空氣源熱泵熱水機(jī)除霜控制性能評(píng)價(jià)研究*

魏文哲 張佳明 孫育英 王 偉,3△ 邸浩然 代傳民

(1.綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京;2.北京工業(yè)大學(xué),北京;3.北京石油化工學(xué)院,北京;4.青島海爾智能技術(shù)研發(fā)有限公司,青島)

0 引言

在清潔供暖、“雙碳”目標(biāo)牽引下,我國(guó)建筑供暖模式正逐步由傳統(tǒng)化石能源向電氣化轉(zhuǎn)型[1],以電力驅(qū)動(dòng)低品位可再生能源的空氣源熱泵供暖迎來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇?？諝庠礋岜脽崃侩m取自自然,但其性能也受制于自然,空氣源熱泵在不同地域制熱運(yùn)行時(shí)面臨不同程度的結(jié)霜問(wèn)題[2-3],導(dǎo)致機(jī)組實(shí)際運(yùn)行性能偏離技術(shù)預(yù)期,尤其是在長(zhǎng)江流域等低溫高濕地區(qū),頻繁結(jié)除霜嚴(yán)重制約了空氣源熱泵的供暖性能[4-5]。

結(jié)霜會(huì)使空氣源熱泵的性能系數(shù)(COP)降低35%～60%,供熱能力降低30%～57%[6-8],嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成機(jī)組停機(jī)保護(hù),甚至造成物理性損壞[9-12]。為緩解結(jié)霜對(duì)機(jī)組性能造成的影響,機(jī)組需具備良好的除霜控制性能,以保障持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行及高效供熱。然而,空氣源熱泵型式多樣(定/變頻;商/戶用;低/常溫等),不同機(jī)組結(jié)霜特性差異明顯,目前尚無(wú)可量化的除霜控制性能指標(biāo),導(dǎo)致廠家缺少除霜控制方法設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中機(jī)組的除霜控制性能表現(xiàn)差,“誤除霜”事故頻發(fā)。因此,亟需開(kāi)展有效量化空氣源熱泵除霜控制性能的通用性評(píng)價(jià)指標(biāo)及其范圍的研究工作。

為科學(xué)評(píng)價(jià)空氣源熱泵的除霜控制性能,本文基于空氣源熱泵壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等核心部件參數(shù)對(duì)其除霜控制性能進(jìn)行量化分析,對(duì)來(lái)自不同廠家的9臺(tái)不同本構(gòu)配置(characteristic index for the configuration and operation,CICO)的空氣源熱泵熱水機(jī)在焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)試,探究了空氣源熱泵熱水機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況(干球/濕球溫度2 ℃/1 ℃)和一般結(jié)霜工況(2 ℃/0 ℃)下最佳除霜控制點(diǎn)隨CICO的變化規(guī)律,并建立了以上2種結(jié)霜工況下的最佳除霜控制點(diǎn)預(yù)測(cè)模型,基于最佳除霜控制點(diǎn)預(yù)測(cè)模型和不同制熱能力衰減率下機(jī)組性能參數(shù)的變化,提出了空氣源熱泵除霜控制性能評(píng)價(jià)指標(biāo),研究結(jié)果可為空氣源熱泵除霜控制方法設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試機(jī)組與平臺(tái)

1.1 測(cè)試機(jī)組介紹

本文對(duì)9臺(tái)不同本構(gòu)配置的空氣源熱泵熱水機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,根據(jù)空氣源熱泵抑霜理論研究[13-14]可知,基于空氣源熱泵核心部件的本構(gòu)配置關(guān)系表達(dá)式為

(1)

式中nCICO為空氣源熱泵的CICO值(為量綱一參數(shù),其值越大時(shí)抑霜能力越強(qiáng));G為室外風(fēng)機(jī)風(fēng)量,m3/s;Fc為室外換熱器換熱面積,m2;vs為基準(zhǔn)迎面風(fēng)速,m/s;n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,r/s;V0為壓縮機(jī)行程容積,m3/r。

