源热泵除霜特性进行实验研究，分析了系统总耗功、总制热量及平均COP的变化，以验证基于平均性能最优的空气源热泵除霜控制方法的可行性。

1 实验装置与方案

1.1 实验装置介绍

热泵空调器性能测试系统如图1所示，该系统能够模拟实验所需的室内、外侧环境。环境温、湿度的波动值可控制在±0.5 ℃及3%以内。室内换热器空气流量采用标准喷嘴测量，其进出口空气干、湿球温度采用Pt100Ω铂电阻温度传感器测量，并由此计算出室内机换热量。室外换热器入口空气温/湿度、风量由迎风面均匀布置的8个温/湿度探头及8个风速传感器测量；出口温/湿度由出风面均匀布置的4个温/湿度探头仪测量；室外换热器换热量由换热器前后空气焓差及风量计算；结霜量由室外换热器进出口含湿量差及风量计算；室外换热器壁面温度采用T型热电偶测量，热电偶均经过标定，采用贴敷在管道壁面上的方式布置在室外换热器进出口以及管路中间弯头处；制冷剂压力由焓差实验台预留的4个压力测点采集；霜层厚度由显微放大镜测量，最大放大倍数为90倍。

图1 热泵测量系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

热泵样机额定制冷量为12.1 kW，额定制热量为13.3 kW，使用R22制冷剂，以毛细管作为节流装置，换热器采用平翅片管式。实验测量系统详细参数、数据处理方法等详见参考文献[14-15]。

1.2 性能恶化点的确定

我们前期研究发现，空气源热泵冬季运行时，翅片表面霜层生长大致可分为三个阶段：初始阶段、减速生长段及加速生长段。其中，在结霜的第三阶段，霜层厚度快速增长，蒸发器表面温度快速下降，热泵性能开始迅速衰减，其制热量和COP的衰减速度为霜层减速生长段的2.8～6倍[16]，因此，将COP开始迅速下降的点称为性能恶化点。而基于平均性能最优的除霜控制方法的原理就是选择热泵机组的性能恶化点作为除霜开始的时间，以避免热泵处于性能急剧恶化的范围内运行，其核心是如何确定性能恶化点。进一步研究表明，室外换热器内工质的蒸发温度与系统COP随时间的变化趋势一致。

图2和图3分别为热泵系统蒸发温度、COP随时间的变化曲线。从图中可以看出，系统性能恶化点出现在约65～70 min处，在此点以后，系统的COP、室外换热器蒸发温度也同时快速下降。从实验数据可以看出，系统蒸发温度随时间的变化率与系统COP随时间的变化趋势完全一致。考虑温度参数易于测量、信号稳定等因素，选取蒸发温度随时间的变化率作为性能恶化点的判据是合理的。

图2 结霜过程中蒸发温度的变化Fig.2 Measured temperature of evaporatorunder frosting cycle

因此，本文的设计方案就是通过检测蒸发温度随时间的变化率B(B=dT/dt)，找出性能恶化点出现的时刻。实施过程中采用蒸发温度变化量ΔT与时间间隔之比ΔT/Δt代替蒸发温度随时间的变化率B，并以此作为除霜开始的判据。具体实施方法为：用温度传感器采集实时蒸发温度信号并送入控制器，计算蒸发温度随时间的变化率，然后与蒸发温度的最佳控制范围ΔT/Δt>A(A<0)进行比较：当B>A时说明空气源热泵机组在稳定段正常运行；当B≤A时，说明机组进入了快速结霜期，应开启除霜模式；为防止偶然因素带来的误动作和频繁除霜，在运行预定时间Tp且连续三次满足该条件后才开始除霜。系统控制原理图如图4所示。

图3 结霜过程中系统COP的变化Fig.3 Measured COP under frosting cycle

图4 除霜控制原理图Fig.4 Schematic diagram of defrosting control procedure

1.3 实验方案

为验证上述除霜控制方法的准确性和可靠性，针对不同的工况，采用A、B、C、D四种方案分别在不同时刻开始除霜进行对比实验。其中，B方案为根据本文提出的判据进行的除霜控制方案，D方案为当室外换热器结满霜时开始除霜。C方案的除霜时刻在B、D两种方案的中间时刻。A方案的除霜时刻在B方案之前，且A、B方案除霜时刻的间隔等于B、C方案除霜时刻的间隔。实验中采用统一霜层厚度的方法作为结满霜的判据，即两相邻翅片霜层的间距达到0.2 mm。对于每一组实验工况，首先进行D方案的实验，确定出性能恶化点以后即可确定B方案除霜时刻，进一步可确定C方案和A方案的除霜时刻，然后分别进行实验。

