一种除霜控制方法及空气源热泵系统与流程

本发明涉及一种除霜控制技术领域，具体地说，是涉及一种除霜控制方法及热泵热水器。

背景技术：

空气源热泵在冬季供热运行时，室外换热器通常要发生结霜现象，当霜层达到一定厚度时，需要对换热器进行除霜，目前应用最为广泛的除霜方法是室内/室外双温度－时间法，该方法简单、廉价、容易实施，但其应用在寒冷干燥工况（如华北地区）下，却经常出现误除霜事故，研究表明，在该工况下，“无霜除霜”事故占总除霜次数的比例高达70%，致使系统的有效供热量大幅损失，cop大幅下降，而且威胁机组的安全运行，系统运行的可靠性大大降低，还有一些其它除霜方法，如温度－湿度－时间、空气侧压差、风机电流－蒸发温度、激光测霜、光电耦合及转换方法等，这些方法由于不易实行、造价过高等原因导致其在实践中难以应用，所以研发简单可靠、成本低、无论什么环境都能实现“按需除霜”的除霜方法是非常有必要的，是空气源热泵高效可靠运行的重要保证。

技术实现要素：

本发明为了解决现有空气源热泵进入除霜条件判断不准确，容易出现误除霜故障，导致能量损失，同时威胁机组安全运行的技术问题，提出了一种除霜控制方法，可以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种除霜控制方法，包括以下步骤：

（1）、按照周期t检测靠近蒸发器冷媒入口位置处的空气温度ts、盘管温度tg以及远离蒸发器位置处的环境温度ta；

（2）、计算空气温度ts与盘管温度tg的差值△t1以及计算环境温度ta与空气温度ts之间的差值△t2；

（3）、若△t1不大于第一设定阈值且△t2不小于第二设定阈值，则执行除霜控制逻辑，否则，不执行除霜控制逻辑。

进一步的，步骤（1）之前，还包括检测蒸发器进风口处的空气湿度φ的步骤，并根据所述空气湿度φ确定周期t。

进一步的，根据所述空气湿度φ确定周期t的方法为：

当空气湿度φ＜m1时，周期t取值0，即不检测环境温度ts，

当m1≦φ＜m2时，周期t取值t1，

当m2≦φ＜m3时，周期t取值t2，

当m3≦φ＜m4时，周期t取值t3，

当φ≥m4时，周期t取值t4；

其中，0＜m1＜m2＜m3＜m4＜1，t1＞t2＞t3＞t4＞0。

进一步的，步骤（1）之前，还包括对系统运行时间计时的步骤，步骤（3）中若同时满足系统运行时间不小于第一设定时间，则执行除霜控制逻辑。

进一步的，步骤（3）中还包括判断当前空气温度ts的步骤，当ts同时满足一定条件时，系统才能进入除霜过程，否则，系统运行制热过程，若当前空气温度ts大于第一设定温度且小于第二设定温度，则系统进入除霜过程，其中，第一设定温度小于第二设定温度。

进一步的，若当前空气温度ts大于第三设定温度且当小于第四设定温度，系统进入除霜过程,则压缩机停止运行，蒸发器的风扇正常运行，其中，第三设定温度大于第一设定温度且小于第四设定温度。

进一步的，系统的除霜过程为逆循环除霜方式或热气旁通除霜方式时，还包括判断当前空气温度ts的步骤，若当前空气温度ts大于第五设定温度，则系统除霜过程结束，恢复正常的制热过程，其中，第五设定温度大于0。

进一步的，步骤（3）中系统进入除霜过程之后的第三设定时间内，还包括计算当前空气温度ts变化率的步骤，若当前空气温度ts变化率大于第二设定阈值，则系统退出除霜过程。

进一步的，当系统的除霜过程为逆循环除霜方式之外的其他除霜方式时，步骤（3）中进入除霜过程之后还包括对除霜时长进行计时的步骤，若除霜时长不小于第二设定时间，则系统退出除霜过程。

