阅读说明：本技术 一种基于模糊分区结霜图谱的控霜方法 (Frost control method based on fuzzy partition frosting map ) 是由 王智伟 岳泓辰 魏鹏 王笙 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于模糊分区结霜图谱的控霜方法,包括：对室外环境温度、相对湿度进行监测,判断空气状态点是否处在结霜区；依据结霜图谱制定的模糊控制规则,判断空气状态点在结霜区的区域,给出结霜速率；根据计算霜层厚度控制热泵机组开始除霜；根据机组实际除霜时间判断是否结束除霜；根据除霜效果,对结霜速率和蒸发器盘管表面设定温度进行自调整。本发明将结霜图谱与模糊控制相结合,提高了结霜程度判断的准确性,避免了误除霜,延长了机组的使用寿命。该方法简单实用,可行性大。(The invention discloses a frost control method based on a fuzzy partition frosting map, which comprises the following steps: monitoring the outdoor environment temperature and the relative humidity, and judging whether the air state point is in a frosting area; judging the area of the air state point in the frosting area according to a fuzzy control rule formulated by a frosting map, and giving a frosting rate; controlling a heat pump unit to start defrosting according to the calculated frost layer thickness; judging whether defrosting is finished or not according to the actual defrosting time of the unit; the rate of frost and the evaporator coil surface set temperature are self-adjusted based on the effectiveness of the defrost. The invention combines the frosting map with fuzzy control, improves the accuracy of judging the frosting degree, avoids mistaken defrosting and prolongs the service life of the unit. The method is simple and practical and has high feasibility.)

一种基于模糊分区结霜图谱的控霜方法

技术领域

本发明涉及空气源热泵控霜领域，具体涉及一种基于模糊分区结霜图谱的控霜方法。

背景技术

空气源热泵性能受室外环境参数影响较大，冬季工况蒸发器翅片表面温度低于空气露点温度且低于冰点时，蒸发器表面会结霜。结霜对空气源热泵机组运行会产生不利影响，严重时导致机组停机，因此空气源热泵结霜时必须进行除霜。现有的典型除霜控制方法可分为基于时间的控霜方法和基于除霜需求的控霜方法两类。基于时间的控制方法“误除霜”严重，通常增加温度或压力参数，与时间共同作为除霜判据。但温度不是影响结霜的唯一条件，空气压差易受到蒸发器表面状态的影响，两者均会导致“误除霜”。已有的基于除霜需求的控制方法，通常需要在原有机组上增加硬件设备，提高造价，不易实现。

不同气象特征导致结霜程度不同，对结霜程度判断合理才能实现“按需除霜”。结霜图谱是研究结霜程度的有效工具，通过获取环境温湿度即可快速得出结霜速率。结霜图谱分为结霜区、结露区和非结霜区，等结霜速率曲线又将结霜区划分为五个区域，分别为轻度结霜区、较轻结霜区、中度结霜区、较重结霜区和严重结霜区。但实际中结霜区的分区具有不确定性，五个区域并不应具有明确的分界线，模糊控制可通过模糊化、去模糊化和自适应很好的解决这种边界模糊的问题。利用模糊控制器可将图谱做模糊化处理，模糊其分区边界，同时，结霜图谱又作为专家经验为制定模糊控霜规则提供参考。但结霜图谱是在特定条件下针对某一机组得到的结霜分布情况，具有一定的局限性，需要利用模糊控制的自适应机制进行调整，使系统不断学习达到满意的工作状态，提高其普适性，以适应不同的地区和机组。

发明内容

为解决现有除霜控制中“误除霜”的问题，将结霜图谱与模糊控制相结合，利用模糊控制器判断结霜程度给出结霜速率，计算结霜厚度，从而合理选择除霜起始点，本发明提出了一种基于模糊分区结霜图谱的控霜方法。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种基于模糊分区结霜图谱的控霜方法，包括下述步骤：

