空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)動態(tài)特性實驗研究

曹琳，胡文舉，姜益強，姚楊，倪龍，李炳熙，馬最良

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)動力工程及工程熱物理博士后流動站，黑龍江 哈爾濱150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090;3.廣東吉榮空調(diào)有限公司博士后科研工作站，廣東揭陽522000)

空氣源熱泵在我國的建筑節(jié)能工程中發(fā)揮著越來越重要的作用，其應(yīng)用得到了大范圍的推廣.然而十幾年的運行實踐統(tǒng)計表明，其運行效果并不理想［1-2］，主要原因是空氣源熱泵室外換熱器結(jié)霜問題導(dǎo)致機組運行不穩(wěn)定和可靠性差.因此，周期性除霜是空氣源熱泵在結(jié)霜工況下保障機組正常運行的必要環(huán)節(jié).目前，空氣源熱泵除霜方法主要有逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜2種，國內(nèi)外進行了很多的研究.文獻［3-5］對除霜過程中的空氣源熱泵系統(tǒng)特性進行了研究，分析了結(jié)霜除霜對熱泵系統(tǒng)性能的影響.文獻［6-9］通過實驗研究了不同節(jié)流機構(gòu)對除霜效率，尤其對除霜速度的影響.黃東等針對提前開啟風(fēng)機對除霜的影響進行了研究，認為提前開啟風(fēng)機可有效地避免除霜時因排氣壓力過高而導(dǎo)致系統(tǒng)停機［10］.此外，還有學(xué)者在實驗的基礎(chǔ)上對室外換熱器的熱氣除霜物理過程進行分析，建立了基于實驗的空氣源熱泵室外換熱器的除霜數(shù)學(xué)物理模型［11-13］.然而，空氣源熱泵除霜問題還沒有徹底解決，主要原因是逆循環(huán)或者熱氣旁通除霜時，為了避免除霜時向室內(nèi)機吹冷風(fēng)而必須關(guān)閉室內(nèi)機風(fēng)機，導(dǎo)致系統(tǒng)除霜能量主要依靠壓縮機作功，使得除霜時壓縮機吸氣壓力低(甚至低壓保護)，吸氣比容變大，系統(tǒng)中制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量隨之變小，除霜時間長，在重度結(jié)霜情況下，除霜不完全、不徹底等問題.這種除霜方法存在能源利用效率低和系統(tǒng)穩(wěn)定性差的缺點，應(yīng)當(dāng)探索更佳的除霜方式.針對上述問題，文獻［14］提出了基于相變蓄能的熱氣除霜新系統(tǒng)，并對新系統(tǒng)的可行性進行了初步研究.為研究該空氣源熱泵相變蓄能除霜新系統(tǒng)在除霜工況下的系統(tǒng)動態(tài)特性和性能，總結(jié)其除霜規(guī)律，并將其與傳統(tǒng)除霜進行比較，本文開展了空氣源熱泵相變蓄能除霜和傳統(tǒng)系統(tǒng)除霜動態(tài)特性實驗研究.

1 實驗裝置及實驗條件

空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)在傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加了一個相變蓄熱器和若干個電磁閥，其系統(tǒng)原理如圖1所示.當(dāng)系統(tǒng)處于高效運行狀態(tài)時，通過調(diào)節(jié)閥門可實現(xiàn)蓄熱器蓄熱.當(dāng)系統(tǒng)需要除霜時，關(guān)閉閥門2、3、5，保持閥門1與4打開，相變蓄熱器做除霜低位熱源.相變蓄能除霜系統(tǒng)實驗系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成:相變蓄能除霜系統(tǒng)測試樣機、室外環(huán)境模擬小室及溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).

