蓄熱除濕耦合型無霜空氣源熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)研究

郝鵬飛王灃浩王志華王甜

（1西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院 西安 710049；2西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 西安 710049）

蓄熱除濕耦合型無霜空氣源熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)研究

郝鵬飛1王灃浩1王志華2王甜1

（1西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院 西安 710049；2西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 西安 710049）

本文研究了一種新型無霜空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)，該系統(tǒng)在傳統(tǒng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了除濕換熱器和蓄熱裝置，其運(yùn)行方式包括制熱模式和再生模式兩種。針對此新型系統(tǒng)，本文搭建了實(shí)驗(yàn)臺，并通過研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)在室外溫度為－3℃、0℃和3℃、RH（相對濕度）為85%的工況下可以保持無霜運(yùn)行時(shí)間分別為32 min、34 min和36 min；且在再生模式下能夠滿足干燥劑的再生，保證系統(tǒng)了的持續(xù)供熱。此外，與逆循環(huán)除霜系統(tǒng)相比，在－3℃和3℃，RH為85%下，COP分別高17.9%和3.4%，表明在低溫環(huán)境下，該系統(tǒng)有相對明顯的優(yōu)勢。

空氣源熱泵；無霜；固體干燥劑；蓄熱裝置；熱水器

近年來，空氣源熱泵由于其優(yōu)良的節(jié)能性和環(huán)保性受到廣泛關(guān)注［1－2］，也已經(jīng)作為熱源或冷源應(yīng)用在國內(nèi)很多方面［3］。然而，在冬季寒冷地區(qū)，室外換熱器表面會發(fā)生結(jié)霜導(dǎo)致傳熱效果惡化、制熱量減小、系統(tǒng)性能下降，甚至導(dǎo)致機(jī)組因自我保護(hù)而停機(jī)。因此，室外換熱器的結(jié)霜問題是制約空氣源熱泵系統(tǒng)更加廣泛應(yīng)用和發(fā)展的重要因素。

針對空氣源熱泵系統(tǒng)的除霜問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。目前廣泛使用的除霜方法主要包括電熱除霜［4－5］、逆循環(huán)除霜［6－7］、熱氣旁通法除霜［8－9］以及蓄能除霜［10］，它們雖然具有簡單易行的優(yōu)點(diǎn)，但是增加了不必要的除霜能耗。此外，有學(xué)者根據(jù)結(jié)霜機(jī)理提出了抑制或延緩結(jié)霜的方法［11－12］，Zhang L等［13］提出在蒸發(fā)器前利用固體干燥劑對空氣除濕來抑制結(jié)霜，不過當(dāng)干燥劑吸濕量達(dá)到飽和后，其脫附再生產(chǎn)生的濕空氣依然會造成蒸發(fā)器結(jié)霜，因此該系統(tǒng)有待于進(jìn)一步完善。

本課題組充分利用蓄熱器和除濕抑制結(jié)霜的特點(diǎn)，將二者有機(jī)結(jié)合，提出蓄熱除濕耦合型無霜空氣源熱泵熱水器［14］，該系統(tǒng)能夠避免室外換熱器結(jié)霜，并能夠滿足干燥劑的再生，有效提高了系統(tǒng)的低溫適應(yīng)性。本文通過實(shí)驗(yàn)，研究該系統(tǒng)在不同環(huán)境工況下的抑制結(jié)霜性能以及系統(tǒng)穩(wěn)定性，并通過實(shí)驗(yàn)臺改造，與傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜進(jìn)行對比分析。

1 系統(tǒng)原理

該新型系統(tǒng)主要包括兩種運(yùn)行模式，即制熱模式和再生模式。其具體流程為：

圖1 制熱模式原理圖Fig.1 Schematic diagram of heating mode

制熱模式：電磁閥（15，18）和電子膨脹閥（17）關(guān)閉，其余電磁閥打開。制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)（1）壓縮成高溫高壓的氣體，經(jīng)過高壓控制器（2），四通閥（3），在纏繞有冷凝盤管的蓄熱水箱（4）冷卻成高壓的氣液兩相流，經(jīng)電磁閥（5）在蓄熱裝置（6）內(nèi)進(jìn)一步冷卻，蓄熱材料吸收制冷劑釋放熱量，制冷劑被冷卻為過冷液體，流經(jīng)干燥過濾器（7），經(jīng)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(nèi)蒸發(fā)吸熱，之后制冷劑經(jīng)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，在蒸發(fā)器（12）內(nèi)完全蒸發(fā)吸熱，成為過熱氣體，避免對壓縮機(jī)造成濕壓縮，最后制冷劑流經(jīng)電磁閥（13）、四通閥（3）、低壓控制器（14）回到壓縮機(jī)（1）；室外空氣（OA）首先經(jīng)過除濕換熱器（9），固體干燥劑吸收空氣中水分，除濕后的干燥空氣（DA）然后經(jīng)過蒸發(fā)器（12），最后，冷卻空氣（EA）排出蒸發(fā)器。由于除濕后的空氣露點(diǎn)溫度低于蒸發(fā)器（12）內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)溫度，實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵無霜運(yùn)行。

