無霜空氣源熱泵系統冬季再生性能初步實驗

(東南大學能源與環境學院 南京 210096)

冬季，空氣源熱泵面臨嚴重的結霜問題,結霜導致空氣流通面積減少，室外換熱器蒸發溫度下降、機組制熱量減少、風機性能衰減、輸入電流增大、供熱性能系數降低，嚴重時壓縮機會停止運行，以致機組不能正常工作[1-4]，學者們提出了多種解決辦法。電融霜是一種簡單、可操作性強的方法，但效率較低，換向融霜可以克服電融霜的一些缺點，但會帶來室內熱舒適度低和系統運行不穩定的問題。針對上述問題，大量學者從抑制結霜和縮短融霜時間的角度出發，對蒸發器表面翅片的材料及翅片的形狀、大小、安裝方式等進行了研究，開發出一系列優于傳統翅片性能的新型翅片，在此基礎上除霜方式也有所創新[5-8]。楊軍紅[9]為解決空氣源CO2熱泵在低溫、高濕環境下的除霜問題，設計出一種CO2熱泵智能除霜方法，即在CO2熱泵壓縮機排氣端與蒸發器之間安裝旁通管路，除霜時打開旁通管路將CO2熱泵高壓端的高溫、高壓氣體直接送入蒸發器以達到除霜的目的。實際應用表明，該除霜方式能夠很好的解決CO2熱泵在低溫、高濕環境下運行時的除霜問題，其除霜穩定、可靠、干凈。胡斌等[10-11]研究了采用熱氣旁通除霜的空氣源跨臨界CO2熱泵系統，重點分析了該系統除霜工況時的參數變化及蒸發器側結霜情況，研究表明，采用熱氣除霜的跨臨界CO2熱泵系統可以高效、合理地運行。高強等[12]根據成霜原理提出了新型無霜空氣源熱泵系統，并通過實驗研究了該系統的性能，得出該系統具有可行性且節能效果顯著。李念平等[13]通過對應用熱源塔式空氣源熱泵實際工程案例的經濟性分析，得出熱源塔式空氣源熱泵具有較高的節能潛力。許東晟等[14]研究了不同噴淋溶液質量和濃度對無霜空氣源熱泵系統性能的影響，并研究了室外條件對除濕和結霜的影響，為無霜空氣源熱泵系統的應用提供參考。王志華等[15]提出一種新型無霜空氣源熱泵熱水器并實驗驗證了新型系統的可行性，與傳統除霜系統相比，在環境溫度為0 ℃，相對濕度為80%工況下，其COP比熱氣旁通除霜系統和電除霜系統分別高7.25%和46.30%。姚楊等[16]從液體除濕的角度出發，提出了噴淋除濕溶液來實現無霜運行的空氣源熱泵系統，發現該系統可靠性高，沒有介入制冷劑循環，在常規模式和防霜模式之間切換時對系統沖擊小，“防霜”模式運行時，送風溫差比常規系統高1.5 ℃，供熱量高6%，但噴淋溶液時系統COP 略低于常規系統的平均COP[17]。Jiang Yiqiang[18]選定甘油水溶液作為噴淋溶液，并指出溶液質量濃度為50%，質量流量為0.077 kg/s時,系統綜合能效最高。Su Wei等[19]提出并研究了一種新型無霜空氣源熱泵(ASHP)與膜式液體干燥劑除濕加濕相結合的方法，發現在分析參數的變化范圍內系統的顯熱COP和總COP分別比傳統的逆循環除霜ASHP系統高37.70%和64.30%。

1 系統描述

無霜空氣源熱泵系統如圖1所示，主要包括壓縮機、電子膨脹閥、旁通閥、翅片盤管換熱器、板式換熱器、儲液罐、過濾器、四通換向閥、溶液塔(冷卻塔)、溶液泵、軸流風機、風閥，該系統主要由熱泵循環、液體除濕/再生循環(夏季蒸發冷卻循環)組成，具有冬夏季雙高效的運行特性。機組分為夏季工況和冬季工況運行，冬季工況分為兩種模式，包括供熱模式和再生模式：夏季工況時溶液塔(冷卻塔)內循環工質為水而冬季為除濕溶液，本文針對冬季再生工況下系統性能進行實驗研究。

