低溫制熱工況空調(diào)器最佳除霜起始點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究

張駿，陳曉園

（1-上海日立電器有限公司，上海 201206；2-西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系，陜西西安 710049）

低溫制熱工況空調(diào)器最佳除霜起始點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究

張駿*1，陳曉園2

（1-上海日立電器有限公司，上海 201206；2-西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系，陜西西安 710049）

低溫制熱工況下空調(diào)外機(jī)結(jié)霜會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能顯著惡化。為保持系統(tǒng)性能，除霜策略諸如除霜起始點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間的決定是很重要的措施。這類措施使得更舒適的供暖工況成為可能。本文通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，提出了利用最大平均制熱量法快速確定最佳除霜起始點(diǎn)的方法。研究結(jié)果表明，在低溫制熱工況下，采用本文的除霜起始點(diǎn)確定方法后，只通過(guò)兩次實(shí)驗(yàn)就使所測(cè)試的1.5匹空調(diào)器的平均制熱量提升至3,213 W，能滿足空調(diào)器標(biāo)稱要求；空調(diào)器的平均能效提高了6%。采用最大平均制熱量法可以快速高效地確定最佳除霜起始點(diǎn)。

空調(diào)器；制熱工況；最大平均制熱量；除霜啟動(dòng)點(diǎn)

0 引言

2013年10月，國(guó)家對(duì)變頻空調(diào)器正式實(shí)施APF測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[1]。APF測(cè)試主要由額定制冷、中間制冷、額定制熱、中間制熱和低溫制熱等5個(gè)工況組成[2-3]。其中，低溫制熱工況是空調(diào)器結(jié)霜最為嚴(yán)重的工況，大量的霜依附在空調(diào)器室外側(cè)換熱器的翅片上，大大減小翅片間空氣流通截面積，嚴(yán)重降低風(fēng)量，同時(shí)還會(huì)增加換熱器的傳熱熱阻，導(dǎo)致空調(diào)器制熱量和COP急劇下降[4]。因此，空調(diào)器會(huì)頻繁地進(jìn)行除霜，防止空調(diào)器制熱性能嚴(yán)重衰減[5]。

空調(diào)器的低溫制熱測(cè)試工況是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的測(cè)試工況，需要測(cè)得空調(diào)器在一個(gè)或多個(gè)制熱除霜周期中的平均制熱量和平均制熱功率來(lái)計(jì)算APF，為了提高空調(diào)器的APF和提升用戶體驗(yàn)，需要盡可能地提高低溫制熱工況下的平均制熱量和COP[6]。這就要求設(shè)計(jì)人員在開發(fā)研究除霜控制系統(tǒng)的過(guò)程中，確定最佳的除霜起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)[7-8]。國(guó)內(nèi)各空調(diào)器廠已在這方面進(jìn)行了大量的研究，但主要是通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)確定[9-10]，需要耗費(fèi)巨大的人力成本和時(shí)間成本。因此，如何快速有效地確定除霜的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，是一個(gè)非常重要的研究課題。

目前變頻空調(diào)器最常見的除霜控制方法為溫度-時(shí)間控制法和溫差-時(shí)間控制法[11]。這兩種除霜方法都以室外換熱器為研究對(duì)象[12]，既能避免空調(diào)器頻繁除霜導(dǎo)致房間制熱時(shí)間縮短，又能避免霜層過(guò)厚嚴(yán)重影響到空調(diào)器制熱性能，但不能保證房間內(nèi)的制熱量最大，因此，空調(diào)器制熱量不足，房間舒適性不夠好[13]。

