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(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室,北京;2.北京工業(yè)大學(xué),北京;3.北京石油化工學(xué)院,北京;4.青島海爾智能技術(shù)研發(fā)有限公司,青島)

0 引言

在清潔供暖、“雙碳”目標(biāo)牽引下,我國建筑供暖模式正逐步由傳統(tǒng)化石能源向電氣化轉(zhuǎn)型[1],以電力驅(qū)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(fā)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(jié)霜問題[2-3],導(dǎo)致機組實際運行性能偏離技術(shù)預(yù)期,尤其是在長江流域等低溫高濕地區(qū),頻繁結(jié)除霜嚴(yán)重制約了空氣源熱泵的供暖性能[4-5]。

結(jié)霜會使空氣源熱泵的性能系數(shù)(COP)降低35%～60%,供熱能力降低30%～57%[6-8],嚴(yán)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(jié)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(xù)穩(wěn)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(jié)霜特性差異明顯,目前尚無可量化的除霜控制性能指標(biāo),導(dǎo)致廠家缺少除霜控制方法設(shè)計準(zhǔn)則,實際運行過程中機組的除霜控制性能表現(xiàn)差,“誤除霜”事故頻發(fā)。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(biāo)及其范圍的研究工作。

為科學(xué)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(fēng)機等核心部件參數(shù)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(gòu)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(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況(干球/濕球溫度2 ℃/1 ℃)和一般結(jié)霜工況(2 ℃/0 ℃)下最佳除霜控制點隨CICO的變化規(guī)律,并建立了以上2種結(jié)霜工況下的最佳除霜控制點預(yù)測模型,基于最佳除霜控制點預(yù)測模型和不同制熱能力衰減率下機組性能參數(shù)的變化,提出了空氣源熱泵除霜控制性能評價指標(biāo),研究結(jié)果可為空氣源熱泵除霜控制方法設(shè)計提供指導(dǎo)。

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(gòu)配置的空氣源熱泵熱水機進行實驗測試,根據(jù)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(gòu)配置關(guān)系表達(dá)式為

(1)

式中nCICO為空氣源熱泵的CICO值(為量綱一參數(shù),其值越大時抑霜能力越強);G為室外風(fēng)機風(fēng)量,m3/s;Fc為室外換熱器換熱面積,m2;vs為基準(zhǔn)迎面風(fēng)速,m/s;n為壓縮機轉(zhuǎn)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(xiàn),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(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速和室外風(fēng)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(xì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 測試機組詳細(xì)技術(shù)參數(shù)

1.2 測試系統(tǒng)

測試工作于多個熱泵廠家的標(biāo)準(zhǔn)焓差實驗室(根據(jù)GB/T 32146—2015《檢驗檢測實驗室設(shè)計與建設(shè)技術(shù)要求》相關(guān)要求建立)完成,根據(jù)實驗需要,分別于室外空氣側(cè)、制冷劑側(cè)、熱水側(cè)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(shù)及布置位置如下。

1) 室外空氣側(cè):溫度傳感器2個(測試量程:-25～80 ℃),用于采集室外側(cè)空氣溫度,并對焓差實驗室采集的數(shù)據(jù)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(cè)空氣相對濕度,并對焓差實驗室采集的數(shù)據(jù)進行校核,以確保工況可靠無誤。

2) 制冷劑側(cè):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(jié)霜時),鉑電阻用鋁箔紙與保溫棉包裹,以減少外界環(huán)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(jié)除霜過程中壓縮機吸、排氣壓力。

3) 熱水側(cè):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(nèi),用于監(jiān)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(huán)水流量。

4) 其他:紅外超清攝像頭1個(1 000萬像素),用于監(jiān)測機組運行過程中換熱器表面結(jié)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(zhì)量。

2 最佳除霜控制點預(yù)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(jié)霜過程與除霜過程兩部分組成,如圖1所示。在結(jié)霜過程中,機組制熱能力逐漸下降,結(jié)霜過程帶來的制熱量損失記為ΔQL1。機組進行除霜時,從室內(nèi)水側(cè)吸收熱量,制熱能力迅速變?yōu)樨?fù)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(dāng)機組一直處于無霜狀態(tài)運行時,總制熱量記為QNF。ΔQL1、ΔQL2和QNF的表達(dá)式分別如式(2)～(4)所示。

注:q為制熱能力,tf為結(jié)霜時間,tdc為除霜時間。圖1 結(jié)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(jié)霜工況下的制熱能力,kW;t為時間,s;tn為除霜結(jié)束時刻。

