帶儲(chǔ)液氣液分離器的空氣源熱泵除霜系統(tǒng)研究

馬龍霞 劉孜璇 王灃浩,2 王志華,2 樓業(yè)春

(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)大學(xué)建筑節(jié)能研究中心 西安 710049)

空氣源熱泵因其清潔、安全、便于維護(hù)而受到廣泛應(yīng)用，但其在冬季供熱時(shí)，當(dāng)室外空氣溫度為-7～5 ℃，相對(duì)濕度高于60%，室外蒸發(fā)器表面易結(jié)霜[1-2]。隨著霜層的累積，系統(tǒng)的供熱量和性能系數(shù)(coefficient of performance, COP)降低。為保障空氣源熱泵在低溫、高濕環(huán)境下的工作性能，必須周期性地進(jìn)行除霜。根據(jù)除霜能量的來(lái)源，可將除霜方法分為[3]: 利用熱能使霜層融化的熱力除霜，如：電加熱除霜[4]、逆循環(huán)除霜[5]和熱氣旁通除霜[6]，以及采用非加熱手段完成除霜的非熱力除霜，如：高壓電場(chǎng)除霜[7]和超聲波除霜[8]。目前普遍應(yīng)用的是熱力除霜方法，其中逆循環(huán)除霜由于系統(tǒng)改造簡(jiǎn)單、無(wú)需附加設(shè)備和特殊工藝，而成為最常用的一種熱力除霜方法[9-10]。

逆循環(huán)除霜存在壓縮機(jī)濕壓縮和除霜時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。為避免壓縮機(jī)濕壓縮，有學(xué)者在系統(tǒng)蒸發(fā)器后設(shè)置氣液分離器，利用重力原理使制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)前進(jìn)行氣液相分離，以避免液態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)[11]。A. Beaver等[12]將T形管式氣液分離器用于蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)CO2跨臨界循環(huán)中蒸發(fā)器入口前的氣液相分離。胡記超等[13]開發(fā)了適應(yīng)于小型R410A噴射式制冷系統(tǒng)的新型氣液分離器，并通過(guò)CFD方法研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其分離效率的影響，結(jié)果表明，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)下氣液分離器的氣相分離效率可達(dá)到0.98。齊迪等[14]研究了氣液分離器的內(nèi)部流場(chǎng)和壓力場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)擋板和吸氣管口是壓損的主要原因，分別占總壓損的41.58%和29.52%，采用拱形面擋板和擴(kuò)管吸氣管的優(yōu)化方案后壓力損失降低31.35%，COP提高0.656%。Xu Xing等[15]采用實(shí)驗(yàn)研究和CFD相結(jié)合的方法研究了進(jìn)口流體速度、液位高低及分離器尺寸等對(duì)氣液旋流式分離器性能的影響，并探究了其在補(bǔ)氣式壓縮制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用，結(jié)果表明，入口速度較高時(shí)會(huì)引起較大的湍流，影響分離效果，分離器尺寸減至80%時(shí)存在最佳的系統(tǒng)性能。對(duì)于除霜時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，有研究表明，提高壓縮機(jī)吸氣溫度有利于壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，且能延緩機(jī)組結(jié)霜[16]。美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出在氣液分離器內(nèi)部設(shè)置電加熱器可以提高壓縮機(jī)的制冷劑吸排氣溫度與壓力，室外換熱器的結(jié)霜量也有所降低[17]。

以上分析表明，蒸發(fā)器后增設(shè)氣液分離器可以提高進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑干度，避免濕壓縮。為更好地解決逆循環(huán)除霜時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，提高逆循環(huán)除霜的系統(tǒng)性能，且能兼顧避免濕壓縮的問(wèn)題，本文將傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)(原系統(tǒng))的儲(chǔ)液器與氣液分離器耦合，提出一種帶儲(chǔ)液氣液分離器的空氣源熱泵除霜系統(tǒng)(新系統(tǒng))，并對(duì)其熱力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 儲(chǔ)液氣液分離器結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)原理

