新型空氣-水雙熱源復合熱泵系統(tǒng)性能和除霜實驗

徐俊芳，趙耀華，王皆騰，趙會剛，梁元元

（1北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100022；2北京市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)科學技術(shù)研究所，北京 100021）

新型空氣-水雙熱源復合熱泵系統(tǒng)性能和除霜實驗

徐俊芳1,2，趙耀華1，王皆騰2，趙會剛2，梁元元2

（1北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100022；2北京市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)科學技術(shù)研究所，北京 100021）

針對低溫環(huán)境條件下熱泵逆循環(huán)除霜存在的諸多問題，提出了一套具備預(yù)熱除霜功能的新型空氣-水雙熱源復合熱泵系統(tǒng)（new air-water double source composite heat pump system, AWDSHPS-N），通過閥門切換和低溫水源側(cè)水泵的啟?？刂瓶芍苯舆M入除霜模式，除霜過程中可保證制熱的連續(xù)性，每次除霜時長不超過 5 min。利用恒溫恒濕環(huán)境倉模擬室外環(huán)境條件，可調(diào)控水溫的低溫水箱模擬太陽能等低溫熱源搭建AWDSHPS-N實驗臺，對不同測試工況下，單空氣源制熱模式（air source heating mode, ASHM）、單水源制熱模式（water source heating mode,WSHM）、空氣-水雙熱源制熱模式（air-water source heating mode, AWSHM）3種制熱模式將水從18℃加熱至51℃的系統(tǒng)性能系數(shù)（coefficient of performance, COP）進行了實驗，結(jié)果表明：AWSHM的COP比ASHM提高了6.1%～20.5%；當環(huán)境溫度和低溫水源溫度均高于15℃時，系統(tǒng)COP高低順序為AWSHM、ASHM和WSHM。

熱泵；雙熱源；再生能源；系統(tǒng)性能；優(yōu)化設(shè)計；除霜；實驗驗證

引 言

隨著我國社會經(jīng)濟不斷發(fā)展、城鎮(zhèn)化工作不斷推進和人民生活水平日益提高，建筑能耗所占社會總能耗的比重越來越高。2014年北京市民用建筑能耗占社會總能耗的比例達到了 45.6%，建筑節(jié)能減排對控制社會總能耗增長和改善環(huán)境質(zhì)量發(fā)揮著越來越重要的作用，而大力推廣太陽能、空氣能等可再生能源在建筑中的應(yīng)用已成為實現(xiàn)建筑節(jié)能的重要措施之一[1]。除太陽能應(yīng)用于建筑外，空氣源熱泵應(yīng)用于農(nóng)村住宅或別墅建筑采暖系統(tǒng)中可以獲得良好的節(jié)能減排效果，碳排放量可比燃氣鍋爐減少12%，運行能耗比電采暖節(jié)省 55%～70%，比傳統(tǒng)集中供熱系統(tǒng)節(jié)省23%～46%[2-5]。但是，單一太陽能利用技術(shù)或空氣源熱泵技術(shù)存在諸多缺點，如太陽能本身不穩(wěn)定的問題，空氣源熱泵在低溫環(huán)境中運行時會出現(xiàn)供熱量減少、啟停頻繁，蒸發(fā)器表面結(jié)霜和空氣流動阻力增大等問題，導致其應(yīng)用于建筑中的實際節(jié)能效果不佳[3,6-8]?；趶秃蠠岜眉夹g(shù)將太陽能、空氣能等兩種或幾種可再生能源形式耦合成一套復合供能系統(tǒng)可優(yōu)勢互補，逐步成為該領(lǐng)域研究的新方向和新熱點[9]。

