空氣源熱泵最佳除霜控制點研究——最佳除霜控制點的存在性實測驗證
吳 旭，王 偉，孫育英，白曉夏，梁士民，崔一鳴
（北京工業大學建筑工程學院綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室，北京 100022）
摘 要：為驗證空氣源熱泵最佳除霜控制點的存在性，本文針對北京地區4種不同結霜工況，分別采用5種不同除霜控制點（20min~60min）對機組進行實測研究。實測研究在環境溫度-2.1~5.6ºC、平均1.8ºC，相對濕度48~88%、平均68%，回水溫度設定值40ºC的運行工況下進行。結果表明，在同一結霜工況下，機組存在最佳除霜控制點，在不同結霜工況下，機組的最佳除霜控制點會發生變化；采用最佳除霜控制點時，名義制熱量損失系數為24%~36%，名義有效供熱系數可達0.69~0.78，平均能效比保持在2.06~2.30，機組運行性能顯著高于其他除霜控制周期。本文的研究可為進一步探尋最佳除霜控制點奠定基礎。
關鍵詞：空氣源熱泵；最佳除霜控制點；名義制熱量損失系數；名義有效供熱系數；平均能效比
基金項目：國家自然科學基金優秀青年基金項目資助（51522801）“十三五”國家重點研發計劃課題資助（2016YFC0700403）。
0 引言
空氣源熱泵（Air Source Heat Pump, 以下簡稱ASHP）已被我國列為可再生能源技術范疇[1]，成為我國重要的建筑能源形式，廣泛應用于寒冷和夏熱冬冷（暖）地區[2,3]。目前，ASHP已成為京津冀地區“煤改電”中主要供暖方式[4]，更是解決長江流域和川西藏區供暖問題的重要技術保障[5,6]，在我國具有巨大的市場需求和應用潛力。然而ASHP機組在供暖季的實際運行中，不可避免的結霜問題使得制熱量衰減30~57%[7-8]，嚴重影響其實際運行性能。因此，為保證ASHP的在冬季高效運行，合理的除霜是關鍵。
目前，“溫度–時間”除霜控制方法應用較為廣泛[9]。該方法以盤管溫度低于設定值和計時器累計時長超過設定時間為除霜判定條件，而該方法在實際應用中始終采用固定的設定時間，即“除霜控制點”，使得機組除霜時機判斷不準確，以致ASHP機組頻繁發生“有霜不除”、“無霜除霜”等“誤除霜”事故[10-13]。前期研究表明，在北京地區采用“溫度–時間”除霜控制方法，在60天的測試期間，ASHP機組無霜除霜“誤除霜”事故高達1211次，占總除霜次數70%，有效供熱損失約139.3MJ/kW[12]；在南方高濕氣象條件下，機組在連續12小時的運行時段內，共發生14次有霜不除“誤除霜”事故，供熱效率僅為61.8%[14]。由此可見，ASHP機組“誤除霜”嚴重影響了機組運行性能和制熱量。
因此為實現ASHP機組準確除霜，有必要探索驗證不同結霜工況下的最佳除霜控制點。本文以北京地區某辦公樓的ASHP供暖系統為測試對象，在4種結霜工況下分別采用20min、30min、40min、50min、60min除霜控制點進行除霜，系統分析不同除霜控制點對ASHP運行性能影響，進而驗證最佳除霜控制點的存在性。
1 現場測試
1.1 測試系統
現場測試在北京地區某辦公樓建筑進行，該建筑供熱面積為185m2，熱源為1臺商用的空氣/水熱泵機組。機組名義制熱量為14kW，額定功率為4.45kW，制冷劑為R22。
測試系統如圖1所示，該系統實現了比較完善的全自動監控，空氣源熱泵采用PLC控制，取代原廠控制器。系統根據回水溫度采用雙位控制方式控制機組啟停，回水溫度設置為40℃ ，差動范圍為 ± 1℃，在機組運行過程中，水側循環水泵一直保持開啟狀態。上位機的數據采集系統以每6秒為頻率進行數據采集并實時記錄。主要測試設備和參數如下：
（1）空氣側測試參數
溫濕度傳感器2個（測量精度：溫度±0.15ºC，濕度±3.5%），安裝于機組室外換熱器兩側，分別監測室外環境溫度、相對濕度以及空氣經過蒸發器后的溫度、相對濕度變化情況；壓力傳感器1個（測試精度：±3Pa），兩個傳感器探頭分別位于機組室外換熱器兩側，監測空氣進出口壓差變化情況。
（2）水側測試參數
