一種新型無霜空氣源熱泵熱水器實驗研究

王志華 王灃浩 鄭煜鑫 李晶超 郇 超 王志洋

(1 西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049; 2 西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院 西安 710049)

一種新型無霜空氣源熱泵熱水器實驗研究

王志華1王灃浩2鄭煜鑫1李晶超2郇 超1王志洋2

(1 西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049; 2 西安交通大學人居環(huán)境與建筑工程學院 西安 710049)

針對空氣源熱泵在低溫環(huán)境下容易結霜問題，本文提出一種新型無霜空氣源熱泵熱水器，其利用固體干燥劑較強的除濕特性，使室外空氣含濕量低于結霜條件來實現(xiàn)無霜運行；其次，利用相變蓄熱裝置對冷凝余熱進行回收，使之作為再生模式下的低溫熱源，對干燥劑進行再生，以保證系統(tǒng)的持續(xù)運行。本文通過實驗驗證了新型系統(tǒng)的可行性，并與傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)相比，在環(huán)境工況為0 ℃/80%下，其COP比熱氣旁通除霜系統(tǒng)和電除霜系統(tǒng)分別高7.25%和46.3%。

無霜空氣源熱泵；熱水器；除濕；相變蓄熱

空氣源熱泵系統(tǒng)在低溫工況下運行時，蒸發(fā)器表面霜的形成導致?lián)Q熱器傳熱效果惡化，使得機組制熱能力下降，嚴重時機組會停止運行。因此，提高蒸發(fā)側的除霜和延緩結霜技術是提高空氣源熱泵在低溫環(huán)境下制熱性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效途徑之一。

目前常用的除霜方式主要有電加熱除霜，逆循環(huán)除霜，熱氣旁通和蓄能除霜幾種方式。電加熱除霜具有系統(tǒng)簡單、除霜完全、實現(xiàn)控制簡單的優(yōu)點，但缺點是耗電多，不宜在大型裝置上采用[1]。逆循環(huán)除霜簡單易行，除霜效果良好[2]。然而，在除霜時高低壓對接過程會對系統(tǒng)各部件產生比較嚴重的沖擊，系統(tǒng)可靠性受到影響[3]。熱氣旁通法與一般系統(tǒng)相比，其系統(tǒng)的平均COP和制熱量分別增加8.5%和5.7%[4]，但是由于蒸發(fā)器入口溫度的提高，導致了系統(tǒng)制熱量的下降。熱氣旁通除霜的能量主要來自壓縮機的輸入功，而且制冷劑流過分液器和分液毛細管的能量損失較大，除霜時間比逆循環(huán)除霜長。胡文舉等[5-6]將相變蓄能裝置引入到熱泵系統(tǒng)中,提出空氣源熱泵蓄能熱氣除霜新系統(tǒng),該系統(tǒng)把熱泵平時高效運行時的余熱轉存到蓄熱器內,使之作為熱泵除霜工況下的低位熱源,有效的解決了逆循環(huán)除霜時能量來源不足的問題。

此外，有學者[7-9]利用固體除濕換熱器首先對被處理的空氣進行除濕，從而抑制或延緩結霜，然而隨著干燥劑吸收水蒸汽能力的減弱，抑制結霜的作用也逐漸失效。為解決此問題，本文提出一種新型無霜空氣源熱泵熱水器。該新型系統(tǒng)首先利用干燥劑對室外空氣進行除濕，降低其含濕量，實現(xiàn)無霜熱泵運行；其次，利用蓄熱裝置對冷凝余熱進行回收，使之作為再生模式下的低溫熱源，對干燥劑進行再生且保持系統(tǒng)持續(xù)供熱。

