空气源热泵最佳除霜控制点研究——最佳除霜控制点的存在性实测验证
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：为验证空气源热泵最佳除霜控制点的存在性，本文针对北京地区4种不同结霜工况，分别采用5种不同除霜控制点（20min~60min）对机组进行实测研究。实测研究在环境温度-2.1~5.6ºC、平均1.8ºC，相对湿度48~88%、平均68%，回水温度设定值40ºC的运行工况下进行。结果表明，在同一结霜工况下，机组存在最佳除霜控制点，在不同结霜工况下，机组的最佳除霜控制点会发生变化；采用最佳除霜控制点时，名义制热量损失系数为24%~36%，名义有效供热系数可达0.69~0.78，平均能效比保持在2.06~2.30，机组运行性能显著高于其他除霜控制周期。本文的研究可为进一步探寻最佳除霜控制点奠定基础。
关键词：空气源热泵；最佳除霜控制点；名义制热量损失系数；名义有效供热系数；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
空气源热泵（Air Source Heat Pump, 以下简称ASHP）已被我国列为可再生能源技术范畴[1]，成为我国重要的建筑能源形式，广泛应用于寒冷和夏热冬冷（暖）地区[2,3]。目前，ASHP已成为京津冀地区“煤改电”中主要供暖方式[4]，更是解决长江流域和川西藏区供暖问题的重要技术保障[5,6]，在我国具有巨大的市场需求和应用潜力。然而ASHP机组在供暖季的实际运行中，不可避免的结霜问题使得制热量衰减30~57%[7-8]，严重影响其实际运行性能。因此，为保证ASHP的在冬季高效运行，合理的除霜是关键。
目前，“温度–时间”除霜控制方法应用较为广泛[9]。该方法以盘管温度低于设定值和计时器累计时长超过设定时间为除霜判定条件，而该方法在实际应用中始终采用固定的设定时间，即“除霜控制点”，使得机组除霜时机判断不准确，以致ASHP机组频繁发生“有霜不除”、“无霜除霜”等“误除霜”事故[10-13]。前期研究表明，在北京地区采用“温度–时间”除霜控制方法，在60天的测试期间，ASHP机组无霜除霜“误除霜”事故高达1211次，占总除霜次数70%，有效供热损失约139.3MJ/kW[12]；在南方高湿气象条件下，机组在连续12小时的运行时段内，共发生14次有霜不除“误除霜”事故，供热效率仅为61.8%[14]。由此可见，ASHP机组“误除霜”严重影响了机组运行性能和制热量。
因此为实现ASHP机组准确除霜，有必要探索验证不同结霜工况下的最佳除霜控制点。本文以北京地区某办公楼的ASHP供暖系统为测试对象，在4种结霜工况下分别采用20min、30min、40min、50min、60min除霜控制点进行除霜，系统分析不同除霜控制点对ASHP运行性能影响，进而验证最佳除霜控制点的存在性。
1 现场测试
1.1 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/水热泵机组。机组名义制热量为14kW，额定功率为4.45kW，制冷剂为R22。
测试系统如图1所示，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。系统根据回水温度采用双位控制方式控制机组启停，回水温度设置为40℃ ，差动范围为 ± 1℃，在机组运行过程中，水侧循环水泵一直保持开启状态。上位机的数据采集系统以每6秒为频率进行数据采集并实时记录。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，室外换热器中部分液管及翅片上，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2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。
