基于平均性能最優的空氣源熱泵除霜控制方法的研究

邢 震　郭憲民　李景善

(天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室　天津　300134)

?

基于平均性能最優的空氣源熱泵除霜控制方法的研究

邢 震郭憲民李景善

(天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室天津300134)

本文選擇空氣源熱泵機組的性能惡化點作為除霜的開始時刻，提出了一種基于平均性能最優的空氣源熱泵除霜控制方法。為驗證該方法的可行性與適用性，采用四種不同的除霜方案對一臺空氣源熱泵機組的除霜特性進行實驗研究。針對不同的結霜工況條件，測量了翅片表面霜層厚度及機組輸入功率、制熱量等參數隨時間的變化，并以此為基礎分析了空氣源熱泵在整個結霜/除霜循環中的總耗功、總制熱量以及平均COP的變化。實驗結果表明：當空氣源熱泵機組選擇以性能惡化點作為除霜開始時刻時，系統在整個結霜/除霜循環中的平均COP達到最大，即驗證該除霜控制方法的可行性，能夠用于空氣源熱泵機組的最佳除霜開始時刻控制。

空氣源熱泵；除霜實驗；除霜判據；最佳除霜時刻

空氣源熱泵冬季運行時室外換熱器表面的結霜現象是其需要解決的首要問題。霜層增加了空氣與工質之間的換熱熱阻，使空氣流動阻力增加、空氣流量減小，導致風冷換熱器性能惡化、熱泵系統COP降低[1-3]。目前，常見的除霜控制方法有定時除霜法、時間-溫度法、空氣壓差法等，但均存在各種缺點，會導致誤除霜的發生。Baxter V D等[4]研究發現，大約27%的除霜在翅片表面結霜不嚴重、不需要除霜的情況下進行，而馮穎超[5]研究指出在中國北京的供熱季節，這一比例高達68%。韓志濤等[6]還發現誤除霜的頻繁發生會增大系統高壓側部件的損壞概率，進而嚴重影響熱泵工作壽命?；诖?，黃虎等[7]提出了自調整模糊除霜控制思想；江樂新等[8]設計了空氣源熱泵的模糊除霜控制方案并對除霜控制器進行了深入研究；Zhu J H等[9]提出了一種溫度-濕度-時間除霜控制法，能夠有效減小誤除霜的次數且系統平均性能，可提高約5.3%；另外，Jiang Y Q等[10]提出的制冷劑過熱度法、Xiao J等[11]的光電感應技術法、Kim Min-Hwan等[12]提出的有效質量流量法，Zhu J H等[13]提出的結霜分布圖法等對空氣源熱泵的除霜開始時刻等進行了研究，但并沒有指出熱泵在整個結霜/除霜過程中系統性能及平均COP的變化。

本文提出了基于平均性能最優的空氣源熱泵除霜控制方法，選擇熱泵機組的性能惡化點作為除霜開始的時間，以避免熱泵運行在性能急劇惡化的區域。為了驗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，對空氣源熱泵除霜特性進行實驗研究，分析了系統總耗功、總制熱量及平均COP的變化，以驗證基于平均性能最優的空氣源熱泵除霜控制方法的可行性。

1 實驗裝置與方案

1.1 實驗裝置介紹

熱泵空調器性能測試系統如圖1所示，該系統能夠模擬實驗所需的室內、外側環境。環境溫、濕度的波動值可控制在±0.5 ℃及3%以內。室內換熱器空氣流量采用標準噴嘴測量，其進出口空氣干、濕球溫度采用Pt100Ω鉑電阻溫度傳感器測量，并由此計算出室內機換熱量。室外換熱器入口空氣溫/濕度、風量由迎風面均勻布置的8個溫/濕度探頭及8個風速傳感器測量；出口溫/濕度由出風面均勻布置的4個溫/濕度探頭儀測量；室外換熱器換熱量由換熱器前后空氣焓差及風量計算；結霜量由室外換熱器進出口含濕量差及風量計算；室外換熱器壁面溫度采用T型熱電偶測量，熱電偶均經過標定，采用貼敷在管道壁面上的方式布置在室外換熱器進出口以及管路中間彎頭處；制冷劑壓力由焓差實驗臺預留的4個壓力測點采集；霜層厚度由顯微放大鏡測量，最大放大倍數為90倍。