步骤1：对室外环境温湿T_a、相对湿度RH进行监测，判断空气状态点是否处在结霜区U，若处在结霜区U则进行下一步，否则重新监测；

步骤2：将室外环境温湿度结霜监测值输入至模糊控制器，依据结霜图谱制定的模糊控制规则，判断空气状态点具体处在结霜区的哪一区域，同时给出结霜速率计算值；

步骤3：利用步骤2中的结霜速率计算制热工况下霜层厚度h_i，当霜层厚度超过室外热泵机组蒸发器盘管翅片间距d的1/2时，热泵机组开始除霜，并对机组实际除霜时间τ₂和蒸发器盘管表面温度T_w进行监测，否则返回步骤2；

步骤4：当机组实际除霜时间τ₂不小于机组最小制热时间τ₁的10％后，进入结束除霜的判定，否则重新监测机组实际除霜时间τ₂和蒸发器盘管表面温度T_w；

步骤5：蒸发器盘管表面温度T_w大于等于蒸发器表面设定温度T_s，除霜结束；否则对机组实际除霜时间τ₂进行判断；当机组实际除霜时间τ₂达到机组最小制热时间τ₁的20％，除霜结束，否则重新监测热泵机组实际除霜时间τ₂和蒸发器盘管表面温度T_w；

步骤6：评价上一次的除霜起始点和除霜效果，对结霜速率计算值v和蒸发器盘管表面设定温度T_s进行自调整。

进一步，所述步骤1中，同时满足环境温度低于6℃和相对湿度高于50％的空气状态点处在结霜区。

进一步，所述步骤1中，将室外温度T_a、相对湿度RH由大到小分别划分为严重结霜区PB、较重结霜区PS、中度结霜区O、轻度结霜区NB和较轻结霜区NS，将结霜区U由重度结霜到轻度结霜划分为严重结霜区PB、较重结霜区PS、中度结霜区O、轻度结霜区NB和较轻结霜区NS。

进一步，所述步骤2中，根据模糊控制器模糊推理规则，在被模糊后的图谱中判定空气状态点处在结霜区的哪一区域，并给出结霜速率v的初始计算值：各结霜区速率初始设定值为区间中值，轻度结霜区NB的结霜速率为0.1mm/h，较轻结霜区NS的结霜速率为0.35mm/h，中度结霜区O的结霜速率为0.7mm/h，较重结霜区PS的结霜速率为1.1mm/h，严重结霜区PB的结霜速率为1.6mm/h。

进一步，所述步骤6中，除霜起始点和除霜效果评价方法如下：

若机组开始除霜时的瞬时制热量q₂大于无霜过程瞬时制热量q₁的70％，结霜速率计算值v减小0.02mm/h；若开始除霜时机组的瞬时制热量q₂小于等于无霜过程瞬时制热量q₁的70％，结霜速率计算值v增大0.02mm/h。

进一步，所述步骤6中，对结霜速率v计算值和蒸发器盘管表面设定温度T_s进行自调整，方法如下：

恢复供热后，若机组制热量q₃大于等于无霜过程瞬时制热量q₁的95％，则将蒸发温度设定值降低0.1℃；若机组制热量q₃小于无霜过程瞬时制热量q₁的95％，则将蒸发温度设定值增加0.1℃。

本发明的有益效果是：

本发明与现有技术相比，将结霜图谱与模糊控制相结合，图谱作为制定控制规则的依据，使控制规则更加合理，同时模糊控制将图谱不同结霜区的分区模糊化，提高了结霜程度判断的准确性，实现更为精确的控制。利用模糊控制器判断结霜程度，不同结霜程度给出了不同的结霜速率计算值，准确的计算结霜厚度避免了“误除霜”，同时利用自调整机制对速率值进行调整，使结霜图谱与应用地区相适应。减少“误除霜”降低机组能耗，延长使用寿命。在不增加系统复杂性的前提下实现“按需除霜”，不需增加硬件设备，只在原有控制方法中加载软方法，简单实用，可行性大。