機組除霜過晚時,結(jié)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(jié)除霜損失系數(shù)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(yīng)的最佳除霜時間記作Topt。

(5)

式中ε1為結(jié)霜損失系數(shù);ε2為除霜損失系數(shù)。

2.2 最佳除霜控制點預(yù)測模型研究

本研究選擇位于重霜區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況(2 ℃/1 ℃)與一般結(jié)霜區(qū)的一般結(jié)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(guī)律,對機組A～I(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)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(jié)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(shù)據(jù),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(jié)霜工況下最佳除霜控制點隨CICO的變化關(guān)系

圖2下方的數(shù)據(jù)點為機組在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)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(shù)據(jù)計算擬合,得到如式(6)所示的最佳除霜控制點預(yù)測模型,Topt與CICO值呈三次冪函數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.96。圖2上方的數(shù)據(jù)點為機組在一般結(jié)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(jié)霜非常慢,測試過程中的最大CICO值為10.4×106,遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況下的最大CICO值。在一般結(jié)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(yù)測模型,Topt與CICO值也呈三次冪函數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.99。

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2種結(jié)霜工況下的最佳除霜控制點預(yù)測模型均表明:隨CICO值的增大,最佳除霜控制點延后;當(dāng)制冷劑確定時,空氣源熱泵的最佳除霜控制點只與CICO有關(guān),不受機組設(shè)計方法或設(shè)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(yù)測出2種測試工況下的Topt。

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

圖3 最佳除霜控制點預(yù)測模型相對誤差分析

3 除霜控制性能評價指標(biāo)研究

隨著結(jié)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(shù)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(jù)前期研究基礎(chǔ),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(biāo)及其范圍進行研究。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況的評價指標(biāo)研究

為確定機組除霜控制性能的評價指標(biāo)及其合理范圍,首先對不同CICO下機組結(jié)霜過程中制熱能力的變化規(guī)律進行分析,結(jié)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(qū)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(yán)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(xiàn)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(biāo),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(jié)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(guān)系(標(biāo)準(zhǔn)結(jié)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(wěn)。因此,以“制熱能力衰減率”為評價指標(biāo)不能確定評判機組除霜控制性能的下限值。

為得到標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況下機組除霜控制性能評價指標(biāo)的下限值,計算了機組A～I(xiàn)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(jié)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(fā)生了衰減,此時室外換熱器均已明顯結(jié)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(fā)生明顯結(jié)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(guī)機組(CICO值為5×106)為例,由圖2可知,標(biāo)準(zhǔn)結(jié)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)結(jié)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(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況下除霜控制性能的指標(biāo)范圍。

3.2 一般結(jié)霜工況的評價指標(biāo)研究

在一般結(jié)霜工況下,采用和3.1節(jié)中相同的方法對機組除霜控制性能的評價指標(biāo)進行研究。不同CICO下機組結(jié)霜過程中制熱性能的變化如圖6所示,當(dāng)機組制熱能力衰減率在20%～30%區(qū)間時,制熱能力與COP衰減率隨CICO的變化趨勢與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況一致,均迅速衰減,但衰減速率較標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況明顯變緩。因此,在一般結(jié)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(biāo),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(guān)系(一般結(jié)霜工況)

針對一般結(jié)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(jié)果如圖7所示。與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況的測試結(jié)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(fā)生明顯結(jié)霜;在其他3種最佳除霜時間偏移率下,制熱能力均發(fā)生了衰減。因此,在一般結(jié)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(jié)霜工況)

綜上,和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)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(jié)霜工況下除霜控制性能的指標(biāo)范圍。

4 結(jié)論

為量化不同本構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況與一般結(jié)霜工況下機組最佳除霜控制點隨CICO的變化規(guī)律,建立并驗證了最佳除霜控制點預(yù)測模型,并對空氣源熱泵機組除霜控制性能的評價指標(biāo)及其范圍進行了研究。具體結(jié)論如下:

1) 在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況與一般結(jié)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(biāo)準(zhǔn)結(jié)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況與一般結(jié)霜工況下最佳除霜控制點均與CICO呈三次冪函數(shù)關(guān)系,且相關(guān)系數(shù)均大于0.95;制冷劑確定時,最佳除霜控制點預(yù)測模型只與機組CICO有關(guān),通用性強,且模型預(yù)測值的相對誤差在15%以內(nèi),具有較高的準(zhǔn)確性。

3) 在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況與一般結(jié)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(biāo)范圍,均能夠有效判斷機組除霜控制的準(zhǔn)確性。