蓄熱除濕耦合型無霜空氣源熱泵熱水器實驗研究

郝鵬飛王灃浩王志華王甜

（1西安交通大學人居環境與建筑工程學院 西安 710049；2西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049）

蓄熱除濕耦合型無霜空氣源熱泵熱水器實驗研究

郝鵬飛1王灃浩1王志華2王甜1

（1西安交通大學人居環境與建筑工程學院 西安 710049；2西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049）

本文研究了一種新型無霜空氣源熱泵熱水器系統，該系統在傳統系統基礎上增加了除濕換熱器和蓄熱裝置，其運行方式包括制熱模式和再生模式兩種。針對此新型系統，本文搭建了實驗臺，并通過研究發現，該系統在室外溫度為－3℃、0℃和3℃、RH（相對濕度）為85%的工況下可以保持無霜運行時間分別為32 min、34 min和36 min；且在再生模式下能夠滿足干燥劑的再生，保證系統了的持續供熱。此外，與逆循環除霜系統相比，在－3℃和3℃，RH為85%下，COP分別高17.9%和3.4%，表明在低溫環境下，該系統有相對明顯的優勢。

空氣源熱泵；無霜；固體干燥劑；蓄熱裝置；熱水器

近年來，空氣源熱泵由于其優良的節能性和環保性受到廣泛關注［1－2］，也已經作為熱源或冷源應用在國內很多方面［3］。然而，在冬季寒冷地區，室外換熱器表面會發生結霜導致傳熱效果惡化、制熱量減小、系統性能下降，甚至導致機組因自我保護而停機。因此，室外換熱器的結霜問題是制約空氣源熱泵系統更加廣泛應用和發展的重要因素。

針對空氣源熱泵系統的除霜問題，國內外學者已經進行了大量研究。目前廣泛使用的除霜方法主要包括電熱除霜［4－5］、逆循環除霜［6－7］、熱氣旁通法除霜［8－9］以及蓄能除霜［10］，它們雖然具有簡單易行的優點，但是增加了不必要的除霜能耗。此外，有學者根據結霜機理提出了抑制或延緩結霜的方法［11－12］，Zhang L等［13］提出在蒸發器前利用固體干燥劑對空氣除濕來抑制結霜，不過當干燥劑吸濕量達到飽和后，其脫附再生產生的濕空氣依然會造成蒸發器結霜，因此該系統有待于進一步完善。

本課題組充分利用蓄熱器和除濕抑制結霜的特點，將二者有機結合，提出蓄熱除濕耦合型無霜空氣源熱泵熱水器［14］，該系統能夠避免室外換熱器結霜，并能夠滿足干燥劑的再生，有效提高了系統的低溫適應性。本文通過實驗，研究該系統在不同環境工況下的抑制結霜性能以及系統穩定性，并通過實驗臺改造，與傳統逆循環除霜進行對比分析。

1 系統原理

該新型系統主要包括兩種運行模式，即制熱模式和再生模式。其具體流程為：

圖1 制熱模式原理圖Fig.1 Schematic diagram of heating mode

制熱模式：電磁閥（15，18）和電子膨脹閥（17）關閉，其余電磁閥打開。制冷劑經壓縮機（1）壓縮成高溫高壓的氣體，經過高壓控制器（2），四通閥（3），在纏繞有冷凝盤管的蓄熱水箱（4）冷卻成高壓的氣液兩相流，經電磁閥（5）在蓄熱裝置（6）內進一步冷卻，蓄熱材料吸收制冷劑釋放熱量，制冷劑被冷卻為過冷液體，流經干燥過濾器（7），經電子膨脹閥（8）一次節流后，部分制冷劑在除濕換熱器（9）內蒸發吸熱，之后制冷劑經干燥過濾器（10）、電子膨脹閥（11）二次節流成低壓汽液兩相流，在蒸發器（12）內完全蒸發吸熱，成為過熱氣體，避免對壓縮機造成濕壓縮，最后制冷劑流經電磁閥（13）、四通閥（3）、低壓控制器（14）回到壓縮機（1）；室外空氣（OA）首先經過除濕換熱器（9），固體干燥劑吸收空氣中水分，除濕后的干燥空氣（DA）然后經過蒸發器（12），最后，冷卻空氣（EA）排出蒸發器。由于除濕后的空氣露點溫度低于蒸發器（12）內制冷劑的蒸發溫度，實現空氣源熱泵無霜運行。

