準(zhǔn)二級壓縮熱泵大流量除霜技術(shù)研究

張光鵬 駱名文 陳文強(qiáng)

廣東美的暖通設(shè)備有限公司

0 引言

我國北方寒冷地區(qū)的采暖方式主要以燃煤鍋爐、電鍋爐采暖為主，這是導(dǎo)致北方霧霾嚴(yán)重原因之一[1]?？諝庠礋岜檬且环N低碳、節(jié)能、舒適、安全的采暖方式，愈加受到人們重視，市場潛力巨大，有望成為北方供暖的主要方式[2]。在傳統(tǒng)空氣源熱泵的實際使用過程中，除霜性能是空氣源熱泵一項至關(guān)重要技術(shù)參數(shù)[3]，在目前的市場投訴中，除霜不干凈、積冰等問題是空氣源熱泵在市場表現(xiàn)中的重要問題[4]。一方面，熱泵室外換熱器結(jié)霜會增大空氣流通阻力，空氣流量降低，熱泵制熱能力也隨之降低。另一方面，霜層會增大換熱器表面熱阻，大大降低其換熱效率，機(jī)組制熱性能會受到嚴(yán)重影響[5]。尤其是在初冬時期的凍雨、霧霾、高濕等天氣條件下，經(jīng)常出現(xiàn)蒸發(fā)器整個被冰霜包裹的現(xiàn)象，除霜問題顯得更為嚴(yán)峻。

目前空氣源熱泵常用的基本除霜方法有逆向循環(huán)法[6]、熱氣旁通法[7]、電加熱法[2]、蓄熱除霜法[8]等。逆向循環(huán)除霜方法能用自身熱泵產(chǎn)熱進(jìn)行除霜，結(jié)構(gòu)簡單、能耗低，但同時也存在冷媒循環(huán)流量低、除霜時間長的問題[9-10]。本文提出了智能冷媒循環(huán)流量控制除霜技術(shù)和智能除霜控制邏輯組合應(yīng)用的優(yōu)化除霜方案，旨在加快除霜進(jìn)程，提高系統(tǒng)可靠性，為熱泵系統(tǒng)除霜技術(shù)的進(jìn)一步研究和推廣提供參考。

1 準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)原理

準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)的原理簡圖如圖1所示。氣態(tài)冷媒經(jīng)壓縮機(jī)增溫增壓后，進(jìn)入四通閥，然后通入冷凝器中（套管式換熱器）中釋放熱量，加熱外部循環(huán)水，同時冷媒被冷凝成液態(tài)。冷凝器后的液態(tài)冷媒分為兩部分，一部分經(jīng)過EXVC膨脹閥節(jié)流后降溫降壓，然后通入經(jīng)濟(jì)器，另一部分則直接通入經(jīng)濟(jì)器，兩部分冷媒在經(jīng)濟(jì)器中進(jìn)行熱交換。前一部分冷媒在經(jīng)濟(jì)器中吸熱，由液態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)，然后通入壓縮機(jī)的中間級，實現(xiàn)降低壓縮機(jī)的排氣溫度的作用。后一部分的冷媒在經(jīng)濟(jì)器中放熱，溫度進(jìn)一步降低，經(jīng)過EXVA節(jié)流閥降溫降壓后通入蒸發(fā)器（翅片式換熱器）吸收環(huán)境熱量蒸發(fā)成氣態(tài)，然后依次通過四通閥和氣液分離器，進(jìn)入壓縮機(jī)。準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)由于壓縮機(jī)中間級通入的冷媒溫度較低，可降低此處冷媒的焓值，從而降低壓縮機(jī)出口的排氣溫度。因此，準(zhǔn)二級壓縮熱泵的壓縮比可設(shè)計得更大，從而提高冷凝器的出水溫度。

圖1 準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)原理簡圖

2 除霜技術(shù)分析

2.1 常規(guī)除霜技術(shù)

