（机械电子工程专业论文）空气源热泵热水机组模糊除霜控制技术的研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 根据我国的气候特点及能源现状，空气源热泵热水机组作为一种 新型的生产热水的设备与我国众多的热水设备相比，具有较大的节能 和环保优势，市场推广和应用前景十分广阔。然而，目前机组常用的 除霜控制方法难以适应不同地区及同一地区不同气候条件的变化，因 而我们有必要从控制的角度对空气源热泵热水机组这样的纯滞后大 惯性系统进行深入地研究，特别是对模糊除霜控制技术进行研究。 首先，本文从理论分析和实验测试两个角度对机组空气侧换热器 结霜的因素进行了研究。一方面，根据三大定律和两大方程推导出机 组空气侧换热器结霜工况下的数学模型，并通过对模型的求解与分析 得到影响机组结霜的主要因素；另一方面，根据实验数据分析结霜对 机组系统参数的影响，得出开始除霜和结束除霜的主要判据。 其次，以除霜的实时控制为要求，在本文确定的六个除霜判据基 础上，分别从隶属函数的确定、模糊集的确定、模糊规则表的建立、 除霜指令的确定、除霜效果的评判等几个方面，对模糊除霜控制算法 进行了研究，并分别构建了上述各个部分的实现方法 最后，根据机组的总体控制建立了模糊除霜控制的整体方案，确 定了模糊除霜控制模块的组成和控制流程，并对模糊除霜控制技术的 核心模糊除霜控制器进行了深入地研究，构建了完善的控制器程 序流程。 本文从硬件、软件等方面实现了模糊除霜控制器，其应用于实际 产品中的实验测试表明：机组的除霜控制能自动适应运行工况的变化 而适时除霜，保证机组可靠、稳定地运行，同时也解决了机组因结霜 所产生的问题。 关键词：空气源热泵热水机组，除霜，模糊控制技术 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt oc h i n a se n e r g ys i t u a t i o na n dt h ec l i m a t e , a i rs o u 雠 h e a tp u m pw a t e rc h i l l e r h e a t e r , 勰an e wu n i tf o rw a t e rp r o d u c t i o n , i s m o r eb i g g i s he n e r g ye f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n t a la d v a n t a g e st h a no t h e r n u m e r o u sw a t e re q m p m e n t h e r e b y ，i th a sb r o a dm a r k e t i n gp m s p e c t sf o r a p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e h o w e v e r , t h ec u r r e n tm e t h o do fd e f r o s t i n g c o n t r o li sd i f f i c u l tt oa d a p tt od i f f e r e n tc l i m a t i cc o n d i t i o n si nd i f f e r e n t r e g i o na n dc h a n g e s i nt h es a m ea r e a s ow en e e dt op u tu pm o r ei n - d e p t h r e s e a r c ho fi n e r t i a ls y s t e mw i t ht i m e - d e l a yl i k ea i rs o u r c eh e a tp u m p w a t e rc h i l l e r h e a t e rf r o mt h ep o i n to fc o n t r o l ，e s p e c i a l l y , f r o mt h ef u z z y d e f r o s t i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y f i r s t l y ，i nt h ep a p e r , f r o mt h ep o i n to fv i e wo ft h e o r e t i c a la n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a lt e s t i n g , f r o s t i n gf a c t o r so fa i r - s i d eh e a te x c h a n g e ru n i t i sb e e ns t u d i e d o no n eh a n d , a c c o r d i n gt ot h el a wo ft h em a s s , m o m e n t u ma n de n e r g yc o n s e r v a t i o na n dt w oe q u a t