融霜工況下壓縮機(jī)運(yùn)行頻率對(duì)空氣源熱泵機(jī)組制熱性能的影響

翁文兵，李 曉，李 霞

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

0 引言

空氣源熱泵空調(diào)是我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)主要的冬季采暖方式，在我國(guó)華北地區(qū)，空氣源熱泵也越來越多地被應(yīng)用于清潔能源改造的“煤改電”工程［1-4］。在冬季，當(dāng)室外側(cè)換熱器表面溫度低于0 ℃時(shí)，空氣源熱泵往往會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象［5］。霜層的增加會(huì)導(dǎo)致室外換熱器與空氣間的熱阻也相應(yīng)地增加，當(dāng)霜層積累到一定厚度，機(jī)組性能嚴(yán)重衰竭［6-9］，此時(shí)機(jī)組會(huì)進(jìn)入融霜程序，機(jī)組采用逆循環(huán)除霜［10-16］，通過將室外換熱器轉(zhuǎn)換成冷凝器，融化換熱器表面的霜層。融霜過程不但耗功，而且還消耗使用側(cè)熱量，對(duì)空氣源熱泵的性能和效率有較大的影響。因此，對(duì)于空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)霜、融霜研究顯得十分重要。文獻(xiàn)［17］實(shí)驗(yàn)研究了正常制熱工況下壓縮機(jī)頻率改變對(duì)壓縮機(jī)輸入功率、制熱量和COP的影響，結(jié)果表明，當(dāng)頻率小于50 Hz時(shí)壓縮機(jī)的輸入功率和制熱量基本與頻率呈線性關(guān)系，頻率大于50 Hz后，它們隨頻率增加的趨勢(shì)明顯變小。文獻(xiàn)［18］實(shí)驗(yàn)研究了結(jié)霜工況下壓縮機(jī)降速運(yùn)行對(duì)平均結(jié)霜速率和結(jié)除霜過程總能效比的影響，并得出壓縮機(jī)降速調(diào)節(jié)使平均結(jié)霜速率減小，總能效比增大，有改善熱泵機(jī)組結(jié)霜程度，提升熱泵機(jī)組供熱能效的效果。

本文通過試驗(yàn)對(duì)融霜工況下空氣源熱泵機(jī)組在不同頻率下的特性進(jìn)行了研究，得出了熱泵機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)隨壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的變化情況，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析并得出相關(guān)結(jié)論。

1 融霜工況空氣源熱泵測(cè)試系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

圖1示出了空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖，本樣機(jī)名義制熱工況下額定制熱量為16 331 W，額定頻率為70 Hz。制熱運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)出口的高溫高壓氣態(tài)制冷劑通過四通換向閥進(jìn)入板式換熱器的制冷劑側(cè)與水進(jìn)行換熱，恒溫水系統(tǒng)給板換提供恒定的進(jìn)水溫度和水流量，并計(jì)量板換的瞬時(shí)換熱量，通過瞬時(shí)換熱量的積分，可得機(jī)組的累計(jì)產(chǎn)熱量。

圖1 空氣源熱泵系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of air source heat pump system

表1為本次研究的試驗(yàn)工況，試驗(yàn)在空氣源熱泵測(cè)試室中進(jìn)行。試驗(yàn)采用了定制樣機(jī)，機(jī)組的運(yùn)行頻率為50～85 Hz，每5 Hz一檔。融霜工況為非穩(wěn)定工況，定義一次融霜結(jié)束至下一次融霜結(jié)束為一個(gè)制熱-融霜周期，簡(jiǎn)稱制熱周期。該周期包括一個(gè)制熱過程和一個(gè)融霜過程。

表1 測(cè)試工況Tab.1 Test conditions

1.2 融霜開始與結(jié)束判斷條件

在融霜工況下，熱泵機(jī)組的換熱溫差會(huì)隨著霜層厚度的增加而降低，因此可以用空氣溫度與蒸發(fā)溫度差作為啟動(dòng)融霜的依據(jù)，當(dāng)溫差超過設(shè)定閾值時(shí)，啟動(dòng)融霜過程。該閾值與環(huán)境溫度和壓縮機(jī)運(yùn)行頻率有關(guān)，通常為該頻率無霜狀態(tài)時(shí)換熱溫度的1.5～2倍。如運(yùn)行頻率為60 Hz時(shí)，無霜狀態(tài)下的環(huán)境與蒸發(fā)溫度差為6 ℃，融霜設(shè)定閾值為11 ℃。融霜過程中，機(jī)組壓縮機(jī)運(yùn)行頻率固定為45 Hz，四通換向閥失電，機(jī)組進(jìn)入制冷模式運(yùn)行。幾分鐘后，盤管溫度開始上升，說明霜層已基本融化。本試驗(yàn)以盤管溫度>25 ℃作為融霜結(jié)束的判斷條件，當(dāng)滿足此條件時(shí)，機(jī)組退出融霜過程，四通換向閥上電，重新進(jìn)入制熱過程。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 制熱過程瞬時(shí)數(shù)據(jù)變化分析

