具有相變蓄熱模塊的新型多聯(lián)式空氣源熱泵空調(diào)器系統(tǒng)除霜特性的實(shí)驗(yàn)研究

侯澤飛 李廷勛

（1.廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311； 2.中山大學(xué) 廣州 510725）

引言

能源是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎。因此，調(diào)整能源發(fā)展結(jié)構(gòu)，開(kāi)展創(chuàng)新性能源科學(xué)技術(shù)研究變得尤為迫切[1～2]。空氣源熱泵是一種新型環(huán)保節(jié)能技術(shù)，熱泵技術(shù)通過(guò)消耗少量的電能，將熱量從低溫室外空氣中轉(zhuǎn)移到室內(nèi)房間，達(dá)到節(jié)能減排的效果[3～5]。因此，熱泵技術(shù)在解決能源問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題上顯示出日益重要的作用[5]。然而，空氣源熱泵的使用容易受到室外環(huán)境溫度的限制，隨著環(huán)境溫度的降低，室外機(jī)蒸發(fā)壓力下降，壓縮機(jī)吸氣量進(jìn)一步降低，壓縮比增大，嚴(yán)重削弱了熱泵空調(diào)器的制熱能力與性能系數(shù)，影響了熱泵空調(diào)器運(yùn)行可靠性[6～7]。因此，研究新型空氣源熱泵除霜技術(shù)對(duì)提高空調(diào)器的制熱能力和室內(nèi)房間熱舒適性具有重要意義。眾多學(xué)者對(duì)逆循環(huán)除霜的優(yōu)化改進(jìn)進(jìn)行了研究，Krakow等[8～9]對(duì)除霜過(guò)程中空氣源熱泵系統(tǒng)特性進(jìn)行研究，分析了結(jié)霜除霜對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

通過(guò)上述分析，逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜均有優(yōu)缺點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較好的除霜效果，針對(duì)已有除霜技術(shù)存在的缺陷（除霜時(shí)缺少低品位熱源的本質(zhì)問(wèn)題沒(méi)有解決），研究者開(kāi)始探索采用蓄熱方式的新型除霜技術(shù)。韓志濤等[12]進(jìn)行了空氣源熱泵常規(guī)除霜與蓄能除霜特性試驗(yàn)研究，研究表明，相同條件下，蓄能除霜時(shí)間較短，只占常規(guī)除霜時(shí)間的2/3；胡文舉等[13]針對(duì)空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了串聯(lián)供熱、非連通供熱和連通供熱3中供熱模式，在3種供熱模式下研究相變蓄熱器對(duì)空氣源熱泵性能的影響。在以上研究的基礎(chǔ)上，本文蓄熱除霜技術(shù)進(jìn)行了拓展研究，提出了一種具有相變蓄熱技術(shù)的多聯(lián)式熱泵空調(diào)器系統(tǒng)，系統(tǒng)中采用蓄熱器串聯(lián)供熱模式，并將其與逆循環(huán)除霜方式進(jìn)行對(duì)比分析。在低溫環(huán)境下，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)供熱，同時(shí)，系統(tǒng)的制熱能力明顯提高。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)條件介紹

1.1 采用相變蓄能技術(shù)的多聯(lián)式熱泵空調(diào)器工作原理

新型多聯(lián)式空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)工作原理如圖1所示。在制冷模式時(shí)，EEV4保持全開(kāi)，蓄熱器不工作。在制熱模式時(shí)，EEV1～EEV4均保持一定開(kāi)度，壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體分別進(jìn)入不同室內(nèi)機(jī)供熱，從室內(nèi)機(jī)出來(lái)的制冷劑一定節(jié)流效果后進(jìn)入室外機(jī)吸收環(huán)境空氣熱量，從室外機(jī)吸熱后的制冷劑通過(guò)儲(chǔ)液筒在EEV4中節(jié)流后進(jìn)入蓄熱器再次吸熱，吸熱后的制冷劑回到壓縮機(jī)，完成供熱循環(huán)。當(dāng)室外換熱器需要除霜時(shí)，EEV1～EEV3保持開(kāi)度最大值，EEV4保持一定開(kāi)度，室內(nèi)風(fēng)機(jī)保持一定轉(zhuǎn)速，室外風(fēng)機(jī)停止，從壓縮機(jī)出來(lái)的高溫高壓制冷劑先進(jìn)入室內(nèi)機(jī)，提供一定熱量后進(jìn)入室外機(jī)除霜，除霜后的制冷劑在EEV4節(jié)流后進(jìn)入蓄熱器吸熱，吸熱后回到壓縮機(jī)，完成蓄熱除霜過(guò)程。

