黃智強 王建凱 丁財豐
摘 要：基於空氣源熱泵機組化霜控制邏輯的研究，以實現熱泵機組化霜的精確控制，研究出一種「空氣源熱泵機組新型化霜」的智能控制技術。該技術根據化霜結束後翅片換熱器分液頭組件四個區域感溫包絕對溫度的差值，來判斷化霜是否徹底。如果差值在正常範圍內，則化霜周期不進行調整;如果差值超出設定範圍，則智能調整化霜的周期。該研究優化了空氣源熱泵機組除霜的控制邏輯，減少了化霜後翅片「冰層」現象的發生，提升了機組的制熱能效。
關鍵詞：空氣源熱泵;制熱能效比;智能化霜
中圖分類號：TU834 文獻標誌碼：A
1 空氣源熱泵機組
空氣源熱泵機組以節能、環保以及一機多用等優勢被廣泛應用。機組制熱模式下的翅片表面溫度較低，當低於周圍空氣的露點溫度，又低於水的三相點溫度，即0℃時空氣中的水蒸氣將在其表面以固態凝結，發生結霜現象。霜的形成與生長是一個複雜的傳熱傳質過程，與環境溫度、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。由於機組實際運行時，無法對上述參數進行全面測試，霜層生長過程難以準確監測，因此很難做到按需除霜，誤除霜事故時有發生。
由於生產製造誤差、零部件加工一致性、設備安裝空間大小和環境變化等原因導致翅片換熱器分液頭組件分液不均勻，導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，所以在機組進入化霜的時候，冰層薄的地方翅片溫度已經達到退出除霜的點，翅片溫度傳感器處於冰層薄的區域，導致機組退出化霜，而冰霜厚的地方依然有冰層的覆蓋，周而復始該區域的冰霜厚度越來越厚，面積越來越大，嚴重影響了熱泵機組的運行能效。
傳統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，導致有霜不化或無霜化霜。馬最良團隊[1]實驗研究發現，無霜化霜時會系統高壓壓力會達到高壓限值，電流和功率急劇增加，從而影響熱泵機組性能。因此，國內外學者逐漸重視對智能除霜技術的研究。江樂新等人[2]關於空氣源熱泵熱水機組模糊除霜控制器的研究極大的推動了除霜控制技術的發展。
2 新型智能化霜控制技術
2.1 智能判斷原理
在制熱模式下，翅片換熱器作為蒸發器，換熱管內部的冷媒通過蒸發器與空氣發生熱交換，理想條件下翅片換熱器不同之路分液和集液是均勻的，在製冷原理的作用下，空氣中的水蒸氣被凝結在翅片的鋁箔上，當水膜厚度小於翅片間距時，凝結核生長的速度很慢，隨著制熱工況的持續進行，有越來越多的水膜集聚在鋁箔表面。在進入化霜模式之前，該現象循環持續直到水膜厚度大於翅片間距時，水膜快速生長為霜。當熱泵機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入化霜模式，也就是製冷模式，此時，翅片換熱器變為冷凝器，利用逆卡諾循環原理將翅片上的冰霜融化消除。
在實際工程中，由於環境氣候等多種不可控因素導致霜在迎風面積為2 m2翅片換熱器上很難化乾淨，工程師結合不同地域的結霜/化霜現象，對實驗機組的翅片換熱器進行分區，從高到低分為4個區，即上部、中上、中下、下部。每個區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，高溫高壓的氣態冷媒經過分液管組件冷媒進口進入翅片換熱器，冷凝器冷凝散熱實現化霜動作，當化霜結束時，如果冰霜全部被融化，那麼4個區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個區域的溫度感溫包（圖1所示序號4，5，6，7號零件）進行溫度採集，感溫包採集到的溫度分別對應T1， T2， T3， T4。
