罗超鸿¹，赵密升²，李建国²，陈观生¹，陈微微²，谢锋²，肖宏新¹

（1.广东工业大学材料与能源学院，广州市 番禺区 510006；2.广东博鱼(中国)官方网站新能源科技发展有限公司，广州市 增城区 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：本文采用红外检测技术监控热泵机组霜层的生长过程，并对三种不同的化霜控制方案（红外即时化霜、红外延时化霜及模糊化霜）进行了分析比较。试验研究及结果分析发现，热泵机组在发生霜堵导致红外信号断开后，其制热能力并不会立刻大幅度减少，而是在大约十分钟后才会有明显的下降，此时机组启动化霜程序即红外延时化霜可以兼顾机组在具有较长化霜周期的同时又保持较大的制热能力和能效比，可以为热泵机组化霜控制方案的优化提供参考。

关键词：空气源热泵、红外检测、结霜、化霜

引言

空气源热泵可以利用环境空气中的低品位能源向用户提供高品位的热量。与传统的供热方式相比，空气源热泵具有高效节能环保、一机两用等优势。然而，空气源热泵在冬季运行受低温环境影响，存在亟待解决的技术难题——结霜及其除霜的问题^[1,2]。众所周知，当热泵机组室外换热器的表面温度低于当地空气的露点及冰点温度就会发生结霜现象^[3,4]，而且随着霜层的厚度增加，室外换热器的传热热阻逐渐增加，热泵系统的制热性能下降，严重时甚至会导致机组停机等一系列的恶性事故^[5]。因此，对结霜检测和化霜控制技术的研究是一直是热泵从业人员研究的热点。

热泵机组化霜控制技术经历了从定时化霜到模糊化霜的改进过程。定时化霜不对霜层厚度进行检测，只是机械地按时间对机组进行周期性的化霜，因此存在化霜提前或化霜滞后的明显问题。模糊化霜虽然不对霜层进行直接的检测，它利用室外换热器的传热温差与环境温度及湿度度等参数对霜层厚度进行综合判断，得出化霜控制的方案。实践发现，模糊控制虽然不会提前化霜，但化霜滞后导致机组性能下降的现象还是比较常见的，这是由其控制原理所决定且不可避免的，也是当前热泵机组化霜控制仍需改进的原因。模糊控制化霜的关键在于怎样得到合适的模糊控制规则和采用什么样的标准对控制规则进行修改，根据经验得到的控制规则有局限性和片面性，而根据实验制定控制规则又有工作量大的问题^[6]。

红外霜层检测及其化霜控制是在热泵机组室外换热器两侧分别安装红外信号发生及其检测设备，实时监视霜层的生长状况。当霜层生长到充满整个翅片间隙，发生霜堵时，红外检测信号断开。这时热泵机组可以采用红外信号断开即时化霜或红外信号断开延时化霜（后面分别简称红外即时化霜及红外延时化霜）两种方案进行化霜控制，并与模糊化霜控制方案进行比较，得出各自的特点，为热泵机组化霜控制方案的优化提供参考。

1试验设备及过程

试验在广东博鱼(中国)官方网站新能源科技发展有限公司焓差实验室进行，试验用热泵机组型号为NERS-G60KD/H。室外换热器侧环境温度为1.8℃，相对湿度为85%。采用红外霜层检测器实时监视霜层生长情况，但机组化霜仍采用模糊控制。总共进行了三组试验，分别记录机组开始制热到化霜结束整个工作周期的制热功率、总制热量、制冷功率及总制冷量。红外即时化霜及红外延时化霜的相关结果则通过机组制热量变化的实测曲线计算得出。室外换热器从发生霜堵到化霜结束的工作过程如图1所示。

2试验结果分析

三组试验制热量曲线变化如图2所示。从图2可以看出热泵制热量变化趋势，在热泵启动制热量达到峰值随后落到最低值，随后制热量呈现缓缓上升的趋势。结霜伴随整个制热过程，在制热的同时，结霜量也随之增加直至发生霜堵红外线路断开，热泵的制热量开始明显下降但仍维持在较高位置继续运行。持续运行一段时间后，热泵制热量下降趋势明显增大，下降幅度达到6.1%~14.97%，为了不让热泵的制热量下降更剧烈，热泵按模糊化霜机制启动化霜程序。

通过对上述三组试验数据的汇总分析，得出了红外即时化霜、红外延时化霜及模糊控制化霜三种化霜控制方案的结果，如表1所

由表1可以看出，红外即时化霜的工作周期及化霜时间最短，所以化霜频率最高，几乎是模糊控制化霜的两倍，但制热功率和制热效率和模糊控制化霜相当，总制热量和净制热量比模糊控制化霜的一半略多；红外延时化霜的制热周期及化霜时间比模糊控制化霜分别短884秒和63秒。由于红外延时化霜的工作周期比模糊控制化霜短的原因，所以在总制热量和净制热量方面同样要比后者稍少，但制热功率和制热效率方面则要分别高出2.73%、2.58%。综合三种化霜控制方案结果比较，在总制热量及净制热量方面模糊控制化霜表现最优，红外延时化霜次之，红外即时化霜最低；但在制热功率、制热效率及化霜时间方面，红外延时化霜表现最优，红外即时化霜次之，模糊控制化霜最低。

3结论

通过红外监控热泵结霜的试验研究发现，启动化霜时间点的选择对热泵的整体制热能力有着重要的影响：

(1)模糊控制化霜虽然具有化霜周期长、化霜频率低的优点，但是化霜滞后导致机组的制热功率和制热效率下降的现象还是比较常见；通过红外霜层检测器实时监视霜层生长情况，在发生霜堵后适时启动化霜机制即红外延时化霜，对制热功率和制热效率有一定的提升。

(2)由于对红外延时化霜的研究不多，目前存在发生霜堵后，哪一个时间点启动化霜机制的可以得到更高的制热效率和制热功率的问题。这也是本次试验的一个不足，但可以为热泵机组化霜控制方案的后续优化提供参考。

参考文献

[1]  W. Wang, J. Xiao, Y. Feng, et al. Characteristics of an air source heat pump with novel photoelectric sensors during periodic frost-defrost cycles[J].Applied Thermal Engineering.2013,50(1）:177-186.

[2]  崔静．结霜与抑霜机理研究及数值模拟［D］.大连理工大学.2011．

[3]  J.K.Dong,S.M.Deng, Y.Q.Jiang,et al.An experimental study on defrosting heat supplies and energy consumptions during a reverse cycle defrost operation for an air source heat pump[J]. Applied Thermal Engineering,2012,37:380-387.

[4]  W.Wang,Q.C.Guo, W.P.Lu, et al. A generalized simple model for predicting frost growth on cold Flat plate[J].International Journal of Refrigeration.2012,35(2):475-486.

[5]  王伟,李林涛,盖轶静,孙育英,朱佳鹤.空气源热泵“误除霜”事故简析[J].制冷与调,2015,15(03):64-71+76.

[6]  刘康,吕静.空气源热泵除霜研究[J].制冷与空调,2011,25(04):421-424.

作者简介：

罗超鸿(1995)，男，硕士研究生，主要研究方向为低温热泵制冷技术，1483809592@qq.com；

陈观生(1970)，男，副教授，主要研究方向为制冷空调、热泵采暖及太阳能热利用等，本文通讯作者，chengs@gdut.edu.cn。