风源热泵模糊自修正除霜技术应用研究

王铁军 刘向农 吴昊 倪宜华 高日新

摘要：在对热泵运行时结霜和除霜过程进行深入研究的基础上,提出了能适应环境温湿度变化的“变温差”模糊自修正除霜技术。该技术具有在线辩识和修正控制参数的功能,可根据热泵运行时蒸发温度与室外温度的差值和温差的变化率判断除霜的切入点,依据除霜时间和除霜结束时盘管的温度参数评估除霜质量,实时修正控制参数以获取最佳的制热效果。实验和应用研究表明:采用该技术的空调器在较宽的气候变化范围工作可靠,能适时把握除霜切入点和退出点,除霜干净。

关键词：热工学 热泵除霜 应用研究 模糊自修正 空调器

1　概述

风源热泵因其能量利用系数率高、环境保护,可实现全年空调的冷暖供应,安装使用方便等优点,在中国大部分地区表现出明显的优势和相当的普及。快速发展的态势和高性能的强烈需求引起业内人士广泛关注。热泵的工作性能除了受压缩机效率、系统匹配和工况设置影响较大外,除霜过程控制是影响热泵性能的重要因素之一。

结霜对热泵性能的主要影响是:①堵塞肋片间通道,增加空气流动阻力;②增加换热器热阻,换热能力下降;③蒸发温度下降,能效比降低,热泵运行性能恶化[1～4]。

目前空调产品普遍采用的除霜控制方法是时间—温度控制法,该方法可根据不同地区的气象条件设定盘管最低温度控制值,但由于其设定温度为定值,不能适应环境温度高低和湿度的变化。在环境温度不低而相对湿度较大时或环境温度低而相对湿度较小时不能准确地判断除霜切入点,会产生除霜迟延导致除霜不净或多余的除霜运转;在室外环境温度接近设定值时,该控制方式会引起机器频繁除霜,导致供暖不足和能量浪费。在实验研究的基础上[5],提出了可适应环境温度和湿度宽幅变化的模糊自修正除霜控制技术。

2　模糊自修正除霜控制技术

2.1　模糊自修正除霜控制技术的提出模糊自修正除霜控制技术的提出主要基于以下三点。①、影响风源热泵风侧换热器表面结霜的主要外部因素是环境温度和相对湿度,具有非线性和时变性的特征,而模糊控制技术适合处理多维、非线性和时变性问题;②、风侧换热器管温的下降速度或管温与环境温度的差值变化与热泵的结霜程度相关,但难以获取定量的数学关联表达式;③、控制参数模糊自修正对环境变化和不同机型及机器的自身差异有更好的适应性。

2.2　除霜控制的参数设定和除霜判定

除霜控制参数设置:根据行业或厂家有关标准设定最小热泵工作时间Trmin、最大除霜运行时间Tcmax,盘管温度与大气温度的最大差值t、结束除霜盘管温度tco。

除霜判定:热泵连续运行时间大于Trmin而且盘管温度与室外温度差等于t时,开始除霜;除霜运行时间等于Tcmax或盘管温度大于tco时结束除霜。

2.3　盘管温度传感器安装位置

温度传感器安装在风侧换热器的总管处。其优点是既能避免各支路的不平衡,较好地反映蒸发器入口温度;又能准确表达热气除霜的出流总温度,利于准确判断除霜退出。

2.4　关于温差t的性质、设定与修正

温差的性质:室外温度与盘管温度的差值近似等于制冷机的低温热源平均传热温差,其对制冷机性能系数的影响是差值越大,性能系数越小。温差与其换热器的结霜厚度有关,结霜越厚,温差越大,温差的上升速率越大;当管温低于0℃时温差主要受环境湿度影响,湿度大、结霜快,温差上升快;在环境温度较高时温差主要受机器的内部参数影响。

温差的设定理论上应使热泵综合性能系数最佳,温差小,COP大,但除霜频繁。最佳的温差设定值与制冷系统结构、匹配参数和运行环境有关,是一个变量。对于控制系统t的初设没有特别的要求,根据经验即可,在运行中可根据除霜结果自动修正。

虽然很多学者[6～8]在结霜过程特性、除霜判断及控制等方面做了大量卓有成效的研究工作,但结霜过程的时变性和非线性特征明显,在数学模型的表达方面仍有诸多困难。以除霜总时间和除霜结束时管温两个参数作为评价除霜结果优劣的依据,应用模糊数学工具修正温差设定值t。其修正规则:如未达到最大除霜时间Tcmax,其时间差的大、中、小,表明霜层厚度的小、较小、和中;如达到最大除霜时间Tcmax,其设定结束除霜盘管温度tco与实际盘管温度差的大、中、小,表明霜层厚度的大、较大、和中,应用模糊算法修正温差设定值t。

3　模糊自修正除霜控制技术的实验与应用

3.1　模糊自修正除霜控制实验设计

实验装备:焓差法实验室。

实验对象及内容:在不同的环境条件下对KFR-35GW实验机进行除霜性能及对比实验。1号机采用温度-时间法,2号机采用变温差法。对KFR-50LW空调器做采用变温差法除霜性能实验。实验环境:室内温度22±1℃,室外干球温度变化范围2～-6℃,相对湿度ψ>80%。室外环境分别取:恒温工况、喷淋工况和变工况。

实验方法:在实验中,观察热泵工况的结霜和除霜过程,分别记录制热运行时间,除霜总时间(指制热停止到制热从新开始所用时间),除霜效果及退出情况。

主要控制参数:除霜温度控制值-8℃(初设,在运行中自动修正),热泵最小工作时间45分钟,退出除霜温度控制值8℃,最大除霜总时间为9分钟。

3.2　实验结果及其分析

KFR-35GW空调器实验结果如表1和照片12、3、4。KFR-50LW空调器在规定实验环境的除霜性能实验的结论是工作可靠、除霜干净、退出及时通过在不同环境条件下的实验证明,变温差模糊自修正除霜技术对环境、机型有广泛的适应性和良好的工作性能。