空氣源熱泵相變蓄能除霜特性實(shí)驗(yàn)研究*

董建鍇,姜益強(qiáng),姚 楊,胡文舉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,黑龍江哈爾濱 150090)

空氣源熱泵相變蓄能除霜特性實(shí)驗(yàn)研究*

董建鍇,姜益強(qiáng)?,姚 楊,胡文舉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,黑龍江哈爾濱 150090)

為了解決空氣源熱泵除霜過程中能量來源不足而導(dǎo)致的各種除霜問題,提出了空氣源熱泵相變蓄能逆循環(huán)除霜方法.對(duì)一臺(tái)額定功率為850W的家用空氣源熱泵進(jìn)行改造,并在人工模擬室內(nèi)外環(huán)境的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:蓄能除霜可以有效地提高除霜期間壓縮機(jī)的吸排氣壓力,縮短除霜時(shí)間,減少除霜能耗.相對(duì)于常規(guī)除霜,在實(shí)驗(yàn)條件下,蓄能除霜可以分別提高壓縮機(jī)吸排氣壓力0.15和0.25MPa,縮短除霜時(shí)間60%.

空氣源熱泵;蓄能;相變材料;逆循環(huán)除霜

空氣源熱泵是一種節(jié)能的供熱設(shè)備,在商業(yè)建筑中有著廣泛的應(yīng)用,但在相對(duì)濕度較高的環(huán)境運(yùn)行時(shí),空氣源熱泵的室外機(jī)翅片將出現(xiàn)結(jié)霜問題[1-2].隨著霜層的增加,室外機(jī)翅片管換熱熱阻逐漸增大,換熱性能系數(shù)和空氣流量逐步減小.當(dāng)熱泵的性能降低到一定程度時(shí),需要將室外機(jī)翅片上的霜層除去.

通過有效的除霜方式可以將空氣源熱泵性能恢復(fù)到結(jié)霜前狀態(tài),但在除霜過程需要消耗一定的能量,同時(shí)帶來室內(nèi)空氣品質(zhì)的惡化.目前應(yīng)用最為廣泛的除霜方式是逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜.O'Neal等[3]對(duì)家用空氣源熱泵逆循環(huán)除霜的特性進(jìn)行了研究,在研究過程中,當(dāng)熱泵供熱能力降低到額定供熱量的80%時(shí)即開始除霜.Payne等[4]通過實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了滾動(dòng)式壓縮機(jī)和往復(fù)式壓縮機(jī)在空氣源熱泵除霜過程中的不同作用.Huang等[5]比較了熱氣旁通除霜和逆循環(huán)除霜在空氣-水源熱泵中的除霜效果,結(jié)果顯示熱氣旁通除霜時(shí)間更長(zhǎng),但具有低噪聲、室內(nèi)溫度波動(dòng)小,沒有吹冷風(fēng)感等優(yōu)點(diǎn).Choa等[6]研究了壓縮機(jī)起停除霜和熱氣旁通除霜在柜式制冷機(jī)中的不同應(yīng)用,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,熱氣旁通除霜可有效地提高制冷能力,降低溫度波動(dòng),但同時(shí)也將消耗更多的除霜能量.Byun等[7]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在210min的熱泵制熱和除霜時(shí)間內(nèi),當(dāng)制冷劑旁通量為20%時(shí),系統(tǒng)的cop和供熱能量可以分別提高8.5%和5.7%.Hewitt等[8]對(duì)具有圓形室外蒸發(fā)器的空氣源熱泵采用熱氣旁通除霜的特性進(jìn)行了研究,提出了最佳的除霜起始時(shí)間、除霜運(yùn)行時(shí)間和除霜間隔.Huang等[9]研究發(fā)現(xiàn)在空氣源熱泵逆循環(huán)除霜過程中,風(fēng)機(jī)提前開機(jī)可以有效地防止由于壓縮機(jī)吸氣保護(hù)而造成的壓縮機(jī)停機(jī).Jhee等[10]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)室外換熱器表面進(jìn)行增水處理將會(huì)有效地提高除霜效率,縮短除霜時(shí)間.Wang等[11]在熱泵室外機(jī)的進(jìn)口處通過固定沸石和活性炭的吸收床吸收空氣中的水分,一方面降低了空氣濕度,另一方面,由于水的冷凝放熱提高了進(jìn)口空氣溫度.Adnan等[12]和 Jain等[13]分別設(shè)計(jì)了空氣源熱泵液體除濕系統(tǒng),在防止結(jié)霜方面取得了良好的效果.此外,在空氣源熱泵除霜?jiǎng)討B(tài)特性[14]和熱泵系統(tǒng)部件在除霜中的作用方面也進(jìn)行了研究[15-16].

