分段除霜持續(xù)供熱空氣源熱泵系統(tǒng)除霜性能研究

收稿日期：2022-07-28

基金項目：廣東省自然科學(xué)基金（2022A1515010700）

通信作者：唐 蘭（1977—），女，博士、副教授，主要從事能源高效轉(zhuǎn)化利用與建筑節(jié)能方面的研究。tanglan@gzhu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1136 文章編號：0254-0096（2023）11-0001-08

摘 要：基于可持續(xù)供熱空氣源熱泵熱氣旁通除霜技術(shù)，該文提出一種分段除霜持續(xù)供熱空氣源熱泵系統(tǒng)，并在焓差實驗室中對其進(jìn)行性能研究。結(jié)果表明，環(huán)境溫度或相對濕度降低，或冷凝溫度升高均會使得分段除霜系統(tǒng)平均制熱功率降低。分段除霜過程中的壓縮機吸氣壓強變化幅度比逆循環(huán)除霜小698.5 kPa、排氣壓強變化幅度比逆循環(huán)除霜小238.9 kPa。自上而下的除霜順序每段除霜用時依次增加，而自下而上的除霜順序每段除霜用時基本相同，且自下而上的除霜順序比自上而下的除霜順序總除霜時間減少55 s，但會對“二次結(jié)霜”造成影響。與傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜系統(tǒng)相比，該分段除霜系統(tǒng)具有除霜時間短且可持續(xù)供熱、COP高、對系統(tǒng)沖擊較小等優(yōu)點。但除霜期間由于閥門的切換，會引起系統(tǒng)局部壓力波動和能量損失，有待進(jìn)一步優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；除霜；持續(xù)供熱；性能研究；系統(tǒng)優(yōu)化；不確定度分析

中圖分類號：TK124""""""""""""""""" """ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

空氣源熱泵以逆卡諾循環(huán)原理工作，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，被廣泛用于完善中國居民基礎(chǔ)生活設(shè)施［1］。但空氣源熱泵在低溫高濕環(huán)境中運行制熱工況時，存在室外側(cè)換熱器表面結(jié)霜現(xiàn)象。霜層的不斷累積會嚴(yán)重影響熱泵的制熱效果，甚至?xí)蚴彝鈸Q熱器換熱情況惡劣而引發(fā)壓縮機吸氣壓強過低而驟然停機［2］。

