復(fù)疊式空氣源熱泵雙螺旋盤管蓄熱器蓄放熱特性實驗研究

曲明璐 樊亞男 李天瑞 王壇

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093）

復(fù)疊式空氣源熱泵雙螺旋盤管蓄熱器蓄放熱特性實驗研究

曲明璐 樊亞男 李天瑞 王壇

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093）

本文在傳統(tǒng)的復(fù)疊式空氣源熱泵中增加一個雙螺旋盤管形式的蓄熱器，并測量蓄熱器內(nèi)不同位置水溫及蓄熱器進出口制冷劑溫度變化。研究了當(dāng)室內(nèi)側(cè)模擬工況干球溫度為22℃ ±0.1℃，相對濕度為50% ±3%，室外側(cè)模擬工況干球溫度為－12℃ ±0.1℃時，蓄熱器在蓄熱模式、間斷制熱蓄能除霜模式、不間斷制熱蓄能除霜模式下的蓄放熱特性。結(jié)果表明：該蓄熱器有良好的蓄熱能力及在不同低位熱源條件下的放熱能力。在間斷和不間斷制熱蓄能除霜過程中，蓄熱器的釋熱量分別為1 642.7 kJ和1 892.4 kJ，可以滿足除霜的要求和部分室內(nèi)供熱需求。

空氣源熱泵；復(fù)疊式循環(huán)；蓄熱器；蓄放熱特性；除霜

空氣源熱泵空調(diào)技術(shù)是一種有效的節(jié)能方法［1－2］，可以大大降低一次能源的消耗。但是在較低環(huán)境溫度的制熱工況運行時存在效率較低、可靠性差及故障較多等問題，因此出現(xiàn)了復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)［3－5］，但是在制熱運行中，當(dāng)室外機表面溫度低于空氣露點且低于冰點時，空氣源熱泵會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，嚴重影響熱泵的供熱效果。熱氣旁通除霜是復(fù)疊式空氣源熱泵除霜方法中較為有效的一種，但是在低溫環(huán)境下除霜效果差，除霜時間長，甚至無法將霜層完全除盡。為解決以上問題出現(xiàn)了蓄能除霜，蓄能除霜是利用蓄熱材料將熱泵高效制熱運行時的部分余熱儲存起來，除霜時將其作為熱泵的低位熱源，通過蓄熱材料的放熱，向系統(tǒng)提供除霜所需的熱量。國內(nèi)針對蓄熱器進行了很多研究，韓志濤等［6］為了突出蓄能熱氣除霜新系統(tǒng)的優(yōu)越性，將相變蓄熱裝置引入到空氣源熱泵系統(tǒng)中，并與傳統(tǒng)的熱氣旁通除霜系統(tǒng)做了對比；張紅瑞等［7］提出了空氣源熱泵儲水蓄能除霜系統(tǒng)，緩解了空氣源熱泵在除霜時室內(nèi)環(huán)境舒適性惡化的問題，同時提高了機組除霜可靠性運行穩(wěn)定性；曹琳等［8］為研究空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)的除霜過程動態(tài)特性及性能，開展了空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)的實驗研究。董建鍇等［9］搭建了空氣源熱泵除霜系統(tǒng)動態(tài)實驗臺，研究了蓄能熱氣除霜系統(tǒng)運行動態(tài)特性，并且指出蓄能除霜能提高壓縮機的吸排氣壓力，縮短除霜時間60%。文博等［10］以圓柱形螺旋盤管相變蓄熱裝置為研究對象，實驗分析其在不同室外溫度下的蓄、放熱特性和除霜特性。王志華等［11］利用固體干燥劑較強的除濕特性，提出一種新型無霜空氣源熱泵熱水器。張志強等［12］測試了不同冷水進水溫度和不同水流量下蓄熱箱中石蠟及蓄熱箱熱水出口溫度的變化情況。曲明璐等［13］研究了采用相變蓄能除霜方法的不同蓄能運行模式下空氣源熱泵的運行狀況和室內(nèi)熱舒適情況。

