崔一鳴? 王偉  孫育英 趙繼晗
綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室

       【摘  要】室外換熱器臟堵是空氣源熱泵在夏季運行的一種最為常見的故障。為有效診斷空氣源熱泵臟堵故障，保障機組在夏季高效穩定運行，本文通過分析不同臟堵程度下機組運行特性和供冷性能的劣化規律，確定了合理除垢點，并提出反映臟堵程度的特征參數“TTT”，基于合理除垢點與TTT的對應關系，開發了新型TTT臟堵故障診斷方法，并通過現場測試驗證了其準確性和有效性。研究結果顯示，新型TTT方法能有效診斷臟堵故障，指導臟堵故障的合理排除，排除后機組的平均消耗功率降低了6%，COP提升了10%；相比于未使用臟堵故障診斷方法的機組，供冷季的平均消耗功率降低了8%，COP提升了11%。TTT法保障了空氣源熱泵機組安全、高效運行，是一種準確可靠的臟堵故障診斷方法。

       【關鍵詞】空氣源熱泵 室外換熱器 臟堵 TTT 故障診斷

       【基金項目】國家重點研發計劃項目“可再生能源綠色建筑領域應用效果研究”資助(2016YFC0700104)；國家自然科學基金優秀青年基金項目資助(51522801)；空調設備及系統運行節能國家重點實驗室開放課題資助(SKLACKF201604)

0 引言

       空氣源熱泵（Air Source Heat Pump, 以下簡稱ASHP）是近年來全世界倍受關注的節能技術，歐盟于2009年將其列入可再生能源技術^[1] ；美國能源部將ASHP在寒冷/嚴寒地區應用列為21世紀最具節能潛力的15項空調技術措施之一^[2] ；我國住房和城鄉建設部于2015年正式將其納入可再生能源利用技術范疇^[3] ，ASHP技術已成為我國重要的綠色建筑技術之一，并廣泛用于我國寒冷和夏熱冬冷（暖）地區^[4-5] ，可見ASHP具有廣闊的應用空間和價值。然而在ASHP的實際應用中，由于環境空氣含有灰塵、煙塵等粉塵顆粒物，室外換熱器表面極易結垢產生臟堵，影響ASHP的正常運行。

       室外換熱器臟堵是ASHP夏季運行的一種最為常見且影響較大的故障^[6] 。相關研究顯示，臟堵會導致機組的風量、壓縮機吸排氣溫度及壓力等運行特性參數分別出現11%~147%不同程度的劣化，壓縮機功率升高13%~21%，制冷能力下降5%~18%，COP衰減18%~28%，嚴重時還會導致壓縮機停機保護等硬事故^[7,8] 。為有效緩解臟堵故障的影響，提升ASHP夏季實際運行性能，準確可靠的臟堵故障診斷方法是必要保障。而目前ASHP機組的臟堵故障診斷并未引起業界的足夠認識，實際工程中機組不具備自動的臟堵故障診斷功能，導致臟堵現象廣泛存在。此外，ASHP室外換熱器臟堵形成影響因素眾多^[9] ，形成周期長短不一^[10-12] ，因此很難實現對臟堵的準確感知與監測，從而導致臟堵故障頻發。

       為了實現準確除垢，保障ASHP機組在夏季高效穩定運行，本文以北京地區的兩個ASHP系統為測試對象，通過分析不同臟堵程度對機組運行特性和供冷性能影響，確定合理除垢點；通過對臟堵故障的特征參數分析，提出了能反映臟堵程度的特征參數“TTT”；基于合理除垢點與TTT對應關系，開發了新型TTT臟堵故障診斷方法，并通過現場測試驗證了其準確性和有效性。研究成果可降低臟堵故障的劣化影響，對開發實用的臟堵故障診斷方法具有重要意義。

