崔一鸣 王伟 孙育英 赵继晗
绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室
【摘 要】室外换热器脏堵是空气源热泵在夏季运行的一种最为常见的故障。为有效诊断空气源热泵脏堵故障，保障机组在夏季高效稳定运行，本文通过分析不同脏堵程度下机组运行特性和供冷性能的劣化规律，确定了合理除垢点，并提出反映脏堵程度的特征参数“TTT”，基于合理除垢点与TTT的对应关系，开发了新型TTT脏堵故障诊断方法，并通过现场测试验证了其准确性和有效性。研究结果显示，新型TTT方法能有效诊断脏堵故障，指导脏堵故障的合理排除，排除后机组的平均消耗功率降低了6%，COP提升了10%；相比于未使用脏堵故障诊断方法的机组，供冷季的平均消耗功率降低了8%，COP提升了11%。TTT法保障了空气源热泵机组安全、高效运行，是一种准确可靠的脏堵故障诊断方法。
【关键词】空气源热泵 室外换热器 脏堵 TTT 故障诊断
【基金项目】国家重点研发计划项目“可再生能源绿色建筑领域应用效果研究”资助(2016YFC0700104)；国家自然科学基金优秀青年基金项目资助(51522801)；空调设备及系统运行节能国家重点实验室开放课题资助(SKLACKF201604)
0 引言
空气源热泵（Air Source Heat Pump, 以下简称ASHP）是近年来全世界倍受关注的节能技术，欧盟于2009年将其列入可再生能源技术[1] ；美国能源部将ASHP在寒冷/严寒地区应用列为21世纪最具节能潜力的15项空调技术措施之一[2] ；我国住房和城乡建设部于2015年正式将其纳入可再生能源利用技术范畴[3] ，ASHP技术已成为我国重要的绿色建筑技术之一，并广泛用于我国寒冷和夏热冬冷（暖）地区[4-5] ，可见ASHP具有广阔的应用空间和价值。然而在ASHP的实际应用中，由于环境空气含有灰尘、烟尘等粉尘颗粒物，室外换热器表面极易结垢产生脏堵，影响ASHP的正常运行。
室外换热器脏堵是ASHP夏季运行的一种最为常见且影响较大的故障[6] 。相关研究显示，脏堵会导致机组的风量、压缩机吸排气温度及压力等运行特性参数分别出现11%~147%不同程度的劣化，压缩机功率升高13%~21%，制冷能力下降5%~18%，COP衰减18%~28%，严重时还会导致压缩机停机保护等硬事故[7,8] 。为有效缓解脏堵故障的影响，提升ASHP夏季实际运行性能，准确可靠的脏堵故障诊断方法是必要保障。而目前ASHP机组的脏堵故障诊断并未引起业界的足够认识，实际工程中机组不具备自动的脏堵故障诊断功能，导致脏堵现象广泛存在。此外，ASHP室外换热器脏堵形成影响因素众多[9] ，形成周期长短不一[10-12] ，因此很难实现对脏堵的准确感知与监测，从而导致脏堵故障频发。
为了实现准确除垢，保障ASHP机组在夏季高效稳定运行，本文以北京地区的两个ASHP系统为测试对象，通过分析不同脏堵程度对机组运行特性和供冷性能影响，确定合理除垢点；通过对脏堵故障的特征参数分析，提出了能反映脏堵程度的特征参数“TTT”；基于合理除垢点与TTT对应关系，开发了新型TTT脏堵故障诊断方法，并通过现场测试验证了其准确性和有效性。研究成果可降低脏堵故障的劣化影响，对开发实用的脏堵故障诊断方法具有重要意义。
1 现场测试
1.1 工程概况
工程1的空调面积为215m2，冷热源为2台并联的同型号ASHP机组，空调末端为风机盘管系统，如图1a)所示。机组压缩机类型为定速涡旋式，制冷剂为R22。单台机组额定制热量/制冷量为19.6kW/15.6kW，额定制热/制冷功率为6.88kW/5.18kW。