空氣-水雙熱源復合熱泵與太陽能聯(lián)合應(yīng)用系統(tǒng)一般分設(shè)太陽能集熱水箱和生活/采暖用熱水箱（高溫水箱），可實現(xiàn)單太陽能供熱模式、單空氣能供熱模式和太陽能-空氣能雙熱源供熱模式，以適應(yīng)不同環(huán)境條件，達到最大限度地利用可再生能源進行節(jié)能的目的[10-15]。王強等[16-17]的研究結(jié)果表明太陽能-空氣源復合熱泵系統(tǒng) COP比常規(guī)系統(tǒng)要高，冬季可以利用蓄熱熱水反向除霜；當太陽能熱水溫度為 20～30℃時復合熱泵機組比單一空氣源熱泵制熱量增加23.3%～24.4%。復合熱泵的蒸發(fā)器可通過3種方案實現(xiàn)，如劉寅等[18-19]設(shè)計出一個套管-翅片式復合蒸發(fā)器及太陽能-空氣源復合熱源熱泵樣機，制冷劑采用R22，室外環(huán)境溫度為-15℃時，雙熱源制熱運行模式的系統(tǒng) COP比單一空氣源提升了50%～62%。王崗等[20-21]搭建的太陽能-空氣源復合熱泵系統(tǒng)采用了制冷劑（R22）管和熱水管并排交替設(shè)置的復合蒸發(fā)器，環(huán)境溫度為 5～15℃，雙熱源制熱時COP比單空氣源制熱提升了5.14%～11.38%；并使太陽能光伏發(fā)電效率提升到14.5%，整個系統(tǒng) COP達到了 3.07。徐鵬等[22]對一風冷蒸發(fā)器和水冷蒸發(fā)器并聯(lián)設(shè)置的太陽能光伏-熱泵復合供能系統(tǒng)進行研究，在環(huán)境溫度為 4℃時，熱泵系統(tǒng)平均制熱COP為2.72，光熱光伏綜合利用效率為 34.0%。制冷劑的選擇對熱泵系統(tǒng)亦很重要，同一熱泵系統(tǒng)采用不同制冷劑有著相似的運行狀況，但熱泵系統(tǒng)性能存在差異，當環(huán)境溫度低于 13℃時，R744熱泵系統(tǒng)COP高于R134a，而R134a熱泵系統(tǒng)COP高于R22；當環(huán)境溫度高于13℃時，COP高低順序變?yōu)镽134a > R744 > R22[23]。空氣源熱泵在低溫環(huán)境下運行時，因蒸發(fā)器結(jié)霜導致熱泵性能不斷變差，選用R407C熱泵系統(tǒng)惡化速度遠大于R22，同時R407C的熱泵機組達到穩(wěn)定運行狀態(tài)所需時間比R22短[24]。目前空氣源熱泵最常用的除霜模式為逆循環(huán)除霜，其次為熱氣旁通除霜和電加熱除霜，此外還有熱水噴淋除霜和壓縮機停機除霜等[25-28]。除霜對熱泵系統(tǒng)制熱影響是多方面的，如采用逆循環(huán)除霜時，熱泵系統(tǒng)停止向外供熱，且還需從供熱環(huán)境中吸收熱量；除霜結(jié)束后，轉(zhuǎn)為供熱運行時還需要“補償”除霜期間從環(huán)境、熱泵相關(guān)組件與管路中吸收的熱量，存在熱容損失[29-30]。

目前復合熱泵技術(shù)相關(guān)研究涉及低溫高濕環(huán)境下機組除霜的仍為少數(shù)。本文選用R134a為制冷劑，提出了一套具備預(yù)熱除霜功能的套管-翅片復合蒸發(fā)器及對應(yīng)的新型空氣-水雙熱源復合熱泵系統(tǒng)（new air-water double source composite heat pump system，AWDSHPS-N），低溫環(huán)境下復合熱泵機組除霜時不需停機，通過閥門開關(guān)及水泵啟停控制可實現(xiàn)多種模式除霜。搭建實驗臺對AWDSHPS-N的運行性能和除霜過程進行了實驗研究，驗證AWDSHPS-N的可行性。