再生模式：電磁閥（5，13）關(guān)閉，其余電磁閥打開。制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)（1）壓縮成高溫高壓的氣體，流經(jīng)高壓控制器（2）、四通閥（3），在纏繞有冷凝盤管的蓄熱水箱（4）冷卻成高壓的氣液兩相流，經(jīng)電磁閥（15）（此時(shí)電子膨脹閥（8，11）全開），高壓制冷劑進(jìn)一步在除濕換熱器（9）和蒸發(fā)器（12）內(nèi)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(jīng)干燥過濾器（16），經(jīng)電子膨脹閥（17）節(jié)流降壓后在蓄熱裝置（6）內(nèi)蒸發(fā)吸熱，成為過熱氣體，最后制冷劑經(jīng)電磁閥（18）、四通閥（3）、低壓控制器（14）回到壓縮機(jī)（1），完成一個(gè)再生循環(huán)。為了充分利用冷凝余熱，同時(shí)避免干燥劑脫附后的水蒸氣附著在蒸發(fā)器（12）上，造成下次循環(huán)結(jié)霜的隱患，在再生模式下，室外空氣（OA）首先經(jīng)過蒸發(fā)器（12），再通過除濕換熱器（9），吸收干燥劑脫附的水蒸氣成為濕空氣（MA）后排出。

圖2 再生模式原理圖Fig.2 Schematic diagram of regeneration mode

2 實(shí)驗(yàn)裝置及工況

根據(jù)普通家用熱水需求并參考市場常見熱泵熱水器，該新型熱泵熱水器設(shè)計(jì)額定制熱量為2500 W。其核心裝置為蓄熱裝置和除濕換熱裝置，因此蓄熱材料和干燥劑的選擇尤為重要。

2.1 蓄熱裝置

針對該新型熱泵系統(tǒng)，蓄熱材料的選擇除了需要滿足相變潛熱大、導(dǎo)熱系數(shù)高等常規(guī)要求外，最重要應(yīng)具備合適的相變溫度，必須介于熱泵供熱或除霜時(shí)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。根據(jù)有關(guān)學(xué)者研究比較［15］，選擇CaCl2·6H2O作為相變蓄熱材料，其熱物性參數(shù)如表1所示。

根據(jù)董建鍇等［16］關(guān)于蓄熱裝置的研究，該系統(tǒng)采用相似的雙套螺旋管的套管型蓄熱罐，裝置具體尺寸如表2所示。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)相變材料充注量為5000 mL，蓄熱量為1625 kJ。

2.2 除濕換熱裝置

除濕換熱器采用翅片管換熱器結(jié)構(gòu)，即在傳統(tǒng)翅片管換熱器的翅片表面涂覆干燥劑材料涂層構(gòu)成。Tu R等［17］的研究發(fā)現(xiàn)硅膠作為干燥劑的再生溫度為40～50℃，與熱泵熱水器的冷凝溫度一致，因此選用硅膠作為此新型系統(tǒng)的干燥劑，表3所示為本實(shí)驗(yàn)除濕換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 CaCl2·6H2O熱物性參數(shù)Tab.1 Thermophysical properties of CaCl2·6H2O

表2 蓄熱裝置尺寸Tab.2 Size of the thermal storage device

表3 除濕換熱器上膠量及尺寸大小Tab.3 Properties of the desiccant heat exchanger

2.3 實(shí)驗(yàn)臺搭建及實(shí)驗(yàn)工況

本實(shí)驗(yàn)臺采用三菱電機(jī)（廣州）滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，型號為 RB174GHAC，額定轉(zhuǎn)速為 2860／3400 r／min（50／60 Hz），理論排氣量17.4 cm3／r，單汽缸，額定輸入功率750 W；以全銅翅片管換熱器作為蒸發(fā)器，結(jié)構(gòu)尺寸與除濕換熱器相同；水箱內(nèi)部螺旋纏繞4.6 m長的銅管（?9.52×0.5 mm），水量為60 L；實(shí)驗(yàn)在高精度5 HP焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。此外，在實(shí)驗(yàn)臺相應(yīng)位置布置壓力及溫度測點(diǎn)，傳感器誤差＜2%，所有測量數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄。