圖1 空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測點布置Fig.1 Schematic and measured points for PCM based ASHP defrosting system

1.1 相變蓄能除霜系統(tǒng)測試樣機

圖2 室外換熱器結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic of outdoor coil structure

該系統(tǒng)由一臺KFR-23GW/T型分體熱泵型空調(diào)器改造而成.該空調(diào)器額定制熱量為2 500 W，制冷量為2 300 W，額定功率860 W，采用R22作為制冷劑，毛細管作為節(jié)流部件(長度為450 mm，管徑為Ф3.0×0.7 mm).室外側(cè)換熱器為 L 型換熱器，室內(nèi)換熱器由3個三折蒸發(fā)器組成，其結(jié)構(gòu)分別如圖2和3所示.表1給出了室內(nèi)機和室外機結(jié)構(gòu)參數(shù).

圖3 室內(nèi)換熱器結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic of indoor coil structure

表1 室內(nèi)外換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Configuration of outdoor and indoor coil

合理設(shè)計相變蓄熱器對蓄能除霜性能具有非常重要影響.為了使蓄熱器性能最優(yōu)，主要從下文兩方面考慮.

1.1.1 相變材料的選擇

相變材料的相變溫度必須介于熱泵供熱或除霜時的冷凝溫度Tc與蒸發(fā)溫度Te之間，這樣才能滿足系統(tǒng)蓄熱和釋熱的要求.

較大的相變潛熱.選擇潛熱值大的相變材料可以有效地減少蓄熱換熱器的體積.

較高的導(dǎo)熱系數(shù).除霜過程較短，熱量必須在短時間內(nèi)取出，因此相變材料應(yīng)具有較高的導(dǎo)熱系數(shù).另外相變材料應(yīng)無毒，無腐蝕性等.

經(jīng)過比對篩選，決定采用含有質(zhì)量分數(shù)2%的SrCl2·6H2O和 Ba(OH)2·6H2O作為添加劑的CaCl2·6H2O作為蓄熱材料(相變溫度為27.5℃，與添加劑質(zhì)量分數(shù)和純度有關(guān)，相變潛熱為176 kJ/kg，固液相密度分別為1 800 kg/m3和1 560 kg/m3).

1.1.2 蓄熱器結(jié)構(gòu)及尺寸的確定

為達到迅速吸放熱的目的，必須增大相變材料與制冷劑二者之間的換熱面積.為此，本實驗設(shè)計出了雙螺旋盤管的套筒形蓄熱器.蓄熱器由內(nèi)外2個套筒組成，將2個不同直徑的螺旋盤管置于2個套筒之間，由此相變材料充注于雙螺旋盤管和內(nèi)外套筒四者之間構(gòu)成的3個夾層空間.蓄熱時，高溫高壓的制冷劑沿兩根豎管自相變蓄熱器的底部進入相變蓄熱器，由下而上逐層加熱管外相變材料.除霜時，低溫低壓的制冷劑從盤管上部開始沿螺旋往下流動，吸收相變材料的相變熱量而蒸發(fā).

圖4 蓄熱器俯視圖Fig.4 The planform of PCM-HE

圖5 蓄熱器剖面圖Fig.5 The cross-section drawing of PCM based heat exchanger

圖4和圖5給出了蓄熱器結(jié)構(gòu)示意圖(其中實 線箭頭表示蓄熱工況制冷劑的流向，虛線箭頭表示除霜工況制冷劑的流向)，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2.所設(shè)計的相變蓄熱器的總?cè)萘繛? 869 mL，但后期實驗發(fā)現(xiàn)采用約其一半體積的相變材料即可基本滿足本文實驗工況的除霜需要，因此本文除霜實驗中采用的液相CaCl2·6H2O的體積為1 000 mL.