1 實驗裝置和方法

1.1 具備預(yù)熱除霜功能的新型復合蒸發(fā)器

具備預(yù)熱除霜功能的復合蒸發(fā)器為一種新型復合蒸發(fā)器，其結(jié)構(gòu)如圖1，由除霜管段和復合蒸發(fā)段組成。除霜段是在復合蒸發(fā)器空氣進口側(cè)設(shè)置了一排制冷劑管路，熱泵需啟動進行除霜時，通過閥門控制實現(xiàn)壓縮機出口的制冷劑或冷凝器出口的制冷劑先流經(jīng)除霜管進行放熱除霜，之后再流向單向閥、膨脹閥和蒸發(fā)器等，復合蒸發(fā)器水側(cè)管路可以同時輔助除霜。復合蒸發(fā)段采用了套管式-翅片式的復合換熱器，內(nèi)管內(nèi)側(cè)為熱水流道，內(nèi)外管間的環(huán)隙為制冷劑R134a流道，外管外側(cè)與翅片形成空氣流道；其中內(nèi)管采用內(nèi)螺紋管，以強化水側(cè)換熱。此種復合蒸發(fā)器的設(shè)計方案可避免逆循環(huán)除霜時熱泵制熱供熱的不連續(xù)性、復合蒸發(fā)器制冷劑管路（套管環(huán)隙）由低壓轉(zhuǎn)為高壓帶來的危害（尤其內(nèi)管，可被壓扁導致內(nèi)側(cè)水流道不暢），同時減少了除霜時蒸發(fā)器的熱容損失，增強了復合熱泵系統(tǒng)各部件工作的穩(wěn)定性，延長了使用壽命。

圖1 新型復合蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of new-type composite evaporator

圖2 新型空氣-水雙熱源復合熱泵系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of new-type air-water double source composite heat pump system

1.2 新型空氣-水雙熱源復合熱泵系統(tǒng)實驗臺

利用恒溫恒濕環(huán)境倉（下文簡稱環(huán)境倉）模擬室外不同環(huán)境條件，將AWDSHPS-N的蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥、氣液分離器、儲液器等主要復合熱泵機組置于環(huán)境倉內(nèi)，將高溫水箱（water tank 1）、低溫水箱（water tank 2）、循環(huán)水泵、流量計置于環(huán)境倉外，搭建了新型空氣-水雙熱源復合熱泵系統(tǒng)實驗臺，系統(tǒng)原理如圖2所示。

AWDSHPS-N 制熱運行時，閥門 V-4、V-5、V-6、V-7開啟；通常情況下V-1和V-3關(guān)閉，V-2開啟。AWDSHPS-N運行模式包括單空氣源制熱模式（ASHM）、單水源制熱模式（WSHM）和空氣-水雙熱源制熱模式（AWSHM）；當在低溫環(huán)境中ASHM運行需要除霜時，系統(tǒng)可實現(xiàn)5種除霜模式，即冷凝器出口制冷劑再冷除霜模式（D-Ⅰ）、低溫熱水除霜模式（D-Ⅱ）、低溫熱水+冷凝器出口制冷劑再冷聯(lián)合除霜模式（D-Ⅲ）、熱氣旁通除霜模式（D-Ⅳ）和低溫熱水+熱氣旁通聯(lián)合除霜模式（D-Ⅴ）。不同運行模式下各閥門、水泵和風機的開關(guān)情況如表1。

表1 不同運行模式下各閥門、水泵和風機的開關(guān)情況Table 1 Switch state of every valve, pump and fan at different modes

1.3 AWDSHPS-N實驗臺部件規(guī)格

復合蒸發(fā)器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)：復合蒸發(fā)段共 3排管，內(nèi)管外徑9.52 mm，底壁厚0.4 mm，齒高0.25 mm；外管外徑15.7 mm，壁厚0.5 mm；空氣側(cè)換熱面積為14.15 m2。除霜段共1排管，管外徑15.7 mm，壁厚0.5 mm。鋁翅片總規(guī)格為165 mm×457 mm，翅片間距為2.6 mm。管材為紫銅，按等邊三角形排列，管間距為38 mm，單排管長為6.14 m。