將9臺(tái)機(jī)組依次編號(hào)為A～I(xiàn),機(jī)組名義制熱能力范圍為8.32～100.00 kW,制冷劑均為R410A,其中5臺(tái)為定頻機(jī)組,4臺(tái)為變頻機(jī)組。對(duì)于變頻空氣源熱泵,在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,可通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和室外風(fēng)機(jī)頻率,使機(jī)組在不同CICO下運(yùn)行,從而在不同CICO下進(jìn)行除霜控制性能測(cè)試。被測(cè)機(jī)組詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 測(cè)試機(jī)組詳細(xì)技術(shù)參數(shù)

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試工作于多個(gè)熱泵廠家的標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)室(根據(jù)GB/T 32146—2015《檢驗(yàn)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與建設(shè)技術(shù)要求》相關(guān)要求建立)完成,根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要,分別于室外空氣側(cè)、制冷劑側(cè)、熱水側(cè)等布置了溫度、濕度和壓力傳感器及紅外攝像頭等。測(cè)試儀器的具體參數(shù)及布置位置如下。

1) 室外空氣側(cè):溫度傳感器2個(gè)(測(cè)試量程:-25～80 ℃),用于采集室外側(cè)空氣溫度,并對(duì)焓差實(shí)驗(yàn)室采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核;濕度傳感器2個(gè)(測(cè)試量程:0～100%,測(cè)量精度:±5%),采集室外側(cè)空氣相對(duì)濕度,并對(duì)焓差實(shí)驗(yàn)室采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核,以確保工況可靠無(wú)誤。

2) 制冷劑側(cè):安裝5個(gè)鉑電阻溫度傳感器(測(cè)試量程:-40～140 ℃,測(cè)量精度:±0.1 ℃),分別布置于壓縮機(jī)吸、排氣管路,分液器總管,集液器總管和室外盤(pán)管最下端支路進(jìn)口(結(jié)霜時(shí)),鉑電阻用鋁箔紙與保溫棉包裹,以減少外界環(huán)境干擾;壓力傳感器2個(gè)(測(cè)試量程:0～4.0 MPa,0～2.5 MPa,測(cè)量精度:±0.5%),布置于壓縮機(jī)吸氣口、排氣口,用于采集結(jié)除霜過(guò)程中壓縮機(jī)吸、排氣壓力。

3) 熱水側(cè):Pt1000熱電阻2個(gè)(測(cè)試量程:-40～140 ℃,測(cè)量精度:±0.1 ℃),嵌入總供回水管路內(nèi),用于監(jiān)測(cè)并記錄機(jī)組的供回水溫度;電磁流量計(jì)1臺(tái)(測(cè)試量程:0.1～9.5 m3/h,測(cè)量精度:±0.5%),布置于機(jī)組供水總管上,用于測(cè)量循環(huán)水流量。

4) 其他:紅外超清攝像頭1個(gè)(1 000萬(wàn)像素),用于監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中換熱器表面結(jié)霜情況;電子秤1臺(tái)(測(cè)試量程:0～50 kg,測(cè)量精度:±0.1 g),用于稱(chēng)取化霜水質(zhì)量。

2 最佳除霜控制點(diǎn)預(yù)測(cè)模型建立

2.1 最佳除霜控制點(diǎn)理論

空氣源熱泵一個(gè)完整的制熱融霜周期由結(jié)霜過(guò)程與除霜過(guò)程兩部分組成,如圖1所示。在結(jié)霜過(guò)程中,機(jī)組制熱能力逐漸下降,結(jié)霜過(guò)程帶來(lái)的制熱量損失記為ΔQL1。機(jī)組進(jìn)行除霜時(shí),從室內(nèi)水側(cè)吸收熱量,制熱能力迅速變?yōu)樨?fù)值,從而使室外換熱器表面霜層融化,除霜過(guò)程帶來(lái)的制熱量損失記為ΔQL2。當(dāng)機(jī)組一直處于無(wú)霜狀態(tài)運(yùn)行時(shí),總制熱量記為QNF。ΔQL1、ΔQL2和QNF的表達(dá)式分別如式(2)～(4)所示。