i o n so ft h ei d e a lg a s s t a t ea n dc l a p e y r o n - c l a u s i u s ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a te x c h a n g e r u n d e rf r o s t i n gc o n d i t i o n si sb e e nd e r i v e d f u r t h e r m o r e ，w i t ht h es o l u t i o n a n da n a l y s i so f t h em o d e l ，t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gc r e wf r o s t i n gi sb e e n e d u c e d 1 1 1 eo t h e rh a n d o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a , f r o s t i n gf a c t o r s i m p a c t i n g u n i ts y s t e mp a r a m e t e r si sb e e na n a l y z e d a n dt h em a i n c r i t e r i o no fd e f r o s t i n gb e g i n n i n ga n dt h ee n do fd e f r o s t i n gi sb e e n e l i c i t e d s e c o n d l y , t o r e a c ht h ed e m a n do ft h er e a l - t i m ec o n t r o lo fd e f r o s t i n g , o nt h eb a s i so f t h ei d e n t i f i e ds i xc r i t e r i ao f t h ep a p e r , t h ea l g o r i t h mo f t h e a m b i g u i t yd e f r o s tc o n t r o li sb e e ni n v e s t i g a t e df r o ms e v e r a la s p e c t s ，s u c h 勰t h ec o n f i r m a t i o no fm e m b e r s h i pf u n c t i o n t h ed e t e r m i n a t i o no ff u z z y s e t s ，t h ee s t a b l i s h m e n to ft a b l ef u z z yr u l e s ，t h ea s c e r t a i n m e n to ft h e d e f r o s t i n gi n s t r u c t i o n s ，t h ee v a l u a t i o no fd e f r o s t i n gr e s u l t sa n d e t c i nt h i s c o u r s e ，t h er e a l i z a t i o nm e t h o do ft h ea b o v ev a r i o u sc o m p o n e n t si sb e e n c o n s t r u c t e d i nt h ee n d ，af u z z yd e f r o s t i n gc o n t r o lo fo v e r a l lp r o g r a mi sb e e n e s t a b l i s h e du n d e rt h eu n i t so v e r a l lc o n t r 0 1 t h ec o m p o s i t i o na n dc o n t r o l f l o wo ff u z z yd e f r o s t i n gc o n t r o lm o d u l ei sb e e nd e t e r m i n e da n da l s ot h e 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o r et e c h n o l o g yo ff u z z y d e f r o s t i n gc o n t r o l - af u z z yd e f r o s t i n g c o n t r o l l e ri sb e e nd e e p l yi n v e s t i g a t e d t h e r e f o r e ，as o u n dp r o g r a mf l o w o f c o n t r o l l e ri sb e e nc o n s t r u c t e d a f u z z yd e f r o s t i n gc o n t r o l l e ri sb e e na c