空氣源熱泵除霜控制方法研究現(xiàn)狀及展望

王灃浩 馬龍霞 王志華 樓業(yè)春 劉孜璇

(1 西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院 西安 710049；2 西安交通大學建筑節(jié)能研究中心 西安 710049)

空氣源熱泵因高效、節(jié)能、環(huán)保而被廣泛應用，但冬季制熱當室外空氣溫度較低且濕度較大時易出現(xiàn)結霜現(xiàn)象。結霜后機組換熱惡化，供熱量驟減，甚至停機。因此必須適時除霜，以保證系統(tǒng)高效運行。除霜是利用電流、振動等方式在霜層周圍構建電場、磁場使霜的結構變得脆弱，易于與室外蒸發(fā)器外表面分離；或在室外蒸發(fā)器表面設有特殊涂層，使霜不易附著在蒸發(fā)器表面，該技術也稱為抑霜。還可以通過電加熱、制冷劑逆循環(huán)、熱氣旁通、相變材料(PCM)蓄能等方法來化霜。抑霜與除霜方法具體做法如表1所示。空氣源熱泵在實際除霜時由于除霜起止點的選擇不當所導致的“誤除霜”故障時有發(fā)生，除霜過早會導致除霜操作頻繁，增大功耗；除霜過晚會導致機組制熱量下降，室內(nèi)熱舒適性變差[1]。Wang W.等[2]發(fā)現(xiàn)采用確定的時間段除霜，近68%的除霜是非必要的，且導致系統(tǒng)COP降低40%以上。Wang W.等[3]還對兩種典型的“誤除霜”現(xiàn)象進行了實驗研究，第一種是空氣源熱泵結霜后一個多小時才開始除霜，機組COP和制熱能力分別降低了17.4%和29%；第二種是空氣源熱泵在運行6 h內(nèi)未結霜而除霜3次，制熱效率下降4.2%。所以，最佳除霜控制點的合理選擇對機組的穩(wěn)定性、節(jié)能性起著關鍵的作用。本文總結和分析了現(xiàn)有除霜控制方法，指出現(xiàn)有除霜控制方法的局限性，分別從人工智能除霜控制方法的研究，抑霜技術與除霜控制方法的結合，除霜控制方法的評價體系方面對今后的研究方向作出展望。

表1 抑霜和除霜方法Tab.1 Methods of inhibiting frosting and defrosting

1 直接測量霜厚的除霜控制方法

霜層厚度是影響空氣源熱泵結霜性能最重要、最直接的因素，若可以準確測量，可以為除霜控制點的選擇提供可靠依據(jù)。

1.1 激光測厚

激光測厚技術是利用兩個激光位移傳感器上下對射，分別測量霜層上表面和下表面的位置，通過計算得到霜層厚度。激光測厚的優(yōu)點在于它采用的是非接觸式測量，相對接觸式測厚儀更精準，且不會因為磨損而損失精度。董金锠等[4]用激光測厚技術對蒸發(fā)器的結霜速率進行了實時測定。Qu Kaiyang等[5]通過激光測厚儀觀察到，霜層存在緩慢增長和急劇增長交替出現(xiàn)的規(guī)律。

1.2 顯微成像

顯微成像技術是通過顯微攝相機獲取結霜高清二維圖像，再利用圖像處理技術對結霜圖像進行處理，輸出霜層厚度的方法。吳曉敏等[6]利用放大倍數(shù)為175的顯微鏡頭，觀測到結霜并非簡單的水蒸氣凝華過程，而是經(jīng)歷了水珠生成、長大、凍結、霜晶生成和成長的多姿多態(tài)的過程。Wang Chichuan等[7]利用顯微攝像機觀察霜分子結構，發(fā)現(xiàn)在有電場干擾時霜分子被拉向電極，細且脆弱。

1.3 探針測微儀

探針測微儀測霜層厚度技術是利用探針與霜層表面間的原子發(fā)生相互作用，掃描獲得霜層三維圖像的方法。張海英等[9]利用CSMP2000掃描探針顯微鏡觀測鋁和銅表面的結霜過程，發(fā)現(xiàn)鋁表面較銅表面光潔度好，霜沉降量小。M.Fossa等[10]利用探針測微儀研究霜層生長規(guī)律，發(fā)現(xiàn)霜層厚度的最大值一般出現(xiàn)在空氣相對濕度較大的地方。

