空氣源熱泵熱水機除霜控制性能評價研究*

魏文哲 張佳明 孫育英 王 偉,3△ 邸浩然 代傳民

(1.綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室,北京;2.北京工業大學,北京;3.北京石油化工學院,北京;4.青島海爾智能技術研發有限公司,青島)

0 引言

在清潔供暖、“雙碳”目標牽引下,我國建筑供暖模式正逐步由傳統化石能源向電氣化轉型[1],以電力驅動低品位可再生能源的空氣源熱泵供暖迎來前所未有的發展機遇。空氣源熱泵熱量雖取自自然,但其性能也受制于自然,空氣源熱泵在不同地域制熱運行時面臨不同程度的結霜問題[2-3],導致機組實際運行性能偏離技術預期,尤其是在長江流域等低溫高濕地區,頻繁結除霜嚴重制約了空氣源熱泵的供暖性能[4-5]。

結霜會使空氣源熱泵的性能系數(COP)降低35%～60%,供熱能力降低30%～57%[6-8],嚴重時會造成機組停機保護,甚至造成物理性損壞[9-12]。為緩解結霜對機組性能造成的影響,機組需具備良好的除霜控制性能,以保障持續穩定運行及高效供熱。然而,空氣源熱泵型式多樣(定/變頻;商/戶用;低/常溫等),不同機組結霜特性差異明顯,目前尚無可量化的除霜控制性能指標,導致廠家缺少除霜控制方法設計準則,實際運行過程中機組的除霜控制性能表現差,“誤除霜”事故頻發。因此,亟需開展有效量化空氣源熱泵除霜控制性能的通用性評價指標及其范圍的研究工作。

為科學評價空氣源熱泵的除霜控制性能,本文基于空氣源熱泵壓縮機、風機等核心部件參數對其除霜控制性能進行量化分析,對來自不同廠家的9臺不同本構配置(characteristic index for the configuration and operation,CICO)的空氣源熱泵熱水機在焓差實驗室進行了測試,探究了空氣源熱泵熱水機在標準結霜工況(干球/濕球溫度2 ℃/1 ℃)和一般結霜工況(2 ℃/0 ℃)下最佳除霜控制點隨CICO的變化規律,并建立了以上2種結霜工況下的最佳除霜控制點預測模型,基于最佳除霜控制點預測模型和不同制熱能力衰減率下機組性能參數的變化,提出了空氣源熱泵除霜控制性能評價指標,研究結果可為空氣源熱泵除霜控制方法設計提供指導。

1 實驗測試機組與平臺

1.1 測試機組介紹

本文對9臺不同本構配置的空氣源熱泵熱水機進行實驗測試,根據空氣源熱泵抑霜理論研究[13-14]可知,基于空氣源熱泵核心部件的本構配置關系表達式為

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式中nCICO為空氣源熱泵的CICO值(為量綱一參數,其值越大時抑霜能力越強);G為室外風機風量,m3/s;Fc為室外換熱器換熱面積,m2;vs為基準迎面風速,m/s;n為壓縮機轉速,r/s;V0為壓縮機行程容積,m3/r。

將9臺機組依次編號為A～I,機組名義制熱能力范圍為8.32～100.00 kW,制冷劑均為R410A,其中5臺為定頻機組,4臺為變頻機組。對于變頻空氣源熱泵,在實驗測試中,可通過調節壓縮機轉速和室外風機頻率,使機組在不同CICO下運行,從而在不同CICO下進行除霜控制性能測試。被測機組詳細技術參數如表1所示。

表1 測試機組詳細技術參數

1.2 測試系統

測試工作于多個熱泵廠家的標準焓差實驗室(根據GB/T 32146—2015《檢驗檢測實驗室設計與建設技術要求》相關要求建立)完成,根據實驗需要,分別于室外空氣側、制冷劑側、熱水側等布置了溫度、濕度和壓力傳感器及紅外攝像頭等。測試儀器的具體參數及布置位置如下。

1) 室外空氣側:溫度傳感器2個(測試量程:-25～80 ℃),用于采集室外側空氣溫度,并對焓差實驗室采集的數據進行校核;濕度傳感器2個(測試量程:0～100%,測量精度:±5%),采集室外側空氣相對濕度,并對焓差實驗室采集的數據進行校核,以確保工況可靠無誤。

2) 制冷劑側:安裝5個鉑電阻溫度傳感器(測試量程:-40～140 ℃,測量精度:±0.1 ℃),分別布置于壓縮機吸、排氣管路,分液器總管,集液器總管和室外盤管最下端支路進口(結霜時),鉑電阻用鋁箔紙與保溫棉包裹,以減少外界環境干擾;壓力傳感器2個(測試量程:0～4.0 MPa,0～2.5 MPa,測量精度:±0.5%),布置于壓縮機吸氣口、排氣口,用于采集結除霜過程中壓縮機吸、排氣壓力。

3) 熱水側:Pt1000熱電阻2個(測試量程:-40～140 ℃,測量精度:±0.1 ℃),嵌入總供回水管路內,用于監測并記錄機組的供回水溫度;電磁流量計1臺(測試量程:0.1～9.5 m3/h,測量精度:±0.5%),布置于機組供水總管上,用于測量循環水流量。