h i e v e df r o mh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei nt h ep a p e r 1 1 旭t e s to fi t sa p p l i c a t i o nt ot h ea c t u a lp r o d u c t s h o wt h a tt h eu n i t sd e f r o s t i n gc o n t r o lc a na u t o m a t i c a l l ya d a p tt oc h a n g e s i no p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dt h e nt i m e l yd e f r o s t o t h e r w i s e ，i t sa p p l i c a t i o n c a na l s og u a r a n t e er e l i a b l ea n ds t a b l eo p e r a t i o no ft h eu n i t a n dt h e p r o b l e m sa r i s i n gf r o mf r o s t i n gi sb e e ns o l v e di nt h i sp r o c e s s k e yw o r d s ：a i rs o u r c eh e a tp u m pw a t e rh e a t e r c h i l l e r , d e f r o s t i n g , f 岫c o n t r o lt e c h n o l o g y m 原创性声明 本人声明，所成交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：饵互丝彰日期：塑辛年月鱼日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签嘲导师签名边缉吼坪年玉月 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于湖南亿利达实业有限公司科技攻关项目节能高效智能化 空气源热泵热水机组产业化( 受理编号$ 2 0 0 6 c 3 5 2 ，湖南省科技厅科技计划重点 项目) ，此课题以湖南亿利达实业有限公司的生产和试验条件为基础进行研究。 1 2 课题研究的背景及意义 1 2 1 课题研究的背景 热泵技术是全世界近年来倍受关注的一项新型能源技术，其基本原理是基于 逆卡诺循环，采用电能驱动，从低温热源中吸取热量，并将其传输给高温热源以 供使用，传输到高温热源中的热量不仅大于所消耗的能量，而且大于从低温热源 中吸收的能量，在标准工况下，系统消耗一个单位的能量，从低温热源中提取二 个单位的能量，合在一起输出三个单位的能量。热泵的热源往往是低品位的，而 空气源热泵是以空气作为热源的蒸气压缩式制冷系统，一般可以分为空气一空气、 空气一水两种组合方式。本文所研究的空气源热泵热水机组是空气一水的组合方 式，采用了热泵的原理并配以先进的控制手段，是一种高节能的机电一体化设备。 在国外，热泵的研究与应用经历了较长的发展过程。热泵这个名词最早在欧 洲使用约在2 0 世纪初“。，直到2 0 世纪2 0 3 0 年代，社会上出现热泵的需求，热泵 才有了较快的发展。二次世界大战爆发以后，一方面中断了家用热泵的发展，另 一方面战时能源的短缺也促进了大型供热和工业用热泵的研究和发展，各种热泵 空调机器的研究才真正发展起来。美国自1 9 4 5 1 9 5 0 年就开始了热泵方面的研究 ”“1 ，这期间受到两次能源危机的影响，石油价格上升，给热泵的发展注入了活 力。西欧各国主要致力于大型热泵的开发与研究，对利用大型热泵供热装置调节 区域供暖的尖峰负荷非常重视，取得了很大的成绩。日本的能源十分贫乏，特别 重视热泵的发展，早在1 0 年前的各类建筑中，根据不同建筑类型采用热泵的项目 占到1 0 2 5 。近年来，由于环境保护，减少使地球变暖的c 0 z 的排放越来越受 到人们的重视，国际能源机构( i e a ) 中心对采用热泵，减少c 0 ：排放造福于地球环 中南大学硕士学位论文第一章绪论 境进行了评估，结论是：1 9 9 7 年建筑物和工业用热泵使全球c 0 z 排放量( 2 2 0 亿吨) 减少0 5 ( 1 1 4 亿吨) ，其中6 5 0 0 万台家用热泵减少c 0 z 排放量约为0 6 4 亿吨，商 业建筑物和工业用热泵减少c 0 z 排放量约为0 5 亿吨。如果市场上的热泵全部投入 使用，并在建筑物采暖方面所占的份额达到3 0 9 6 ，则可减少的c 0 z 排放量为2 亿吨， 即可减少全球c 0 z 排放量的6 ( 1 2 亿吨) 。随着热泵效率的进一步提高，预计热泵 减少全球c 0 。排放量的潜力可达1 6 左右，因此，i e a 热泵规划的总目标是：支持 热泵技术，将其看作为节约一次能源和保护环境方面现实、可靠的措施。 由此可见，在国际大坏境中，热泵的使用会有一个新的发展。 在国内，早在2 0 世纪5 0 年代，我国就有不少学者进行了空气源热泵的研究和 应用开发，但受当时制造工业水平的影响，空气源热泵在实践中没有得到很好地 应用。