再生模式：電磁閥（5，13）關閉，其余電磁閥打開。制冷劑經壓縮機（1）壓縮成高溫高壓的氣體，流經高壓控制器（2）、四通閥（3），在纏繞有冷凝盤管的蓄熱水箱（4）冷卻成高壓的氣液兩相流，經電磁閥（15）（此時電子膨脹閥（8，11）全開），高壓制冷劑進一步在除濕換熱器（9）和蒸發器（12）內冷卻放熱，利用余熱對固體干燥劑再生，之后高壓制冷劑流經干燥過濾器（16），經電子膨脹閥（17）節流降壓后在蓄熱裝置（6）內蒸發吸熱，成為過熱氣體，最后制冷劑經電磁閥（18）、四通閥（3）、低壓控制器（14）回到壓縮機（1），完成一個再生循環。為了充分利用冷凝余熱，同時避免干燥劑脫附后的水蒸氣附著在蒸發器（12）上，造成下次循環結霜的隱患，在再生模式下，室外空氣（OA）首先經過蒸發器（12），再通過除濕換熱器（9），吸收干燥劑脫附的水蒸氣成為濕空氣（MA）后排出。

圖2 再生模式原理圖Fig.2 Schematic diagram of regeneration mode

2 實驗裝置及工況

根據普通家用熱水需求并參考市場常見熱泵熱水器，該新型熱泵熱水器設計額定制熱量為2500 W。其核心裝置為蓄熱裝置和除濕換熱裝置，因此蓄熱材料和干燥劑的選擇尤為重要。

2.1 蓄熱裝置

針對該新型熱泵系統，蓄熱材料的選擇除了需要滿足相變潛熱大、導熱系數高等常規要求外，最重要應具備合適的相變溫度，必須介于熱泵供熱或除霜時的冷凝溫度Tc和蒸發溫度Te之間，且不能太靠近Tc或Te，介于二者之間偏上為宜。根據有關學者研究比較［15］，選擇CaCl2·6H2O作為相變蓄熱材料，其熱物性參數如表1所示。

根據董建鍇等［16］關于蓄熱裝置的研究，該系統采用相似的雙套螺旋管的套管型蓄熱罐，裝置具體尺寸如表2所示。本項目設計相變材料充注量為5000 mL，蓄熱量為1625 kJ。

2.2 除濕換熱裝置

除濕換熱器采用翅片管換熱器結構，即在傳統翅片管換熱器的翅片表面涂覆干燥劑材料涂層構成。Tu R等［17］的研究發現硅膠作為干燥劑的再生溫度為40～50℃，與熱泵熱水器的冷凝溫度一致，因此選用硅膠作為此新型系統的干燥劑，表3所示為本實驗除濕換熱器的結構參數。

表1 CaCl2·6H2O熱物性參數Tab.1 Thermophysical properties of CaCl2·6H2O

表2 蓄熱裝置尺寸Tab.2 Size of the thermal storage device

表3 除濕換熱器上膠量及尺寸大小Tab.3 Properties of the desiccant heat exchanger

2.3 實驗臺搭建及實驗工況

本實驗臺采用三菱電機（廣州）滾動轉子式壓縮機，型號為 RB174GHAC，額定轉速為 2860／3400 r／min（50／60 Hz），理論排氣量17.4 cm3／r，單汽缸，額定輸入功率750 W；以全銅翅片管換熱器作為蒸發器，結構尺寸與除濕換熱器相同；水箱內部螺旋纏繞4.6 m長的銅管（?9.52×0.5 mm），水量為60 L；實驗在高精度5 HP焓差實驗室內完成。此外，在實驗臺相應位置布置壓力及溫度測點，傳感器誤差＜2%，所有測量數據均由計算機自動記錄。