以圖1為例，熱泵通常的除霜過程都是四通閥換向后，冷媒反向流過蒸發(fā)器，節(jié)流部件和冷凝器實現(xiàn)除霜，問題是除霜時冷凝壓力很低、高低壓差較小、節(jié)流部件阻力較大，從而造成除霜時熱泵系統(tǒng)冷媒循環(huán)量較低，除霜時間比較長。其次，在水溫較高時蒸發(fā)溫度升高，極易造成系統(tǒng)排氣壓力迅速升高而造成高壓保護(hù)，損失系統(tǒng)可靠性。同時，逆向除霜時，熱泵會從冷凝器（套管式換熱器）中吸熱，停止室內(nèi)供熱，影響使用舒適性。

2.2 大流量除霜技術(shù)

本文基于圖1的準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)提出自適應(yīng)調(diào)節(jié)的大流量除霜技術(shù)，工質(zhì)采用R410A，思路是為除霜運行設(shè)計了專用的節(jié)流部件，降低除霜運行時節(jié)流部件的阻力，增大冷媒的流量，如圖2中虛線框所示。該部件由兩部份組成，一部分在節(jié)流電子膨脹閥EXVA并聯(lián)單向閥DXFA，第二部分在節(jié)流電子膨脹閥EXVB并聯(lián)單向閥DXFB1的基礎(chǔ)上同時并聯(lián)單向閥DXFB2與電磁閥SV6的串聯(lián)部件。正常熱泵制熱運行時單向閥DXFB2和DXFA處于截止?fàn)顟B(tài)，單向閥DXFB1處于通行狀態(tài)。除霜運行時：如果循環(huán)水溫較低，可以關(guān)閉除霜電磁閥SV6、調(diào)節(jié)EXVB的開度以及降低壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)頻率，避免除霜時套管換熱器內(nèi)的水無法提供足夠的熱量而造成系統(tǒng)回液和循環(huán)水凍結(jié)。如果水溫較高，則開啟除霜電磁閥SV6，調(diào)節(jié)EXVB的開度以及提高壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)頻率，使得冷媒可以同時通過單向閥DXFA和DXFB2，主回路電子膨脹閥EXVA和EXVB進(jìn)入套管換熱器，此時可以大大增加冷媒的循環(huán)量，從而能使蒸發(fā)器在短時間內(nèi)得到更多的熱量，與普通空氣源熱泵相比，可以更快的除完冰霜。

圖2 大流量除霜系統(tǒng)運行示意圖

機(jī)組正常連續(xù)運行時，智能控制系統(tǒng)會根據(jù)機(jī)組自身的狀態(tài)，例如：蒸發(fā)溫度及下降趨勢、進(jìn)水溫度以及環(huán)境溫度，選擇一種合適的除霜方案進(jìn)行除霜運行，進(jìn)入除霜運轉(zhuǎn)的控制邏輯如圖3所示。翅片換熱器中的翅片溫度是觸發(fā)除霜運轉(zhuǎn)的一個關(guān)鍵參數(shù)，若翅片溫度低于設(shè)定值一且下降速率太快，進(jìn)入除霜運行。若翅片溫度持續(xù)低于設(shè)定值二，進(jìn)入除霜運行。此外，蒸發(fā)壓力（蒸發(fā)溫度）過低或者壓力（溫度）下降速率太快，系統(tǒng)進(jìn)入除霜運行。

圖3 進(jìn)入除霜運轉(zhuǎn)的控制邏輯示意圖

與該系統(tǒng)相匹配的除霜進(jìn)行控制邏輯方案如圖4所示。除霜進(jìn)程主要由排氣壓力（排氣溫度），出水溫度和節(jié)流閥兩端的高低壓差來進(jìn)行控制。排氣壓力（排氣溫度）過低，不利于快速除霜，因此壓縮機(jī)運行頻率提高，排氣壓力隨之升高，冷媒循環(huán)流量也隨之升高，加快除霜，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值二時，運行頻率不再上升，當(dāng)壓力高于設(shè)定值三，則需降頻。出水溫度高，則可適當(dāng)提高壓縮機(jī)運行頻率，加快除霜進(jìn)程，同時需實時監(jiān)測出水溫度，避免出水溫度過低，影響舒適性或造成循環(huán)水凍結(jié)。節(jié)流閥兩端的高低壓差高，則可開大主節(jié)流閥，增大冷媒循環(huán)流量，同時需實時監(jiān)測高低壓差，避免壓差過低。