針對蓄熱材料的選擇，按蓄熱方式不同，可分為顯熱蓄能和相變潛熱蓄能。相變材料在循環(huán)相變過程中存在熱物理性質(zhì)退化、材料泄漏、表面結(jié)霜等問題，而且價格較貴，熱導(dǎo)率較差；顯熱蓄能通常為水箱蓄熱，華南理工大學(xué)對一種復(fù)疊式蓄熱型空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)的運行工況和性能優(yōu)化進行了很多研究［14－15］。本文介紹復(fù)疊式蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)工作原理，對系統(tǒng)進行理論分析，研究通過實驗和模擬的方法探討熱泵系統(tǒng)在蓄熱過程和放熱過程的熱量傳遞及水箱溫度動態(tài)變化特性，探索復(fù)疊式蓄熱型空氣源熱泵熱水器動態(tài)傳熱和效率耦合問題。

本文設(shè)計了蓄能復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)，在復(fù)疊式空氣源熱泵低溫級上增加一個雙螺旋盤管形式的蓄熱器，選用水作為蓄熱材料，在供熱／蓄能時該蓄熱器作為冷凝器儲存熱量，在蓄能除霜模式下作為蒸發(fā)器向低溫級提供低位熱量用于除霜，同時也可向高溫級提供熱量用于對室內(nèi)制熱。本文對復(fù)疊式空氣源熱泵蓄熱、除霜過程中蓄熱器的蓄熱、放熱過程進行研究，分析了雙螺旋盤管蓄熱器的蓄放熱特性。

圖1 蓄能復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖Fig.1 The schematic diagram of the energy storage based CASHP system

1 系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)形式

1.1 系統(tǒng)的工作原理

蓄能復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)如圖1所示，與常規(guī)復(fù)疊式空氣源熱泵相比，系統(tǒng)增加一個雙螺旋盤管形式的蓄熱器和相應(yīng)電磁閥。低溫級循環(huán)工質(zhì)為R410A，高溫級循環(huán)工質(zhì)為R134a。該實驗系統(tǒng)的詳細介紹參照文獻［16］。復(fù)疊式空氣源熱泵蓄熱系統(tǒng)有三種工作模式：蓄熱模式、間斷制熱蓄能除霜模式、不間斷制熱蓄能除霜模式。

在蓄熱模式下蓄熱器兼有冷凝器的作用，蓄能除霜模式下蓄熱器作為蒸發(fā)器；在間斷制熱蓄能除霜時，四通閥換向，蓄熱器作為蒸發(fā)器向低溫級提供低位熱量用于除霜，高溫級不運行；在不間斷制熱蓄能除霜時，四通閥換向，蓄熱器作為蒸發(fā)器，提供的低位熱量分別用于低溫級的除霜和高溫級的制熱。

1）蓄熱模式

此模式下閥門F1，F(xiàn)3，F(xiàn)7，F(xiàn)8，F(xiàn)9，F(xiàn)10開啟，其余閥門關(guān)閉。蓄熱結(jié)束后重新切換為常規(guī)制熱模式，直至達到除霜條件。

制冷劑在系統(tǒng)中的工作流程如下：

低溫級循環(huán)：低溫級壓縮機→四通換向閥→F1→蓄熱器→F3→F7→蒸發(fā)冷凝器→F9→低溫級儲液器→低溫級電子膨脹閥→室外機→四通換向閥→低溫級氣液分離器→低溫級壓縮機；

高溫級循環(huán)：高溫級壓縮機→室內(nèi)機→高溫級儲液器→高溫級電子膨脹閥→F10→蒸發(fā)冷凝器→F8→高溫級氣液分離器→高溫級壓縮機。

2）間斷制熱蓄能除霜模式

此模式下閥門F1、F3、F11開啟，其余閥門關(guān)閉。同時，低溫級壓縮機啟動，室外風(fēng)機關(guān)閉，高溫級壓縮機和室內(nèi)機均關(guān)閉。

制冷劑在系統(tǒng)中的工作流程如下：

低溫級循環(huán)：低溫級壓縮機→四通換向閥→室外機→低溫級儲液器→低溫級電子膨脹閥→F11→F3→蓄熱器→F1→四通換向閥→低溫級氣液分離器→低溫級壓縮機。

3）不間斷制熱蓄能除霜模式

此模式下閥門F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)11開啟，其余閥門關(guān)閉。同時，高溫級壓縮機啟動，室內(nèi)機開啟。

