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摘要：本文提供了一种热泵系统及其除霜退出的判断方法，属于空气源热泵技术领域。它解决了现有技术设计只根据环境温度值判断易出现误判断而导致除霜时间过长等问题，提高用户使用的效果。
关键词：空气源热泵系统；除霜退出；判断方法；风机
引 言
空气源热泵节能环保，夏季提供制冷，冬季提供制热。制热时，两相制冷剂在风冷盘管内部流动并且蒸发，利用盘管从空气中得到热量；其蒸发温度低于环境温度（这个差值称为端差），随着环境温度的降低，为了从空气中得到热量，制冷剂蒸发温度也随之降低，导致盘管表面温度降低，当盘管表面温度低于空气的露点温度时，流过盘管的空气温度降低到露点温度，并且析出水分，当盘管表面温度低于0℃时，析出的水分在盘管表面形成疏松的冰晶体，即为霜层，随着时间的延长，霜层会持续增厚。霜层增加换热热阻，导致蒸发温度降低，机组性能下降，霜层减少了空气流通面积，导致风量下降，进一步导致蒸发温度下降、制热性能下降。霜层厚度增大到一定程度时，机组就必须除霜。除霜方案有多种，常见的有热气旁通、四通阀切换运行和电加热辅助除霜，对于冷暖一体机来说，主要方案是四通换向阀切换成制冷模式，风机停止运行，利用用户侧的热量和压缩机的功耗除霜。除霜结束时，四通换向阀切换回制热模式，风机启动。在这一过程中，需要消耗电能除霜，同时影响了客户体验。此外，制冷剂进行了大迁移，导致严重的可靠性问题。除霜问题一直是各大企业科研院校研究热泵的主要方向。近20年来空气源热泵除霜专利申请数量越来越多口。这反映出，除霜问题越来越成为空气源热泵研究的热点。
1 技术背景
冬季时，空调系统用于热泵工况，室外侧的换热器起到蒸发器，温度较低，当室外温度在0℃左右时蒸发器最容易结霜。如果不及时除霜，会导致蒸发器换热效果差，系统能效比降低，还可能造成回液等问题，因此需要进行及时除霜。目前常用的除霜判断方式有：定时除霜、通过蒸发盘管温度判断除霜、通过蒸发盘管与室外温度的差值判断除霜等。通过温度或温差判断是否结霜都是静态的判断方式，没有考虑到随着环境温度、湿度，以及热泵运行状态的不同，具体的温度或者温差判断数值也会发生变化的情况，容易造成误判，导致误除霜等情况的发生。为了解决以上问题，本文提供一种通过蒸发器温度和室外环境温度之间的差值的变化趋势来判断是否要除霜的方法，可以排除空调工作状态改变所造成的干扰。
2 技术实施流程
2.1 结霜判定
热泵工况下，空调在使用过程中，蒸发器的温度与室外环境温度会存在一个温度差dT，理论上如果蒸发器没有结霜，温度差dT不会具有增加的趋势。但随着结霜过程的进行，蒸发器的散热情况会越来越差，蒸发器和室外环境之间的温度差dT就会越来越大，如图1所示，结霜过程中温度差dT会随时间会缓慢增加，曲线具有一个上升的趋势，即曲线的斜率始终是一个正值，研究发现，如果曲线斜率累计一段时间大于一个设定阈值时便可判定结霜。
图1
2.2 温度差上升
在试验过程中同时发现，如果空调系统处于不同的工作状态时，如压缩机变频、风机调速等，温度差dT随时间变化的曲线也会发生波动。如图2所示，温度差dT波动时，曲线的斜率也随之波动，斜率时大时小，时正时负，会形成波峰或波谷，从而影响判断。但即便温度差dT随时间存在波动，曲线的大体趋势并没有变，即温度差dT仍是波动上升的，本方法的目的就是要滤除空调运行过程中工作状态改变造成的波动所带来的干扰，提供一种可以准确判断出是否要进行除霜的判断方法。
图2
2.3除霜判断方法实施步骤
图3
参照图3，图3为本方法的流程图，本文的除霜判断方法的包括以下步骤：当空调开始运行，并建立起温度场后：
