本发明属于热泵系统技术领域，涉及空气源热泵系统，特别涉及大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜系统及其方法。
背景技术：
空气源热泵机组也称为风冷热泵机组，是空气—空气热泵，空气—水热泵的总称。其特点包括：一机两用，具有夏季供冷和冬季供热的双重功能；环境能量取自自然环境的空气，能量来源限制因素少；安装方便，建筑物顶层或室外开阔场地露天安放；一次性投资低。因此得到广泛应用。
传统空气源系统极易产生结霜现象，结霜后通常采用压缩机工作换向操作，蒸发器变为冷凝器，制冷剂冷凝放热完成化霜。系统完成一次切换耗时长，再一次切换后恢复工作的平衡时间长，能耗高，并严重影响正常供热。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明提供大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜系统及其方法，充分利用环境空气换热器管内侧流动防冻液的条件，通过加热防冻液首先融化换热管界面的冰霜，即由内向外化霜，换热管界面只要融化少量的冰霜使凝结的冰霜与管壁直接产生自由滑动，结构疏松的冰霜就开始自然剥落，化霜消耗的热能远低于融化全部冰霜需要的热能，本发明可以在系统不停机、不反向运行条件下实现在线除霜。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明提供大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜系统，包括环境空气换热器模块、热泵机组模块、用户能源供给侧模块、在线监测系统、除霜装置和控制电脑，所述环境空气换热器模块通过防冻液介质与热泵机组模块进行间接换热，用户能源供给侧模块通过水与热泵机组模块进行间接换热，所述除霜装置安装于防冻液介质流入环境空气换热器模块的路径上。
进一步的，所述环境空气换热器模块包括环境空气换热器、防冻液膨胀水箱和工业风机，防冻液膨胀水箱与环境空气换热器连接；所述除霜装置为电阻加热器，安装在防冻液介质流入环境空气换热器的路径上，并与控制电脑连接。
进一步的，所述在线监测系统包括用于实时监测进出环境空气换热器空气温度的空气温度在线测试系统和用于实时监测进出环境空气换热器防冻液温度的防冻液温度在线测试系统，所述的空气温度在线测试系统和防冻液温度在线测试系统均与控制电脑连接，并将实时采集的数据传输至控制电脑。
进一步的，所述热泵机组模块包括蒸发器和防冻液换热循环系统、压缩机机组、膨胀阀、冷凝器和水换热循环系统，所述用户能源供给侧模块包括缓冲水箱和用户供热水泵，所述蒸发器通过防冻液换热循环系统与防冻液膨胀水箱连接，所述冷凝器通过水换热循环系统与缓冲水箱连接；所述压缩机机组为多台压缩机，所述蒸发器与压缩机为一台对多台的关系，蒸发器产生的低温防冻液输入环境空气换热器模块，低温防冻液从环境吸收热能升温后高温防冻液返回蒸发器，所述冷凝器与压缩机为一台对多台的关系，冷凝器产生的高温热水输入用户能源供给侧模块，高温热水向用户释放热能降温后低温热水返回冷凝器。
进一步的，所述防冻液换热循环系统上设有防冻液循环泵，所述水换热循环系统上设有热源循环水泵。
本发明还提供大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜方法，利用如前所述的系统进行，包括：
结霜程度判定的步骤；
和启动在线除霜操作的步骤。
进一步的，结霜程度判定的具体步骤如下：
在不影响穿过环境空气换热器空气流通量的前提下，环境空气换热器表面轻微结霜并不影响系统运行，但是换热器表面霜层的出现加大了换热器内侧防冻液与换热器外侧空气的热阻，即加大了两者的温差，霜层厚度越厚则温差越大，当温差达到一定程度则表面霜层厚度已经严重到必须除霜系统才能正常运行，因此温差与结霜程度存在一定定量关系。
通过实时监测环境空气换热器进口干球温度tf1、出口干球温度tf2、环境湿球温度tw1、环境空气换热器出口风速vf；同时在线实时监测进出蒸发器防冻换热介质温度ty1、ty2、防冻换热介质流量vy；
计算环境空气换热器进出口空气平均温度：tfp＝(tf1+tf2)/2
计算蒸发器防冻换热介质进出口平均温度：typ＝(ty1+ty2)/2
计算环境空气换热器进出口空气平均温度与蒸发器防冻换热介质进出口平均温度之差：δtfyp＝tfp-typ；