針對空氣源熱泵除霜問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了較多研究。張杰等［3］通過對空氣源熱泵熱氣旁通除霜的實驗研究，發(fā)現(xiàn)熱氣旁通除霜可較快恢復(fù)制熱，在一定程度上解決了逆循環(huán)除霜時從室內(nèi)吸熱而影響室內(nèi)舒適性的問題。梁彩華等［4］提出一種類似熱氣旁通除霜系統(tǒng)的空氣源熱泵顯熱除霜方法，該除霜方法可在較大程度上避免傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜對系統(tǒng)的不利沖擊。Cho等［5］設(shè)計了一種室外側(cè)換熱器分為3部分且并聯(lián)連接的冷柜制冷系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)進(jìn)行停機除霜與熱氣旁通除霜，結(jié)果表明：該系統(tǒng)采用熱氣旁通除霜時，系統(tǒng)制冷量更大，冷柜的溫度更加穩(wěn)定。Kim等［6］提出雙熱氣旁通循環(huán)與蓄熱加熱聯(lián)合除霜法，通過與逆循環(huán)除霜對比，結(jié)果表明：除霜時間減少15%，總制熱功率高2.5 kW。Byun等［7］研究了熱氣旁通除霜法在空氣源熱泵上的性能，并與常規(guī)系統(tǒng)進(jìn)行對比，結(jié)果表明：在系統(tǒng)運行210 min這段時間內(nèi)，熱氣旁通制冷劑量為系統(tǒng)總制冷劑流量的20%時，可使得系統(tǒng)性能系數(shù)COP和制熱功率分別提高8.5%和5.7%。Jang等［8］設(shè)計一種高溫低壓熱氣旁通除霜不間斷制熱空氣源熱泵系統(tǒng)，與電加熱器除霜相比，累積能源效率提高了27%。Mader等［9］利用一種主動分配閥單獨對平行蒸發(fā)器提供能量，且會定期關(guān)閉單個蒸發(fā)器回路，從而實現(xiàn)持續(xù)供熱。張龍等［10］提出一種新型逆循環(huán)除霜空氣源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用壓縮機浪費的能量進(jìn)行除霜，通過與傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜進(jìn)行比較，得出該系統(tǒng)總能耗降低27.9%且可進(jìn)行持續(xù)制熱。劉忠寶等［11］設(shè)計了利用壓縮機外殼儲熱與熱氣旁路循環(huán)的空氣源熱泵除霜系統(tǒng)，進(jìn)行實驗并與逆循環(huán)除霜對比，得出其除霜時間比逆循環(huán)減少10 s，消耗的功率比逆循環(huán)除霜節(jié)省19.9%。牛建會等［12］對并聯(lián)多臺室外機的空氣源熱泵系統(tǒng)性能的實驗研究表明室外溫度為[-10 ℃]時系統(tǒng)仍可進(jìn)行制熱，且COP和能效系數(shù)EER分別可達(dá)2和2.32。Yajima等［13］利用不規(guī)則的換熱器表面增強了熱泵在低溫環(huán)境下的換熱，從而使的系統(tǒng)具有更高的COP。賈瀟雅等［14］提出一種帶有雙缸旋轉(zhuǎn)壓縮機的并聯(lián)環(huán)路熱泵，通過使用具有獨立吸入口和排出口的新型壓縮機，大大提高了用于通風(fēng)熱回收的熱泵系統(tǒng)的性能水平。Garayo等［15］將熱泵與熱回收熱泵結(jié)合用于被動式住宅，顯著提高了COP（部分負(fù)荷運行時提高2～3倍，最大負(fù)荷時提高12.5%）?？梢姡瑢崿F(xiàn)空氣源熱泵在除霜期間持續(xù)供熱具有廣闊的技術(shù)前景。

本文在現(xiàn)有技術(shù)背景下，提出一種分段除霜持續(xù)供熱空氣源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)的室外側(cè)換熱器被分為3段。除霜時，通過切換除霜控制閥，改變系統(tǒng)制冷劑的流向，依次對每一分段室外換熱器進(jìn)行除霜，另外兩段室外換熱器則進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，實現(xiàn)系統(tǒng)在除霜的同時持續(xù)制熱。

1 實驗原理

1.1 實驗原理圖

如圖1所示，水側(cè)采用高效罐（殼管式換熱器）代替一般換熱器，室外側(cè)換熱器分為3段，室外換熱器裝置如圖2所示。除霜控制閥為自制，a端內(nèi)徑22 mm，b端內(nèi)徑28 mm，c端內(nèi)徑為28 mm，其工作模式為：1）接通壓縮機排氣口與蒸發(fā)器；2）接通壓縮機吸氣口與蒸發(fā)器；可互相切換。通過除霜控制閥6可實現(xiàn)在制熱的同時進(jìn)行除霜；通過調(diào)節(jié)膨脹閥4可平衡機組實際運行過程中進(jìn)入室外側(cè)除霜換熱器與水側(cè)換熱器的制冷劑流量；在室外換熱器入口每段分流管路均設(shè)置一個單向閥，當(dāng)機組在制熱模式與除霜模式之間切換時，其可防止制冷劑由于系統(tǒng)壓力驟變而突然逆流，進(jìn)而促進(jìn)機組更快實現(xiàn)壓力平衡。

制熱模式：將除霜控制閥6-4的制冷劑流向切換為a→b、除霜控制閥6-1、6-2、6-3的制冷劑流向切換為b→a；高溫高壓的氣態(tài)制冷劑從壓縮機1出來后，流經(jīng)除霜控制閥6-4到高效罐中充分冷凝換熱，隨后流經(jīng)儲液罐3-1在電子膨脹閥4中節(jié)流降速，然后分為3支流分別經(jīng)過單向閥進(jìn)入3段室外側(cè)換熱器進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，最后經(jīng)過除霜控制閥6-1、6-2、6-3后匯合，最終流經(jīng)氣液分離器7后進(jìn)入壓縮機1，完成一個制熱循環(huán)。