表2 相變蓄熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of PCM based heat exchanger

1.2 人工模擬環(huán)境室

室外環(huán)境模擬小室內(nèi)部長×寬×高為3.2 m×3.0 m×2.4 m，圍護結(jié)構(gòu)為160 mm厚高密度苯板，外壁為3 mm厚纖維板，內(nèi)壁為1.5 mm厚鋁板，鋁板表面刷油漆，小室保溫、隔濕性能良好.小室空氣處理系統(tǒng)主要有空氣冷卻系統(tǒng)、空氣加熱系統(tǒng)、空氣加濕系統(tǒng)3部分組成.當(dāng)小室內(nèi)溫度高于模擬值時，模擬小室降溫通過以下2種方式實現(xiàn):1)利用制冷量為4 500 W的移動冷水機組向模擬小室供冷;2)利用哈爾濱地區(qū)冬季室外低溫自然冷.自然冷通過置于室外的一風(fēng)機盤管和置于小室內(nèi)的風(fēng)機盤管經(jīng)乙二醇溶液管路輸入小室.當(dāng)小室內(nèi)溫度低于模擬值時，可通過加熱功率為4 000 W(粗調(diào))和800 W(微調(diào))的可調(diào)功率的紅外線電加熱器實現(xiàn).加濕系統(tǒng)主要由2臺加濕量為300 g/h的超聲波加濕器組成，可通過對電壓的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)加濕速率的調(diào)節(jié).在本文實驗中，室外機空氣溫度控制在1±0.25℃，相對濕度為80%±2%，室內(nèi)機的入口平均空氣溫度控制在19.5 ±0.5℃.

1.3 實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了研究空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)的動態(tài)特性，本實驗測點布置如圖1所示(T、P、H分別代表溫度、壓力和相對濕度測點).對于室外部分(包括壓縮機、四通換向閥、室外換熱器、毛細管)分別在壓縮機的吸排口、毛細管和室外換熱器之間布置壓力傳感器和溫度傳感器.此外，還在室外換熱器的吸排風(fēng)處布置了溫度傳感器、濕度傳感器和風(fēng)速傳感器，用以測量室外換熱器進出口空氣狀態(tài)和風(fēng)量.在室外換熱器的管壁上布置4個溫度測點用以觀察在除霜過程中室外機管壁溫度的變化，4個測點分別布置在第1、7、13和20根盤管上，代表被測室外換熱器4個典型的測試區(qū)域.對于室內(nèi)部份，為了測量進入室內(nèi)換熱器和相變蓄熱器的進出口制冷劑的狀態(tài)，分別布置了溫度傳感器和壓力傳感器.此外，為了能夠反映和比較不同除霜方式對室內(nèi)環(huán)境溫度的影響，還在室內(nèi)機的第2和23根翅片管表面布置了2個溫度測點.相變材料溫度的變化是反映蓄熱和取熱動態(tài)過程的重要標志性參數(shù)，因此在相變蓄熱器的內(nèi)部布置了2個溫度測點，分別記為A、B測點，分別布置在相變蓄熱器內(nèi)相變材料距離底部1.5 cm和距離相變材料頂部1.5 cm處.

本實驗選用四線制鉑電阻測量溫度，其測溫精度為±0.1℃.壓力傳感器由中國電子科技集團公司制造，精度為0.25級.溫濕度傳感器為瑞士羅卓尼克生產(chǎn)的Hygroclip溫濕度傳感器.其濕度的測量精度為±1.5%，溫度的測量精度為±0.3℃.

本實驗測量的參數(shù)分為溫度檢測、濕度檢測、壓力檢測、風(fēng)速檢測等，采用了安捷倫34980A多功能數(shù)據(jù)采集儀，完成對實驗數(shù)據(jù)的自動檢測，并實時地存入電腦.