系统依据tf1、tf2、tw1、vf；ty1、ty2、vy设置δtfyp的要求值数据库，依据实测tf1、tf2、tw1、vf；ty1、ty2、vy，在数据库中实时对应出δtfyp的设定值，如果实测δtfyp大于设定值，则启动化霜工作程序。
进一步的，系统启动化霜操作后，首先降低防冻液循环流量至正常流量的5％左右，启动电阻加热器对流过的防冻液加热，加热后温度控制在5℃以上，热防冻液流入环境空气换热器管内，管壁界面处发生冰霜消融，凝结在管壁的霜层自然剥落，流出环境空气换热器的防冻液温度达到0℃，则化霜操作结束。
进一步的，化霜操作结束，首先停止电阻加热器加热，恢复防冻液循环流量，系统恢复正常运行。
与现有技术相比，本发明优点在于：
(1)通过测定进出环境空气换热器的空气温度与进出环境空气换热器防冻液温度，计算两者的温度差与系统设定的温度差进行比较判定环境空气换热器结霜程度与是否进行化霜操作；
(2)充分利用环境空气换热器管内侧流动防冻液的条件，在防冻液介质流入环境空气换热器的路径上设电阻加热器，化霜时用于加热防冻液，通过直接加热进入环境空气换热器防冻液，首先融化换热管界面的冰霜，即由内向外化霜，换热管界面只要融化少量的冰霜使凝结的冰霜与管壁直接产生自由滑动，结构疏松的冰霜就开始自然剥落，化霜消耗的热能远低于融化全部冰霜需要的热能，本发明可以在系统不停机、不反向运行条件下实现在线除霜。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的系统结构示意图(图中未示出在线监测系统及控制电脑)；
图2为本发明的结霜判定与在线除霜方法示意图。
图中，1.环境空气换热器；2.防冻液膨胀水箱；3.防冻液循环泵；4.蒸发器；5.压缩机；6.膨胀阀；7.冷凝器；8.热源循环水泵；9.用户供热水泵；10.缓冲水箱；11.工业风机；12.电阻加热器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜系统，包括环境空气换热器模块、热泵机组模块、用户能源供给侧模块、在线监测系统、除霜装置和控制电脑，环境空气换热器模块通过防冻液介质与热泵机组模块进行间接换热，用户能源供给侧模块通过水与热泵机组模块进行间接换热，除霜装置安装于防冻液介质流入环境空气换热器模块的路径上。
下面进一步的详细介绍各模块结构组成：
环境空气换热器模块，包括环境空气换热器1、防冻液膨胀水箱2和工业风机11，防冻液膨胀水箱2与环境空气换热器1连接。除霜装置为电阻加热器12，安装在防冻液介质流入环境空气换热器1的路径上，并与控制电脑连接。
热泵机组模块，包括蒸发器4、防冻液换热循环系统、压缩机机组、膨胀阀6、冷凝器7和水换热循环系统，防冻液换热循环系统上设有防冻液循环泵3，水换热循环系统上设有热源循环水泵8。
蒸发器4通过防冻液换热循环系统与防冻液膨胀水箱2连接，冷凝器7通过水换热循环系统与缓冲水箱10连接。压缩机机组为多台压缩机5，本实施例以4台压缩机5并联设置为例说明。蒸发器4与压缩机5为一台对多台的关系，蒸发器4产生的低温防冻液输入环境空气换热器模块，低温防冻液从环境吸收热能升温后高温防冻液返回蒸发器4，冷凝器7与压缩机5为一台对多台的关系，冷凝器7产生的高温热水输入用户能源供给侧模块，高温热水向用户释放热能降温后低温热水返回冷凝器7。
用户能源供给侧模块，包括缓冲水箱10和用户供热水泵9。
在线监测系统，包括用于实时监测进出环境空气换热器1空气温度的空气温度在线测试系统和用于实时监测进出环境空气换热器1防冻液温度的防冻液温度在线测试系统，所述的空气温度在线测试系统和防冻液温度在线测试系统均与控制电脑连接，并将实时采集的数据传输至控制电脑。空气温度在线测试系统可以是安装在环境空气换热器1空气进口的温度传感器f1、安装在环境空气换热器1空气出口的温度传感器f2，防冻液温度在线测试系统可以是安装在防冻液进出环境空气换热器1的路径上的温度传感器y1、y2，即蒸发器防冻液换热介质出口和进口位置上。本系统还包括用于监测环境湿球温度的传感器w1、及安装在环境空气换热器1出口的风速传感器f、安装在防冻液换热循环系统上的流量计y。
在实际设计使用时，环境空气换热器1为单台、或多台并联、或多台串联，本实施例及图1以单台为例说明。同时，环境空气换热器1可以根据需求与热泵机组模块自由匹配，可以一对一，或者以串联、并联方式实现一对多，或者多对一。本实施例及图1所示的环境空气换热器1与热泵机组模块以一对一方式匹配、并且热泵机组模块内的压缩机5以并联设置4台为例说明。
