空氣源熱泵相變蓄能除霜系統動態特性實驗研究

曹琳，胡文舉，姜益強，姚楊，倪龍，李炳熙，馬最良

(1.哈爾濱工業大學動力工程及工程熱物理博士后流動站，黑龍江 哈爾濱150001;2.哈爾濱工業大學 市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱150090;3.廣東吉榮空調有限公司博士后科研工作站，廣東揭陽522000)

空氣源熱泵在我國的建筑節能工程中發揮著越來越重要的作用，其應用得到了大范圍的推廣.然而十幾年的運行實踐統計表明，其運行效果并不理想［1-2］，主要原因是空氣源熱泵室外換熱器結霜問題導致機組運行不穩定和可靠性差.因此，周期性除霜是空氣源熱泵在結霜工況下保障機組正常運行的必要環節.目前，空氣源熱泵除霜方法主要有逆循環除霜和熱氣旁通除霜2種，國內外進行了很多的研究.文獻［3-5］對除霜過程中的空氣源熱泵系統特性進行了研究，分析了結霜除霜對熱泵系統性能的影響.文獻［6-9］通過實驗研究了不同節流機構對除霜效率，尤其對除霜速度的影響.黃東等針對提前開啟風機對除霜的影響進行了研究，認為提前開啟風機可有效地避免除霜時因排氣壓力過高而導致系統停機［10］.此外，還有學者在實驗的基礎上對室外換熱器的熱氣除霜物理過程進行分析，建立了基于實驗的空氣源熱泵室外換熱器的除霜數學物理模型［11-13］.然而，空氣源熱泵除霜問題還沒有徹底解決，主要原因是逆循環或者熱氣旁通除霜時，為了避免除霜時向室內機吹冷風而必須關閉室內機風機，導致系統除霜能量主要依靠壓縮機作功，使得除霜時壓縮機吸氣壓力低(甚至低壓保護)，吸氣比容變大，系統中制冷劑循環質量流量隨之變小，除霜時間長，在重度結霜情況下，除霜不完全、不徹底等問題.這種除霜方法存在能源利用效率低和系統穩定性差的缺點，應當探索更佳的除霜方式.針對上述問題，文獻［14］提出了基于相變蓄能的熱氣除霜新系統，并對新系統的可行性進行了初步研究.為研究該空氣源熱泵相變蓄能除霜新系統在除霜工況下的系統動態特性和性能，總結其除霜規律，并將其與傳統除霜進行比較，本文開展了空氣源熱泵相變蓄能除霜和傳統系統除霜動態特性實驗研究.

1 實驗裝置及實驗條件

空氣源熱泵相變蓄能除霜系統在傳統空氣源熱泵系統的基礎上添加了一個相變蓄熱器和若干個電磁閥，其系統原理如圖1所示.當系統處于高效運行狀態時，通過調節閥門可實現蓄熱器蓄熱.當系統需要除霜時，關閉閥門2、3、5，保持閥門1與4打開，相變蓄熱器做除霜低位熱源.相變蓄能除霜系統實驗系統主要由3部分構成:相變蓄能除霜系統測試樣機、室外環境模擬小室及溫濕度調節系統和數據采集系統.

圖1 空氣源熱泵蓄能除霜系統結構及測點布置Fig.1 Schematic and measured points for PCM based ASHP defrosting system

1.1 相變蓄能除霜系統測試樣機

圖2 室外換熱器結構Fig.2 Schematic of outdoor coil structure

該系統由一臺KFR-23GW/T型分體熱泵型空調器改造而成.該空調器額定制熱量為2 500 W，制冷量為2 300 W，額定功率860 W，采用R22作為制冷劑，毛細管作為節流部件(長度為450 mm，管徑為Ф3.0×0.7 mm).室外側換熱器為 L 型換熱器，室內換熱器由3個三折蒸發器組成，其結構分別如圖2和3所示.表1給出了室內機和室外機結構參數.