2.1.1 制熱過程熱泵機(jī)組瞬時(shí)制熱量變化分析

不同壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，熱泵機(jī)組瞬時(shí)制熱量不同。圖2示出了熱泵機(jī)組在一個(gè)制熱周期內(nèi)，制熱過程的制熱量隨時(shí)間的變化，曲線結(jié)束時(shí)間為制熱結(jié)束融霜開始的時(shí)間點(diǎn)。從圖中可以看出，在開始階段，壓縮機(jī)高頻工作時(shí)，機(jī)組的制熱量明顯高于壓縮機(jī)低頻工作時(shí)的制熱量。壓縮機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)，整個(gè)階段的制熱量的變化較為平緩，制熱的持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)。隨著壓縮機(jī)頻率的增加，機(jī)組的制熱過程持續(xù)時(shí)間變短，制熱量的衰減加快，而且頻率越高，衰減越快。50 Hz運(yùn)行時(shí)，機(jī)組融霜前的制熱量比最大制熱量下降22.8%，而80 Hz運(yùn)行時(shí)，機(jī)組融霜前的制熱量比最大制熱量下降36.5%。然而，機(jī)組在各個(gè)頻率下進(jìn)入融霜過程前的制熱量卻相差無幾，均在8 000 W左右。

圖2 熱泵機(jī)組瞬時(shí)制熱量隨時(shí)間的變化Fig.2 Changes of instantaneous heating output of heat pump unit with time

2.1.2 制熱過程壓縮機(jī)瞬時(shí)功率變化分析

圖3示出了吸氣壓力隨時(shí)間的變化。圖4示出了熱泵機(jī)組在不同壓縮機(jī)運(yùn)行頻率下，瞬時(shí)功率隨時(shí)間的變化。在相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間段內(nèi)，壓縮機(jī)頻率越高，機(jī)組的功率越大。當(dāng)運(yùn)行頻率較低時(shí)，機(jī)組功率在整個(gè)制熱過程內(nèi)變化不大，而當(dāng)運(yùn)行頻率較高時(shí)，瞬時(shí)功率會(huì)隨時(shí)間的推移，迅速下降，對(duì)照?qǐng)D2，3可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的吸氣壓力也迅速下降，瞬時(shí)制熱量也下降迅速，這說明當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率較高時(shí)，不但使制熱周期變短，而且霜層對(duì)機(jī)組傳熱性能和功率的影響也較低頻時(shí)大。

圖3 吸氣壓力隨時(shí)間的變化Fig.3 Changes of suction pressure with time

圖4 壓縮機(jī)瞬時(shí)功率隨時(shí)間的變化Fig.4 Changes of instantaneous power of compressor with time

2.1.3 制熱過程熱泵機(jī)組瞬時(shí)COP變化分析

圖5示出了制熱過程中，機(jī)組制熱性能系數(shù)COP隨時(shí)間的變化。從圖中可以看出，熱泵機(jī)組COP在低頻時(shí)明顯較高，而且整個(gè)制熱階段COP的降幅校小。50 Hz時(shí)，COP最低值為最高值的20.4%，而80 Hz時(shí)，COP的最低值為最高值的32.1%。

圖5 熱泵機(jī)組瞬時(shí)COP隨時(shí)間的變化Fig.5 Changes in instantaneous COP of heat pump unit with time

2.2 制熱-融霜周期積分?jǐn)?shù)據(jù)變化分析

2.2.1 制熱周期隨頻率變化分析

圖6示出了制熱周期隨壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的變化。機(jī)組的制熱周期與運(yùn)行頻率有明顯的單調(diào)遞減關(guān)系。熱泵機(jī)組在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的制熱周期明顯長(zhǎng)于高頻時(shí)的周期。如50 Hz時(shí)機(jī)組的周期為110 min，而85 Hz時(shí)，周期不到60 min，大約只有前者的55%，這主要是由于頻率增大時(shí)，機(jī)組的蒸發(fā)溫度降低，結(jié)霜速度加快，導(dǎo)致制熱周期變短。