壓縮機為 1匹的渦旋壓縮機，型號為MLZ015T5LP9；設(shè)有兩個膨脹閥（型號均為Danfoss TEN2）；高溫水箱容積為 80 L；低溫水箱容積為60 L，配置兩個加熱棒，功率分別為2 kW和3 kW，可根據(jù)設(shè)定低溫水箱水溫控制加熱設(shè)備啟停；低溫水泵（pump 2）型號為Wilo-Star-RS，額定功率為45 W；冷凝器為套管式換熱器，額定換熱能力為3.5 kW；風機額定功率65 W，額定風量1500 m3·h-1。為解決低溫環(huán)境條件下復合蒸發(fā)器的水路及相應(yīng)管路中的防凍問題，低溫水箱中采用了濃度為35%的乙二醇溶液。

1.4 AWDSHPS-N運行性能實驗

1.4.1 實驗測試參數(shù)與測試儀表 實驗測試參數(shù)主要包括環(huán)境倉內(nèi)溫度和濕度、高溫水箱和低溫水箱的水溫、冷凝器水流量、蒸發(fā)器水流量、蒸發(fā)器與冷凝器進出口水溫和制冷劑溫度、蒸發(fā)器進出口空氣溫度和濕度（環(huán)境溫度和濕度），壓縮機和膨脹閥進出口的壓力與溫度。其中溫度傳感器為四線制PT100（精度±0.2℃），壓力傳感器型號為HX-800（精度0.2%），水流量采用型號為LWGY-15的渦輪流量計（0.5級），通過Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將這4種傳感器信號傳送并記錄于計算機中，每10 s記錄一組數(shù)據(jù)；壓縮機、冷凝器側(cè)水泵、蒸發(fā)器側(cè)水泵、蒸發(fā)器風機等部件的耗電量測試裝置采用Fluke 1730三相電能記錄儀，功率和耗電量為每1 min記錄一組數(shù)據(jù)。

1.4.2 實驗數(shù)據(jù)處理方法 根據(jù)測得的溫度、濕度、流量、耗電功率等參數(shù)，計算得到AWDSHPS-N制熱量、機組的耗電量和COP等主要參數(shù)，如下

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 AWDSHPS-N的系統(tǒng)性能

2.1.1 測試工況 將環(huán)境倉（環(huán)境）的相對濕度（φam）設(shè)定為 60%，環(huán)境倉溫度（Tam）范圍設(shè)定為-5～30℃，進行 ASHM、WSHM 和 AWSHM 3種制熱模式系統(tǒng)性能實驗測試，測試工況詳見表2。各工況測試過程中復合蒸發(fā)器表面未發(fā)現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，因此未考慮除霜對熱泵系統(tǒng)性能的影響，同時未考慮制熱運行V-3關(guān)閉時除霜管路中制冷劑的積存對系統(tǒng)性的影響。

2.1.2 實驗結(jié)果 ASHM、WSHM、AWSHM 3種制熱模式下得到的各工況系統(tǒng)COP如圖3所示。AWSHM系統(tǒng)COP始終高于ASHM，比ASHM提高了6.1%～20.5%；若蒸發(fā)器進水溫度（Tw,ev-in）與進風溫度（Tair,ev-in）保持一致，則溫度越低，AWSHM下COP較ASHM的優(yōu)勢越小；實際應(yīng)用中須保證蒸發(fā)器水側(cè)及管路不結(jié)凍，蒸發(fā)器進水溫度有下限要求，若低溫環(huán)境下蒸發(fā)器進水溫度保持在最低要求（如 5℃）的條件下，環(huán)境溫度越低，AWSHM下COP的優(yōu)勢越明顯；當環(huán)境溫度和低溫水源溫度均高于 15℃時，3種制熱模式 COP高低順序為AWSHM、ASHM和WSHM。測試工況下，AWSHM和ASHM的COP最高值分別可達到4.37和4.12。

