空氣源熱泵最佳除霜控制點研究——最佳除霜控制策略的開發與應用
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：為實現空氣源熱泵機組準確高效控霜，保證機組結除霜過程中制熱性能最高，本文針對北京地區空氣源熱泵現場測試系統，開發了基于最佳除霜控制點的除霜策略（OPT），通過現場測試，驗證了OPT除霜策略的準確性，并分析相比于常規“溫度–時間”（TT）除霜控制方法的優越性。研究結果顯示，在連續工況測試中，采用OPT除霜控制策略使得機組名義制熱量損失系最低保持24.8%~38.4%、機組結除霜過程中制熱性能最高；相比于常規TT除霜策略，可有效避免“誤除霜”事故，降低機組性能損失11.3%，提高平均能效比27.8%，保障了機組安全、高效運行，是一種可靠的除霜控制方法。本文研究可為空氣源熱泵機組在不同地域中的應用提供重要技術保障。
關鍵詞：空氣源熱泵 最佳除霜策略 名義制熱量損失系數 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
前期研究得到了空氣源熱泵（Air Source Heat Pump, 以下簡稱ASHP）的最佳除霜控制點的計算模型，該模型能夠確定ASHP機組實際運行工況下的最佳除霜時間以及最小制熱量損失系數。如何依據最佳除霜控制點的計算模型開發最佳除霜控制方法，并應用于ASHP機組的實際控霜中是保證機組準確除霜、高效運行的關鍵問題。
目前，種類繁多的除霜控制方法已日趨智能化、綜合化，主要分為“直接測量”和“間接測量”兩大類除霜方法。例如，新型基于“溫度-濕度-時間”（THT）和基于“光-電轉換”（TEPS）除霜控制方法[1,2]不僅可以感知室外換熱器表面霜層的存在，并且能夠實時監測霜層的生長情況，當機組性能衰減到一定程度時，機組啟動除霜，有效避免了“誤除霜”事故[3-6]，實現了機組穩定高效控霜。然而，當機組性能衰減到何種程度時啟動除霜，國內外學者一般依據經驗而定，未考慮機組結霜過程和除霜過程中的綜合熱量損失情況。
因此，為了保證機組在結除霜過程中的綜合制熱性能最高，實現高效準確控霜，本文以北京地區某辦公樓的ASHP系統為測試對象，基于課題組前期開發的“最佳除霜控制點計算模型”，進行新型除霜控制策略（OPT）的開發，通過現場實測，驗證OPT除霜控制策略的準確性，并揭示其相比于常規“溫度-時間”（TT）除霜控制方法的優勢。
1 除霜控制策略開發
本文所提出基于最佳除霜控制點的除霜控制策略是一種依靠室外環境溫度、相對濕度、盤管溫度以及壓縮機運行時間來實現除霜的控制方法。以課題組前期開發的最佳除霜時間模型為基礎，依據“實時計算”、“累加平均”、“閾值保護”三種原則，建立如圖1所示的除霜控制邏輯。
圖1 OPT除霜控制邏輯圖
1.1 實時計算
本文所提出的OPT除霜控制方法針對于分區域結霜譜圖中的結霜區域[7]，環境溫度Ta和相對濕度RH應滿足下列關系式：
式中，k1，k2，k3為3個常系數。
基于所開發的最佳除霜時間模型，根據數據系統實時采集的Ta和RH，實時計算最佳除霜時間tdf0、tdf1…tdfi。例如，ASHP機組結束除霜后并恢復制熱，盤管溫度Tw低于3ºC時，機組計時器ttot開始計時，此時的時刻記作初始時刻t0，此時采集到的溫、濕度數據為Ta0和RH0，代入topt模型得到最佳除霜時間tdf0。由于本研究中空氣源熱泵系統中的運行數據以每6s的頻率進行采集，那么下一個最佳除霜時間計算時刻應為t0+6s，記作t1，最佳除霜時間為tdf1。以此類推，可以根據topt模型得到最佳除霜時間tdfi。
1.2 累加平均
得到實時的最佳除霜時間后，便可通過計算得到機組最終的除霜設定時間，計算公式如下：
式中，tset為除霜設定時間（min）；tdfi為實時計算的最佳除霜時間（min）。
當機組計時器ttot不低于除霜設定時間tset時，機組啟動除霜，制冷劑反向運行，盤管溫度Tw不斷升高，直到不低于20ºC時，機組終止除霜并進入制熱模式。
1.3 閾值保護