從以上系統(tǒng)工作原理可看出，為滿足室內(nèi)熱舒適性，維持室內(nèi)房間溫度恒定，同時(shí)又能快速有效的除霜，需要優(yōu)化提升蓄熱器的蓄熱能力。綜上所述，相變蓄能器是系統(tǒng)的核心部件，同時(shí)，蓄熱器內(nèi)部的相變蓄能材料的特性決定了蓄熱器的性能，因此，選擇合適的蓄能材料對(duì)提高蓄熱器的除霜性能具有重要意義。

1.2 蓄能裝置設(shè)計(jì)與蓄能材料研制

1.2.1 蓄能材料研制

相變材料的熱物性主要包括：相變潛熱、相變溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、膨脹系數(shù)等。通過(guò)分析比較本文選擇的相變材料為石蠟與膨脹石墨的混合物?？紤]到批量加工時(shí)要保證蓄熱材料的流動(dòng)性，需要驗(yàn)證石墨與石蠟的最大比例。

試驗(yàn)條件：溫度控制80 ℃，設(shè)備采用恒溫水浴箱，材料采用石墨（300目）、石蠟，其他工具包括攪拌棒等。試驗(yàn)方法中，石蠟選用10 g，依次增加石墨質(zhì)量0.1 g，判定標(biāo)準(zhǔn)為呈現(xiàn)水狀態(tài)評(píng)分為10分，呈現(xiàn)固定評(píng)分為0，其他狀態(tài)依次評(píng)分，拍照記錄。從表1中可看出，在石墨質(zhì)量百分比為20 %左右時(shí)，蓄熱材料流動(dòng)性依然處于較好的狀態(tài)。

圖1 具有相變蓄熱模塊的多聯(lián)式熱泵空調(diào)器系統(tǒng)圖

1.2.2 蓄能裝置設(shè)計(jì)

蓄熱器作為蓄能除霜系統(tǒng)的核心部件，其主要作用是提供低品位熱源，保證除霜過(guò)程中充足的熱量供給。根據(jù)相關(guān)空氣源熱泵除霜能耗的研究文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，除霜過(guò)程中消耗的熱量占總制熱量的約10 %左右[17，18]。本試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的多聯(lián)式熱泵機(jī)組的額定制熱能力為7.6 kW，按照除霜周期為50 min計(jì)算，低溫制熱量衰減率取30 %，則最大除霜能耗Qdf計(jì)算如下：

以上計(jì)算為最大除霜能耗，考慮到正常除霜過(guò)程的能耗約為最大除霜能耗的70 %～80 %。另外，除霜過(guò)程的熱量并不是完全由蓄熱器提供，壓縮機(jī)做功在除霜熱量中占了很大比例，約為50 %～60 %[19]。因此，本系統(tǒng)中蓄熱器蓄熱能力設(shè)計(jì)時(shí)按照最大蓄熱能力的50 %。石蠟材料的相變蓄熱能力約為250 kJ/kg, 本裝置中需要的石蠟質(zhì)量為2.55 kg。

圖2（a）和（b）分別為蓄能裝置結(jié)構(gòu)示意圖與實(shí)物圖。蓄熱器外殼為弧形設(shè)計(jì)，與壓縮機(jī)筒體充分固定貼合。外殼采用鑄鋁材料，換熱盤(pán)管采用銅管。蓄熱器內(nèi)部填充石蠟與石墨混合后的相變蓄能材料，蓄熱器外部采用保溫棉包裹。