步骤1、选取温差起始点；
步骤1-1、计算温差平均值；分别对蒸发器温度值和室外环境温度值进行m次采集，每采集一次温度就计算一次两者间的温度差，得到m个温度差：dTm_1，dTm_2，…，dTm_m，计算温差平均值：进一步的，计算温差平均值时采样持续的时间尽量接近于与系统蒸发器温度波动一个周期所用的时间。
式中的m为计算温差平均值时温度采样的次数，dTm_1，dTm_2，…，dTm_m分别为每一次温度采集时的蒸发器温度与室外环境温度的差值；将温差平均值dTm作为温差起始点。
一般而言，即使制冷系统的所有机械部件运动状态都不发生变化，整个系统的压力、温度场也不可能十分平稳，会因为系统特性和压缩机、风机等部件的机械特性而发生周期性的波动，再加上压缩机的变频、风机的调速等因素，系统必然会存在一定的波动，而且温度场、压力场都具有滞后性，因此上述因素引起的系统波动并不会很剧烈；根据实际测试经验，系统波动一个周期所需的最短时间一般在十秒至几十秒数量级范围以内，例如本方法中测试得到的系统压力、温度场波动一个周期的时间大约为18s左右，因此本实施例的采样持续的时间定为18s，根据香浓定理，采样周期（即连续两次采样间的时间间隔）小于系统波动周期的一半时，采样值才能正确反映出系统波动，因此本申请的采样周期优选的为≤系统波动周期的一半，本实施例中的温度采样周期T为5s；
步骤1-2、计算温差变化率；分别对蒸发器温度值和室外环境温度值进行连续k1次采集，计算每一次温度采集时的温差变化率；第n次温度采集时的温差变化率。
式中的为变化率系数，其可根据实际情况进行调整，dTn_n为第n次温度采集时蒸发器与室外环境的温度差，dTm为温差起始点，T为温度采样周期，本步骤中的n＝1，…，k1；变化率系数起到斜率值放大的作用，由于温度变化往往是一个较为缓慢的过程，且空间越大变化就越缓慢，因此曲线斜率往往很小，例如本申请实施例在试验过程中测得的曲线斜率值为10-2数量级，为了便于运算，通过变化率系数对斜率进行放大处理，对斜率进行放大处理是指将斜率值乘以一个系数（变化率系数）使其变为带符号的整型数据类型，根据测试经验，斜率乘以变化率系数后在0～100以内较为合适，本实施例的变化率系数为250，但对于不同的应用场合，可通过多次测试，根据具体的采集数据对变化率系数进行调整；
步骤1-3、计算k1次温差变化率之和，如果k1次的温差变化率之和大于第一设定阈值R1u或者小于第二设定阈值R1d时，认为温差起始点刚好取在的波谷或者波峰附近，无法充分说明蒸发器结霜，返回步骤1-1重新计算温差起始点；若温差变化率之和不满足上述条件，则认为温差起始点选取有效，执行步骤2。
k1为计算温差变化率时的温度采样次数，本实施例中，采样持续时间为18s，采样周期为5s，则k1＝18/5≈3，第一设定阈值R1u和第二设定阈值R1d的取值取决于k1、变化率系数以及蒸发器温度的波动幅度，第一设定阈值和第二设定阈值与正常结霜时温差变化速率有关，第一设定阈值一般为正常结霜时温差变化速率的正整数倍，第二设定阈值一般为正常结霜时温差变化速率的负整数倍，正常结霜时温差变化率是根据实测数据以及计算得到，不同地区、不同设备都略有差异，根据本实施例试验所测数据，前3次的温差变化率为正常结霜时温差变化速率的30倍以上，其绝对值远大于正常结霜时的温差变化速率，则R1u的取值为正常结霜时温差变化率计算值的30倍左右，R1d的取值为正常结霜时温差变化率计算值的-30倍左右，R1d也可取在0附近，或直接取0，对于不同的应用场合，系统自然波动频率、幅度不尽相同，压缩机频率、风机转速、EEV开度等变化策略不尽相同，变化率系数取值也有所不同，k1、R1u、R1d需反复测试确定。
