空氣源熱泵熱水器除霜性能研究

陳姝，歐炯樺，李金城，陳嘉澍，卓獻(xiàn)榮

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣州，510025）

相比傳統(tǒng)的燃?xì)鉄崴骱碗姛崴?，空氣源熱泵熱水器因其高效?jié)能安全無(wú)污染在我國(guó)熱水設(shè)備供應(yīng)市場(chǎng)呈逐年攀升的趨勢(shì)，也有益于減少碳排放實(shí)現(xiàn)碳中和，但其在中溫高濕地區(qū)運(yùn)行時(shí)存在的蒸發(fā)器結(jié)霜問(wèn)題，是影響熱泵機(jī)組冬季制熱效率的主要因素，嚴(yán)重制約著空氣源熱泵的發(fā)展［1］。因此，提高除霜技術(shù)是推進(jìn)空氣源熱泵發(fā)展的必要條件［2］。針對(duì)空氣源熱泵的除霜問(wèn)題，國(guó)外大量學(xué)者已進(jìn)行了諸多實(shí)驗(yàn)方法研究，李剛、田小亮將空氣源熱泵空調(diào)在實(shí)際工程應(yīng)用的中采用的換熱器作為研究對(duì)象，通過(guò)進(jìn)行低溫工況下的結(jié)霜、化霜實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同空氣溫度、相對(duì)濕度、化霜時(shí)間以及滯留水滴落時(shí)間下的霜層融化過(guò)程和化霜水流動(dòng)過(guò)程的分析，為空氣源熱泵空調(diào)在低溫工況下聯(lián)系正常運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)［3］。沈康偉發(fā)現(xiàn)將毛細(xì)管節(jié)流部件由外機(jī)側(cè)移至水箱側(cè)后，系統(tǒng)的能效以及壓縮機(jī)的安全和可靠性運(yùn)行都有所改善［4］。Feng Wang，Yuling Zhou等人對(duì)空氣源熱泵室外盤管噴涂超疏水涂料的防結(jié)霜性能進(jìn)行研究，采用在鋁表面噴涂SiO2涂層的方法制備了超疏水表面并進(jìn)行性能測(cè)試，說(shuō)明可噴表面具有優(yōu)良的防結(jié)霜性能［5］。牛建會(huì)、馬國(guó)遠(yuǎn)等針對(duì)大中型空氣源熱泵系統(tǒng)除霜，提出一種空氣源熱泵蒸發(fā)器并聯(lián)輪換除霜系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)除霜時(shí)不停止制熱［6］。Qu等人則建立了多環(huán)路蒸發(fā)器除霜模型，研究了融化水流動(dòng)對(duì)除霜過(guò)程的負(fù)面影響［7］。目前最普遍的除霜方式為逆循環(huán)除霜，其存在較大不足且除霜時(shí)需要從熱水中吸取熱量導(dǎo)致水溫下降，而分組獨(dú)立除霜的融霜方式鮮見(jiàn)研究。

本文以蒸發(fā)器分組獨(dú)立除霜方式對(duì)空氣源熱泵熱水器除霜性能優(yōu)化進(jìn)行探索，通過(guò)分組獨(dú)立除霜實(shí)驗(yàn)與逆循環(huán)除霜實(shí)驗(yàn)進(jìn)行熱泵性能對(duì)比，以中部地區(qū)典型溫度為研究工況，在環(huán)境相對(duì)濕度為70 %左右，溫度在-4 ℃到4 ℃之間每隔2 ℃作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別對(duì)其除霜性能進(jìn)行分析比較。

1 實(shí)驗(yàn)研究

本文通過(guò)控制變量法，在環(huán)境室內(nèi)模擬中部地區(qū)典型冬季環(huán)境工況，改裝現(xiàn)有熱泵熱水裝置，具體流程為在模擬環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)量出兩種不同除霜方式下冷凝器里水溫隨著時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，并計(jì)算性能參數(shù)以進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由廣東澳信熱泵空調(diào)有限公司的AWH-003PV型熱泵熱水器改造而成，其詳細(xì)參數(shù)如下表：

表熱泵主要參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

圖1實(shí)驗(yàn)裝置圖，逆循環(huán)除霜實(shí)驗(yàn)時(shí)，閥4關(guān)閉，閥2和閥3打開(kāi)，除霜時(shí)四通閥打開(kāi)，制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，分別流入蒸發(fā)器1、2，冷凝放熱后由毛細(xì)管節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器，經(jīng)四通閥回到壓縮機(jī)。其除霜時(shí)需要從熱水中吸取熱量導(dǎo)致水溫下降。

圖1 分組除霜系統(tǒng)原理圖

分組獨(dú)立除霜實(shí)驗(yàn)中，除霜時(shí)四通閥和截止閥1均打開(kāi)，閥2閥3均關(guān)閉。制冷劑先經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，先流入蒸發(fā)器1（冷凝放熱除霜），經(jīng)過(guò)閥4流入蒸發(fā)器2，通過(guò)截止閥1到四通閥再回到壓縮機(jī)，完成對(duì)蒸發(fā)器1的除霜操作； 而后制冷劑先經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，由截止閥1流入蒸發(fā)器2（冷凝放熱除霜），經(jīng)過(guò)閥4流入蒸發(fā)器1，通過(guò)四通閥回到壓縮機(jī)，完成對(duì)蒸發(fā)器2的除霜操作。與逆循環(huán)除霜方式相比，分組除霜不需要經(jīng)過(guò)冷凝器吸收熱水的熱量。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