圖1 熱泵測量系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

熱泵樣機額定制冷量為12.1 kW，額定制熱量為13.3 kW，使用R22制冷劑，以毛細管作為節流裝置，換熱器采用平翅片管式。實驗測量系統詳細參數、數據處理方法等詳見參考文獻[14-15]。

1.2 性能惡化點的確定

我們前期研究發現，空氣源熱泵冬季運行時，翅片表面霜層生長大致可分為三個階段：初始階段、減速生長段及加速生長段。其中，在結霜的第三階段，霜層厚度快速增長，蒸發器表面溫度快速下降，熱泵性能開始迅速衰減，其制熱量和COP的衰減速度為霜層減速生長段的2.8～6倍[16]，因此，將COP開始迅速下降的點稱為性能惡化點。而基于平均性能最優的除霜控制方法的原理就是選擇熱泵機組的性能惡化點作為除霜開始的時間，以避免熱泵處于性能急劇惡化的范圍內運行，其核心是如何確定性能惡化點。進一步研究表明，室外換熱器內工質的蒸發溫度與系統COP隨時間的變化趨勢一致。

圖2和圖3分別為熱泵系統蒸發溫度、COP隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，系統性能惡化點出現在約65～70 min處，在此點以后，系統的COP、室外換熱器蒸發溫度也同時快速下降。從實驗數據可以看出，系統蒸發溫度隨時間的變化率與系統COP隨時間的變化趨勢完全一致?？紤]溫度參數易于測量、信號穩定等因素，選取蒸發溫度隨時間的變化率作為性能惡化點的判據是合理的。

圖2 結霜過程中蒸發溫度的變化Fig.2 Measured temperature of evaporatorunder frosting cycle

因此，本文的設計方案就是通過檢測蒸發溫度隨時間的變化率B(B=dT/dt)，找出性能惡化點出現的時刻。實施過程中采用蒸發溫度變化量ΔT與時間間隔之比ΔT/Δt代替蒸發溫度隨時間的變化率B，并以此作為除霜開始的判據。具體實施方法為：用溫度傳感器采集實時蒸發溫度信號并送入控制器，計算蒸發溫度隨時間的變化率，然后與蒸發溫度的最佳控制范圍ΔT/Δt>A(A<0)進行比較：當B>A時說明空氣源熱泵機組在穩定段正常運行；當B≤A時，說明機組進入了快速結霜期，應開啟除霜模式；為防止偶然因素帶來的誤動作和頻繁除霜，在運行預定時間Tp且連續三次滿足該條件后才開始除霜。系統控制原理圖如圖4所示。

圖3 結霜過程中系統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 實驗方案

為驗證上述除霜控制方法的準確性和可靠性，針對不同的工況，采用A、B、C、D四種方案分別在不同時刻開始除霜進行對比實驗。其中，B方案為根據本文提出的判據進行的除霜控制方案，D方案為當室外換熱器結滿霜時開始除霜。C方案的除霜時刻在B、D兩種方案的中間時刻。A方案的除霜時刻在B方案之前，且A、B方案除霜時刻的間隔等于B、C方案除霜時刻的間隔。實驗中采用統一霜層厚度的方法作為結滿霜的判據，即兩相鄰翅片霜層的間距達到0.2 mm。對于每一組實驗工況，首先進行D方案的實驗，確定出性能惡化點以后即可確定B方案除霜時刻，進一步可確定C方案和A方案的除霜時刻，然后分別進行實驗。

為了消除再結霜對性能的影響，四個方案的實驗結霜時間間隔至少為2 h。

2 實驗結果及分析

圖5所示為室外環境溫度為0 ℃、相對濕度為75%工況下四種不同方案結霜/除霜過程的動態制熱量(kW)，即單位時間內向室內提供的熱能(kJ)隨時間的變化曲線。曲線下的面積表示的是在一個完整的結霜/除霜循環中熱泵向室內提供的有效總熱能(kJ)。x軸上方面積表示供熱時熱泵向室內提供的熱能，x軸下方面積表示逆循環除霜時熱泵從室內吸收的熱能，二者絕對值之差為熱泵向室內提供的有效總熱能(kJ)。從圖5可以看出，對于四種不同除霜方案，結霜過程制熱量-時間曲線幾乎完全重合，說明四種除霜方案比較的基礎一致。隨著結霜時間的增大，曲線下的面積，即向空調房間放熱量逐漸增大，但同時除霜過程中從空調房間吸熱也相應增大。這主要是由于除霜時間加長及換熱的壁面溫度降低所致。

