一种空气源热泵多环路换热器除霜起始点判定方法及系统与流程

本发明涉及空气源热泵技术领域，更进一步地说是涉及一种空气源热泵多环路换热器除霜起始点判定方法及系统。

背景技术：

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，具有广泛的应用场景和巨大的市场价值。空气源热泵具有热源获取方便、效率高、操作简单、无污染等诸多优点，得到了广泛的关注与应用。

空气源热泵在冬季制热运行时，室外空气侧换热器起蒸发器的作用，由于蒸发温度较低，换热器表面的温度也随之下降，甚至低于0℃，当室外空气流经换热器盘管时，其所含的水分就会析出形成霜层，逐步变厚的霜层增加了导热热阻，使流过换热器的空气流量大幅降低，进而降低了换热器的传热系数。随着霜层的增厚，最终将出现蒸发温度下降、制热量下降、风机性能衰减，进而影响系统整体的制热效率，严重时会出现停机，机组无法正常工作。因此需要对室外换热器进行定期除霜操作，目前主要采用的是逆循环除霜。

当空气源热泵以逆循环除霜模式运行时，室内换热器由供热状态下的冷凝器转变为蒸发器从室内取热，室外换热器由供热状态下的蒸发器转变为冷凝器向室外释热。为避免能源的不必要浪费，必须选取恰当的除霜起始点判定方法。目前热泵室外换热器除霜起始点的判定方法主要有时间判定法、时间-温度判定法、压力判定法、光学判定法等，其中时间判定法和时间-温度判定法的应用最为普遍。以上诸多方法普遍存在参考指标过多、物理参数测量误差偏大、检测仪器成本偏高等问题。

有鉴于此，韩国学者Min-Hwan Kim与Kwan-Soo Lee近年提出一种基于温度指标判定空气源热泵除霜起始点的EMF方法(Determination method of defrosting start-time based on temperature measurements,Applied Energy)。该方法通过对室外换热器的进出口制冷剂温度和空气温度的测量，实现室外换热器与室外空气的换热量计算，进而实现该换热量的实时监测，并通过分析计算得出除霜起始点。

随着空气源热泵应用的愈加广泛，其换热器的结构尺寸也得到持续优化，如今的空气源热泵机组室外换热器均采用多环路形式。由于室外多环路换热器的结霜情况受到换热器内侧制冷剂分配及其外侧空气分布及流量等因素的影响，其表面的结霜量往往并不均匀，也即存在各环路表面的结霜量不相同的“非均匀结霜”现象。当该EMF方法应用于非均匀结霜条件时，通过室外换热器整体的进出口制冷剂温度和空气温度的测量与分析，实际上难以实现对结霜情况的准确判定。EMF方法在实际应用中难以避免非均匀结霜导致的误除霜。而传统的时间判定法和时间-温度判定法不仅无法解决因多环路换热器结霜不均匀所造成的误除霜现象，还容易出现无霜时候启动除霜，以及有霜时候延迟启动除霜的操作失误现象，严重影响热泵系统的正常运行，进而造成了大量的能量浪费。因此，开发一种广泛应用于多环路换热器的除霜起始点判定方法，不仅具有重要的学术价值，还具备重大的实际应用价值。

技术实现要素：

本发明提供了一种空气源热泵多环路换热器除霜起始点判定方法及系统，充分地考虑了多环路换热器的特点，测量结果准确，避免能源的浪费。具体方案如下：

一种空气源热泵多环路换热器除霜起始点判定方法，包括：

根据室外换热器的整体换热量计算结霜临界值A；

在供热模式下获取各环路中所述室外换热器的盘管温度T_tube，以及室外空气的干球温度T_a；

根据所述盘管温度T_tube和所述干球温度T_a计算各个所述室外换热器的EMF值；

统计所述EMF值小于或等于所述结霜临界值A的所述室外换热器的数量，当数量超过所有所述室外换热器(1)的一半时开启除霜模式。

可选地，所述干球温度T_a包括所述室外换热器的进口空气温度T_a，in和出口空气温度T_a，out，所述EMF值的计算公式为：

EMF＝(T_a,in-T_a,out)/(T_a,in-T_tube)