2 實驗結(jié)果分析

本實驗研究中，并沒有采用原空調(diào)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，而采用了人工控制的方法.除霜終止的判斷是基于多次實驗的經(jīng)驗做出的.即無論針對蓄能除霜還是逆循環(huán)除霜，都經(jīng)過多次的實驗，然后選取一個合適的除霜終止判斷依據(jù).對于傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜，多次反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)除霜約8 min時才能保證室外機表面水有少量的水蒸氣逸出(即室外機表面水基本被蒸干)，因此傳統(tǒng)除霜實驗時采用了時間終止除霜法.而對于蓄能除霜，經(jīng)反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)室外機表面的溫度升高至50℃時才能保證室外機表面水有少量的水蒸氣逸出，因此對于蓄能除霜，本實驗中采用室外機表面溫度升高至50℃來作為除霜終止的判斷依據(jù).

2.1 壓縮機排氣壓力

圖6為2種除霜模式下壓縮機排氣壓力隨時間的變化.由圖可知，傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜至少需要8 min，而采用相變蓄能除霜后，除霜時間僅需約4 min.從排氣壓力隨時間變化可知，在除霜初始30 s內(nèi)，2種除霜模式的壓縮機排氣壓力迅速下降至0.8 MPa，之后逐漸回升，但回升速度相差較大.傳統(tǒng)除霜模式時，壓縮機的排氣壓力回升較慢，約3 min以后維持在1.4 MPa.和傳統(tǒng)除霜模式相比，蓄能除霜的壓縮機排氣壓力升高較快，不到3 min壓縮機排氣壓力升高至2.2 MPa，之后升高速度變慢.由圖還可看出，2種工況的壓縮機排氣壓力迅速變化主要集中在前3 min，說明前3 min系統(tǒng)處于非常不穩(wěn)定運行的階段，而3 min后，系統(tǒng)逐步穩(wěn)定.

圖6 2種除霜模式下壓縮機排氣壓力隨時間的變化Fig.6 Discharge pressure of compressor vs.time in two defrosting modes

2.2 壓縮機吸氣壓力

圖7為2種除霜模式下壓縮機吸氣壓力隨時間的變化.由圖可知，在除霜初始30 s內(nèi)，吸氣壓力迅速上升至約為0.8 MPa，而后吸氣壓力迅速下降至最低點，然后又經(jīng)歷了吸氣壓力回升和再降低的過程.由圖可知，在傳統(tǒng)除霜模式中，當(dāng)壓縮機的吸氣壓力經(jīng)歷一次回升至最大值后，吸氣壓力逐漸下降，然后維持在0.2 MPa，很容易引起壓縮機的吸氣低壓保護性停機.當(dāng)采用了相變蓄能除霜后，壓縮機的吸氣壓力提高至0.5 MPa，較傳統(tǒng)除霜升高了約0.3 MPa.因此可知，相變蓄熱器可以有效地提高壓縮機的吸氣壓力，避免保護性停機.

圖7 2種除霜模式下壓縮機吸氣壓力隨時間的變化Fig.7 Suction pressure of compressor vs.time in two defrosting modes

2.3 壓縮機排氣溫度

圖8為2種除霜模式下壓縮機排氣溫度隨時間的變化.由圖可知，在除霜初始30 s內(nèi)，由于室內(nèi)機內(nèi)的制冷劑迅速涌入壓縮機并和壓縮機以及室外機內(nèi)的低溫制冷劑混合，導(dǎo)致壓縮機的排氣溫度迅速由72℃下降至50℃，甚至40℃.隨后，壓縮機的排氣溫度迅速升高.傳統(tǒng)除霜模式時壓縮機的排氣溫度在2.5 min時，升高至70℃，然后又逐漸降低.與之相比，相變蓄能除霜的壓縮機排氣壓力一直處于升高狀態(tài)，截至除霜結(jié)束時，相變蓄能除霜的壓縮機排氣溫度升高至82℃.

