空气源热泵机组新型智能化霜控制的研究
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摘 要：基于空气源热泵机组化霜控制逻辑的研究，以实现热泵机组化霜的精确控制，研究出一种“空气源热泵机组新型化霜”的智能控制技术。该技术根据化霜结束后翅片换热器分液头组件四个区域感温包绝对温度的差值，来判断化霜是否彻底。如果差值在正常范围内，则化霜周期不进行调整;如果差值超出设定范围，则智能调整化霜的周期。该研究优化了空气源热泵机组除霜的控制逻辑，减少了化霜后翅片“冰层”现象的发生，提升了机组的制热能效。
关键词：空气源热泵;制热能效比;智能化霜
中图分类号：TU834 文献标志码：A
1 空气源热泵机组
空气源热泵机组以节能、环保以及一机多用等优势被广泛应用。机组制热模式下的翅片表面温度较低，当低于周围空气的露点温度，又低于水的三相点温度，即0℃时空气中的水蒸气将在其表面以固态凝结，发生结霜现象。霜的形成与生长是一个复杂的传热传质过程，与环境温度、空气相对湿度、 气流速度、空气洁净度、冷表面温度以及表面特性等六大主要因素息息相关。由于机组实际运行时，无法对上述参数进行全面测试，霜层生长过程难以准确监测，因此很难做到按需除霜，误除霜事故时有发生。
由于生产制造误差、零部件加工一致性、设备安装空间大小和环境变化等原因导致翅片换热器分液头组件分液不均匀，导致翅片存在温度差异，温度低的地方冰霜厚，温度高的地方冰霜薄，所以在机组进入化霜的时候，冰层薄的地方翅片温度已经达到退出除霜的点，翅片温度传感器处于冰层薄的区域，导致机组退出化霜，而冰霜厚的地方依然有冰层的覆盖，周而复始该区域的冰霜厚度越来越厚，面积越来越大，严重影响了热泵机组的运行能效。
传统的除霜判定方法有定时除霜法、时间——温度法、空气压差法等，存在各种缺陷，导致有霜不化或无霜化霜。马最良团队[1]实验研究发现，无霜化霜时会系统高压压力会达到高压限值，电流和功率急剧增加，从而影响热泵机组性能。因此，国内外学者逐渐重视对智能除霜技术的研究。江乐新等人[2]关于空气源热泵热水机组模糊除霜控制器的研究极大的推动了除霜控制技术的发展。
2 新型智能化霜控制技术
2.1 智能判断原理
在制热模式下，翅片换热器作为蒸发器，换热管内部的冷媒通过蒸发器与空气发生热交换，理想条件下翅片换热器不同之路分液和集液是均匀的，在制冷原理的作用下，空气中的水蒸气被凝结在翅片的铝箔上，当水膜厚度小于翅片间距时，凝结核生长的速度很慢，随着制热工况的持续进行，有越来越多的水膜集聚在铝箔表面。在进入化霜模式之前，该现象循环持续直到水膜厚度大于翅片间距时，水膜快速生长为霜。当热泵机组的吸气压力明显减低和排气温度和压力明显升高时，控制逻辑基本可以判断进入化霜模式，也就是制冷模式，此时，翅片换热器变为冷凝器，利用逆卡诺循环原理将翅片上的冰霜融化消除。
在实际工程中，由于环境气候等多种不可控因素导致霜在迎风面积为2 m2翅片换热器上很难化干净，工程师结合不同地域的结霜/化霜现象，对实验机组的翅片换热器进行分区，从高到低分为4个区，即上部、中上、中下、下部。每个区域分别在翅片换热器的分液头支管距离翅片边板相等距离的位置处，焊接高精度溫度传感器，在化霜模式下，高温高压的气态冷媒经过分液管组件冷媒进口进入翅片换热器，冷凝器冷凝散热实现化霜动作，当化霜结束时，如果冰霜全部被融化，那么4个区域的感温包温度是相等的，否则温差比较大。利用这个原理判断不同区域在化霜模式下化霜的彻底性。翅片换热器分液包组件的支管上分别焊接翅片换热器上、中上、中下、下4个区域的温度感温包（图1所示序号4，5，6，7号零件）进行温度采集，感温包采集到的温度分别对应T1， T2， T3， T4。