直到改革开放以后，由于经济的飞速发展，人民生活水平的提高和住宅条 件的改善，电力供应的增长，热泵技术才得到了充分的发展。 空气源热泵热水机组作为产生卫生热水的热源设备自9 0 年代开始在我国大 陆华南地区与长江流域得到广泛应用，目前，使用地域向着黄河流域扩展”“。 这类机组得到广泛应用的原因是机组可以一年四季均能制热，特别是在冬季制热 时，空气侧换热器( 蒸发器) 从大气环境中吸取热量，其制热效率远高于电加热， 这对于我国原先冬季不采暖的地区，如长江流域，采用空气源热泵制热比直接用 电采暖有明显的节能意义”。，与用锅炉采暖相比，空气源热泵制热的一次能源利 用率也高于锅炉；空气源热泵热水机组安装方便，可置于屋顶，省去了原先中央 空调常用的冷热源( 水冷冷水机组加锅炉) 所需的机房，为业主省下了建筑使用面 积；空气源热泵热水机组以电为动力，使用地无污染”。，目前，国内的一些大中 城市己规定在市中心区域不准安装燃煤与燃油锅炉，这样，空气源热泵热水机组 就有了更大的市场。从国家的能源状况及能源政策上看，我国的原油资源并不丰 富，主要能源是水电、核电及火力发电，在三峡工程见效及一批核电厂建成后， 我国的电力供应状况将会得到很大的改善，作为耗能大户的中央空调冷热源的选 择应与国家的能源条件及政策相适应，空气源热泵热水机组以其自身的特点将有 更广阔的应用前景。 空气源热泵热水机组没有因为使用锅炉带来的环境污染，环保节能，安装方 便，运行时可以作到无人看守等得到了广泛的应用，使用地域由南向北迅速推广。 但从目前空气源热泵热水机组的实际运行效果来看，这类热源设备在气温偏低且 相对湿度比较大的地区制热运行时仍不理想“，主要原因是蒸发器结霜及除霜 造成的供热能力下降。蒸发器结霜对空气源热泵热水机组的运行产生的负面影响 主要在两个方面：一方面是霜层的形成增加了导热热阻，降低了蒸发器的传热系 数。尽管在结霜的早期，由于霜层增加了传热表面的粗糙度及表面积，使总传热 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 系数有所增加，但随着霜层增厚，导热热阻的影响逐渐成为影响传热系数的主要 方面，总传热系数开始下降。另一方面是霜层的存在加大了空气流过翅片管蒸发 器( 空气侧换热器) 的阻力，降低了空气流量，这是结霜对蒸发器性能影响的主要 方面。由于这些负面影响，空气源热泵在结霜工况下运行时，随着霜层的增厚， 将出现蒸发温度下降，制热量下降、风机性能衰减，电流加大等现象而使空气源 热泵机组不能正常工作，因此，需用周期性除霜的方法解决这此些问题。然而， 除霜过程( 如常用的热气除霜方法) 将影响正常的供热，况且在除霜运行时将产生 除霜损失，这就有一个如何保证机组正常运行的前提下最大限度地减少霜层形成 的影响和除霜损失，使机组出力最大的问题。如此而来，如何提高空气源热泵在 低温和高湿度环境下机组的出力、如何减少因结霜和除霜带来的损失以及如何保 证机组在不同的大气环境状况下能正常除霜就是近年来对空气源热泵研究的热 门课题。对于此课题，本文将在基本理论和现有设备的基础上，从控制的角度来 研究除霜的技术，以求解决之道。 1 2 2 课题研究的意义 当今，能源问题和环境污染问题是制约国民经济发展的两大难题，这对于可 以合理地利用能源、减少温室效应的热泵而言，特别是可以利用自然界的热量或 工厂的废热作为低位热源的空气源热泵而言，具有无可比拟的优势。虽然，空气 源热泵要消耗一定量的高位能，但所供给的热量却是消耗的高位能与吸取的低位 热量的总和。因此，采用空气源热泵装置可以节约高位能以节省燃料并减少对环 境的污染。这在能源紧张、环境污染日渐严重的今天，应用空气源热泵技术无疑 会对国民经济的发展起到积极作用。基于上述原因，各国纷纷制定各种计划，鼓 励支持热泵技术的发展。 从环境状况看，环境污染问题中的重点在于燃料燃烧造成的环境污染。我国 的能源结构中煤的比例占到7 0 以上，这将造成严重的大气污染。世界卫生组织 公布的世界大气污染最严重的1 0 座城市中，中国就占七席。相关调查表明，我国 城市空气质量仍处于较重的污染水平，在各种能源中，煤燃烧产生的c 0 2 排放量 独占麓头，据国际能源机构i e a 的计算，随着我国能源消费的增长，估计在2 0 1 5 2 0 2 0 年左右，中国将取代美国成为世界第一大c 0 2 排放国。c 0 2 增长一倍，就会 使低层大气平均温度升高1 5 3 。近一万年中，地球大气平均温度仅升高2 ， 但最近的2 0 0 年中大气平均温度却升高了1 6 。照此速度发展，到2 0 3 0 年或 2 0 5 0 年全球平均温度将升高1 5 4 5 ，是过去的5 l o 倍，这将严重破坏自 然界的生态平衡。由于能源利用造成的环境问题，使得高效节能的热泵技术受到 了能源部门和环境部门的重视。 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 从产品方面看，我国现有传统的热水供应设备主要有家用燃气热水器、电热 水器、太阳能热水器；工业用各种锅炉，如燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、电 锅炉等。所有这些热水供应设备都存在着这样或那样的缺陷，如在安全性、环境 污染、效率和运行费用等方面的不足。