盡管許多研究者對(duì)空氣源熱泵的除霜問題進(jìn)行了眾多研究,但是除霜時(shí)缺少低位熱源的本質(zhì)問題沒有解決(為避免向室內(nèi)吹冷風(fēng)而關(guān)閉室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī),導(dǎo)致室內(nèi)換熱器無法提供充足的除霜熱量).由于除霜能量不足,除霜時(shí)壓縮機(jī)吸氣壓力遠(yuǎn)低于供熱時(shí)的平均水平,吸氣比容變大,制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量變小,最終導(dǎo)致除霜時(shí)間拉長(zhǎng),嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致壓縮機(jī)停機(jī).為了解決由于除霜能量不足而導(dǎo)致的各種問題,文獻(xiàn)[17]提出了基于相變蓄能的熱氣除霜新系統(tǒng).與傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)充有相變材料的相變蓄熱器,為除霜過程提供低位熱源.在除霜過程中,相變蓄熱器與系統(tǒng)有3種不同的除霜連接模式.本文將針對(duì)3種不同除霜模式下的除霜時(shí)間、除霜效果以及除霜能耗等與現(xiàn)有的常規(guī)逆循環(huán)除霜方式進(jìn)行對(duì)比研究.

1 實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)原理及運(yùn)行模式

相對(duì)于傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng),本系統(tǒng)增加了一個(gè)相變蓄熱器,系統(tǒng)原理如圖1所示.當(dāng)系統(tǒng)處于正常供熱狀態(tài)且室內(nèi)溫度滿足供熱要求時(shí),通過打開閥門F2,F3和F5,關(guān)閉閥門F1和F4,使相變蓄熱器和室內(nèi)機(jī)串聯(lián)運(yùn)行,制冷劑在相變蓄熱器內(nèi)放熱,實(shí)現(xiàn)相變蓄熱器的蓄能.當(dāng)系統(tǒng)處于除霜狀態(tài)運(yùn)行時(shí),通過閥門的開閉,可以實(shí)現(xiàn)3種不同的除霜模式,分別為串聯(lián)除霜模式、并聯(lián)除霜模式和單獨(dú)除霜模式.

圖1 空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)原理及測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Schematic of ASH P energy storage hot gas defrost system

1)串聯(lián)除霜模式.在除霜過程中,通過打開閥門F5,F3和F2,關(guān)閉閥門F4和F1,使相變蓄熱器和室內(nèi)機(jī)處于串聯(lián)運(yùn)行狀態(tài).低溫液態(tài)制冷劑先后流經(jīng)室內(nèi)機(jī)和相變蓄熱器,取熱后變?yōu)榈蜏貧鈶B(tài)制冷劑回到壓縮機(jī).

2)并聯(lián)除霜模式.在除霜過程中,通過打開閥門F1,F2,F4和F5,關(guān)閉閥門F3,使相變蓄熱器和室內(nèi)機(jī)處于并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài).低溫液態(tài)制冷劑同時(shí)流過相變蓄熱器和室內(nèi)機(jī),取熱后的低溫氣態(tài)制冷劑回到壓縮機(jī).

3)單獨(dú)除霜模式.在除霜過程中,通過打開閥門F2和F4,關(guān)閉閥門F1,F3和F5.此時(shí)低溫液態(tài)制冷劑只流經(jīng)相變蓄熱器,在相變蓄熱器中取熱后變熱氣態(tài),然后回到壓縮機(jī).