制冷劑在系統(tǒng)中的工作流程如下：

低溫級循環(huán)：低溫級壓縮機→四通換向閥→室外機→低溫級儲液器→低溫級電子膨脹閥→F11→F3→蓄熱器→F1→四通換向閥→低溫級氣液分離器→低溫級壓縮機。

高溫級循環(huán)：高溫級壓縮機→室內(nèi)機→高溫級儲液器→高溫級電子膨脹閥→F4→蓄熱器→F2→高溫級氣液分離器→高溫級壓縮機。

1.1.1 蓄熱材料的選擇

本系統(tǒng)選用水作為蓄熱材料。水作為蓄熱材料具有以下優(yōu)點：

1）水有較高的比熱容（4.212 kJ／（kg·K）），在相同的溫度變化條件下能夠吸收或放出較多的熱量，同時在蓄放相同熱量的條件下，可使用較少的蓄熱材料，并縮小蓄熱器的體積。

2）水有較大的密度（1 000 kg／m3），儲存相同質(zhì)量蓄熱材料時，可縮小蓄熱器的體積。

3）水的導(dǎo)熱系數(shù)較高（0.551 W／（m·K）），使蓄放熱速度較大，減小蓄放熱和除霜時間。

4）水作為生活中常見的物質(zhì)，具有價格便宜，容易獲取，性價比高的優(yōu)點。

5）水也是可再生的清潔能源，并且安全可靠、對外界物質(zhì)腐蝕性小。

為了滿足有效的除霜和除霜時高溫級制熱所需的熱量，蓄熱器蓄熱容量為15.6 L，即所需水的質(zhì)量約為15.6 kg。

1.1.2 蓄熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸

本系統(tǒng)設(shè)計了雙螺旋盤管形式的蓄熱器，如圖2所示。蓄熱器分為內(nèi)套筒和外套筒，在兩個套筒之間放置兩排管徑相同的螺旋盤管，內(nèi)盤管連接到高溫級循環(huán)，外盤管連接到低溫級循環(huán)。內(nèi)套筒與盤管、外套筒與盤管及兩個螺旋盤管之間構(gòu)成了三個狹小的夾層空間，蓄熱材料位于這三個夾層空間內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)可以增加蓄熱介質(zhì)與制冷劑管道的接觸面積，強化換熱。為了減少蓄熱量的損失，內(nèi)套筒、外套筒、蓄熱器底部及蓄熱器上蓋均做一層保溫。

蓄熱時低溫級的高溫高壓制冷劑從外盤管上層流入，由上到下逐層加熱管外蓄熱材料，冷凝放熱后由下方流出。間斷制熱除霜時，低溫級的低溫低壓制冷劑從盤管底部流入，由下到上吸收管外蓄熱量，吸熱氣化后由上方流出。不間斷制熱除霜時，低溫級和高溫級的低溫低壓制冷劑均從盤管底部流入，由下到上吸收管外蓄熱量，吸熱氣化后由上方流出。蓄熱器詳細結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖2 蓄熱器結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）Fig.2 The schematic diagram of heat storage tank

表1 蓄熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of the heat storage tank

1.2 溫度測點布置

實驗中蓄熱器內(nèi)溫度測點布置如圖3所示。室外機盤管溫度測點主要用于測量除霜時各盤管進出口溫度，通過這些溫度可間接地反映出除霜特性。蓄熱器內(nèi)溫度測點主要用于測量蓄熱、除霜時蓄熱器內(nèi)不同位置的水溫，所用的溫度傳感器為T型銅-康銅熱電偶，其量程為－200～260℃，精度為±0.1℃，測量誤差為±0.3℃。其中TU、TM、TL分別為蓄熱器內(nèi)上部溫度測點（T1、T2）的平均值、中間溫度測點（T3、T4）的平均值和下部溫度測點（T5、T6）的平均值。蓄熱時通過分析蓄熱器內(nèi)水溫變化來反映蓄熱器的蓄熱特性，除霜時通過分析蓄熱器內(nèi)水溫和蓄熱器進出口的制冷劑溫度的變化來反映蓄熱器的放熱特性。