注:q為制熱能力,tf為結(jié)霜時(shí)間,tdc為除霜時(shí)間。圖1 結(jié)除霜過(guò)程示意圖

(2)

(3)

(4)

式(2)～(4)中t2為除霜開(kāi)始時(shí)刻;qhc1為無(wú)霜工況下的制熱能力,kW;qhc2為結(jié)霜工況下的制熱能力,kW;t為時(shí)間,s;tn為除霜結(jié)束時(shí)刻。

機(jī)組除霜過(guò)晚時(shí),結(jié)霜時(shí)間tf延長(zhǎng),ΔQL1增大,ΔQL2減小;機(jī)組除霜過(guò)早時(shí),除霜頻次增加,ΔQL2增大,ΔQL1減小。將兩者引起的制熱量損失占無(wú)霜運(yùn)行時(shí)總制熱量的比例稱(chēng)為結(jié)除霜損失系數(shù)ε(如式(5)所示),會(huì)存在某一時(shí)刻ε的值最小,該時(shí)刻稱(chēng)為空氣源熱泵的最佳除霜控制點(diǎn),對(duì)應(yīng)的最佳除霜時(shí)間記作Topt。

(5)

式中ε1為結(jié)霜損失系數(shù);ε2為除霜損失系數(shù)。

2.2 最佳除霜控制點(diǎn)預(yù)測(cè)模型研究

本研究選擇位于重霜區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況(2 ℃/1 ℃)與一般結(jié)霜區(qū)的一般結(jié)霜工況(2 ℃/0 ℃)展開(kāi)測(cè)試工作。為探究機(jī)組最佳除霜控制點(diǎn)隨CICO的變化規(guī)律,對(duì)機(jī)組A～I(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況下進(jìn)行了36組實(shí)驗(yàn)測(cè)試,CICO值的變化范圍為(3.2～22.6)×106;對(duì)機(jī)組A、B、G、H在一般結(jié)霜工況下進(jìn)行了10組實(shí)驗(yàn)測(cè)試,CICO值的變化范圍為(1.7～10.4)×106。基于測(cè)試數(shù)據(jù),通過(guò)式(2)～(5)分別計(jì)算得到上述2種工況下空氣源熱泵在不同CICO時(shí)的最佳除霜控制點(diǎn),如圖2所示。

圖2 不同結(jié)霜工況下最佳除霜控制點(diǎn)隨CICO的變化關(guān)系

圖2下方的數(shù)據(jù)點(diǎn)為機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況下的最佳除霜控制點(diǎn)分布,隨著CICO值由3.2×106增大至22.6×106,Topt由22 min增大至136 min,對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算擬合,得到如式(6)所示的最佳除霜控制點(diǎn)預(yù)測(cè)模型,Topt與CICO值呈三次冪函數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.96。圖2上方的數(shù)據(jù)點(diǎn)為機(jī)組在一般結(jié)霜工況下的最佳除霜控制點(diǎn)分布,由于在大CICO時(shí)空氣源熱泵結(jié)霜非常慢,測(cè)試過(guò)程中的最大CICO值為10.4×106,遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況下的最大CICO值。在一般結(jié)霜工況下,隨著CICO值由1.7×106增大至10.4×106,Topt由27 min增大至176 min,對(duì)其進(jìn)行擬合,得到如式(7)所示的最佳除霜控制點(diǎn)預(yù)測(cè)模型,Topt與CICO值也呈三次冪函數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.99。

(6)

(7)

2種結(jié)霜工況下的最佳除霜控制點(diǎn)預(yù)測(cè)模型均表明:隨CICO值的增大,最佳除霜控制點(diǎn)延后;當(dāng)制冷劑確定時(shí),空氣源熱泵的最佳除霜控制點(diǎn)只與CICO有關(guān),不受機(jī)組設(shè)計(jì)方法或設(shè)計(jì)廠家的影響。因此,建立的模型具有較強(qiáng)的通用性,對(duì)任意一臺(tái)機(jī)組,只要計(jì)算出其CICO值,便可預(yù)測(cè)出2種測(cè)試工況下的Topt。

為驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性,采用式(2)～(7)計(jì)算得到2種結(jié)霜工況下空氣源熱泵在不同CICO時(shí)Topt實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差,結(jié)果如圖3所示。2種結(jié)霜工況下,實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差均在15%以?xún)?nèi),這說(shuō)明本研究建立的2種結(jié)霜工況下的最佳除霜控制點(diǎn)預(yù)測(cè)模型具有較高準(zhǔn)確性。

圖3 最佳除霜控制點(diǎn)預(yù)測(cè)模型相對(duì)誤差分析

3 除霜控制性能評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

隨著結(jié)霜的進(jìn)行,機(jī)組盤(pán)管溫度逐漸降低,制熱能力和COP等性能參數(shù)也會(huì)逐漸衰減。若要求機(jī)組均在最佳除霜控制點(diǎn)進(jìn)行除霜顯然不太符合實(shí)際。根據(jù)前期研究基礎(chǔ),本研究基于最佳除霜時(shí)間Topt和制熱能力衰減率,對(duì)空氣源熱泵的合理除霜指標(biāo)及其范圍進(jìn)行研究。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況的評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

為確定機(jī)組除霜控制性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其合理范圍,首先對(duì)不同CICO下機(jī)組結(jié)霜過(guò)程中制熱能力的變化規(guī)律進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。可以看出,不同CICO下,在制熱能力衰減率為20%～30%的區(qū)間,總存在一個(gè)時(shí)刻,機(jī)組的制熱能力與COP均開(kāi)始快速衰減,性能惡化嚴(yán)重,且制熱能力與COP衰減率隨CICO值的增大有變緩的趨勢(shì)。由于不同CICO下機(jī)組性能惡化最迅速的時(shí)間均出現(xiàn)在制熱能力衰減20%之后,因此選擇制熱能力衰減率作為機(jī)組進(jìn)行合理除霜的指標(biāo),并以“制熱能力衰減率20%”作為評(píng)判機(jī)組除霜控制性能的上限值。此時(shí),可避免機(jī)組性能進(jìn)入快速衰減的階段,從而使機(jī)組在結(jié)霜工況下保持較高的供暖性能。

圖4 不同CICO下制熱能力和COP衰減率隨運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的變化關(guān)系(標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況)

然而,不同CICO下機(jī)組制熱能力衰減率小于20%時(shí),制熱能力與COP衰減率較平穩(wěn)。因此,以“制熱能力衰減率”為評(píng)價(jià)指標(biāo)不能確定評(píng)判機(jī)組除霜控制性能的下限值。

為得到標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況下機(jī)組除霜控制性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的下限值,計(jì)算了機(jī)組A～I(xiàn)在不同CICO下運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)偏移最佳除霜時(shí)間比例分別為-5%、-10%、-15%和-20%時(shí)的制熱能力衰減率,結(jié)果如圖5所示。可以看到,相同CICO下,偏移最佳除霜時(shí)間-5%、-10%和-15%時(shí),制熱能力均發(fā)生了衰減,此時(shí)室外換熱器均已明顯結(jié)霜;在偏移最佳除霜時(shí)間-20%時(shí),部分測(cè)試過(guò)程的機(jī)組制熱能力衰減率為0,機(jī)組并未發(fā)生明顯結(jié)霜。因此,偏移最佳除霜時(shí)間-5%、-10%和-15%可用作評(píng)判機(jī)組除霜控制性能的下限值。以市面常規(guī)機(jī)組(CICO值為5×106)為例,由圖2可知,標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況下Topt為40 min,在3種偏移率下,絕對(duì)時(shí)間偏差均不大,對(duì)機(jī)組在整個(gè)結(jié)除霜過(guò)程中的性能影響可以忽略不計(jì),選擇偏移最佳除霜時(shí)間-15%更能客觀反映出機(jī)組的除霜控制性能。因此,選擇“偏移最佳除霜時(shí)間-15%”作為評(píng)判機(jī)組除霜控制性能的下限值。

圖5 不同CICO下偏移最佳除霜時(shí)間不同比例時(shí)制熱能力衰減率(標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況)