其中，T_a，in为所述室外换热器的进口空气干球温度，T_a，out为所述室外换热器的出口空气干球温度，T_tube为所述室外换热器的盘管温度。

可选地，所述盘管温度T_tube为所述室外换热器制冷剂进口温度与出口温度的平均值。

可选地，所述结霜临界值A根据所述室外换热器与室外空气的整体换热量Q_tot得到。

可选地，当所述室外换热器的取热量为所述整体换热量Q_tot的一半时得到所述结霜临界值A。

可选地，所述进口空气干球温度T_a，in为所述室外换热器迎风侧多个测量点的平均温度；所述出口空气干球温度T_a，out为所述室外换热器背风侧多个测量点的平均温度。

本发明还提供一种空气源热泵多环路换热器除霜起始点判定系统，包括：

设置于各个室外换热器翅片上的干球温度传感器；

设置于各个所述室外换热器制冷剂管道上的制冷剂温度传感器；

根据所述干球温度传感器和所述制冷剂温度传感器的检测数值，计算所述室外换热器EMF值的控制器，所述控制器能够分析所述EMF值到达所述结霜临界值A的所述室外换热器的数量，以判断是否到达除霜起始点。

可选地，所述干球温度传感器包括设置于所述室外换热器空气进口侧翅片上的进口空气传感器和空气出口侧翅片上的出口空气传感器；所述制冷剂温度传感器包括设置于所述室外换热器制冷剂入口管道上的入口温度传感器和所述室外换热器制冷剂出口管道上的出口温度传感器。

可选地，所述进口空气传感器至少设置两个，分别设置于所述室外换热器迎风侧的对角位置；所述出口空气传感器至少设置两个，分别设置于所述室外换热器背风侧的对角位置。

可选地，所述干球温度传感器和所述制冷剂温度传感器均为热电偶。

本发明提供了一种空气源热泵多环路换热器除霜起始点判定方法，包括以下步骤：预先根据室外换热器的整体换热量计算结霜临界值A；在供热模式下，获取各环路中室外换热器的盘管温度T_tube，以及室外空气的干球温度T_a；根据盘管温度T_tube和干球温度T_a计算各个室外换热器的EMF值；统计EMF值小于或等于结霜临界值A的室外换热器的数量，当数量超过所有室外换热器的一半时开启除霜模式，使室内的热量反向传递到室外，将室外换热器上的结霜清除。

在系统初始运行时确定除霜启动的临界值，在正常运行的过程中不需要反复计算换热量，只需测量温度这一指标，测量过程简单。可以避免温度-时间判定方法中遇到“无霜而除霜”和“多霜而不除”的问题，充分地考虑了多环路换热器的特点，测量结果准确，避免能源的浪费。

此外，本发明还提供一种空气源热泵多环路换热器除霜起始点判定系统，包括：干球温度传感器、制冷剂温度传感器和换向阀等结构，干球温度传感器设置于各个室外换热器翅片上；制冷剂温度传感器设置于各个室外换热器制冷剂管道上；换向阀根据干球温度传感器和制冷剂温度传感器的检测值改变制冷剂流动方向。该系统可以实现与上述相同的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明除霜起始点判定方法的一种具体实施方式的流程图；

图2为空气源热泵系统的结构及运行模式示意图；

图3A为三环路室外换热器的迎风面结构示意图；

图3B为三环路室外换热器的侧面结构示意图；

图3C为三环路室外换热器的背风面结构示意图；

图4为空气源热泵系统加热模式与除霜模式运行切换流程图。

其中：

室外换热器1、干球温度传感器2、进口空气温度传感器21、出口空气温度传感器22、制冷剂温度传感器3、入口温度传感器31、出口温度传感器32、换向阀4、室内换热器5、压缩机6、集液器7、电子膨胀阀8、止回阀9、干燥阀10

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种空气源热泵多环路换热器除霜起始点判定方法及系统，充分地考虑了多环路换热器的特点，测量结果准确，避免能源的浪费。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本申请的空气源热泵多环路换热器除霜起始点判定方法及系统进行详细的介绍说明。