逆循環(huán)除霜模式：將除霜控制閥6-1、6-2、6-3的制冷劑流向均切換為a→b，除霜控制6-4的制冷劑流向切換為b→c；高溫高壓的氣態(tài)制冷劑從壓縮機1出來后，分為3支流分別流經(jīng)除霜控制閥6-1、6-2、6-3后進(jìn)入3段室外側(cè)換熱器進(jìn)行放熱除霜，匯合后流經(jīng)儲液罐3-2、電子膨脹閥4-2、電子膨脹閥4-1、儲液罐3-1后，進(jìn)入高效罐蒸發(fā)吸熱，最終流經(jīng)除霜控制閥6-4和氣液分離器7后進(jìn)入壓縮機1，完成一個逆循環(huán)除霜循環(huán)。

采用分段除霜模式時，因為a、b、c段均為獨立的，且控制方法相同，所以以a段除霜為例，闡述相應(yīng)的控制方法。

a段除霜模式：除霜控制閥6-1的制冷劑流向均切換為a→b、除霜控制閥6-2、6-3、6-4的制冷劑流向均切換為b→c。高溫高壓的氣態(tài)制冷劑從壓縮機1出來后分為兩部分：一部分流經(jīng)除霜控制閥6-4后進(jìn)入高效罐充分換熱，然后經(jīng)過儲液罐3-1和電子膨脹閥4-1；另一部分流經(jīng)除霜控制閥6-1后進(jìn)入室外側(cè)換熱器a段進(jìn)行放熱除霜，然后經(jīng)過儲液罐3-2和電子膨脹閥4-2。最終匯合后又分為2支流分別進(jìn)入室外換熱器b、c段進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，最終流經(jīng)除霜控制閥6-2、6-3和氣液分離器7后進(jìn)入壓縮機，完成a段除霜循環(huán)。

2 實驗臺搭建及測試

2.1 試驗臺搭建

實驗在焓差實驗室進(jìn)行，其能夠穩(wěn)定模擬冬季室外結(jié)霜環(huán)境，整個實驗臺可分為水側(cè)和室外側(cè)，室外側(cè)尺寸為3.9 m（長）×3.8 m（寬）×2.8 m（高），組成部件為蒸發(fā)器、電加熱器、加濕器和風(fēng)機，用于維持室外側(cè)環(huán)境穩(wěn)定；水側(cè)的部件包含恒溫水箱、制冷機組和冷卻塔，恒溫水箱能夠保持水溫恒定。分段除霜持續(xù)供熱空氣源熱泵系統(tǒng)具體各部件參數(shù)如表1所示。

2.2 實驗測試

在典型結(jié)霜室外工況下啟動熱泵系統(tǒng)進(jìn)行制熱運行。隨著制熱的進(jìn)行，室外換熱器開始結(jié)霜。以機組制熱功率下降為平均制熱功率的80%且持續(xù)3 min為分段除霜起始時間點，啟動除霜過程。逆循環(huán)除霜時，首先關(guān)閉壓縮機，關(guān)閉風(fēng)機并手動切換除霜控制閥，3 min后開機進(jìn)行除霜，以除霜段換熱器上下部溫度都達(dá)到18 ℃為該段的除霜完成時間點；分段除霜時，同樣以機組制熱功率下降至無霜工況下的80%且持續(xù)3 min為逆循環(huán)除霜的起始時間點，無需關(guān)閉壓縮機與風(fēng)機，切換相應(yīng)除霜控制閥，以實現(xiàn)a段除霜，當(dāng)a段換熱器上部與下部翅片溫度均達(dá)到18 ℃，a段除霜完成，切換相應(yīng)除霜控制閥，使機組進(jìn)行正常制熱運行30 s，之后進(jìn)行相應(yīng)的b段及c段除霜操作。采用室外換熱器自上而下除霜時，除霜順序為a—b—c。自下而上除霜時，除霜順序為c—b—a。

實驗各測點布置如圖1所示，具體儀表如表2所示。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 不同工況下的制功率