圖6 制熱周期隨頻率的變化Fig.6 Changes of heating cycle with frequency

2.2.2 周期產(chǎn)熱量與融霜耗熱量隨頻率變化分析

本文對(duì)不同壓縮機(jī)運(yùn)行頻率下熱泵機(jī)組的結(jié)霜量、周期產(chǎn)熱量、融霜耗熱量、融霜損耗比進(jìn)行了計(jì)算，具體如下。

周期產(chǎn)熱量為制熱周期內(nèi)制熱過程總制熱量，按下式計(jì)算：

式中 Q1——產(chǎn)熱量，kJ；

t1——制熱過程結(jié)束時(shí)間，s；

t0——起始時(shí)間，即周期開始時(shí)間，s，t0=0；

q（t）—— 瞬時(shí)制熱量，kW，融霜時(shí)此值為負(fù)。

融霜耗熱量為融霜過程所消耗的熱量，按下式計(jì)算：

式中 Q2——融霜耗熱量，kJ；

t2——融霜過程結(jié)束時(shí)間，s。

融霜損耗比為融霜耗熱量與周期產(chǎn)熱量的比值。此值表征機(jī)組在融霜工況下融霜過程的相對(duì)損耗。

結(jié)霜量為制熱周期所產(chǎn)生的霜的質(zhì)量，采用融霜稱重法，將每次融霜產(chǎn)生的水進(jìn)行稱重測(cè)量。

圖7示出了機(jī)組一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)熱量和融霜耗熱量隨頻率的變化，可以看出在50～80 Hz范圍內(nèi)，機(jī)組的周期產(chǎn)熱量變化不大，85 Hz時(shí)，周期產(chǎn)熱量有明顯的下降。融霜耗熱量隨著頻率的增加略有上升，當(dāng)頻率大于70 Hz后，趨于穩(wěn)定。

圖7 周期產(chǎn)熱量與融霜耗熱量隨頻率的變化Fig.7 Changes of heating output and defrosting heat consumption with frequency in heating cycle

圖8示出了結(jié)霜量和融霜損耗比隨頻率的變化，可以看出結(jié)霜量在整個(gè)試驗(yàn)范圍內(nèi)變化不大，融霜損耗比隨頻率升高緩慢上升。

圖8 結(jié)霜量與融霜損耗比隨頻率的變化Fig.8 Changes of frost amount and defrost loss ratio with frequency

總的來說，在80 Hz以下范圍，運(yùn)行頻率變化對(duì)周期產(chǎn)熱量、融霜耗熱量、融霜損耗比影響不大，當(dāng)頻率為85 Hz時(shí)，周期產(chǎn)熱量顯著下降、融霜損耗比增加。周期產(chǎn)熱量隨著整個(gè)實(shí)驗(yàn)的范圍內(nèi)變化不大。

2.2.3 有效融霜熱量與有效融霜率隨頻率變化分析

有效融霜熱量為將霜層融化所需的溶解熱。有效融霜率為有效融霜熱量與融霜耗熱量之比（不含融霜過程中壓縮機(jī)耗功），表征了融霜過程中，理想融霜所需熱量與實(shí)際消耗熱量之比。

圖9示出了熱泵機(jī)組有效融霜熱量和有效融霜率隨時(shí)間的變化?？梢钥闯觯煌瑝嚎s機(jī)運(yùn)行頻率各制熱周期的有效融霜率基本相同，為30%左右，說明融霜過程中70%的融霜耗熱量用于加熱盤管和其他損耗。

圖9 有效融霜熱量與有效融霜率隨頻率的變化Fig.9 Changes of effective defrosting heat and effective defrosting rate with frequency

2.3 制熱周期平均數(shù)據(jù)變化分析

2.3.1 周期平均蒸發(fā)溫度隨頻率變化分析

熱泵機(jī)組制熱運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)溫度不斷變化，本文采用周期平均蒸發(fā)溫度來表征運(yùn)行過程中的蒸發(fā)溫度。

周期平均蒸發(fā)溫度為制熱過程中蒸發(fā)溫度平穩(wěn)下降段的平均值。蒸發(fā)溫度平穩(wěn)下降段取熱泵機(jī)組制熱運(yùn)行后蒸發(fā)溫度下降5 ℃的時(shí)間段。圖10示出了不同壓縮機(jī)運(yùn)行頻率周期平均蒸發(fā)溫度變化情況。由圖可知，隨著壓縮機(jī)運(yùn)行頻率提高，平均蒸發(fā)溫度呈線性下降趨勢(shì)，從50 Hz時(shí)的-3.1 ℃，降到85 Hz時(shí)的-7.5 ℃，蒸發(fā)溫度下降導(dǎo)致了機(jī)組的制熱周期變短和制熱效率降低。