綜上,選擇“制熱能力衰減率20%”與“偏移最佳除霜時(shí)間-15%”作為評(píng)價(jià)機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況下除霜控制性能的指標(biāo)范圍。

3.2 一般結(jié)霜工況的評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

在一般結(jié)霜工況下,采用和3.1節(jié)中相同的方法對(duì)機(jī)組除霜控制性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行研究。不同CICO下機(jī)組結(jié)霜過(guò)程中制熱性能的變化如圖6所示,當(dāng)機(jī)組制熱能力衰減率在20%～30%區(qū)間時(shí),制熱能力與COP衰減率隨CICO的變化趨勢(shì)與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況一致,均迅速衰減,但衰減速率較標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況明顯變緩。因此,在一般結(jié)霜工況下,同樣選擇制熱能力衰減率作為機(jī)組進(jìn)行合理除霜的指標(biāo),并以“制熱能力衰減率20%”作為評(píng)判機(jī)組除霜控制性能的上限值。

圖6 不同CICO下制熱能力和COP衰減率隨運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的變化關(guān)系(一般結(jié)霜工況)

針對(duì)一般結(jié)霜工況下除霜控制性能的下限值,選用機(jī)組A、B、G、H,對(duì)不同CICO下偏移最佳除霜時(shí)間-5%、-10%、-15%和-20%時(shí)的制熱能力衰減率進(jìn)行分析,結(jié)果如圖7所示。與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況的測(cè)試結(jié)果相似,在偏移最佳除霜時(shí)間-20%時(shí),部分測(cè)試過(guò)程的機(jī)組制熱能力衰減率為0,機(jī)組沒(méi)有發(fā)生明顯結(jié)霜;在其他3種最佳除霜時(shí)間偏移率下,制熱能力均發(fā)生了衰減。因此,在一般結(jié)霜工況下,同樣選擇“偏移最佳除霜時(shí)間-15%”作為評(píng)判機(jī)組除霜控制性能的下限值。

圖7 不同CICO下偏移最佳除霜時(shí)間不同比例時(shí)制熱能力衰減率(一般結(jié)霜工況)

綜上,和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況相同,選擇“制熱能力衰減率20%”與“偏移最佳除霜時(shí)間-15%”作為評(píng)價(jià)機(jī)組在一般結(jié)霜工況下除霜控制性能的指標(biāo)范圍。

4 結(jié)論

為量化不同本構(gòu)配置下空氣源熱泵的除霜控制性能,本文對(duì)來(lái)自不同廠家的9臺(tái)制冷劑為R410A的機(jī)組在焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試,揭示了標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況與一般結(jié)霜工況下機(jī)組最佳除霜控制點(diǎn)隨CICO的變化規(guī)律,建立并驗(yàn)證了最佳除霜控制點(diǎn)預(yù)測(cè)模型,并對(duì)空氣源熱泵機(jī)組除霜控制性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其范圍進(jìn)行了研究。具體結(jié)論如下:

1) 在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況與一般結(jié)霜工況下,空氣源熱泵的最佳除霜控制點(diǎn)均隨CICO值的增大而延后。標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況下,隨著CICO值由3.2×106增大至22.6×106,Topt由22 min增大至136 min;一般結(jié)霜工況下,隨著CICO值由1.7×106增大至10.4×106,Topt由27 min增大至176 min。

2) 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況與一般結(jié)霜工況下最佳除霜控制點(diǎn)均與CICO呈三次冪函數(shù)關(guān)系,且相關(guān)系數(shù)均大于0.95;制冷劑確定時(shí),最佳除霜控制點(diǎn)預(yù)測(cè)模型只與機(jī)組CICO有關(guān),通用性強(qiáng),且模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差在15%以?xún)?nèi),具有較高的準(zhǔn)確性。

3) 在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況與一般結(jié)霜工況下,以“偏移最佳除霜時(shí)間-15%”(下限)和“制熱能力衰減率20%”(上限)作為機(jī)組除霜控制性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)范圍,均能夠有效判斷機(jī)組除霜控制的準(zhǔn)確性。