制熱功率作為評價空氣源熱泵系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，在該分段除霜空氣源熱泵系統(tǒng)中的計算如下：

結(jié)霜-除霜期間瞬時制熱功率為：

[Q=cρqv（t2-t1）]"" （1）

式中：[Q]——瞬時制熱功率，[W]；[c]——水的比熱容，J/（kg·℃）；[ρ]——水的密度，kg/m3；[qv]——水的體積流量，m3/h；[t1]——高效罐進(jìn)水溫度，℃；[t2]——高效罐出水溫度，℃。

除霜期間平均制熱功率為：

[Qd=T1T2QdTT2-T1]""" （2）

式中：[T1]、[T2]——結(jié)霜開始、結(jié)束時間，s。

圖3為機組在不同環(huán)境溫度下運行一個結(jié)霜-除霜循環(huán)周期內(nèi)制熱功率隨時間的變化曲線。虛線橫線表示機組在結(jié)霜運行的平均制熱功率水平，實線方框框出了機組分段除霜運行過程，該過程平均制熱由式（2）計算得出。由圖3可知，在典型工況下（[tc=1 ℃，][?=80%，][t0=40 ℃]）下，系統(tǒng)在結(jié)霜期間平均制熱功率為10.50 kW，在除霜期間平均制熱功率為1.59 kW。在一個循環(huán)周期內(nèi)，隨著環(huán)境溫度從1 ℃減小到[-2]再到[-5 ℃]，除霜開始時間點由第3684秒變化到第3851秒再到第4550秒，即結(jié)霜時間分別增加了167和699 s；同時，除霜時間也由330增加到351再到378 s，而除霜期間的平均制熱功率由1.59減少到1.31再到1.09 kW，即除霜期間平均制熱功率分別減少了0.28和0.22 kW。這是因為隨著環(huán)境溫度的降低，使得環(huán)境空氣中的絕對濕度下降、蒸發(fā)溫度降低，導(dǎo)致制冷劑的循環(huán)量減少，從而使得室外換熱器結(jié)霜變得緩慢，即結(jié)霜時間增加；另外，由于環(huán)境空氣溫度的降低，室外側(cè)換熱器與環(huán)境空氣的對流傳熱增強，導(dǎo)致用于除霜的熱量的損失增大，除霜時間變長，也就導(dǎo)致了除霜期間的平均制熱功率降低。

圖4為機組在不同相對濕度下，機組運行一個結(jié)霜-除霜循環(huán)周期內(nèi)制熱功率隨時間的變化曲線。與圖3中典型工況下制熱功率隨時間變化對比可知，環(huán)境空氣相對濕度由80%變?yōu)?0%，機組在除霜期間的平均制熱功率由1.59 kW降到1.31 kW，即除霜期間平均制熱功率減少0.28 kW，而在結(jié)霜過程中平均制熱功率為10.5 kW，即相對濕度的降低對機組平均制熱功率基本無影響；而結(jié)霜時間由3684 s增加到4617 s，即結(jié)霜時間增加了933 s，這是因為隨著環(huán)境空氣相對濕度降低，空氣的含濕量降低，所以環(huán)境空氣中的水分需更多時間來進(jìn)行凝結(jié)成霜。

圖5為在不同冷凝溫度下，機組運行一個結(jié)霜-除霜循環(huán)周期內(nèi)制熱功率隨時間的變化曲線。與圖3中典型工況下制熱功率隨時間變化對比可知，隨著冷凝溫度由40到45再到50 ℃，機組在制熱期間的平均制熱功率由10.5降到10.3再降到9.6 kW，即平均制熱功率分別減少了0.2和0.7 kW；除霜期間的平均制熱功率由1.59 kW減少到1.32 kW再到1.13 kW，即平均制熱功率分別減少了0.27和0.19 kW；除霜開始時間點由第3684秒變化到4119秒再到4720秒，除霜時間分別減少了99和15 s。因為隨著冷凝溫度的升高，為了保證機組的蒸發(fā)溫度，電子膨脹閥開度減小，單位制冷功率減少，壓縮機的耗功增加，壓縮機的排氣溫度也隨之升高，所以冷凝溫度的升高，機組的平均制冷功率是逐漸下降，且降幅逐漸增大。