針對(duì)以上兩種常用的除霜控制方法存在的問(wèn)題，葛住軍等[14]在3匹定頻柜式空調(diào)器上提出了一種最大平均制熱量控制除霜的方法，該方法不考慮室外換熱器的情況，只將室內(nèi)換熱器平均制熱量作為研究目標(biāo)。通過(guò)在室內(nèi)機(jī)中設(shè)置兩個(gè)溫度傳感器測(cè)量進(jìn)出口溫差，并結(jié)合已知的風(fēng)機(jī)風(fēng)量，計(jì)算室內(nèi)換熱器的平均制熱量，然后分析其變化規(guī)律，確定最大平均制熱量的時(shí)刻并進(jìn)行除霜，實(shí)現(xiàn)了平均制熱量的最大化，解決了冬季室內(nèi)制熱量不足的問(wèn)題。該除霜控制方法具有一定的理論意義，但由于該方法需要增加設(shè)備測(cè)量空調(diào)器制熱量，性價(jià)比較低，而且控制除霜的信號(hào)是空調(diào)器的平均制熱量，有別于常用的除霜信號(hào)，需要重新編寫控制程序，實(shí)際應(yīng)用性較差[15]。

因此，本文將用最大平均制熱量除霜方法快速確定溫差-時(shí)間和溫度-時(shí)間除霜控制方法的最佳除霜起始點(diǎn)溫度，既考慮室外換熱器結(jié)霜情況，同時(shí)又保證室內(nèi)具有最大的平均制熱量。下文將通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)分析，來(lái)說(shuō)明該方法的可行性及優(yōu)勢(shì)。

1 最大平均制熱量快速確定除霜起始點(diǎn)的方法

當(dāng)空調(diào)器在低溫制熱A工況下運(yùn)行時(shí)，其每個(gè)制熱周期都由制熱時(shí)間τ和除霜時(shí)間τd兩部分組成，如圖1所示。

在1個(gè)制熱周期時(shí)間內(nèi)總制熱量和總耗電量分別為：

平均制熱量和平均制熱性能系數(shù)分別為：

式中：

τ——1個(gè)制熱周期內(nèi)制熱運(yùn)行時(shí)間，s；

τd——1個(gè)制熱周期內(nèi)除霜運(yùn)行時(shí)間，s；

Q(t)——1個(gè)制熱周期內(nèi)實(shí)際制熱能力，W；

ΣQ——1個(gè)周期內(nèi)的累計(jì)制熱量，J；

P(t)——1個(gè)制熱周期內(nèi)實(shí)際輸入功率，W；

ΣP——1個(gè)周期內(nèi)的累計(jì)制熱功率，J；

圖1 空調(diào)實(shí)時(shí)制熱量和平均制熱量變化規(guī)律

由圖1可知，開始制熱后，空調(diào)器實(shí)時(shí)制熱量逐漸增大，因此平均制熱量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。隨著制熱的進(jìn)行，空調(diào)器室外換熱器的霜層不斷加厚，傳熱熱阻增大，蒸發(fā)壓力下降，換熱風(fēng)量減小，導(dǎo)致制冷劑與室外空氣的換熱量減少，空調(diào)器實(shí)時(shí)制熱量逐漸降低，此時(shí)雖然總制熱量還在增加，但平均制熱量已開始逐漸下降。因此，在1個(gè)制熱周期中，平均制熱量必定存在一個(gè)最大值如果在對(duì)應(yīng)的時(shí)刻開始除霜，就可以保證室內(nèi)有最大的平均制熱量。

因此，本文利用最大平均制熱量除霜方法快速確定除霜的最佳起始點(diǎn)，具體方法如下：在低溫制熱工況下對(duì)變頻空調(diào)器進(jìn)行測(cè)試，無(wú)論被測(cè)空調(diào)器樣機(jī)采用的是溫度-時(shí)間除霜控制法，還是溫差-時(shí)間除霜控制法，先設(shè)定1個(gè)較小的除霜起點(diǎn)溫度T1或者較大的除霜起點(diǎn)溫差，使空調(diào)器進(jìn)入除霜狀態(tài)的時(shí)間較晚，而退出除霜的判斷條件不變?？照{(diào)器在這種控制方法下連續(xù)運(yùn)行多個(gè)制熱周期，然后按照國(guó)標(biāo)要求選擇1個(gè)比較穩(wěn)定的制熱周期進(jìn)行研究，計(jì)算出周期內(nèi)各個(gè)時(shí)刻的平均制熱量，分析室外換熱器盤管溫度和平均制熱量隨時(shí)間的變化規(guī)律。這樣在確定出最大平均制熱量對(duì)應(yīng)時(shí)刻的同時(shí)，就可以確定出最大平均制熱量對(duì)應(yīng)的室外換熱器盤管溫度值為Topt，Topt就是最佳的除霜起點(diǎn)溫度，然后修改空調(diào)器控制程序，將Topt設(shè)定為開始除霜的溫度判定條件，這樣空調(diào)器在低溫制熱工況下運(yùn)行時(shí)就能獲得最大的平均制熱量。