图1 现场测试系统原理图
1.2 测试工况
本文测试工作在2015~2016年北京市供暖季期间进行。结合前期开发的分区域结霜图谱[15-16]，本文所选结霜工况C1~C4分别属于重霜区、一般结霜区I、一般结霜区II以及轻霜区。在长期的现场测试中，每个结霜工况下的结除霜实验都是在温湿度相对稳定的条件下进行，环境温度最大波动范围±1.0ºC、相对湿度最大波动范围±4.4%，具体如表1所示。
图2 测试工况在结霜图谱中的分布
表1 测试工况详细信息
1.3 除霜策略
ASHP机组通常采用的是“温度–时间”除霜控制方法。即当盘管温度低于3ºC时，机组开始进行除霜计时；当累计时间超过设定的除霜控制点（1h或45min），并且盘管温度低于-3ºC时，机组进行除霜。除霜过程中，当盘管温度不低于20ºC时，机组停止除霜并恢复制热。
本测试中机组采用的除霜控制策略在“温度-时间”除霜控制方法的基础上，改变除霜控制点。如图3所示，随着机组结霜程度的增加，瞬时制热量开始不断衰减，达到时刻时开始除霜，经过一段时间后，结束除霜并开始制热，当达到时刻，制热量恢复至无霜过程瞬时制热量的水平，由于制热恢复时间相对较短，所以将制热恢复过程归入整个除霜过程中。不同的除霜控制策略为CX.1~CX.5，各除霜策略对应的除霜控制点分别为20min、30min、40min、50min和60min，例如，C1.1代表C1工况下除霜控制点采用20min的控制策略。每种除霜控制点分别在近似稳定工况下进行三次结除霜循环实验，机组结除霜过程性能参数分别取平均值。
图3 结除霜过程及除霜策略示意图
1.4 评价指标
（1）名义制热量损失系数
为评价ASHP机组在结除霜工况下的供热特性，通常采用“结除霜损失系数”作为评价指标，如公式（1）所示。可见，结除霜损失系数是结除霜过程瞬时供热量与相同工况无霜过程中瞬时制热量的比值，该参数可适时评价ASHP机组由于结除霜过程所引起的性能损失。但是，该参数无法有效衡量结除霜过程引起ASHP机组相对于名义工况的性能损失，实际应用中正是由于存在这样的问题，导致空气源热泵机组设计选型时也缺乏必要的参考依据，选型过程盲目扩大机组容量，造成配置不当的问题。
式（1）中：ε为结除霜损失系数；
hc1为机组无霜过程中瞬时制热量（kW）；hc2为结除霜过程中机组瞬时制热量（kW）；tn为除霜结束时刻（s）。
因此，为正确认识机组在实际工况下的运行性能，指导空气源热泵的设计选型，掌握机组运行性能相对于名义工况的损失，本文提出“名义制热量损失系数”这一新概念，该参数综合衡量了ASHP机组因结除霜过程引起的相对于名义制热量的总损失，具体表述参见公式（2~7）。
如图3所示，结霜过程机组制热量hc2不断衰减，存在名义结霜损失QL1；而在除霜过程中，制冷剂反向运行，hc2严重衰减甚至为负值，机组从室内取热，存在名义除霜损失QL2。随着除霜控制点延迟，衰减程度逐渐增加hc2，使得QL1不断增加；而在单位时间内，由于结霜周期长，结除霜循环次数减少，而除霜次数也相应减少，使得QL2降低。因此，理论上存在一个最佳的除霜控制点，使单位时间内结除霜过程的（QL1+QL2）最小。以上供热性能指标表达方式如下：
式（2~3）中：QL1和QL2 分别名义结霜损失和名义除霜损失（kJ）；hc为机组名义制热（kW）；hc2为结除霜过程中机组瞬时制热量（kW）；ti和tn分别为除霜开始和结束时刻（s）；tk和tn分别为除霜过程中从室内取热开始和结束时刻（s）。
将上述指标进行归一化处理，得到单位时间、单位名义制热量对应值，具体如下：
式（5~7）中：εL1和εL2分别为名义结霜损失系数和名义除霜损失系数（%）；εNL为名义制热量损失系数（%）；tn为除霜结束时刻（s）。