1.4 光-電轉換

光-電轉換是通過輸出電壓感應光強變化，當光束沒有被霜層阻擋(無霜時)輸出低電壓；若光束被霜層阻擋(有霜時)輸出高電壓，整個過程以光為媒介實現(xiàn)電-光-電的轉換與傳輸。J.S.Byun等[11]利用光電傳感器進行除霜控制研究，發(fā)現(xiàn)光電轉換方法比時間除霜控制法制熱量高5.5%；在霜層對室外蒸發(fā)器盤管的覆蓋率小于45%時除霜效率最高。Ge Yijing等[12]提出了利用管狀光電傳感器的除霜控制方法，并通過研究表明應在室外換熱器表面大部分已被霜覆蓋，壓縮機吸氣溫度降低9 ℃，排氣溫度提高16 ℃，制熱量下降30%時開始除霜。

1.5 圖像處理

利用圖像處理技術進行除霜控制的過程包括，結霜圖像采集、目標區(qū)域設置、灰度分析、邊緣確定、霜層厚度輸出。韓勇等[13-14]利用圖像處理技術研究除霜控制點，引入室外換熱器翅片表面結霜程度系數(shù)P，并以P為0.5和0.08做為除霜啟停的判定條件。

直接測量霜層厚度的除霜控制方法充分利用了結霜時霜層先緩慢生長后急劇增長的規(guī)律，根據(jù)霜層厚度變化判斷空氣源熱泵運行特性，確定除霜的起始點，各方法的特點如表2所示。該方法精確度較高，但易受操作空間、環(huán)境條件、造價等因素制約，難以應用于實際工程。

表2 直接測量霜層厚度的除霜控制方法Tab.2 Defrost control methods for measuring frost thickness directly

2 間接監(jiān)測結霜程度的除霜控制方法

間接監(jiān)測結霜程度的除霜控制方法是通過監(jiān)測空氣溫度、濕度等結霜因素的變化，判斷結霜程度，確定除霜的起始點；通過蒸發(fā)溫度、制熱量等機組性能指標變化判斷除霜程度，確定除霜的結束點。

2.1 基于結霜因素

1)定時除霜控制法

定時除霜控制法是通過固定壓縮機運行時間和除霜時長進行除霜控制，通常每60～90 min為一個除霜周期[15]。定時除霜法一般考慮了最惡劣的天氣情況，因此無霜除霜故障時有發(fā)生。Song Mengjie等[16]根據(jù)空氣源熱泵在不同結霜量下的機組性能(圖1)，對定時除霜控制進行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當結霜量為933 g時開始除霜，除霜效率最高。

圖1 結霜量、除霜效率隨時間的變化[16]Fig.1 The variation of frosting quantity and defrosting efficiency with time[16]

2)溫度除霜控制法

溫度除霜控制法是通過監(jiān)測蒸發(fā)器表面溫度及其變化率確定除霜起止點的方法。M.H.Kim等[17]基于溫度除霜控制法，定性測量蒸發(fā)器表面溫度的變化趨勢，通過有效質(zhì)量流分數(shù)(假設流經(jīng)蒸發(fā)器的空氣只有一部分被冷卻，其余維持進口溫度)進行除霜控制，發(fā)現(xiàn)溫度法比定時法誤除霜率誤差減少了40%。Song Mengjie等[18]為了確定最佳的除霜結束管壁溫度，采用逆循環(huán)除霜方法對一個多回路室外制冷劑循環(huán)的空氣源熱泵機組進行實驗研究，測得室外制冷劑出口管壁最低溫度如圖2所示。將整個實驗時間用5個階段6個節(jié)點表示，并通過分析對應時間段內(nèi)翅片表面溫度、壓縮機運行時間、盤管表面入口和出口溫度等，得出除霜結束時管壁溫度范圍為20～25 ℃，22 ℃左右最佳。

圖2 室外制冷劑出口管壁最低溫度[18]Fig.2 Minimum temperature of outdoor refrigerant outlet wall[18]

3)溫度-時間除霜控制方法(T-T)

單獨基于時間或溫度的除霜控制方法可能會導致在室外蒸發(fā)器表面未結霜或微結霜時除霜，在必要時卻不進行除霜。溫度-時間(Temperature-Time，T-T)除霜控制方法是根據(jù)室外換熱器盤管表面溫度和壓縮機運行時間兩個參數(shù)來進行除霜控制。王偉等[19]利用T-T法對5組空氣源熱泵進行除霜實驗，發(fā)現(xiàn)在相同工況，5組機組均存在最佳除霜周期；在不同結霜工況，機組的最佳除霜周期會發(fā)生變化。朱佳鶴等[20]對北京地區(qū)利用T-T法進行除霜控制的空氣源熱泵進行了連續(xù)60天的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在此期間測試機組共除霜1 737次，其中1 211次為無霜除霜，有效供熱量損失占總供熱量的3.5%。