本實驗主要對室外環境溫度為－3℃、0℃、3℃，空氣相對含濕量為85%工況下的系統性能進行實驗，具體實驗工況如表4所示。

表4 實驗工況及相關工質參數Tab.4 The experimental conditions and related working fluid parameters

3 實驗結果及分析

3.1 除濕換熱器出口空氣溫度

圖4所示為一個周期內除濕換熱器出口空氣溫度隨時間變化情況。

由圖4可以看出，除濕換熱器出口空氣溫度在三種工況下的變化趨勢基本相同，在系統運行的前5 min溫度會有略微增大，之后持續緩慢下降。這是由于在開始階段，干燥劑吸濕能力較強，釋放大量的吸附熱，熱量超過制冷劑吸收熱量，造成空氣溫度會有短暫上升；隨著時間的推移，干燥劑吸濕能力逐漸減弱，釋放的吸附熱量減小，少于制冷劑吸收熱量，所以空氣溫度逐漸下降。34 min左右，蒸發換熱器表面開始結霜，此時系統切換為再生模式。再生初始階段，冷凝余熱對除濕換熱器進行加熱，空氣溫度迅速上升，分別在35 min、37 min、38 min達到最大值 30.5℃、32.8℃、31.64℃，由于蓄熱器中的熱量逐漸減少，冷凝熱量減少，不足以提供足夠的再生熱量，空氣溫度逐漸下降。

圖3 新型無霜空氣源熱泵熱水器實驗臺Fig.3 Experimental set up novel frost?free ASHPWH system

圖4 除濕換熱器出口空氣溫度隨時間變化Fig.4 Variation of outlet air temperature of desiccant heat exchanger

3.2 除濕換熱器出口空氣含濕量

圖5所示為一個周期內除濕換熱器出口空氣含濕量隨時間變化情況。

圖5 除濕換熱器出口空氣含濕量隨時間變化Fig.5 Variation of outlet air hum idity of desiccant heat exchanger

由圖5可以看出，三種工況下的空氣初始含濕量分別為2.39 g／kg、3.24 g／kg、4.02 g／kg，系統制熱模式運行時，空氣經過除濕換熱器干燥除濕，含濕量迅速降低為1.43 g／kg、2.13 g／kg、2.87 g／kg，相比于初始含濕量值分別下降了40.2%、34.3%和28.6%。隨著干燥劑中含濕量的增大，干燥劑除濕能力減弱，此時空氣含濕量呈略微上升狀態。

系統切換為再生模式后，冷凝余熱加熱除濕換熱器，干燥劑表面水蒸氣分壓力大于室外空氣水蒸氣分壓力，干燥劑開始脫附再生，使得空氣含濕量增大；隨著蓄熱裝置內熱量的減少，冷凝余熱不足，干燥劑脫附效果下降，空氣含濕量逐漸減小。

3.3 除濕換熱器溫度

圖6所示為一個周期內除濕換熱器表面溫度隨時間變化情況。

圖6 除濕換熱器表面溫度隨時間的變化Fig.6 Variation of surface temperature of desiccant heat exchanger

由圖6可以看出，不同工況下的換熱器表面溫度變化趨勢基本一致。制熱模式下，換熱器表面溫度緩慢下降；切換到再生模式后，溫度迅速上升，三種工況下達到的最高表面溫度分別為50.4℃、55.4℃、60.2℃，根據Tu R等［17］的研究，內冷型固體除濕裝置的再生溫度為44.7℃，證明該新型系統可以提供合適的溫度滿足干燥劑的再生需求。