圖1 無霜空氣源熱泵系統Fig.1 Forst-free air source heat pump system

夏季模式：蒸發冷卻循環和熱泵循環持續工作溶液塔中裝水。閥門1、電子膨脹閥2、風閥1、2、3、4和溶液泵、水泵和風機都是打開的，其他閥門都是完全關閉的。對于熱泵，低溫和低壓制冷劑被壓縮機壓縮，然后流入翅片盤管換熱器2并將所有熱量釋放到空氣中。隨后制冷劑先后通過閥門1、板式換熱器2、制冷劑進一步冷卻,再通過電子膨脹閥2節流、儲液罐、過濾器和板式換熱器1，室外空氣首先經過冷卻塔的冷卻水蒸發冷卻降溫,這樣可以增加過冷度,因為環境空氣通過翅片盤管換熱器的溫度更低并帶著水滴(可以氣化吸熱)。

供熱模式：除濕循環和熱泵循環持續工作。電子膨脹閥2、閥門1、3、4、風閥1、2和溶液泵、水泵和風機都是打開的，其他閥門都是完全關閉的。對于熱泵，低溫和低壓制冷劑通過壓縮機壓縮，然后流入板式換熱器1，將所有的熱量釋放到冷卻水中。隨后通過過濾器、儲液罐、電子膨脹閥2進行節流，并依次通過板式換熱器2、閥門1和翅片盤管換熱器2，制冷劑從溶液和環境空氣中吸收熱量。室外空氣首先通過溶液的除濕，使系統可以實現無霜操作，因為環境空氣的露點溫度降至蒸發器溫度以下。

再生模式：除濕后的溶液被稀釋，逐漸喪失除濕能力，因而需要再生，此時在原供熱工況需將閥門1打開，電子膨脹閥1關閉，風閥1、2關閉，循環風道風閥3打開，冷凝后的高壓中溫制冷劑液體在板式換熱器中將冷凝余熱傳給稀溶液，使其溫度升高，表面水蒸氣分壓力升高后與空氣進行傳熱傳質，空氣吸收水分后，到翅片式蒸發器中冷凝出水降溫降濕在風道中不斷循環，直至溶液重新獲得除濕能力。

該熱泵系統壓縮機采用全封閉定頻轉子壓縮機，型號為RS221VACC，額定功率為1.03 kW，額定COP為3.18，制冷劑為R22，采用調節供熱水側空氣處理機組風量的方式使系統冷凝溫度維持在45 ℃。溶液側采用板式換熱器，空氣側采用翅片盤管式換熱器，節流閥采用電子膨脹閥，并通過電子膨脹閥控制器對過熱度進行自動調節，實現系統穩定運行。測量設備詳細參數如表1所示。

表1 測量設備詳細參數Tab.1 Measuring equipment parameters

2 性能指標

再生量是指系統運行時單位時間空氣通過溶液塔時帶走溶液中水蒸氣的量，相同時間內再生量越大，再生性能越好，定義如下：

mr,w=ma(din-dout)

(1)

式中：mr,w為除濕量，g/s；ma為空氣質量流量，kg/s；din為溶液塔入口空氣濕度，g/(kg干空氣)；dout為溶液塔出口空氣濕度，g/(kg干空氣)。

再生效率是指系統運行時溶液塔進出口空氣濕度差比上溶液塔入口空氣與溶液塔入口溶液狀態相平衡時空氣濕度差，定義如下：

(2)

式中：ε為再生效率；da,in為溶液塔入口空氣濕度， g/(kg干空氣)；da,out為溶液塔出口口空氣濕度，g/(kg干空氣)；da,equ為空氣與溶液塔入口狀態相平衡的空氣濕度，g/(kg干空氣)。

3 實驗結果分析

根據實驗數據進行多元回歸分析，得出再生量與再生效率的回歸方程：

(3)

(4)

式中：mr,w為再生量，g/s；ε為再生效率；Ga為空氣流量，m3/h；Gs為溶液流量，m3/h；ts,in為溶液進口溫度，K；ξ為溶液質量濃度。

圖2和圖3所示分別為回歸分析擬合出的再生量和再生效率計算值與實驗值的對比。可以看出兩個擬合公式的相對誤差小、擬合度高，再生量的平均相對誤差為0.31%，再生效率的平均相對誤差為0.56%，說明根據實驗數據回歸的公式能夠較為準確的計算再生量和再生效率用于分析系統的再生性能。分析擬合得出的關聯式可得各參數對系統再生性能的影響，為該無霜空氣源熱泵系統設計提供理論基礎，分析時基于表2的工況，當研究量變動時，其他參數取基準值。