圖8 2種除霜模式下壓縮機排氣溫度隨時間的變化Fig.8 Discharge temperature of compressor vs.time in two defrosting modes

2.4 壓縮機吸氣溫度

圖9為2種除霜模式下壓縮機吸氣溫度隨時間的變化.由圖9可知，在系統(tǒng)由制熱工況轉(zhuǎn)入除霜工況的初始30 s內(nèi)，由于室內(nèi)機內(nèi)的制冷劑迅速涌入壓縮機，導(dǎo)致壓縮機的吸氣溫度迅速升高，其中傳統(tǒng)除霜模式的吸氣溫度升高至30℃，然后又迅速降低至-22℃.而采用相變蓄能除霜系統(tǒng)，系統(tǒng)在轉(zhuǎn)入除霜的2 min內(nèi)，壓縮機的吸氣溫度都維持在了40℃以上，隨后吸氣溫度會逐漸降低，但一直保持在5℃以上，充分體現(xiàn)了相變蓄熱器的低位熱源的作用.但是，有必要指出的是，過高的吸氣溫度會增大吸入壓縮機的制冷劑比容，導(dǎo)致系統(tǒng)的制冷劑質(zhì)量流量減小，進而可能會對除霜速度產(chǎn)生負面影響.因此，如何有效地控制相變蓄熱器內(nèi)的相變材料溫度及其釋熱速度非常重要.

圖9 2種除霜模式下壓縮機吸氣溫度隨時間的變化Fig.9 Suction temperature of compressor vs.time in two defrosting modes

2.5 室外機壁溫

圖10為2種除霜模式下室外機平均壁溫隨時間的變化.由圖10可知，在除霜開始的1.5 min內(nèi)，2種除霜模式的室外機溫度變化基本一致.這是因為在該階段，室外機被加熱至0℃或者處于外表面發(fā)生融霜現(xiàn)象，雖然各運行模式開始時都具有一個低位熱源(傳統(tǒng)除霜時室內(nèi)機儲存的顯熱可看做一低位熱源)，但各低位熱源在此階段對融霜的影響差別較小，系統(tǒng)內(nèi)部高低壓側(cè)制冷劑的遷移起主要作用.之后，室外機溫度開始迅速升高，但是升高的速度大不相同.由圖可知，傳統(tǒng)除霜由于除霜過程沒有低位熱源導(dǎo)致室外機溫度變化較慢，最后穩(wěn)定40℃.而對于蓄能除霜模式，由于有了除霜用低位熱源，室外機壁溫升高非常迅速，升高至50℃僅用了約4 min.

圖10 2種除霜模式下室外機平均壁溫隨時間變化Fig.10 Mean temperature on the surface of outdoor coil vs.time in two defrosting modes

2.6 壓縮機功率

圖11為2種除霜模式下壓縮機功率隨時間的變化.由圖可知，壓縮機的功率和壓縮機的排氣壓力的變化趨勢非常類似.在除霜初始30 s內(nèi)，壓縮機功率迅速降低至最低點，約為500 W，然后又逐漸升高.在除霜結(jié)束時，相變蓄能除霜的壓縮機功率約為900 W，而傳統(tǒng)除霜壓縮機功率升高較慢，且最終維持在630 W.主要原因是壓縮機的吸氣比容較小，導(dǎo)致系統(tǒng)制冷劑質(zhì)量流量較小.這也是傳統(tǒng)除霜慢而相變蓄熱除霜可以加快除霜的主要原因之一.

圖11 2種除霜模式下壓縮機功率隨時間的變化Fig.11 Power input of compressor vs.time in two defrosting modes

2.7 除霜過程室內(nèi)機溫度

圖12為2種除霜模式下室內(nèi)機平均壁溫隨時間的變化.當(dāng)系統(tǒng)由制熱模式轉(zhuǎn)向除霜模式后，室內(nèi)機溫度迅速下降.在傳統(tǒng)除霜模式中，室內(nèi)機壁溫降低至-15℃，而采用蓄能除霜時僅降低至17℃，略低于室內(nèi)溫度.這是因為傳統(tǒng)除霜時，低溫低壓制冷劑流經(jīng)室內(nèi)機，導(dǎo)致室內(nèi)機壁溫大幅度降低.采用蓄能除霜時，制冷劑從室內(nèi)吸取的熱量甚微.