（2）其他运行性能指标
为分析结除霜过程中ASHP机组运行性能表现，本课题主要选取以下性能参数：空气侧风压差ΔP、压缩机吸气温度Tsuc、压缩机排气温度Tdis、机组制热量hc2、机组功率Wcom、COP、化霜水质量Mdfw以及结霜速率vdfw。其中vdfw表达式如：
式（8）中：vdfw为结霜速率（g/min）；Mdfw为化霜水质量（g）；tf为结霜时间（s）。由于化霜水的收集有一定误差，导致化霜水质量和结霜速率在数值上会在一定程度上偏离实际，但仍可用于定性展示各工况结霜程度的不同。
结除霜过程中机组供给室内的有效供热量Qs表达式如下：
式（9）中：Qs为结除霜过程中有效供热量（kJ）；qhc2为结除霜过程中机组瞬时制热量（kW）；tk和th分别为除霜过程中从室内取热开始和结束时刻（s）；tn为除霜结束时刻（s）。
结除霜过程中机组名义有效制热系数qs表达式如下：
式（10）中：qs为名义有效制热系数（%）；Qs为结除霜过程中有效供热量（kJ）；qhc2为结除霜过程中机组瞬时制热量（kW）；tn为除霜结束时刻（s）。
机组结除霜过程中COPm表达式如下：
式（11）中：COPm为机组结除霜过程中平均能效比；Wcom为机组功率（kW）；hc2为机组瞬时制热量（kW）；tn为除霜结束时刻（s）。
2 实验结果与分析
2.1 不同除霜控制点对机组性能影响
不同除霜控制点下机组结霜情况如表2所示。由表可知，机组在同一工况下，采用20~60min不同的除霜控制点，室外换热器表面结霜程度不同；相同工况下的结霜速率比较相近，而不同工况下的结霜速率差异明显，结霜工况越重，结霜速率越大，且除霜控制点对结霜程度影响越显著，如机组在重霜区（C1工况）运行时，霜层覆盖面积逐渐增大直至全覆盖，化霜水质量为524~1752g，相差高达1228g；随着结霜速率变小，除霜控制点对机组结霜程度影响逐渐下降，如机组在轻霜区（C4工况）运行时，霜层覆盖面积变化较小，化霜水质量为52~147g，相差仅为95g。
表2 换热器表面结霜图像及化霜水质量
采用不同除霜控制点的机组运行性能参数变化规律如图4所示。由图可知，在除霜控制点20min至60min下，机组运行性能劣化程度不同。除霜控制点过早时，机组性能劣化程度低，尤其在结霜速率较小的情况下，机组结霜量少，属于“无霜除霜”的误除霜事故，将会导致机组频繁除霜、运行能耗增加；而除霜控制点过晚，如在一般结霜区I（C2工况）采用60min除霜控制点，空气侧风压差上升到95%、吸气温度低至-20ºC、排气温度高达135ºC、机组制热量衰减55%、COP衰减47%，机组性能劣化严重，并且排气温度过高将会缩短压缩机寿命，属于“有霜不除”的误除霜事故，若将除霜控制点减小到30min，可以保证机组正常运行，并且运行性能可相对提高22~33%。由此可见，除霜控制点过早或过晚均有可能导致机组不合理除霜，而为保证机组正常运行，应寻求合理的除霜控制点。
图4 测试工况下机组运行性能变化规律
不同结霜工况下机组运行性能劣化或衰减程度不同，随着结霜速率减小，相同除霜控制点下机组运行性能劣化或衰减程度逐渐降低。如采用30min除霜控制点在重霜区（C1工况）运行时，制热量衰减44%、排气温度达到121ºC，属于“有霜不除”事故；采用30min除霜控制点在轻霜区（C4工况）运行时，制热量仅衰减18%、排气温度为106ºC，机组运行性能劣化程度较低。因此，为保证机组正常运行，结霜速率增大时，应采取较早的除霜控制点及时进行除霜；而结霜速率减小时，应采用较晚的除霜控制点，避免频繁除霜。
在不同结霜工况下，采用不同除霜控制点控霜的单次结除霜过程所用时间如表3所示。由表可知，单次结除霜实验中，结霜过程时间与除霜控制点基本一致。在同一工况下，除霜控制点越长，机组结霜程度越严重，除霜过程所需时间越长。在不同工况下，当采用相同除霜控制点控霜时，随着结霜速率的减小，除霜过程所需时间越短。