1.2 空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有壓縮機(jī)、室內(nèi)機(jī)、毛細(xì)管、室外機(jī)、四通換向閥和相變蓄熱器組成.實(shí)驗(yàn)過程中制冷劑采用R22,壓縮機(jī)額定輸入功率為850W,額定制熱量為2 500W,室內(nèi)風(fēng)機(jī)與室外風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量分別為450和3 600 m3/h.實(shí)驗(yàn)中布置了壓力傳感器(量程為3.0 MPa,精度為±0.075 Pa)、溫度傳感器(±0.1℃)、濕度傳感器(±1.0%)和風(fēng)速傳感器(±0.2 m/s).其布置如圖1所示.

為了獲得制冷劑完全流動(dòng)下的溫度、壓力變化,消除管壁厚度對(duì)溫度測(cè)量結(jié)果的影響,則將壓力傳感器用毛細(xì)管連接在制冷劑管路中,將鉑電阻的鉑片直接插入焊接到制冷劑管路φ5的銅管中,內(nèi)灌入氧化銀粉末作為導(dǎo)熱劑.在系統(tǒng)壓力、溫度等參數(shù)穩(wěn)定后,開啟安捷倫34980A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集.在實(shí)驗(yàn)過程中,通過控制人工小室的供熱量、供冷量以及加濕量,從而保證室外側(cè)換熱器所處環(huán)境溫度為(-1.0±0.1)℃,相對(duì)濕度為80%± 2%,室內(nèi)側(cè)換熱器所處環(huán)境溫度為(20.6±0.5)℃.進(jìn)行多組重復(fù)實(shí)驗(yàn).

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 壓縮機(jī)吸排氣壓力變化

壓縮機(jī)吸排氣壓力是評(píng)價(jià)熱泵除霜效果的重要參數(shù).在本實(shí)驗(yàn)中,控制除霜終止的條件是室外機(jī)翅片表面最低溫度達(dá)到35℃.由圖2可以看出,蓄能除霜的除霜時(shí)間為3.0 min,而常規(guī)除霜時(shí)間卻達(dá)到了7.5 min.對(duì)于常規(guī)除霜來講,吸排氣壓力在0.5 min內(nèi)由起始時(shí)的0.37和1.66 MPa分別降低到了0.28和0.76MPa.這主要是因?yàn)槌_始時(shí)壓縮機(jī)關(guān)機(jī)和四通閥換向改變了制冷劑的流向.隨著除霜的進(jìn)行,排氣壓力在3.0 min時(shí)上升到1.37 MPa,并最終穩(wěn)定在1.44 M Pa.相應(yīng)的吸氣壓力下降到0.20 MPa.常規(guī)除霜過程中,除霜能量主要來自壓縮機(jī)做功和室內(nèi)機(jī)取熱,由于在除霜時(shí)室內(nèi)風(fēng)機(jī)關(guān)機(jī),因此造成除霜能量來源不足,壓縮機(jī)吸排氣壓力低,除霜時(shí)間較長(zhǎng).

圖2 壓縮機(jī)吸排氣壓力變化Fig.2 Variation of discharge and suction pressure for different defrostmodes

對(duì)于串聯(lián)除霜來講,壓縮機(jī)吸排氣壓力分別由0.5min時(shí)的 0.28和0.83 MPa迅速增加到3.0 min的0.44和1.66 M Pa.在單獨(dú)除霜和并聯(lián)除霜過程中也有著相同的變化,吸排氣壓力達(dá)到或超過除霜前水平.這主要是由于蓄能除霜過程中相變蓄熱器提供了很大一部分的除霜能量,解決了常規(guī)除霜過程中能量來源不足的問題,因此蓄能除霜過程中吸排氣壓力較高,除霜時(shí)間較短.

