空气源热泵热水机除霜控制性能评价研究*

魏文哲 张佳明 孙育英 王 伟,3△ 邸浩然 代传民

(1.绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室,北京;2.北京工业大学,北京;3.北京石油化工学院,北京;4.青岛海尔智能技术研发有限公司,青岛)

0 引言

在清洁供暖、“双碳”目标牵引下,我国建筑供暖模式正逐步由传统化石能源向电气化转型[1],以电力驱动低品位可再生能源的空气源热泵供暖迎来前所未有的发展机遇。空气源热泵热量虽取自自然,但其性能也受制于自然,空气源热泵在不同地域制热运行时面临不同程度的结霜问题[2-3],导致机组实际运行性能偏离技术预期,尤其是在长江流域等低温高湿地区,频繁结除霜严重制约了空气源热泵的供暖性能[4-5]。

结霜会使空气源热泵的性能系数(COP)降低35%～60%,供热能力降低30%～57%[6-8],严重时会造成机组停机保护,甚至造成物理性损坏[9-12]。为缓解结霜对机组性能造成的影响,机组需具备良好的除霜控制性能,以保障持续稳定运行及高效供热。然而,空气源热泵型式多样(定/变频;商/户用;低/常温等),不同机组结霜特性差异明显,目前尚无可量化的除霜控制性能指标,导致厂家缺少除霜控制方法设计准则,实际运行过程中机组的除霜控制性能表现差,“误除霜”事故频发。因此,亟需开展有效量化空气源热泵除霜控制性能的通用性评价指标及其范围的研究工作。

为科学评价空气源热泵的除霜控制性能,本文基于空气源热泵压缩机、风机等核心部件参数对其除霜控制性能进行量化分析,对来自不同厂家的9台不同本构配置(characteristic index for the configuration and operation,CICO)的空气源热泵热水机在焓差实验室进行了测试,探究了空气源热泵热水机在标准结霜工况(干球/湿球温度2 ℃/1 ℃)和一般结霜工况(2 ℃/0 ℃)下最佳除霜控制点随CICO的变化规律,并建立了以上2种结霜工况下的最佳除霜控制点预测模型,基于最佳除霜控制点预测模型和不同制热能力衰减率下机组性能参数的变化,提出了空气源热泵除霜控制性能评价指标,研究结果可为空气源热泵除霜控制方法设计提供指导。

1 实验测试机组与平台

1.1 测试机组介绍

本文对9台不同本构配置的空气源热泵热水机进行实验测试,根据空气源热泵抑霜理论研究[13-14]可知,基于空气源热泵核心部件的本构配置关系表达式为

(1)

式中nCICO为空气源热泵的CICO值(为量纲一参数,其值越大时抑霜能力越强);G为室外风机风量,m3/s;Fc为室外换热器换热面积,m2;vs为基准迎面风速,m/s;n为压缩机转速,r/s;V0为压缩机行程容积,m3/r。

将9台机组依次编号为A～I,机组名义制热能力范围为8.32～100.00 kW,制冷剂均为R410A,其中5台为定频机组,4台为变频机组。对于变频空气源热泵,在实验测试中,可通过调节压缩机转速和室外风机频率,使机组在不同CICO下运行,从而在不同CICO下进行除霜控制性能测试。被测机组详细技术参数如表1所示。

表1 测试机组详细技术参数

1.2 测试系统

测试工作于多个热泵厂家的标准焓差实验室(根据GB/T 32146—2015《检验检测实验室设计与建设技术要求》相关要求建立)完成,根据实验需要,分别于室外空气侧、制冷剂侧、热水侧等布置了温度、湿度和压力传感器及红外摄像头等。测试仪器的具体参数及布置位置如下。

1) 室外空气侧:温度传感器2个(测试量程:-25～80 ℃),用于采集室外侧空气温度,并对焓差实验室采集的数据进行校核;湿度传感器2个(测试量程:0～100%,测量精度:±5%),采集室外侧空气相对湿度,并对焓差实验室采集的数据进行校核,以确保工况可靠无误。

2) 制冷剂侧:安装5个铂电阻温度传感器(测试量程:-40～140 ℃,测量精度:±0.1 ℃),分别布置于压缩机吸、排气管路,分液器总管,集液器总管和室外盘管最下端支路进口(结霜时),铂电阻用铝箔纸与保温棉包裹,以减少外界环境干扰;压力传感器2个(测试量程:0～4.0 MPa,0～2.5 MPa,测量精度:±0.5%),布置于压缩机吸气口、排气口,用于采集结除霜过程中压缩机吸、排气压力。

3) 热水侧:Pt1000热电阻2个(测试量程:-40～140 ℃,测量精度:±0.1 ℃),嵌入总供回水管路内,用于监测并记录机组的供回水温度;电磁流量计1台(测试量程:0.1～9.5 m3/h,测量精度:±0.5%),布置于机组供水总管上,用于测量循环水流量。