圖4 除霜熱泵系統(tǒng)冷媒循環(huán)流量控制方案

通過綜合壓縮機(jī)的排氣溫度、排氣壓力、進(jìn)出水水溫等系統(tǒng)運行參數(shù)搭載自適應(yīng)智能算法控制壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)頻率、節(jié)流閥開度等系統(tǒng)零部件，調(diào)節(jié)除霜過程中的冷媒循環(huán)流量，使得冷媒循環(huán)流量始終保持在系統(tǒng)除霜所需的最優(yōu)值，確保除霜干凈，除霜迅速和系統(tǒng)運行可靠。

3 除霜性能測試結(jié)果及分析

本文針對上述的大流量除霜系統(tǒng)進(jìn)行了配置并實施了除霜性能測試，系統(tǒng)關(guān)鍵部件所采用的設(shè)備如表1所示，該系統(tǒng)熱泵在正常運行時，額定制熱量為36 kW。常規(guī)除霜系統(tǒng)則不配置膨脹閥EXVB，電磁閥SV6和單向閥，其他部件與大流量除霜系統(tǒng)的部件相同，額定制熱量也為36 kW。

表1 大流量除霜系統(tǒng)方案配置表（36 kW）

3.1 系統(tǒng)各參數(shù)在系統(tǒng)除霜過程中的變化趨勢

圖5是智能冷媒循環(huán)流量調(diào)節(jié)中大流量除霜技術(shù)與常規(guī)除霜方式的系統(tǒng)各運行參數(shù)在除霜過程中的對比結(jié)果。從0 s開始，大流量除霜系統(tǒng)（本文設(shè)計方案）與常規(guī)除霜系統(tǒng)開始運行。如圖5（a）所示，常規(guī)除霜系統(tǒng)在開始時，吸氣壓力會突然升高，然后逐漸降回到原壓力附近運行，而排氣壓力則在除霜開始后迅速下降，然后隨著除霜過程的推進(jìn)逐漸升高。當(dāng)常規(guī)除霜系統(tǒng)運行至120 s時，吸氣壓力和排氣壓力發(fā)生突變，這是由于除霜過程已經(jīng)完成，熱泵恢復(fù)常規(guī)運行狀態(tài)。對于本文設(shè)計的大流量除霜系統(tǒng)，吸氣壓力和排氣壓力的變化趨勢與常規(guī)除霜系統(tǒng)的變化趨勢相似，但由于大流量除霜系統(tǒng)采用了自適應(yīng)調(diào)節(jié)的節(jié)流部件，降低了節(jié)流阻力，因而在除霜過程，大流量除霜系統(tǒng)的吸氣壓力會高于常規(guī)除霜系統(tǒng)的吸氣壓力，因而經(jīng)壓縮機(jī)增壓后，排氣壓力也高于常規(guī)除霜系統(tǒng)的排氣壓力。從圖中可明顯看出，大流量除霜系統(tǒng)大約在80 s時完成除霜運行，吸氣壓力和排氣壓力也在80 s后逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。如圖5（b）所示，相對于常規(guī)除霜系統(tǒng)，大流量除霜系統(tǒng)在除霜運行時，冷媒在蒸發(fā)器出口的過熱度有所降低，而冷媒在冷凝器出口的過冷度增加，這有利于增大單位冷媒在蒸發(fā)器的吸熱量，加快除霜進(jìn)程。圖5（c）是除霜系統(tǒng)進(jìn)出水溫度變化圖，由于大流量除霜系統(tǒng)冷媒循環(huán)流量大、吸熱量大，因此在兩種除霜系統(tǒng)進(jìn)水溫度及流量相差不多的情況下，大流量除霜系統(tǒng)的出水溫度較低，最低溫度為28 ℃，仍控制在合理范圍內(nèi)，對舒適性影響不大，而常規(guī)除霜系統(tǒng)出水最低溫度則為30.5 ℃。圖5（d）是除霜系統(tǒng)運行時冷凝器冷媒的進(jìn)出口溫度，大流量除霜系統(tǒng)的冷媒入口溫度比常規(guī)系統(tǒng)入口溫度低5-10 ℃，冷媒出口溫度則與常規(guī)系統(tǒng)的出口溫度相差不多，但由于大流量除霜系統(tǒng)除霜過程較快，在60 s時，冷媒的出口溫度已有明顯上升的趨勢，這是由于外部換熱器的霜層大幅度減少，冷媒放熱量變少，從而溫度升高。大約在80 s時，除霜完成，除霜系統(tǒng)停止運行。而常規(guī)除霜系統(tǒng)則約在120 s時，才完成除霜。