3.2 不同除霜順序下的結(jié)果

圖6為自上而下除霜和自下而上除霜在除霜過程中對應(yīng)的室外換熱器照片。自上而下除霜是指達(dá)到除霜開始點后，依次對a、b、c段進(jìn)行除霜；自下而上除霜則是依次對c、b、a段進(jìn)行除霜。由圖6可看出，自上而下除霜中，a段有明顯的化霜水流向b段，即對b段除霜有明顯影響，b段同理；而自下而上除霜中，由于化霜水受重力自上而下流動，即下段除霜不會對上段造成影響。

圖7為不同除霜順序翅片溫度隨時間的變化曲線。除霜順序分為自上而下除霜和自下而上除霜，自上而下除霜是指達(dá)到除霜開始點后，依次對a、b、c段進(jìn)行除霜；自下而上除霜則是依次對c、b、a段進(jìn)行除霜。整體來看，自上而下和自下而上的除霜順序中，翅片溫度變化趨勢大致相同；具體來看，在自上而下除霜順序中，a、b、c每段除霜用時減小。原因在于：對于b段換熱器而言，在a段除霜的過程中，a段霜融化后產(chǎn)生比霜溫度高的化霜水會流入b段換熱器上側(cè)，使得b段換熱器上側(cè)翅片的溫度會稍有上升；在下一階段b段換熱器除霜過程中，b段換熱器霜融化后產(chǎn)生的化霜水會向下流動到c段換熱器，由于此時化霜水為a段換熱器和b段換熱器兩段換熱器化霜水之和，使得c段上下側(cè)的溫度均上升。這使得在自上而下除霜過程中，分段除霜上側(cè)會強化分段除霜下側(cè)的蒸發(fā)效果，使得機組在除霜期間的運行更加穩(wěn)定。

而在自下而上除霜中，c、b、a每段除霜用時基本相同，這是因為自下而上除霜的每一段的化霜水不會對其他分段造成影響。例如在c段除霜時，a、b段的翅片溫度基本維持恒定，即不會受到c段除霜所帶來的影響，這就使得c、b、a每一段的除霜時間基本相同。而在自上而下除霜中，b、c兩段不僅要除去原本固有的霜，且要蒸發(fā)上側(cè)流下的化霜水，所以需要更多的時間。另外，在自下而上除霜中，在對b、a段進(jìn)行除霜時，會造成化霜水滯留在下側(cè)的分段上，使得其下次結(jié)霜時間縮短，對機組造成一定的不利影響。

圖8為不同除霜順序制熱功率隨時間的變化曲線。整體來看，自上而下除霜與自下而上除霜在一個結(jié)霜-除霜周期內(nèi)變化趨勢基本相同；具體來看，自上而下在除霜期間平均制熱功率為1.59 kW，自下而上在除霜期間平均制熱功率為1.61 kW，二者在除霜時的制熱能力差別不大，但自下而上除霜比自上而下除霜用時減少55 s。

3.3 逆循環(huán)與分段除霜對比

為探究分段除霜與傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜的區(qū)別，在典型工況下對其除霜性能進(jìn)行分析和對比。

圖9為逆循環(huán)與分段除霜在一個結(jié)霜-除霜周期制熱功率隨時間的變化曲線。整體來看，分段除霜機組比逆循環(huán)除霜機組制熱效果要好，其制熱量一直處于正輸出。具體來看，因為逆循環(huán)除霜機組在進(jìn)行除霜前后需進(jìn)行停機，留有120 s的壓縮機重新啟動的保護(hù)時間，而這段時間內(nèi)機組無制熱，其除霜熱量來自壓縮機和水側(cè)換熱器，導(dǎo)致制熱功率的負(fù)輸出。