PT1000溫度傳感器2個（測量精度：±0.15ºC），安裝于機組的回水管與供水管上，用于監測系統的供、回水溫度。電磁流量傳感器1個（測量精度：±0.5%），安裝在機組的回水管道上，用于監測系統的循環水流量。
（3）制冷劑側測試參數
PT1000溫度傳感器12個（測量精度：±0.15ºC），安裝于壓縮機吸、排氣管路，熱力膨脹閥進、出管路，室外換熱器中部分液管及翅片上，用于監測壓縮機吸排氣溫度、熱力膨脹閥進出口溫度、盤管溫度、翅片溫度變化情況。壓力傳感器2個（測量精度：±4%），安裝于壓縮機吸、排氣管路，用于監測壓縮機吸、排氣壓力的變化情況。
（4）其它測試參數
數碼攝像機1臺（像素：14Megapixels），記錄室外換熱器表面的霜層動態生長情況。電子秤1臺（測量精度：±0.1g），測量化霜水的質量。功率傳感器1臺（測量精度：±0.5%），監測ASHP機組壓縮機輸入功率和風扇輸入功率。
圖1 現場測試系統原理圖
1.2 測試工況
本文測試工作在2015~2016年北京市供暖季期間進行。結合前期開發的分區域結霜圖譜[15-16]，本文所選結霜工況C1~C4分別屬于重霜區、一般結霜區I、一般結霜區II以及輕霜區。在長期的現場測試中，每個結霜工況下的結除霜實驗都是在溫濕度相對穩定的條件下進行，環境溫度最大波動范圍±1.0ºC、相對濕度最大波動范圍±4.4%，具體如表1所示。
圖2 測試工況在結霜圖譜中的分布
表1 測試工況詳細信息
1.3 除霜策略
ASHP機組通常采用的是“溫度–時間”除霜控制方法。即當盤管溫度低于3ºC時，機組開始進行除霜計時；當累計時間超過設定的除霜控制點（1h或45min），并且盤管溫度低于-3ºC時，機組進行除霜。除霜過程中，當盤管溫度不低于20ºC時，機組停止除霜并恢復制熱。
本測試中機組采用的除霜控制策略在“溫度-時間”除霜控制方法的基礎上，改變除霜控制點。如圖3所示，隨著機組結霜程度的增加，瞬時制熱量開始不斷衰減，達到時刻時開始除霜，經過一段時間后，結束除霜并開始制熱，當達到時刻，制熱量恢復至無霜過程瞬時制熱量的水平，由于制熱恢復時間相對較短，所以將制熱恢復過程歸入整個除霜過程中。不同的除霜控制策略為CX.1~CX.5，各除霜策略對應的除霜控制點分別為20min、30min、40min、50min和60min，例如，C1.1代表C1工況下除霜控制點采用20min的控制策略。每種除霜控制點分別在近似穩定工況下進行三次結除霜循環實驗，機組結除霜過程性能參數分別取平均值。
圖3 結除霜過程及除霜策略示意圖
1.4 評價指標
（1）名義制熱量損失系數
為評價ASHP機組在結除霜工況下的供熱特性，通常采用“結除霜損失系數”作為評價指標，如公式（1）所示?？梢?，結除霜損失系數是結除霜過程瞬時供熱量與相同工況無霜過程中瞬時制熱量的比值，該參數可適時評價ASHP機組由于結除霜過程所引起的性能損失。但是，該參數無法有效衡量結除霜過程引起ASHP機組相對于名義工況的性能損失，實際應用中正是由于存在這樣的問題，導致空氣源熱泵機組設計選型時也缺乏必要的參考依據，選型過程盲目擴大機組容量，造成配置不當的問題。
式（1）中：ε為結除霜損失系數；
hc1為機組無霜過程中瞬時制熱量（kW）；hc2為結除霜過程中機組瞬時制熱量（kW）；tn為除霜結束時刻（s）。
因此，為正確認識機組在實際工況下的運行性能，指導空氣源熱泵的設計選型，掌握機組運行性能相對于名義工況的損失，本文提出“名義制熱量損失系數”這一新概念，該參數綜合衡量了ASHP機組因結除霜過程引起的相對于名義制熱量的總損失，具體表述參見公式（2~7）。
如圖3所示，結霜過程機組制熱量hc2不斷衰減，存在名義結霜損失QL1；而在除霜過程中，制冷劑反向運行，hc2嚴重衰減甚至為負值，機組從室內取熱，存在名義除霜損失QL2。隨著除霜控制點延遲，衰減程度逐漸增加hc2，使得QL1不斷增加；而在單位時間內，由于結霜周期長，結除霜循環次數減少，而除霜次數也相應減少，使得QL2降低。因此，理論上存在一個最佳的除霜控制點，使單位時間內結除霜過程的（QL1+QL2）最小。以上供熱性能指標表達方式如下：
