一种空气能热水器结霜程度预测方法与流程

1.本发明涉及热水器技术领域，特别涉及一种空气能热水器结霜程度预测方法。


背景技术：

2.空气能热水器因其具有高效、节能、环保的优势，广泛应用于家庭、企事业单位及小区楼栋的热水供应及冬季室内取暖。然而，在冬季使用过程中，由于室外温度较低，蒸发器换热装置铜管经常会结霜。一方面，结霜导致蒸发器换热效能急剧下降；另一方面，压缩机在温控调节器的控制下长时间处于满载甚至过载运行，效率、寿命及可靠性大大降低。目前，家用空气源热泵热水系统结霜判定主要是通过采集相对湿度变化和水温发生变化数据进行简单比较判定，导致结霜判定准确度偏低，甚至发生误判。因而，如何在低温、相对湿度高的环境下准确、可靠的判定结霜程度，为空气能热水器除霜操作提供准确数据，成为空气源热泵热水器行业共同的难题，也是关注的重点。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于，提供一种空气能热水器结霜程度预测方法。本发明可以精准判断机组结霜故障及程度，避免单个条件，简单判断方法导致的误判及失效，为空气能热水器除霜运行工况提供可靠参数。
4.本发明的技术方案：一种空气能热水器结霜程度预测方法，在空气能热水器处于结霜运行边界范围下，获取压缩机平均吸热效能以及相对湿度变化率，利用平均吸热效能获取第一结霜程度值，利用相对湿度变化率代入获取第二结霜程度值，计算第一结霜程度值和第二结霜程度值的平均值，并求解偏移程度，再判断偏移程度是否不大于设定阈值，如果是，则结霜程度等于平均值；如果否，则结霜结霜程度等于第一结霜程度值和第二结霜程度值中的最大值。
5.上述的空气能热水器结霜程度预测方法，所述压缩机平均吸热效能和相对湿度变化率的获取过程是在一个采样周期δt内分别获取压缩机的出风口处温度出风口处相对湿度风扇运行转速n
fan
、风扇截面积s
fan
和压缩机功率p
comp
；
6.根据风扇运行转速n
fan
和风扇截面积s
fan
计算风扇出口的空气流量：
[0007][0008]
根据空气密度ρ(t
amb
,h
amb
)和空气流量计算风扇出口的空气质量：
[0009]mair
＝ρ(t
amb
,h
amb
)
×qair
；
[0010]
根据空气比热容c(t
amb
,h
amb
)、空气质量m
air
、当天环境温度t
amb
和出风口处温度计算空气热量交换量：
[0011][0012]
以及平均热交换量：
[0013][0014]
根据压缩机的功率p
comp
计算压缩机的平均功率：
[0015][0016]
根据平均热交换量和压缩机的平均功率计算压缩机平均吸热效能：
[0017][0018]
根据环境相对湿度h
amb
和出风口处相对湿度计算相对湿度变化率：
[0019][0020]
前述的空气能热水器结霜程度预测方法，所述第一结霜程度值的获取是将平均吸热效能代入预测函数中计算得到。
[0021]
前述的空气能热水器结霜程度预测方法，所述第二结霜程度值的获取是将相对湿度变化率代入预测函数中计算得到。
[0022]
前述的空气能热水器结霜程度预测方法，所述偏移程度的计算公式如下：
[0023][0024]
式中；为偏移程度，为第一结霜程度值α(λh)和第二结霜程度值的平均值。
[0025]
与现有技术相比，本发明基于空气能热水器蒸发器低温大湿度工况时，其在结霜情况下热交换效能相较于正常运行时热交换效能显著下降的特征，通过获取压缩机平均吸热效能以及相对湿度变化率，利用平均吸热效能获取第一结霜程度值，利用相对湿度变化率代入获取第二结霜程度值，计算第一结霜程度值和第二结霜程度值的平均值，并求解偏移程度，由偏移程度进而判定空气能热水器蒸发器结霜程度，为除霜控制参数提供准确详实的数据。本发明可以精准判断机组结霜故障及程度，避免单个条件，简单判断方法导致的误判及失效，为空气能热水器除霜运行工况提供可靠参数。本发明具有可靠性高、实用性好、智能化程度高等优势。