1 現場測試

       1.1 工程概況

       工程1的空調面積為215m²，冷熱源為2臺并聯的同型號ASHP機組，空調末端為風機盤管系統，如圖1a)所示。機組壓縮機類型為定速渦旋式，制冷劑為R22。單臺機組額定制熱量/制冷量為19.6kW/15.6kW，額定制熱/制冷功率為6.88kW/5.18kW。

       工程2的空調面積為185m²，冷熱源為1臺ASHP機組，空調末端為地板輻射/風機盤管系統，如圖1b)所示。機組中包含兩臺定速渦旋式壓縮機，含有兩套制冷劑循環回路，共用一個空氣側風機和水側換熱器，制冷劑為R22。單壓縮機時機組額定制熱量/制冷量為14kW/12.5kW，額定制熱/制冷功率為4.45kW/4.25kW。

       1.2 測試系統

       測試系統對ASHP系統的空氣側、制冷劑側與冷水側的運行參數、能耗以及室外換熱器臟堵情況進行實時監測。主要測量儀器參數如表1所示。主要測量參數如下：

       （1）空氣側：利用溫濕度傳感器測量室外環境的溫濕度、經室外換熱器后的空氣溫濕度，利用風量罩測量風機風量。

       （2）制冷劑側：利用鉑電阻PT1000測量壓縮機的吸排氣溫度、室外換熱器盤管溫度，利用壓力傳感器測量壓縮機的吸排氣壓力。

       （3）冷水側：利用鉑電阻PT1000測量機組的供、回水溫度，利用電磁流量計測量水流量。

       （4）機組能耗：利用智能電表測量壓縮機的功率、風機的功率。

       （5）室外換熱器表面臟堵：采用高清攝像頭錄制并采集臟堵圖像，用精密電子天平秤計量室外換熱器清理下來的污垢質量。

2 TTT臟堵故障診斷方法開發

       2.1 臟堵故障合理除垢點的確定

       在臟堵逐漸形成過程中，機組運行和供冷性能逐漸劣化。當臟堵初步形成時，機組運行和供冷性能未受臟堵形成而發生明顯變化，臟堵可不被清除；而當臟堵形成到一定程度時，機組運行性能劣化明顯，供冷性能衰減嚴重，臟堵應及時被清除。因此，臟堵形成過程中存在合理的除垢點，可防止提前清除臟堵，延緩臟堵再次形成，節約運維成本。

       2.1.1 除垢點的初步判斷

       本研究通過分析不同臟堵程度對機組運行特性和供冷性能的劣化規律來尋求合理的除垢點。課題組在前期研究中揭示了不同臟堵程度下的機組性能劣化規律^[8,13] ，本文基于前期研究成果，采用“相對劣化率(φ)”指標定量分析不同臟堵程度對運行特性參數的劣化影響，定義如式（1）所示。相對劣化率越大，表明臟堵程度增加時運行參數劣化程度明顯加快，臟堵對機組運行特性影響加劇。

       表2給出機組主要運行特性參數在不同臟堵程度下的相對劣化率。由表可知，當臟堵程度由0%增加至20%和20%增加至40%時，除空氣側壓差外，運行參數相對劣化率不超過8%；而臟堵程度由40%增加至60%時，多數運行參數相對劣化率最高，表明臟堵程度增加對運行特性劣化程度加劇最為明顯。可見，臟堵程度由40%增加至60%時，機組運行特性劣化程度顯著提升。因此，初步判斷得出除垢點應為臟堵程度超過40%時。

        

       2.1.2 除垢點的合理性分析

       由于現場測試只有26℃~33℃的測試數據，不能完全代表ASHP供冷運行工況。為進一步證明除垢點的合理性，本研究基于測試結果，對不同臟堵程度和室外溫度下的ASHP機組運行性能進行擬合，結果如圖2所示。