2.2 壓縮機(jī)吸排氣溫度變化

圖3為不同除霜模式下壓縮機(jī)吸排氣溫度的變化.對(duì)于常規(guī)除霜來說,除霜開始時(shí)由于存在于室內(nèi)機(jī)的高溫制冷機(jī)回到壓縮機(jī),從而導(dǎo)致吸氣溫度由0.5 min時(shí)的-7.6℃迅速上升到1.0 min的24.8℃.隨著除霜的進(jìn)行,吸氣溫度逐漸降低,最后穩(wěn)定在-24.6℃左右;由于壓縮機(jī)停機(jī),排氣溫度迅速由開始時(shí)的71.3℃降低到1.0 min的41.8℃,最后穩(wěn)定在69.6℃;造成吸排氣溫度較低的主要原因是除霜過程中缺少能量來源,低溫制冷劑在室內(nèi)機(jī)取熱量不足.

圖3 壓縮機(jī)吸排氣溫度變化Fig.3 Variation of discharge and suc tiontem perature for differentdefrostmodes

對(duì)于串聯(lián)除霜過程,吸氣溫度由初始時(shí)的-8.2℃迅速上升到1.0 m in時(shí)的33.6℃,最終穩(wěn)定在36.0℃左右,同時(shí)排氣溫度在2.0 min內(nèi)由45.8℃上升到71.2℃,吸排氣溫度均高于常規(guī)除霜,這主要是由于蓄熱器的存在為除霜提供了充足的低溫能量.對(duì)于3種除霜方式來講,在同一時(shí)刻,串聯(lián)除霜時(shí)吸氣溫度最高,并聯(lián)除霜時(shí)最低.例如,在2.0 min時(shí)刻,串聯(lián)除霜、單獨(dú)除霜和并聯(lián)除霜的吸氣溫度分別為37.9,34.9和32.1℃.相對(duì)于室內(nèi)機(jī)來說,相變蓄熱器蓄存了大量的熱量(蓄熱完成時(shí)相變材料的溫度在40℃以上),串聯(lián)除霜時(shí)室內(nèi)機(jī)和相變蓄熱器同時(shí)作為低位熱源,因此串聯(lián)除霜吸氣溫度要高于單獨(dú)除霜.當(dāng)并聯(lián)除霜時(shí),系統(tǒng)部分制冷劑在室內(nèi)機(jī)取熱,制冷劑蒸發(fā)效果要低于相變蓄熱器內(nèi)制冷劑蒸發(fā)效果,從而導(dǎo)致并聯(lián)除霜吸氣溫度低于單獨(dú)除霜.

2.3 室外機(jī)進(jìn)出口制冷劑溫度變化

在除霜過程中,壓縮機(jī)排出的高溫氣態(tài)制冷劑被排到室外機(jī)融化霜層,室外機(jī)進(jìn)出口制冷劑溫度的變化可以反應(yīng)除霜效果.圖4和圖5分別為室外機(jī)進(jìn)口和出口制冷劑溫度變化圖.室外機(jī)進(jìn)口制冷劑溫度變化與壓縮機(jī)排氣溫度變化相似,在除霜開始后的1.0 min內(nèi),由于較低的排氣溫度和管路內(nèi)存在的低溫制冷劑,室外機(jī)進(jìn)口溫度上升較慢.1.0 min之后,室外機(jī)進(jìn)口溫度迅速上升,到3.0 m in時(shí),串聯(lián)除霜的溫度上升到64.3℃,而常規(guī)除霜溫度為51.8℃.之后,常規(guī)除霜的進(jìn)口溫度均逐漸降低,在除霜過程中蓄能除霜的制冷劑進(jìn)口溫度一直高于常規(guī)除霜.

圖4 室外機(jī)進(jìn)口制冷劑溫度變化Fig.4 Refrigerant temperature change of outdoor coil inlet for different defrostmodes

圖5 室外機(jī)出口制冷劑溫度變化Fig.5 Refrigerant temperature change of outdoor coil outlet for different defrostmodes

對(duì)室外機(jī)出口溫度來講,在除霜開始后的2.0 min內(nèi),由于制冷劑進(jìn)口溫度較低和制冷劑熱量用來融化霜層,因此制冷劑出口溫度均在2.0℃以下.隨著進(jìn)口制冷劑溫度的升高和霜層的不斷融化,出口制冷劑溫度迅速上升,在1.0m in內(nèi),串聯(lián)除霜的室外機(jī)出口制冷劑溫度由7.8℃上升到29.3℃.蓄能除霜的室外機(jī)出口制冷劑溫度上升速度將快于常規(guī)除霜,并且除霜時(shí)間明顯縮短.