表3 不同除霜控制点下单次结除霜过程时间统计情况
2.2 最佳除霜控制点存在性验证分析
不同除霜控制点下机组供热量损失情况如图5所示。
图5 不同除霜控制点下制热量损失情况
由图5可知，名义结霜损失和名义除霜损失随着除霜控制点变化呈现完全相反的变化规律，而名义结除霜损失在不同工况下存在最低值。图5（a）和图5（b）表明，（1）在同一工况下，除霜控制点越长，机组制热量衰减程度越高，结霜过程产生的供热量损失越大，名义结霜损失系数高达16~38%；（2）随着结霜速率变小，机组制热量衰减缓慢，相同除霜控制点对应的名义结霜损失逐渐降低；（3）在同一工况下，机组除霜控制点越早，单位时间内结除霜循环次数相应增多，造成除霜过程供热量损失不断增高，名义除霜损失系数高达21~25%。
机组名义结除霜损失情况如图5（c）所示。由图可知，在工况C1~C4中，分别存在着不同的最佳除霜控制点使得名义结除霜总损失值最小，重霜区、一般结霜区I、一般结霜区II、轻霜区对应的最佳除霜控制点分别为20min、30min、40min、50min。各工况在最佳除霜控制点下除霜，名义制热量损失系数分别为36%、35%、31%、24%，且可以看出随着结霜速率减小，由于机组制热量衰减缓慢、结霜量降低等因素导致结霜损失和除霜损失降低，从而导致名义结除霜损失依次降低；若各工况未在最佳除霜控制点下除霜，例如常规“温度-时间”除霜控制方法采用60min除霜控制点，名义制热量损失系数将分别高达44%、43%、35%和25%，另外可以看出两种控制策略对应的名义制热量损失系数在轻霜区内比较接近，说明常规除霜方法仅在轻霜工况表现良好，适用范围较小。
机组名义有效供热系数及平均能效比情况如图6所示。由图可知，两者在不同周期下变化规律基本一致，而与名义制热量损失系数变化规律恰好相反，说明机组在运行中，结除霜损失越小，机组有效供热量相应就会越高，能效水平越高，同时三者对应的最佳除霜控制点表现一致。若机组在最佳除霜控制点下除霜，名义制热量损失系数最低，名义有效供热系数和平均能效比最高，工况C1~C4下名义有效供热系数qs分别是0.72、0.69、0.78、0.77，平均能效比COPm分别是2.06、2.09、2.12、2.30。
图6 不同除霜控制点下机组有效制热量及能效情况
3 结论
本文针对北京地区典型气象条件，基于传统“温度–时间”除霜控制方法（除霜计时温度3ºC以下累计1h或45min，且盘管温度低于-3ºC），在环境温度-2.1~5.6ºC，平均1.8 ºC、相对湿度48~88%，平均68%、回水温度设定值40ºC的运行工况下，对空气源热泵最佳除霜控制点的存在性进行了实测研究。具体结论如下：
（1）本文提出了“名义制热量损失系数”的概念，该参数同时考虑环境温度和结除霜过程对机组性能的影响，反映了实际工况下机组制热量相对于名义工况的损失程度，为进一步探究最佳除霜控制点提供了理论基础。
（2）同一结霜工况下，不同除霜控制点对机组性能有不同程度影响，而存在最佳除霜控制点，使名义制热量损失系数最小。
（3）最佳除霜控制点随着结霜工况的变化表现不同，本文研究显示，重霜区、一般结霜区I、一般结霜区II、轻霜区依次为20min、30min、40min、50min。采取最佳除霜控制点，可以改善机组运行性能，机组名义制热量损失系数为24%~36%，名义有效供热系数可达0.69~0.78，平均能效比保持在2.06~2.30。
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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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