1.1 儲(chǔ)液氣液分離器結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)液氣液分離器結(jié)構(gòu)如圖1所示，由氣態(tài)制冷劑進(jìn)出口管、液態(tài)制冷劑進(jìn)出口管、儲(chǔ)液腔、氣液分離腔組成。制熱時(shí)，儲(chǔ)液腔中的高溫高壓制冷劑與氣液分離腔中的低溫低壓制冷劑在儲(chǔ)液氣液分離器中發(fā)生熱量交換，使儲(chǔ)液腔中的制冷劑過(guò)冷，氣液分離腔中的制冷劑過(guò)熱，此時(shí)儲(chǔ)液氣液分離器相當(dāng)于一個(gè)回?zé)崞?。除霜時(shí)，由于壓力差的作用使儲(chǔ)液器腔內(nèi)的高溫高壓制冷劑被迅速壓入室內(nèi)換熱器參與除霜循環(huán)，提高了系統(tǒng)的除霜效率。

圖1 儲(chǔ)液氣液分離器結(jié)構(gòu)

1.2 原系統(tǒng)工作原理

傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)工作原理如圖2所示。制熱時(shí)，經(jīng)壓縮機(jī)(1)作用的高溫高壓制冷劑經(jīng)四通換向閥(6)后在室內(nèi)機(jī)(2)向房間放熱，放熱完成后制冷劑流經(jīng)儲(chǔ)液器(3)，在膨脹閥(4)中節(jié)流降壓，再進(jìn)入室外機(jī)(5)吸收室外空氣中的熱量，經(jīng)四通換向閥(6)在氣液分離器(7)中實(shí)現(xiàn)氣液兩相制冷劑分離，最后氣態(tài)制冷劑被吸入壓縮機(jī)繼續(xù)升溫升壓完成制熱循環(huán)。除霜時(shí)，四通換向閥換向，制冷劑逆向流動(dòng)，制冷劑向室外放熱融化霜層，實(shí)現(xiàn)除霜。

1壓縮機(jī)；2室內(nèi)機(jī)；3儲(chǔ)液器；4膨脹閥；5室外機(jī)；6四通換向閥；7氣液分離器；8,9電磁閥。

1.3 新系統(tǒng)原理

帶儲(chǔ)液氣液分離器的空氣源熱泵系統(tǒng)工作原理如圖3所示。制熱時(shí)，如圖3(a)所示，關(guān)閉閥(7)，開啟閥(8)。制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)(1)作用為高溫高壓制冷劑，流經(jīng)四通換向閥(5)進(jìn)入室內(nèi)機(jī)(2)放熱，冷卻后的制冷劑進(jìn)入儲(chǔ)液氣液分離器(6)的儲(chǔ)液腔繼續(xù)向氣液分離腔中的低溫制冷劑放熱。從儲(chǔ)液氣液分離器(6)的液態(tài)制冷劑出口流出的制冷劑流經(jīng)單向閥(8)，在膨脹閥(3)中節(jié)流降壓后進(jìn)入室外機(jī)(4)吸收室外空氣的熱量，再流經(jīng)四通閥(5)，進(jìn)入儲(chǔ)液氣液分離器(6)的氣液分離腔，制冷劑在氣液分離腔中依靠重力作用實(shí)現(xiàn)氣液分離的同時(shí)吸收儲(chǔ)液腔中的熱量，這時(shí)就會(huì)有更多的液態(tài)制冷劑受熱汽化，氣液分離腔中的制冷劑過(guò)熱。過(guò)熱的氣態(tài)制冷劑返回到壓縮機(jī)參與下一個(gè)制熱循環(huán)。

1壓縮機(jī)；2室內(nèi)機(jī)；3膨脹閥；4室外機(jī)；5四通換向閥；6儲(chǔ)液氣液分離器；7,8電磁閥。

除霜時(shí)，如圖3(b)所示，關(guān)閉閥(8)，開啟閥(7)，制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)(1)壓縮為高溫高壓的制冷劑，經(jīng)過(guò)四通換向閥(5)，進(jìn)入室外機(jī)(4)放熱除霜，接著進(jìn)入膨脹閥(3)節(jié)流降壓，此時(shí)儲(chǔ)液氣液分離器內(nèi)管路壓力不變，外管路壓力降低，管路間形成的壓差使儲(chǔ)液氣液分離器儲(chǔ)液腔內(nèi)的制冷劑被迅速壓入室內(nèi)換熱器參與除霜循環(huán)，之后進(jìn)入室內(nèi)機(jī)(2)從室內(nèi)房間吸熱，從室內(nèi)機(jī)流出的制冷劑進(jìn)入儲(chǔ)液氣液分離器(6)的氣液分離腔實(shí)現(xiàn)氣液分離器后，氣態(tài)的制冷劑被吸入壓縮機(jī)(1)參與下一個(gè)循環(huán)。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