1 系統(tǒng)原理及性能分析

1.1 系統(tǒng)原理介紹

圖1 為新型無霜空氣源熱泵熱水器原理圖，該系統(tǒng)主要包括兩種模式，即制熱模式和再生模式。其具體流程為：

制熱模式：電磁閥(15，18)和電子膨脹閥(17)關閉，其余電磁閥打開。制冷劑經壓縮機(1)壓縮成高溫高壓的氣體，經過高壓控制器(2)，四通閥(3)后，在纏繞有冷凝盤管的蓄熱水箱(4)冷卻成高壓的汽液兩相流，再經電磁閥(5)在蓄熱裝置(6)內進一步冷卻，蓄熱材料吸收制冷劑釋放的熱量，制冷劑被冷卻為過冷液體，流經干燥過濾器(7)，經電子膨脹閥(8)一次節(jié)流后，部分制冷劑在除濕換熱器(9)內蒸發(fā)吸熱，之后制冷劑經干燥過濾器(10)、電子膨脹閥(11)二次節(jié)流成低壓汽液兩相流，在室外換熱器(12)內完全蒸發(fā)吸熱，成為過熱氣體，避免對壓縮機造成濕壓縮，最后制冷劑經電磁閥(13)、四通閥(3)、低壓控制器(14)回到壓縮機(1)；室外空氣(OA)首先經過除濕換熱器(9)，固體干燥劑吸收空氣中水分，經過除濕后的干空氣(DA)然后經過室外換熱器(12)，最后，空氣(EA)排出蒸發(fā)器。由于除濕后的空氣露點溫度低于室外換熱器(12)內制冷劑的蒸發(fā)溫度，因此，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)無霜運行。

再生模式：電磁閥(5，13)關閉，其余電磁閥打開。制冷劑經壓縮機(1)壓縮成高溫高壓的氣體，流經高壓控制器(2)，四通閥(3)，在纏繞有冷凝盤管的蓄熱水箱(4)冷卻成高壓的汽液兩相流，經電磁閥(15)(此時電子膨脹閥(8，11)全開)，高壓制冷劑進一步在除濕換熱器(9)和室外換熱器(12)內冷卻放熱，利用余熱對固體干燥劑再生，之后高壓制冷劑流經干燥過濾器(16)，經電子膨脹閥(17)節(jié)流降壓后在蓄熱裝置(6)內蒸發(fā)吸熱，成為過熱氣體，最后制冷劑經電磁閥(18)、四通閥(3)、低壓控制器(16)回到壓縮機(1)，完成一個再生循環(huán)。為了充分利用冷凝余熱，同時避免干燥劑脫附后的水蒸氣附著在室外換熱器(12)上，造成下次循環(huán)結霜的隱患，在再生模式下，室外空氣(OA’)首先經過室外換熱器(12)，再通過除濕換熱器(9)，連同干燥劑脫附的水蒸氣一起排出。

該系統(tǒng)的主要特征是：1)該利用翅片表面涂有固體干燥劑的除濕換熱器(9)對被處理室外空氣首先進行干燥除濕，由于除濕后的空氣溫度和相對濕度的降低，使得室外空氣的狀態(tài)達不到結霜的條件，從而實現(xiàn)新型空氣源熱泵無霜運行。2)隨著固體干燥劑的水分含量逐漸增大，除濕換熱器(9)除濕能力減弱，當水分達到一定含量時，系統(tǒng)轉換為再生模式，在此過程中，該系統(tǒng)把熱泵平時高效運行時的余熱轉存到蓄熱裝置(6)內，使之作為熱泵再生模式下的低位熱源，對干燥劑進行加熱，被加熱后的干燥劑表面水蒸氣分壓力大于室外空氣水蒸氣分壓力，進行脫附再生。該系統(tǒng)充分合理利用運行過程中產生的余熱，提高了空氣源熱泵在低溫環(huán)境的適應性。

1.2 性能分析

系統(tǒng)COP為：

(1)

式中：Qcon為一個周期內冷凝器釋放的熱量, kJ；Wcom為一個周期內壓縮機的耗功, kJ。

其中：

(2)

式中：cwater為水的比熱, J/ (kg·℃)；mwater為水的質量,kg；t為水溫，℃。

一個周期內壓縮機的耗功Wcom為：

(3)

式中：p為壓縮機功率, W；τ為系統(tǒng)工作時間, min。

從方程 (1)～方程(3), 可以得出，COP 可表示為：

(4)