本實(shí)驗(yàn)主要對室外環(huán)境溫度為－3℃、0℃、3℃，空氣相對含濕量為85%工況下的系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)工況如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)工況及相關(guān)工質(zhì)參數(shù)Tab.4 The experimental conditions and related working fluid parameters

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 除濕換熱器出口空氣溫度

圖4所示為一個(gè)周期內(nèi)除濕換熱器出口空氣溫度隨時(shí)間變化情況。

由圖4可以看出，除濕換熱器出口空氣溫度在三種工況下的變化趨勢基本相同，在系統(tǒng)運(yùn)行的前5 min溫度會有略微增大，之后持續(xù)緩慢下降。這是由于在開始階段，干燥劑吸濕能力較強(qiáng)，釋放大量的吸附熱，熱量超過制冷劑吸收熱量，造成空氣溫度會有短暫上升；隨著時(shí)間的推移，干燥劑吸濕能力逐漸減弱，釋放的吸附熱量減小，少于制冷劑吸收熱量，所以空氣溫度逐漸下降。34 min左右，蒸發(fā)換熱器表面開始結(jié)霜，此時(shí)系統(tǒng)切換為再生模式。再生初始階段，冷凝余熱對除濕換熱器進(jìn)行加熱，空氣溫度迅速上升，分別在35 min、37 min、38 min達(dá)到最大值 30.5℃、32.8℃、31.64℃，由于蓄熱器中的熱量逐漸減少，冷凝熱量減少，不足以提供足夠的再生熱量，空氣溫度逐漸下降。

圖3 新型無霜空氣源熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)臺Fig.3 Experimental set up novel frost?free ASHPWH system

圖4 除濕換熱器出口空氣溫度隨時(shí)間變化Fig.4 Variation of outlet air temperature of desiccant heat exchanger

3.2 除濕換熱器出口空氣含濕量

圖5所示為一個(gè)周期內(nèi)除濕換熱器出口空氣含濕量隨時(shí)間變化情況。

圖5 除濕換熱器出口空氣含濕量隨時(shí)間變化Fig.5 Variation of outlet air hum idity of desiccant heat exchanger

由圖5可以看出，三種工況下的空氣初始含濕量分別為2.39 g／kg、3.24 g／kg、4.02 g／kg，系統(tǒng)制熱模式運(yùn)行時(shí)，空氣經(jīng)過除濕換熱器干燥除濕，含濕量迅速降低為1.43 g／kg、2.13 g／kg、2.87 g／kg，相比于初始含濕量值分別下降了40.2%、34.3%和28.6%。隨著干燥劑中含濕量的增大，干燥劑除濕能力減弱，此時(shí)空氣含濕量呈略微上升狀態(tài)。

系統(tǒng)切換為再生模式后，冷凝余熱加熱除濕換熱器，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，使得空氣含濕量增大；隨著蓄熱裝置內(nèi)熱量的減少，冷凝余熱不足，干燥劑脫附效果下降，空氣含濕量逐漸減小。

3.3 除濕換熱器溫度

圖6所示為一個(gè)周期內(nèi)除濕換熱器表面溫度隨時(shí)間變化情況。

圖6 除濕換熱器表面溫度隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation of surface temperature of desiccant heat exchanger

由圖6可以看出，不同工況下的換熱器表面溫度變化趨勢基本一致。制熱模式下，換熱器表面溫度緩慢下降；切換到再生模式后，溫度迅速上升，三種工況下達(dá)到的最高表面溫度分別為50.4℃、55.4℃、60.2℃，根據(jù)Tu R等［17］的研究，內(nèi)冷型固體除濕裝置的再生溫度為44.7℃，證明該新型系統(tǒng)可以提供合適的溫度滿足干燥劑的再生需求。

3.4 除濕換熱器性能分析

圖7所示為干燥劑在不同溫度下的除濕率和再生率變化情況。

由圖7中可看出：干燥劑除濕率隨室外溫度的升高而降低，干球溫度由－3℃上升到3℃，除濕率由27.7%下降到24.1%，這是因?yàn)楦稍飫┑臏囟仍降停砻嫠魵夥謮涸叫?，與周圍空氣形成的水蒸氣分壓差越大，除濕效率越高。而再生模式下，干燥劑的再生率隨室外溫度的升高而增大，從66%增大到81%，一方面由于較高的蒸發(fā)溫度使制熱能力增加，蓄熱裝置儲存熱量也增加；另一方面，再生模式下的冷凝溫度隨著蒸發(fā)溫度升高而升高，有利于干燥劑再生。