表2 AWDSHPS-N系統(tǒng)性能實驗測試工況Table 2 Test conditions of AWDSHPS-N COP

圖3 3種運行模式下系統(tǒng)性能實驗結(jié)果Fig.3 COP test results of AWSHM，ASHM and WSHM

2.1.3 實驗現(xiàn)象 圖4為AWSHM在工況4下冷凝器進出口水溫（Tw,con-in和Tw,con-out）、壓縮機進出口R134a溫度（TR134a,com-in和TR134a,com-out）、壓縮機耗電功率（Qcom）、復合蒸發(fā)器進出口水溫（Tw,ev-in和Tw,ev-out）和復合蒸發(fā)器進出口空氣溫度（Tair,ev-in和Tair,ev-out）等隨實驗時間的變化規(guī)律。運行工況穩(wěn)定后，由于復合蒸發(fā)器進口水溫和進風溫度實驗過程中保持穩(wěn)定，蒸發(fā)器出口水溫和空氣溫度也穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，復合蒸發(fā)器同時從水側(cè)和空氣側(cè)吸收熱量；隨冷凝溫度的提升，壓縮機出口R134a溫度升高，壓縮機耗電功率增加。

圖4 AWSHM水溫、制冷劑溫度和壓縮機耗電功率的變化規(guī)律（工況4）Fig.4 Tw, TR134a and Qcom change conditions of AWSHM at Case 4

圖5 AWSHM下高溫水箱水溫、系統(tǒng)制熱量、壓縮機耗電功率計進出口壓力變化規(guī)律（工況1、3、5、7）Fig.5 Tw1, QAW, Qcom and Pcom change conditions of AWSHM(Cases 1,3,5,7)

圖5為AWSHM在工況1、工況3、工況5、工況7實驗中相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，運行穩(wěn)定后，不同工況主要參數(shù)的變化規(guī)律類似。隨著高溫水箱水溫的升高，壓縮機排氣壓力和溫度逐步上升，而系統(tǒng)制熱能力呈緩慢下降趨勢，且隨運行環(huán)境條件的改善，下降趨勢更明顯[圖5（a）]。同一實驗工況下，壓縮機吸氣壓力保持穩(wěn)定，隨著排氣壓力不斷增大，冷凝溫度不斷提升，導致壓縮機的工作狀態(tài)惡化，耗電功率不斷增加，工況結(jié)束時壓縮機耗電功率約為起初的 1.7倍[圖5（b）]。同冷凝條件下，熱泵系統(tǒng)制熱能力，壓縮機的耗電功率、吸氣和排氣壓力，隨著環(huán)境條件的改善而提高，如工況7的平均輸出熱量功率為工況3的2.41倍。

2.2 AWDSHPS-N除霜實驗

AWDSHPS-N制熱運行中，圖2中閥門V-1長期處于壓縮機出口高溫高壓氣態(tài)制冷劑中，且除霜時高溫高壓氣態(tài)制冷劑流經(jīng)V-1時因局部阻力會釋放大量潛熱，致使閥門內(nèi)的密封膠墊易老化或硬化損壞，實驗中更換該閥門3次，均因膠圈墊老化導致閥門 V-1無法開啟無法實現(xiàn)熱氣旁通除霜的目的。因此，AWDSHPS-N除霜模式可采用冷凝器出口制冷劑再冷除霜、低溫熱水除霜、低溫熱水+冷凝器出口制冷劑再冷聯(lián)合除霜3種模式。

2.2.1 除霜實驗工況 同環(huán)境條件下，冷凝溫度越低，熱泵制熱功率越高，蒸發(fā)器需吸收熱量越多，使得其表面越易結(jié)霜，除霜難度越大。因此進行AWDSHPS-N除霜實驗驗證時，將環(huán)境倉內(nèi)溫度控制在-5～5℃范圍內(nèi)，相對濕度控制在 90%左右；首先進行冷凝器進水溫度為35℃時除霜分析，模擬AWDSHPS-N與地板輻射采暖等低溫末端聯(lián)合應(yīng)用于建筑供暖中的運行工況，并進行冷凝器進水溫度為25℃時除霜效果校核驗證。

