空气源热泵最佳除霜控制点研究——最佳除霜控制策略的开发与应用
吴 旭，王 伟， 孙育英，白晓夏，梁士民，崔一鸣
（北京工业大学建筑工程学院绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室，北京 100022 ）
摘 要：为实现空气源热泵机组准确高效控霜，保证机组结除霜过程中制热性能最高，本文针对北京地区空气源热泵现场测试系统，开发了基于最佳除霜控制点的除霜策略（OPT），通过现场测试，验证了OPT除霜策略的准确性，并分析相比于常规“温度–时间”（TT）除霜控制方法的优越性。研究结果显示，在连续工况测试中，采用OPT除霜控制策略使得机组名义制热量损失系最低保持24.8%~38.4%、机组结除霜过程中制热性能最高；相比于常规TT除霜策略，可有效避免“误除霜”事故，降低机组性能损失11.3%，提高平均能效比27.8%，保障了机组安全、高效运行，是一种可靠的除霜控制方法。本文研究可为空气源热泵机组在不同地域中的应用提供重要技术保障。
关键词：空气源热泵 最佳除霜策略 名义制热量损失系数 平均能效比
基金项目：国家自然科学基金优秀青年基金项目资助（51522801）“十三五”国家重点研发计划课题资助（2016YFC0700403）。
0 引言
前期研究得到了空气源热泵（Air Source Heat Pump, 以下简称ASHP）的最佳除霜控制点的计算模型，该模型能够确定ASHP机组实际运行工况下的最佳除霜时间以及最小制热量损失系数。如何依据最佳除霜控制点的计算模型开发最佳除霜控制方法，并应用于ASHP机组的实际控霜中是保证机组准确除霜、高效运行的关键问题。
目前，种类繁多的除霜控制方法已日趋智能化、综合化，主要分为“直接测量”和“间接测量”两大类除霜方法。例如，新型基于“温度-湿度-时间”（THT）和基于“光-电转换”（TEPS）除霜控制方法[1,2]不仅可以感知室外换热器表面霜层的存在，并且能够实时监测霜层的生长情况，当机组性能衰减到一定程度时，机组启动除霜，有效避免了“误除霜”事故[3-6]，实现了机组稳定高效控霜。然而，当机组性能衰减到何种程度时启动除霜，国内外学者一般依据经验而定，未考虑机组结霜过程和除霜过程中的综合热量损失情况。
因此，为了保证机组在结除霜过程中的综合制热性能最高，实现高效准确控霜，本文以北京地区某办公楼的ASHP系统为测试对象，基于课题组前期开发的“最佳除霜控制点计算模型”，进行新型除霜控制策略（OPT）的开发，通过现场实测，验证OPT除霜控制策略的准确性，并揭示其相比于常规“温度-时间”（TT）除霜控制方法的优势。
1 除霜控制策略开发
本文所提出基于最佳除霜控制点的除霜控制策略是一种依靠室外环境温度、相对湿度、盘管温度以及压缩机运行时间来实现除霜的控制方法。以课题组前期开发的最佳除霜时间模型为基础，依据“实时计算”、“累加平均”、“阈值保护”三种原则，建立如图1所示的除霜控制逻辑。
图1 OPT除霜控制逻辑图
1.1 实时计算
本文所提出的OPT除霜控制方法针对于分区域结霜谱图中的结霜区域[7]，环境温度Ta和相对湿度RH应满足下列关系式：
式中，k1，k2，k3为3个常系数。
基于所开发的最佳除霜时间模型，根据数据系统实时采集的Ta和RH，实时计算最佳除霜时间tdf0、tdf1…tdfi。例如，ASHP机组结束除霜后并恢复制热，盘管温度Tw低于3ºC时，机组计时器ttot开始计时，此时的时刻记作初始时刻t0，此时采集到的温、湿度数据为Ta0和RH0，代入topt模型得到最佳除霜时间tdf0。由于本研究中空气源热泵系统中的运行数据以每6s的频率进行采集，那么下一个最佳除霜时间计算时刻应为t0+6s，记作t1，最佳除霜时间为tdf1。以此类推，可以根据topt模型得到最佳除霜时间tdfi。