本发明采用环境空气换热器模块通过防冻液介质与热泵机组模块进行间接换热，换热模式由“双高”换热模式转变“双低”换热模式(环境空气换热器进出口空气低温差换热、环境空气换热器壁面低温差换热)，系统在通常情况下不产生结霜，但是如果系统长时间处于低温高湿度气候条件下，例如低温大雾气候，且长时间持续，则“双低”换热模式下的空气源热泵也可能产生结霜现象。
低温高湿度气候条件下，通过环境空气换热器的出口空气温度如果低于进口空气的露点温度，则出口空气产生凝湿；如果换热器管壁温度低于0℃，则极易在管壁产生结霜现象，结霜现象出现后换热器的换热能力降低，为保证系统换热量的要求，系统自动控制自动调节运行参数拉大环境空气温度与防冻液温度的差距，通过提高换热介质的温度差提高介质之间的换热能力，即最终导致进入环境空气换热器的防冻液温度下降，进一步降低换热器管壁温度，换热器管壁温度进一步降低又进一步加剧了结霜现象，再拉大环境空气温度与防冻液温度的差距。
根据环境空气温度不同条件下发生结霜现象的理论计算结果与实际运行数据，设定不同环境条件下的允许环境空气温度与防冻液温度的温差设定，实际测试结果大于设定值，则认为换热器表面结霜现象超出允许范围，可以启动化霜操作。
下面结合图1、图2说明本实施例提供的大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜方法，通过测定进出环境空气换热器的空气温度与进出环境空气换热器防冻液温度，计算两者的温度差与系统设定的温度差进行比较，判定环境空气换热器结霜程度与是否进行化霜操作。如果实测温差大于设定温差系统启动化霜操作。
也就是说，大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜方法主要包括：
结霜程度判定的步骤；
和启动在线除霜操作的步骤。
其中，结霜程度判定的具体步骤如下：
通过空气温度在线测试系统实时监测环境空气换热器进口干球温度tf1、出口干球温度tf2、环境湿球温度tw1、环境空气换热器出口风速vf；同时通过防冻液温度在线测试系统在线实时监测进出蒸发器防冻换热介质温度ty1、ty2、防冻换热介质流量vy。
计算环境空气换热器进出口空气平均温度：tfp＝(tf1+tf2)/2
计算蒸发器防冻换热介质进出口平均温度：typ＝(ty1+ty2)/2
计算环境空气换热器进出口空气平均温度与蒸发器防冻换热介质进出口平均温度之差：δtfyp＝tfp-typ；
系统依据tf1、tf2、tw1、vf；ty1、ty2、vy设置δtfyp的要求值数据库，依据实测tf1、tf2、tw1、vf；ty1、ty2、vy，在数据库中实时对应出δtfyp的设定值，如果实测δtfyp大于设定值，则启动化霜工作程序。
系统启动化霜操作后，首先降低防冻液循环流量至正常流量的5％左右，启动电阻加热器对流过的防冻液加热，加热后温度控制在5℃以上，热防冻液流入环境空气换热器管内，管壁界面处发生冰霜消融，凝结在管壁的霜层自然剥落，流出环境空气换热器的防冻液温度达到0℃，则化霜操作结束。
化霜操作结束，首先停止电阻加热器加热，恢复防冻液循环流量，系统恢复正常运行。
综上所述，本发明通过测定进出环境空气换热器的空气温度与进出环境空气换热器防冻液温度，计算两者的温度差与系统设定的温度差进行比较判定环境空气换热器结霜程度与是否进行化霜操作；化霜时通过直接加热进入环境空气换热器防冻液，热防冻液从环境空气换热器流过融化换热器凝结的冰霜，实现系统在线化霜。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。
技术特征：
1.大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜系统，其特征在于，包括环境空气换热器模块、热泵机组模块、用户能源供给侧模块、在线监测系统、除霜装置和控制电脑，所述环境空气换热器模块通过防冻液介质与热泵机组模块进行间接换热，用户能源供给侧模块通过水与热泵机组模块进行间接换热，所述除霜装置安装于防冻液介质流入环境空气换热器模块的路径上。
2.根据权利要求1所述的大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜系统，其特征在于：所述环境空气换热器模块包括环境空气换热器、防冻液膨胀水箱和工业风机，防冻液膨胀水箱与环境空气换热器连接；所述除霜装置为电阻加热器，安装在防冻液介质流入环境空气换热器的路径上，并与控制电脑连接。