圖3 室內換熱器結構Fig.3 Schematic of indoor coil structure

表1 室內外換熱器結構參數Table 1 Configuration of outdoor and indoor coil

合理設計相變蓄熱器對蓄能除霜性能具有非常重要影響.為了使蓄熱器性能最優，主要從下文兩方面考慮.

1.1.1 相變材料的選擇

相變材料的相變溫度必須介于熱泵供熱或除霜時的冷凝溫度Tc與蒸發溫度Te之間，這樣才能滿足系統蓄熱和釋熱的要求.

較大的相變潛熱.選擇潛熱值大的相變材料可以有效地減少蓄熱換熱器的體積.

較高的導熱系數.除霜過程較短，熱量必須在短時間內取出，因此相變材料應具有較高的導熱系數.另外相變材料應無毒，無腐蝕性等.

經過比對篩選，決定采用含有質量分數2%的SrCl2·6H2O和 Ba(OH)2·6H2O作為添加劑的CaCl2·6H2O作為蓄熱材料(相變溫度為27.5℃，與添加劑質量分數和純度有關，相變潛熱為176 kJ/kg，固液相密度分別為1 800 kg/m3和1 560 kg/m3).

1.1.2 蓄熱器結構及尺寸的確定

為達到迅速吸放熱的目的，必須增大相變材料與制冷劑二者之間的換熱面積.為此，本實驗設計出了雙螺旋盤管的套筒形蓄熱器.蓄熱器由內外2個套筒組成，將2個不同直徑的螺旋盤管置于2個套筒之間，由此相變材料充注于雙螺旋盤管和內外套筒四者之間構成的3個夾層空間.蓄熱時，高溫高壓的制冷劑沿兩根豎管自相變蓄熱器的底部進入相變蓄熱器，由下而上逐層加熱管外相變材料.除霜時，低溫低壓的制冷劑從盤管上部開始沿螺旋往下流動，吸收相變材料的相變熱量而蒸發.

圖4 蓄熱器俯視圖Fig.4 The planform of PCM-HE

圖5 蓄熱器剖面圖Fig.5 The cross-section drawing of PCM based heat exchanger

圖4和圖5給出了蓄熱器結構示意圖(其中實 線箭頭表示蓄熱工況制冷劑的流向，虛線箭頭表示除霜工況制冷劑的流向)，具體結構參數見表2.所設計的相變蓄熱器的總容量為1 869 mL，但后期實驗發現采用約其一半體積的相變材料即可基本滿足本文實驗工況的除霜需要，因此本文除霜實驗中采用的液相CaCl2·6H2O的體積為1 000 mL.

表2 相變蓄熱器結構參數Table 2 Structural parameters of PCM based heat exchanger

1.2 人工模擬環境室

室外環境模擬小室內部長×寬×高為3.2 m×3.0 m×2.4 m，圍護結構為160 mm厚高密度苯板，外壁為3 mm厚纖維板，內壁為1.5 mm厚鋁板，鋁板表面刷油漆，小室保溫、隔濕性能良好.小室空氣處理系統主要有空氣冷卻系統、空氣加熱系統、空氣加濕系統3部分組成.當小室內溫度高于模擬值時，模擬小室降溫通過以下2種方式實現:1)利用制冷量為4 500 W的移動冷水機組向模擬小室供冷;2)利用哈爾濱地區冬季室外低溫自然冷.自然冷通過置于室外的一風機盤管和置于小室內的風機盤管經乙二醇溶液管路輸入小室.當小室內溫度低于模擬值時，可通過加熱功率為4 000 W(粗調)和800 W(微調)的可調功率的紅外線電加熱器實現.加濕系統主要由2臺加濕量為300 g/h的超聲波加濕器組成，可通過對電壓的調節來實現加濕速率的調節.在本文實驗中，室外機空氣溫度控制在1±0.25℃，相對濕度為80%±2%，室內機的入口平均空氣溫度控制在19.5 ±0.5℃.