4) 其他:紅外超清攝像頭1個(1 000萬像素),用于監測機組運行過程中換熱器表面結霜情況;電子秤1臺(測試量程:0～50 kg,測量精度:±0.1 g),用于稱取化霜水質量。

2 最佳除霜控制點預測模型建立

2.1 最佳除霜控制點理論

空氣源熱泵一個完整的制熱融霜周期由結霜過程與除霜過程兩部分組成,如圖1所示。在結霜過程中,機組制熱能力逐漸下降,結霜過程帶來的制熱量損失記為ΔQL1。機組進行除霜時,從室內水側吸收熱量,制熱能力迅速變為負值,從而使室外換熱器表面霜層融化,除霜過程帶來的制熱量損失記為ΔQL2。當機組一直處于無霜狀態運行時,總制熱量記為QNF。ΔQL1、ΔQL2和QNF的表達式分別如式(2)～(4)所示。

注:q為制熱能力,tf為結霜時間,tdc為除霜時間。圖1 結除霜過程示意圖

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式(2)～(4)中t2為除霜開始時刻;qhc1為無霜工況下的制熱能力,kW;qhc2為結霜工況下的制熱能力,kW;t為時間,s;tn為除霜結束時刻。

機組除霜過晚時,結霜時間tf延長,ΔQL1增大,ΔQL2減小;機組除霜過早時,除霜頻次增加,ΔQL2增大,ΔQL1減小。將兩者引起的制熱量損失占無霜運行時總制熱量的比例稱為結除霜損失系數ε(如式(5)所示),會存在某一時刻ε的值最小,該時刻稱為空氣源熱泵的最佳除霜控制點,對應的最佳除霜時間記作Topt。

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式中ε1為結霜損失系數;ε2為除霜損失系數。

2.2 最佳除霜控制點預測模型研究

本研究選擇位于重霜區的標準結霜工況(2 ℃/1 ℃)與一般結霜區的一般結霜工況(2 ℃/0 ℃)展開測試工作。為探究機組最佳除霜控制點隨CICO的變化規律,對機組A～I在標準結霜工況下進行了36組實驗測試,CICO值的變化范圍為(3.2～22.6)×106;對機組A、B、G、H在一般結霜工況下進行了10組實驗測試,CICO值的變化范圍為(1.7～10.4)×106。基于測試數據,通過式(2)～(5)分別計算得到上述2種工況下空氣源熱泵在不同CICO時的最佳除霜控制點,如圖2所示。

圖2 不同結霜工況下最佳除霜控制點隨CICO的變化關系

圖2下方的數據點為機組在標準結霜工況下的最佳除霜控制點分布,隨著CICO值由3.2×106增大至22.6×106,Topt由22 min增大至136 min,對測試數據計算擬合,得到如式(6)所示的最佳除霜控制點預測模型,Topt與CICO值呈三次冪函數關系,相關系數為0.96。圖2上方的數據點為機組在一般結霜工況下的最佳除霜控制點分布,由于在大CICO時空氣源熱泵結霜非常慢,測試過程中的最大CICO值為10.4×106,遠小于標準結霜工況下的最大CICO值。在一般結霜工況下,隨著CICO值由1.7×106增大至10.4×106,Topt由27 min增大至176 min,對其進行擬合,得到如式(7)所示的最佳除霜控制點預測模型,Topt與CICO值也呈三次冪函數關系,相關系數為0.99。

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2種結霜工況下的最佳除霜控制點預測模型均表明:隨CICO值的增大,最佳除霜控制點延后;當制冷劑確定時,空氣源熱泵的最佳除霜控制點只與CICO有關,不受機組設計方法或設計廠家的影響。因此,建立的模型具有較強的通用性,對任意一臺機組,只要計算出其CICO值,便可預測出2種測試工況下的Topt。

為驗證該模型的準確性,采用式(2)～(7)計算得到2種結霜工況下空氣源熱泵在不同CICO時Topt實測值與預測值的相對誤差,結果如圖3所示。2種結霜工況下,實測值與預測值的相對誤差均在15%以內,這說明本研究建立的2種結霜工況下的最佳除霜控制點預測模型具有較高準確性。

圖3 最佳除霜控制點預測模型相對誤差分析

3 除霜控制性能評價指標研究

隨著結霜的進行,機組盤管溫度逐漸降低,制熱能力和COP等性能參數也會逐漸衰減。若要求機組均在最佳除霜控制點進行除霜顯然不太符合實際。根據前期研究基礎,本研究基于最佳除霜時間Topt和制熱能力衰減率,對空氣源熱泵的合理除霜指標及其范圍進行研究。