為了研究新型空氣源熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，搭建了新型空氣源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由新型空氣源熱泵系統(tǒng)(新系統(tǒng))、傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)(原系統(tǒng))、空氣處理機(jī)組、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，實(shí)驗(yàn)室布局如圖4所示，其中空氣處理機(jī)組為實(shí)驗(yàn)提供所需實(shí)驗(yàn)工況。實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)試范圍、型號(hào)和精度如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

表2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)

2.2 除霜控制策略

本實(shí)驗(yàn)所采用的除霜控制策略是實(shí)驗(yàn)機(jī)自帶的積霜除霜自動(dòng)控制方法，該方法是根據(jù)翅片積霜時(shí)間和是否已積霜作為依據(jù)判斷熱泵系統(tǒng)是否需要進(jìn)行除霜。進(jìn)入積霜要滿足以下條件：1)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間大于除霜開機(jī)時(shí)間；2)單元出水溫度大于退出除霜出水溫度(15 ℃)；3)正在除霜壓縮機(jī)數(shù)小于除霜百分?jǐn)?shù)與總壓縮機(jī)數(shù)的乘積；4)翅片溫度小于等于允許除霜翅溫(-2 ℃)；5)環(huán)境溫度小于等于允許除霜環(huán)溫(12 ℃)。是否已積霜是根據(jù)環(huán)境溫度、翅片溫度、環(huán)翅溫差等指標(biāo)智能判斷。當(dāng)環(huán)翅差即環(huán)境溫度和翅片溫度的差值變化4 ℃(中度結(jié)霜溫差)且累計(jì)積霜運(yùn)行時(shí)間大于等于除霜間隔時(shí)，判斷系統(tǒng)為持續(xù)中度結(jié)霜；當(dāng)環(huán)翅差變化超過(guò)6 ℃(重度結(jié)霜溫差)時(shí)，判斷系統(tǒng)為重度結(jié)霜，以上任意條件滿足時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入除霜。退出除霜的判斷依據(jù)是：當(dāng)除霜運(yùn)行時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間值時(shí)，系統(tǒng)退出除霜；若小于設(shè)定的時(shí)間值，則判斷壓縮機(jī)系統(tǒng)是否為高壓，若是則系統(tǒng)停機(jī)，否則判斷翅片溫度與退出除霜翅溫和退出除霜偏差之和的關(guān)系，若翅片溫度大于等于退出除霜翅溫與退出除霜偏差之和，則系統(tǒng)停機(jī)，反之繼續(xù)判斷翅片溫度和退出除霜翅溫的關(guān)系，若任一壓縮機(jī)系統(tǒng)的翅片溫度大于等于退出除霜翅溫，則系統(tǒng)退出除霜，反之回到時(shí)間設(shè)定值，繼續(xù)循環(huán)。

2.3 不確定度分析

為表征實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，引入不確定度分析。在實(shí)驗(yàn)研究中，主要針對(duì)室內(nèi)機(jī)進(jìn)口水溫、出口水溫以及循環(huán)流量、熱泵機(jī)組功率、水泵功率和風(fēng)機(jī)功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并基于以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)制熱量和性能系數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

|Qh|=cp,wmw(Tin-Tout)

(1)

Wtotal=Wcom+Wpump+Wfan

(2)

(3)

式中：|Qh| 為機(jī)組制熱量的絕對(duì)值，kW；cp,w為水的熱熔，kJ/(kg·K)；mw為水的循環(huán)流量，kg/s；Tin為室內(nèi)機(jī)進(jìn)口溫度，℃；Tout為室內(nèi)機(jī)出口溫度，℃；Wtotal為總功率，kW；Wcom為壓縮機(jī)功率，kW；Wpump為水泵功率，kW；Wfan為風(fēng)機(jī)功率，kW；COP為系統(tǒng)性能系數(shù)。