近几年来，随着热泵及其控制技术的不断 完善，并以其优异的性能获得专家的好评，迅速地被越来越多的用户所接受。表 1 - 1 列出了不同类型的热水供应设备加热1 吨水的运行费用及一些性能的比较。 表1 - 1 不同类型的热水供应设备加热1 吨水的运行费用及一些性能的对比 太阳能+ 电空气源热泵 供热设备燃煤锅炉燃油锅炉燃气热水器电热水器 辅热水器热水机组 燃料种类 煤柴油 天然气 电电电 环境污染严重污染污染污染无污染 无污染 无污染 安全性 有危险 危险危险 危险 安全安全 不需 不需 操作性需专人操作需专人操作需专人操作需专人操作 专人操作专人操作 初投资小一般一般一般大一般 年维护 高较高 低 低低低 费用 效率6 0 8 5 9 0 9 5 2 0 0 3 5 0 5 燃料单价0 3 3 元k g3 5 元升 2 2 元m 30 5 元度0 5 元度 0 5 元度 每吨水 燃料费用 5 6 元 1 8 8 元1 2 4 元 2 7 5 元 1 1 6 元7 4 元 注：a 、空气源热泵热水机组进水温度为1 0 ，出水温度为5 5 1 2 ； b 、效率是指全年的平均效率。 从发展过程看，9 0 年代初、中期，国内几十个厂家纷纷上马空气源热泵热 水机组，大多以模仿国外产品或台湾产品为主，而国外及台湾产品一开始没有针 对大陆不同地区的气候特点对产品进行相应的改进( 这一工作现在做得仍然不理 想) ，产品的开发缺乏深入的理论与实验研究即进入市场，为此，在这些年的使 用中，空气源热泵热水机组暴露出一些问题“，如：压缩机烧坏，机组产品说 明书上所示的性能指标与实际运行效果不符，在偏北地区使用时，制热效果差， 除霜效果不理想，严重时，空气侧换热器结冰导致机组无法正常工作，除霜控制 水平低，除霜控制难以适应不同地区及同一地区不同气候条件的变化，机组售价 较高等问题。早期进入我国大陆的空气源热泵热水机组的制造商，由于其产品出 现了不少问题，严重影响了声誉，阻碍了其进一步发展。大陆后起的不少厂家的 产品也没有真正解决这些问题，其产品使用一段时间后同样也出现了类似问题， 这样就会影响空气源热泵热水机组的推广使用。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 目前，国内以空气源热泵热水机组为代表的热源设备产品市场的竞争非常激 烈，国外一些大公司纷纷进入中国合资或独资办厂，并建立技术开发中心，针对 中国的具体情况，研究、开发适合其特点的产品，其有利的一面是带来了相对先 进的技术与产品，但对民族工业有很大的冲击。国外的一些大公司有几十年生产 热泵产品的经验，有先进的技术和较大的资本，而国内厂家与其相比，在技术条 件和资金方面要薄弱得多，国内厂家不出国门就要参与国际竞争。在我国加入 w t o 后，市场的竞争会更激烈，国内的产品要在竞争中占一席之地并不断发展， 必须将高科技手段和成果应用于产品的开发，提高产品质量，降低产品成本，缩 小与国外产品的差距。原机械工业部发布的机械工业重点开发产品指南中， 明确规定了空气源热泵热水机组的性能应达到的要求：名义工况制冷性能系数 2 5 0 0 w k w 、在1 0 环境温度下能稳定运行，全电脑控制，智能除霜等。从目 前空气源热泵热水机组的使用情况看，要达到上述要求，特别是在1 0 环境温 度下能稳定运行，尚有一定差距，设计在1 0 环境温度下能稳定运行空气源热 泵热水机组需在制冷系统配置、空气侧侧换热器结构设计、除霜方法及除霜控制 方法等方法进行深入的理论与实验研究。 因此，不论是从节约能源、保护环境的角度来看，还是从振兴民族工业、促 进经济的可持续发展角度来看，对空气源热泵等热源设备进行深入地研究并推广 应用都有其非同寻常的必要性，本文以空气源热泵热水机组在低温工况下的有效 除霜为切入点，将模糊控制技术应用于机组的除霜过程，这是改变目前机组除霜 控制水平较低，实现智能除霜的有效途径。 ” 1 3 课题相关技术研究文献综述 1 3 1 空气侧换热器模型的国内外研究现状 空气源热泵热水机组的空气侧换热器是直接与大气环境进行热交换的设备， 由于运行时要适应大气环境较大范围的参数变化，这就决定了其结构的复杂性和 所需适应因素的多样性。在以往的分析模型中，所研究的热泵设备具有双重功能 ( 制冷与制热) ，并且制热是在制冷的技术上加入电辅设备来实现的，因此，人们 就以制冷时的工况条件作为模型分析的主要依据。然而，空气源热泵热水机组作 为提供卫生热水的专用设备，其空气侧换热器在低温、高湿度环境下工作时，结 霜的影响要求空气源热泵热水机组满足新的工作特性的要求( 如：采用宽翅片或 变翅片间距、减少分路数等) ，这也对分析其空气侧换热器模型的主要依据提出 改进要求。 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 目前空气侧换热器的建模方法主要有“黑箱”法、分区集中参数法和分布参 数法。所谓“黑箱”法是对某一特定的换热器，通过实验回归出一个关系式作为 该换热器的模型。这种方法简单，但适用性差，目前很少采用这种方法建模。而 分区集中参数法是根据换热器管内制冷剂所处的状态不同进行分区，每区采用集 中参数法建模。如：周永明等“对于节能控制的制冷系统的换热器采用分区集 中参数法建模，吕彦力“、陈芝久“”、j o s em c o r b e r a n 。