如图1所示，为本发明除霜起始点判定方法的一种具体实施方式的流程图。本发明提供的空气源热泵多环路换热器除霜起始点判定方法，包括以下步骤：S1、预先根据室外换热器1的整体换热量计算结霜临界值A，结霜临界值A根据室外换热器1所处的实际环境确定，若低EMF值小于或等于A时认为开始结霜。S2、在供热模式下，获取各环路中室外换热器1的盘管温度T_tube，同时还需获取室外空气的干球温度T_a，T_tube和T_a为多环路换热器在供热模式下工作时实际测量的数值。S3、根据盘管温度T_tube和干球温度T_a计算各个室外换热器1的EMF值，得到盘管温度T_tube和干球温度T_a后，利用这两个数值，供稿相应的计算公式中进行计算，从而得到实际的EMF值。S4、统计EMF值小于或等于结霜临界值A的室外换热器1的数量，并进行步骤S5、判断EMF值小于或等于结霜临界值A的室外换热器1的数量是否超过所有室外换热器1的一半；若是则进行步骤S6、开启除霜模式，若否则重新返回步骤S2。

需要注意的是，上述的计算过程需间隔一定的时间，每隔一段时间分别对各个室外换热器1进行一次计算，若EMF值大于结霜临界值A则认为正常，没有出现结霜；若EMF值小于或等于结霜临界值A则认为开始结霜，此时各个室外换热器1并不都开始结霜，间隔一段时间后重复测量，直到一半或以上的室外换热器1的EMF值小于或等于结霜临界值A，则使系统进入除霜模式。

当空气源热泵以逆循环除霜模式运行时，室内换热器5由供热状态下的冷凝器转变为蒸发器从室内取热，室外换热器1由供热状态下的蒸发器转变为冷凝器向室外释热。传统时时间-温度判定法相隔一定的时间测量室外换热器与室外空气温度的温差来判断是否需要进入除霜模式，判断点误差较大，而且容易出现“无霜而除霜”和“多霜而不除”的情况。

本发明的方法在系统初始运行时确定除霜启动的临界值，在正常运行的过程中不需要反复计算换热量，只需测量温度这一指标，测量过程简单。可以避免温度-时间判定方法中遇到的问题，充分地考虑了多环路换热器的特点，测量结果准确，避免能源的浪费。

在此基础上，本发明中采用的干球温度T_a包括室外换热器1的进口空气温度T_a，in和出口空气温度T_a，out两个参量，根据这两个参量计算EMF值，计算公式如下：

EMF＝(T_a,in-T_a,out)/(T_a,in-T_tube) (1)

其中，T_a，in为室外换热器1的进口空气干球温度，T_a，out为室外换热器1的出口空气干球温度，T_tube为室外换热器1的盘管温度。根据上述公式得到实时的EMF值以后，与A进行比较，以判断是否开始结霜。

更进一步，盘管温度T_tube为室外换热器1制冷剂进口温度与出口温度的平均值。在各环路的室外换热器1进口管道与出口管道上分别设置一个制冷剂温度传感器3，以平均值作为盘管温度T_tube使判断结果更加准确。

更进一步，结霜临界值A根据室外换热器1与室外空气的整体换热量Q_tot得到。具体地，当室外换热器1的取热量为整体换热量Q_tot的一半时得到结霜临界值A。

具体地，由以下公式计算得到：

Q_tot＝(Q_a+Q_r)/2 (2)

其中，Q_a为空气的全热量，包括显热部分与潜热部分；Q_r为制冷剂的进出口焓差。Q_a的计算公式为：

Q_r的计算公式为：

式(2)和式(3)中，C_p,a为室外空气的比热，L_h为水的汽化潜热，w_a，in，w_a，out分别为室外换热器进出口空气的绝对湿度。

联立公式(1-4)，得出室外多环路换热器的整体换热量Q_tot，以及EMF值。当室外多环路换热器的取热量急速减低，并将为最大值的一半时，有：

根据初始实验环路的温度参数和环境温度及湿度情况，根据公式(1-5)可计算得到该环路安装的EMF＝A，此为该环路的除霜模式起始点的预设判定值。

另外，程序设定控制系统对室外多环路换热器的各环路的实时监控温度数据进行计算出实时EMF值。设该多环路换热器环路数目为n，当有(n+1)/2(取整)个环路满足EMF≤A这一条件时，空气源热泵系统进入除霜模式。

更进一步，进口空气干球温度T_a，in为室外换热器1迎风侧多个测量点的平均温度；出口空气干球温度T_a，out为室外换热器1背风侧多个测量点的平均温度。在室外换热器1迎风侧和背风侧设置多个测量点，将各个测量点的结果求平均值。