本文提出的OPT除霜控制策略中機組除霜判定條件主要取決于計時器ttot和除霜設定時間tset的大小。當結霜工況穩定時，ti時刻對應的環境溫度和濕度變化不大，topt模型預測的實時最佳除霜時間以及除霜設定值tset亦基本穩定，ttot不低于tset時，機組啟動除霜。然而當結霜工況不穩定時，如圖2所示，除霜設定值tset也將發生變化，當環境濕度升高而引起結霜速率v增大時，除霜設定時間tset將會減小，ttot不低于tset時，機組啟動除霜；而當結霜速率v減小時，除霜設定時間tset將會增大，若v持續減小，將會使得tset持續高于ttot，機組將不能及時除霜，極易導致“有霜不除”的“誤除霜”現象，嚴重影響機組運行性能，嚴重時會給機組壓縮機造成損壞，因此為避免此種現象出現，保障壓縮機安全運行，本文在OPT除霜控制策略中設定壓縮機排氣溫度的“閾值保護”環節，其控制邏輯為：tset持續高于ttot且排氣溫度tdis≥120ºC時，機組啟動除霜。
圖2 環境工況對除霜設定時間影響
2 現場測試案例
2.1 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臺商用的空氣源熱泵機組。機組額定供熱能力為14kW，額定功率為4.45kW，制冷劑為R22。測試系統如圖3所示。
圖3 現場測試系統原理圖
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，運行數據由上位機的數據采集系統實時記錄。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，室外換熱器盤管及翅片上，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4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。
2.2 測試工況
（1）OPT連續工況驗證
為驗證OPT除霜控制策略的準確性和可靠性，本研究在北京地區進行了長達6個小時的現場測試。測試期間環境工況變化情況如圖4所示，由圖可知，在前3小時的測試中，環境工況比較穩定，相對濕度變化范圍68.6%~84.6%，平均值為80.5%；環境溫度變化范圍2.1~6.3ºC，平均值為3.3ºC。
圖4 環境溫度和相對濕度
（2）對比測試工況
常規TT除霜策略與OPT除霜策略的測試工況如圖5所示。由圖可知，兩種測試工況均為近似穩定工況，常規TT除霜策略的測試工況下的環境溫度3.3ºC~3.8ºC，平均值為3.4ºC；相對濕度變化范圍81.8%~84.4%，平均值為82.8%。OPT除霜策略的測試工況下的環境溫度2.7ºC~3.2ºC，平均值為3.1ºC；相對濕度變化范圍81.6%~85.7%，平均值為84.2%。
圖5 兩種除霜策略的測試工況
3 實驗結果與分析
3.1 新型除霜策略驗證結果分析
基于OPT除霜控制策略，連續測試工況中機組除霜設定時間如圖6所示。由圖可知，前7個結除霜過程處于比較穩定的環境工況，基本維持在25min左右；而隨著環境工況的變化，結霜速率逐漸減小，總體呈現不斷增加的趨勢。
圖6 最佳除霜時間預測
測試期間機組運行性能如圖7所示。由圖可知，隨著結霜的進行，空氣側風壓差增加了3.3Pa~7.7Pa，風壓差可以間接反映室外換熱器表面結霜程度，由風壓差變化規律可知，隨著環境工況的變化，機組結霜程度逐漸降低。壓縮機排氣溫度增高29~39ºC，吸氣溫度降低10~14ºC，在前11個結霜過程中，排氣溫度始終未超過120ºC，在最后一次結除霜過程中，由于環境工況變化較快，機組持續運行導致排氣溫度不斷升高，OPT除霜控制策略及時啟動了“閾值保護”，使得機組啟動除霜，保證了機組安全運行。機組供熱期間，供水溫度基本穩定在39.2ºC左右，平均供回水溫差為2.4ºC。在測試后期，由于環境溫度提高，機組制熱性能提高，房間負荷降低，使得水溫不斷提高。
圖7 機組運行性能
測試期間機組供熱性能如圖8所示。由圖可知，機組在運行期間，制熱量衰減了32~44%，COP衰減32~43%，采用OPT除霜控制策略使得機組供熱性能衰減程度屬于比較合理的范圍，有效避免了“誤除霜”事故，保證了機組安全高效運行。
圖8 機組供熱性能
測試期間機組室外換熱器表面結霜情況如圖9所示。由圖可知，機組在運行期間，換熱器表面霜層覆蓋程度非常接近，由于測試期間伴有小雨天氣，導致化霜水的采集過程存在誤差，但仍可以定性反映出機組結霜程度。測試后期由于環境溫度提高、相對濕度降低，機組結霜程度相對減弱。以上現象可以說明OPT除霜控制策略可以實現比較穩定除霜控制。
圖9 室外換熱器表面結霜情況
機組實際名義制熱量損失系數與前期開發的ASHP機組最佳制熱性能模型預測情況如圖10所示。由圖可知，采用OPT除霜控制策略，機組實際名義制熱量損失系數變化范圍為24.8%~38.4%，與模型預測差值范圍是0.7%~4.1%，平均相對誤差為6.2%。
圖10 名義制熱量損失系數與模型預測對比