4) 其他:红外超清摄像头1个(1 000万像素),用于监测机组运行过程中换热器表面结霜情况;电子秤1台(测试量程:0～50 kg,测量精度:±0.1 g),用于称取化霜水质量。

2 最佳除霜控制点预测模型建立

2.1 最佳除霜控制点理论

空气源热泵一个完整的制热融霜周期由结霜过程与除霜过程两部分组成,如图1所示。在结霜过程中,机组制热能力逐渐下降,结霜过程带来的制热量损失记为ΔQL1。机组进行除霜时,从室内水侧吸收热量,制热能力迅速变为负值,从而使室外换热器表面霜层融化,除霜过程带来的制热量损失记为ΔQL2。当机组一直处于无霜状态运行时,总制热量记为QNF。ΔQL1、ΔQL2和QNF的表达式分别如式(2)～(4)所示。

注:q为制热能力,tf为结霜时间,tdc为除霜时间。图1 结除霜过程示意图

(2)

(3)

(4)

式(2)～(4)中t2为除霜开始时刻;qhc1为无霜工况下的制热能力,kW;qhc2为结霜工况下的制热能力,kW;t为时间,s;tn为除霜结束时刻。

机组除霜过晚时,结霜时间tf延长,ΔQL1增大,ΔQL2减小;机组除霜过早时,除霜频次增加,ΔQL2增大,ΔQL1减小。将两者引起的制热量损失占无霜运行时总制热量的比例称为结除霜损失系数ε(如式(5)所示),会存在某一时刻ε的值最小,该时刻称为空气源热泵的最佳除霜控制点,对应的最佳除霜时间记作Topt。

(5)

式中ε1为结霜损失系数;ε2为除霜损失系数。

2.2 最佳除霜控制点预测模型研究

本研究选择位于重霜区的标准结霜工况(2 ℃/1 ℃)与一般结霜区的一般结霜工况(2 ℃/0 ℃)展开测试工作。为探究机组最佳除霜控制点随CICO的变化规律,对机组A～I在标准结霜工况下进行了36组实验测试,CICO值的变化范围为(3.2～22.6)×106;对机组A、B、G、H在一般结霜工况下进行了10组实验测试,CICO值的变化范围为(1.7～10.4)×106。基于测试数据,通过式(2)～(5)分别计算得到上述2种工况下空气源热泵在不同CICO时的最佳除霜控制点,如图2所示。

图2 不同结霜工况下最佳除霜控制点随CICO的变化关系

图2下方的数据点为机组在标准结霜工况下的最佳除霜控制点分布,随着CICO值由3.2×106增大至22.6×106,Topt由22 min增大至136 min,对测试数据计算拟合,得到如式(6)所示的最佳除霜控制点预测模型,Topt与CICO值呈三次幂函数关系,相关系数为0.96。图2上方的数据点为机组在一般结霜工况下的最佳除霜控制点分布,由于在大CICO时空气源热泵结霜非常慢,测试过程中的最大CICO值为10.4×106,远小于标准结霜工况下的最大CICO值。在一般结霜工况下,随着CICO值由1.7×106增大至10.4×106,Topt由27 min增大至176 min,对其进行拟合,得到如式(7)所示的最佳除霜控制点预测模型,Topt与CICO值也呈三次幂函数关系,相关系数为0.99。

(6)

(7)

2种结霜工况下的最佳除霜控制点预测模型均表明:随CICO值的增大,最佳除霜控制点延后;当制冷剂确定时,空气源热泵的最佳除霜控制点只与CICO有关,不受机组设计方法或设计厂家的影响。因此,建立的模型具有较强的通用性,对任意一台机组,只要计算出其CICO值,便可预测出2种测试工况下的Topt。

为验证该模型的准确性,采用式(2)～(7)计算得到2种结霜工况下空气源热泵在不同CICO时Topt实测值与预测值的相对误差,结果如图3所示。2种结霜工况下,实测值与预测值的相对误差均在15%以内,这说明本研究建立的2种结霜工况下的最佳除霜控制点预测模型具有较高准确性。

图3 最佳除霜控制点预测模型相对误差分析

3 除霜控制性能评价指标研究

随着结霜的进行,机组盘管温度逐渐降低,制热能力和COP等性能参数也会逐渐衰减。若要求机组均在最佳除霜控制点进行除霜显然不太符合实际。根据前期研究基础,本研究基于最佳除霜时间Topt和制热能力衰减率,对空气源热泵的合理除霜指标及其范围进行研究。

3.1 标准结霜工况的评价指标研究

为确定机组除霜控制性能的评价指标及其合理范围,首先对不同CICO下机组结霜过程中制热能力的变化规律进行分析,结果如图4所示。可以看出,不同CICO下,在制热能力衰减率为20%～30%的区间,总存在一个时刻,机组的制热能力与COP均开始快速衰减,性能恶化严重,且制热能力与COP衰减率随CICO值的增大有变缓的趋势。由于不同CICO下机组性能恶化最迅速的时间均出现在制热能力衰减20%之后,因此选择制热能力衰减率作为机组进行合理除霜的指标,并以“制热能力衰减率20%”作为评判机组除霜控制性能的上限值。此时,可避免机组性能进入快速衰减的阶段,从而使机组在结霜工况下保持较高的供暖性能。