工程2的空调面积为185m2，冷热源为1台ASHP机组，空调末端为地板辐射/风机盘管系统，如图1b)所示。机组中包含两台定速涡旋式压缩机，含有两套制冷剂循环回路，共用一个空气侧风机和水侧换热器，制冷剂为R22。单压缩机时机组额定制热量/制冷量为14kW/12.5kW，额定制热/制冷功率为4.45kW/4.25kW。
1.2 测试系统
测试系统对ASHP系统的空气侧、制冷剂侧与冷水侧的运行参数、能耗以及室外换热器脏堵情况进行实时监测。主要测量仪器参数如表1所示。主要测量参数如下：
（1）空气侧：利用温湿度传感器测量室外环境的温湿度、经室外换热器后的空气温湿度，利用风量罩测量风机风量。
（2）制冷剂侧：利用铂电阻PT1000测量压缩机的吸排气温度、室外换热器盘管温度，利用压力传感器测量压缩机的吸排气压力。
（3）冷水侧：利用铂电阻PT1000测量机组的供、回水温度，利用电磁流量计测量水流量。
（4）机组能耗：利用智能电表测量压缩机的功率、风机的功率。
（5）室外换热器表面脏堵：采用高清摄像头录制并采集脏堵图像，用精密电子天平秤计量室外换热器清理下来的污垢质量。
2 TTT脏堵故障诊断方法开发
2.1 脏堵故障合理除垢点的确定
在脏堵逐渐形成过程中，机组运行和供冷性能逐渐劣化。当脏堵初步形成时，机组运行和供冷性能未受脏堵形成而发生明显变化，脏堵可不被清除；而当脏堵形成到一定程度时，机组运行性能劣化明显，供冷性能衰减严重，脏堵应及时被清除。因此，脏堵形成过程中存在合理的除垢点，可防止提前清除脏堵，延缓脏堵再次形成，节约运维成本。
2.1.1 除垢点的初步判断
本研究通过分析不同脏堵程度对机组运行特性和供冷性能的劣化规律来寻求合理的除垢点。课题组在前期研究中揭示了不同脏堵程度下的机组性能劣化规律[8,13] ，本文基于前期研究成果，采用“相对劣化率(φ)”指标定量分析不同脏堵程度对运行特性参数的劣化影响，定义如式（1）所示。相对劣化率越大，表明脏堵程度增加时运行参数劣化程度明显加快，脏堵对机组运行特性影响加剧。
表2给出机组主要运行特性参数在不同脏堵程度下的相对劣化率。由表可知，当脏堵程度由0%增加至20%和20%增加至40%时，除空气侧压差外，运行参数相对劣化率不超过8%；而脏堵程度由40%增加至60%时，多数运行参数相对劣化率最高，表明脏堵程度增加对运行特性劣化程度加剧最为明显。可见，脏堵程度由40%增加至60%时，机组运行特性劣化程度显著提升。因此，初步判断得出除垢点应为脏堵程度超过40%时。
2.1.2 除垢点的合理性分析
由于现场测试只有26℃~33℃的测试数据，不能完全代表ASHP供冷运行工况。为进一步证明除垢点的合理性，本研究基于测试结果，对不同脏堵程度和室外温度下的ASHP机组运行性能进行拟合，结果如图2所示。
由图2可见，在夏季名义工况35℃时，非脏堵机组COP为2.51，高于国家标准《冷水机组能效限定值及能效等级》GB 19577-2015中对风冷热泵市场准入限值2.50 [14] ，当脏堵程度增加至40%时，COP降低10%；脏堵程度增加至60%时，COP下降高达20%，显著低于市场准入标准。因此，为保证机组供冷性能劣化不受脏堵形成的明显影响，提出脏堵程度超过40%时为合理除垢点。
2.2 脏堵故障特征参数TTT分析