3.根据权利要求2所述的大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜系统，其特征在于：所述在线监测系统包括用于实时监测进出环境空气换热器空气温度的空气温度在线测试系统和用于实时监测进出环境空气换热器防冻液温度的防冻液温度在线测试系统，所述的空气温度在线测试系统和防冻液温度在线测试系统均与控制电脑连接，并将实时采集的数据传输至控制电脑。
4.根据权利要求3所述的大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜系统，其特征在于：所述热泵机组模块包括蒸发器和防冻液换热循环系统、压缩机机组、膨胀阀、冷凝器和水换热循环系统，所述用户能源供给侧模块包括缓冲水箱和用户供热水泵，所述蒸发器通过防冻液换热循环系统与防冻液膨胀水箱连接，所述冷凝器通过水换热循环系统与缓冲水箱连接；所述压缩机机组为多台压缩机，所述蒸发器与压缩机为一台对多台的关系，蒸发器产生的低温防冻液输入环境空气换热器模块，低温防冻液从环境吸收热能升温后高温防冻液返回蒸发器，所述冷凝器与压缩机为一台对多台的关系，冷凝器产生的高温热水输入用户能源供给侧模块，高温热水向用户释放热能降温后低温热水返回冷凝器。
5.根据权利要求4所述的大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜系统，其特征在于：所述防冻液换热循环系统上设有防冻液循环泵，所述水换热循环系统上设有热源循环水泵。
6.大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜方法，其特征在于，利用权利要求5所述的系统进行，包括：
结霜程度判定的步骤；
和启动在线除霜操作的步骤。
7.根据权利要求6所述的大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜方法，其特征在于，结霜程度判定的具体步骤如下：
实时监测环境空气换热器进口干球温度tf1、出口干球温度tf2、环境湿球温度tw1、环境空气换热器出口风速vf；同时在线实时监测进出蒸发器防冻换热介质温度ty1、ty2、防冻换热介质流量vy；
计算环境空气换热器进出口空气平均温度：tfp＝(tf1+tf2)/2
计算蒸发器防冻换热介质进出口平均温度：typ＝(ty1+ty2)/2
计算环境空气换热器进出口空气平均温度与蒸发器防冻换热介质进出口平均温度之差：δtfyp＝tfp-typ；
系统依据tf1、tf2、tw1、vf；ty1、ty2、vy设置δtfyp的要求值数据库，依据实测tf1、tf2、tw1、vf；ty1、ty2、vy，在数据库中实时对应出δtfyp的设定值，如果实测δtfyp大于设定值，则启动化霜工作程序。
8.根据权利要求7所述的大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜方法，其特征在于，系统启动化霜操作后，首先降低防冻液循环流量至正常流量的5％左右，启动电阻加热器对流过的防冻液加热，加热后温度控制在5℃以上，热防冻液流入环境空气换热器管内，管壁界面处发生冰霜消融，凝结在管壁的霜层自然剥落，流出环境空气换热器的防冻液温度达到0℃，则化霜操作结束。
9.根据权利要求8所述的大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜方法，其特征在于，化霜操作结束，首先停止电阻加热器加热，恢复防冻液循环流量，系统恢复正常运行。
技术总结
本发明公开了大型化空气源热泵结霜判定与在线除霜系统及其方法，属于热泵系统技术领域，所述控制方法包括结霜程度判定的步骤和启动在线除霜操作的步骤；通过测定进出环境空气换热器的空气温度与进出环境空气换热器防冻液温度，计算两者的温度差与系统设定的温度差进行比较判定环境空气换热器结霜程度与是否进行化霜操作；化霜时通过直接加热进入环境空气换热器防冻液，热防冻液从环境空气换热器流过融化换热器凝结的冰霜，实现系统在线化霜。
技术研发人员：户旭阳;赵宗波;赵铭;李凌飞
受保护的技术使用者：青岛新欧亚能源有限公司
技术研发日：.10.10
技术公布日：.02.14