4)溫差-時間除霜控制法

溫差-時間除霜控制方法的提出緣于機組在冬季制熱時室外盤管換熱器內(nèi)的制冷劑和室外空氣之間會保持一定的溫差。盤管表面結霜后，進風溫度和盤管溫度差值增大，當該溫差達到機組溫差設定值且距上一次的除霜間隔也已達到設定值，機組進入除霜模式。當盤管溫度上升至設定值或除霜時間達到設定的最長除霜時間時除霜結束。

5)溫度-濕度-時間除霜控制方法(T-H-T)

溫度-濕度-時間(Temperature-Humidity-Time,T-H-T)除霜控制法是在T-T法的基礎上考慮了室外空氣濕度對結霜的影響。首先需要確定機組運行工況所在的結霜區(qū)域，然后根據(jù)結霜圖譜[21](圖3)推薦的不同結霜區(qū)域對應的除霜時間確定除霜起始點，通過蒸發(fā)器盤管表面溫度變化確定除霜結束點。王偉等[22]通過實驗對比T-H-T和T-T除霜控制方法，發(fā)現(xiàn)T-H-T能有效避免誤除霜，并使機組COP提升12%。Zheng Xuejing等[23]將T-H-T與圖像處理技術結合，提出了溫度-濕度-圖像處理(Temperature-Humidity-Image，T-H-I)除霜控制方法，用結霜系數(shù)P表征結霜程度，P=0.3除霜開始，P=0.05除霜結束。

圖3 空氣源熱泵結霜區(qū)域圖[21]Fig.3 Frosting map for air source heat pump[21]

6)空氣壓差除霜控制法

結霜時，室外換熱器的空氣流通阻力隨著霜層厚度的增加而增大，相應的換熱器進出風口的壓差增大。Y.Chung等[24]實驗研究了壓差傳感器除霜控制法的可行性，發(fā)現(xiàn)壓差傳感器的最佳位置為5和6點的平均值(圖4所示為室外蒸發(fā)器側視圖及壓差傳感器位置)，利用壓差除霜控制法的除霜時間均方根誤差為6.4%，制熱量均方根誤差為5.1%，且該方法對換熱器和風機規(guī)格相差較小的不同空氣源熱泵具有很好的適應性。

圖4 室外蒸發(fā)器側視圖及壓差傳感器位置[24]Fig.4 Outdoor evaporator side view and position of differential pressure sensor[24]

2.2 基于機組性能指標變化

1)最大平均制熱量、平均性能最優(yōu)

在一個制熱周期(制熱時間τ+除霜時間τd)內(nèi)，B時刻內(nèi)的平均供熱量為累計供熱量(面積OAB)與時間B的比值，所以在平均制熱量最大的點(D點)除霜可以保證機組有最大的平均制熱能力[25](圖5所示為空氣源熱泵平均制熱量變化)。該方法理論意義較強，但機組在實際運行時平均制熱量最大的點很難確定。邢震等[26]提出了一種基于平均性能最優(yōu)的空氣源熱泵除霜控制方法，通過實驗測量分析了空氣源熱泵在整個結除霜循環(huán)中的總耗功、總制熱量以及平均COP的變化。實驗結果表明，當空氣源熱泵機組選擇以性能惡化點作為除霜開始時刻時，系統(tǒng)在整個結除霜循環(huán)中平均COP達到最大。

圖5 空氣源熱泵平均制熱量變化[25]Fig.5 Variation of average heat of air source heat pump[25]

2)制冷劑過熱度除霜控制法

空氣源熱泵結霜后，制冷劑從空氣側吸收的熱量減少，室外換熱器內(nèi)制冷劑氣態(tài)飽和點向室外換熱器出口移動，導致制冷劑過熱區(qū)減小，出口制冷劑過熱度(由室外換熱器出口處制冷劑壓力對應的飽和溫度和制冷劑溫度計算)得到降低。Jiang Yiqiang等[27]提出了一種基于制冷劑過熱度的除霜控制方法，為了驗證該控制方法的有效性，進行了模擬結霜和除霜工況的實驗研究。實驗結果表明，采用制冷劑過熱度除霜控制方法可以實現(xiàn)在熱泵機組運行性能迅速惡化之前啟動除霜，更為合理。