1.3 理論依據

圖2是根據日本學者對不同空氣源熱泵機組的實驗結果擬合得到的曲線?？赡芙Y霜的氣象參數范圍為-12.8 ℃≤tw≤5.8 ℃，φ≥67%。當tw>5.8 ℃時，可以不考慮結霜對熱泵的影響；當tw<5.8 ℃，φ<67%時，由于空氣露點溫度低于室外換熱器表面溫度，不會發(fā)生結霜現(xiàn)象；當tw<-12.8 ℃時，由于空氣含濕量太小，也不會發(fā)生結霜現(xiàn)象。由此可見，若室外氣象參數落在圖中區(qū)域內，就很可能發(fā)生結霜的現(xiàn)象。因此，對于無霜運行就是通過某種方法將空氣露點溫度處理在圖中區(qū)域外。

2 新型無霜空氣源熱泵熱水器實驗裝置

2.1 除濕換熱器的結構

除濕換熱器(如圖3)是在傳統(tǒng)的翅片管換熱器上表面涂覆干燥劑材料而構成。其主要結構為銅管和鋁翅片，其通過一定的工藝條件將干燥劑均勻地涂布在銅管外表面以及翅片表面，空氣流過時與干燥劑進行熱質交換，而制冷劑流體在銅管內流動。上海交通大學[11-12]在這方面做了大量研究。此外，干燥劑的選擇對除濕換熱的影響尤為重要，硅膠具有良好的吸附性能，已經廣泛運用于空調除濕，對于內冷卻固體除濕換熱器而言，該干燥劑在40 ℃[13]開始再生。Tu R等[14]研究發(fā)現(xiàn)該類型除濕裝置的再生溫度在40～50℃。因此，本裝置采用硅膠作為干燥劑。

干燥劑的再生率定義為再生過程中脫附的水量與除濕過程中吸收的水量之比。其表達式為：

(5)

式中：mrm·wv為再生模式下脫附的水量；mhm·wv為制熱模式下吸收的水量。其表達式分別為：

(6)

(7)

Grm與Ghm分別為制熱模式和再生模式下的空氣流通量；dOA，dhm·DA和drm·MA分別為室外空氣含濕量，制熱模式和再生模式下，通過除濕換熱空氣的含濕量；τhm和τrm分別為制熱時間和再生時間。

2.2 蓄熱材料選擇

蓄熱材料的選擇需滿足: 1)相變潛熱大。選擇潛熱值大的相變材料可以有效減少蓄熱換熱器的體積。2)合適的相變溫度。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和蒸發(fā)溫度Te之間，且不能太靠近Tc或Te，介于二者之間偏上為宜[15]。3)較大的導熱系數。導熱系數大便于能量及時蓄存或取出、不同狀態(tài)間轉化時材料體積變化小。4)相變穩(wěn)定。5)固、液相密度大[16]。CaCl2·6H2O相變潛熱較大且熔點溫度較低。但由于其過冷現(xiàn)象導致存儲的熱量不能順利釋放。本裝置采用CaCl2·6H2O作為蓄熱材料，并以2% 的 SrCl2·6H2O作為添加劑，其能夠有效解決過冷問題[17]。

2.3 實驗裝置

無霜空氣源熱泵熱水器的實驗在高精度5 HP焓差實驗室內完成。通過對空氣干、濕球溫度、風量以及被測樣機的輸入功率等參數進行連續(xù)、頻繁的采樣測量，來確定熱泵熱水器的制熱量等(主要測量儀器見表1)。本實驗環(huán)境工況為0 ℃/80%，熱水起始溫度為15 ℃，水量為60 L。壓縮機采用三菱電機(廣州)滾動轉子式壓縮機，型號為RB174GHAC，額定轉速是2860/3400(50/60 Hz),理論排氣量17.4 cm3/r，單汽缸，輸入功率700/850±5%W；蒸發(fā)器采用風冷式平直翅片管換熱器，4個支路，3排管布置，冷凝器的冷凝器盤管環(huán)繞布置在水箱內膽外壁上。

2.4 實驗結果誤差分析

每一項實驗都存在一定程度的誤差。本文采用Ozturk[18]選用的誤差分析方法進行數據分析。假定計算參數R是由N個獨立的直接測試參數Xi計算而得：

R=(X1,X2,X3,…,XN)

(8)

那么，參數R的總誤差δR可以通過參數Xi的誤差δXi結合相關項的平方根法求出：

(9)