附图说明

图1为除霜控制方法流程图。

具体实施方式

对本发明提出的一种基于分区结霜图谱的控霜方法具体实施做详细说明，但不作为对发明做任何限制的依据。

参照附图1，本发明基于模糊分区结霜图谱的控霜方法，包括下述步骤：

步骤1：对室外环境温度T_a、相对湿度RH进行监测，判断空气状态点是否处在结霜区U，若处在结霜区U则进行下一步，否则重新监测。

其中，将室外环境温度T_a、相对湿度RH由大到小分别划分为严重结霜区PB、较重结霜区PS、中度结霜区O、轻度结霜区NB和较轻结霜区NS，将结霜区U由重度结霜到轻度结霜划分为严重结霜区PB、较重结霜区PS、中度结霜区O、轻度结霜区NB和较轻结霜区NS。处在结霜区的空气状态点为同时满足环境温度低于6℃且相对湿度高于50％。

步骤2：将室外环境温湿度结霜监测值输入至模糊控制器，依据结霜图谱制定的模糊控制规则，判断空气状态点具体处在结霜区的哪一区域，同时给出结霜速率计算值。

根据模糊控制器模糊推理规则，在被模糊后的图谱中判定空气状态点处在结霜区的哪一区域。模糊推理规则表，如表1所示。

表1模糊推理规则表

模糊推理规则为：

(1)温度T_a位于严重结霜区PB：

相对湿度RH位于严重结霜区PB、较重结霜区PS、中度结霜区O，那么空气状态点所处的结霜区U判定为严重结霜区PB；

相对湿度RH位于较轻结霜区NS，那么空气状态点所处的结霜区U判定为严重结霜区O；

相对湿度RH位于轻度结霜区NB，那么空气状态点所处的结霜区U判定为轻度结霜区NB。

(2)温度T_a位于严重结霜区PS：

相对湿度RH位于严重结霜区PB，那么空气状态点所处的结霜区U判定为严重结霜区PB；

相对湿度RH位于较重结霜区PS，那么空气状态点所处的结霜区U判定为较重结霜区PS；

相对湿度RH位于中度结霜区O，那么空气状态点所处的结霜区U判定为中度结霜区O；

相对湿度RH位于较轻结霜区NS，那么空气状态点所处的结霜区U判定为较轻结霜区NS；

相对湿度RH位于轻度结霜区NB，那么空气状态点所处的结霜区U判定为轻度结霜区NB；

(3)温度T_a位于中度结霜区O：

相对湿度RH位于严重结霜区PB、较重结霜区PS，那么空气状态点所处的结霜区U判定为较重结霜区PS；

相对湿度RH位于中度结霜区O，那么空气状态点所处的结霜区U判定为中度结霜区O；

相对湿度RH位于较轻结霜区NS、轻度结霜区NB，那么空气状态点所处的结霜区U判定为轻度结霜区NB；

(4)温度T_a位于较轻结霜区NS：

相对湿度RH位于严重结霜区PB、较重结霜区PS，那么空气状态点所处的结霜区U判定为中度结霜区O；

相对湿度RH位于中度结霜区O，那么空气状态点所处的结霜区U判定为较轻结霜区NS；

相对湿度RH位于较轻结霜区NS、轻度结霜区NB，那么空气状态点所处的结霜区U判定为轻度结霜区NB；

(5)温度T_a位于轻度结霜区NB：

相对湿度RH位于严重结霜区PB、较重结霜区PS，那么空气状态点所处的结霜区U判定为较轻结霜区NS；

相对湿度RH位于中度结霜区O、较轻结霜区NS、轻度结霜区NB，那么空气状态点所处的结霜区U判定为轻度结霜区NB。

根据模糊控制器模糊推理规则，在被模糊后的图谱中判定空气状态点处在结霜区的哪一区域，并给出结霜速率v的初始计算值：各结霜区速率初始设定值为区间中值，轻度结霜区NB的结霜速率为0.1mm/h，较轻结霜区NS的结霜速率为0.35mm/h，中度结霜区O的结霜速率为0.7mm/h，较重结霜区PS的结霜速率为1.1mm/h，严重结霜区PB的结霜速率为1.6mm/h。