合理除垢点是脏堵程度超过40%时，但在ASHP实际运行中，很难实现脏堵程度的判断。换热器风量和风压差等参数可以直接表征脏堵程度，但风机风量在机组实际运行中难以实时测量，空气侧压差测量受传感器精度影响较大且成本较高，因此均不适合在ASHP实际运行中推广应用。制冷剂侧和水侧参数多数受环境温度和脏堵程度共同影响，也不宜用于反映ASHP在实际运行中脏堵的形成程度。因此，应探寻能有效反映脏堵形成程度的特征参数，用于脏堵程度的判断，才能有效判断脏堵故障存在。
为反映脏堵形成程度，本研究分析了脏堵直接影响的室外换热器的热交换过程。室外换热器的换热量按下式计算：
式中：Qcon为室外换热器的换热量（W）；UA为室外换热器的总传热系数（W/K）；Tao为室外换热器的出风温度（℃）；Ta为环境温度（℃）；Tc为室外换热器的盘管温度，即冷凝温度（℃）；ma为经过室外换热器的空气质量流量（kg/s）；ca为空气的比热容，（J/kg·℃）。
总传热系数按下式计算：
式中：UA为室外换热器的总传热系数（W/K）；ηo为带肋片的表面的总表面效率；h为内外表面传热系数（W/m2·K）；A为换热面积（m2）；Rw为室外换热器的结构热阻（℃/W）；Rf为脏堵的附加热阻（℃/W）；c为下标，代表冷流体侧；h为下标，代表热流体侧。
总传热系数由于脏堵增加了换热热阻而降低，以上公式表明总传热系数可用于反映脏堵形成程度。同时，研究表明总传热系数可作为检测与诊断脏堵故障的良好指标[15] 。但在ASHP实际运行中，其室外换热器的总表面效率、内外表面传热系数等无法得知或直接测量，导致总传热系数难以确定，使其在脏堵故障检测中未得到有效利用。
总传热系数虽然无法直接测量，但可根据室外换热器的换热量公式(2)按下式间接计算：
由公式(4)可知，总传热系数是室外换热器空气质量流量和耦合温度（环境温度-冷凝温度-出风温度）的相关函数。由于室外热交换器表面的脏堵形成速度非常缓慢[10,11] ，脏堵形成属于长期季节性渐进式传质过程，当脏堵形成到一定程度时，空气质量流量基本保持不变，总换热系数仅与耦合温度有关。因此，当脏堵形成一定程度时，可利用耦合温度与换热系数的直接相关性，表征脏堵程度。
为阐明耦合温度物理意义，对空气侧的热交换过程进行分析。在ASHP供冷运行中，环境空气相对于制冷剂为冷流体，即制冷剂经过换热后加热环境空气，环境空气温度在最理想的状态下可被加热到冷凝温度，到达最大程度的换热；在ASHP实际运行中，环境空气实际状态下被加热到出风温度，实现有限程度的换热。基于以上分析，提出空气侧有效换热效率参数TTT，即空气侧有效换热量与理想最大换热量的比值，计算公式如下：
当TTT逐渐趋近于1时，表示室外换热器换热效果越好；当TTT逐渐降低时，表示室外换热器表面形成脏堵，室外换热器换热效果越来越差。将TTT带入公式(4)，总传热系数按下式表示：
当没有形成脏堵时，TTT值较高，对应的总传热系数较高，而当脏堵逐渐形成时，TTT值逐渐降低，对应的总传热系数降低。因此，利用TTT可表征脏堵程度，作为脏堵故障诊断的特征参数。
2.3 TTT脏堵故障诊断方法的开发
首先通过实际测试验证TTT特征值有效性。图3所示为8个环境温度和不同脏堵程度下的TTT变化规律。由图可知，TTT耦合了环境温度，其变化只受脏堵程度的影响，不同脏堵程度对应不同的TTT值。由此可见，利用TTT值可有效表征脏堵形成程度，判断合理的除垢点。