2 最大平均制熱量確定除霜起始點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)在焓差室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)工況為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7725-2004中規(guī)定的低溫制熱工況[3]，室內(nèi)進(jìn)風(fēng)干/濕球溫度為20 ℃/15 ℃，室外進(jìn)風(fēng)干/濕球溫度為2 ℃/1 ℃，干濕球溫度控制精度為±0.2 ℃，數(shù)據(jù)采集器型號(hào)為Agilent 34970A。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的空調(diào)器樣機(jī)為1.5匹的家用壁掛式變頻空調(diào)器，標(biāo)稱制熱能力為3,500 W，銘牌標(biāo)稱最大制熱能力為4,400 W，根據(jù)國(guó)標(biāo)的定義，以最大制熱能力為低溫制熱能力的1.38倍計(jì)算，可得該空調(diào)低溫制熱量要求3,200 W以上。為了方便研究，只選擇1個(gè)制熱周期進(jìn)行分析。

由于實(shí)驗(yàn)空調(diào)器樣機(jī)采用室外換熱器盤管溫度T0作為除霜判定信號(hào)，即當(dāng)空調(diào)器連續(xù)制熱運(yùn)行達(dá)到設(shè)定時(shí)長(zhǎng)后，如果室外換熱器盤管溫度T0小于設(shè)定值T1且持續(xù)1個(gè)設(shè)定時(shí)長(zhǎng)，則發(fā)出開始除霜的指令使空調(diào)器進(jìn)入除霜狀態(tài)；隨著除霜的進(jìn)行，如果室外換熱器盤管溫度T0大于設(shè)定值T2且持續(xù)1個(gè)設(shè)定時(shí)長(zhǎng)，或除霜時(shí)間達(dá)到設(shè)定的最大除霜時(shí)長(zhǎng)，則發(fā)出終止除霜的指令使空調(diào)器進(jìn)入制熱狀態(tài)。因此，在實(shí)驗(yàn)開始前，首先在空調(diào)器控制系統(tǒng)中設(shè)定1個(gè)較低的除霜起始點(diǎn)判定條件T1=-15 ℃，然后將空調(diào)器在低溫制熱工況下進(jìn)行第一次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可見，開機(jī)后實(shí)時(shí)制熱量逐漸增大，隨著制熱的進(jìn)行，室外換熱器結(jié)霜量逐漸增加，制熱量逐漸減小。在結(jié)霜后期，由于霜層的不斷增厚，室外風(fēng)量減少很多，使得室外換熱器的換熱效果進(jìn)一步惡化，制熱能力進(jìn)一步降低。由于控制系統(tǒng)中設(shè)定了室外換熱器盤管溫度必須達(dá)到-15 ℃，并且持續(xù)一段時(shí)間才啟動(dòng)除霜，因此即便空調(diào)器制熱能力已經(jīng)低于3,200 W的標(biāo)稱能力要求，由于室外換熱器盤管溫度仍大于-15 ℃，空調(diào)器只能繼續(xù)制熱，運(yùn)行平均制熱量繼續(xù)逐漸地降低。直到室外換熱器盤管溫度小于-15 ℃并持續(xù)一設(shè)定的時(shí)間，空調(diào)器才停止制熱，切換到除霜狀態(tài)。