圖12 2種除霜模式下室內(nèi)機平均壁溫隨時間的變化Fig.12 Mean temperature on the surface of indoor coil vs.time in two defrosting modes

2.8 恢復(fù)供熱時室內(nèi)機出風(fēng)溫度

圖14為除霜后熱泵機組再次啟動時，室內(nèi)機出風(fēng)溫度隨時間的變化.由圖可知，當(dāng)系統(tǒng)由制熱模式轉(zhuǎn)向除霜模式后，室內(nèi)機出風(fēng)溫度迅速下降.在傳統(tǒng)除霜模式中，室內(nèi)機出風(fēng)溫度降低至12℃，低于室內(nèi)溫度.采用蓄能除霜運行模式時，當(dāng)系統(tǒng)從除霜轉(zhuǎn)換至供熱工況時，除霜幾乎沒有影響到向室內(nèi)供熱，出風(fēng)溫度升高速度比傳統(tǒng)除霜升高速度快很多，因此不會給人以吹冷風(fēng)的感覺，更有利于供熱房間的舒適性.

圖14 釋熱過程相變材料溫度隨時間變化Fig.14 Temperature of PCM vs.time

2.9 蓄熱材料溫度

圖14為相變蓄能除霜4 min內(nèi)，蓄熱器內(nèi)相變材料測點A和B的溫度隨時間的變化.由圖可知，除霜開始后，距離螺旋盤管較遠的A、B點的溫度變化緩慢，但隨著釋熱的繼續(xù)，兩點的溫度迅速下降.當(dāng)釋熱至第160 s時，相變材料溫度變化逐漸變緩，表明A、B點開始了潛熱釋熱階段.在相變的過程中，沒有出現(xiàn)理論的等溫過程.主要原因有2個方面:1)除霜時，盤管內(nèi)的制冷劑蒸發(fā)溫度與相變溫度的溫差較大(約25℃)，導(dǎo)致取熱速度較快，釋熱過程持續(xù)較短;2)相變材料本身具有一定的過冷度，雖然本文添加了相應(yīng)的消除過冷度的添加劑，但仍未完全消除其過冷度.至第220 s時，相變潛熱釋放完畢，相變材料的溫度再次開始迅速下降.在除霜過程結(jié)束時，A點溫度約為22℃，B點溫度約為25℃.從除霜啟動至第180 s是相變材料發(fā)生相變釋放潛熱的主要過程，也是室外換熱器融霜的關(guān)鍵時段.從實驗結(jié)果可以看出，相變材料相變釋熱過程盤管內(nèi)制冷劑與管外相變材料熱交換充分，除霜結(jié)束時液相相變材料基本全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?

3 結(jié)論

本文介紹了空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)原理，搭建了空氣源熱泵相變除霜系統(tǒng)實驗臺.通過對空氣源熱泵相變除霜系統(tǒng)實驗研究并和傳統(tǒng)除霜進行對比可以得到以下結(jié)論:

1)所研制的螺旋盤管相變蓄熱器具有很高的釋熱速度，可以滿足除霜的需要;

2)相變蓄能除霜的壓縮機吸氣壓力比傳統(tǒng)除霜提高了約0.3 MPa，可有效避免壓縮機的低壓保護性停機，壓縮機的排氣壓力、吸排氣溫度、功率及室外機平均壁溫回升速度均明顯加快;

3)蓄能除霜可以有效地提高除霜速度(比傳統(tǒng)除霜快了近4 min)，且系統(tǒng)由除霜轉(zhuǎn)為供熱時，室內(nèi)機吹出空氣溫度較高，更加有利于供熱房間舒適度.

本文研究為以后相變蓄能除霜系統(tǒng)的系統(tǒng)控制及其實際應(yīng)用和推廣奠定了基礎(chǔ).

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