本发明同时提出了一种热泵系统，包括压缩机、蒸发器，所述蒸发器包括与所述压缩机连通的盘管以及与所述盘管固定的翅片，还包括第一温度传感器和第二温度传感器以及第三温度传感器，所述第一温度传感器设置于当制热模式时靠近蒸发器冷媒入口位置处，位于相邻两翅片之间，且所述第一温度传感器与所述翅片以及盘管均存在间隙，所述第二温度传感器设置在所述盘管上，用于检测盘管温度，所述第二温度传感器的周围设置有保温层，用于将其与周围环境空气隔绝，所述第三温度传感器用于检测环境温度，所述热泵系统按照前面任一条所记载的除霜控制方法进行除霜控制。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的除霜控制方法，通过检测靠近蒸发器冷媒入口位置处的空气温度ts，在系统制热运行且蒸发器表面发生结霜时，该位置处最后结霜，而该位置在未结霜前的温度接近于环境温度，盘管中流动着和环境空气换热的低温冷媒，所以测得的空气温度ts与盘管温度tg之间的温差△t1较大，与环境温度ta之间的差值的绝对值△t2较小，当出现结霜时，用于检测空气温度ts的传感器被被霜层覆盖，而霜层又与盘管紧密接触，所以所检测的空气温度ts骤降，其与盘管温度tg之间的差值△t1大幅减小，与环境温度ta之间的差值的绝对值△t2大幅增加，本方案以此判断靠近蒸发器冷媒入口位置处的结霜状况，当该位置出现了结霜时，说明整个翅片已经结满霜，然后控制系统进入除霜过程，本除霜控制方法的除霜判断机理是基于蒸发器结霜过程霜层的生长特点和分布规律，判断准确，能够实现“按需除霜”，不会出现现有的双温度传感器法在寒冷干燥环境下频繁出现误除霜的现象，大大提高了系统运行的能效比和可靠性。与其它激光探测、光电转换除霜方法相比，本发明结构简单，成本低，非常容易与现有的热泵系统结合推广使用。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

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是本发明所提出的除霜控制方法的一种实施例流程图；

图2是本发明所提出的热泵系统的一种实施例原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，空气源热泵在冬季环境温度较低工况下制热运行时，蒸发器的翅片管表面通常都会结霜，在结霜过程中，翅片表面霜层的分布情况与翅片管表面的温度有关，而翅片管表面的温度与冷媒的流动换热特性有关。研究表明，低温冷媒在管内流动时，由于管壁摩擦阻力的存在，冷媒的压力会逐渐下降，理论上，紊流时摩阻压降与流体速度的平方成正比，所以冷媒流速的变化对摩阻压降的影响非常大，而冷媒流速的变化与冷媒的气液比例有关，液体所占的比例越大（质量越大），冷媒流速越小（通常在0.5-1.0m/s之间），随着液态冷媒的吸热汽化，气体所占的比例逐渐增大，流速逐渐增加（通常在2.0m/s以上），冷媒的压力降逐渐增加，即冷媒的蒸发温度逐渐下降，对应于翅片管表面的温度也较低，越容易结霜，所以一般冷媒（液态）进口处所对应的翅片管温度较高，往往最后结霜，冷媒（气态）出口处所对应的翅片管温度较低，往往最先结霜，发明人前期做结除霜实验时蒸发器表面结霜不均的现象也证明了这一点。因此，本实施例通过检测靠近蒸发器冷媒入口位置处的空气温度ts，当该位置处未结霜时，空气温度ts接近环境温度，盘管中流动着和环境空气换热的低温冷媒，因此所测得的空气温度ts与盘管之间的温差较大，且与环境温度的差值较小，当出现结霜时，用于检测空气温度的传感器表面覆盖霜层，因此所检测的空气温度骤降，其与盘管温度之间的差值大幅减小，与环境温度之间的差值大幅增加，本方案以此判断靠近蒸发器冷媒入口位置处的结霜状况，由于靠近蒸发器冷媒入口位置最后结霜，若此处被判断为结霜说明整个翅片已经结满霜，遂控制系统进入除霜过程，具体的，本实施例的除霜控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