通過公式(9)求得系統(tǒng)平均COP的誤差為4.3%。

3 結果及討論

3.1 除濕換熱器出口空氣溫度和相對濕度隨時間的變化

從圖2可知，空氣的溫、濕度是決定蒸發(fā)器表面是否結霜的關鍵因素。因此，對于本系統(tǒng)而言，分析除濕換熱器出口空氣溫度和相對濕度隨時間的變化，是檢驗新型無霜空氣源熱泵熱水器能否實現(xiàn)無霜運行的根據。

從圖5可以看出，在制熱模式下，空氣的相對濕度一直迅速從52%上升到75%。然而，溫度變化呈相反趨勢，在0～13 min內變化相對緩慢，之后又迅速下降。這是由于在開始階段，干燥劑具有較強的吸水性能，同時放出大量的吸附熱，延緩了一次節(jié)流后空氣的溫度下降速率。隨著時間的推移，干燥劑除濕能力減弱，空氣的相對濕度上升，溫度下降。在制熱34 min后，空氣溫濕度分別達到-1.3 ℃和75%，蒸發(fā)器表面開始結霜，此時系統(tǒng)切換為再生模式。從圖5還可看出，在系統(tǒng)運行至大約36 min，空氣的溫濕度均分別上升94%和20 ℃，之后又迅速下降，這是由于在再生模式下，該系統(tǒng)利用冷凝后的余熱對除濕換熱器進行加熱，干燥劑表面水蒸氣分壓力大于室外空氣水蒸氣分壓力，干燥劑開始脫附再生，隨著蓄熱裝置內熱量的減少，冷凝余熱不足，空氣溫濕度下降。

此外，根據公式(5)可以得出，干燥劑的再生率僅為72.7%，其值相對較小，降低了系統(tǒng)下一個制熱模式的除濕效果，不利于下一次循環(huán)的運行。干燥劑的再生不僅與環(huán)境溫度有關，還與循環(huán)水量、蓄熱材料、系統(tǒng)設計等息息相關，如何在更低的溫度下利用冷凝余熱提高干燥劑的再生率和系統(tǒng)的性能，有待于進一步的研究。

3.2 蓄熱材料溫度隨時間的變化

圖6反映了蓄熱材料溫度隨時間的變化，從圖中可以看出，在供熱模式開始13 min內，測點A溫度迅速從19 ℃增加到32 ℃，之后斜率逐漸減小，在供熱模式結束后，溫度達到35 ℃。測點B和A 存在相同的變化趨勢，兩者始終存在3 ℃左右溫差。在再生模式下，測點A和B，剛開始下降迅速，之后下降緩慢。這是由于再生模式下， 蓄熱裝置作為蒸發(fā)裝置的低溫熱源，導致蓄熱裝置熱量逐漸減少。

3.3 壓縮機吸排氣壓力隨時間的變化

圖7反映了系統(tǒng)壓縮機吸排氣壓力變化。從圖7中可以看出，在供熱模式下，壓縮機排氣壓力從800 kPa上升到1800 kPa，這是由于隨供熱時間的增加，水箱溫度升高，冷凝溫度增加，進一步導致壓縮機排氣升高。而吸氣壓力先從200 kPa上升到490 kPa左右，之后又逐漸下降到220 kPa。這是因為開始階段，由于制冷劑的遷移，大量的制冷劑從蒸發(fā)器涌入儲液器和冷凝器，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在再生模式，系統(tǒng)的吸排氣壓力下降相對緩慢，基本分別處于360 kPa和1650 kPa左右。因此，該系統(tǒng)壓縮機能夠安全穩(wěn)定運行。

3.4 除濕換熱器溫度和蒸發(fā)溫度隨時間的變化

圖8反映了系統(tǒng)工作時除濕換熱器溫度和室外換熱器溫度隨時間的變化。在供熱模式下，除濕換熱器溫度在-2.3 ℃和-3.5 ℃之間波動，蒸發(fā)溫度在系統(tǒng)工作10 min之內由-3.1 ℃下降至-6.8 ℃，之后在-6.2 ℃和-7.5 ℃之間波動。在供熱模式下，除濕換熱器溫度比蒸發(fā)溫度平均高3.8 ℃，這是由于EEV(8)開度較大，節(jié)流相對較弱。系統(tǒng)切換為再生模式后，除濕換熱器溫度在2 min之內上升至58.4 ℃，再生模式下平均溫度為54.3 ℃，根據文獻[15-16]的研究，說明該系統(tǒng)能夠提供合適的溫度滿足干燥劑的再生。