圖5 系統(tǒng)除霜過程對比圖

圖6是除霜系統(tǒng)除霜運行時套管換熱器進(jìn)出口的冷媒溫度和蒸發(fā)溫度的變化圖。在除霜過程中，大流量除霜系統(tǒng)由于節(jié)流部件阻力減小從而減小了壓降，蒸發(fā)壓力（蒸發(fā)溫度）較高，套管換熱器入口的冷媒溫度和蒸發(fā)溫度均明顯高于常規(guī)除霜系統(tǒng)，這有利于快速除霜。大流量除霜系統(tǒng)套管換熱器冷媒出口溫度與常規(guī)系統(tǒng)蒸發(fā)器冷媒出口溫度相差不大，這是由于大流量除霜系統(tǒng)的冷媒循環(huán)流量較大，導(dǎo)致蒸發(fā)器中冷媒溫升小于常規(guī)除霜系統(tǒng)。

圖6 兩種除霜方式溫度對比

3.2 不同蒸發(fā)壓力對壓縮機(jī)排氣壓力和系統(tǒng)COP的影響

圖7是不同蒸發(fā)溫度下壓縮機(jī)的排氣壓力對比圖。在除霜過程中，大流量除霜系統(tǒng)由于節(jié)流部件阻力減小從而減小了壓力損失，因此，在相同的蒸發(fā)溫度下，排氣壓力始終大于常規(guī)除霜系統(tǒng)。蒸發(fā)溫度越高時，大流量除霜系統(tǒng)和常規(guī)除霜系統(tǒng)的排氣壓力差異越明顯，這是由于蒸發(fā)壓力隨蒸發(fā)溫度升高而增大，排氣壓力也隨之增大，壓力損失也相應(yīng)增大了。

圖7 不同蒸發(fā)溫度下壓縮機(jī)的排氣壓力對比

圖8是一個除霜周期內(nèi)不同蒸發(fā)溫度下的COP對比圖，該圖各蒸發(fā)溫度下的COP值均以7 ℃大流量除霜系統(tǒng)的COP值為基準(zhǔn)進(jìn)行百分比折算。在除霜過程中，大流量除霜系統(tǒng)COP百分比優(yōu)于常規(guī)除霜系統(tǒng)，這是由于大流量除霜系統(tǒng)增加了系統(tǒng)冷媒循環(huán)量，蒸發(fā)器短時間內(nèi)獲得了更多的熱量，實現(xiàn)快速除霜，有效減小了除霜期間對系統(tǒng)COP的影響，從而將系統(tǒng)COP提高了1%～4%。

圖8 不同蒸發(fā)壓力下系統(tǒng)COP對比

4 結(jié)論

常規(guī)熱泵在除霜過程中，由于節(jié)流部件阻力大，冷媒循環(huán)流量小，降低了除霜性能。筆者對準(zhǔn)二級壓縮熱泵進(jìn)行改裝，專門為除霜過程設(shè)計自適應(yīng)調(diào)節(jié)的節(jié)流部件，降低除霜過程的節(jié)流阻力，增大冷媒循環(huán)流量，改善除霜性能。經(jīng)過系統(tǒng)性能研究，得出以下結(jié)論：

1）與常規(guī)準(zhǔn)二級壓縮除霜系統(tǒng)相比，大流量除霜系統(tǒng)除霜速度快，除霜時間縮短1/3（由120 s縮短至80 s）。

2）由于大流量除霜系統(tǒng)節(jié)流閥的壓力損失較小，使該系統(tǒng)的冷媒循環(huán)流量、排氣溫度和蒸發(fā)溫度都高于常規(guī)除霜系統(tǒng)，加快了除霜進(jìn)程，盡管這會一定程度降低套管換熱器出水溫度，但對舒適性影響不大。

3）不同蒸發(fā)壓力下，一個除霜周期內(nèi)，大流量除霜系統(tǒng)能效表現(xiàn)更高，COP值比常規(guī)除霜系統(tǒng)高1%～4%。