圖2 再生量實驗值與計算值對比Fig.2 Comparison of the experimental value and the calculated value of the regenerated quantity

圖3 再生效率實驗值與計算值的對比Fig.3 Comparison of the experimental and calculated values of the regenerative efficiency

參數變化范圍基準值空氣流量q/(m3/h)200～600600溶液溫度t/℃25～3530溶液流量q/(m3/h)0.5～0.90.9溶液質量濃度ε0.25～0.300.27

圖4所示為溶液塔入口空氣流量對系統再生量和再生效率的影響。由圖4可知，當空氣流量從200 m3/h升至600 m3/h，系統再生量從0.26 g/s升至0.48 g/s，而再生效率隨空氣流量的下降則增加了26.00%。隨著空氣流量的上升，單位質量空氣和溶液的傳質接觸時間變短，傳質不充分，而空氣流量的增大使傳熱增強，溶液出口溫度下降，進而溶液平均表面水蒸氣分壓力減小，減小了傳質驅動力，最終使再生效率減小，但由于風量的增大，再生量反而有所增加。

圖4 溶液塔入口空氣流量對系統再生量和再生效率的影響Fig.4 Effect of inlet air flow rate of solution tower on system regeneration capacity and regeneration efficiency

圖5所示為溶液塔入口溶液溫度對系統再生量和再生效率的影響。由圖5可知，當溶液溫度從25 ℃升至35 ℃時，系統再生量從0.35 g/s升至0.76 g/s，而再生效率基本保持不變。隨著溶液入口溫度的提升，空氣和溶液的傳質驅動力增大，空氣出口含濕量增大進而再生量增大，而此時進口空氣含濕量與溶液入口平衡時的空氣含濕量差也增大，兩者比值變化較小。

圖5 溶液塔入口溶液溫度對系統再生量和再生效率的影響Fig.5 Effect of solution temperature of solution tower on regeneration rate and regeneration efficiency of system

圖6所示為溶液流量對系統再生量和再生效率的影響。由圖6可知，當溶液流量從0.5 m3/h升至0.9 m3/h時，系統再生量從0.38 g/s升至0.48 g/s增長了26.30%，而再生效率從0.44升至0.50增長了13.63%。隨著溶液流量的提升，填料表面溶液更新速率增大，溶液溫降減小，傳質驅動力增大，空氣出口含濕量增大進而再生量和再生效率增大。

圖6 溶液流量對系統再生量和再生效率的影響Fig.6 Effect of solution flow rate on system regeneration rate and regeneration efficiency

圖7所示為溶液質量濃度對系統再生量和再生效率的影響。由圖7可知，當質量濃度從0.25升至0.30時，系統再生量從0.49 g/s降至0.46 g/s降低了6.10%，而再生效率基本保持不變。隨著溶液質量濃度的增大，填料表面溶液水蒸氣分壓力減小，傳質驅動力減小，空氣進出口含濕量差減小進而再生量減小，而此時進口空氣含濕量與溶液入口平衡時的空氣含濕量差也減小，兩者比值變化較小，故再生效率變化較小。

圖7 溶液質量濃度對系統再生量和再生效率的影響Fig.7 Effect of solution mass concentration on regeneration rate and regeneration efficiency

4 結論

1)實驗研究了室外干球溫度為0 ℃，相對濕度為75%環境條件下的再生工況，得到溶液塔入口空氣流量、溶液溫度、溶液流量、溶液質量濃度對系統再生性能的影響，并對再生模式的實驗數據進行回歸分析，擬合得出計算再生量與再生效率的關聯式，且相對誤差小、擬合度高。

2)空氣流量從200 m3/h升至600 m3/h，再生量隨之從0.26 g/s升至0.48 g/s，再生效率則從0.63降至0.50，影響均較為顯著，適當降低空氣流量有利于提高再生效率。

3)溶液溫度從25 ℃升至35 ℃，再生量隨之從0.35 g/s升至0.76 g/s，再生效率基本保持不變，提高溶液溫度在本研究范圍內有利于加快溶液的再生。

4)溶液流量從0.5 m3/h升至0.9 m3/h，系統再生量從0.38 g/s升至0.48 g/s，再生效率從0.44升至0.50，適當提高溶液流量有利于溶液的快速再生。

5)溶液質量濃度從0.25升至0.30，系統再生量從0.49 g/s降至0.46 g/s，再生效率變化較小，溶液質量濃度對再生性能影響不顯著。