       由圖2可見，在夏季名義工況35℃時，非臟堵機組COP為2.51，高于國家標準《冷水機組能效限定值及能效等級》GB 19577-2015中對風冷熱泵市場準入限值2.50 ^[14] ，當臟堵程度增加至40%時，COP降低10%；臟堵程度增加至60%時，COP下降高達20%，顯著低于市場準入標準。因此，為保證機組供冷性能劣化不受臟堵形成的明顯影響，提出臟堵程度超過40%時為合理除垢點。

       2.2 臟堵故障特征參數TTT分析

       合理除垢點是臟堵程度超過40%時，但在ASHP實際運行中，很難實現臟堵程度的判斷。換熱器風量和風壓差等參數可以直接表征臟堵程度，但風機風量在機組實際運行中難以實時測量，空氣側壓差測量受傳感器精度影響較大且成本較高，因此均不適合在ASHP實際運行中推廣應用。制冷劑側和水側參數多數受環境溫度和臟堵程度共同影響，也不宜用于反映ASHP在實際運行中臟堵的形成程度。因此，應探尋能有效反映臟堵形成程度的特征參數，用于臟堵程度的判斷，才能有效判斷臟堵故障存在。

       為反映臟堵形成程度，本研究分析了臟堵直接影響的室外換熱器的熱交換過程。室外換熱器的換熱量按下式計算：

      

       式中：Q_con為室外換熱器的換熱量（W）；UA為室外換熱器的總傳熱系數（W/K）；T_ao為室外換熱器的出風溫度（℃）；T_a為環境溫度（℃）；T_c為室外換熱器的盤管溫度，即冷凝溫度（℃）；m_a為經過室外換熱器的空氣質量流量（kg/s）；c_a為空氣的比熱容，（J/kg·℃）。

       總傳熱系數按下式計算：

        

       式中：UA為室外換熱器的總傳熱系數（W/K）；η_o為帶肋片的表面的總表面效率；h為內外表面傳熱系數（W/m²·K）；A為換熱面積（m²）；Rw為室外換熱器的結構熱阻（℃/W）；Rf為臟堵的附加熱阻（℃/W）；c為下標，代表冷流體側；h為下標，代表熱流體側。

       總傳熱系數由于臟堵增加了換熱熱阻而降低，以上公式表明總傳熱系數可用于反映臟堵形成程度。同時，研究表明總傳熱系數可作為檢測與診斷臟堵故障的良好指標^[15] 。但在ASHP實際運行中，其室外換熱器的總表面效率、內外表面傳熱系數等無法得知或直接測量，導致總傳熱系數難以確定，使其在臟堵故障檢測中未得到有效利用。

       總傳熱系數雖然無法直接測量，但可根據室外換熱器的換熱量公式(2)按下式間接計算：

        

       由公式(4)可知，總傳熱系數是室外換熱器空氣質量流量和耦合溫度（環境溫度-冷凝溫度-出風溫度）的相關函數。由于室外熱交換器表面的臟堵形成速度非常緩慢^[10,11] ，臟堵形成屬于長期季節性漸進式傳質過程，當臟堵形成到一定程度時，空氣質量流量基本保持不變，總換熱系數僅與耦合溫度有關。因此，當臟堵形成一定程度時，可利用耦合溫度與換熱系數的直接相關性，表征臟堵程度。

       為闡明耦合溫度物理意義，對空氣側的熱交換過程進行分析。在ASHP供冷運行中，環境空氣相對于制冷劑為冷流體，即制冷劑經過換熱后加熱環境空氣，環境空氣溫度在最理想的狀態下可被加熱到冷凝溫度，到達最大程度的換熱；在ASHP實際運行中，環境空氣實際狀態下被加熱到出風溫度，實現有限程度的換熱。基于以上分析，提出空氣側有效換熱效率參數TTT，即空氣側有效換熱量與理想最大換熱量的比值，計算公式如下：

       