s1、按照周期t检测靠近蒸发器冷媒入口位置处的空气温度ts、盘管温度tg以及远离蒸发器位置处的环境温度ta；

s2、计算空气温度ts与盘管温度tg的差值△t1以及计算环境温度ta与空气温度ts之间的差值△t2；

s3、若△t1不大于第一设定阈值且△t2不小于第二设定阈值，则执行除霜控制逻辑，否则，不执行除霜控制逻辑。

如图2所示，本实施例中的蒸发器包括盘管11和固定在翅片11上的盘管12，在翅片11和盘管的一侧还设置有风机（图中未示出），翅片11和盘管12相互垂直组成翅片管，风机位于翅片11和盘管12的一侧，风机运行时抽吸空气流过翅片管结构，与盘管12里的低温冷媒换热，热泵系统制热过程中冷媒的流向如箭头所示，第一温度传感器13置于蒸发器最后结霜的位置，优选的，在靠近蒸发器冷媒入口位置处设置有第一温度传感器13，第一温度传感器13置于相邻两片翅片11的间隙中，且第一温度传感器13不与该位置的翅片11和铜管12相接触，盘管12上设置有第二温度传感器14，远离蒸发器位置处设置有第三温度传感器15，用于检测环境温度，第二温度传感器14用于检测盘管温度，第一温度传感器13所在的位置未结霜时，在风机的带动下空气流经此处，因此第一温度传感器13用于检测靠近蒸发器冷媒入口位置处的空气温度，其值ts与环境温度ta接近，二者之差的绝对值△t2一般为0~2℃，与盘管温度tg的差值△t1较大，一般为7~12℃，当该位置结霜时，霜层将空气流通的通道堵塞，第一温度传感器被霜层覆盖，所检测的温度为霜层的温度，而霜层又与盘管紧密接触所以其值与盘管温度tg之间的差值△t1大幅减小，一般为1~3℃，优选的，第一设定阈值取2℃，与环境温度ta之间的差值的绝对值△t2大幅增加，一般为5~10℃，优选的，第二设定阈值取5℃。本实施例的第一温度传感器13不同于现有的的环境温度传感器，由于其设置的特殊位置，所检测的温度变化能够直接反应蒸发器是否结满霜，而现有环境温度传感器远离蒸发器且位置任意，其无论在蒸发器的任何状态下，检测的均是用于反应蒸发器进风温度的环境温度。

本实施例中除霜控制方法的除霜判断机理是基于蒸发器结霜过程霜层的生长特点和分布规律，判断准确，能够实现“按需除霜”，不会出现现有的双温度传感器法在寒冷干燥环境下频繁出现误除霜的现象，大大提高了系统运行的能效比和可靠性。与其它激光探测、光电转换等除霜控制方法相比，本发明结构简单，成本低，非常容易与现有的热泵系统结合推广使用。

作为一个优选的实施例，根据所述空气的相对湿度φ确定周期t的方法为：

当相对湿度φ＜m1时，周期t取值0，即不检测环境温度ts，

当m1≦φ＜m2时，周期t取值t1，

当m2≦φ＜m3时，周期t取值t2，

当m3≦φ＜m4时，周期t取值t3，

当φ≥m4时，周期t取值t4；

其中，0＜m1＜m2＜m3＜m4＜1，t1＞t2＞t3＞t4＞0。

研究表明，空气的相对湿度对结霜速率有着显著的影响，相对湿度越大，结霜速率越快，对应于温度传感器对于温度检测的检测周期越短，我国不同地区的湿度不一样，同一地区每一天的湿度也是变化的，因此，本步骤通过检测蒸发器进风口处空气的相对湿度φ，并根据所述相对湿度φ确定检测周期t，以使得检测周期t适用于任何地区、任何湿度工况下工作，从而提高本控制方法的精确性。

上述空气的相对湿度与检测周期的对应关系可做成查找表的方式存入存储器，系统制热运行时，湿度传感器时时检测空气的相对湿度，并查找当前湿度所对应的温度检测周期t。优选的，m1取50%，t取0；m2取65%，t取10分钟；m3取80%，t取7分钟；m4取95%，t取4分钟。

作为一个优选的实施例，步骤s1之前，还包括对系统连续制热运行时间计时的步骤，其中系统是指空气源热泵系统，步骤s3中，若步骤s2中的温度差值不大于第一设定阈值且系统连续制热运行时间不小于第一设定时间，则系统进入除霜过程。由于结霜速率的快慢与空气湿度有直接关系，研究表明，空气的相对湿度越大，结霜速率越快，但即使在相对湿度大于95%的工况下，蒸发器表面结满霜也得40分钟以上，所以优选的，第一设定时间可设定为40分钟，也就是说，系统至少要连续制热运行40分钟才能发出除霜指令，从而进一步提高本除霜控制方法的精准性。

除霜方式有多种，如逆循环除霜、热气旁通除霜、电加热除霜等，无论采用何种除霜方式，采用本除霜控制方法作为系统判断进入除霜的条件时，均属于本专利的保护范围。

步骤s3中还包括判断当前空气温度ts的步骤，若同时满足当前空气温度ts大于第一设定温度且小于第二设定温度，则系统进入除霜过程。研究表明，蒸发器在环境温度-10℃~5℃之间时才有可能结霜，超出这个范围基本不会结霜，相应的霜层温度为-15℃~0℃，优选的，第一设定温度可设定为-15℃，第二设定温度可设定为0℃，步骤s3中可能是存在其他意外状况导致不同时刻所检测的空气温度差满足了进入除霜过程的条件，从而引发误除霜，本步骤通过进一步条件判断解决了这一问题，从而提高了本除霜控制方法的精准性。