圖2 T1=-15 ℃時(shí)空調(diào)制熱能力和室外盤管溫度的變化規(guī)律

從圖2中可以明顯看到，平均制熱量先增大后減小，存在一個(gè)最大平均制熱量即實(shí)時(shí)制熱量與平均制熱量的交點(diǎn)A的值，與A點(diǎn)同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的室外換熱器盤管溫度B點(diǎn)的值為-12 ℃，如果以B點(diǎn)的值作為除霜起始點(diǎn)的判定條件T1的值并修改控制程序，空調(diào)器下次低溫制熱運(yùn)行時(shí)就能保證室內(nèi)有最大的平均制熱量。由于判定是否開始除霜的條件是：溫度測(cè)點(diǎn)的溫度值T0≤T1，并持續(xù)一個(gè)設(shè)定的時(shí)長(zhǎng)。在啟動(dòng)除霜時(shí)，室外盤管實(shí)際溫度會(huì)比啟動(dòng)除霜的溫度判定條件更低一點(diǎn)?？紤]到這個(gè)因素，修改空調(diào)器控制系統(tǒng)的除霜啟動(dòng)點(diǎn)室外盤管溫度T1，由-15 ℃改為-11 ℃。修改完控制程序后重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并與修改前的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

從表1中可以看到，將T1由-15 ℃改為-11 ℃后，空調(diào)器的性能得到了提高。改進(jìn)后低溫制熱工況下空調(diào)器的平均制熱量大于3,200 W，滿足低溫制熱量的標(biāo)稱要求，用戶體驗(yàn)會(huì)更佳，相比于改進(jìn)前，平均制熱量提升了11%；同時(shí)還可以看到，改進(jìn)除霜起始點(diǎn)后，空調(diào)器的平均能效也得到了提高，從2.19提升到了2.32，提高了6%。

綜合以上分析可知，以最大平均制熱量確定最佳除霜起始點(diǎn)溫度的判定方法，比較適合采用定膨脹閥開度或毛細(xì)管的空調(diào)器；除霜判定初選周期以工況穩(wěn)定后第一個(gè)周期為佳，預(yù)先設(shè)定的溫度不可過(guò)小或溫差不可過(guò)大；通過(guò)最大平均制熱量法確定出最佳除霜起始點(diǎn)溫度時(shí)，以“霜除凈”為最終目的，盡量減少除霜時(shí)間。

表1 不同除霜啟動(dòng)判定條件下的空調(diào)器性能對(duì)比

3 結(jié)論

本文為了提高低溫制熱工況下的平均制熱量，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的方法，快速得出最佳的除霜起始點(diǎn)判定條件。主要通過(guò)在空調(diào)器低溫制熱實(shí)驗(yàn)前，預(yù)設(shè)較低的室外盤管溫度作為除霜起始點(diǎn)的判定條件，然后實(shí)驗(yàn)獲得制熱周期的相關(guān)數(shù)據(jù)，最后采用最大平均制熱量的方法，確定最佳的除霜起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的室外換熱器溫度，并以此溫度作為最佳的除霜起始點(diǎn)的判定條件，得出如下結(jié)論：

1）通過(guò)兩次實(shí)驗(yàn)便可以確定出最佳的除霜起始點(diǎn)的室外盤管溫度，使房間的平均制熱量最大化，大大減小了實(shí)驗(yàn)量，縮短了實(shí)驗(yàn)測(cè)試的周期；

2）采用最大平均制熱量法和溫度-時(shí)間除霜控制法相結(jié)合的新方法，快速確定最佳除霜起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的室外盤管溫度，不需要增加測(cè)量制熱量的裝置，除霜信號(hào)是室外盤管溫度，修改控制程序簡(jiǎn)單，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

[1] GB/T 21455-2013 轉(zhuǎn)速可控型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2013: 4-7.