       當TTT逐漸趨近于1時，表示室外換熱器換熱效果越好；當TTT逐漸降低時，表示室外換熱器表面形成臟堵，室外換熱器換熱效果越來越差。將TTT帶入公式(4)，總傳熱系數按下式表示：

        

       當沒有形成臟堵時，TTT值較高，對應的總傳熱系數較高，而當臟堵逐漸形成時，TTT值逐漸降低，對應的總傳熱系數降低。因此，利用TTT可表征臟堵程度，作為臟堵故障診斷的特征參數。

       2.3 TTT臟堵故障診斷方法的開發

       首先通過實際測試驗證TTT特征值有效性。圖3所示為8個環境溫度和不同臟堵程度下的TTT變化規律。由圖可知，TTT耦合了環境溫度，其變化只受臟堵程度的影響，不同臟堵程度對應不同的TTT值。由此可見，利用TTT值可有效表征臟堵形成程度，判斷合理的除垢點。

       為通過TTT判斷合理的除垢點，應確定臟堵程度與TTT值的對應關系。通過統計在環境溫度為26~33℃和回水溫度為10~14℃下測試的TTT值，得到不同臟堵程度和環境溫度下TTT變化規律，如圖4所示。由圖可知，在同一臟堵程度下，TTT在其平均值上下波動，不隨環境溫度變化而變化；而在不同臟堵程度下，TTT值雖有極少數交集，但整體具有明顯差異性。當臟堵程度由0%增至100%時，TTT整體呈逐漸下降趨勢，平均值分別為0.92，0.84，0.78，0.68，0.63和0.57，且當臟堵程度由40%增至60%時，TTT差異性尤為顯著。可見，為在ASHP實際運行中為有效利用TTT表征臟堵程度，降低臟堵程度誤判概率，應利用機組運行一段時間內的平均TTT值進行臟堵故障診斷。

       由之前分析可知，當臟堵程度超過40%時為合理除垢點，對應的平均TTT值低于0.78。然而，對于不同ASHP機組，不同臟堵程度對應TTT值與測試結果一致的可能性較低，利用絕對的平均TTT值診斷不同機組的臟堵故障具有一定局限性。為提高利用TTT檢測臟堵故障的適用性，應利用相對的平均TTT值衰減率判斷合理除垢點，如式(7)所示。由圖4可知，相對臟堵程度為20%，40%，60%，80%，100%時，對應的平均TTT值衰減率分別為9%，15%，26%，32%和38%。因此，當臟堵程度超過40%時機組存在臟堵故障，對應的合理除垢點為平均TTT值衰減率超過15%時。

       

       式中：TTTnf為臟堵程度為0%時的平均TTT值；TTTf為臟堵形成后平均TTT值。

       基于合理除垢點，開發TTT臟堵故障診斷方法，邏輯如圖5所示。當機組供冷運行時，輸入環境溫度、盤管溫度和出風溫度，計算TTT值，統計一定時間內(如24h)非臟堵機組運行時TTT平均值(TTTnf)，定期記錄機組運行時TTT平均值(TTTf)，當機組的TTTf值相比TTTnf值衰減15%及以上時，機組產生臟堵故障報警，否則繼續定期記錄機組的TTTf值。

3 TTT臟堵故障診斷方法驗證

       3.1 TTT診斷方法的準確性驗證

       為驗證所開發的TTT臟堵故障診斷方法的適用性，對ASHP工程1和工程2中機組分別進行長期供冷季的測試，監測實際中不同機組的室外換熱器臟堵形成情況和日平均TTT值變化規律，并驗證實際除垢點的合理性，測試結果如圖6所示。