圖3 蓄熱器內(nèi)溫度測點分布圖Fig.3 Layout of temperature measuring points in heat storage tank

2 實驗

2.1 實驗條件

實驗中保持穩(wěn)定的結(jié)霜和除霜工況，室內(nèi)側(cè)模擬工況干球溫度為22℃ ±0.1℃，相對濕度為50% ± 3%；室外側(cè)模擬工況干球溫度為－12℃ ±0.1℃。表2所示為實驗條件，整個結(jié)霜過程持續(xù)了97 min。當(dāng)?shù)蜏丶壭顭崞鬟M出口溫度分別與TU、TL基本相等，可判斷此時蓄熱結(jié)束，實驗中蓄熱過程持續(xù)27.8 min。

表2 實驗條件Tab.2 Experimental conditions

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 蓄熱時蓄熱器蓄熱特性分析

圖4、圖5分別為蓄能除霜實驗結(jié)霜時蓄熱器內(nèi)不同位置水溫及低溫級蓄熱器進出口制冷劑溫度變化，反映了蓄熱器的運行特性。由圖4可知，低溫級蓄熱器進出口初始溫度分別為21.1℃、19.2℃，前5 min保持不變，隨著蓄熱的進行，低溫級蓄熱器進出口溫度都逐漸升高，并且進口溫度升高速率大于出口溫度。32.8 min時低溫級蓄熱器進出口溫度分別為41.1℃、32.3℃，然后進出口溫度又開始緩慢下降，97 min的時候分別穩(wěn)定在32.5℃、31.4℃。

圖4 蓄熱模式下蓄熱器低溫級進出口制冷劑溫度變化Fig.4 The variations of refrigerant temperature at the inlet and outlet of low temperature（LT）cycle in heat storage tank in the thermal storage mode

由圖5可知，5 min時開啟蓄熱，此時TU、TM、TL分別為20.4℃、19.2℃、18.5℃，隨著蓄熱的進行，蓄熱器內(nèi)水溫逐漸升高，32.8 min時TU、TL分別為41.1℃、32.3℃，與低溫級蓄熱器進出口溫度基本相等，可判斷此時蓄熱結(jié)束。蓄熱時間為27.8 min，蓄熱結(jié)束時 TU、TM、TL分別為41.1℃、37.5℃、32.3℃。由于蓄熱時低溫級高溫高壓制冷劑自上而下流過蓄熱器，蓄熱時上部水溫升高速率較快，整個蓄熱過程中TU、TM、TL的平均升高速率分別為0.74℃／min、0.66℃／min、0.5℃／min。關(guān)閉蓄熱后，由于熱量的散失和水的溫差引起的自然對流，TU、TM均緩慢降低，TL基本穩(wěn)定不變，制熱結(jié)束時TU、TM、TL分別為37.5℃、35.5℃、32.4℃。

圖5 蓄熱模式下蓄熱器內(nèi)不同位置水溫變化Fig.5 The variations of the water temperature at different measuring points in heat storage tank in the thermal storage mode

綜上所述：實驗過程中系統(tǒng)的蓄熱時間為27.8 min，蓄熱時低溫級排氣首先經(jīng)過蓄熱器，然后經(jīng)過蒸發(fā)冷凝器，蓄熱過程主要是低溫級制冷劑的顯熱釋熱過程，一方面提高了蓄熱速度，縮短了蓄熱時間；另一方面能夠使大部分制冷劑潛熱為高溫級所利用，減小了對高溫級的影響，使其對系統(tǒng)制熱的影響較小。

2.2.2 間斷制熱蓄能除霜時蓄熱器放熱特性分析

間斷制熱蓄能除霜時間為410 s，除霜結(jié)束后，收集到的融霜水量為1.81 kg。該模式下低溫級壓縮機啟動，四通換向閥換向，室外風(fēng)機關(guān)閉，高溫級壓縮機室內(nèi)機和均關(guān)閉。圖6、圖7分別為間斷制熱蓄能除霜時蓄熱器低溫級進出口制冷劑溫度變化和蓄熱器內(nèi)不同位置水溫變化，反映了蓄熱器的釋熱過程。