1.3 實驗數據采集系統

為了研究空氣源熱泵相變蓄能除霜系統的動態特性，本實驗測點布置如圖1所示(T、P、H分別代表溫度、壓力和相對濕度測點).對于室外部分(包括壓縮機、四通換向閥、室外換熱器、毛細管)分別在壓縮機的吸排口、毛細管和室外換熱器之間布置壓力傳感器和溫度傳感器.此外，還在室外換熱器的吸排風處布置了溫度傳感器、濕度傳感器和風速傳感器，用以測量室外換熱器進出口空氣狀態和風量.在室外換熱器的管壁上布置4個溫度測點用以觀察在除霜過程中室外機管壁溫度的變化，4個測點分別布置在第1、7、13和20根盤管上，代表被測室外換熱器4個典型的測試區域.對于室內部份，為了測量進入室內換熱器和相變蓄熱器的進出口制冷劑的狀態，分別布置了溫度傳感器和壓力傳感器.此外，為了能夠反映和比較不同除霜方式對室內環境溫度的影響，還在室內機的第2和23根翅片管表面布置了2個溫度測點.相變材料溫度的變化是反映蓄熱和取熱動態過程的重要標志性參數，因此在相變蓄熱器的內部布置了2個溫度測點，分別記為A、B測點，分別布置在相變蓄熱器內相變材料距離底部1.5 cm和距離相變材料頂部1.5 cm處.

本實驗選用四線制鉑電阻測量溫度，其測溫精度為±0.1℃.壓力傳感器由中國電子科技集團公司制造，精度為0.25級.溫濕度傳感器為瑞士羅卓尼克生產的Hygroclip溫濕度傳感器.其濕度的測量精度為±1.5%，溫度的測量精度為±0.3℃.

本實驗測量的參數分為溫度檢測、濕度檢測、壓力檢測、風速檢測等，采用了安捷倫34980A多功能數據采集儀，完成對實驗數據的自動檢測，并實時地存入電腦.

2 實驗結果分析

本實驗研究中，并沒有采用原空調系統的控制系統，而采用了人工控制的方法.除霜終止的判斷是基于多次實驗的經驗做出的.即無論針對蓄能除霜還是逆循環除霜，都經過多次的實驗，然后選取一個合適的除霜終止判斷依據.對于傳統逆循環除霜，多次反復實驗發現除霜約8 min時才能保證室外機表面水有少量的水蒸氣逸出(即室外機表面水基本被蒸干)，因此傳統除霜實驗時采用了時間終止除霜法.而對于蓄能除霜，經反復實驗發現，當室外機表面的溫度升高至50℃時才能保證室外機表面水有少量的水蒸氣逸出，因此對于蓄能除霜，本實驗中采用室外機表面溫度升高至50℃來作為除霜終止的判斷依據.

2.1 壓縮機排氣壓力

圖6為2種除霜模式下壓縮機排氣壓力隨時間的變化.由圖可知，傳統逆循環除霜至少需要8 min，而采用相變蓄能除霜后，除霜時間僅需約4 min.從排氣壓力隨時間變化可知，在除霜初始30 s內，2種除霜模式的壓縮機排氣壓力迅速下降至0.8 MPa，之后逐漸回升，但回升速度相差較大.傳統除霜模式時，壓縮機的排氣壓力回升較慢，約3 min以后維持在1.4 MPa.和傳統除霜模式相比，蓄能除霜的壓縮機排氣壓力升高較快，不到3 min壓縮機排氣壓力升高至2.2 MPa，之后升高速度變慢.由圖還可看出，2種工況的壓縮機排氣壓力迅速變化主要集中在前3 min，說明前3 min系統處于非常不穩定運行的階段，而3 min后，系統逐步穩定.

圖6 2種除霜模式下壓縮機排氣壓力隨時間的變化Fig.6 Discharge pressure of compressor vs.time in two defrosting modes

2.2 壓縮機吸氣壓力

圖7為2種除霜模式下壓縮機吸氣壓力隨時間的變化.由圖可知，在除霜初始30 s內，吸氣壓力迅速上升至約為0.8 MPa，而后吸氣壓力迅速下降至最低點，然后又經歷了吸氣壓力回升和再降低的過程.由圖可知，在傳統除霜模式中，當壓縮機的吸氣壓力經歷一次回升至最大值后，吸氣壓力逐漸下降，然后維持在0.2 MPa，很容易引起壓縮機的吸氣低壓保護性停機.當采用了相變蓄能除霜后，壓縮機的吸氣壓力提高至0.5 MPa，較傳統除霜升高了約0.3 MPa.因此可知，相變蓄熱器可以有效地提高壓縮機的吸氣壓力，避免保護性停機.