1.2 累加平均
得到实时的最佳除霜时间后，便可通过计算得到机组最终的除霜设定时间，计算公式如下：
式中，tset为除霜设定时间（min）；tdfi为实时计算的最佳除霜时间（min）。
当机组计时器ttot不低于除霜设定时间tset时，机组启动除霜，制冷剂反向运行，盘管温度Tw不断升高，直到不低于20ºC时，机组终止除霜并进入制热模式。
1.3 阈值保护
本文提出的OPT除霜控制策略中机组除霜判定条件主要取决于计时器ttot和除霜设定时间tset的大小。当结霜工况稳定时，ti时刻对应的环境温度和湿度变化不大，topt模型预测的实时最佳除霜时间以及除霜设定值tset亦基本稳定，ttot不低于tset时，机组启动除霜。然而当结霜工况不稳定时，如图2所示，除霜设定值tset也将发生变化，当环境湿度升高而引起结霜速率v增大时，除霜设定时间tset将会减小，ttot不低于tset时，机组启动除霜；而当结霜速率v减小时，除霜设定时间tset将会增大，若v持续减小，将会使得tset持续高于ttot，机组将不能及时除霜，极易导致“有霜不除”的“误除霜”现象，严重影响机组运行性能，严重时会给机组压缩机造成损坏，因此为避免此种现象出现，保障压缩机安全运行，本文在OPT除霜控制策略中设定压缩机排气温度的“阈值保护”环节，其控制逻辑为：tset持续高于ttot且排气温度tdis≥120ºC时，机组启动除霜。
图2 环境工况对除霜设定时间影响
2 现场测试案例
2.1 测试系统
现场测试在北京地区某办公楼建筑进行，该建筑供热面积为185m2，热源为1台商用的空气源热泵机组。机组额定供热能力为14kW，额定功率为4.45kW，制冷剂为R22。测试系统如图3所示。
图3 现场测试系统原理图
该系统实现了比较完善的全自动监控，空气源热泵采用PLC控制，取代原厂控制器，运行数据由上位机的数据采集系统实时记录。主要测试设备和参数如下：
（1）空气侧测试参数
温湿度传感器2个（测量精度：温度±0.15ºC，湿度±3.5%），安装于机组室外换热器两侧，分别监测室外环境温度、相对湿度以及空气经过蒸发器后的温度、相对湿度变化情况；压力传感器1个（测试精度：±3Pa），两个传感器探头分别位于机组室外换热器两侧，监测空气进出口压差变化情况。
（2）水侧测试参数
PT1000温度传感器2个（测量精度：±0.15ºC），安装于机组的回水管与供水管上，用于监测系统的供、回水温度。电磁流量传感器1个（测量精度：±0.5%），安装在机组的回水管道上，用于监测系统的循环水流量。
（3）制冷剂侧测试参数
PT1000温度传感器12个（测量精度：±0.15ºC），安装于压缩机吸、排气管路，热力膨胀阀进、出管路，室外换热器盘管及翅片上，用于监测压缩机吸排气温度、热力膨胀阀进出口温度、盘管温度、翅片温度变化情况。压力传感器4个（测量精度：±4%），安装于压缩机吸、排气管路，用于监测压缩机吸、排气压力的变化情况。
（4）其它测试参数
数码摄像机1台（像素：14Megapixels），记录室外换热器表面的霜层动态生长情况。电子秤1台（测量精度：±0.1g），测量化霜水的质量。功率传感器1台（测量精度：±0.5%），监测ASHP机组压缩机输入功率和风扇输入功率。
2.2 测试工况
（1）OPT连续工况验证
为验证OPT除霜控制策略的准确性和可靠性，本研究在北京地区进行了长达6个小时的现场测试。测试期间环境工况变化情况如图4所示，由图可知，在前3小时的测试中，环境工况比较稳定，相对湿度变化范围68.6%~84.6%，平均值为80.5%；环境温度变化范围2.1~6.3ºC，平均值为3.3ºC。