3.1 標準結霜工況的評價指標研究

為確定機組除霜控制性能的評價指標及其合理范圍,首先對不同CICO下機組結霜過程中制熱能力的變化規律進行分析,結果如圖4所示。可以看出,不同CICO下,在制熱能力衰減率為20%～30%的區間,總存在一個時刻,機組的制熱能力與COP均開始快速衰減,性能惡化嚴重,且制熱能力與COP衰減率隨CICO值的增大有變緩的趨勢。由于不同CICO下機組性能惡化最迅速的時間均出現在制熱能力衰減20%之后,因此選擇制熱能力衰減率作為機組進行合理除霜的指標,并以“制熱能力衰減率20%”作為評判機組除霜控制性能的上限值。此時,可避免機組性能進入快速衰減的階段,從而使機組在結霜工況下保持較高的供暖性能。

圖4 不同CICO下制熱能力和COP衰減率隨運行時長的變化關系(標準結霜工況)

然而,不同CICO下機組制熱能力衰減率小于20%時,制熱能力與COP衰減率較平穩。因此,以“制熱能力衰減率”為評價指標不能確定評判機組除霜控制性能的下限值。

為得到標準結霜工況下機組除霜控制性能評價指標的下限值,計算了機組A～I在不同CICO下運行時長偏移最佳除霜時間比例分別為-5%、-10%、-15%和-20%時的制熱能力衰減率,結果如圖5所示。可以看到,相同CICO下,偏移最佳除霜時間-5%、-10%和-15%時,制熱能力均發生了衰減,此時室外換熱器均已明顯結霜;在偏移最佳除霜時間-20%時,部分測試過程的機組制熱能力衰減率為0,機組并未發生明顯結霜。因此,偏移最佳除霜時間-5%、-10%和-15%可用作評判機組除霜控制性能的下限值。以市面常規機組(CICO值為5×106)為例,由圖2可知,標準結霜工況下Topt為40 min,在3種偏移率下,絕對時間偏差均不大,對機組在整個結除霜過程中的性能影響可以忽略不計,選擇偏移最佳除霜時間-15%更能客觀反映出機組的除霜控制性能。因此,選擇“偏移最佳除霜時間-15%”作為評判機組除霜控制性能的下限值。

圖5 不同CICO下偏移最佳除霜時間不同比例時制熱能力衰減率(標準結霜工況)

綜上,選擇“制熱能力衰減率20%”與“偏移最佳除霜時間-15%”作為評價機組在標準結霜工況下除霜控制性能的指標范圍。

3.2 一般結霜工況的評價指標研究

在一般結霜工況下,采用和3.1節中相同的方法對機組除霜控制性能的評價指標進行研究。不同CICO下機組結霜過程中制熱性能的變化如圖6所示,當機組制熱能力衰減率在20%～30%區間時,制熱能力與COP衰減率隨CICO的變化趨勢與標準結霜工況一致,均迅速衰減,但衰減速率較標準結霜工況明顯變緩。因此,在一般結霜工況下,同樣選擇制熱能力衰減率作為機組進行合理除霜的指標,并以“制熱能力衰減率20%”作為評判機組除霜控制性能的上限值。

圖6 不同CICO下制熱能力和COP衰減率隨運行時長的變化關系(一般結霜工況)

針對一般結霜工況下除霜控制性能的下限值,選用機組A、B、G、H,對不同CICO下偏移最佳除霜時間-5%、-10%、-15%和-20%時的制熱能力衰減率進行分析,結果如圖7所示。與標準結霜工況的測試結果相似,在偏移最佳除霜時間-20%時,部分測試過程的機組制熱能力衰減率為0,機組沒有發生明顯結霜;在其他3種最佳除霜時間偏移率下,制熱能力均發生了衰減。因此,在一般結霜工況下,同樣選擇“偏移最佳除霜時間-15%”作為評判機組除霜控制性能的下限值。

圖7 不同CICO下偏移最佳除霜時間不同比例時制熱能力衰減率(一般結霜工況)

綜上,和標準結霜工況相同,選擇“制熱能力衰減率20%”與“偏移最佳除霜時間-15%”作為評價機組在一般結霜工況下除霜控制性能的指標范圍。

4 結論

為量化不同本構配置下空氣源熱泵的除霜控制性能,本文對來自不同廠家的9臺制冷劑為R410A的機組在焓差實驗室進行測試,揭示了標準結霜工況與一般結霜工況下機組最佳除霜控制點隨CICO的變化規律,建立并驗證了最佳除霜控制點預測模型,并對空氣源熱泵機組除霜控制性能的評價指標及其范圍進行了研究。具體結論如下:

1) 在標準結霜工況與一般結霜工況下,空氣源熱泵的最佳除霜控制點均隨CICO值的增大而延后。標準結霜工況下,隨著CICO值由3.2×106增大至22.6×106,Topt由22 min增大至136 min;一般結霜工況下,隨著CICO值由1.7×106增大至10.4×106,Topt由27 min增大至176 min。

2) 標準結霜工況與一般結霜工況下最佳除霜控制點均與CICO呈三次冪函數關系,且相關系數均大于0.95;制冷劑確定時,最佳除霜控制點預測模型只與機組CICO有關,通用性強,且模型預測值的相對誤差在15%以內,具有較高的準確性。

3) 在標準結霜工況與一般結霜工況下,以“偏移最佳除霜時間-15%”(下限)和“制熱能力衰減率20%”(上限)作為機組除霜控制性能的評價指標范圍,均能夠有效判斷機組除霜控制的準確性。