圖7 2種除霜模式下壓縮機吸氣壓力隨時間的變化Fig.7 Suction pressure of compressor vs.time in two defrosting modes

2.3 壓縮機排氣溫度

圖8為2種除霜模式下壓縮機排氣溫度隨時間的變化.由圖可知，在除霜初始30 s內，由于室內機內的制冷劑迅速涌入壓縮機并和壓縮機以及室外機內的低溫制冷劑混合，導致壓縮機的排氣溫度迅速由72℃下降至50℃，甚至40℃.隨后，壓縮機的排氣溫度迅速升高.傳統除霜模式時壓縮機的排氣溫度在2.5 min時，升高至70℃，然后又逐漸降低.與之相比，相變蓄能除霜的壓縮機排氣壓力一直處于升高狀態，截至除霜結束時，相變蓄能除霜的壓縮機排氣溫度升高至82℃.

圖8 2種除霜模式下壓縮機排氣溫度隨時間的變化Fig.8 Discharge temperature of compressor vs.time in two defrosting modes

2.4 壓縮機吸氣溫度

圖9為2種除霜模式下壓縮機吸氣溫度隨時間的變化.由圖9可知，在系統由制熱工況轉入除霜工況的初始30 s內，由于室內機內的制冷劑迅速涌入壓縮機，導致壓縮機的吸氣溫度迅速升高，其中傳統除霜模式的吸氣溫度升高至30℃，然后又迅速降低至-22℃.而采用相變蓄能除霜系統，系統在轉入除霜的2 min內，壓縮機的吸氣溫度都維持在了40℃以上，隨后吸氣溫度會逐漸降低，但一直保持在5℃以上，充分體現了相變蓄熱器的低位熱源的作用.但是，有必要指出的是，過高的吸氣溫度會增大吸入壓縮機的制冷劑比容，導致系統的制冷劑質量流量減小，進而可能會對除霜速度產生負面影響.因此，如何有效地控制相變蓄熱器內的相變材料溫度及其釋熱速度非常重要.

圖9 2種除霜模式下壓縮機吸氣溫度隨時間的變化Fig.9 Suction temperature of compressor vs.time in two defrosting modes

2.5 室外機壁溫

圖10為2種除霜模式下室外機平均壁溫隨時間的變化.由圖10可知，在除霜開始的1.5 min內，2種除霜模式的室外機溫度變化基本一致.這是因為在該階段，室外機被加熱至0℃或者處于外表面發生融霜現象，雖然各運行模式開始時都具有一個低位熱源(傳統除霜時室內機儲存的顯熱可看做一低位熱源)，但各低位熱源在此階段對融霜的影響差別較小，系統內部高低壓側制冷劑的遷移起主要作用.之后，室外機溫度開始迅速升高，但是升高的速度大不相同.由圖可知，傳統除霜由于除霜過程沒有低位熱源導致室外機溫度變化較慢，最后穩定40℃.而對于蓄能除霜模式，由于有了除霜用低位熱源，室外機壁溫升高非常迅速，升高至50℃僅用了約4 min.

圖10 2種除霜模式下室外機平均壁溫隨時間變化Fig.10 Mean temperature on the surface of outdoor coil vs.time in two defrosting modes

2.6 壓縮機功率

圖11為2種除霜模式下壓縮機功率隨時間的變化.由圖可知，壓縮機的功率和壓縮機的排氣壓力的變化趨勢非常類似.在除霜初始30 s內，壓縮機功率迅速降低至最低點，約為500 W，然后又逐漸升高.在除霜結束時，相變蓄能除霜的壓縮機功率約為900 W，而傳統除霜壓縮機功率升高較慢，且最終維持在630 W.主要原因是壓縮機的吸氣比容較小，導致系統制冷劑質量流量較小.這也是傳統除霜慢而相變蓄熱除霜可以加快除霜的主要原因之一.