4個區域的感溫包數值兩兩比較，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Q超過設定值時便可判斷除霜的徹底性。除霜結束後，當溫差Q≤2℃，則認為化霜徹底，當溫差Q>2℃則認為化霜不徹底，因為冰霜包圍著換熱管影響其換熱效果，對應的溫度感溫包數值偏小，而無冰霜包裹的位置換熱效果就好，對應的溫度感溫包數值就偏大。
2.2 智能調節化霜周期
當滿足基本化霜條件後，熱泵機組控制器CPU判斷已經啟動過除霜動作，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，並且根據連續徹底化霜的次數選擇對應的化霜周期，連續化霜徹底的次數越多，CPU就會選擇越長的化霜周期，熱泵設備的能效則會越高，採暖效果就越好。相反，如果判斷上次化霜不徹底則縮短化霜周期，並且根據連續化霜不徹底的次數CPU選擇不同的化霜周期，連續不徹底的次數越多化霜周期則會越短。
2.3 低環溫實驗驗證
低溫環境實驗室是根據相關標準要求由國家第三方認證機構設計與建設和備案的焓差實驗室。該實驗室主要功能是模擬實際環境的下溫度和濕度，以便驗證機組的能力和能效數據。
實驗機組技術方案按照 GB/T 25127.1標準設計。制熱名義工況下，實驗室環境情況為環境幹球溫度7℃，濕球溫度6℃，熱水出水溫度45℃;制熱設計工況為環境幹球溫度-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係數，測試數據見表1。
熱泵機組進入化霜模式由以下4個參數決定條件務必同時滿足4個條件。1）翅片溫度小於20℃。2）環境溫度小於8℃。3）翅片溫度與環境溫度的差值大於目標值。4）運行時間大於設定時間。滿足以上4個條件後即可進入除霜模式。
對表1進行數據分析可知，當環境溫度為-12℃時，普通化霜技術在一個化霜周期內COP為2.01，智能化霜技術在一個化霜周期內的COP為2.3，提升16.6%;當環境溫度為-10℃時，智能化霜技術的COP與普通化霜技術相比提升20.9%;當環境溫度為-5℃時，智能化霜技術的COP與普通化霜技術相比提升23.4%;當環境溫度為0℃時，智能化霜技術的COP與普通化霜技術相比提升26.2%;當環境溫度為5℃時，智能化霜技術的COP與普通化霜技術相比提升26.8%，當環境溫度為7℃時，智能化霜技術的COP與普通化霜技術相比提升20.0%。
綜合以上實驗數據，經過優化化霜控制邏輯，改善化霜方法可以提高熱泵設備能效20%以上，平均能效提高22%。
2.4 經濟性分析
綜合以上實驗數據，經過優化化霜控制邏輯，改善化霜方法可以提高熱泵設備能效20%以上，平均能效提高22%。以華北地區石家莊某小區20萬m2的住宅建築面積為例，按照一級節能建築熱負荷為35 W/m2，石家莊供暖季天數為120天，石家莊供熱享受峰谷電政策，平均電價為0.4元/kW·h，按照傳統的空氣源熱泵除霜控制邏輯，該小區整個供暖季消耗的電量為448萬度，電費為179.2萬元，見表2。通過改善控制邏輯可節約20%，大約89.6萬度電，摺合電費為35.84萬元。
3 結論
空氣源熱泵機組的結霜過程主要和翅片溫度、環境溫度以及濕度有關，該文通過「環境溫度-除霜周期-翅片溫度」化霜方法，準確判斷除霜進入點，並將檢測的翅片分液管路不同區域的溫度數值進行算術運算，自動判斷機組是否化霜乾淨，並進行化霜周期的智能調整。新型智能化霜控制技術，除霜進入和退出及時，除霜乾淨。該技術的應用，提高了翅片換熱器換熱效果以及機組能效比，及時化霜減輕了壓縮機的負載，提高了壓縮機使用壽命。
參考文獻
[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，2006，36（2） ： 15-19.
[2]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[J].製冷與空調，2008，8（2） ：37 -43.