表2為蓄能裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)表。

1.3 試驗(yàn)裝置

樣機(jī)為一拖三熱泵空調(diào)器系統(tǒng)，樣機(jī)在焓差室內(nèi)完成測(cè)試，焓差室測(cè)試將試驗(yàn)數(shù)據(jù)返回到采集儀，同時(shí)，系統(tǒng)耗電量數(shù)據(jù)在采集儀中記錄。表3為室外機(jī)詳細(xì)配置參數(shù)，表4為室內(nèi)換熱器和室外換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)。

試驗(yàn)測(cè)試在美的制冷設(shè)備有限公司3匹焓差3完成，測(cè)試工況包括額定制熱工況、易結(jié)霜工況和低溫工況，具體見(jiàn)表5。

2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及分析

圖3為除霜過(guò)程中蓄熱循環(huán)與常規(guī)循環(huán)室內(nèi)機(jī)盤(pán)管溫度變化曲線，從圖3中可以看出，隨著除霜過(guò)程的進(jìn)行，常規(guī)除霜過(guò)程室內(nèi)機(jī)盤(pán)管溫度急劇下降，蓄熱除霜過(guò)程盤(pán)管溫度下降幅度明顯小于常規(guī)循環(huán)，主要是由于除霜過(guò)程中，室內(nèi)側(cè)可通過(guò)蓄熱器提供一部分熱量來(lái)彌補(bǔ)除霜帶來(lái)的熱量損耗。當(dāng)除霜結(jié)束后，常規(guī)循環(huán)方式需要更長(zhǎng)的時(shí)間恢復(fù)盤(pán)管溫度，制熱舒適性較蓄熱除霜差。

表1 石墨與石蠟最大比例驗(yàn)證表

圖2 蓄熱器結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖

表2 蓄能裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)表

表3 室外機(jī)詳細(xì)配置參數(shù)

表4 室內(nèi)外換熱器詳細(xì)參數(shù)

表5 制熱測(cè)試工況

圖3 蓄熱除霜與常規(guī)除霜過(guò)程室內(nèi)盤(pán)管溫度變化曲線

圖4 系統(tǒng)在蓄熱循環(huán)與常規(guī)循環(huán)中制熱量變化

圖4為室外2/1環(huán)境下常規(guī)循環(huán)與蓄熱循環(huán)制熱能力比較。從圖中可以看出，蓄熱循環(huán)制熱量較常規(guī)循環(huán)提升了8.7 %。一方面是蓄熱循環(huán)縮短了循環(huán)時(shí)間；另一方面是蓄熱循環(huán)較常規(guī)循環(huán)吸熱量增加，蓄熱器提供了制熱及除霜過(guò)程的輔助熱量。

3 結(jié)論

本文中研制了相變蓄熱材料，對(duì)相變蓄熱材料性能進(jìn)行了分析比較，搭建了具有相變蓄熱功能的熱泵多聯(lián)式空調(diào)器，并進(jìn)行了初步試驗(yàn)測(cè)試，具體結(jié)論如下：

1）相變蓄熱材料研制中，在保證材料導(dǎo)熱性和流動(dòng)性基礎(chǔ)上，石墨與石蠟質(zhì)量配比存在最佳比例；

2）具有蓄熱功能的熱泵多聯(lián)式空調(diào)器在除霜過(guò)程中室內(nèi)機(jī)盤(pán)管溫度明顯高于常規(guī)循環(huán)，有效避免了常規(guī)逆循環(huán)除霜帶來(lái)的房間溫度和舒適性下降的問(wèn)題；

3）具有蓄熱功能的熱泵空調(diào)器在輔助熱量供應(yīng)下，低溫制熱能力優(yōu)于常規(guī)系統(tǒng)。