熱泵熱水裝置在環(huán)境溫度為-4 ℃到4 ℃之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每隔2 ℃作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度點(diǎn)，比較熱泵在不同溫度下的兩種除霜方式的性能。環(huán)境濕度控制在70 %，濕度誤差10 %。感溫器3個(gè)分別用于測(cè)量冷凝器出口的水溫、蒸發(fā)器1和蒸發(fā)器2表面的溫度。

模擬環(huán)境溫度設(shè)置為-4 ℃，往水箱中加入水箱內(nèi)128 kg的冷水。啟動(dòng)系統(tǒng)加熱水箱中的水，此時(shí)熱泵熱水器正常運(yùn)行，截止閥1，閥4關(guān)閉，閥2和閥3打開(kāi)。待蒸發(fā)器表面結(jié)霜時(shí)（蒸發(fā)器表面結(jié)霜，以運(yùn)行1小時(shí)30分鐘時(shí)長(zhǎng)為準(zhǔn)）執(zhí)行除霜操作，設(shè)置除霜結(jié)束溫度為12 ℃，連接四通閥的感溫器放在蒸發(fā)器1表面上。水溫每升高2 ℃記錄一次冷凝器中水的溫度、時(shí)間和除霜對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)，以及每運(yùn)行一個(gè)周期結(jié)束時(shí)的耗電量。除霜期間，水溫每變動(dòng)0.1 ℃記錄一次時(shí)間。每隔2 ℃進(jìn)行一個(gè)環(huán)境溫度點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，直到實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到環(huán)境溫度4 ℃為止。

記錄-4 ℃～4 ℃之間下熱泵運(yùn)行一周期熱水溫度變化情況，每隔兩分鐘記錄一次。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 兩種除霜方式對(duì)水箱內(nèi)水溫的影響

2.1 兩種除霜方式對(duì)水箱內(nèi)水溫的影響

圖3 -2 ℃下熱泵運(yùn)行一周期熱水溫度變化情況

圖4 0 ℃下熱泵運(yùn)行一周期熱水溫度變化情況

圖5 2 ℃下熱泵運(yùn)行一周期熱水溫度變化情況

圖2至圖6為環(huán)境溫度-4 ℃～4 ℃下系統(tǒng)運(yùn)行水溫的變化情況，當(dāng)在1∶30∶00開(kāi)始除霜時(shí)，兩種除霜方式下的水水溫均有所降低，但逆循環(huán)除霜方式下的水溫下降得較多。從系統(tǒng)原理圖上看，進(jìn)行分組獨(dú)立除霜時(shí)，制冷劑不需要經(jīng)過(guò)冷凝器，因此不需要從熱水中吸取熱量，所以當(dāng)進(jìn)行分組獨(dú)立除霜時(shí)，熱水的溫度本應(yīng)該不會(huì)下降，在圖中應(yīng)該是呈現(xiàn)水平線，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，在相對(duì)低溫的環(huán)境下因保溫問(wèn)題，由溫差產(chǎn)生的傳熱造成漏熱是溫度降低的一個(gè)原因。另一個(gè)造成分組獨(dú)立除霜時(shí)水溫降低的主要原因是水箱中熱水溫度的不均勻性，進(jìn)行除霜時(shí)，水泵依然在運(yùn)行，把水箱里的水溫進(jìn)一步傳熱均勻，因此分組獨(dú)立除霜過(guò)程中的后半部分，水溫幾乎不會(huì)再下降了。

圖2 -4 ℃下熱泵運(yùn)行一周期熱水溫度變化

圖6 4 ℃下熱泵運(yùn)行一周期熱水溫度變化情況

圖2至圖6中無(wú)論是逆循環(huán)除霜還是分組獨(dú)立除霜，最后總有0.1 ℃～0.2 ℃回升，造成這種情況主要原因是除霜時(shí)溫度變動(dòng)太快導(dǎo)致水溫不均勻性。