根據(jù)不確定度的分析方法[18]，系統(tǒng)制熱量和性能系數(shù)的不確定度如下式所示：

ΔQh=

(4)

ΔCOP=

(5)

由表2可知，溫度測(cè)試存在的最大誤差為±0.1%，流量測(cè)試存在的最大相對(duì)誤差為±3%，功率測(cè)試存在的最大相對(duì)誤差為±0.1%。經(jīng)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)所得系統(tǒng)制熱量的最大相對(duì)不確定度為±1.02%，COP的最大相對(duì)不確定度為±1.03%，均在誤差范圍內(nèi)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 結(jié)霜情況

在干球溫度為5 ℃、空氣相對(duì)濕度為90%的工況下，原系統(tǒng)與新系統(tǒng)蒸發(fā)器表面結(jié)霜情況如圖5所示。原系統(tǒng)從達(dá)到工況點(diǎn)到開始除霜共運(yùn)行33 min，達(dá)到工況點(diǎn)20 min后，如圖5(a)所示，能夠觀察到蒸發(fā)器表面的霜層。達(dá)到工況點(diǎn)30 min，結(jié)霜面積更大，霜層更厚。新系統(tǒng)從達(dá)到工況點(diǎn)到開始除霜共運(yùn)行87 min，如圖5(b)所示，達(dá)到工況點(diǎn)60 min后可以觀察到蒸發(fā)器表面結(jié)霜，在前20 min和30 min內(nèi)，蒸發(fā)器翅片表面未結(jié)霜。在此工況下，新系統(tǒng)延緩結(jié)霜40 min。

圖5 環(huán)境溫度5 ℃，相對(duì)濕度90%實(shí)驗(yàn)工況蒸發(fā)器表面結(jié)霜情況

在干球溫度為5 ℃、空氣相對(duì)濕度為70%的工況下，原系統(tǒng)與新系統(tǒng)蒸發(fā)器表面結(jié)霜情況如圖6所示。原系統(tǒng)從達(dá)到工況點(diǎn)到開始除霜共運(yùn)行21 min，達(dá)到工況點(diǎn)10 min蒸發(fā)器表面霜層較薄，在20 min時(shí)霜層較為明顯，如圖6(a)所示。新系統(tǒng)從達(dá)到工況點(diǎn)到開始除霜共運(yùn)行86 min，達(dá)到工況點(diǎn)73 min后可以觀察到設(shè)備上形成了較明顯的霜層，在前10 min和20 min內(nèi)，如圖6(b)所示，蒸發(fā)器表面未結(jié)霜。在此工況下，新系統(tǒng)延緩結(jié)霜53 min。

圖6 環(huán)境溫度5 ℃，相對(duì)濕度70%實(shí)驗(yàn)工況蒸發(fā)器表面結(jié)霜情況

在干球溫度為-5 ℃、相對(duì)濕度為90%的工況下，機(jī)組蒸發(fā)器表面結(jié)霜情況如圖7所示。原機(jī)組從達(dá)到工況點(diǎn)到開始除霜共運(yùn)行50 min，達(dá)到工況點(diǎn)9 min后即可觀察到蒸發(fā)器表面的霜層，機(jī)組運(yùn)行40 min后，霜層變厚，完全覆蓋在換熱器的表面。新機(jī)組從達(dá)到工況點(diǎn)到開始除霜共運(yùn)行171 min，達(dá)到工況點(diǎn)34 min后可以觀察到表面的較薄的霜層，但在相同的時(shí)間段內(nèi)，相比于原系統(tǒng)，可以觀察到新系統(tǒng)蒸發(fā)器表面的霜層更薄，生長(zhǎng)速度更慢。在此工況下，新系統(tǒng)延緩結(jié)霜25 min。