[2] GB/T 7725-2004 房間空氣調(diào)節(jié)器[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2004: 42-63

[3] 王碩淵. 中國(guó)與日本APF標(biāo)準(zhǔn)的差異[J]. 家電科技, 2013(9): 38-40.

[4] 路偉鵬, 王偉, 李林濤, 等. 不同表面浸潤(rùn)性對(duì)除霜過(guò)程影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(1): 29-31.

[5] 王善云, 郭憲民, 陳軼光, 等. 工況參數(shù)對(duì)空氣源熱泵蒸發(fā)器表面霜層生長(zhǎng)特性的影響[C]// 中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 北京: 中國(guó)制冷學(xué)會(huì), 2009: 974-979.

[6] 王碩淵. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中低溫制熱的影響[J]. 裝備機(jī)械, 2013(4): 64-66.

[7] 范晨, 梁彩華, 江楚遙, 等. 空氣源熱泵結(jié)霜/除霜特性的數(shù)值模擬[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(1): 19-25.

[8] 郭憲民, 王成生, 汪偉華, 等. 結(jié)霜工況下空氣源熱泵動(dòng)態(tài)特性的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 40(5): 544-548.

[9] 秦存濤, 祁影霞, 胡祥江, 等. 關(guān)于提高家用空調(diào)APF能效的試驗(yàn)研究[C]// 2014年中國(guó)家用電器技術(shù)大會(huì)論文集. 北京: 中國(guó)輕工業(yè)出版社, 2014: 209-214.

[10] 譚成斌, 陳煥新. 房間空氣調(diào)節(jié)器季節(jié)能效比的優(yōu)化方法研究[J]. 家電科技, 2015(3): 26-29.

[11] 張勝昌, 江挺候, 康志軍. 換熱器結(jié)霜和化霜研究進(jìn)展[J]. 制冷技術(shù), 2012, 32(2): 37-40.

[12] 張志, 賈少波, 謝偉, 等. 蒸發(fā)器盤管結(jié)霜特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷技術(shù), 2015, 35(2): 33-37.

[13] 姚楊, 姜益強(qiáng), 馬最良. 翅片管換熱器結(jié)霜時(shí)霜密度厚度的變化[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2003, 24(6): 142-144.

[14] 葛住軍, 許文斌, 付彬, 等. 最大平均制熱量控制除霜方法的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷, 2007, 26(2): 14-17.

[15] 陳汝?yáng)|, 許東晟. 風(fēng)冷熱泵空調(diào)器除霜控制的研究[J].流體機(jī)械, 1999, 27(2): 55-56.

Experimental Research on Optimal Defrosting Starting Point for Air Conditioner in Low Temperature Heating Condition

ZHANG Jun*1, CHEN Xiao-yuan2
(1- Shanghai Hitachi Electric Appliance Co., Ltd., Shanghai 201206, China; 2- Department of Refrigerating & Cryogenic Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, Shaanxi 710049, China)

The system performance will be significantly deteriorated due to the frosting on outdoor unit of air conditioner under low temperature heating conditions. To maintain the system performance, the defrosting strategy, such as the start point and duration, is very important solution. This solution makes it possible to realize more comfortable heating condition. Based on the experiment and theory analysis, the method to find the best start point for defrosting by using optimal average heating capacity methodology was proposed. The research results show that, in low temperature condition, the best point was found within 2 trials by adopting the proposed method; the average heating capacity of the tested 1.5 HP air conditioner is increased up to 3,213 W, which meets the requirement for the air conditioner; the average energy efficiency is increased by 6%. The optimal average heating capacity method is a practical and efficient way to determine best deforesting strategy for an air conditioner system.

Air conditioner; Heating condition; Maximum average heating capacity; Starting point of defrosting

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.110

*張駿（1978-），男，工程師，碩士。研究方向：制冷系統(tǒng)。聯(lián)系地址：浦東新區(qū)寧橋路888號(hào)，郵編：201206。聯(lián)系電話：021-50554560。E-mail：zhangj@shec.com.cn。