若温差起始点取在波峰，则采样持续时间算得的温差变化率应远大于正常结霜时的温差变化速率，为了避免误差、巧合等不确定因素造成的误判，本方法通过温差斜率之和来判定温差起始点是否取得合适。
步骤2、结霜判断；
步骤2-1、对蒸发器温度和室外环境温度连续采集k2次，计算每一次温度采集时的温差变化率，温差变化率的计算公式与步骤1-2的相同，本步骤中的n＝1，…，k2，k2为结霜判断时的温度采样次数；为了保证在满足结霜调节的情况下，结霜判断时的采样持续时间应满足该时间段内蒸发器有霜层形成并有所增长，同时又不能结满而影响设备换热效率，采样持续时间可为2～5分钟，本实施例结霜判断时的采样持续时间为3分钟，则k2＝3min/5s＝36次；
步骤2-2，如果k2次的温差变化率中超过设定比例的温差变化率大于结霜判断阈值R2时，认为空调正在结霜，进入步骤3，否则认为没有结霜，返回步骤1-1；本实施例中的设定比例为80％，即当k2次的温差变化率中有80％以上的温差变化率大于结霜判断阈值R2时，则认为空调正在结霜；结霜判断阈值R2为正常结霜时的温差变化速率，其也为经验值，正常结霜时的温差变化速率是在相同的空调结构、相同的使用环境下，观察蒸发器什么时候结霜，在结霜的时候测得一个温差变化率，结霜判断阈值R2大于0，本实施例中R2为2，结霜判断阈值R2也随着系统波动特性、控制策略以及变化率系数取值的不同而不同，R2可为0.1～1摄氏度/min。
步骤3、除霜判断；随着霜层厚度的增加，温差变化率会越来越接近0，通过对每一次温度采集得到的温差变化率与标准温差变化率进行对比，判断是否开始除霜。
步骤3-1、对蒸发器温度和室外环境温度连续采集k3次，计算每一次温度采集时的温差变化率，温差变化率的计算公式与步骤1-2的相同，本步骤中的n＝1，…，k3，k3为除霜判断时的温度采样次数；除霜判断时采样持续时间的选取要能够充分反映出温差变化率确实有所下降，但又不能太长而对蒸发器散热造成长时间影响，本实施例的除霜判断时的采样持续时间为2min。
步骤3-2、判断是否连续k3次的温差变化率都小于标准温差变化率R3，如果是则认为霜层已累计得比较厚，进入除霜步骤，否则返回步骤3-1继续计算。由于霜层逐渐增厚，温差变化率会随之下降，因此R3必然小于R2，同时，为保证霜层完全结满之前进入除霜，R3也应该大于0，标准温差变化率具体取值可进行实际测试情况，观察结霜情况，取温差-时间曲线的斜率开始下降之后、霜层结满之前的斜率值作为R3，或者根据R2值通过简单计算求得R3，例如R3＝R2/2。
文中的方法中的通过温差变化率来判断空调系统是否结霜以及是否开始结霜，通过温差起始点选取步骤剔除系统工作状态改变时造成的波动干扰，保证温差起始点没有选在温差随时间波动曲线的波谷或波峰，从而可以准确地对除霜条件进行判断。
结束语
本文所提供的除霜判断方法，步骤如下：选取温差起始点：计算温差平均值，计算温差变化率，如果k1次的温差变化率之和大于第一设定阈值或者小于第二设定阈值时，则重新计算温差起始点，否则开始判断是否结霜；对蒸发器温度和室外环境温度连续采集k2次，如果k2次的温差变化率中超过设定比例的温差变化率大于结霜判断阈值时，判断是否需要除霜，否则重新计算温差起始点；对蒸发器温度和室外环境温度连续采集k3次，如果连续k3次的温差变化率都小于标准温差变化率，则认为霜层已累计得比较厚，进入除霜步骤，否则返回继续计算。本方法可以剔除系统工作状态改变时造成的波动干扰，准确地对除霜条件进行判断。
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