圖10為逆循環(huán)除霜與分段除霜在除霜過程壓縮機吸、排氣壓強隨時間的變化曲線。在分段除霜過程中，吸氣壓強最低為149.2 kPa，最高為283.7 kPa，波動范圍為134.5 kPa；排氣壓強最低為764.6 kPa，最高為2008.4 kPa，波動范圍為1243.8 kPa。在逆循環(huán)除霜過程中，吸氣壓強最低為98 kPa，最高為931 kPa，波動范圍為833 kPa；排氣壓強最低為497.8 kPa，最高為1980.5 kPa，波動范圍為1482.7 kPa。壓縮機吸氣壓強波動幅度比逆循環(huán)除霜低698.5 kPa，排氣壓強波動幅度比逆循環(huán)除霜低238.9 kPa?？梢娫谀嫜h(huán)除霜過程中，壓縮機吸、排氣壓強均波動較大，而分段除霜過程中，壓縮機排氣壓強隨著除霜控制閥的開閉而起伏，而壓縮機吸氣壓強整體穩(wěn)定。原因在于逆循環(huán)除霜需啟停壓縮機，通過四通換向閥改變整個系統(tǒng)的制冷劑流向，而分段除霜只需通過除霜控制閥改變一部分制冷劑流向即可?？傮w而言，分段除霜系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于逆循環(huán)除霜系統(tǒng)。

累積COP是在一段時間內(nèi)系統(tǒng)累積制熱量與累積耗電量的比值，表示該段時間內(nèi)的累積制熱性能，計算式為：

[c=0tQdt0tqdt]"""""" （3）

式中：[c]——累積COP；t——時間，s；[q]——瞬時耗電功率，kW。

圖11為逆循環(huán)除霜與分段除霜在一個結(jié)霜-除霜周期內(nèi)累積COP對比。在一個結(jié)霜-除霜循環(huán)中，在到達(dá)除霜點之前，逆循環(huán)系統(tǒng)與分段除霜系統(tǒng)累積COP變化趨勢基本相同，

cycle defrost and segmented defrost

原因在于結(jié)霜初始階段有助于室外側(cè)強化換熱，累積COP呈上升趨勢；而隨著霜層的不斷變厚，逐漸對室外側(cè)換熱器的換熱效果造成負(fù)影響。達(dá)到除霜點后，逆循環(huán)在除霜過程中累積COP下降幅度變大，分段除霜過程累積COP變化較緩，原因在于逆循環(huán)除霜直接改變系統(tǒng)的制冷劑流向，喪失了對室內(nèi)制熱能力，而分段除霜在除霜時可進(jìn)行持續(xù)供熱。

3.4 不確定度分析

根據(jù)系統(tǒng)性能，建立數(shù)學(xué)模型如：影響熱泵制熱功率的主要因素有水的比熱容[c]，水的體積流量[qv]，高效罐的進(jìn)出水溫度[t1]、[t2]。該實驗中水的比熱容可看作常數(shù)；高效罐罐體和水側(cè)管路均敷設(shè)有隔熱膜，參考相關(guān)文獻(xiàn)，水側(cè)漏熱量可忽略不計［16-18］。

3.4.1 水的體積流量[qv]的不確定度分析

實驗采用的電磁流量計的量程為1～10 m3/h，精度為[±1.0%]，最大偏差[U]為0.09 m3/h。按均勻分布考慮，取[K]值為[3]，[qv]標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

[μ（qv）=UK=0.093=0.05 m3/h]""" （4）

相對不確定度為：

[μr（qv）=0.0510×100%=0.5%]"" （5）

3.4.2 高效罐進(jìn)水溫度[t1]和[t2]的不確定度分析

高效罐進(jìn)水溫度[t1]和出水溫度[t2]的測量均采用T型熱電偶，其量程為[-80～350 ℃]，精度為0.01 ℃，最大偏差[U]為0.5 ℃。而該熱泵系統(tǒng)最高溫度為壓縮機排氣溫度，不超過110 ℃。按均勻分布考慮，[t1]標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

