羅超鴻¹，趙密升²，李建國²，陳觀(guān)生¹，陳微微²，謝鋒²，肖宏新¹

（1.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣州市 番禺區 510006；2.廣東紐恩泰新能源科技發(fā)展有限公司，廣州市 增城區 511340）

Experimental Study on Frosting Infrared Detection and Defrosting Control of Heat Pump Unit

Luo Chaohong¹, Zhao Misheng², Li Jianguo², Chen Guansheng¹, Chen Weiwei², Xie Feng², Xiao Hongxin¹

(1. School of Materials & Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006; 2. Guangdong New Energy Technology Development Co. Ltd, Guangzhou, 511340)

ABSTRACT: In this paper, infrared detection technology is used to monitor the frost growth process of heat pump unit, and three different defrosting control schemes (infrared instant defrosting, infrared delayed defrosting and fuzzy defrosting) are analyzed and compared respectively. Experimental research and result analysis show that the heat generation capacity of the heat pump unit will not be greatly reduced immediately when the frost blockage occurrences and the infrared signal is just disconnected, but will be significantly reduced about 10 minutes later. At this time, the unit start up defrosting program which is defined as infrared delayed defrosting. This defrosting control scheme can make a longer defrosting cycle, a larger heat generation capacity and a higher energy efficiency ratio, and it can be a reference for the optimization of defrosting control scheme of heat pump unit.

Key words: air source heat pump; infrared detection; frosting; defrosting

摘要：本文采用紅外檢測技術(shù)監控熱泵機組霜層的生長(cháng)過(guò)程，并對三種不同的化霜控制方案（紅外即時(shí)化霜、紅外延時(shí)化霜及模糊化霜）進(jìn)行了分析比較。試驗研究及結果分析發(fā)現，熱泵機組在發(fā)生霜堵導致紅外信號斷開(kāi)后，其制熱能力并不會(huì )立刻大幅度減少，而是在大約十分鐘后才會(huì )有明顯的下降，此時(shí)機組啟動(dòng)化霜程序即紅外延時(shí)化霜可以兼顧機組在具有較長(cháng)化霜周期的同時(shí)又保持較大的制熱能力和能效比，可以為熱泵機組化霜控制方案的優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵、紅外檢測、結霜、化霜

引言

空氣源熱泵可以利用環(huán)境空氣中的低品位能源向用戶(hù)提供高品位的熱量。與傳統的供熱方式相比，空氣源熱泵具有高效節能環(huán)保、一機兩用等優(yōu)勢。然而，空氣源熱泵在冬季運行受低溫環(huán)境影響，存在亟待解決的技術(shù)難題——結霜及其除霜的問(wèn)題^[1,2]。眾所周知，當熱泵機組室外換熱器的表面溫度低于當地空氣的露點(diǎn)及冰點(diǎn)溫度就會(huì )發(fā)生結霜現象^[3,4]，而且隨著(zhù)霜層的厚度增加，室外換熱器的傳熱熱阻逐漸增加，熱泵系統的制熱性能下降，嚴重時(shí)甚至會(huì )導致機組停機等一系列的惡性事故^[5]。因此，對結霜檢測和化霜控制技術(shù)的研究是一直是熱泵從業(yè)人員研究的熱點(diǎn)。

熱泵機組化霜控制技術(shù)經(jīng)歷了從定時(shí)化霜到模糊化霜的改進(jìn)過(guò)程。定時(shí)化霜不對霜層厚度進(jìn)行檢測，只是機械地按時(shí)間對機組進(jìn)行周期性的化霜，因此存在化霜提前或化霜滯后的明顯問(wèn)題。模糊化霜雖然不對霜層進(jìn)行直接的檢測，它利用室外換熱器的傳熱溫差與環(huán)境溫度及濕度度等參數對霜層厚度進(jìn)行綜合判斷，得出化霜控制的方案。實(shí)踐發(fā)現，模糊控制雖然不會(huì )提前化霜，但化霜滯后導致機組性能下降的現象還是比較常見(jiàn)的，這是由其控制原理所決定且不可避免的，也是當前熱泵機組化霜控制仍需改進(jìn)的原因。模糊控制化霜的關(guān)鍵在于怎樣得到合適的模糊控制規則和采用什么樣的標準對控制規則進(jìn)行修改，根據經(jīng)驗得到的控制規則有局限性和片面性，而根據實(shí)驗制定控制規則又有工作量大的問(wèn)題^[6]。

紅外霜層檢測及其化霜控制是在熱泵機組室外換熱器兩側分別安裝紅外信號發(fā)生及其檢測設備，實(shí)時(shí)監視霜層的生長(cháng)狀況。當霜層生長(cháng)到充滿(mǎn)整個(gè)翅片間隙，發(fā)生霜堵時(shí)，紅外檢測信號斷開(kāi)。這時(shí)熱泵機組可以采用紅外信號斷開(kāi)即時(shí)化霜或紅外信號斷開(kāi)延時(shí)化霜（后面分別簡(jiǎn)稱(chēng)紅外即時(shí)化霜及紅外延時(shí)化霜）兩種方案進(jìn)行化霜控制，并與模糊化霜控制方案進(jìn)行比較，得出各自的特點(diǎn)，為熱泵機組化霜控制方案的優(yōu)化提供參考。