       在供冷季期間，測試機組的室外換熱器均逐漸形成了臟堵，使日平均空氣側壓差逐漸上升，導致日平均TTT值逐漸衰減。由圖6a)可知，在供冷季運行期間，工程1中機組的日平均空氣側壓差由10Pa增加至29Pa，升高了190%；而日平均TTT值由0.92衰減至0.70，衰減率為24%；供冷季結束時，臟堵覆蓋室外換熱器面積比達65%。由圖6b)可知，在供冷季運行期間，工程2中機組的日平均空氣側壓差由16Pa增加至46Pa，升高了188%；而日平均TTT值由0.80衰減至0.55，衰減率為0.31%；供冷季結束時，臟堵覆蓋室外換熱器面積比達60%。可見，測試機組的臟堵沒有被合理清除，供冷季結束時機組已明顯存在臟堵故障。

       由圖6可知，隨著不同機組的臟堵逐漸形成，日平均TTT值均呈線性的衰減趨勢，衰減率逐漸增加。可見，TTT臟堵故障診斷方法利用日平均TTT值衰減率可反映實際的臟堵形成程度。此外，在供冷季運行期間，不同機組形成臟堵速率明顯不同，兩臺測試機組分別在8月14日和7月14日的日平均TTT值衰減率達到15%，對應的各自室外換熱器臟堵覆蓋率約為40%。可見，對于不同機組，TTT臟堵故障診斷方法具有有良好的適用性。

       3.2 TTT診斷方法的有效性驗證

       為進一步驗證TTT臟堵故障診斷方法的有效性，對工程2中機組分別使用TTT方法和不使用方法，在兩個不同供冷季進行長期的測試，測試結果如圖7所示。

       現場測試的兩個供冷季的環境溫度均呈先升后降的趨勢，平均環境溫度分別為29.2℃和28.8℃，供冷季的測試條件相似，可作為對比測試工況。在兩個供冷季的機組運行過程中，在使用TTT方法時，當日平均TTT值由0.80衰減至0.68時，其衰減率為15%，已到達合理除垢點，對臟堵進行清除，日平均TTT值恢復至0.80，機組繼續運行。沒有使用TTT方法時，日平均TTT值由0.79逐漸衰減至0.54，其衰減率高達29%，機組運行過程中始終未對室外換熱器臟堵進行清洗。

       由圖7可知，利用TTT方法時，機組在供冷季中期清洗了臟堵，清洗前后機組運行和供冷性能有明顯差異。臟堵清洗前，平均環境溫度為29.3℃，臟堵逐漸形成導致機組日平均空氣側壓差升高120%；由于同時受環境溫度升高和臟堵程度增加的影響，機組日平均消耗功率呈上升趨勢，平均值高達5.15kW；日平均COP由3.21逐漸降至2.50，衰減達22%，平均值僅2.79。而臟堵清洗后，平均環境溫度為29.1℃，與清洗前測試工況相似，臟堵再次形成但并未導致空氣側壓差大幅增加；由于同時受環境溫度降低和臟堵緩慢形成的影響，機組日平均消耗功率呈平緩趨勢，平均值為4.85kW，相比臟堵未清洗前降低了6%；日平均COP由2.93逐漸升至3.28，平均值高達3.07，相比臟堵未清洗前提升了10%。可見，TTT方法能有效診斷臟堵故障，指導臟堵合理的清除，降低機組能耗并有效提升機組運行和供冷性能。

       比較不同供冷季的測試結果可知，在相似的供冷季測試工況下，利用TTT方法的供冷季機組整體運行性能明顯優于未利用TTT方法的供冷季。在未利用TTT方法的供冷季中，由于臟堵逐漸形成，導致日平均空氣側壓差升高188%；由于主要受臟堵程度增加的影響，機組日平均消耗功率呈逐漸上升趨勢，平均值高達5.54kW；日平均COP由3.31逐漸衰減至2.30，衰減高達31%，平均值僅2.64。而在利用TTT方法的供冷季中，由于及時清洗臟堵，使日平均風壓差升高后恢復至初始狀態；機組日平均消耗功率未發生大幅波動，平均值僅5.01kW，相比未利用方法時降低了8%；日平均COP呈先降后升趨勢，平均值高達2.93，相比未利用方法時提升了11%。可見，TTT方法相比未使用診斷方法具有良好的有效性，降低臟堵故障劣化影響，能有效緩解臟堵故障頻發問題，保證了ASHP的高效運行。