圖10 周期平均蒸發(fā)溫度隨頻率的變化Fig.10 Changes of average evaporation temperature with frequency in the cycle

2.3.2 周期平均制熱量、平均功率和平均COP隨頻率變化分析

融霜工況是非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，因此可以用平均參數(shù)來反映熱泵機(jī)組特性。

周期平均制熱量反映一個(gè)周期時(shí)間段內(nèi)扣除了融霜耗熱量后的有效平均制熱量。

定義式如下：

式中 q——周期平均制熱量，W。

如圖11所示，機(jī)組的周期平均功率隨頻率增加呈線性上升，平均COP隨頻率線性下降。周期平均制熱量隨著運(yùn)行頻率提高緩慢增大，且變化趨勢(shì)逐漸變緩，在80 Hz時(shí)達(dá)最大值，然后呈下降趨勢(shì)。這是由于壓縮機(jī)頻率提高，結(jié)霜速率增加，熱泵機(jī)組融霜頻繁，因此熱泵機(jī)組的周期平均制熱量并沒有隨壓縮機(jī)運(yùn)行頻率同步提高，甚至在高頻時(shí)出現(xiàn)下降。

圖11 周期各平均值隨頻率的變化Fig.11 Changes of mean values with frequency in the cycle

這表明在頻率較低時(shí)，頻率的提高可以增加制熱量，但導(dǎo)致了制熱效率COP的降低。當(dāng)頻率為80 Hz時(shí)，機(jī)組的制熱量達(dá)到了最大值，繼續(xù)增大頻率，反而使有效平均制熱量下降。

2.4 運(yùn)行頻率增加對(duì)平均制熱量和功率增加量的影響

對(duì)比在各個(gè)頻率下，頻率增加對(duì)周期平均制熱量、平均功率的增加量的影響更能反映出頻率增加對(duì)熱泵性能的影響。二者定義式如下：

式中 ΔQ（F），ΔP（F）—— 每 5 Hz平均制熱量增量、每5 Hz平均功率增量，W；

Q（F），P（F）—— 當(dāng)前頻率平均制熱量、平均功率，W；

Q（F-5），P（F-5）—— 上一頻率平均制熱量、平均功率，W。

圖12示出了運(yùn)行頻率每增加5 Hz，熱泵機(jī)組周期平均制熱量增量、平均功率增量與頻率的關(guān)系。從圖中可以看出，在73 Hz之前熱泵機(jī)組周期平均制熱量增量大于平均功率增量，當(dāng)頻率為73 Hz時(shí)，增加的制熱量等于增加的功率，頻率大于73 Hz時(shí)，制熱量的增加不及功率的增加，即提高頻率后的整機(jī)效率，不如固定頻率73 Hz加輔助電熱的整機(jī)效率。當(dāng)頻率大于80 Hz時(shí)，周期平均制熱量隨頻率負(fù)增長(zhǎng)。

圖12 每5 Hz制熱量增量與功率增量隨頻率的變化Fig.12 Changes of heating increment and power increment per 5 Hz with frequency

圖12中在頻率較低時(shí)，每5 Hz功率增加量隨頻率增加緩慢增加，當(dāng)頻率大于70 Hz后，由于單位容積功下降，所以功率的增量也呈下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）制熱-融霜周期隨機(jī)組運(yùn)行頻率的變化非常敏感，降低運(yùn)行頻率可以有效延長(zhǎng)制熱-融霜周期。

（2）熱泵機(jī)組蒸發(fā)壓力、COP隨頻率增加均呈下降趨勢(shì)，功率隨頻率增加呈上升趨勢(shì)。

（3）在試驗(yàn)工況下，一個(gè)周期內(nèi)熱泵機(jī)組的有效融霜熱量、融霜耗熱量、結(jié)霜量隨頻率變化不大，周期產(chǎn)熱量在80 Hz之前基本不變，在85 Hz時(shí)出現(xiàn)下降。

（4）在試驗(yàn)工況下，熱泵機(jī)組周期平均制熱量隨壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的提高先上升后下降，在80 Hz達(dá)到最大值。之后頻率的增加反而會(huì)導(dǎo)致制熱量的降低。

（5）在試驗(yàn)工況下，當(dāng)運(yùn)行頻率大于73 Hz時(shí)，每增加5 Hz引起平均制熱量增加量比平均功率增加量少，提高頻率后的整機(jī)效率，不如固定頻率73 Hz加輔助電熱的整機(jī)效率，此時(shí)提高運(yùn)行頻率不及采用電輔熱更節(jié)能。