1試驗設備及過(guò)程

試驗在廣東紐恩泰新能源科技發(fā)展有限公司焓差實(shí)驗室進(jìn)行，試驗用熱泵機組型號為NERS-G60KD/H。室外換熱器側環(huán)境溫度為1.8℃，相對濕度為85%。采用紅外霜層檢測器實(shí)時(shí)監視霜層生長(cháng)情況，但機組化霜仍采用模糊控制?？偣策M(jìn)行了三組試驗，分別記錄機組開(kāi)始制熱到化霜結束整個(gè)工作周期的制熱功率、總制熱量、制冷功率及總制冷量。紅外即時(shí)化霜及紅外延時(shí)化霜的相關(guān)結果則通過(guò)機組制熱量變化的實(shí)測曲線(xiàn)計算得出。室外換熱器從發(fā)生霜堵到化霜結束的工作過(guò)程如圖1所示。

2試驗結果分析

三組試驗制熱量曲線(xiàn)變化如圖2所示。從圖2可以看出熱泵制熱量變化趨勢，在熱泵啟動(dòng)制熱量達到峰值隨后落到最低值，隨后制熱量呈現緩緩上升的趨勢。結霜伴隨整個(gè)制熱過(guò)程，在制熱的同時(shí)，結霜量也隨之增加直至發(fā)生霜堵紅外線(xiàn)路斷開(kāi)，熱泵的制熱量開(kāi)始明顯下降但仍維持在較高位置繼續運行。持續運行一段時(shí)間后，熱泵制熱量下降趨勢明顯增大，下降幅度達到6.1%~14.97%，為了不讓熱泵的制熱量下降更劇烈，熱泵按模糊化霜機制啟動(dòng)化霜程序。

通過(guò)對上述三組試驗數據的匯總分析，得出了紅外即時(shí)化霜、紅外延時(shí)化霜及模糊控制化霜三種化霜控制方案的結果，如表1所

由表1可以看出，紅外即時(shí)化霜的工作周期及化霜時(shí)間最短，所以化霜頻率最高，幾乎是模糊控制化霜的兩倍，但制熱功率和制熱效率和模糊控制化霜相當，總制熱量和凈制熱量比模糊控制化霜的一半略多；紅外延時(shí)化霜的制熱周期及化霜時(shí)間比模糊控制化霜分別短884秒和63秒。由于紅外延時(shí)化霜的工作周期比模糊控制化霜短的原因，所以在總制熱量和凈制熱量方面同樣要比后者稍少，但制熱功率和制熱效率方面則要分別高出2.73%、2.58%。綜合三種化霜控制方案結果比較，在總制熱量及凈制熱量方面模糊控制化霜表現最優(yōu)，紅外延時(shí)化霜次之，紅外即時(shí)化霜最低；但在制熱功率、制熱效率及化霜時(shí)間方面，紅外延時(shí)化霜表現最優(yōu)，紅外即時(shí)化霜次之，模糊控制化霜最低。

3結論

通過(guò)紅外監控熱泵結霜的試驗研究發(fā)現，啟動(dòng)化霜時(shí)間點(diǎn)的選擇對熱泵的整體制熱能力有著(zhù)重要的影響：

(1)模糊控制化霜雖然具有化霜周期長(cháng)、化霜頻率低的優(yōu)點(diǎn)，但是化霜滯后導致機組的制熱功率和制熱效率下降的現象還是比較常見(jiàn)；通過(guò)紅外霜層檢測器實(shí)時(shí)監視霜層生長(cháng)情況，在發(fā)生霜堵后適時(shí)啟動(dòng)化霜機制即紅外延時(shí)化霜，對制熱功率和制熱效率有一定的提升。

(2)由于對紅外延時(shí)化霜的研究不多，目前存在發(fā)生霜堵后，哪一個(gè)時(shí)間點(diǎn)啟動(dòng)化霜機制的可以得到更高的制熱效率和制熱功率的問(wèn)題。這也是本次試驗的一個(gè)不足，但可以為熱泵機組化霜控制方案的后續優(yōu)化提供參考。

參考文獻

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[6]  劉康,呂靜.空氣源熱泵除霜研究[J].制冷與空調,2011,25(04):421-424.

作者簡(jiǎn)介：

羅超鴻(1995)，男，碩士研究生，主要研究方向為低溫熱泵制冷技術(shù)，1483809592@qq.com；

陳觀(guān)生(1970)，男，副教授，主要研究方向為制冷空調、熱泵采暖及太陽(yáng)能熱利用等，本文通訊作者，chengs@gdut.edu.cn。