一种空气能热水器快速除霜装置及方法与流程

1.本发明涉及空气能热泵领域，特别涉及一种空气能热水器快速除霜装置及方法。


背景技术：

2.空气能热水器因其具有高效、节能、环保的优势，广泛应用于家庭、企事业单位及小区楼栋的热水供应及冬季室内取暖。然而，在冬季使用过程中，由于室外温度较低，蒸发器换热装置铜管会结霜。
3.结霜是空气能热水器面临的一个严重问题，一方面，不仅影响空气能热水器的效能和用户使用舒适度；另一方面，空气能热水器在结霜状态长时间运行会导致寿命及可靠性大大降低。所以，快速、可靠的对空气能热水器进行除霜有利于提高热水器的制热量和效率，确保系统稳定运行。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种空气能热水器快速除霜装置及方法。本发明可以实现对附着在室外蒸发器铜管上的冰霜进行压电应变除霜和热熔霜，加快除霜速度和减小除霜能耗。
5.本发明的技术方案：一种空气能热水器快速除霜装置，包括冷媒回路切换单元和压电除霜单元，其中：
6.所述冷媒回路切换单元包括蒸发器、四通阀、气液分离器、压缩机、换热器、储液罐、膨胀阀和过滤器，其中：所述四通阀、气液分离器和压缩机依次连接形成闭合回路；所述四通阀、换热器、储液罐、膨胀阀、过滤器和蒸发器依次连接形成闭合回路；
7.所述压电除霜单元包括设置在所述蒸发器的铜管上的多个压电材料。
8.前述的一种空气能热水器快速除霜装置中，所述压电材料粘贴或者缠绕在蒸发器的铜管表面。
9.根据上述空气能热水器快速除霜装置的除霜方法，包括以下步骤：
10.s1：结霜程度的检测：建立不同结霜条件下所述压缩机的功率与压缩机出口的冷媒气体压力之间的工程化物理模型，再搭建不同结霜情况下空气能热水器的原型样机，对所述原型样机进行实验测试，得到结霜程度、压缩机的功率和冷媒气体压力之间的数学关系，再对需要检测的压缩机的功率和冷媒气体压力进行采样，将采样的数据带入到结霜程度、压缩机的功率和冷媒气体压力之间的数学关系，判断所述蒸发器的铜管是否结霜并得出结霜程度；
11.s2：控制执行除霜，获取所述s1给出的结霜程度，确定所述蒸发器的铜管结霜后执行包括以下步骤：
12.s2.1：压电单元除霜：调节对所述压电材料施加的交变电压，使压电材料产生形变，附着在所述蒸发器的铜管上的冰霜受到巨大的应力而破裂，加速除霜过程；
13.s2.2：切换冷媒回路除霜：所述四通阀切换工作模态实现冷媒从所述换热器中吸
收水的热能，在所述蒸发器的铜管上释放热量，产生的热量迅速被附着在蒸发器的铜管上的已经破裂的冰霜吸收，加快破裂的冰霜的融化速度。
14.前述的空气能热水器快速除霜方法中，所述s1中的结霜程度检测方法包括以下步骤：
15.(1)获取当天环境温度t
amb
、环境相对湿度h
amb
，确定空气能热水器当前处于结霜运行边界范围；
16.(2)以此时刻开始每隔δt时间执行一次结霜预测算法，并且每次预测算法执行时均需对所述压缩机的功率p
comp
和冷媒高压气体压力p
press
(压缩机的出口压力)采样并得到n个数据，采样周期为ts；
17.(3)采样压缩机的功率p
comp
和冷媒高压气体压力p
press
的n个数据，分别记为：{p
comp
(1),p
comp
(2),
…
,p
comp
(n)}和{p
press
(1),p
press
(2),
…
,p
press
(n)}，依据结霜程度、压缩机的功率和冷媒气体压力之间的数学关系α＝g(p
comp
,p
press
)，得到结霜程度数组{α(1),α(2),
…
,α(n)}，其中：α(i)＝g(p
comp
(1),p
press
(i))；
18.(4)获取{α(1),α(2),
…
,α(n)}的最大值α
max
＝max{α(1),α(2),
…
,α(n)}，判断条件α
max
＜α
thr
和t
amb
＞t
thr
是否成立，其中：α
thr
和t
thr
分别为结霜程度最小设定阈值和温度设定阈值，如果是，说明所述空气能热水器不结霜，返回所述步骤(2)；否则，进入步骤(5)；
19.(5)计算平均值和标准方差判断是否成立，其中：θ为设定阈值，如果是，进入步骤(6)；否则，返回步骤(2)；
20.(6)得到空气能热水器结霜程度
21.(7)程序退出。
22.前述的空气能热水器快速除霜方法中，所述s2的控制执行除霜工作包括以下步骤：
23.(1)调用结霜程度预测算法子程序，并判断是否结霜，如果是，进入步骤(2)；否则，程序退出；