圖5 不同方案結霜/除霜循環總制熱量Fig.5 Measured heating capacity under frosting/defrosting cycles

圖6所示為室外環境溫度為0 ℃、相對濕度為75%工況下不同除霜方案下一個完整的結霜/除霜循環的功率(kW)動態曲線，曲線與x軸圍成的面積代表循環中壓縮機消耗的總電能(kJ)，即制熱循環與除霜環兩個過程的耗功之和。與制熱量曲線相似，四種方案的結霜過程功耗曲線幾乎完全重合。由于在整個結霜/除霜過程中機組耗功始終為正值，且在除霜過程中機組耗功較小，因此其對總耗功的影響較小，總耗功的大小主要取決于結霜運行時間，結霜工況下運行時間越長，則耗功越大。由于D方案運行時間最長、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 不同方案結霜/除霜循環耗功Fig.6 Measured input power under frosting/defrosting cycles

在不同的工況下，熱泵系統的運行時間及除霜頻率也不盡相同，因而其綜合性能應由系統平均COP來確定，而一個完整循環過程的平均COP等于熱泵提供的有效總熱能與總耗功(壓縮機消耗的總電能)之比。將圖5中各個時刻的制熱量(kW)乘以實驗數據采集時間間隔(5 s)可得出該時段熱泵機組的提供的熱能(kJ)，將各個時刻的數值累加就可以得出整個結霜/除霜循環中熱泵機組提供的有效總熱能(kJ)。同樣的方法，由圖6可得整個結霜/除霜循環中的總耗功(kJ)。整個循環過程的平均COP為有效總制熱能與總耗功的比值。具體計算結果如表1所示。

表1 不同除霜方案的平均性能

由圖7可知，對于不同的環境溫濕度工況，采用B方案進行除霜時，熱泵機組的平均COP均高于采用其他三種方案，即以熱泵機組的性能惡化點作為除霜的開始時刻系統的平均運行性能最優，從而驗證了本文所提的基于平均性能最優的除霜控制方法的可行性與適用性。同時，由圖7可知，對于相對濕度相同(75%)而環境溫度不同(-5 ℃、0 ℃、3 ℃)的3個工況，當環境溫度為0 ℃時，除霜方案對機組平均COP的影響較大。這可能是由環境溫度0 ℃為空氣源熱泵的嚴重結霜溫度所致[13]，在此工況下工作時結霜最為嚴重，因此除霜方案的影響較大。而對于不同相對濕度工況，高濕度工況下除霜方案的影響較小，因為在高濕度情況下結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 結論

本文對一臺空氣源熱泵室外換熱器表面結霜/除霜特性進行了實驗研究，分別比較了四種除霜方案的機組平均性能，得到了如下結論：

1)提出了一種基于平均性能最優的空氣源熱泵除霜控制方案，即選擇熱泵機組的性能惡化點作為除霜的開始時刻。

2)采用A、B、C、D四組除霜方案對比實驗證實了該除霜控制方案的可行性與適用性。結果表明：采用本文提出的除霜控制方法，即B方案進行除霜控制時，熱泵系統在整個結霜/除霜循環中的COP最大，系統平均COP最大可提高約4.2%。

3)采用該除霜系統能夠提高空氣源熱泵機組的運行穩定性和可靠性。在相同的相對濕度下，環境溫度為0 ℃時除霜方案對機組平均COP的影響最大，這可能是由于環境溫度0 ℃為空氣源熱泵的嚴重結霜溫度所致；對于不同的相對濕度工況，高濕度下除霜方案的影響較小，因為在高濕度情況下霜層比較疏松，除霜比較容易。

[1]Nasr M R, Fauchoux M, Besant R W, et al. A review of frosting in air-to-air energy exchangers[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 30(2): 538-554.