4个区域的感温包数值两两比较，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种可能Q1～Q6，排除感温包精度差异性的影响，当Q超过设定值时便可判断除霜的彻底性。除霜结束后，当温差Q≤2℃，则认为化霜彻底，当温差Q>2℃则认为化霜不彻底，因为冰霜包围着换热管影响其换热效果，对应的温度感温包数值偏小，而无冰霜包裹的位置换热效果就好，对应的温度感温包数值就偏大。
2.2 智能调节化霜周期
当满足基本化霜条件后，热泵机组控制器CPU判断已经启动过除霜动作，则控制器开始读取q，以便判断是否更换化霜周期。首先，如果判断上次化霜彻底，则延迟化霜周期，并且根据连续彻底化霜的次数选择对应的化霜周期，连续化霜彻底的次数越多，CPU就会选择越长的化霜周期，热泵设备的能效则会越高，采暖效果就越好。相反，如果判断上次化霜不彻底则缩短化霜周期，并且根据连续化霜不彻底的次数CPU选择不同的化霜周期，连续不彻底的次数越多化霜周期则会越短。
2.3 低环温实验验证
低温环境实验室是根据相关标准要求由国家第三方认证机构设计与建设和备案的焓差实验室。该实验室主要功能是模拟实际环境的下温度和湿度，以便验证机组的能力和能效数据。
实验机组技术方案按照 GB/T 25127.1标准设计。制热名义工况下，实验室环境情况为环境干球温度7℃，湿球温度6℃，热水出水温度45℃;制热设计工况为环境干球温度-12℃，湿球温度-14℃，热水出水温度41℃。通过刷新不同的除霜控制程序分别得到不同的制热能效系数，测试数据见表1。
热泵机组进入化霜模式由以下4个参数决定条件务必同时满足4个条件。1）翅片温度小于20℃。2）环境温度小于8℃。3）翅片温度与环境温度的差值大于目标值。4）运行时间大于设定时间。满足以上4个条件后即可进入除霜模式。
对表1进行数据分析可知，当环境温度为-12℃时，普通化霜技术在一个化霜周期内COP为2.01，智能化霜技术在一个化霜周期内的COP为2.3，提升16.6%;当环境温度为-10℃时，智能化霜技术的COP与普通化霜技术相比提升20.9%;当环境温度为-5℃时，智能化霜技术的COP与普通化霜技术相比提升23.4%;当环境温度为0℃时，智能化霜技术的COP与普通化霜技术相比提升26.2%;当环境温度为5℃时，智能化霜技术的COP与普通化霜技术相比提升26.8%，当环境温度为7℃时，智能化霜技术的COP与普通化霜技术相比提升20.0%。
综合以上实验数据，经过优化化霜控制逻辑，改善化霜方法可以提高热泵设备能效20%以上，平均能效提高22%。
2.4 经济性分析
综合以上实验数据，经过优化化霜控制逻辑，改善化霜方法可以提高热泵设备能效20%以上，平均能效提高22%。以华北地区石家庄某小区20万m2的住宅建筑面积为例，按照一级节能建筑热负荷为35 W/m2，石家庄供暖季天数为120天，石家庄供热享受峰谷电政策，平均电价为0.4元/kW·h，按照传统的空气源热泵除霜控制逻辑，该小区整个供暖季消耗的电量为448万度，电费为179.2万元，见表2。通过改善控制逻辑可节约20%，大约89.6万度电，折合电费为35.84万元。
3 结论
空气源热泵机组的结霜过程主要和翅片温度、环境温度以及湿度有关，该文通过“环境温度-除霜周期-翅片温度”化霜方法，准确判断除霜进入点，并将检测的翅片分液管路不同区域的温度数值进行算术运算，自动判断机组是否化霜干净，并进行化霜周期的智能调整。新型智能化霜控制技术，除霜进入和退出及时，除霜干净。该技术的应用，提高了翅片换热器换热效果以及机组能效比，及时化霜减轻了压缩机的负载，提高了压缩机使用寿命。
参考文献
[1]韩志涛，姚杨，马最良，等.空气源热泵误除霜特性的实验研究[J].暖通空调，2006，36（2） ： 15-19.
[2]江乐新，张学文，楼静，等.空气源热泵热水机组模糊除霜控制器的研[J].制冷与空调，2008，8（2） ：37 -43.
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