圖6 間斷制熱蓄能除霜模式下蓄熱器低溫級進出口制冷劑溫度變化Fig.6 The variations of refrigerant temperature at the inlet and outlet of LT cycle in heat storage tank in the intermittent heating thermal storage defrosting mode

由圖6可知，除霜開始后20 s，蓄熱器低溫級進口溫度降至最低點－12.5℃，進口溫度呈升高趨勢，240 s時升至－2.5℃，之后進口溫度緩慢下降，除霜結(jié)束時達到－4.4℃。除霜的前180 s蓄熱器低溫級出口溫度基本穩(wěn)定在34.7℃左右，然后出口溫度迅速下降，230 s時下降至－4.6℃，之后出口溫度下降速率變緩，除霜結(jié)束時出口溫度達到－12.3℃，與進口溫度相比較低，初期蓄熱器內(nèi)熱量足夠，出口有較大過熱度，出口溫度高于進口溫度。隨著蓄熱器內(nèi)熱量釋放，吸氣壓力下降，同時蒸發(fā)溫度也下降，由于水與制冷劑的溫差，上部的蒸發(fā)溫度高于下部蒸發(fā)溫度。而且蓄熱器內(nèi)的水溫是分層的，下部水溫比上部水溫低。同時，由于蓄熱器的體積較大，盤管總長度較長，蓄熱器內(nèi)制冷劑流動阻力大，造成蓄熱器制冷劑出口溫度與進口溫度差較大。由圖7可知，制冷劑自下而上流過蓄熱器，TU、TM、TL的溫降均有一定的延遲，除霜的前40 s，TL穩(wěn)定在32.2℃左右，除霜的前50 s，TM穩(wěn)定在35.2℃左右，除霜的前70 s，TU穩(wěn)定在37.1℃左右。之后隨著除霜的進行水溫逐漸降低，40～140 s，TL的下降速率最大；140～210 s，TM的下降速率最大；210～410 s，TU的下降速率最大。除霜結(jié)束時TU、TM、TL分別為16.1℃、8.4℃、5℃，除霜過程中蓄熱器的釋熱量為1 642.7 kJ，平均釋熱速率為4 kW。

圖7 間斷制熱蓄能除霜模式下蓄熱器內(nèi)不同位置水溫變化Fig.7 The variations of the water temperature at different measuring points in heat storage tank in the intermittent heating thermal storage defrosting mode

綜上所述：除霜時蓄熱器作為蒸發(fā)器，制冷劑自蓄熱器下部流入，除霜初始階段下部水溫較高，熱量充足，能夠提供足夠的低位熱量，制冷劑自下部取熱較多，故下部水溫下降較快，上部水溫下降較慢；制冷劑吸熱后自蓄熱器上部流出，被上部的高溫?zé)崴^熱，故前180 s蓄熱器低溫級出口溫度較高且比較穩(wěn)定；隨著下部水溫的降低，下部蓄熱不足，制冷劑自上部取熱增多，上部水溫下降變快，下部水溫下降變慢，蓄熱器出口溫度迅速降低。

2.2.3 不間斷制熱蓄能除霜時蓄熱器放熱特性分析

不間斷制熱蓄能除霜時間為600 s，除霜結(jié)束后，收集到的融霜水量為1.72 kg。該模式下低溫級壓縮機啟動，四通換向閥換向，室外風(fēng)機關(guān)閉。與間斷制熱蓄能除霜模式的不同，高溫級壓縮機和室內(nèi)風(fēng)機均開啟。蓄熱器作為蒸發(fā)器，提供的低位熱量分別用于低溫級的除霜和高溫級的制熱。圖8、圖9分別為不間斷制熱蓄能除霜時蓄熱器低溫級進出口制冷劑溫度變化和蓄熱器高溫級進出口制冷劑溫度變化。由圖8可知，后期除霜過程中蓄熱器低溫級進口溫度在－10℃左右波動，始終低于間斷制熱蓄能除霜時的值，相比間斷制熱蓄能除霜時蓄熱器低溫級出口溫度在除霜初始階段有一段時間的穩(wěn)定，不間斷制熱蓄能除霜時蓄熱器低溫級出口溫度在50 s時達到最大32.5℃，然后迅速降低，這可能是由低溫級低位熱量不足引起的。