圖11 2種除霜模式下壓縮機功率隨時間的變化Fig.11 Power input of compressor vs.time in two defrosting modes

2.7 除霜過程室內機溫度

圖12為2種除霜模式下室內機平均壁溫隨時間的變化.當系統由制熱模式轉向除霜模式后，室內機溫度迅速下降.在傳統除霜模式中，室內機壁溫降低至-15℃，而采用蓄能除霜時僅降低至17℃，略低于室內溫度.這是因為傳統除霜時，低溫低壓制冷劑流經室內機，導致室內機壁溫大幅度降低.采用蓄能除霜時，制冷劑從室內吸取的熱量甚微.

圖12 2種除霜模式下室內機平均壁溫隨時間的變化Fig.12 Mean temperature on the surface of indoor coil vs.time in two defrosting modes

2.8 恢復供熱時室內機出風溫度

圖14為除霜后熱泵機組再次啟動時，室內機出風溫度隨時間的變化.由圖可知，當系統由制熱模式轉向除霜模式后，室內機出風溫度迅速下降.在傳統除霜模式中，室內機出風溫度降低至12℃，低于室內溫度.采用蓄能除霜運行模式時，當系統從除霜轉換至供熱工況時，除霜幾乎沒有影響到向室內供熱，出風溫度升高速度比傳統除霜升高速度快很多，因此不會給人以吹冷風的感覺，更有利于供熱房間的舒適性.

圖14 釋熱過程相變材料溫度隨時間變化Fig.14 Temperature of PCM vs.time

2.9 蓄熱材料溫度

圖14為相變蓄能除霜4 min內，蓄熱器內相變材料測點A和B的溫度隨時間的變化.由圖可知，除霜開始后，距離螺旋盤管較遠的A、B點的溫度變化緩慢，但隨著釋熱的繼續，兩點的溫度迅速下降.當釋熱至第160 s時，相變材料溫度變化逐漸變緩，表明A、B點開始了潛熱釋熱階段.在相變的過程中，沒有出現理論的等溫過程.主要原因有2個方面:1)除霜時，盤管內的制冷劑蒸發溫度與相變溫度的溫差較大(約25℃)，導致取熱速度較快，釋熱過程持續較短;2)相變材料本身具有一定的過冷度，雖然本文添加了相應的消除過冷度的添加劑，但仍未完全消除其過冷度.至第220 s時，相變潛熱釋放完畢，相變材料的溫度再次開始迅速下降.在除霜過程結束時，A點溫度約為22℃，B點溫度約為25℃.從除霜啟動至第180 s是相變材料發生相變釋放潛熱的主要過程，也是室外換熱器融霜的關鍵時段.從實驗結果可以看出，相變材料相變釋熱過程盤管內制冷劑與管外相變材料熱交換充分，除霜結束時液相相變材料基本全部轉變為固相.

3 結論

本文介紹了空氣源熱泵相變蓄能除霜系統原理，搭建了空氣源熱泵相變除霜系統實驗臺.通過對空氣源熱泵相變除霜系統實驗研究并和傳統除霜進行對比可以得到以下結論:

1)所研制的螺旋盤管相變蓄熱器具有很高的釋熱速度，可以滿足除霜的需要;

2)相變蓄能除霜的壓縮機吸氣壓力比傳統除霜提高了約0.3 MPa，可有效避免壓縮機的低壓保護性停機，壓縮機的排氣壓力、吸排氣溫度、功率及室外機平均壁溫回升速度均明顯加快;

3)蓄能除霜可以有效地提高除霜速度(比傳統除霜快了近4 min)，且系統由除霜轉為供熱時，室內機吹出空氣溫度較高，更加有利于供熱房間舒適度.

本文研究為以后相變蓄能除霜系統的系統控制及其實際應用和推廣奠定了基礎.

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