3.5 蓄熱材料平均溫度

圖8所示為不同環(huán)境溫度下蓄熱材料平均溫度隨時(shí)間變化情況。

圖7 除濕換熱器除濕率及再生率在不同工況下的變化Fig.7 Variation of dehum idification rate and regenerate rate of desiccant heat exchanger in different conditions

圖8 不同環(huán)境溫度下蓄熱裝置平均溫度變化Fig.8 Variation of mean temperature of the thermal storage device in different ambient tem perature

如圖8所示，在系統(tǒng)運(yùn)行前10 min內(nèi)，蓄熱材料溫度變化程度較大，當(dāng)達(dá)到相變溫度后，蓄熱體開始相變換熱，溫度變化趨于平緩，制熱模式結(jié)束時(shí)的平均溫度分別為27℃、32℃、35℃，隨著室外溫度的升高而升高。系統(tǒng)切換為再生模式后，此時(shí)蓄熱裝置充當(dāng)蒸發(fā)器，制冷劑處于蒸發(fā)吸熱狀態(tài)，換熱系數(shù)大，而且蓄熱量逐漸減少，蓄熱裝置平均溫度顯著下降。

4 無霜熱泵系統(tǒng)與逆循環(huán)除霜系統(tǒng)性能對比

傳統(tǒng)空氣源熱泵大多采用逆循環(huán)除霜，為了更直觀反映該新型系統(tǒng)的性能，本課題組對新型無霜熱泵系統(tǒng)進(jìn)行簡單的管路改造，移除蓄熱裝置和除濕換熱器，并關(guān)閉額外的電磁閥，使其轉(zhuǎn)換為逆循環(huán)除霜，并與新型無霜系統(tǒng)對比。

4.1 逆循環(huán)除霜流程

當(dāng)熱泵制熱量下降為其額定制熱量的70%時(shí)，啟動(dòng)逆循環(huán)除霜過程［18］。此時(shí)壓縮機(jī)暫停，電子膨脹閥開啟度最大以平衡系統(tǒng)內(nèi)部壓力，1 min后四通換向閥切換為除霜模式，然后啟動(dòng)壓縮機(jī)開始除霜。

4.2 壓縮比比較

圖9所示為0℃環(huán)境溫度下無霜系統(tǒng)與逆循環(huán)除霜系統(tǒng)壓縮比隨時(shí)間變化曲線。

圖9 無霜熱泵系統(tǒng)與逆循環(huán)除霜系統(tǒng)的壓縮比對比Fig.9 Comparison of com pression ratio between frost?free system and reverse cycle defrosting system

由圖9可以看出，在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，新型無霜熱泵系統(tǒng)的壓縮比逐漸從3.98增大到7.29，而由于少量的霜層增大了室外換熱器的粗糙度，氣流擾動(dòng)增強(qiáng)，一定程度上強(qiáng)化了傳熱效率，所以逆循環(huán)除霜系統(tǒng)運(yùn)行初期的壓縮比有減小的趨勢。然后霜層的加厚導(dǎo)致?lián)Q熱熱阻不斷增大，傳熱效果變差，蒸發(fā)溫度降低，壓縮比隨之不斷增大。逆循環(huán)除霜系統(tǒng)運(yùn)行到60 min左右時(shí)切換為除霜模式，以水箱熱水作為低位熱源，蒸發(fā)溫度較高，壓縮比顯著下降；隨著除霜的進(jìn)行，冷凝溫度逐漸上升，壓縮比又開始增大。由此可見，新型無霜熱泵系統(tǒng)與逆循環(huán)除霜系統(tǒng)相比，后者壓縮比變化較為劇烈，前者的運(yùn)行狀態(tài)相對穩(wěn)定。

4.3 制熱量比較

圖10反映了不同工況下，新型無霜熱泵系統(tǒng)與逆循環(huán)除霜系統(tǒng)制熱量的變化情況?？梢钥闯?，二者的制熱量均隨環(huán)境溫度的升高而增大，在環(huán)境溫度3℃以下，無霜熱泵系統(tǒng)相對逆循環(huán)除霜系統(tǒng)制熱量較高，主要是由于結(jié)霜造成室外換熱器熱阻增大，換熱效果惡化，導(dǎo)致制熱量減小。隨著環(huán)境溫度的升高，換熱器結(jié)霜量減少，對換熱效果影響相對較小，而且除霜能耗也減小，制熱量差距減小，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到3℃時(shí)，二者制熱量趨于一致。