图4 环境温度和相对湿度
（2）对比测试工况
常规TT除霜策略与OPT除霜策略的测试工况如图5所示。由图可知，两种测试工况均为近似稳定工况，常规TT除霜策略的测试工况下的环境温度3.3ºC~3.8ºC，平均值为3.4ºC；相对湿度变化范围81.8%~84.4%，平均值为82.8%。OPT除霜策略的测试工况下的环境温度2.7ºC~3.2ºC，平均值为3.1ºC；相对湿度变化范围81.6%~85.7%，平均值为84.2%。
图5 两种除霜策略的测试工况
3 实验结果与分析
3.1 新型除霜策略验证结果分析
基于OPT除霜控制策略，连续测试工况中机组除霜设定时间如图6所示。由图可知，前7个结除霜过程处于比较稳定的环境工况，基本维持在25min左右；而随着环境工况的变化，结霜速率逐渐减小，总体呈现不断增加的趋势。
图6 最佳除霜时间预测
测试期间机组运行性能如图7所示。由图可知，随着结霜的进行，空气侧风压差增加了3.3Pa~7.7Pa，风压差可以间接反映室外换热器表面结霜程度，由风压差变化规律可知，随着环境工况的变化，机组结霜程度逐渐降低。压缩机排气温度增高29~39ºC，吸气温度降低10~14ºC，在前11个结霜过程中，排气温度始终未超过120ºC，在最后一次结除霜过程中，由于环境工况变化较快，机组持续运行导致排气温度不断升高，OPT除霜控制策略及时启动了“阈值保护”，使得机组启动除霜，保证了机组安全运行。机组供热期间，供水温度基本稳定在39.2ºC左右，平均供回水温差为2.4ºC。在测试后期，由于环境温度提高，机组制热性能提高，房间负荷降低，使得水温不断提高。
图7 机组运行性能
测试期间机组供热性能如图8所示。由图可知，机组在运行期间，制热量衰减了32~44%，COP衰减32~43%，采用OPT除霜控制策略使得机组供热性能衰减程度属于比较合理的范围，有效避免了“误除霜”事故，保证了机组安全高效运行。
图8 机组供热性能
测试期间机组室外换热器表面结霜情况如图9所示。由图可知，机组在运行期间，换热器表面霜层覆盖程度非常接近，由于测试期间伴有小雨天气，导致化霜水的采集过程存在误差，但仍可以定性反映出机组结霜程度。测试后期由于环境温度提高、相对湿度降低，机组结霜程度相对减弱。以上现象可以说明OPT除霜控制策略可以实现比较稳定除霜控制。
图9 室外换热器表面结霜情况
机组实际名义制热量损失系数与前期开发的ASHP机组最佳制热性能模型预测情况如图10所示。由图可知，采用OPT除霜控制策略，机组实际名义制热量损失系数变化范围为24.8%~38.4%，与模型预测差值范围是0.7%~4.1%，平均相对误差为6.2%。
图10 名义制热量损失系数与模型预测对比
3.2 与常规TT除霜策略对比结果分析
常规TT除霜策略中采用45min作为除霜控制点，OPT除霜策略则根据本身除霜控制逻辑，实时调整机组结霜运行时间，实测中的除霜控制点变化范围是25~28min。在长达5小时的测试过程中，采用常规TT除霜策略的机组共发生了6次结除霜过程，而采用OPT除霜策略的机组共计发生了10次结除霜过程。
两种除霜策略的机组表面结霜情况如图11所示。两种除霜策略的除霜控制点不同，导致机组室外侧换热器表面的结霜程度有所不同。由图可知，常规TT除霜策略的机组室外侧换热器表面几乎长满霜层，6次结除霜过程的化霜水质量0.96~1.23kg，最高达到1.23kg；OPT除霜策略的机组室外侧换热器表面霜层覆盖率大概为70%左右，每次的结霜程度比较一致，化霜水质量为0.51~0.57kg，平均值为0.54kg。由此可以看出，TT除霜策略导致机组结霜比较严重，而OPT除霜策略在机组的霜层生长到一定程度时，便启动除霜。