24.(2)获取所述结霜程度α，依据δ＝s(α)和f＝f(α)，计算出结霜程度为α时所述压电材料需产生的应变δ和频率f；依据计算产生应变δ和频率f时需施加给压电材料的电压
25.(3)控制所述四通阀由制热模式切换到除霜模式，并依据除霜模式下所述压缩机的功率p
comp
与结霜程度α之间的数学关系p
comp
＝d_frost(α)，获得压缩机的运行功率设定值实现快速可靠除霜；
26.(4)将所述和所述分别作为压电材料控制电源输出电压和压缩机运行功率设定值，并对所述压电材料进行控制；
27.(5)驱动所述压电单元、四通阀及压缩机进行除霜工作；
28.(6)程序退出。
29.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
30.1、本发明通过调节压电材料施加的交变电压，致使压电材料产生形变，附着在其
上的冰霜受到巨大的应力而破裂，加速除霜过程，能够保证空气能热水器的效能和用户使用舒适度，还能防止空气能热水器在结霜状态下长时间运行而导致寿命和可靠性大幅度降低的问题出现。
31.2、本发明四通阀切换工作模态实现冷媒从换热器中吸收水的热能，在所述盘型铜管上释放热量，产生的热量迅速被附着在所述盘型铜管上的已经破碎的冰霜吸收，吸热之后的破碎冰霜其融化速度大大加快，能够进一步提高除霜的速率，保证空气能热水器的工作性能。
附图说明
32.图1是本发明空气能热水器冷媒回路结构图；
33.图2是本发明蒸发器铜管和压电单元贴装时的结构示意图；
34.图3是本发明蒸发器铜管和压电单元缠绕安装时的结构示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
36.实施例：一种空气能热水器快速除霜装置，包括冷媒回路切换单元和压电除霜单元，其中：
37.如附图1所示，所述冷媒回路切换单元包括蒸发器、四通阀、气液分离器、压缩机、换热器、储液罐、膨胀阀和过滤器，其中：所述四通阀、气液分离器和压缩机依次连接形成闭合回路；所述四通阀、换热器、储液罐、膨胀阀、过滤器和蒸发器依次连接形成闭合回路；
38.具体地，在制热工作模式时，冷媒的循环顺序为箭头实线流向；在除霜工作模式时，其冷媒的循环顺序为箭头虚线流向。制热/除霜模式下冷媒流向的切换是通过控制四通阀实现。在制热工作模式，冷媒在蒸发器处吸收空气中的热能，成为低温低压气体，经压缩机压缩后，为高温高压气体，并流经换热器，进行热交换。释放热能后，经过储液罐、膨胀阀和过滤器后再次回到蒸发器进行下一次热交换。在除霜工作模式，冷媒在换热器处吸收热能，成为低温低压气体，经压缩机压缩后，为高温高压气体，并流经蒸发器，对铜管加热除霜，释放热能后，经过过滤器、膨胀阀和储液罐后再次回到换热器进行下一次除霜热交换。通过调节压缩机的输入功率即可调控制热/除霜模式的热交换能量，实现快速制热或除霜。
39.如附图2和附图3所示，所述压电除霜单元包括设置在所述蒸发器的铜管上的多个压电材料，所述压电材料粘贴或者缠绕在蒸发器的铜管表面，不论是缠绕或者粘贴间距必须综合考虑换热效能和除霜效能，既不能过大，也不能过小。间距过大，则会导致应变除霜效果不佳；而间距过小，又会导致换热效能变差，其间距值可通过实际测试数据优化确定。
40.根据上述空气能热水器快速除霜装置的除霜方法，包括以下步骤：
41.s1：结霜程度的检测：建立不同结霜条件下所述压缩机的功率与压缩机出口的冷媒气体压力之间的工程化物理模型，再搭建不同结霜情况下空气能热水器的原型样机，对所述原型样机进行实验测试，得到结霜程度、压缩机的功率和冷媒气体压力之间的数学关系，再对需要检测的压缩机的功率和冷媒气体压力进行采样，将采样的数据带入到结霜程度、压缩机的功率和冷媒气体压力之间的数学关系，判断所述蒸发器的铜管是否结霜并得
出结霜程度；
42.相关变量和参数定义如下：ts为采样周期，i为采样数序号，p
comp
(i)为压缩机运行功率，p
press
(i)为冷媒高压气体压力，{p
comp
(1),p
comp
(2),
…
,p
comp
(n)}和{p
press
(1),p
press
(2),
…
,p
press
(n)}分别为压缩机功率p
comp
和冷媒高压气体压力p
press
的采样数据序列，α＝g(p
comp
,p
press
)为结霜程度α与p
comp
和p
press
之间的数学关系，{α(1),α(2),