圖8 不間斷制熱蓄能除霜模式下蓄熱器低溫級進出口制冷劑溫度變化Fig.8 The variations of refrigerant temperature at the inlet and outlet of LT cycle in heat storage tank in the continuous heating thermal storage defrosting mode

由圖9可知，隨著蓄熱器內(nèi)熱量的不斷減少，不間斷制熱蓄能除霜時蓄熱器高溫級進出口溫度隨時間均逐漸降低，相比蓄熱器低溫級出口溫度，高溫級蓄熱器出口溫度下降速率較快，在開機的60 s時出口溫度開始低于進口溫度，而蓄熱器低溫級出口溫度在440 s時才開始低于進口溫度，這是因為初期蓄熱器內(nèi)熱量足夠，出口有較大過熱度，出口溫度高于進口。隨著蓄熱器內(nèi)熱量釋放，吸氣壓力下降，同時蒸發(fā)溫度也下降。由于低溫級制冷劑的平均蒸發(fā)溫度比高溫級制冷級的平均蒸發(fā)溫度低，在換熱面積相差很小的情況下低溫級吸取的熱量大于高溫級。同時蓄熱器內(nèi)制冷劑流動阻力也很大，所以與低溫級相比，高溫級出現(xiàn)出口溫度低于進口溫度時間較早。

圖10所示為不間斷制熱蓄能除霜時蓄熱器內(nèi)不同位置水溫變化，可知制冷劑自下而上流過蓄熱器，TU、TM、TL的溫降均有一定延遲。除霜的前20 s，TL穩(wěn)定在28.5℃左右；除霜的前30 s，TM穩(wěn)定在32.4℃左右；除霜的前50 s，TU穩(wěn)定在34.4℃左右。之后隨著除霜的進行水溫逐漸降低20～110 s，TL的下降速率最大，為0.8℃、2℃、6.1℃。除霜過程中蓄熱器的釋熱量為1 892.4 kJ，較間斷制熱蓄能除霜時僅多了249.7 kJ，平均釋熱速率為3.2 kW，較間斷制熱蓄能除霜時減小了0.8 kW。

圖9 不間斷制熱蓄能除霜模式下蓄熱器高溫級進出口制冷劑溫度變化Fig.9 The variations of refrigerant temperature at the inlet and outlet of high temperature cycle in heat storage tank in the continuous heating thermal storage defrosting mode

圖10 不間斷制熱蓄能除霜模式下蓄熱器內(nèi)不同位置水溫變化Fig.10 The variations of the water temperature at different measuring points in heat storage tank in the continuous heating thermal storage defrosting mode

3 不同蓄能除霜模式蓄熱器放熱特性討論

由實驗結(jié)果分析可知，與間斷制熱蓄能除霜時蓄熱器低溫級進出口溫度的變化相比，不間斷制熱蓄能除霜時進出口溫度均較低，出口溫度在除霜初始階段沒有穩(wěn)定的時間段，除霜過程中蓄熱器釋熱量相比間斷制熱蓄能除霜時僅增多了249.7 kJ，蓄熱量不足，釋熱速率較小，可能是由于水溫的降低減緩了釋熱速度。釋熱過程中高低溫級機組同時從蓄熱器中取熱，低溫級蒸發(fā)溫度較低，高溫級蒸發(fā)溫度較高，且低溫級螺旋盤管的面積大于高溫級螺旋盤管的面積，由于熱量的耦合，可能使釋熱過程中，低溫級取熱較多，高溫級取熱不足。但考慮到蓄能除霜的主要目的是低溫級的除霜，首先保證低溫級的熱量供給是有益的。

4 結(jié)論

為解決復(fù)疊式空氣源熱泵除霜問題，本文在傳統(tǒng)的復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)中增加一個雙螺旋盤管蓄熱器，在室內(nèi)側(cè)干球溫度為22℃ ±0.1℃，相對濕度為50% ±3%；室外側(cè)干球溫度為－12℃ ±0.1℃，相對濕度為80%±3%的模擬工況條件下進行了蓄熱、間斷及不間斷制熱蓄能除霜模式的實驗，通過研究蓄熱器蓄放熱特性得出以下結(jié)論：