图11 两种除霜策略下机组结霜情况
两种除霜策略下机组的运行表现情况如图12所示。由图可知，不同的除霜控制点使得机组压缩机运行表现、制热量以及COP表现存在很大差异。首先来看机组压缩机表现情况，常规TT除霜策略使得压缩机排气温度持续增高，每个结除霜过程中排气温度均超过危险阈值120ºC，最高达到133ºC，压缩机吸气温度不断降低，最低降低至-23ºC。而机组排气温度过高，长期运行会减少压缩机寿命，严重时会损坏压缩机。采用OPT除霜策略的机组在测试期间，压缩机的排气温度最高达到117ºC，始终低于危险阈值120ºC，压缩机吸气温度最低为-14ºC。由此可见，OPT除霜策略可以使得机组及时除霜，保障机组安全运行。
图12 两种除霜策略下机组运行表现
从机组制热量和COP来看，常规TT除霜策略使得机组制热量不断降低，结霜运行期间机组平均制热量8.26kW，除霜前制热量衰减率最高达到60%，结霜运行期间COP平均值为1.83，结霜前COP衰减率最高达到58%，机组运行性能劣化严重，供热性能以及运行效率水平较低。采用OPT除霜策略的机组在测试期间，结霜运行期间机组平均制热量11.3kW，结霜前制热量衰减率最高为40%，结霜运行期间COP平均值为2.48，COP衰减率最高为36%。由此可见，OPT除霜策略可以保证机组避免“有霜不除”的“误除霜”事故，保证机组高效运行。
两种除霜策略的性能评价情况如图13所示。由图可知，常规TT除霜策略使得机组结除霜控制过程的名义制热量损失系数高达48.5%~53.0%，平均能效比仅为1.56~1.62，而采用OPT除霜控制策略使得机组结除霜控制过程的名义制热量损失系数为34.7%~39.5%，平均能效比为1.92~2.04。相比于常规TT除霜策略，OPT除霜策略降低ASHP机组平均性能损失11.3%，提高平均能效比27.8%。
（a） （b）
图13 两种除霜策略的性能评价
综上所述，相比于常规TT除霜策略，OPT除霜策略虽然使得机组在同一段时间内的除霜次数增多，但可以保障压缩机安全运行，有效降低机组性能损失，大幅提高机组运行效率，是一种保障机组高效除霜、安全运行的可靠除霜方法。
4 结论
本文基于最佳除霜控制点，开发了最佳除霜控制策略（OPT），通过ASHP机组现场测试系统，验证了OPT除霜控制策略的准确性和可靠性，并与常规TT除霜控制策略进行了实验对比分析。具体结论如下：
（1）针对分区域结霜图谱中的结霜区域，依据最佳除霜控制点计算公式，遵循“实时计算”、“累加平均”和“阈值保护”三个原则，开发了基于最佳除霜控制点的除霜控制策略。
（2）在现场测试中，采用OPT除霜控制策略，机组除霜设定时间根据环境工况实时调整，使得名义制热量损失系最低保持24.8%~38.4%；相比于常规TT除霜策略，有效降低性能损失11.3%，提高平均能效比27.8%，保障了机组安全高效运行，可为ASHP在不同地域中的应用提供重要技术保障。
（3）前期研究中的机组最小性能损失模型，可对常见“误除霜”事故进行定义和分级；同时可以衡量ASHP在实际运行工况下相对于名义工况的制热性能损失程度，为机组设计选型工作中机组容量的确定提供参考价值。
参考文献
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注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年2月刊总第2期《2017全国热泵学术年会论文集》中。
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