[2]Wang W, Feng Y C, Zhu J H, et al. Performances of air source heat pump system for a kind of mal-defrost phenomenon appearing in moderate climate conditions[J]. Applied Energy, 2013, 112(4): 1138-1145.

[3]Jiang Y Q, Fu H Y, Yao Y, et al. Experimental study on concentration change of spray solution used for a novel non-frosting air source heat pump systems[J]. Energy Buildings, 2014, 68(7): 707-712.

[4]Baxter V D, Mogers J C. Field-measured cycling, frosting and defrosting losses for a high-efficiency air-source heat pump[J]. ASHRAE Trans, 1984, 91: 537-554.

[5]馮穎超. 空氣源熱泵誤除霜事故研究[D]. 北京: 北京工業大學, 2013.

[6]韓志濤, 姚楊, 馬最良, 等. 空氣源熱泵誤除霜實驗特性的實驗研究[J]. 暖通空調, 2006, 36(2): 15-19. (HAN Zhitao, YAO Yang, MA Zuiliang, et al. Experiment on characteristics of an air source heat pump in false defrosting[J]. Journal of HV&AC, 2006, 36(2): 15-19.)

[7]黃虎, 虞維平, 李志浩, 等. 風冷熱泵冷熱水機組自調整模糊除霜控制研究[J]. 暖通空調, 2001, 31(3): 67-69. (HUANG Hu, YU Weiping, LI Zhihao, et al. Study on self-tuning fuzzy defrosting control of air-cooled heat pump water chiller-heater units[J]. Journal of HV&AC, 2001, 31(3): 67-69.)

[8]江樂新, 張學文, 樓靜, 等. 空氣源熱泵熱水機組模糊除霜控制器的研究[J]. 制冷與空調(北京), 2008, 8(2):37-43. (JIANG Lexin, ZHANG Xuewen, LOU Jing, et al. Research on controller for fuzzy defrosting of air source heat pump water heater unit[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2008, 8(2): 37-43.)

[9]Zhu J H, Sun Y Y, Wang W, et al. A novel temperature-humidity-time defrosting control method based on a frosting map for air-source heat pumps[J]. International Journal of Refrigeration, 2015, 54: 45-54.

[10] Jiang Y Q, Dong J K, Qu M L, et al. A novel defrosting control method based on the degree of refrigerant superheat for air source heat pumps[J]. International Journal of Refrigeration, 2013, 36(8): 2278-2288.

[11] Xiao J, Wang W, Zhao Y H, et al. An analysis of the feasibility and characteristics of photoelectric technique applied in defrost-control[J]. International Journal of Refrigeration, 2009, 32(6): 1350-1357.

[12] Kim Min-Hwan, Lee Kwan-Soo. Determination method of defrosting start-time based on temperature measurements[J]. Applied Energy, 2015, 146: 263-269.

[13] Zhu J H, Sun Y Y, Wang W, et al. Developing a new frosting map to guide defrosting control for air source heat pump units[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 90: 782-791.

[14] 郭憲民, 陳軼光, 汪偉華, 等. 室外環境參數對空氣源熱泵翅片管蒸發器動態結霜性能的影響[J]. 制冷學報, 2006, 27(6): 29-33. (GUO Xianmin, CHEN Yiguang, WANG Weihua, et al. Effects of outdoor air parameters on frosting characteristics of fin-tube evaporator for air source heat pump unit[J]. Journal of Refrigeration, 2006, 27(6): 29-33.

[15] GUO X M, CHEN Y G, Wang W H, et al. Experimental study on frost growth and dynamic performance of air source heat pump system[J]. Applied Thermal Engineering, 2008, 20(17/18): 2267-2278.

[16] 李景善, 郭憲民, 陳軼光, 等. 空氣源熱泵蒸發器表面霜層生長特性實驗研究[J]. 制冷學報, 2010, 31(1): 18-22. (LI Jingshan, GUO Xianmin, CHEN Yiguang, et al. Experimental study of frost growth characteristics on outdoor heat exchanger of air source heat pump unit[J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(1): 18-22.)

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

簡介

郭憲民，男，博士，教授，天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室，13821309202，E-mail: xmguo@tjcu.edu.cn。研究方向：制冷系統節能及優化。