3.5 水溫隨時間的變化

圖9為水溫隨時間的變化。T1，T2，T3，分別代表水箱不同高度的測點(見圖1)。由圖可以看出，水溫隨著供熱時間的增加而逐漸上升，但上升的斜率逐漸減小，這是因為在開始階段，水溫和冷凝器之間存在較大的溫差，傳熱效率較高，而隨著水溫的上升，溫差減小，不可逆損失增大。從圖9還可以看出，在一個周期結束時，水箱不同測點的溫度分別為42.2 ℃, 48.3 ℃ 和55.2 ℃，因此，減小水箱溫度分層，有利于提高系統(tǒng)的性能。

3.6 系統(tǒng)COP隨時間的變化

圖10為系統(tǒng)COP隨時間的變化。由圖可以看出，在供熱模式下，系統(tǒng)COP達到最大值為3.15后逐漸下降，這是由于水溫上升，冷凝增加，導致壓縮比增大，功率增加，進一步導致COP減小。在再生模式下，由于較多的熱量儲存在蓄熱裝置內，蒸發(fā)溫度相對較高，系統(tǒng)COP迅速增大，達到峰值3.72。然而，在系統(tǒng)運行至36.3 min后，COP開始急劇下降，這是由于蓄熱量減少，換熱能力下降，蒸發(fā)溫度降低。在整個周期內，系統(tǒng)平均COP為2.81，比熱氣旁通延緩除霜和電加熱除霜分別高7.25%[19]和46.3%[20]。

4 結論

通過對新型無霜空氣源熱泵熱水器的實驗研究，在環(huán)境溫度為0 ℃，相對濕度為80%條件下，該系統(tǒng)在34 min內實現(xiàn)無霜運行，在制熱模式下，相對濕度從52%上升到75%，干球溫度從3 ℃下降到-1.3 ℃。再生模式下，除濕換熱器的平均溫度為54.3 ℃，能夠達到干燥劑的再生溫度要求。在一個周期內，系統(tǒng)的平均COP為2.81，比熱氣旁通延緩結霜和電加熱除霜分別高7.25%和46.3%。但其再生率僅為72.7%，其值相對較小，降低了系統(tǒng)下一個制熱模式的除濕效果，如何提高干燥劑的再生率和系統(tǒng)性能，有待于進一步的研究和優(yōu)化。

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About the corresponding author

Wang Fenghao, male，Ph.D. / professor, head of Building Energy Research Center,Xi'an Jiaotong University, +86 13227006940, E-mail: fhwang@mail.xjtu.edu.cn. Research fields: building energy efficiency and renewable energy technology. The author takes on project supported by Xi’an Science and Technology Plan Projects (No.CX12591).

Experimental Research on a Novel Frost-free Air-source Heat Pump Water Heater System

Wang Zhihua1Wang Fenghao2Zheng Yuxin1Li Jingchao2Huan Chao1Wang Zhiyang2

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049, China; 2. School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049, China)

Aiming to the frosting problem of air-source heat pump (ASHP) at low temperatures, a novel frost-free air-source heat pump water heater (ASHPWH) system is proposed in the paper, in which dehumidification of solid desiccant is used to reduce the humidity ratios of ambient air to realize frost-free operation. In order to keep the system working continuously, phase-change thermal storage is used to recycle the condensation heat that acts as a low temperature resource to regenerate the solid desiccant. The novel system was compared experimentally with conventional defrost system at a temperature of 0 ℃ and relative humidity (RH) of 80%. The results show that the average COP of the system was increased by 7.25% and 46.3% in comparison with hot-gas bypass defrosting and electric resistance heating, which proves the feasibility of the novel system.

frost-free ASHP; water heater; dehumidification; phase-change thermal storage

0253- 4339(2015) 01- 0052- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.052

2014年4月25日

TQ051.5; TK114; TU822+.1

A

王灃浩，男，教授，博士生導師，西安交通大學建筑節(jié)能研究中心主任，13227006940，E-mail：fhwang@mail.xjtu.edu.cn。研究方向：建筑節(jié)能與可再生能源利用技術?，F(xiàn)在進行的研究項目：西安市科技計劃項目(CX12591)。