上述間接監(jiān)測結霜程度的除霜控制方法的特點如表3所示，該方法無需專門測量霜層厚度的附加設備，僅通過影響結霜的因素和結霜后機組的制熱量、性能等的變化可以判斷結霜情況。從最早的機械式定時除霜控制法，到考慮環(huán)境溫度和濕度、制冷劑過熱度等參數(shù)變化的控制方法提出，學者們對除霜控制方法的研究愈發(fā)深入。我國幅員遼闊、區(qū)域之間的氣候差異大，且目前市場商用空氣源熱泵大多采用該方法，以溫度-時間控制法最為普遍，但空氣源熱泵設備規(guī)格不一，除霜控制方法的除霜起止條件設定值與室外氣象參數(shù)、設備規(guī)格(如換熱器大小)的關系值得被關注，以提高該方法的氣候適用性和設備適用性。

表3 間接監(jiān)測結霜程度的除霜控制方法Tab.3 Defrosting control method for indirect monitoring of frosting degree

3 基于智能算法的除霜控制方法

隨著科技的進步，除霜控制方法也日趨智能化，基于智能算法的除霜控制方法是輸入室外空氣溫度、濕度、壓縮機運行時間等變量，通過一定的算法和除霜控制規(guī)則輸出除霜控制條件，控制除霜動作的啟停。

3.1 自修正

自修正除霜控制方法是通過輸入變量(最小熱泵工作時間等)，根據(jù)提前設定好的除霜控制規(guī)則輸出除霜結果并評價，根據(jù)評價結果對除霜控制規(guī)則進行自修正，如模糊自修正、溫差自修正。該方法是在間接監(jiān)測結霜程度除霜控制方法的基礎上通過智能算法實現(xiàn)自校正的一種智能化除霜控制方法。王鐵軍等[28]在不同環(huán)境條件下對比溫差法和模糊自修正方法，發(fā)現(xiàn)模糊自修正除霜控制技術對環(huán)境有廣泛的適應性和良好的工作性能。曾曉程等[29]也表示，溫差自修正除霜控制方法已應用于揚子空調(diào)器公司的24、48、72匹空氣能熱泵冷熱水機組和全部熱泵型空調(diào)器產(chǎn)品，在性能優(yōu)化和能效等級提升中產(chǎn)生積極效果。

3.2 模糊智能控制

模糊智能除霜控制方法是將表征結霜程度和除霜情況的參數(shù)(室外空氣溫濕度、壓縮機運行時間)等作為輸入變量，通過對輸入變量的模糊化處理及模糊推理后，根據(jù)除霜效果判斷模糊控制規(guī)則是否合適，若不合適修改規(guī)則。如此周期性不斷循環(huán)，最大限度保證除霜系統(tǒng)根據(jù)運行狀況進行適時除霜。江樂新等[30]設計了空氣源熱泵熱水機組模糊除霜控制除霜方案，從輸入量模糊化模塊、模糊推理模塊、除霜控制模塊、除霜監(jiān)控、規(guī)則調(diào)整模塊等方面對模糊除霜控制器進行了深入研究。并通過實驗發(fā)現(xiàn)，模糊除霜控制有助于空氣源熱泵熱水機組除霜性能的改進和提升。胡斌等[31]采用智能除霜技術，通過分析環(huán)境溫度、蒸發(fā)溫度、回水溫度的變化特點，智能分區(qū)，精確選擇合適的除霜方案，確保除霜效果的同時最大程度減小對末端供熱的影響。

3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡

利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行除霜控制，是通過設置神經(jīng)網(wǎng)絡輸入變量，建立基于某種算法的神經(jīng)網(wǎng)絡結霜量、除霜時長、除霜間隔等預測模型，以此確定除霜起止點，來實現(xiàn)合理的除霜自動控制。申江等[32]將室外空氣物性參數(shù)、風機運行時間作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入變量，建立基于BP算法訓練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡結霜量預測模型，并利用相關實驗數(shù)據(jù)進行模型訓練與測試，發(fā)現(xiàn)預測值與實測值非常接近。王偉等[33]采用廣義人工神經(jīng)網(wǎng)絡的預測方法，建立空氣源熱泵名義制熱量損失系數(shù)的預測模型，發(fā)現(xiàn)預測模型相關系數(shù)大于0.9，期望偏差百分數(shù)小于6.5%，模型學習訓練效果及通用能力表現(xiàn)良好。