附图说明
[0026]
图1为空气能热水器蒸发器部分结构图；
[0027]
图2为函数曲线示意图；
[0028]
图3为函数曲线示意图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
[0030]
实施例1：一种空气能热水器结霜程度预测方法，在空气能热水器处于结霜运行边界范围下，获取压缩机平均吸热效能以及相对湿度变化率，利用平均吸热效能获取第一结霜程度值，利用相对湿度变化率代入获取第二结霜程度值，计算第一结霜程度值和第二结霜程度值的平均值，并求解偏移程度，再判断偏移程度是否不大于设定阈值，如果是，则结霜程度等于平均值；如果否，则结霜结霜程度等于第一结霜程度值和第二结霜程度值中的最大值。
[0031]
实施例2：一种空气能热水器结霜程度预测方法，在空气能热水器处于结霜运行边界范围下，获取压缩机平均吸热效能以及相对湿度变化率，利用平均吸热效能获取第一结霜程度值，利用相对湿度变化率代入获取第二结霜程度值，计算第一结霜程度值和第二结霜程度值的平均值，并求解偏移程度，再判断偏移程度是否不大于设定阈值，如果是，则结霜程度等于平均值；如果否，则结霜结霜程度等于第一结霜程度值和第二结霜程度值中的最大值。
[0032]
本实施例的技术方案中相关变量定义如下：t
amb
为环境温度，h
amb
为环境相对湿度，出风口处温度为温度传感器t2测量值，出风口处相对湿度为湿度传感器h2测量值，n
fan
为风扇运行转速，s
fan
为风扇截面积，p
comp
为压缩机运行功率，ρ(t
amb
,h
amb
)为环境温湿度分别为t
amb
和h
amb
时空气的密度，c(t
amb
,h
amb
)为环境温湿度分别为t
amb
和h
amb
时空气的比热容，q
air
为δt时间内风扇空气流量，m
air
为δt时间内风扇空气质量，为δt时间内风扇空气热量交换量，为δt时间内风扇空气平均热量交换量，为δt时间内压缩机平均运行功率，为δt时间内压缩机平均吸热效能，λh为出风口空气相对湿度与环境相对湿度h
amb
的变化率，α为空气能热水器结霜程度，和分别为α与和λh的函数关系。σ为临界结霜条件下吸热效能阈值，ζ为结霜程度偏移度设定阈值；
[0033]
由物理学知识可知，在δt时间内，风扇鼓风空气流量q
air
满足：
[0034][0035]
对应的空气质量m
air
为：
[0036]mair
＝ρ(t
amb
,h
amb
)
×qair
；
[0037]
由热学原理可知，空气热量交换量为：
[0038][0039]
进而，平均热交换量为：
[0040][0041]
在δt时间内，压缩机的平均功率为：
[0042][0043]
所以，压缩机平均吸热效能为：
[0044][0045]
定义压缩机吸热效能偏离度为λ
δ
，则有：
[0046][0047]
定义风扇进出口空气的相对湿度变化度为λh，则有：
[0048][0049]
在公式求解出和λh，以及大数据算法或专家经验知识得出结霜程度α与和相对湿度变化率λh的函数关系和的基础上，即可得到结霜程度α，进而准确判定空气能热水器蒸发器结霜程度。为使本发明技术方法更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本技术各权利要求所要求保护的技术方案。
[0050]
图1所示为空气能热水器蒸发器部分结构图，冷媒循环回路包括：蒸发器、四通阀、气液分离器、压缩机、换热器、储液罐、膨胀阀、过滤器。冷媒循环部分实现能量交换。在制热工作模式时，其冷媒的循环顺序为箭头实线流向；在除霜工作模式时，其冷媒的循环顺序为箭头虚线流向。制热/除霜模式下冷媒流向的切换是通过控制四通阀实现。在制热工作模式，冷媒在蒸发器处吸收空气中的热能，成为低温低压气体。经压缩机压缩后，为高温高压气体，并流经热交换器，进行热交换。释放热能后，经过储液罐、膨胀阀和过滤器后再次回到蒸发器进行下一次热交换。在除霜工作模式，冷媒在热交换器处吸收热能，成为低温低压气体。经压缩机压缩后，为高温高压气体，并流经蒸发器，对铜管加热除霜。释放热能后，经过过滤器、膨胀阀和储液罐后再次回到热交换器进行下一次除霜热交换。