4.4 COP比較

圖11所示為新型系統(tǒng)與逆除霜系統(tǒng)一個(gè)制熱周期內(nèi)的平均COP比較。

由圖11可以看出，在測試工況下，新型無霜熱泵系統(tǒng)的COP始終高于逆循環(huán)除霜系統(tǒng)，在－3℃和0℃工況下的差距分別為17.9%和9.93%。一方面由于低溫工況下結(jié)霜問題導(dǎo)致逆循環(huán)除霜系統(tǒng)的制熱量相對較小，另一方面新型無霜熱泵系統(tǒng)避免了不必要的除霜能耗。不過隨著環(huán)境溫度的升高，制熱量差距以及除霜能耗下降，二者COP差距也逐漸減小。由此證明該新型無霜空氣源熱泵系統(tǒng)具有更優(yōu)良的低溫適應(yīng)性以及更好的制熱性能。

圖10 無霜熱泵系統(tǒng)與逆循環(huán)除霜系統(tǒng)的制熱量對比Fig.10 Comparison of heating capacity between frost?free system and reverse cycle defrosting system

圖11 無霜熱泵系統(tǒng)與逆循環(huán)除霜系統(tǒng)的COP對比Fig.11 Com parison of COP between frost?free system and reverse cycle defrosting system

5 結(jié)論

本文對一種新型無霜空氣源熱泵熱水器在不同環(huán)境溫度下的系統(tǒng)運(yùn)行性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并與傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜進(jìn)行對比分析，通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到結(jié)論如下：

1）在－3℃、0℃和3℃的室外空氣溫度條件下，系統(tǒng)分別可以保持32 min、34 min、36 min的無霜制熱模式運(yùn)行，而且再生模式下除濕換熱器的最高溫度分別達(dá)到50.4℃、58.4℃、60.2℃，可滿足干燥劑脫附再生要求，證明該新型系統(tǒng)無霜運(yùn)行的可行性。

2）隨著室外環(huán)境溫度從－3℃升高到3℃，干燥劑除濕效率由27.7%下降到24.1%，而再生效率由66%上升到81%，系統(tǒng)COP由2.47增大到3.11。低溫環(huán)境溫度下的干燥劑再生效率以及系統(tǒng)COP都明顯降低，所以如何提高干燥劑在低溫工況下的再生效率以及系統(tǒng)性能還有待進(jìn)一步研究。

3）與傳統(tǒng)的逆循環(huán)除霜熱泵系統(tǒng)相比，新型系統(tǒng)壓縮比變化較小，運(yùn)行更穩(wěn)定。在系統(tǒng)制熱量以及COP性能方面，新型無霜系統(tǒng)在低溫工況下都顯著優(yōu)于逆循環(huán)系統(tǒng)，證明新型系統(tǒng)良好的低溫適應(yīng)性。

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王灃浩，男，博士生導(dǎo)師，教授，西安交通大學(xué)建筑節(jié)能研究中心主任，13227006940，E?mail：fhwang＠m(xù)ail.xjtu.edu.cn。研究方向：建筑節(jié)能與可再生能源利用技術(shù)。

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Wang Fenghao，male，Ph.D.／professor，Director of Building Energy Research Center，Xi’an Jiaotong University，＋86 13227006940，E?mail：fhwang＠m(xù)ail.xjtu.edu.cn.Research fields：building energy efficiency and renewable energy technology.

Experimental Research on a Novel Frost?free Air?source Heat Pump Water Heater System Coupling with Thermal Storage and Dehum idification

Hao Pengfei1Wang Fenghao1Wang Zhihua2Wang Tian1

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

A novel frost?free air?source heat pump water heater applying dehumidification device and thermal storage on the basis of tradi?tional system is studied in this paper.The operation mode of this system includes heating mode and regeneration mode.An experimental apparatus is built up to study this system，and according to the experiment，the frost?free operating time of this system is 32 min，34 min and 36min respectively when the temperature of air is－3℃，0℃，3℃ and the relative humidity is 85%.And the temperature is high enough for the regeneration of desiccant，which could keep the heat pump heating water continuously.Besides，the COP of this system at temperature of－3℃and 3℃is 17.9%and 3.4%higher than the reverse cycle defrosting system in the same conditions，which proves that this new system has better performance under low environment temperature.

air?source heat pump；frost?free；desiccant；thermal storage；water heater

TQ051.5；TK114；TU822

A

0253－4339（2015）04－0085－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.085

簡介

2014年12月9日