…
,α(n)}为{p
comp
(1),p
comp
(2),
…
,p
comp
(n)}和{p
press
(1),p
press
(2),
…
,p
press
(n)}条件下解得的结霜程度数组，α
max
为结霜程度数组{α(1),α(2),
…
,α(n)}的最大值元素，α
thr
和t
thr
分别为结霜程度最小设定阈值和温度设定阈值，和σ分别为{α(1),α(2),
…
,α(n)}平均值和标准方差，θ为设定阈值。相关参数计算公式如下：
43.α(i)＝g(p
comp
(i),p
press
(i))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
44.α
max
＝max{α(1),α(2),
…
,α(n)}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0045][0046][0047]
通过公式(1)～(4)的计算，可以得到空气能热水器结霜程度数组{α(1),α(2),
…
,α(n)}及其平均值和标准方差σ。在此基础上，应用经验知识和大数据分析，得出相关设定阈值α
thr
、t
thr
和θ的设定值。
[0048]
所述s1中的结霜程度检测方法包括以下步骤：
[0049]
(1)获取当天环境温度t
amb
、环境相对湿度h
amb
，确定空气能热水器当前处于结霜运行边界范围；
[0050]
(2)以此时刻开始每隔δt时间执行一次结霜预测算法，并且每次预测算法执行时均需对所述压缩机的功率p
comp
和冷媒高压气体压力p
press
(压缩机的出口压力)采样并得到n个数据，采样周期为ts；
[0051]
(3)采样压缩机的功率p
comp
和冷媒高压气体压力p
press
的n个数据，分别记为：{p
comp
(1),p
comp
(2),
…
,p
comp
(n)}和{p
press
(1),p
press
(2),
…
,p
press
(n)}，依据结霜程度、压缩机的功率和冷媒气体压力之间的数学关系α＝g(p
comp
,p
press
)，得到结霜程度数组{α(1),α(2),
…
,α(n)}，其中：α(i)＝g(p
comp
(1),p
press
(i))；
[0052]
(4)获取{α(1),α(2),
…
,α(n)}的最大值α
max
＝max{α(1),α(2),
…
,α(n)}，判断条件α
max
＜α
thr
和t
amb
＞t
thr
是否成立，其中：α
thr
和t
thr
分别为结霜程度最小设定阈值和温度设定阈值，如果是，说明所述空气能热水器不结霜，返回所述步骤(2)；否则，进入步骤(5)；
[0053]
(5)计算平均值和标准方差判断是否成立，其中：θ为设定阈值，如果是，进入步骤(6)；否则，返回步骤(2)；
[0054]
(6)得到空气能热水器结霜程度
[0055]
(7)程序退出。
[0056]
s2：控制执行除霜，获取所述s1给出的结霜程度，确定所述蒸发器的铜管结霜后执
行包括以下步骤：
[0057]
s2.1：压电单元除霜：调节对所述压电材料施加的交变电压，使压电材料产生形变，附着在所述蒸发器的铜管上的冰霜受到巨大的应力而破裂，加速除霜过程；
[0058]
s2.2：切换冷媒回路除霜：所述四通阀切换工作模态实现冷媒从所述换热器中吸收水的热能，在所述蒸发器的铜管上释放热量，产生的热量迅速被附着在蒸发器的铜管上的已经破裂的冰霜吸收，加快破裂的冰霜的融化速度。
[0059]
所述s2的控制执行除霜工作包括以下步骤：
[0060]
(1)调用结霜程度预测算法子程序，并判断是否结霜，如果是，进入步骤(2)；否则，程序退出；
[0061]
(2)获取所述结霜程度α，依据δ＝s(α)和f＝f(α)，计算出结霜程度为α时所述压电材料需产生的应变δ和频率f；依据计算产生应变δ和频率f时需施加给压电材料的电压
[0062]
(3)控制所述四通阀由制热模式切换到除霜模式，并依据除霜模式下所述压缩机的功率p
comp
与结霜程度α之间的数学关系p
comp
＝d_frost(α)，获得压缩机的运行功率设定值实现快速可靠除霜；
[0063]
(4)将所述和所述分别作为压电材料控制电源输出电压和压缩机运行功率设定值，并对所述压电材料进行控制；
[0064]
(5)驱动所述压电单元、四通阀及压缩机进行除霜工作；
[0065]
(6)程序退出。