2.4 壓縮機(jī)輸入功率變化

圖6為不同除霜模式下壓縮機(jī)輸入功率的變化.除霜開始后的0.5m in內(nèi),由于壓縮機(jī)的重新啟機(jī),輸入功率有一個(gè)迅速下降,然后又迅速上升的過程.在2.5 min時(shí),常規(guī)除霜的輸入功率達(dá)到608.1 W,最終穩(wěn)定在608.5W左右,這明顯低于正常供熱時(shí)的輸入功率.并聯(lián)除霜、串聯(lián)除霜和單獨(dú)除霜的輸入功率分別為744.8,746.8和832.4W,均達(dá)到或超過正常供熱時(shí)的輸入功率.造成這個(gè)問題的主要原因是蓄能除霜過程中相變蓄熱器為除霜提供了充足的低位熱源,因此有足夠的制冷劑回流到壓縮機(jī),壓縮機(jī)的吸排氣壓力溫度均維持在較高的水平,所以需要較高的輸入功率.但是相對(duì)于常規(guī)除霜,蓄能除霜時(shí)間明顯縮短,盡管輸入功率增加,但還是減小了除霜能耗.

圖6 壓縮機(jī)輸入功率變化Fig.6 Compressor input power for different defrostmodes

3 結(jié) 論

本文提出了基于相變蓄能的空氣源熱泵除霜新方法,闡述了3種不同相變蓄能除霜模式.為了研究3種除霜模式對(duì)系統(tǒng)除霜的影響搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行了蓄能除霜與常規(guī)除霜的對(duì)比實(shí)驗(yàn),分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到如下結(jié)論:

1)在除霜過程中,蓄能除霜的壓縮機(jī)吸排氣壓力比常規(guī)除霜要高0.15和0.25 MPa以上,并且吸排氣溫度也將高于常規(guī)除霜.在3種蓄能除霜模式中,串聯(lián)除霜的吸排氣壓力最高.

2)蓄能除霜過程中,室外機(jī)進(jìn)出口制冷劑溫度要高于常規(guī)除霜,溫度上升速率較快.在實(shí)驗(yàn)所模擬的室內(nèi)外環(huán)境和控制除霜終止的條件下,蓄能除霜需要3.0min,而常規(guī)除霜需要7.5min,蓄能除霜時(shí)間比常規(guī)除霜縮短60%.

3)蓄能除霜過程中壓縮機(jī)的輸入功率比常規(guī)除霜要高55.2W以上,但是除霜時(shí)間要縮短一半以上,因此,蓄能除霜過程更加節(jié)能.

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Experimental Study of the Characteristic of Defrosting for Air Source Heat Pump w ith Phase Change Energy Storage

DONG Jian-kai,JIANG Yi-qiang?,YAO Yang,HUWen-ju

(Institute of Heat Pump and Air Conditioning Technology,Harbin Institute of Technology, Harbin,Heilongjiang 150090,China)

This study is concerned with a new reverse-cycle hot gasmethod using phase change thermal energy storage(TES)to eliminate frost in an air-source heatpump(ASHP),which can effectively solve the shortageof defrosting energy.The feasibility of defrostingwas investigated through experimentsand themodes＇performanceswere compared with a norminal 850W capacity ASHP system conventional reverse-cycle hot gas defrosting method.The results have indicated that thermal energy storage based reverse-cycle hot gasmethod can improve the discharge and suction pressureand shortendefrosting time in defrosting.In defrosting operation,the TES defrostingmethod can improve discharge and suction pressureby 0.25MPaand 0.15MPa respectively,and shorten defrosting time by 60%in the tested environment,relative to the conventional reverse-cycle hot gas defrosting method.

air source heat pumps;thermal energy storage;phase changematerials;reverse-cycle hot gas

TU831.6

A

1674-2974(2011)01-0018-05 *

2010-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50606007)

董建鍇(1982-),男,山東鄒平人,哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士研究生

?通訊聯(lián)系人,E-mail:jyq7245@163.com