等也采用这种方法建 立换热器的模型。采用这种方法，区域的划分很重要，它直接影响建模的精度， 适用范围较小。 分布参数法是将换热器按制冷剂流动方向划分为许多微小单元，分别对每一 微小单元进行建模，然后将微小单元之间通过数据连接起来，就组成整个换热器 的模型。如：h w a n g 等。采用分布参数法建立了非稳定状态下空气冷却器的模 型，该模型将管内制冷剂的流动分为两种完全不同的状态：两相流和单相流，对 两种不同的流态在质量守恒、动量守恒、能量守恒的基础上分别建模，但该模型 为干工况下的模型，没有考虑结霜对空气冷却器性能的影响；葛云亭等”。 采用分布参数法分别建立了空气侧换热器的动态参数数学模型，并提出了根据制 冷剂两相力的分析而得出的不同流型的判别准则，得出了可用于替代空隙率模型 的两相界面关系方程，以进一步提高模型的模拟精度；陈芝久等1 对汽车空调 管带式蒸发器建立了动态分布参数模型，分析了蒸发器管内、管外侧传热传质机 理特性，为汽车空调制冷系统仿真提供了可靠的部件模型；j n y e r s 等“采用分 布参数建立了适用于热泵蒸发器控制的动态模型；史琳等“采用分布参数模型 对汽车空调的管带式和平流式换热器进行了模拟，从物性角度分析比较了两种制 冷剂r 1 2 和r 1 3 4 a 在换热器中的换热；j w m a c h r t h u r 等。采用分布参数法建 立换热器的模型，并采用空泡模型来预测制冷剂的质量分布；a b e n s a f i 等“1 采用分布参数法建立了使用纯制冷剂和混合工质时换热器的数学模型。采用这种 建模方法可对任意结构的换热器进行建模，建模精度高，但计算量大，对空隙率 的计算及两相流机理要求较高，以目前的计算水平而言已能达到。 从以上的查阅中，我们可知：为了对空气源热泵热水机组空气侧换热器的结 霜因素有更精确的分析，采用分布参数法建立的空气侧换热器数学模型应是我们 的首选，并在此基础上通过实验来检测影响其结霜的因素，进而可以对建立的数 学模型进行验证。 1 3 2 空气源热泵除霜方式及除霜控制方法的国内外研究现状 对于空气源热泵热水机组而言，在供热运行时空气侧换热器的结霜和除霜是 影响机组在低温、高湿度工况下运行的关键问题。尽管少量的结霜会使换热器表 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 面变得粗糙，在短时间内可能改善机组的换热性能，但这种情况对机组换热性能 的影响是微不足道的，很快由于结霜量的增多而使换热器传热热阻和空气流通阻 力增加，机组的供热量明显降低。如不及时除霜，有可能使换热器的空气通道完 全堵塞，导致机组完全停止供热。因此，要维持机组在适于结霜的低温、高湿度 工况下正常工作，保证供热的稳定和可靠，机组除霜性能的改进是关键，特别是 机组除霜控制方式和方法的改进，这是提高机组制热能力和节能水平的重要手段。 目前，空气源热泵的除霜方式主要有： 1 、不加热除霜：扫霜和中止循环法。 2 、加热除霜：电加热器或蒸汽加热器融霜、淋水法、热气除霜法以及热气 一水融霜法等。 文献“”根据结霜特性和除霜方式对热泵性能的影响，指出在我国南方潮湿 地区宣使用电热除霜方式，在北方干燥地区宣使用热气除霜方式，在我国，v ， 采暖区以增大室外换热器面积来缩短结霜期是行之有效的方法，若将室外换热 面积增大1 5 倍，可使这些地区的结霜期缩短一个月左右，但由于实验条件的 限制，这种研究是粗略的。 文献“指出，解决空气一空气热泵结霜问题的途径有两个：一是设法防止室 外换热器结霜，二是选择良好的除霜方式。防止结霜的方法有：、在热泵系统 中增加一个辅助的室外换热器；、在热泵系统的室内换热器中设置一个氟利昂 电加热器；、将室外换热器表面经特殊处理，以避免结霜；、增大室外换热 器的面积；、适当增大通过室外换热器的空气量。除霜的方法主要有：、空 气除霜；、电热除霜；、热气除霜；、水力除霜。除霜性能的改进与许多 因素有关，如空气侧换热器的结构与表面处理、压缩机性能、除霜控制方式等” 从节省劳动力与节能上考虑，现在已很少使用扫霜、中止循环法、电加热器 除霜法及淋水法，而热气除霜法是将压缩机排气通入蒸发器，使其外壁的霜融化。 热气除霜的优点在于，从霜层内部加热，霜层融化由内到外，霜层容易从冷却表 面脱落，只有当霜层融化脱落后，肋片管上的热量才会向外辐射，但此时已处于 除霜的结束阶段，因此和周围环境的热交换量较小，实际融解霜所需热量比理论 值小得多，而且在热气除霜前可先用热气的压力使蒸发器盘管内积存的制冷剂及 冷冻油排走，减少蒸发器盘管内残存制冷工质的吸热量，这样可缩短融霜时间， 减少室内温度变化，除霜后降温所消耗的制冷量少。 另外，空气源热泵常用的除霜控制方法有。： 1 、定时除霜法：就是按最不利的环境参数设定机组制热运行时间，时间一 n t i p 转入除霜循环。这是早期采用的方法，为防止蒸发器严重结霜，影响机组的 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 工作性能，在设定时间时，往往考虑了最恶劣的环境条件，因此，必然产生不必 要的除霜动作。 2 、时间一温度法：这是目前普遍采用的一种方法，即设定一个蒸发温度( 压 力) 或蒸发器翅片管的温度与上次除霜的时间间隔值，当温度( 压力) 和时间均 达到设定值时，开始进行除霜。