2.2.2 除霜實驗現(xiàn)象 冷凝器進水溫度為35℃時，ASHM在低溫高濕環(huán)境下運行，復合蒸發(fā)器進出口空氣溫度、系統(tǒng)制熱功率及壓縮機功耗變化如圖6所示，圖中結(jié)霜過程中蒸發(fā)器進出口空氣溫度多次小幅度突變是因定時開門進入環(huán)境倉內(nèi)觀察實驗現(xiàn)象造成的。除霜過程分析如下。

圖6 ASHM結(jié)霜除霜實驗變化規(guī)律（Tw,con-in=35℃）Fig.6 Variation of ASHM frosting and defrosting(Tw,con-in=35℃)

（1）第1次除霜。ASHM在Tair,ev-in=-3.6℃、φair,ev-in=91.1%的環(huán)境條件下運行60 min后采用低溫熱水+冷凝器出口制冷劑再冷除霜模式（D-Ⅲ，除霜過程中蒸發(fā)器平均進水溫度Tw,ev-in=5℃），可在5 min內(nèi)完成除霜，熱泵系統(tǒng)制熱功率由除霜前的1829.5 W降低為143 W（除霜過程中均值，下文同），壓縮機耗電功率由831.1 W降低為660 W，除霜3 min后 Tair,ev-out由-4.4℃升至 1.4℃；復合蒸發(fā)器出口側(cè)霜層融化過程見圖7。同時發(fā)現(xiàn)此條件下只采用冷凝器出口制冷劑再冷除霜模式無法達到除霜目的，采用 5℃低溫熱水除霜模式需要較長的除霜時間。

圖7 低溫熱水+冷凝器出口制冷劑再冷除霜模式除霜過程Fig.7 Defrosting process of low temperature hot water + condenser outlet refrigerant recooling defrosting

（2）第 2次除霜。ASHM 在 Tair,ev-in=1.8℃、φair,ev-in=84%的環(huán)境條件下運行 90 min后采用冷凝器出口制冷劑再冷除霜模式（D-Ⅰ）可在5 min內(nèi)完成除霜，熱泵系統(tǒng)制熱功率由除霜前的2251.7 W降低為204.7 W，壓縮機耗電功率由849.4 W降低至642.3 W；除霜1 min后Tair,ev-out由-1.5℃升至0.3℃，除霜完成時為2.5℃。

（3）第3次除霜。采用低溫熱水除霜模式（D-Ⅱ，Tw,ev-in=22.5℃），除霜實驗前 ASHM 在Tair,ev-in=-1.8℃、φair,ev-in=89.4%環(huán)境條件下運行，除霜3 min后Tair,ev-out由-2.3℃升至0.9℃，5 min內(nèi)亦可完成除霜；此除霜模式相當于復合熱泵系統(tǒng)由ASHM轉(zhuǎn)變?yōu)槌^程中的AWSHM，且蒸發(fā)器進水溫度較高，極大改善了蒸發(fā)器的運行條件，除霜的同時還可提高熱泵系統(tǒng)制熱功率和COP，壓縮機功耗也由除霜前的876.9 W增加至932.4 W。

（4）由3次除霜過程分析可歸納出除霜終止的判定條件為蒸發(fā)器出口空氣溫度升至 0℃后繼續(xù)除霜至少2 min，建議除霜時長為5 min。

（5）對冷凝器進口水溫為25℃時進行除霜的實驗校核，ASHM下啟動D-Ⅲ除霜模式（Tw,ev-in=7.7℃）2 min后Tair,ev-out由-1.1℃升至1.3℃；啟動D-Ⅰ除霜模式2 min后Tair,ev-out由-1.6℃升至0.7℃；啟動D-Ⅱ除霜模式（Tw,ev-in=24℃）2 min后Tair,ev-out由-1.9℃升至0.2℃；3次除霜均在5 min完成。

3 結(jié) 論

本文提出了一種具備預(yù)熱除霜功能的新型復合蒸發(fā)器及新型空氣-水雙熱源復合熱泵系統(tǒng)，對其系統(tǒng)性能及除霜進行了實驗研究，得出如下結(jié)論。