图4 不同CICO下制热能力和COP衰减率随运行时长的变化关系(标准结霜工况)

然而,不同CICO下机组制热能力衰减率小于20%时,制热能力与COP衰减率较平稳。因此,以“制热能力衰减率”为评价指标不能确定评判机组除霜控制性能的下限值。

为得到标准结霜工况下机组除霜控制性能评价指标的下限值,计算了机组A～I在不同CICO下运行时长偏移最佳除霜时间比例分别为-5%、-10%、-15%和-20%时的制热能力衰减率,结果如图5所示。可以看到,相同CICO下,偏移最佳除霜时间-5%、-10%和-15%时,制热能力均发生了衰减,此时室外换热器均已明显结霜;在偏移最佳除霜时间-20%时,部分测试过程的机组制热能力衰减率为0,机组并未发生明显结霜。因此,偏移最佳除霜时间-5%、-10%和-15%可用作评判机组除霜控制性能的下限值。以市面常规机组(CICO值为5×106)为例,由图2可知,标准结霜工况下Topt为40 min,在3种偏移率下,绝对时间偏差均不大,对机组在整个结除霜过程中的性能影响可以忽略不计,选择偏移最佳除霜时间-15%更能客观反映出机组的除霜控制性能。因此,选择“偏移最佳除霜时间-15%”作为评判机组除霜控制性能的下限值。

图5 不同CICO下偏移最佳除霜时间不同比例时制热能力衰减率(标准结霜工况)

综上,选择“制热能力衰减率20%”与“偏移最佳除霜时间-15%”作为评价机组在标准结霜工况下除霜控制性能的指标范围。

3.2 一般结霜工况的评价指标研究

在一般结霜工况下,采用和3.1节中相同的方法对机组除霜控制性能的评价指标进行研究。不同CICO下机组结霜过程中制热性能的变化如图6所示,当机组制热能力衰减率在20%～30%区间时,制热能力与COP衰减率随CICO的变化趋势与标准结霜工况一致,均迅速衰减,但衰减速率较标准结霜工况明显变缓。因此,在一般结霜工况下,同样选择制热能力衰减率作为机组进行合理除霜的指标,并以“制热能力衰减率20%”作为评判机组除霜控制性能的上限值。

图6 不同CICO下制热能力和COP衰减率随运行时长的变化关系(一般结霜工况)

针对一般结霜工况下除霜控制性能的下限值,选用机组A、B、G、H,对不同CICO下偏移最佳除霜时间-5%、-10%、-15%和-20%时的制热能力衰减率进行分析,结果如图7所示。与标准结霜工况的测试结果相似,在偏移最佳除霜时间-20%时,部分测试过程的机组制热能力衰减率为0,机组没有发生明显结霜;在其他3种最佳除霜时间偏移率下,制热能力均发生了衰减。因此,在一般结霜工况下,同样选择“偏移最佳除霜时间-15%”作为评判机组除霜控制性能的下限值。

图7 不同CICO下偏移最佳除霜时间不同比例时制热能力衰减率(一般结霜工况)

综上,和标准结霜工况相同,选择“制热能力衰减率20%”与“偏移最佳除霜时间-15%”作为评价机组在一般结霜工况下除霜控制性能的指标范围。

4 结论

为量化不同本构配置下空气源热泵的除霜控制性能,本文对来自不同厂家的9台制冷剂为R410A的机组在焓差实验室进行测试,揭示了标准结霜工况与一般结霜工况下机组最佳除霜控制点随CICO的变化规律,建立并验证了最佳除霜控制点预测模型,并对空气源热泵机组除霜控制性能的评价指标及其范围进行了研究。具体结论如下:

1) 在标准结霜工况与一般结霜工况下,空气源热泵的最佳除霜控制点均随CICO值的增大而延后。标准结霜工况下,随着CICO值由3.2×106增大至22.6×106,Topt由22 min增大至136 min;一般结霜工况下,随着CICO值由1.7×106增大至10.4×106,Topt由27 min增大至176 min。

2) 标准结霜工况与一般结霜工况下最佳除霜控制点均与CICO呈三次幂函数关系,且相关系数均大于0.95;制冷剂确定时,最佳除霜控制点预测模型只与机组CICO有关,通用性强,且模型预测值的相对误差在15%以内,具有较高的准确性。

3) 在标准结霜工况与一般结霜工况下,以“偏移最佳除霜时间-15%”(下限)和“制热能力衰减率20%”(上限)作为机组除霜控制性能的评价指标范围,均能够有效判断机组除霜控制的准确性。