为通过TTT判断合理的除垢点，应确定脏堵程度与TTT值的对应关系。通过统计在环境温度为26~33℃和回水温度为10~14℃下测试的TTT值，得到不同脏堵程度和环境温度下TTT变化规律，如图4所示。由图可知，在同一脏堵程度下，TTT在其平均值上下波动，不随环境温度变化而变化；而在不同脏堵程度下，TTT值虽有极少数交集，但整体具有明显差异性。当脏堵程度由0%增至100%时，TTT整体呈逐渐下降趋势，平均值分别为0.92，0.84，0.78，0.68，0.63和0.57，且当脏堵程度由40%增至60%时，TTT差异性尤为显著。可见，为在ASHP实际运行中为有效利用TTT表征脏堵程度，降低脏堵程度误判概率，应利用机组运行一段时间内的平均TTT值进行脏堵故障诊断。
由之前分析可知，当脏堵程度超过40%时为合理除垢点，对应的平均TTT值低于0.78。然而，对于不同ASHP机组，不同脏堵程度对应TTT值与测试结果一致的可能性较低，利用绝对的平均TTT值诊断不同机组的脏堵故障具有一定局限性。为提高利用TTT检测脏堵故障的适用性，应利用相对的平均TTT值衰减率判断合理除垢点，如式(7)所示。由图4可知，相对脏堵程度为20%，40%，60%，80%，100%时，对应的平均TTT值衰减率分别为9%，15%，26%，32%和38%。因此，当脏堵程度超过40%时机组存在脏堵故障，对应的合理除垢点为平均TTT值衰减率超过15%时。
式中：TTTnf为脏堵程度为0%时的平均TTT值；TTTf为脏堵形成后平均TTT值。
基于合理除垢点，开发TTT脏堵故障诊断方法，逻辑如图5所示。当机组供冷运行时，输入环境温度、盘管温度和出风温度，计算TTT值，统计一定时间内(如24h)非脏堵机组运行时TTT平均值(TTTnf)，定期记录机组运行时TTT平均值(TTTf)，当机组的TTTf值相比TTTnf值衰减15%及以上时，机组产生脏堵故障报警，否则继续定期记录机组的TTTf值。
3 TTT脏堵故障诊断方法验证
3.1 TTT诊断方法的准确性验证
为验证所开发的TTT脏堵故障诊断方法的适用性，对ASHP工程1和工程2中机组分别进行长期供冷季的测试，监测实际中不同机组的室外换热器脏堵形成情况和日平均TTT值变化规律，并验证实际除垢点的合理性，测试结果如图6所示。
在供冷季期间，测试机组的室外换热器均逐渐形成了脏堵，使日平均空气侧压差逐渐上升，导致日平均TTT值逐渐衰减。由图6a)可知，在供冷季运行期间，工程1中机组的日平均空气侧压差由10Pa增加至29Pa，升高了190%；而日平均TTT值由0.92衰减至0.70，衰减率为24%；供冷季结束时，脏堵覆盖室外换热器面积比达65%。由图6b)可知，在供冷季运行期间，工程2中机组的日平均空气侧压差由16Pa增加至46Pa，升高了188%；而日平均TTT值由0.80衰减至0.55，衰减率为0.31%；供冷季结束时，脏堵覆盖室外换热器面积比达60%。可见，测试机组的脏堵没有被合理清除，供冷季结束时机组已明显存在脏堵故障。
由图6可知，随着不同机组的脏堵逐渐形成，日平均TTT值均呈线性的衰减趋势，衰减率逐渐增加。可见，TTT脏堵故障诊断方法利用日平均TTT值衰减率可反映实际的脏堵形成程度。此外，在供冷季运行期间，不同机组形成脏堵速率明显不同，两台测试机组分别在8月14日和7月14日的日平均TTT值衰减率达到15%，对应的各自室外换热器脏堵覆盖率约为40%。可见，对于不同机组，TTT脏堵故障诊断方法具有有良好的适用性。
3.2 TTT诊断方法的有效性验证
为进一步验证TTT脏堵故障诊断方法的有效性，对工程2中机组分别使用TTT方法和不使用方法，在两个不同供冷季进行长期的测试，测试结果如图7所示。