1）實驗過程中系統(tǒng)的蓄熱時間為27.8 min，蓄熱過程主要是低溫級制冷劑的顯熱釋熱過程。

2）所研制的雙螺旋盤管蓄熱器在溫度較低的情況下有良好的蓄熱、放熱能力，在間斷和不間斷制熱蓄能除霜過程中蓄熱器的釋熱量分別為1 642.7 kJ和1 892.4 kJ，可以滿足除霜的要求。

3）間斷制熱蓄能除霜時間為410 s，收集到的融霜水量為1.81 kg。不間斷制熱蓄能除霜時間為600 s，除霜結(jié)束后，收集到的融霜水跟不間斷制熱蓄能除霜的融霜水量大致相等，為1.72 kg。

蓄熱器存在阻力較大的問題，今后會在滿足蓄熱量的前提下，改進蓄熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

［1］馬最良，楊自強，姚楊，等.空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區(qū)應(yīng)用的分析［J］.暖通空調(diào)，2001，31（3）：28-32.（MA Zuiliang，YANG Ziqiang，YAO Yang，et al. Analysis of using air-source heat pump water chiller-heater units in the cold regions［J］.Journal of HV＆AC，2001，31（3）：28-32.）

［2］張建中，龔延風(fēng).空氣源熱泵冷熱水機組在南京的應(yīng)用［J］.中國建設(shè)信息，2002（1）：27-29.（ZHANG Jianzhong，GONG Yanfeng.Application of cooling and hot water unit with air source heat pump in Nanjing［J］.Information of China Construction，2002（1）：27-29.）

［3］陳建波，姚晶珊，韓星，等.不同環(huán)境溫度下復(fù)疊式空氣源熱泵高溫?zé)崴到y(tǒng)運行特性研究［J］.暖通空調(diào)，2013，43（7）：107-111.（CHEN Jianbo，YAO Jingshan，HAN Xing，et al.Study of cascade air-source heat pump of high temperature hot water unit under different environment temperature［J］.Journal of HV＆AC，2013，43（7）：107-111.）

［4］陳建波，姚晶珊，亢友立，等.復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性研究［J］.制冷學(xué)報，2014，35（1）：38-45.（CHEN Jianbo，YAO Jingshan，KANG Youli，et al.Research on control stability of cascade air-source heat pump［J］.Journal of Refrigeration，2014，35（1）：38-45.）

［5］Kaushik S C，Kumar P，Jain S.Performance evaluation of irreversible cascaded refrigeration and heat pump cycles［J］.Energy Conversion and Management，2002，43（17）：2405-2424.

［6］韓志濤，姚楊，馬最良，等.空氣源熱泵蓄能熱氣除霜新系統(tǒng)與實驗研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，39（6）：901-904.（HAN Zhitao，YAO Yang，MA Zuiliang，et al.A new air source heat pump system of energy store for heat flux defrost and it’s experimental study［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2007，39（6）：901-904.）

［7］張紅瑞，劉學(xué)來，李永安，等.節(jié)能高效空氣源復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)［J］.暖通空調(diào)，2010，40（11）：108-112.（ZHANG Hongrui，LIU Xuelai，LI Yongan，et al.Energy-efficient cascade air-source heat pump system［J］.Journal of HV＆AC，2010，40（11）：108-112.）

［8］曹琳，胡文舉，姜益強，等.空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)動態(tài)特性實驗研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2011，32（10）：1367-1373.（CAO Lin，HU Wenju，JIANG Yiqiang，et al.Experimental study on the dynamic characteristics of novel phase change method-based defrosting for an air source heat pump［J］.Journal of Harbin Engineering University，2011，32（10）：1367-1373.）

［9］董建鍇，姜益強.空氣源熱泵相變蓄能除霜特性實驗研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，38（1）：18-22.（DONG Jiankai，JIANG Yiqiang.Experimental study of the characteristics of defrosting for air source heat pump with phase change energy storage［J］.Journal of Hunan U-niversity（Natural Science），2011，38（1）：18-22.）

［10］文博，馬素霞，蔣永明，等.蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵蓄熱器特性實驗研究［J］.太陽能學(xué)報，2015，36（4）：922-927.（WEN Bo，MA Suxia，JIANG Yongming，et al.Experimental research on characteristics of the heat storage-evaporator in the air source heat pump system［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2015，36（4）：922-927.）