步骤3：利用步骤2中的结霜速率计算制热工况下霜层厚度h_i，当霜层厚度超过室外热泵机组蒸发器盘管翅片间距d的1/2时，热泵机组开始除霜，并对机组实际除霜时间τ₂和蒸发器盘管表面温度T_w进行监测，否则返回步骤2。

计算制热工况下霜层厚度：

h_i＝h_i-1+vΔτ

其中，h_i为i次时间间隔内的霜层厚度，i为记录时间间隔的次数，h_i-1为前i-1次时间间隔内霜层的生长厚度，Δτ为监测的时间间隔，v为结霜速率。

步骤4：当机组实际除霜时间τ₂不小于机组最小制热时间τ₁的10％后，进入结束除霜的判断，否则重新监测机组实际除霜时间τ₂和蒸发器盘管表面温度T_w。

步骤5：蒸发器盘管表面温度T_w大于等于蒸发器盘管表面设定温度T_s，除霜结霜；否则对机组实际除霜时间τ₂进行判断；当机组实际除霜时间τ₂达到机组最小制热时间τ₁的20％，除霜结束，否则重新监测热泵机组实际除霜时间τ₂和蒸发器盘管表面温度T_w。

步骤6：评价上一次的除霜起始点和除霜效果，对结霜速率v计算值和蒸发器盘管表面设定温度T_s进行自调整。

除霜起始点和除霜效果评价方法如下：

若机组开始除霜时的瞬时制热量q₂大于无霜过程瞬时制热量q₁的70％，结霜速率v计算值减小0.02mm/h；若机组开始除霜时的瞬时制热量q₂小于等于无霜过程瞬时制热量q₁的70％，结霜速率v计算值增大0.02mm/h。

对结霜速率v计算值和蒸发器盘管表面设定温度T_s进行自调整，方法如下：

恢复供热后，若热泵机组制热量q₃大于等于无霜过程瞬时制热量q₁的95％，则将蒸发温度设定值降低0.1℃；若热泵机组制热量q₃小于无霜过程瞬时制热量q₁的95％，则将蒸发温度设定值增加0.1℃。

下面给出不同实施例来进一步说明本发明。

实施例1

步骤1：监测室外环境温度T_a为8℃，相对湿度RH为45％，此空气状态点环境温度T_a大于6℃且相对湿度RH低于50％，处于非结霜区，不进行除霜操作，重新监测室外环境温度T_a和相对湿度RH，进行下一次判断。该流程避免了非结霜区的“无霜除霜”。

实施例2

步骤1：监测室外环境温度T_a为3℃，相对湿度RH为95％，此空气状态点环境温度T_a小于6℃，相对湿度RH高于50％，进行下一步操作。

步骤2：将室外环境温度T_a、相对湿度RH输入至模糊控制器判断空气状态点处在哪个结霜区。室外环境温度T_a为3℃位于严重结霜区PB，相对湿度RH为95％位于严重结霜区PB，则空气状态点处于严重结霜区PB，结霜速率v计算值为1.6mm/h。

步骤3：利用步骤2中的结霜速率v＝1.6mm/h计算霜层厚度，上一次除霜效果良好无霜层累积，h₀＝0mm，热泵机组监测的时间间隔Δτ为60s，霜层的累积生长厚度h₁＝0.0267mm。热泵机组室外蒸发器翅片间距为1.5mm，翅片间距一半0.5d为0.75mm，霜层累积生长厚度h₁<0.75mm，返回步骤2。