[μ（t1）=UK=0.53=0.29 ℃]" （6）

相對不確定度為：

[μ（t1）=0.29110×100%=0.26%]" （7）

同理可知[t2]的相對不確定度為：

[μr（t2）=0.29110×100%=0.26%]"""""" （8）

綜上可知，制熱功率的不確定度為：

[μr（Qh）=μr（qm）2+μr（t1）2+μr（t2）2][×100%][=0.62%]""""" （9）

4 結(jié) 論

本文提出一種分段除霜空氣源熱泵除霜系統(tǒng)，并在焓差室內(nèi)模擬實際運行環(huán)境工況進(jìn)行實驗測試，得到如下主要結(jié)論：

1）環(huán)境溫度由1 ℃降到[-2 ℃]，再降到[-5 ℃]，使得環(huán)境空氣中的絕對濕度下降、蒸發(fā)溫度降低，從而導(dǎo)致制冷劑的循環(huán)量減少，使得一個結(jié)霜-除霜期間的結(jié)霜時間分別增加167 s和699 s；同時，熱損失的增加導(dǎo)致除霜期間平均制熱功率減少0.28和0.22 kW。

2）環(huán)境空氣的相對濕度由80%減少到60%，這導(dǎo)致一個結(jié)霜-除霜期間的結(jié)霜時間增加了933 s，除霜期間的平均制熱功率減少0.28 kW。

3）冷凝溫度由40 ℃升到45 ℃，再到50 ℃，這相當(dāng)于增加了壓縮機的功耗而使得壓縮機排氣溫度升高，導(dǎo)致一個結(jié)霜-除霜期間平均制熱功率分別減少了0.2、0.7 kW，除霜時間分別減少了99、15 s、除霜期間平均制熱功率分別減少了0.27、0.19 kW。

4）在除霜過程中，分段除霜系統(tǒng)的制熱功率一直處于正輸出，其壓縮機吸氣壓強波動幅度比逆循環(huán)除霜低698.5 kPa，排氣壓力波動幅度比逆循環(huán)除霜低238.9 kPa，可見其運行穩(wěn)定性優(yōu)于逆循環(huán)除霜系統(tǒng)。

5）自上而下的除霜順序每段除霜用時依次增加；自下而上的除霜順序每段除霜用時基本相同，但其總除霜時間比自上而下除霜順序的總除霜時間少55 s，且自下而上的除霜順序會對“二次結(jié)霜”造成影響。

6）與傳統(tǒng)逆循環(huán)相比，分段除霜系統(tǒng)具有縮短除霜時間且可持續(xù)制熱、COP高、對系統(tǒng)沖擊較小等優(yōu)點。但該分段除霜空氣源熱泵系統(tǒng)在除霜過程中，閥門的切換較頻繁，導(dǎo)致了部分制冷劑流向改變，易造成系統(tǒng)局部壓力波動和能量損失，有待進(jìn)一步優(yōu)化。

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DEFROST PERFORMANCE STUDY OF CONTINUOUS HEATING AIR SOURCE HEAT PUMP SYSTEM WITH SEGMENTED DEFROST

Liu Xi’an，Chen Hai，F(xiàn)eng Ronjie，Huang Tao，He Shiquan， Tang Lan

（School of Civil Engineering， Guangzhou University， Guangzhou 510006， China）

Abstract：Based on continuous heating air source heat pump hot gas bypass defrost technology， this study proposes a segmental defrosting continuous heating air source heat pump system and investigates its performance in an enthalpy difference lab. The results show that lower ambient temperature or lower relative humidity or higher condensing temperature will reduce the average heating capacity of the segmental defrosting system. The change of compressor suction pressure in the process of segmental defrosting is 698.5 kPa smaller than that of reverse cycle defrost， and the change of discharge pressure is 238.9 kPa smaller than that of reverse cycle defrost. The defrosting sequence from top to down takes more time for each coil， while the defrosting sequence from down to top takes basically the same time for each coil， top to down defrosting sequence reduces total defrosting time by 55 s compared to top to down defrosting sequence， but has an impact on“secondary frosting”. Compared with the traditional reverse cycle defrost system， the segmental defrosting system has the advantages of short defrosting time and continuous heating， high COP， and less impact on the system. The switching of valves during defrosting will cause some local pressure fluctuations and energy loss in this system， which needs to be further optimized.

Keywords：air source heat pump； defrost； continuous heating； performance study； system optimization； uncertainty analysis