圖7 環(huán)境溫度-5 ℃，相對(duì)濕度90%實(shí)驗(yàn)工況蒸發(fā)器表面結(jié)霜情況

在干球溫度為0 ℃、相對(duì)濕度為90%的工況下，機(jī)組蒸發(fā)器表面結(jié)霜情況如圖8所示。原機(jī)組從達(dá)到工況點(diǎn)到開始除霜共運(yùn)行20 min，達(dá)到工況點(diǎn)時(shí)蒸發(fā)器翅片表面已覆蓋有較薄的霜層，這是由于機(jī)組從開機(jī)到工況點(diǎn)已運(yùn)行73 min，且環(huán)境濕度較高，調(diào)節(jié)工況時(shí)，逐漸達(dá)到霜層生長(zhǎng)條件，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)霜層變厚，基本覆蓋翅片表面。新機(jī)組從達(dá)到工況點(diǎn)到開始除霜共運(yùn)行40 min，達(dá)到工況點(diǎn)25 min后蒸發(fā)器表面出現(xiàn)較薄的霜層，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，霜層形態(tài)發(fā)生變化，厚度變大。在此工況下，新系統(tǒng)延緩結(jié)霜25 min。

圖8 環(huán)境溫度0 ℃，相對(duì)濕度90%實(shí)驗(yàn)工況蒸發(fā)器表面結(jié)霜情況

通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)，同一工況下新系統(tǒng)的結(jié)霜速率相比于原系統(tǒng)更慢，供熱時(shí)間更長(zhǎng)。新系統(tǒng)可有效延緩結(jié)霜，最長(zhǎng)可延緩結(jié)霜53 min，且在同一干球溫度，相對(duì)濕度越大，結(jié)霜越明顯。這是由于儲(chǔ)液氣液分離器的儲(chǔ)液腔中的高溫高壓制冷劑與氣液分離腔中的低溫低壓制冷劑發(fā)生熱交換，使氣液分離腔中的液態(tài)制冷劑汽化參與循環(huán)，系統(tǒng)的有效制冷劑循環(huán)流量提高，蒸發(fā)溫度提高。

3.2 除霜時(shí)間

表3所示為新系統(tǒng)與原系統(tǒng)除霜時(shí)間對(duì)比?？梢钥吹?組實(shí)驗(yàn)工況下，新系統(tǒng)除霜時(shí)間均短于原系統(tǒng)，尤其在室外空氣溫度為5 ℃、相對(duì)濕度為90%和室外空氣溫度為0 ℃、相對(duì)濕度為90%工況下，新系統(tǒng)比原系統(tǒng)除霜時(shí)間分別縮短75 s和46 s。這是由于逆循環(huán)除霜四通閥換向，儲(chǔ)液氣液分離器內(nèi)管路壓力不變，外管路壓力降低，管路間形成的壓差使儲(chǔ)液氣液分離器中儲(chǔ)液腔內(nèi)的制冷劑被迅速壓出參與除霜循環(huán)，提高了除霜時(shí)系統(tǒng)的制冷劑流量。

表3 新/原系統(tǒng)除霜時(shí)間對(duì)比

3.3 COP

在干球溫度為5 ℃、相對(duì)濕度為90%的工況下，原機(jī)組與新機(jī)組在制熱時(shí)的COP變化如圖9所示。由圖9可知，原系統(tǒng)和新系統(tǒng)的COP隨時(shí)間的增長(zhǎng)先增大后逐漸下降，原系統(tǒng)COP最小值為3.17，最大值為3.21，變化幅度較小，新系統(tǒng)COP在3.16～3.27之間變化。新系統(tǒng)COP平均值為3.209，比原系統(tǒng)COP平均值3.185高0.024，且新系統(tǒng)的供熱時(shí)間長(zhǎng)。新系統(tǒng)從達(dá)到工況到蒸發(fā)器表面開始結(jié)霜共運(yùn)行52 min，而原系統(tǒng)制熱運(yùn)行17 min，因此在該實(shí)驗(yàn)工況下，與原系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)的COP有所提升。