4 結論

       本文通過分析不同臟堵程度對ASHP機組運行特性和供冷性能的影響規律，確定了合理除垢點；提出了能反映臟堵程度的特征參數“TTT”；基于合理除垢點與TTT對應關系，開發了新型TTT臟堵故障診斷方法，并通過現場測試驗證了其準確性和有效性。具體結論如下：

       （1）當臟堵程度超過40%時，機組性能劣化程度明顯加劇，因此可將合理除垢點確定為臟堵超過40%時。

       （2）利用TTT可表征臟堵程度，作為臟堵故障診斷的特征參數。合理除垢點為平均TTT值衰減率超過15%時。

       （3）所開發的TTT方法能有效診斷臟堵故障，指導臟堵故障的合理排除。排除后機組的平均消耗功率降低了6%，COP提升了10%；相比于未使用臟堵故障診斷方法的機組，利用TTT方法使機組供冷季的平均消耗功率降低了8%，COP提升了11%。

參考文獻

       [1] 姚春妮，劉幼農. 空氣熱能納入可再生能源的建筑應用技術研究[J]. 建設科技，2016，2:12-16.
       [2] 馬最良，姚楊，姜益強，等. 熱泵技術應用理論基礎與實踐[M]. 北京:中國建筑工業出版社，2010.
       [3] 孫曉琳，姚春妮，趙恒誼，等. 空氣熱能納入可再生能源的技術路徑研究[J]. 制冷技術，2015，5:36-40.
       [4] 馬一太，代寶民. 空氣源熱泵用于房間供暖的分析[J]. 制冷與空調，2013，13(7):6-11.
       [5] 王如竹，張川，翟曉強. 關于住宅用空氣源熱泵空調、供暖與熱水設計要素的思考[J]. 制冷技術，2014，1:32-41.
       [6] Chen Y Y, Lan L L. A fault detection technique for air-source heat pump water chiller/heaters [J]. Energy & Buildings, 2009, 41(8):881-887.
       [7] 劉景東, 孫育英, 王偉，等. 室外換熱器臟堵對空氣源熱泵夏季運行性能影響的實測研究[J]. 建筑科學, 2016, 32(10):15-20.
       [8] 王偉，劉景東，孫育英，等. 不同室外換熱器臟堵程度下空氣源熱泵性能劣化規律研究[C]. 2017中國制冷學會學術年會, 2017.
       [9] 王偉，劉景東，孫育英，等. 空氣源熱泵在北京地區全工況運行的關鍵問題及應對策略[J]. 暖通空調，2017，1:20-27.
       [10] Krafthefer B C, Bonne U. Energy use implications of methods to maintain heat exchanger coil cleanliness[J]. ASHRAE Transactions, 1986, 92(1):420-431.
       [11] Ahn Y C, Cho J M, Shin H S, et al. An experimental study of the air-side particulate fouling in fin-and-tube heat exchangers of air conditioners[J]. Korean Journal of Chemical Engineering, 2003, 20(5):873-877.
       [12] Abd-Elhady M S, Abd-Elhady S, Rindt C C M. Removal of gas-side particulate fouling layers by foreign particles as a function of flow direction [J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29:2335-2343.
       [13] 劉景東. 空氣源熱泵室外換熱器臟堵事故性能研究及故障診斷[D]. 北京工業大學, 2016.
       [14] GB 19577-2015，《冷水機組能效限定值及能效等級》[S].
       [15] Zhao X, Yang M, Li H. A virtual condenser fouling sensor for chillers[J]. Energy & Buildings, 2012, 52(6):68-76.

       備注：本文獲評為第21屆暖通空調制冷學術年會青年優秀論文，收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。