摘 要：基於空氣源熱泵機組化霜控制邏輯的研究，以實現熱泵機組化霜的精確控制，研究出一種「空氣源熱泵機組新型化霜」的智能控制技術。該技術根據化霜結束後翅片換熱器分液頭組件四個區域感溫包絕對溫度的差值，來判斷化霜是否徹底。如果差值在正常範圍內，則化霜周期不進行調整;如果差值超出設定範圍，則智能調整化霜的周期。該研究優化了空氣源熱泵機組除霜的控制邏輯，減少了化霜後翅片「冰層」現象的發生，提升了機組的制熱能效。
關鍵詞：空氣源熱泵;制熱能效比;智能化霜
中圖分類號：TU834 文獻標誌碼：A
1 空氣源熱泵機組
空氣源熱泵機組以節能、環保以及一機多用等優勢被廣泛應用。機組制熱模式下的翅片表面溫度較低，當低於周圍空氣的露點溫度，又低於水的三相點溫度，即0℃時空氣中的水蒸氣將在其表面以固態凝結，發生結霜現象。霜的形成與生長是一個複雜的傳熱傳質過程，與環境溫度、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。由於機組實際運行時，無法對上述參數進行全面測試，霜層生長過程難以準確監測，因此很難做到按需除霜，誤除霜事故時有發生。
由於生產製造誤差、零部件加工一致性、設備安裝空間大小和環境變化等原因導致翅片換熱器分液頭組件分液不均勻，導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，所以在機組進入化霜的時候，冰層薄的地方翅片溫度已經達到退出除霜的點，翅片溫度傳感器處於冰層薄的區域，導致機組退出化霜，而冰霜厚的地方依然有冰層的覆蓋，周而復始該區域的冰霜厚度越來越厚，面積越來越大，嚴重影響了熱泵機組的運行能效。
傳統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，導致有霜不化或無霜化霜。馬最良團隊[1]實驗研究發現，無霜化霜時會系統高壓壓力會達到高壓限值，電流和功率急劇增加，從而影響熱泵機組性能。因此，國內外學者逐漸重視對智能除霜技術的研究。江樂新等人[2]關於空氣源熱泵熱水機組模糊除霜控制器的研究極大的推動了除霜控制技術的發展。
2 新型智能化霜控制技術
2.1 智能判斷原理
在制熱模式下，翅片換熱器作為蒸發器，換熱管內部的冷媒通過蒸發器與空氣發生熱交換，理想條件下翅片換熱器不同之路分液和集液是均勻的，在製冷原理的作用下，空氣中的水蒸氣被凝結在翅片的鋁箔上，當水膜厚度小於翅片間距時，凝結核生長的速度很慢，隨著制熱工況的持續進行，有越來越多的水膜集聚在鋁箔表面。在進入化霜模式之前，該現象循環持續直到水膜厚度大於翅片間距時，水膜快速生長為霜。當熱泵機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入化霜模式，也就是製冷模式，此時，翅片換熱器變為冷凝器，利用逆卡諾循環原理將翅片上的冰霜融化消除。
在實際工程中，由於環境氣候等多種不可控因素導致霜在迎風面積為2 m2翅片換熱器上很難化乾淨，工程師結合不同地域的結霜/化霜現象，對實驗機組的翅片換熱器進行分區，從高到低分為4個區，即上部、中上、中下、下部。每個區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，高溫高壓的氣態冷媒經過分液管組件冷媒進口進入翅片換熱器，冷凝器冷凝散熱實現化霜動作，當化霜結束時，如果冰霜全部被融化，那麼4個區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個區域的溫度感溫包（圖1所示序號4，5，6，7號零件）進行溫度採集，感溫包採集到的溫度分別對應T1， T2， T3， T4。
4個區域的感溫包數值兩兩比較，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Q超過設定值時便可判斷除霜的徹底性。除霜結束後，當溫差Q≤2℃，則認為化霜徹底，當溫差Q>2℃則認為化霜不徹底，因為冰霜包圍著換熱管影響其換熱效果，對應的溫度感溫包數值偏小，而無冰霜包裹的位置換熱效果就好，對應的溫度感溫包數值就偏大。