由于在时间量的基础上考虑了温度量，比单纯的 时间法有进步，部分地考虑了机组工作环境的影响，但仍不能正确反映结霜对机 组性能的影响，会出现多余的除霜运作，也会在需要除霜时而不发除霜信号。 3 、空气压差除霜控制法：测量通过蒸发器的空气压差，当压差达到设定值 时，开始除霜。由于蒸发器表面结霜，会增大蒸发器两侧的空气压差，通过检测 蒸发器两侧的空气压差，确定是否需要除霜，这种方法可以实现根据需要除霜， 但在蒸发器表面有异物遮挡或严重积灰时，会出现误动作。相似的还有：霜层传 感器控制法( 即通过光电或电容探测器监测蒸发器的结霜情况，霜层达到一定厚 度发出信号进行除霜) 、声音振荡器控制法( 即通过监测安装在蒸发器内的声音振 荡器的共鸣频率来推知霜层的厚度，以控制除霜动作) 等。 4 、最佳除霜时间控制法：通过确定霜积累时间的关系，使结霜时间可以动 态修正，使实际除霜时间向设定的优化除霜时间逼近。此法有两个问题：一是最 佳除霜时间的确定会因具体条件的不同而不同；二是从控制算法看，难以处理天 气突变的情况。 5 、最大平均供热量法控制除霜：就是在机组的最大平均供热量时进行除霜， 即以最大平均供热量作为衡量依据，以机组能产生最大供热效果为目标来进行除 霜控制，这一除霜方法具有理论意义，但实施有一定的困难。 6 、蒸发温度与大气温度差除霜控制法：在蒸发器表面严重结霜时，蒸发温 度与大气温度的差会加大，根据这一变化来控制除霜，反映了结霜后机组工作特 性产生的影响，但仅根据一个量的变化进行判断，也会有误动作产生。 文献“在研究了一般除霜控制的基础上，提出了智能除霜控制系统，利用 机组的电脑控制判断盘管上是否结霜或结霜多少。这种控制系统的优点在于可根 据实际需要进行除霜，且不受人为因素的干扰，压缩机损耗较小，因而热泵寿命 较长。 r o - 1 文献”“通过对热泵除霜特性的实验研究，指出热力膨胀阀特别适宜于除霜 循环，因为它能根据工况变化调节节流孔口的大小。提出了减小除霜时间的措施， 即除霜启动后迅速建立大的制冷剂流量。 w a w i l l e r 。通过对家用分体式空气一空气热泵的实验研究，测定了在稳 态和结霜除霜状态下的性能系数、系统容量、部件效率，计算了结霜除霜损失。 利用实验数据，借助于由橡树国家实验室开发的季节性能模型进行了季节分析， 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 指出对所测试的热泵，结霜除霜有1 5 的能量损失，按需除霜与9 0 4 5 分钟 的时间温度控制除霜相比，可减少5 1 0 的损失。但该结论只适用于所测 试的热泵和所计算的地区。 d l 0 n e a l 等“对家用空气源热泵在逆循环除霜时的动态特性进行了实验 研究。通过测量制冷剂的温度、压力、制冷剂流速、压缩机与风机消耗的功、贮 液器中制冷剂的液位，给出了除霜期间物理过程的详细描述。但对现象物理机理 的解释不够，且没有根据所得的实验数据指出减少除霜时间的措施。 陈汝东等。在研究常用除霜方法的基础上，提出了一种判定除霜起始时刻 的方法。引入平均供暖能力的概念，指出平均供暖能力存在一个最大值，在平均 供暖能力最大值时刻进行除霜，得到的单位时间的供热量一定会比其他时刻大。 但实际中还应考虑除霜消耗的能量以及结霜与除霜周期工作的稳定性等因素。该 方法在理论上有一定意义，但实际实现较困难。 黄虎等“”在分析各种除霜控制方法的基础上，提出了白组织模糊控制方法。 根据热泵机组运行参数对结霜的影响，结合热泵机组的工作环境条件采用模糊控 制算法，给出除霜循环的触发信号，通过对除霜过程中热泵机组状态的监测，对 上一次的控制量进行校正，这样可使除霜控制自动适应环境参数的变化，提高除 霜控制水平。 在查阅以上文献的基础上，我们可知： 影响空气源热泵热水机组空气侧换热器表面结霜的主要外部因素是环境温 度和相对湿度，这两个量具有非线性和时变性的特征，而且，空气侧换热器管温的 下降速度或管温与环境温度的差值变化与热泵的结霜程度相关，它们之间难以获 取定量的数学关联表达式，而模糊控制技术适合处理多维、非线性和时变性问题， 并且控制参数的模糊化对环境的变化和不同机型及机器的自身差异会有更好的 适应性。因此，对于除霜控制方法我们选择了模糊控制技术。另外，热气除霜是 我们对空气源热泵热水机组空气侧换热器进行除霜的主要方式。 i 3 3 模糊控制技术的应用现状 建立在坚实的数学基础上的、具有完善理论体系的经典控制理论和现代控制 理论，很好地解决了各类实际系统中的多种控制问题。然而，需要精确的数学模 型和良好的特性判据等特点，使这些理论在面对某类被控制对象时显得无能为力 或过于复杂，尤其是面对复杂系统的规划、管理、监视、优化这类高层控制问题 时尤为显得乏力，而空气源热泵热水机组就是此种复杂系统的典型代表。 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 近十几年来发展起来的模糊控制技术恰恰在这方面胜其一筹。它的起源是根 据操作者的经验，模仿人的操作而进行控制的技术，在处理定性的、不确定的和 信息不完善这类问题方面尤其具有优越性。其低代价、但却优良的性能已赢得了 日益广泛的应用。随后又逐步向研制具有人脑的思维和学习能力，能根据经验和 知识，在复杂和不确定环境中独立进行思考，并作出正确决策和控制动作的系统 方向发展。