圖7為環(huán)境溫度-2 ℃下蒸發(fā)器表面結(jié)霜圖，圖8為-2 ℃下蒸發(fā)器表面除霜效果圖，對(duì)比可知除霜效果理想。

圖7 -2 ℃下1小時(shí)30分鐘時(shí)的蒸發(fā)器表面結(jié)霜圖

圖8 -2 ℃下蒸發(fā)器表面除霜效果圖

2.2 兩種除霜方式對(duì)裝置COP的影響

圖9，圖10所示為逆循環(huán)除霜與分組獨(dú)立除霜的除霜環(huán)境溫度與COP、除霜過(guò)程溫降關(guān)系曲線圖，圖9可以看出，在環(huán)境濕度為70 %左右，溫度在-4 ℃～4 ℃之間，分組獨(dú)立除霜模式的COP要比逆循環(huán)除霜模式高；由圖10可以看出，分組獨(dú)立除霜過(guò)程的水箱溫降比逆循環(huán)除霜低。從除霜原理分析，逆循環(huán)除霜時(shí)，制冷劑需要經(jīng)過(guò)冷凝器吸取熱量以達(dá)到除霜蒸發(fā)器的作用，而分組獨(dú)立除霜時(shí)，制冷劑不需要經(jīng)過(guò)冷凝器吸取熱量，因此分組獨(dú)立除霜時(shí)水箱溫降低，COP比逆循環(huán)除霜高。分組獨(dú)立除霜實(shí)驗(yàn)裝置兩排蒸發(fā)器是一上一下疊在一起，蒸發(fā)器1在上，蒸發(fā)器2在下，當(dāng)分組獨(dú)立除霜時(shí)，先進(jìn)行蒸發(fā)器1 的除霜，蒸發(fā)器1表面的除霜水往下流帶走了蒸發(fā)器2表面的部分霜以及融化蒸發(fā)器2 表面的霜，縮短了蒸發(fā)器2的除霜時(shí)間。

圖9 除霜環(huán)境溫度與COP關(guān)系曲線圖

圖10 除霜環(huán)境溫度與除霜水箱溫降關(guān)系曲線圖

由除霜環(huán)境溫度與COP關(guān)系曲線圖9還可以看到，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，環(huán)境溫度在-2～4 ℃區(qū)間兩種除霜模式COP差值較高，分組除霜模式更具優(yōu)勢(shì)。而在-2 ℃時(shí)，分組獨(dú)立除霜模式比逆循環(huán)除霜模式的COP差值最大為0.09，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)區(qū)間COP差值百分比最大的。而在-4 ℃時(shí)，分組獨(dú)立除霜模式比逆循環(huán)除霜模式的COP差值只有0.06，這是因?yàn)殡S著環(huán)境溫度在-2 ℃往下降低，越難以除霜，導(dǎo)致分組獨(dú)立除霜所需的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)一點(diǎn)，因此耗電量無(wú)疑會(huì)更多一點(diǎn)，COP值相對(duì)較低。而隨著環(huán)境溫度在-2 ℃越往上升高，分組獨(dú)立除霜模式比逆循環(huán)除霜模式的COP差值會(huì)逐漸趨于平緩。因?yàn)殡S著溫度高于-2 ℃，蒸發(fā)器自身結(jié)霜趨于弱化，同時(shí)除霜也變得更容易，因此除霜時(shí)間相對(duì)于低溫環(huán)境而言則縮短，兩種除霜方式除霜時(shí)間差別減小。同時(shí)隨著環(huán)境溫度升高，熱泵制取熱量的能力越強(qiáng)，因此環(huán)境溫度越高，對(duì)于初始溫度相同的冷水，一定時(shí)間內(nèi)使熱水溫度升高得越快，進(jìn)行逆循環(huán)除霜，因水溫較高增加了與低溫制冷劑換熱速率，使得相對(duì)高溫下除霜時(shí)間較短，而分組獨(dú)立除霜COP相同工況下仍略高于逆循環(huán)除霜方式。

3 結(jié)論

為改善現(xiàn)有空氣源熱泵熱水器在中溫高濕地區(qū)的除霜問(wèn)題，提出一種分組獨(dú)立除霜方式，采用控制變量法將分組獨(dú)立除霜與逆循環(huán)除霜除霜性能進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)溫濕度范圍內(nèi)，分組獨(dú)立除霜性能比COP高于逆循環(huán)除霜模式，體現(xiàn)出更節(jié)能的特點(diǎn)。主要得出以下結(jié)論：

1. 環(huán)境濕度為70 %左右，溫度在-4 ℃～4 ℃之間時(shí)，分組獨(dú)立除霜模式的COP值比逆循環(huán)除霜模式高。在-4 ℃的時(shí)候比逆循環(huán)除霜模式COP多了4.0 %，在-2 ℃的時(shí)候比逆循環(huán)除霜模式COP多了5.8 %，在0 ℃的時(shí)候比逆循環(huán)除霜模式COP多了5.5 %，在2 ℃的時(shí)候比逆循環(huán)除霜模式COP多了4.7 %，在4 ℃的時(shí)候比逆循環(huán)除霜模式COP多了5.1 %。

2. 環(huán)境濕度為70 %左右，溫度在-4 ℃～4 ℃之間，分組獨(dú)立除霜過(guò)程的溫降比逆循環(huán)除霜少，因其除霜過(guò)程不需要耗費(fèi)熱水的熱量。

3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備在環(huán)境溫度為-2 ℃時(shí)分組獨(dú)立除霜較逆循環(huán)除霜優(yōu)勢(shì)最為明顯。在一定溫度范圍內(nèi)，環(huán)境溫度低于-2 ℃且溫度越低，則分組獨(dú)立除霜優(yōu)勢(shì)越不明顯；溫度高于-2 ℃且溫度越高時(shí)，分組獨(dú)立除霜較逆循環(huán)除霜優(yōu)勢(shì)則趨于平緩。