（1）通過在復合蒸發(fā)器空氣進口側(cè)增設(shè)除霜制冷劑管排，可實現(xiàn)冷凝器出口制冷劑再冷除霜、低溫熱水除霜和低溫熱水+冷凝器出口制冷劑再冷除霜等除霜模式，且除霜過程中可保證復合熱泵系統(tǒng)制熱的連續(xù)性。

（2）AWDSHPS-N的AWSHM運行時系統(tǒng)COP比ASHM提高了6.1%～20.5%；系統(tǒng)制熱能力除受機組自身配置影響外，主要的影響因素為環(huán)境溫度、冷凝溫度及運行模式；實際應(yīng)用中應(yīng)對不同制熱模式制定合理的運行控制策略。

（3）AWDSHPS-N除霜時長可取5 min，除霜終止的判定條件為蒸發(fā)器出口空氣溫度升至 0℃以上后繼續(xù)除霜至少2 min；采用低溫熱水+冷凝器出口制冷劑再冷除霜模式對低溫水源的溫度要求比單低溫熱水除霜模式低。

符 號 說 明

G——水質(zhì)量流量，kg·s-1

M——水箱中的水量，kg

P——制冷劑壓力，MPa

Q——熱泵系統(tǒng)制熱功率，kW

q——熱泵系統(tǒng)制熱量，kJ

T——溫度，℃

φ——相對濕度，%

下角標

A ——單空氣源制熱模式

AW——空氣-水雙熱源制熱模式

air——空氣

am——環(huán)境或恒溫恒濕環(huán)境倉內(nèi)

com——壓縮機

con——冷凝器

ev——蒸發(fā)器

in——入口

out——出口

R134a——制冷劑R134a

W——單水源制熱模式

w——水

1,2——分別為高溫水箱1和低溫水箱2

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date:2017-01-10.

Prof. WANG Jieteng, wangjieteng@sina.com

supported by the National Key Technology Support Program(2012BAA13B02).

System performance and defrosting test of new air-water double source composite heat pump system

XU Junfang1,2, ZHAO Yaohua1, WANG Jieteng2, ZHAO Huigang2, LIANG Yuanyuan2
(1College of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing100022,China;2Beijing Science and Technology Institute of Housing and Urban-Rural Development,Beijing100021,China)

In order to improve many disadvantages that the heat pump system has when it uses the reverse-cycle defrosting method in the low temperature environment, a new air-water double source composite heat pump system (AWDSHPS-N) was presented. This system has a new preheating and defrosting function. AWDSHPS-N has defrosted for 5 min and has 5 different defrosting ways, such as the condenser outlet refrigerant recooling defrosting, the low temperature-hot water defrosting, and so on. It can be put into different modes by changing some relevant valves or starting and stopping the pump of the low temperature water. In this way, the heat output power of AWDSHPS-N may be reduced dramatically, but the system can produce heating continuously. A test-bed including constant temperature and humidity environment storehouse and a low temperature water tank were set up to get operating data for coefficient of performance (COP) of AWDSHPS-N. The environment storehouse imitates the change in outdoor environment by keeping the temperature and the humidity at a certain level constantly, and the low temperature water tank with two electric heating bars can be thought as a low temperature heating source of a solar energy system or a waste heat system. By heating the water from 18℃ to 51℃, the COP of AWDSHPS-N was tested and analyzed in air source heating mode (ASHM), water source heating mode(ASHM), water source heating mode (WSHM) and air-water double source heating mode (AWSHM), respectively.By calculating, the COP of AWSHM is 6.1%—20.5% higher than ASHM. When the ambient temperature and the low temperature water are both above 15℃, the COP of AWSHM is the best one, and the COP of WSHM is the last one among these three heating modes.

heat pump; double-heat sources; renewable energy; system performance; optimal design; defrosting;experimental validation

TK 519

A

0438—1157（2017）11—4301—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170041

2017-01-10收到初稿，2017-03-31收到修改稿。

聯(lián)系人：王皆騰。

徐俊芳（1982—），男，博士研究生。

國家科技支撐計劃項目（2012BAA13B02）。