3.2 與常規TT除霜策略對比結果分析
常規TT除霜策略中采用45min作為除霜控制點，OPT除霜策略則根據本身除霜控制邏輯，實時調整機組結霜運行時間，實測中的除霜控制點變化范圍是25~28min。在長達5小時的測試過程中，采用常規TT除霜策略的機組共發生了6次結除霜過程，而采用OPT除霜策略的機組共計發生了10次結除霜過程。
兩種除霜策略的機組表面結霜情況如圖11所示。兩種除霜策略的除霜控制點不同，導致機組室外側換熱器表面的結霜程度有所不同。由圖可知，常規TT除霜策略的機組室外側換熱器表面幾乎長滿霜層，6次結除霜過程的化霜水質量0.96~1.23kg，最高達到1.23kg；OPT除霜策略的機組室外側換熱器表面霜層覆蓋率大概為70%左右，每次的結霜程度比較一致，化霜水質量為0.51~0.57kg，平均值為0.54kg。由此可以看出，TT除霜策略導致機組結霜比較嚴重，而OPT除霜策略在機組的霜層生長到一定程度時，便啟動除霜。
圖11 兩種除霜策略下機組結霜情況
兩種除霜策略下機組的運行表現情況如圖12所示。由圖可知，不同的除霜控制點使得機組壓縮機運行表現、制熱量以及COP表現存在很大差異。首先來看機組壓縮機表現情況，常規TT除霜策略使得壓縮機排氣溫度持續增高，每個結除霜過程中排氣溫度均超過危險閾值120ºC，最高達到133ºC，壓縮機吸氣溫度不斷降低，最低降低至-23ºC。而機組排氣溫度過高，長期運行會減少壓縮機壽命，嚴重時會損壞壓縮機。采用OPT除霜策略的機組在測試期間，壓縮機的排氣溫度最高達到117ºC，始終低于危險閾值120ºC，壓縮機吸氣溫度最低為-14ºC。由此可見，OPT除霜策略可以使得機組及時除霜，保障機組安全運行。
圖12 兩種除霜策略下機組運行表現
從機組制熱量和COP來看，常規TT除霜策略使得機組制熱量不斷降低，結霜運行期間機組平均制熱量8.26kW，除霜前制熱量衰減率最高達到60%，結霜運行期間COP平均值為1.83，結霜前COP衰減率最高達到58%，機組運行性能劣化嚴重，供熱性能以及運行效率水平較低。采用OPT除霜策略的機組在測試期間，結霜運行期間機組平均制熱量11.3kW，結霜前制熱量衰減率最高為40%，結霜運行期間COP平均值為2.48，COP衰減率最高為36%。由此可見，OPT除霜策略可以保證機組避免“有霜不除”的“誤除霜”事故，保證機組高效運行。
兩種除霜策略的性能評價情況如圖13所示。由圖可知，常規TT除霜策略使得機組結除霜控制過程的名義制熱量損失系數高達48.5%~53.0%，平均能效比僅為1.56~1.62，而采用OPT除霜控制策略使得機組結除霜控制過程的名義制熱量損失系數為34.7%~39.5%，平均能效比為1.92~2.04。相比于常規TT除霜策略，OPT除霜策略降低ASHP機組平均性能損失11.3%，提高平均能效比27.8%。
（a） （b）
圖13 兩種除霜策略的性能評價
綜上所述，相比于常規TT除霜策略，OPT除霜策略雖然使得機組在同一段時間內的除霜次數增多，但可以保障壓縮機安全運行，有效降低機組性能損失，大幅提高機組運行效率，是一種保障機組高效除霜、安全運行的可靠除霜方法。
4 結論
本文基于最佳除霜控制點，開發了最佳除霜控制策略（OPT），通過ASHP機組現場測試系統，驗證了OPT除霜控制策略的準確性和可靠性，并與常規TT除霜控制策略進行了實驗對比分析。具體結論如下：
（1）針對分區域結霜圖譜中的結霜區域，依據最佳除霜控制點計算公式，遵循“實時計算”、“累加平均”和“閾值保護”三個原則，開發了基于最佳除霜控制點的除霜控制策略。
（2）在現場測試中，采用OPT除霜控制策略，機組除霜設定時間根據環境工況實時調整，使得名義制熱量損失系最低保持24.8%~38.4%；相比于常規TT除霜策略，有效降低性能損失11.3%，提高平均能效比27.8%，保障了機組安全高效運行，可為ASHP在不同地域中的應用提供重要技術保障。
（3）前期研究中的機組最小性能損失模型，可對常見“誤除霜”事故進行定義和分級；同時可以衡量ASHP在實際運行工況下相對于名義工況的制熱性能損失程度，為機組設計選型工作中機組容量的確定提供參考價值。
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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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