圖9 制熱階段新/原系統(tǒng)COP變化

在空氣相對(duì)濕度為90%，干球溫度分別為5、0、-5 ℃的工況下，新/原系統(tǒng)COP變化如圖10所示。相對(duì)濕度一定時(shí)，干球溫度越低，系統(tǒng)COP越小。在干球溫度為0 ℃，相對(duì)濕度分別為90%、70%的工況下，分析空氣相對(duì)濕度對(duì)機(jī)組COP的影響，如圖11所示。由圖11可知，干球溫度一定時(shí)，空氣的相對(duì)濕度越大，機(jī)組的COP越高[17]。這是由于濕度變大時(shí)，空氣中形成較薄的一層水膜，增強(qiáng)了制冷劑側(cè)與機(jī)組翅片表面之間的換熱，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的COP。但相對(duì)濕度過(guò)大，蒸發(fā)器表面在低溫高濕的環(huán)境下容易結(jié)霜，且蒸發(fā)器表面凝露水的厚度增長(zhǎng)也會(huì)增加空氣側(cè)的熱阻，因此空氣的相對(duì)濕度不宜過(guò)高，一般不宜超過(guò)80%[19]。

圖10 同相對(duì)濕度，不同干球溫度下新/原系統(tǒng)COP變化

圖11 同干球溫度，不同相對(duì)濕度下新/原系統(tǒng)COP變化

3.4 制熱量

以干球溫度為5 ℃、空氣相對(duì)濕度為90%的工況為例，分析機(jī)組制熱量的變化，整個(gè)除霜周期內(nèi)機(jī)組制熱量的變化如圖12所示。由圖12可知，新系統(tǒng)經(jīng)歷制熱-除霜-恢復(fù)周期(一個(gè)周期)需要的時(shí)間為167 min，制熱時(shí)間為86 min；原系統(tǒng)一個(gè)周期為108 min，制熱時(shí)間為44 min。新系統(tǒng)的制熱時(shí)間比原系統(tǒng)長(zhǎng)42 min，能夠有效延緩結(jié)霜。新系統(tǒng)與原系統(tǒng)在一個(gè)周期內(nèi)制熱量的變化趨勢(shì)類似，蒸發(fā)器表面結(jié)霜后，制熱量的下降速率逐漸變快，此時(shí)霜層影響了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，機(jī)組開啟逆循環(huán)除霜，期間壓縮機(jī)停機(jī)兩次，此時(shí)制熱量為0，除霜結(jié)束后，制熱量逐漸升高并趨于平緩。為了更加定性的分析制熱量的變化，選取供熱時(shí)的新原系統(tǒng)制熱量，如圖13所示。由圖13(a)可知，原系統(tǒng)的制熱量先增大后逐漸減小，從65.4 kW升至66.5 kW后降低，再在65.53～65.81 kW之間波動(dòng)，變化幅度較小。由圖13(b)可知，新系統(tǒng)制熱量由66.54 kW降至66 kW，再升至66.77 kW后緩慢下降，制熱量的平均值為65.933，略高于原系統(tǒng)制熱量的平均值65.737，與原系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)的制熱運(yùn)行時(shí)間雖然較長(zhǎng)，但在制熱時(shí)間前36 min內(nèi)，制熱量均高于65.933 kW，因此制熱量平均值高于原系統(tǒng)制熱量平均值65.737。在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，新系統(tǒng)在制熱階段的制熱量有所提升。