现场测试的两个供冷季的环境温度均呈先升后降的趋势，平均环境温度分别为29.2℃和28.8℃，供冷季的测试条件相似，可作为对比测试工况。在两个供冷季的机组运行过程中，在使用TTT方法时，当日平均TTT值由0.80衰减至0.68时，其衰减率为15%，已到达合理除垢点，对脏堵进行清除，日平均TTT值恢复至0.80，机组继续运行。没有使用TTT方法时，日平均TTT值由0.79逐渐衰减至0.54，其衰减率高达29%，机组运行过程中始终未对室外换热器脏堵进行清洗。
由图7可知，利用TTT方法时，机组在供冷季中期清洗了脏堵，清洗前后机组运行和供冷性能有明显差异。脏堵清洗前，平均环境温度为29.3℃，脏堵逐渐形成导致机组日平均空气侧压差升高120%；由于同时受环境温度升高和脏堵程度增加的影响，机组日平均消耗功率呈上升趋势，平均值高达5.15kW；日平均COP由3.21逐渐降至2.50，衰减达22%，平均值仅2.79。而脏堵清洗后，平均环境温度为29.1℃，与清洗前测试工况相似，脏堵再次形成但并未导致空气侧压差大幅增加；由于同时受环境温度降低和脏堵缓慢形成的影响，机组日平均消耗功率呈平缓趋势，平均值为4.85kW，相比脏堵未清洗前降低了6%；日平均COP由2.93逐渐升至3.28，平均值高达3.07，相比脏堵未清洗前提升了10%。可见，TTT方法能有效诊断脏堵故障，指导脏堵合理的清除，降低机组能耗并有效提升机组运行和供冷性能。
比较不同供冷季的测试结果可知，在相似的供冷季测试工况下，利用TTT方法的供冷季机组整体运行性能明显优于未利用TTT方法的供冷季。在未利用TTT方法的供冷季中，由于脏堵逐渐形成，导致日平均空气侧压差升高188%；由于主要受脏堵程度增加的影响，机组日平均消耗功率呈逐渐上升趋势，平均值高达5.54kW；日平均COP由3.31逐渐衰减至2.30，衰减高达31%，平均值仅2.64。而在利用TTT方法的供冷季中，由于及时清洗脏堵，使日平均风压差升高后恢复至初始状态；机组日平均消耗功率未发生大幅波动，平均值仅5.01kW，相比未利用方法时降低了8%；日平均COP呈先降后升趋势，平均值高达2.93，相比未利用方法时提升了11%。可见，TTT方法相比未使用诊断方法具有良好的有效性，降低脏堵故障劣化影响，能有效缓解脏堵故障频发问题，保证了ASHP的高效运行。
4 结论
本文通过分析不同脏堵程度对ASHP机组运行特性和供冷性能的影响规律，确定了合理除垢点；提出了能反映脏堵程度的特征参数“TTT”；基于合理除垢点与TTT对应关系，开发了新型TTT脏堵故障诊断方法，并通过现场测试验证了其准确性和有效性。具体结论如下：
（1）当脏堵程度超过40%时，机组性能劣化程度明显加剧，因此可将合理除垢点确定为脏堵超过40%时。
（2）利用TTT可表征脏堵程度，作为脏堵故障诊断的特征参数。合理除垢点为平均TTT值衰减率超过15%时。
（3）所开发的TTT方法能有效诊断脏堵故障，指导脏堵故障的合理排除。排除后机组的平均消耗功率降低了6%，COP提升了10%；相比于未使用脏堵故障诊断方法的机组，利用TTT方法使机组供冷季的平均消耗功率降低了8%，COP提升了11%。
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备注：本文获评为第21届暖通空调制冷学术年会青年优秀论文，收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。
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