一种适于预测空气源热泵结霜程度的多区域结霜图谱的开发方法与流程

本发明涉及一种适于预测空气源热泵结霜程度的多区域结霜图谱的开发方法，属于预测空气源热泵结霜程度技术领域。

背景技术：

空气源热泵的除霜问题在实际运行中是不可避免的。理想的除霜是“按需除霜”，由于结霜是一个复杂的传热、传质过程，实际运行中机组很难判断出准确的除霜开始时刻，从而导致“无霜除霜”和“有霜不除”的“误除霜”事故频繁发生。“误除霜”问题至今难以得到有效的解决，主要原因包括：1)直接测霜技术难以实现；2)间接测霜方法尚不准确且不能适用于不同地域、不同的气象条件；3)结霜区域的研究尚不完善。详细的结霜区域图谱能够反映不同气象条件下，空气源热泵的结霜情况。该图是指导开发适用于不同地域、不同气象条件下的除霜控制方法的基础。

然而目前关于结霜区域图的研究存在以下问题：1)明确空气源热泵可能的结霜范围，但是仍然不够详细，尚不足以指导空气源热泵除霜控制的设计及开发；2)结霜区域图较为粗略，只标出了可能的结霜范围，而具体的结霜速率不能够从图中得出；3)得出的结霜图谱源自模拟，缺乏实测和实验验证。由于直接测霜和间接测霜技术的限制，对结霜区域的开发就尤为重要。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术中的缺点，开发出一种适于预测空气源热泵结霜程度的多区域结霜图谱，该图谱通过理论分析与实验验证等方法开发得出，用于综合反映和预测空气源热泵机组的结霜程度，结霜速率等对除霜控制尤为重要的参数。

为解决上述技术存在的问题，本发明采用下述技术方案：

一种适于预测空气源热泵结霜程度的多区域结霜图谱的开发方法，其特征在于：多区域结霜图谱包括横坐标空气温度、纵坐标空气相对湿度、临界结霜线、临界结露线、四条等结霜速率曲线。临界结露线将整个图谱分为上下两部分，临界结露线的下侧为非结霜区，临界结露线的上方有一条与纵坐标平行且下端终于临界结露线的临界结霜线；在临界结露线上面，临界结霜线的左边为结霜区，右边为结露区；在结霜区有四条等结霜速率曲线，将结霜区分为五个区域，每个区域结霜速率相似；

首先确定结霜图谱横、纵坐标的范围；根据结露、结霜的条件，以及空气的温、湿度绘制出等露点温度线；再通过对空气源热泵的现场实测与数据分析得出盘管温度与空气温度的对应关系，结合结霜、结露的条件确定出临界结露线和临界结霜线；再根据结霜轻重程度，以等结霜速率曲线，将结霜区进一步划分为轻霜区、一般结霜区、重霜区等多个区域，生成多区域结霜图谱；

图谱中的临界线，其描述方程分别为：

临界结霜线：T_a＝x，5℃≤x≤12℃

等结霜速率曲线A:RH_A＝k_1A+k_2AT_a+k_3AT_a²；

等结霜速率曲线B：RH_B＝k_1B+k_2BT_a+k_3BT_a²；

等结霜速率曲线C：RH_C＝k_1C+k_2CT_a+k_3CT_a²；

等结霜速率曲线D：RH_D＝k_1D+k_2DT_a+k_3DT_a²；

临界结露线(相同结霜速率临界线E)：RH_E＝RH_x–k_3ET_a+k_3ET_a²，35.52≤RH_x≤45.25；上式中的RH与T_a均为无量纲参数。

其中：

1)图谱的临界结霜线会随着空气源热泵主机的不同而发生相应的变化。由于主机的不同，当机组的换热温差偏大时，临界结露线下移，反之则上移，但是总体趋势基本相同；如下的区域为：

上限方程：RH＝45.25-0.66T_a+0.0157T_a²；

下限方程：RH＝35.52-0.66T_a+0.0157T_a²；

2)临界结霜线会随着主机的不同以及地域的气候特征而变动，但是变动范围的左限值为5℃，右限值为12℃。

本发明提供的一种适于预测空气源热泵结霜程度的多区域结霜图谱的开发方法，包括如下步骤：

1)以目前空气源热泵主要适用的温度范围将结霜图谱横坐标(空气温度)下限定为-15℃，上限可根据条件设定，一般在6～12℃；纵坐标取空气相对湿度的范围为0～100％；