3.4 除濕換熱器性能分析

圖7所示為干燥劑在不同溫度下的除濕率和再生率變化情況。

由圖7中可看出：干燥劑除濕率隨室外溫度的升高而降低，干球溫度由－3℃上升到3℃，除濕率由27.7%下降到24.1%，這是因為干燥劑的溫度越低，表面水蒸氣分壓越小，與周圍空氣形成的水蒸氣分壓差越大，除濕效率越高。而再生模式下，干燥劑的再生率隨室外溫度的升高而增大，從66%增大到81%，一方面由于較高的蒸發溫度使制熱能力增加，蓄熱裝置儲存熱量也增加；另一方面，再生模式下的冷凝溫度隨著蒸發溫度升高而升高，有利于干燥劑再生。

3.5 蓄熱材料平均溫度

圖8所示為不同環境溫度下蓄熱材料平均溫度隨時間變化情況。

圖7 除濕換熱器除濕率及再生率在不同工況下的變化Fig.7 Variation of dehum idification rate and regenerate rate of desiccant heat exchanger in different conditions

圖8 不同環境溫度下蓄熱裝置平均溫度變化Fig.8 Variation of mean temperature of the thermal storage device in different ambient tem perature

如圖8所示，在系統運行前10 min內，蓄熱材料溫度變化程度較大，當達到相變溫度后，蓄熱體開始相變換熱，溫度變化趨于平緩，制熱模式結束時的平均溫度分別為27℃、32℃、35℃，隨著室外溫度的升高而升高。系統切換為再生模式后，此時蓄熱裝置充當蒸發器，制冷劑處于蒸發吸熱狀態，換熱系數大，而且蓄熱量逐漸減少，蓄熱裝置平均溫度顯著下降。

4 無霜熱泵系統與逆循環除霜系統性能對比

傳統空氣源熱泵大多采用逆循環除霜，為了更直觀反映該新型系統的性能，本課題組對新型無霜熱泵系統進行簡單的管路改造，移除蓄熱裝置和除濕換熱器，并關閉額外的電磁閥，使其轉換為逆循環除霜，并與新型無霜系統對比。

4.1 逆循環除霜流程

當熱泵制熱量下降為其額定制熱量的70%時，啟動逆循環除霜過程［18］。此時壓縮機暫停，電子膨脹閥開啟度最大以平衡系統內部壓力，1 min后四通換向閥切換為除霜模式，然后啟動壓縮機開始除霜。

4.2 壓縮比比較

圖9所示為0℃環境溫度下無霜系統與逆循環除霜系統壓縮比隨時間變化曲線。

圖9 無霜熱泵系統與逆循環除霜系統的壓縮比對比Fig.9 Comparison of com pression ratio between frost?free system and reverse cycle defrosting system

由圖9可以看出，在一個運行周期內，新型無霜熱泵系統的壓縮比逐漸從3.98增大到7.29，而由于少量的霜層增大了室外換熱器的粗糙度，氣流擾動增強，一定程度上強化了傳熱效率，所以逆循環除霜系統運行初期的壓縮比有減小的趨勢。然后霜層的加厚導致換熱熱阻不斷增大，傳熱效果變差，蒸發溫度降低，壓縮比隨之不斷增大。逆循環除霜系統運行到60 min左右時切換為除霜模式，以水箱熱水作為低位熱源，蒸發溫度較高，壓縮比顯著下降；隨著除霜的進行，冷凝溫度逐漸上升，壓縮比又開始增大。由此可見，新型無霜熱泵系統與逆循環除霜系統相比，后者壓縮比變化較為劇烈，前者的運行狀態相對穩定。

4.3 制熱量比較

圖10反映了不同工況下，新型無霜熱泵系統與逆循環除霜系統制熱量的變化情況。可以看出，二者的制熱量均隨環境溫度的升高而增大，在環境溫度3℃以下，無霜熱泵系統相對逆循環除霜系統制熱量較高，主要是由于結霜造成室外換熱器熱阻增大，換熱效果惡化，導致制熱量減小。隨著環境溫度的升高，換熱器結霜量減少，對換熱效果影響相對較小，而且除霜能耗也減小，制熱量差距減小，當環境溫度達到3℃時，二者制熱量趨于一致。