为了消除再结霜对性能的影响，四个方案的实验结霜时间间隔至少为2 h。

2 实验结果及分析

图5所示为室外环境温度为0 ℃、相对湿度为75%工况下四种不同方案结霜/除霜过程的动态制热量(kW)，即单位时间内向室内提供的热能(kJ)随时间的变化曲线。曲线下的面积表示的是在一个完整的结霜/除霜循环中热泵向室内提供的有效总热能(kJ)。x轴上方面积表示供热时热泵向室内提供的热能，x轴下方面积表示逆循环除霜时热泵从室内吸收的热能，二者绝对值之差为热泵向室内提供的有效总热能(kJ)。从图5可以看出，对于四种不同除霜方案，结霜过程制热量-时间曲线几乎完全重合，说明四种除霜方案比较的基础一致。随着结霜时间的增大，曲线下的面积，即向空调房间放热量逐渐增大，但同时除霜过程中从空调房间吸热也相应增大。这主要是由于除霜时间加长及换热的壁面温度降低所致。

图5 不同方案结霜/除霜循环总制热量Fig.5 Measured heating capacity under frosting/defrosting cycles

图6所示为室外环境温度为0 ℃、相对湿度为75%工况下不同除霜方案下一个完整的结霜/除霜循环的功率(kW)动态曲线，曲线与x轴围成的面积代表循环中压缩机消耗的总电能(kJ)，即制热循环与除霜环两个过程的耗功之和。与制热量曲线相似，四种方案的结霜过程功耗曲线几乎完全重合。由于在整个结霜/除霜过程中机组耗功始终为正值，且在除霜过程中机组耗功较小，因此其对总耗功的影响较小，总耗功的大小主要取决于结霜运行时间，结霜工况下运行时间越长，则耗功越大。由于D方案运行时间最长、耗功最大，其面积能将其他三种方案覆盖，为了便于观察，只给出功率的变化曲线。

图6 不同方案结霜/除霜循环耗功Fig.6 Measured input power under frosting/defrosting cycles

在不同的工况下，热泵系统的运行时间及除霜频率也不尽相同，因而其综合性能应由系统平均COP来确定，而一个完整循环过程的平均COP等于热泵提供的有效总热能与总耗功(压缩机消耗的总电能)之比。将图5中各个时刻的制热量(kW)乘以实验数据采集时间间隔(5 s)可得出该时段热泵机组的提供的热能(kJ)，将各个时刻的数值累加就可以得出整个结霜/除霜循环中热泵机组提供的有效总热能(kJ)。同样的方法，由图6可得整个结霜/除霜循环中的总耗功(kJ)。整个循环过程的平均COP为有效总制热能与总耗功的比值。具体计算结果如表1所示。

表1 不同除霜方案的平均性能

由图7可知，对于不同的环境温湿度工况，采用B方案进行除霜时，热泵机组的平均COP均高于采用其他三种方案，即以热泵机组的性能恶化点作为除霜的开始时刻系统的平均运行性能最优，从而验证了本文所提的基于平均性能最优的除霜控制方法的可行性与适用性。同时，由图7可知，对于相对湿度相同(75%)而环境温度不同(-5 ℃、0 ℃、3 ℃)的3个工况，当环境温度为0 ℃时，除霜方案对机组平均COP的影响较大。这可能是由环境温度0 ℃为空气源热泵的严重结霜温度所致[13]，在此工况下工作时结霜最为严重，因此除霜方案的影响较大。而对于不同相对湿度工况，高湿度工况下除霜方案的影响较小，因为在高湿度情况下结霜后期霜层比较疏松，除霜比较容易，因此，除霜方案的影响较小。

图7 不同工况不同除霜方案平均COP比较Fig.7 Measured COP under frosting/defrosting cycles

3 结论

本文对一台空气源热泵室外换热器表面结霜/除霜特性进行了实验研究，分别比较了四种除霜方案的机组平均性能，得到了如下结论：

1)提出了一种基于平均性能最优的空气源热泵除霜控制方案，即选择热泵机组的性能恶化点作为除霜的开始时刻。

2)采用A、B、C、D四组除霜方案对比实验证实了该除霜控制方案的可行性与适用性。结果表明：采用本文提出的除霜控制方法，即B方案进行除霜控制时，热泵系统在整个结霜/除霜循环中的COP最大，系统平均COP最大可提高约4.2%。

3)采用该除霜系统能够提高空气源热泵机组的运行稳定性和可靠性。在相同的相对湿度下，环境温度为0 ℃时除霜方案对机组平均COP的影响最大，这可能是由于环境温度0 ℃为空气源热泵的严重结霜温度所致；对于不同的相对湿度工况，高湿度下除霜方案的影响较小，因为在高湿度情况下霜层比较疏松，除霜比较容易。

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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

简介

郭宪民，男，博士，教授，天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，13821309202，E-mail: xmguo@tjcu.edu.cn。研究方向：制冷系统节能及优化。