式（2~3）中：QL1和QL2 分別名義結霜損失和名義除霜損失（kJ）；hc為機組名義制熱（kW）；hc2為結除霜過程中機組瞬時制熱量（kW）；ti和tn分別為除霜開始和結束時刻（s）；tk和tn分別為除霜過程中從室內取熱開始和結束時刻（s）。
將上述指標進行歸一化處理，得到單位時間、單位名義制熱量對應值，具體如下：
式（5~7）中：εL1和εL2分別為名義結霜損失系數和名義除霜損失系數（%）；εNL為名義制熱量損失系數（%）；tn為除霜結束時刻（s）。
（2）其他運行性能指標
為分析結除霜過程中ASHP機組運行性能表現，本課題主要選取以下性能參數：空氣側風壓差ΔP、壓縮機吸氣溫度Tsuc、壓縮機排氣溫度Tdis、機組制熱量hc2、機組功率Wcom、COP、化霜水質量Mdfw以及結霜速率vdfw。其中vdfw表達式如：
式（8）中：vdfw為結霜速率（g/min）；Mdfw為化霜水質量（g）；tf為結霜時間（s）。由于化霜水的收集有一定誤差，導致化霜水質量和結霜速率在數值上會在一定程度上偏離實際，但仍可用于定性展示各工況結霜程度的不同。
結除霜過程中機組供給室內的有效供熱量Qs表達式如下：
式（9）中：Qs為結除霜過程中有效供熱量（kJ）；qhc2為結除霜過程中機組瞬時制熱量（kW）；tk和th分別為除霜過程中從室內取熱開始和結束時刻（s）；tn為除霜結束時刻（s）。
結除霜過程中機組名義有效制熱系數qs表達式如下：
式（10）中：qs為名義有效制熱系數（%）；Qs為結除霜過程中有效供熱量（kJ）；qhc2為結除霜過程中機組瞬時制熱量（kW）；tn為除霜結束時刻（s）。
機組結除霜過程中COPm表達式如下：
式（11）中：COPm為機組結除霜過程中平均能效比；Wcom為機組功率（kW）；hc2為機組瞬時制熱量（kW）；tn為除霜結束時刻（s）。
2 實驗結果與分析
2.1 不同除霜控制點對機組性能影響
不同除霜控制點下機組結霜情況如表2所示。由表可知，機組在同一工況下，采用20~60min不同的除霜控制點，室外換熱器表面結霜程度不同；相同工況下的結霜速率比較相近，而不同工況下的結霜速率差異明顯，結霜工況越重，結霜速率越大，且除霜控制點對結霜程度影響越顯著，如機組在重霜區（C1工況）運行時，霜層覆蓋面積逐漸增大直至全覆蓋，化霜水質量為524~1752g，相差高達1228g；隨著結霜速率變小，除霜控制點對機組結霜程度影響逐漸下降，如機組在輕霜區（C4工況）運行時，霜層覆蓋面積變化較小，化霜水質量為52~147g，相差僅為95g。
表2 換熱器表面結霜圖像及化霜水質量
采用不同除霜控制點的機組運行性能參數變化規律如圖4所示。由圖可知，在除霜控制點20min至60min下，機組運行性能劣化程度不同。除霜控制點過早時，機組性能劣化程度低，尤其在結霜速率較小的情況下，機組結霜量少，屬于“無霜除霜”的誤除霜事故，將會導致機組頻繁除霜、運行能耗增加；而除霜控制點過晚，如在一般結霜區I（C2工況）采用60min除霜控制點，空氣側風壓差上升到95%、吸氣溫度低至-20ºC、排氣溫度高達135ºC、機組制熱量衰減55%、COP衰減47%，機組性能劣化嚴重，并且排氣溫度過高將會縮短壓縮機壽命，屬于“有霜不除”的誤除霜事故，若將除霜控制點減小到30min，可以保證機組正常運行，并且運行性能可相對提高22~33%。由此可見，除霜控制點過早或過晚均有可能導致機組不合理除霜，而為保證機組正常運行，應尋求合理的除霜控制點。
圖4 測試工況下機組運行性能變化規律
不同結霜工況下機組運行性能劣化或衰減程度不同，隨著結霜速率減小，相同除霜控制點下機組運行性能劣化或衰減程度逐漸降低。如采用30min除霜控制點在重霜區（C1工況）運行時，制熱量衰減44%、排氣溫度達到121ºC，屬于“有霜不除”事故；采用30min除霜控制點在輕霜區（C4工況）運行時，制熱量僅衰減18%、排氣溫度為106ºC，機組運行性能劣化程度較低。因此，為保證機組正常運行，結霜速率增大時，應采取較早的除霜控制點及時進行除霜；而結霜速率減小時，應采用較晚的除霜控制點，避免頻繁除霜。