4.4 COP比較

圖11所示為新型系統與逆除霜系統一個制熱周期內的平均COP比較。

由圖11可以看出，在測試工況下，新型無霜熱泵系統的COP始終高于逆循環除霜系統，在－3℃和0℃工況下的差距分別為17.9%和9.93%。一方面由于低溫工況下結霜問題導致逆循環除霜系統的制熱量相對較小，另一方面新型無霜熱泵系統避免了不必要的除霜能耗。不過隨著環境溫度的升高，制熱量差距以及除霜能耗下降，二者COP差距也逐漸減小。由此證明該新型無霜空氣源熱泵系統具有更優良的低溫適應性以及更好的制熱性能。

圖10 無霜熱泵系統與逆循環除霜系統的制熱量對比Fig.10 Comparison of heating capacity between frost?free system and reverse cycle defrosting system

圖11 無霜熱泵系統與逆循環除霜系統的COP對比Fig.11 Com parison of COP between frost?free system and reverse cycle defrosting system

5 結論

本文對一種新型無霜空氣源熱泵熱水器在不同環境溫度下的系統運行性能進行實驗研究，并與傳統逆循環除霜進行對比分析，通過分析實驗數據得到結論如下：

1）在－3℃、0℃和3℃的室外空氣溫度條件下，系統分別可以保持32 min、34 min、36 min的無霜制熱模式運行，而且再生模式下除濕換熱器的最高溫度分別達到50.4℃、58.4℃、60.2℃，可滿足干燥劑脫附再生要求，證明該新型系統無霜運行的可行性。

2）隨著室外環境溫度從－3℃升高到3℃，干燥劑除濕效率由27.7%下降到24.1%，而再生效率由66%上升到81%，系統COP由2.47增大到3.11。低溫環境溫度下的干燥劑再生效率以及系統COP都明顯降低，所以如何提高干燥劑在低溫工況下的再生效率以及系統性能還有待進一步研究。

3）與傳統的逆循環除霜熱泵系統相比，新型系統壓縮比變化較小，運行更穩定。在系統制熱量以及COP性能方面，新型無霜系統在低溫工況下都顯著優于逆循環系統，證明新型系統良好的低溫適應性。

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王灃浩，男，博士生導師，教授，西安交通大學建筑節能研究中心主任，13227006940，E?mail：fhwang＠mail.xjtu.edu.cn。研究方向：建筑節能與可再生能源利用技術。

About the corresponding author

Wang Fenghao，male，Ph.D.／professor，Director of Building Energy Research Center，Xi’an Jiaotong University，＋86 13227006940，E?mail：fhwang＠mail.xjtu.edu.cn.Research fields：building energy efficiency and renewable energy technology.

Experimental Research on a Novel Frost?free Air?source Heat Pump Water Heater System Coupling with Thermal Storage and Dehum idification

Hao Pengfei1Wang Fenghao1Wang Zhihua2Wang Tian1

（1.School of Human Settlements and Civil Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an，710049，China；2. School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an，710049，China）

A novel frost?free air?source heat pump water heater applying dehumidification device and thermal storage on the basis of tradi?tional system is studied in this paper.The operation mode of this system includes heating mode and regeneration mode.An experimental apparatus is built up to study this system，and according to the experiment，the frost?free operating time of this system is 32 min，34 min and 36min respectively when the temperature of air is－3℃，0℃，3℃ and the relative humidity is 85%.And the temperature is high enough for the regeneration of desiccant，which could keep the heat pump heating water continuously.Besides，the COP of this system at temperature of－3℃and 3℃is 17.9%and 3.4%higher than the reverse cycle defrosting system in the same conditions，which proves that this new system has better performance under low environment temperature.

air?source heat pump；frost?free；desiccant；thermal storage；water heater

TQ051.5；TK114；TU822

A

0253－4339（2015）04－0085－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.085

簡介

2014年12月9日