可以说，研制这样的系统是人类的一种理想。模糊控制技术的产生和 发展正是人们在这条道路上艰苦探索的成果。 自1 9 6 5 年z a d e h ”提出了模糊集理论后，引发了数学上的探讨和争论。 m a m d a n i 于1 9 7 4 年首先研制成了世界上第一台模糊控制器，成功地实现了对蒸 气机和锅炉的控制。，这一研究开创了模糊控制的先河。随后，模糊控制沿着 “少争论、多实践”的路线在发展。在英国、丹麦、荷兰、日本等国，人们先后 对不同的复杂对象进行了模糊控制，均取得了良好效果。虽然引起争论的理论问 题尚没有解决，但其成功的应用却引起了人们的广泛重视。 1 9 7 5 年英国学者将模糊控制应用于工业反应过程的温度控制”“一；1 9 7 6 年 荷兰学者将其用于热水站的控制；1 9 7 7 年丹麦学者用于热交换器的控制”“；英 国学者用于对压力容器内的压力和液面进行控制“一。以及反应器搅拌槽的温度 控制；1 9 7 9 年m a m d a n i 等研究了一种自组织模糊控制器”“，在蒸气机上展示了 自组织方法的优异能力。同一时期，在丹麦和日本先后被用于水泥窑生产过程的 控制h ”；1 9 8 3 年日本学者将模糊控制器成功地应用于汽车速度控制中h 5 蛳”。 此后，模糊控制在化工、机械、冶金、工业炉窑、水处理、食品生产、造纸机， 电弧冶炼炉等工业生产过程中以及在铁路列车停运、起重机的小车行车和卷扬提 升、飞机着陆和通讯卫星控制、十字路口的交通枢纽指挥、机器人控制系统、故 障诊断等非工业过程中都得到了成功的应用。 1 9 8 4 年美国推出了“模糊推理决策支持系统”；随后，日本进入了模糊控 制的实用化时期，在空调机、洗衣机、吸尘机、电饭堡、电视摄像机等大众化产 品中都采用了模糊控制技术。至此，模糊控制一方面向“通用控制器”、集成硬 件方面发展，另一方面向复杂系统、智能系统、人类与社会系统及自然系统方面 扩展。 由此我们可以看出：对于空气源热泵热水机组这样一个多干扰、参数强耦合、 工况多变化、大惯性的非线性系统，基于模型的经典控制及现代控制难于解决这 样的问题，而作为人工智能领域中形成最早、应用最广泛的一个重要分支模 糊控制技术恰恰适合于这样的系统。 1 0 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本课题的主要研究内容 根据我国的气候特点及能源现状，空气源热泵热水机组作为一种新型的生产 热水的设备与我国众多的热水设备( 燃气锅炉、电锅炉等) 相比，具有较大的节能 和环保优势，市场推广应用前景十分广阔。然而，目前空气源热泵热水机组常用 的除霜控制方法( 如定时法、时间温度法等) 难以适应不同地区及同一地区不同 气候条件的变化，尤其是在低温、高湿度的工况下运行时，除霜控制效果较差， 因而我们有必要从控制的角度对空气源热泵热水机组这样的纯滞后大惯性系统 进行深入地研究，特别是对模糊除霜控制技术进行研究。本论文将围绕上述课题 来展开，研究重点如下： 1 、从理论分析的角度对空气源热泵热水机组空气侧换热器结霜的因素进行 研究，推导出空气源热泵热水机组空气侧换热器结霜工况下的数学模型，并通过 模型的求解与分析找出作为除霜判据的主要参数。 2 、从实验测试的角度对空气源热泵热水机组空气侧换热器结霜的因素进行 研究，找出作为除霜判据的主要参数，同时验证理论分析所建数学模型的正确性。 3 、从确定隶属函数、确定模糊集、建立模糊规则表、确定除霜指令和评判 除霜效果等几个方面开展对模糊除霜控制算法的研究。 4 、建立机组模糊除霜控制的整体方案，确定模糊除霜控制模块的组成和控 制流程，并对模糊除霜控制技术的核心模糊除霜控制器进行深入地研究，构 建完善的控制器程序流程。 5 、从硬件、软件等方面实现模糊除霜控制器，并通过试验检测其应用于实 际产品中的效果。 1 5 本章小结 本章综合介绍了论文的课题研究背景与意义，在查阅大量国内外文献的基础 上，初步得出下述结论：在空气侧换热器模型的研究方面采用分布参数法建立本 文研究对象的数学模型；在空气源热泵的除霜方式和除霜控制方法方面采用热气 除霜的方式和模糊除霜的控制方法。另外，还对模糊控制技术的应用现状进行了 介绍，并在此基础上提出本课题研究的主要内容。 中南大学硕士学位论文第二章空气侧换热器结霜冈素的研究 第二章空气侧换热器结霜因素的研究 随着节能呼声的高涨，空气源热泵热水机组受到越来越多的青睐，而空气源 热泵热水机组在低温、高湿度工况下运行的过程中，当空气侧换热器表面温度低 于周围空气的露点温度且低于o c 时，换热器表面就会结霜。霜的形成使得换热 器传热效果恶化，且增加了空气流动阻力，使得机组的供热能力降低，严重时机 组会停止运行。因此，低温、高湿度工况下空气侧换热器的结霜是影响其应用和 发展的主要问题，研究结霜对换热器性能的影响具有十分重要的意义。本章将从 理论分析和实验测试两个角度分析影响空气源热泵热水机组空气侧换热器结霜 的原因。 2 1 空气侧换热器结霜因素的理论分析 2 1 1 空气侧换热器结霜工况下数学模型的建立 热泵系统主要由四部份构成( 如图2 1 所示) ，分别是压缩机、散热盘管( 俗 称冷凝器) 、膨胀阀、吸热盘管( 俗称蒸发器) 。其工作过程如下：高压液态制 冷工质通过节流阀降压降温后进入蒸发器，在蒸发压力和蒸发温度下吸收被冷却 物体的热量而沸腾，变成低压低温的蒸汽，随