此外，本发明还提供了一种空气源热泵多环路换热器除霜起始点判定系统，如图2所示，为空气源热泵系统的结构及运行模式示意图。该系统包括干球温度传感器2、制冷剂温度传感器3、控制器和换向阀4等结构，本发明中换向阀4优选地采用四通换向阀。其中，干球温度传感器2设置于各个室外换热器1翅片上；制冷剂温度传感器3设置于各个室外换热器1制冷剂管道上；控制器根据干球温度传感器2和制冷剂温度传感器3的检测数值，计算室外换热器1的EMF值，控制器能够分析EMF值到达结霜临界值A的室外换热器1的数量，以判断是否到达除霜起始点。当到达除霜起始点时，控制器控制换向阀4改变制冷剂流动方向，使制冷剂向相反的方向流动，将室内换热器5的热量向室外换热器1传送。

具体地，干球温度传感器2包括进口空气传感器21和出口空气传感器22，进口空气传感器21设置于室外换热器1空气进口侧的翅片上，出口空气传感器22设置于室外换热器1空气出口侧的翅片上。制冷剂温度传感器3包括入口温度传感器31和出口温度传感器32，入口温度传感器31设置于室外换热器1制冷剂入口的管道上，出口温度传感器32设置于室外换热器1制冷剂出口的管道上。入口温度传感器31和出口温度传感器32测量的值代入公式(1)计算EMF值。

更具体地，进口空气传感器21至少设置两个，分别设置于室外换热器1迎风侧的对角位置；出口空气传感器22至少设置两个，分别设置于室外换热器1背风侧的对角位置。如图3A至图3C所示，分别表示三环路室外换热器的迎风面结构、侧面结构和背风面结构示意图；图3A和图3C的箭头表示制冷剂的流动方向，图3B的箭头表示空气的流通方向。两个进口空气传感器21分别设置于室外换热器1迎风面的左上角和右下角；两个出口空气传感器22分别设置于室外换热器1背风面的左下角和右上角。

本发明所采用的干球温度传感器2和制冷剂温度传感器3均为热电偶，能够实时检测温度值。

如图2所示，还包括室内换热器5、压缩机6、集液器7、电子膨胀阀8、止回阀9、干燥阀10等结构。如图4所示，为空气源热泵系统加热模式与除霜模式运行切换流程图。打开热泵系统，先以供热模式运行，室外温度过低换热器结霜，经热电偶进行数据检测，当控制器利用EMF法判断需要除霜时，通过四通换向阀换向，空气源热泵系统以除霜模式运行，室外换热器化霜，再经热电偶数据检测，当控制器判断室外管路温度达到设定值时除霜过程完毕，通过四通换向阀换向，空气源热泵系统以供热模式运行。

本发明通过在多环路换热器各环路的制冷剂及空气进出口设置温度测点，本发明附图以三个环路的换热器进行说明。通过室外换热器1与室外空气的换热量实时监控及计算分析，确定各环路是否达到除霜启动的临界状态，最终实现空气源热泵除霜起始点的判定。

在系统初始运行时，需要通过分析室外换热器1与空气的换热量，从而确定结霜临界值A，在其正常运行过程中，不需要反复计算换热量，只需测量温度这一指标，测量设备安装简易，系统初投资及运行费用低。

本发明基于EMF除霜判定方法，结合实际情况，充分考虑了多环路换热器的特点，可以有效避免多环路换热器结霜不均匀造成的误除霜问题。本方法与系统不需要设定时间参数，因而可以避免时间判定及温度-时间判定方法中遇到的“无霜而除霜”和“多霜而不除”的误除霜问题，避免了系统能量的浪费。

本发明通过温度的实时采集及其逻辑计算分析，可以实现多环路换热器结霜量的实时监控，有效降低了误除霜的概率。同时有助于系统实现供热模式与除霜模式的自动切换，自动化程度高，为产品智能化发展提供参考与借鉴。

本发明提供的空气源热泵多环路换热器除霜起始点判定系统基于温度测量，与现有的除霜起始点判定方法相比，测量器件类型单一、安装简单，初投资和运行成本低；通过各环路的温度监测及逻辑分析，可有效提高结霜监测准确度，避免无霜时候的误除霜和有霜时候的延时除霜现象；整个系统设计合理高效，不含产生附加阻力，所占空间小，安装后不会影响空气源热泵系统的正常运行；针对多环路换热器设计，可以有效避免不均匀结霜时的误除霜现象，具有很高的工程应用价值。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。