[0051]
结霜程度判定方法流程图，其步骤如下：
[0052]
(1)通过天气信息获取当天环境温度t
amb
、环境相对湿度h
amb
和已有的大数据经验知识，判断空气能热水器当前是否处于结霜运行边界范围；如果是，则进入结霜程度预测算法，即进入步骤(2)；否则，退出；
[0053]
(2)在δt时间内，分别获取出风口处温度出风口处相对湿度风扇运行转速n
fan
、风扇截面积s
fan
和压缩机的功率p
comp
；
[0054]
(3)依据公式计算风扇出口的空气流量和质量m
air
＝ρ(t
amb
,h
amb
)
×qair
；
[0055]
(4)依据公式计算空气热交换量及平均热交换量
[0056]
(5)计算压缩机的平均功率
[0057]
(6)计算压缩机平均吸热效能
[0058]
(7)将与临界结霜条件下吸热效能阈值σ比较，确定空气能热水器是否真处于结霜低效运行范围；如果是，进入步骤(8)；否则，退出；
[0059]
(8)计算相对湿度变化率
[0060]
(9)将代入结霜程度α与吸热效能之间的预测函数曲线得出第一结霜程度将λh代入结霜程度α与相对湿度变化率λh之间的预测函数曲线得出第二结霜程度α(λh)；
[0061]
本实施例中，图2为第一结霜程度与的函数关系图3为第二结霜程度与相对湿度变化率λh的函数关系由物理知识可知，结霜程度越严重，蒸发器的空气能交换越小，即越小，第一结霜程度越大。反之，第一结霜程度越轻，蒸发器的空气能交换越大，即越大，第一结霜程度越小。所以，为单调减函数。同理，结霜程度越严重，蒸发器的空气能交换之后相对湿度变化率越小，即λh越小，第二结霜程度越大。反之，结霜程度越轻，蒸发器的空气能交换之后相对湿度变化率越大，即λh越大，第二结霜程度越小。所以，也为单调减函数。在环境温度和环境相对湿度分别为t
amb
和h
amb
时，定义α＝0为的临界结霜状态，α＝1为最严重结霜状态。至于临界结霜和最严重结霜状态对应的具体数据指标，可以由厂家通过理论设计和实验数据分析得出，或者由专家经验知识甚至大数据智能分析得出。图2中的σ为临界结霜状态下的
吸热效能最大阈值，满足：λ
min
为最严重结霜状态下的吸热效能最小阈值，满足：由物理学知识可知，即便严重结霜状态，空气能热水器也会从空气中吸收微弱热能，所以α＝1对应的不是而是同理，图3中的为临界结霜状态下的空气相对湿度变化率的最大阈值，满足：为最严重结霜状态下的空气相对湿度变化率最小阈值，满足：同样由物理学知识可知，即便严重结霜状态，由于空气能热水器会从空气中吸收微弱热能，导致空气相对湿度变化程度较小，所以α＝1对应的不是λh＝0，而是
[0062]
(11)计算α(λh)和的平均值并求解偏移程度
[0063]
(12)判断偏移程度是否不大于设定阈值ζ，如果是，则结霜程度并退出；否则，进入步骤(13)；
[0064]
(13)取最大结霜程度这样判断是为保证空气能热水器在最恶劣结霜情况下仍能可靠工作，并退出。
[0065]
综上所述，本发明基于空气能热水器蒸发器低温大湿度工况时，其在结霜情况下热交换效能相较于正常运行时热交换效能显著下降的特征，通过获取压缩机平均吸热效能以及相对湿度变化率，利用平均吸热效能获取第一结霜程度值，利用相对湿度变化率代入获取第二结霜程度值，计算第一结霜程度值和第二结霜程度值的平均值，并求解偏移程度，由偏移程度进而判定空气能热水器蒸发器结霜程度，为除霜控制参数提供准确详实的数据。本发明可以精准判断机组结霜故障及程度，避免单个条件，简单判断方法导致的误判及失效，为空气能热水器除霜运行工况提供可靠参数。