若当前空气温度ts大于第三设定温度且当小于第四设定温度，则压缩机停止运行，蒸发器的风扇正常运行，优选的，第三设定温度为-5℃，第四设定温度为0℃，即当环境温度在1℃~5℃之间（相应的霜层温度为-5℃~0℃）时，本发明利用环境中的热量自然融霜，可大大减少除霜能耗（除霜能量仅为风机的耗功，非常少）。

当系统除霜过程为逆循环或热气旁通除霜方式时，还包括判断当前空气温度ts的步骤，除霜过程中，随着温度传感器周围霜层的融化，空气温度开始升高，当温度超过第五设定温度时，说明蒸发器表面的霜层已经全部融化，即除霜过程结束。根据经验，优选的，第五设定温度可取20℃。

系统进入除霜过程（逆循环或热气旁通除霜方式）之后的第三设定时间内，还包括计算当前空气温度ts变化率的步骤，若当前空气温度ts变化率大于第二设定阈值，则系统退出除霜过程。当系统发生误除霜时，由于第一温度传感器13周围没有霜，因此温度在很短的时间内就会升的很高，优选的，5s内升高20℃，即第二设定阈值为4，该步骤可有效解决系统因发生误除霜而出现故障的问题。当除霜过程为非逆循环和热气旁通除霜的其它除霜方式时，步骤s3中进入除霜过程之后还包括对除霜时长进行计时的步骤，若除霜时长不小于第二设定时间，则系统退出除霜过程，恢复正常的制热过程。该类除霜方式可通过固定除霜时长，经实验验证满足一定的除霜时长时，蒸发器表面的霜层基本上能够除去。第二设定时间可根据经验值设定，例如，可设定10分钟，当然，可根据实际状况设定，不限于本实施例中所举例。

只有空气源热泵系统在制热模式下，且室外环境温度处于一定范围（一般为-10℃~5℃）时，才有可能结霜，也即才需要除霜控制，因此，步骤s1之前，还包括判断当前运行模式的步骤，若判断为当前运行模式为室内制热模式，则执行步骤s1～s3。否则，不为室内制热模式，相应无需执行步骤s1～s3，此时所检测的空气温度ts可作为室外环境温度为系统所使用。

实施例二，本实施例提出了一种空气源热泵系统，包括压缩机、蒸发器，蒸发器包括盘管11和固定在翅片11上的盘管12，在翅片11和盘管的一侧还设置有风机（图中未示出），翅片11和盘管12相互垂直组成翅片管，风机位于翅片11和盘管12的一侧，风机运行时抽吸空气流过翅片管结构，与盘管12里的低温冷媒换热，热泵系统制热过程中冷媒的流向如箭头所示，在靠近蒸发器冷媒入口位置处设置有第一温度传感器13，盘管12上设置有第二温度传感器14，第二温度传感器14的感温面与盘管紧密贴合，用于检测盘管温度，第二温度传感器14的周围设置有保温层17，用于将其与周围环境空气隔绝，防止其检测温度受到环境温度的干扰，保温层17可采用具有保温功能的材质实现，如保温棉等，远离蒸发器位置处设置有第三温度传感器15，用于检测环境温度，第二温度传感器14用于检测盘管温度，第一温度传感器13置于蒸发器最后结霜的位置，第一温度传感器13置于相邻两片翅片11的间隙中，且第一温度传感器13不与该位置的翅片11和铜管12相接触，所述湿度传感器设置于所述蒸发器的进风口处，所述热泵系统按照前面任一条所记载的除霜控制方法进行除霜控制。

蒸发器进风口处设置有湿度传感器16，用于检测蒸发器进风口处的空气湿度φ，用于确定周期t。

对于本领域的普通技术人员应当知晓，一般风冷蒸发器的制冷剂流程分为多路，而图2给出的仅是一路制冷剂的流程及相应的翅片管结构，本发明实际应用到大小不同的蒸发器中时，温度传感器所放的的位置也会有所不同，如现有的小型家用热泵空调器的制作厂家为了节省成本，蒸发器的分液一般都是使用多个三通并联分液（正常是使用专用的分液器分液，但价格较贵，一般都是大型机组用），所以会导致分液不均，即每一路的制冷剂流量不同，加之蒸发器表面的局部风量会有所不同（风机结构的影响）的综合影响，最终导致了中部和上部最后结霜，发明人做的实验结果也证明了这一点，所以本发明提供的除霜控制方法主要应用在小型家用空调器上时，温度传感器优选的放在蒸发器的中部和上部，对于其他类型的机组，可根据蒸发器的实际结霜情况将温度传感器设置在最后结霜的位置。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。