2)根据结露和结霜的条件，利用空气的温度和相对湿度计算出结霜图上任意一点的露点温度，再把露点温度相等的线连接起来形成等露点温度线，如图1；

3)根据换热温差与盘管温度和空气温度的关系，对空气源热泵进行现场测试以及数据的统计学分析，得出盘管温度T_w与空气温度的T_a的计算线性关系式为：T_w＝(1-k₂)T_a-k₁；

4)根据3)中的关系式，任取一个T_a均可得出一个T_w，找到同T_w相等的等露点温度线与此空气温度T_a的交点即为临界结露点，在图谱中将所有的临界结露点连接起来得出临界结露线；根据换热器表面是否明显发生结霜现象，以现场测试的方法确定出图谱的临界结霜线。此时图谱包括三个区域：非结霜区、结露区与结霜区；

5)利用冷平板结霜特性预测模型以及线性拟合，在结霜区内，将结霜速率相同的点拟合、连接后形成四条等结霜速率曲线，结霜区从上往下被细化为(A)、(B)、(C)、(D)、(E)五个区域：当空气源热泵机组分别在每一个结霜区域内运行时，其室外换热器的结霜速率是相似的，并且从上往下的(A)、(B)、(C)、(D)、(E)五个结霜区域的结霜速率逐渐降低。即机组在结霜区域(A)中运行时，其室外换热器表面的结霜速率是最快的，相反，在结霜区域(E)中运行时，结霜速率最慢。

6)实验测试验证图谱各个区域的结霜情况，得出最终图谱。

本发明的有益效果是：(1)具有良好的适用性，不受地域和气象条件限制；(2)可有迅速、简便的判断空气源热泵的结霜情况；(3)为除霜控制方法的改进和开发提供了指导，促进减少“误除霜”事故的发生；(4)为空气源热泵的设计提供参考。

附图说明

图1是本发明中的包含等露点温度线的结霜图谱；

图2是本发明开发的多区域结霜图谱；

图中，结霜区有(A)——重霜区；(B)、(C)——一般结霜区；(D)、(E)——轻霜区；结霜速率：S_(A)＞S_(B)＞S_(C)＞S_(D)＞S_(E)；

非结霜区——位于临界结露线之下(T_w>T_d)。当空气源热泵机组在此区域内运行时，其室外换热器表面将保持干燥，不会发生结露现象；

结露区——位于临界结露线之上，且在临界结霜线的右方(T_w<T_d且T_w>T_f)。当空气源热泵机组在此区域内运行时，其室外换热器表面将发生结露现象；

图3是本发明实施例现场实测图谱：T_x＝11.5℃，临界温度线T_a＝6℃。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

确定图谱的范围：图1中，根据空气源热泵主要适用的温度范围以及无采暖季地区的空气源热泵供暖的温度条件(以半月平均温度作为分界线)，将结霜图谱的横坐标(空气温度)范围定为-15℃～11.5℃，纵坐标取空气相对湿度的范围为0～100％；

确定临界结露线：利用空气的温度和相对湿度计算出结霜图上任意一点的露点温度，再把露点温度相等的线连接起来形成等露点温度线；再根据盘管温度T_w与空气温度的T_a的计算关系式T_w＝(1－k₂)T_a－k₁，选定一台空气源热泵，现场测试得出主机对应的k₁＝10.26，k₂＝0.17；任取一个空气温度就可以得出一个盘管温度T_w，按上述方法找出临界结露线；

确定临界结霜线：针对选定的空气源热泵，以换热器表面明显发生结霜现象为依据，经过现场实测得对应的空气温度T_a＝6℃，将其作为临界结霜线；

结霜区五线(曲线A～曲线E)的确定：通过建立准确且通用性较强的冷平板结霜特性预测模型，模拟分析结霜区内不同工况下冷表面的结霜速率；利用线性拟合，将结霜速率相同的点拟合成曲线，形成等结霜速率曲线A、B、C、D。最后现场实测验证图谱的正确性。图中的各线方程如下：

临界结霜线：T_a＝6℃；

分割曲线A:RH_A＝82.64-1.84T_a+0.1189T_a²；

分割曲线B：RH_B＝69.28-1.09T_a+0.0698T_a²；

分割曲线C：RH_C＝58.29-0.85T_a+0.065T_a²；

分割曲线D：RH_D＝50.16-0.54T_a+0.063T_a²；

临界结露线(曲线E)：RH_E＝44.27-0.66T_a+0.0157T_a²；

以上内容中，各符号代表的意义如下：