步骤4：步骤2、步骤3循环28次后，第29次监测时霜层累积生长厚度h₂₉为0.77mm，大于室外蒸发器翅片间距的一半0.75mm，开始除霜操作，记录此时机组开始除霜时的瞬时制热量q₂为1.7kW。

步骤5：监测机组实际除霜时间τ₂为13min、盘管表面温度T_w为18℃和结束除霜时机组制热量q₃为2kW；

步骤6：机组实际除霜时间τ₂为13min，最小制热时间τ₁的10％为6min，τ₂>10％τ₁，进入结束除霜的判断。

步骤7：蒸发器盘管表面温度T_w为18℃小于蒸发器盘管表面设定温度T_s＝20℃，对机组实际除霜时间τ₂和机组最小制热时间τ₁的20％进行判断。

步骤8：机组实际除霜时间τ₂为13min，机组最小制热时间τ₁的20％为12min，τ₂>20％τ₁，除霜结霜。

步骤9：机组开始除霜时的瞬时制热量q₂为1.7kW，无霜过程瞬时制热量q₁的70％为2.1kW，q₂<70％q₁，结霜速率v计算值增大0.02mm/h。恢复供热后，机组制热量q₃为2kW，无霜过程瞬时制热量q₁的95％为2.85kW，q₃<95％q₁，蒸发器盘管表面设定温度T_s增加0.1℃。

步骤10：利用调整过的结霜速率v计算值和蒸发器盘管表面设定温度T_s开始下一工作周期的监测。

实施例3

步骤1：监测室外环境温度T_a为-9℃，相对湿度RH为75％，此空气状态点环境温度T_a小于6℃，相对湿度RH高于50％，进行下一步操作。

步骤2：将室外环境温度T_a、相对湿度RH输入至模糊控制器判断空气状态点处在哪个结霜区。室外环境温度T_a为-9℃位于中度结霜区O，相对湿度RH为75％位于中度结霜区O，则空气状态点处于中度结霜区O，结霜速率v计算值为0.7mm/h。

步骤3：利用步骤2中的结霜速率v＝0.7mm/h计算霜层厚度，上一次除霜效果良好无霜层累积，h₀＝0mm，热泵机组监测的时间间隔Δτ为60s，霜层的累积生长厚度h₁＝0.0117mm。热泵机组室外蒸发器翅片间距为1.5mm，翅片间距一半0.5d为0.75mm，霜层累积生长厚度h₁<0.75mm，返回步骤2。

步骤4：步骤2、步骤3循环64次后，第65次监测时霜层累积生长厚度h₆₅为0.758mm，大于室外蒸发器翅片间距的一半0.75mm，开始除霜操作，记录此时机组开始除霜时的瞬时制热量q₂为2.2kW。

步骤5：监测机组实际除霜时间τ₂为10min、蒸发器盘管表面温度T_w为21℃和结束除霜时热泵机组制热量q₃为2.8kW；

步骤6：机组实际除霜时间τ₂为10min，机组最小制热时间τ₁的10％为6min，τ₂>10％τ₁，进入结束除霜的判断。

步骤7：蒸发器盘管表面温度T_w为21℃大于蒸发器盘管表面设定温度T_s＝20℃，除霜结束。

步骤8：机组开始除霜时的瞬时制热量q₂为2.2kW，无霜过程瞬时制热量q₁的70％为2.1kW，q₂>70％q₁，结霜速率v计算值减小0.02mm/h。恢复供热后，热泵机组制热量q₃为2.8kW，无霜过程瞬时制热量q₁的95％为2.85kW，q₃<95％q₁，蒸发器盘管表面设定温度T_s增加0.1℃。

步骤9：利用调整过的结霜速率v计算值和蒸发器盘管表面设定温度T_s开始下一工作周期的监测。

从以上实施例可以看出，本发明上述方法将结霜图谱与模糊控制相结合，利用模糊控制器判断结霜程度给出结霜速率，计算结霜厚度，从而合理选择除霜起始点，为一种模糊分区结霜图谱的有效控霜方法。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征做出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。