基于智能算法的除霜控制方法是一種人工基于智能算法的空氣源熱泵結霜故障診斷和除霜預測方法，特點如表4所示。該方法的關鍵在于控制邏輯制定是否合理，根據(jù)一般經(jīng)驗得到的控制邏輯有一定的局限性和片面性，若根據(jù)實驗設置控制邏輯又存在工作量太大的問題。市場上商用空氣源熱泵一般都設置有智能除霜模式，但在實際應用時誤除霜現(xiàn)象屢見不鮮，如今大數(shù)據(jù)及人工智能技術發(fā)展迅速，利用人工智能技術優(yōu)化除霜控制方法的研究亟待深入研究。

表4 基于智能算法的除霜控制方法Tab.4 Defrosting control methods based on intelligent algorithm

4 優(yōu)化的除霜控制方法

隨著人們對空氣源熱泵除霜控制方法研究的不斷深入，還有很多除霜控制方法被提出。Y.Chung等[34]提出通過結霜量預測蒸發(fā)器體積堵塞率來確定除霜開始時間的方法，并通過實驗數(shù)據(jù)驗證了預測結果的真實性，同時表明該方法在非均勻霜層分布下具有很好的魯棒性。Li Zhaoyang等[35]提出在空氣源熱泵制熱量結霜損失系數(shù)最小時開始除霜能效最大。Qu Minglu等[36]提出對基于熱能存儲的逆循環(huán)除霜空氣源熱泵，當?shù)蜏匮h(huán)的壓縮機頻率控制在90 Hz，高溫循環(huán)的膨脹閥開度在80%時除霜效果最好。林金煌等[37]提出了基于室內(nèi)熱舒適的除霜控制法，實驗研究發(fā)現(xiàn)在室外溫度為-5 ℃、相對濕度為80%時采用該方法，相比定時法和溫差-時間法室內(nèi)溫降平均減小1～2 ℃。黃智強等[38]提出可以通過對比除霜后蒸發(fā)器表面不同區(qū)域感溫包的差值來判斷除霜是否徹底。這些方法的提出實際上是對前述除霜控制方法的優(yōu)化，表5所示為幾種優(yōu)化的除霜控制方法的除霜判定依據(jù)及判定基礎。恰當?shù)脑u價體系可以提升不同除霜控制方法在不同區(qū)域及不同設備的除霜控制效果，現(xiàn)有除霜控制方法均側重于判定除霜的一個參數(shù)而非多個參數(shù)，且未有統(tǒng)一的標準評價，因此以除霜耗能、機組穩(wěn)定性、室內(nèi)人體熱舒適度為評價指標的除霜控制方法評價體系亟待提出。

表5 其他除霜控制方法Tab.5 Other defrosting control methods

5 結論

本文總結分析了現(xiàn)有空氣源熱泵除霜控制方法的原理和優(yōu)缺點，并提出了今后空氣源熱泵除霜控制方法的研究方向，主要結論如下：

1)直接測量霜層厚度的方法可以直觀監(jiān)測結霜程度，精度較高，但易受到操作空間、造價等因素制約，難以應用于空氣源熱泵機組的實際運行；間接監(jiān)測結霜程度的除霜控制方法因操作簡單、無需額外附屬設備在空氣源熱泵中廣泛應用，以溫度-時間法最普遍，今后應重點研究不同區(qū)域除霜開始及結束時蒸發(fā)器翅片溫度等參數(shù)設定值的取值范圍，以及該設定值與空氣源設備種類(如換熱器大小等)的關系，以提高除霜控制方法對區(qū)域和品牌的適用性；基于智能算法的除霜控制方法需要充足且正確的訓練樣本才能制定準確的除霜控制邏輯，如今大數(shù)據(jù)及人工智能技術發(fā)展迅速，利用人工智能技術進行除霜控制方法的研究亟待深入。

2)抑霜因無能耗或能耗小而備受關注，若能從源頭抑制或延緩結霜，將會進一步推動空氣源熱泵的發(fā)展。應通過改變換熱器形狀、結構，在換熱器表面敷設防結霜涂層等方法抑制霜的形成，結合合理的除霜控制方法，實現(xiàn)除霜次數(shù)最少、除霜能耗最低、機組穩(wěn)定性最高，同時能保證室內(nèi)熱舒適。

3)適當?shù)脑u價體系可以提升不同除霜控制方法在不同區(qū)域及不同設備的除霜控制效果。建議提出以一個除霜周期內(nèi)除霜耗能、機組穩(wěn)定性、室內(nèi)人體熱舒適度為評價指標的除霜控制方法評價體系，以實現(xiàn)除霜控制效果最大化和經(jīng)濟化。