圖12 制熱-除霜-恢復(fù)周期內(nèi)機(jī)組制熱量隨時(shí)間變化

圖13 制熱階段新/原系統(tǒng)制熱量隨時(shí)間變化

相對(duì)濕度為90%，干球溫度分別為5、0、-5 ℃的工況下，環(huán)境干球溫度對(duì)機(jī)組制熱量的變化影響如圖14所示。相對(duì)濕度一定時(shí)，干球溫度為-5 ℃時(shí)機(jī)組的制熱量顯著低于干球溫度為0 ℃和5 ℃的機(jī)組制熱量，3個(gè)工況下制熱量的整體趨勢(shì)均先增大后緩慢減少。圖14(a)所示為原系統(tǒng)制熱量隨時(shí)間的變化，可知在系統(tǒng)運(yùn)行前期，環(huán)境溫度為0 ℃的機(jī)組制熱量比環(huán)境溫度為5 ℃時(shí)的機(jī)組制熱量大，從67.49 kW升至67.90 kW后逐漸降低。這是由于環(huán)境溫度越低時(shí)，機(jī)組開機(jī)運(yùn)行的初始過(guò)熱度也越小，隨著制熱的運(yùn)行，過(guò)熱度的降幅越大，在過(guò)熱度大于0 ℃時(shí)，制冷劑的質(zhì)量流量會(huì)隨著蒸發(fā)器過(guò)熱度的降低而升高[20]，因?yàn)榇藭r(shí)水進(jìn)入冷凝器溫度會(huì)變高，蒸發(fā)壓力升高，制冷劑氣體的密度變大，所以制冷劑的循環(huán)流量升高，系統(tǒng)制熱量升高。在過(guò)熱度降至0 ℃時(shí)，會(huì)有少量液態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，使壓縮機(jī)濕壓縮，壓縮機(jī)的容積效率降低，運(yùn)行效能受到影響，制冷劑的有效循環(huán)量會(huì)逐漸減少，隨著制熱的運(yùn)行，系統(tǒng)制熱量逐漸降低。圖14(b)所示為新系統(tǒng)制熱量隨時(shí)間的變化，在干球溫度為0 ℃和5 ℃時(shí)，機(jī)組的制熱量變化波動(dòng)小，且制熱量高于原系統(tǒng)的制熱量，是由于溫度和壓力均較高的制冷劑液體與溫度壓力較低的制冷劑氣體在儲(chǔ)液氣液分離器中發(fā)生熱交換，制冷劑氣體過(guò)熱，氣液分離器腔中的液態(tài)制冷劑吸收熱量汽化參與循環(huán)，提高了系統(tǒng)有效制冷劑的流量，提升了系統(tǒng)的效能。

圖14 同相對(duì)濕度(φ=90%)，不同干球溫度下新/原系統(tǒng)制熱量變化

以干球溫度為0 ℃，相對(duì)濕度分別為90%、70%的工況為例，分析空氣相對(duì)濕度對(duì)機(jī)組制熱量的影響，如圖15所示。干球溫度一定時(shí)，空氣相對(duì)濕度越大，機(jī)組制熱量越高，制熱量隨著時(shí)間的增長(zhǎng)先增大后降低。由圖15(a)可知，干球溫度為0 ℃，空氣相對(duì)濕度為90%時(shí)，原系統(tǒng)制熱量最大值為67.9 kW，最小值為63.7 kW，空氣相對(duì)濕度為70%時(shí)，原系統(tǒng)制熱量由55.3 kW升至56.5 kW，再逐漸降低。由圖15(b)可知，相對(duì)濕度為90%時(shí)，新系統(tǒng)制熱量在65.2～67.1 kW之間變化，相對(duì)濕度為70%時(shí)，機(jī)組制熱量在55.45～56.7 kW之間變化?？諝庀鄬?duì)濕度變大，機(jī)組表面會(huì)形成一層水膜，傳熱面積增大，此時(shí)蒸發(fā)壓力會(huì)降低，壓縮機(jī)的吸氣溫度也會(huì)下降，系統(tǒng)的COP和制熱量增大。

圖15 同干球溫度(0 ℃)，不同相對(duì)濕度下新/原系統(tǒng)制熱量變化

4 結(jié)論

結(jié)合空氣源熱泵高效、環(huán)保、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，為提升逆循環(huán)除霜空氣源熱泵系統(tǒng)性能，本文提出一種耦合儲(chǔ)液氣液分離器的空氣源熱泵除霜系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了6組工況下該系統(tǒng)與傳統(tǒng)空氣源熱泵的熱力學(xué)性能，得到如下結(jié)論：

1)在一個(gè)制熱-除霜-恢復(fù)周期內(nèi)耦合儲(chǔ)液氣液分離器的新型空氣源熱泵系統(tǒng)的供熱時(shí)間比原系統(tǒng)長(zhǎng)，最大可超過(guò)53 min，能夠有效延緩結(jié)霜。

2)新系統(tǒng)能夠縮短除霜時(shí)間，最大可縮短75 s。

3)在干球溫度為5 ℃、相對(duì)濕度90%工況下，該系統(tǒng)制熱時(shí)的COP平均值比原系統(tǒng)高0.024，制熱量平均值比原系統(tǒng)高0.196 kW。