2.2 智能調節化霜周期
當滿足基本化霜條件後，熱泵機組控制器CPU判斷已經啟動過除霜動作，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，並且根據連續徹底化霜的次數選擇對應的化霜周期，連續化霜徹底的次數越多，CPU就會選擇越長的化霜周期，熱泵設備的能效則會越高，採暖效果就越好。相反，如果判斷上次化霜不徹底則縮短化霜周期，並且根據連續化霜不徹底的次數CPU選擇不同的化霜周期，連續不徹底的次數越多化霜周期則會越短。
2.3 低環溫實驗驗證
低溫環境實驗室是根據相關標準要求由國家第三方認證機構設計與建設和備案的焓差實驗室。該實驗室主要功能是模擬實際環境的下溫度和濕度，以便驗證機組的能力和能效數據。
實驗機組技術方案按照 GB/T 25127.1標準設計。制熱名義工況下，實驗室環境情況為環境幹球溫度7℃，濕球溫度6℃，熱水出水溫度45℃;制熱設計工況為環境幹球溫度-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係數，測試數據見表1。
熱泵機組進入化霜模式由以下4個參數決定條件務必同時滿足4個條件。1）翅片溫度小於20℃。2）環境溫度小於8℃。3）翅片溫度與環境溫度的差值大於目標值。4）運行時間大於設定時間。滿足以上4個條件後即可進入除霜模式。
對表1進行數據分析可知，當環境溫度為-12℃時，普通化霜技術在一個化霜周期內COP為2.01，智能化霜技術在一個化霜周期內的COP為2.3，提升16.6%;當環境溫度為-10℃時，智能化霜技術的COP與普通化霜技術相比提升20.9%;當環境溫度為-5℃時，智能化霜技術的COP與普通化霜技術相比提升23.4%;當環境溫度為0℃時，智能化霜技術的COP與普通化霜技術相比提升26.2%;當環境溫度為5℃時，智能化霜技術的COP與普通化霜技術相比提升26.8%，當環境溫度為7℃時，智能化霜技術的COP與普通化霜技術相比提升20.0%。
綜合以上實驗數據，經過優化化霜控制邏輯，改善化霜方法可以提高熱泵設備能效20%以上，平均能效提高22%。
2.4 經濟性分析
綜合以上實驗數據，經過優化化霜控制邏輯，改善化霜方法可以提高熱泵設備能效20%以上，平均能效提高22%。以華北地區石家莊某小區20萬m2的住宅建築面積為例，按照一級節能建築熱負荷為35 W/m2，石家莊供暖季天數為120天，石家莊供熱享受峰谷電政策，平均電價為0.4元/kW·h，按照傳統的空氣源熱泵除霜控制邏輯，該小區整個供暖季消耗的電量為448萬度，電費為179.2萬元，見表2。通過改善控制邏輯可節約20%，大約89.6萬度電，摺合電費為35.84萬元。
3 結論
空氣源熱泵機組的結霜過程主要和翅片溫度、環境溫度以及濕度有關，該文通過「環境溫度-除霜周期-翅片溫度」化霜方法，準確判斷除霜進入點，並將檢測的翅片分液管路不同區域的溫度數值進行算術運算，自動判斷機組是否化霜乾淨，並進行化霜周期的智能調整。新型智能化霜控制技術，除霜進入和退出及時，除霜乾淨。該技術的應用，提高了翅片換熱器換熱效果以及機組能效比，及時化霜減輕了壓縮機的負載，提高了壓縮機使用壽命。
參考文獻
[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，2006，36（2） ： 15-19.
[2]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[J].製冷與空調，2008，8（2） ：37 -43.
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