在不同結霜工況下，采用不同除霜控制點控霜的單次結除霜過程所用時間如表3所示。由表可知，單次結除霜實驗中，結霜過程時間與除霜控制點基本一致。在同一工況下，除霜控制點越長，機組結霜程度越嚴重，除霜過程所需時間越長。在不同工況下，當采用相同除霜控制點控霜時，隨著結霜速率的減小，除霜過程所需時間越短。
表3 不同除霜控制點下單次結除霜過程時間統計情況
2.2 最佳除霜控制點存在性驗證分析
不同除霜控制點下機組供熱量損失情況如圖5所示。
圖5 不同除霜控制點下制熱量損失情況
由圖5可知，名義結霜損失和名義除霜損失隨著除霜控制點變化呈現完全相反的變化規律，而名義結除霜損失在不同工況下存在最低值。圖5（a）和圖5（b）表明，（1）在同一工況下，除霜控制點越長，機組制熱量衰減程度越高，結霜過程產生的供熱量損失越大，名義結霜損失系數高達16~38%；（2）隨著結霜速率變小，機組制熱量衰減緩慢，相同除霜控制點對應的名義結霜損失逐漸降低；（3）在同一工況下，機組除霜控制點越早，單位時間內結除霜循環次數相應增多，造成除霜過程供熱量損失不斷增高，名義除霜損失系數高達21~25%。
機組名義結除霜損失情況如圖5（c）所示。由圖可知，在工況C1~C4中，分別存在著不同的最佳除霜控制點使得名義結除霜總損失值最小，重霜區、一般結霜區I、一般結霜區II、輕霜區對應的最佳除霜控制點分別為20min、30min、40min、50min。各工況在最佳除霜控制點下除霜，名義制熱量損失系數分別為36%、35%、31%、24%，且可以看出隨著結霜速率減小，由于機組制熱量衰減緩慢、結霜量降低等因素導致結霜損失和除霜損失降低，從而導致名義結除霜損失依次降低；若各工況未在最佳除霜控制點下除霜，例如常規“溫度-時間”除霜控制方法采用60min除霜控制點，名義制熱量損失系數將分別高達44%、43%、35%和25%，另外可以看出兩種控制策略對應的名義制熱量損失系數在輕霜區內比較接近，說明常規除霜方法僅在輕霜工況表現良好，適用范圍較小。
機組名義有效供熱系數及平均能效比情況如圖6所示。由圖可知，兩者在不同周期下變化規律基本一致，而與名義制熱量損失系數變化規律恰好相反，說明機組在運行中，結除霜損失越小，機組有效供熱量相應就會越高，能效水平越高，同時三者對應的最佳除霜控制點表現一致。若機組在最佳除霜控制點下除霜，名義制熱量損失系數最低，名義有效供熱系數和平均能效比最高，工況C1~C4下名義有效供熱系數qs分別是0.72、0.69、0.78、0.77，平均能效比COPm分別是2.06、2.09、2.12、2.30。
圖6 不同除霜控制點下機組有效制熱量及能效情況
3 結論
本文針對北京地區典型氣象條件，基于傳統“溫度–時間”除霜控制方法（除霜計時溫度3ºC以下累計1h或45min，且盤管溫度低于-3ºC），在環境溫度-2.1~5.6ºC，平均1.8 ºC、相對濕度48~88%，平均68%、回水溫度設定值40ºC的運行工況下，對空氣源熱泵最佳除霜控制點的存在性進行了實測研究。具體結論如下：
（1）本文提出了“名義制熱量損失系數”的概念，該參數同時考慮環境溫度和結除霜過程對機組性能的影響，反映了實際工況下機組制熱量相對于名義工況的損失程度，為進一步探究最佳除霜控制點提供了理論基礎。
（2）同一結霜工況下，不同除霜控制點對機組性能有不同程度影響，而存在最佳除霜控制點，使名義制熱量損失系數最小。
（3）最佳除霜控制點隨著結霜工況的變化表現不同，本文研究顯示，重霜區、一般結霜區I、一般結霜區II、輕霜區依次為20min、30min、40min、50min。采取最佳除霜控制點，可以改善機組運行性能，機組名義制熱量損失系數為24%~36%，名義有效供熱系數可達0.69~0.78，平均能效比保持在2.06~2.30。
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注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年2月刊總第2期《2017全國熱泵學術年會論文集》中。
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