［11］王志華，王灃浩，鄭煜鑫，等.一種新型無霜空氣源熱泵熱水器實驗研究［J］.制冷學(xué)報，2015，36（1）：52-58.（WANG Zhihua，WANG Fenghao，ZHENG Yuxin，et al. Experimental research on a novel frost-free air-source heat pump water heater system［J］.Journal of Refrigeration，2015，36（1）：52-58.）

［12］張志強，陳華，周楚.相變蓄熱系統(tǒng)放熱過程性能實驗研究［J］.制冷學(xué)報，2015，36（3）：102-107.（ZHANG Zhiqiang，CHEN Hua，ZHOU Chu.Experimental study on performance of discharging process of phase change thermal storage system［J］.Journal of Refrigeration，2015，36（3）：102-107.）

［13］曲明璐，李封樹，余倩，等.空氣源熱泵不同蓄能除霜模式對室內(nèi)熱舒適的影響［J］.流體機械，2016，44（1）：60-65.（QU Minglu，LI Fengshu，YU Qian，et al.Impact on the indoor thermal comfort of an ASHP unit using different novel TES-based reverse cycle defrosting forms［J］. Fluid Machinery，2016，44（1）：60-65.）

［14］項招鵬.復(fù)疊式蓄熱型空氣源熱泵熱水器性能優(yōu)化分析［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2010.（XIANG Zhaopeng. Optimization design on cascade air source heat pump water heater with thermal storage［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2010.）

［15］朱玉娟.復(fù)疊式蓄熱型空氣源熱泵熱水器動態(tài)特性研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2010.（ZHU Yujuan. Dynamic thermal characteristics research on cascade air source heat pump water heater with PCM［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2010.）

［16］曲明璐，李天瑞，樊亞男，等.復(fù)疊式空氣源熱泵蓄能除霜與常規(guī)除霜特性實驗研究［J］.制冷學(xué)報，2017，38（1）：34-39.（QU Minglu，LI Tianrui，F(xiàn)AN Yanan，et al. Experimental study on characteristics of energy storage defrosting and conventional defrosting for cascade air source heat pump［J］.Journal of Refrigeration，2017，38（1）：34-39.）

Experimental Study on Characteristics of Spiral Tube Heat Storage
Tank for CASHP

Qu Minglu Fan Yanan Li Tianrui Wang Tan
（School of Environment＆Architecture，University of Shanghai for Science＆Technology，Shanghai，200093，China）

The performance of a spiral-tube heat storage tank added to a traditional cascade air source heat pump was experimentally investigated.The water temperature of different measuring points and the refrigerant temperature at the inlet and outlet of the heat storage tank were measured.The dry bulb temperature for indoor simulated conditions was 22℃ ±0.1℃，the relative humidity was 50% ±3%，and the dry bulb temperature for outdoor simulated conditions was－12℃ ±0.1℃.The characteristics of the heat storage tank in the thermal storage mode，thermal storage defrosting mode with intermittent heating，and thermal storage defrosting mode with continuous heating were experimentally studied.The experiment results indicated that the spiral-tube heat storage tank was effective for heat storage and heat release for low-grade heat sources at different temperatures.During a thermal storage defrosting mode with intermittent heating，and thermal storage defrosting mode with continuous heating，the amounts of heat release in the heat storage tank were 1642.7 kJ and 1892.4 kJ，respectively.These results can meet the requirements for defrosting and for part of indoor heating.

air source heat pump；cascade cycle；heat storage tank；charging and discharging characteristics；defrosting

TB61＋1；TQ051.5

：A

0253－4339（2017）03－0023－08

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.023

曲明璐，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，13795377789，E-mail：quminglu＠126.com。研究方向：空氣源熱泵，建筑設(shè)備熱質(zhì)交換過程。

國家自然科學(xué)基金青年基金（51406119）資助項目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No.51406119）.）

2016年7月14日

About the corresponding author

Qu Minglu，female，associate professor，School of Environment＆Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，＋86 13795377789，E-mail：quminglu＠126.com.Research fields：air source heat pump，heat and mass transfer process of building equipment.