融霜工況下壓縮機運行頻率對空氣源熱泵機組制熱性能的影響

翁文兵，李 曉，李 霞

（上海理工大學，上海 200093）

0 引言

空氣源熱泵空調是我國夏熱冬冷地區主要的冬季采暖方式，在我國華北地區，空氣源熱泵也越來越多地被應用于清潔能源改造的“煤改電”工程［1-4］。在冬季，當室外側換熱器表面溫度低于0 ℃時，空氣源熱泵往往會出現結霜現象［5］。霜層的增加會導致室外換熱器與空氣間的熱阻也相應地增加，當霜層積累到一定厚度，機組性能嚴重衰竭［6-9］，此時機組會進入融霜程序，機組采用逆循環除霜［10-16］，通過將室外換熱器轉換成冷凝器，融化換熱器表面的霜層。融霜過程不但耗功，而且還消耗使用側熱量，對空氣源熱泵的性能和效率有較大的影響。因此，對于空氣源熱泵空調系統的結霜、融霜研究顯得十分重要。文獻［17］實驗研究了正常制熱工況下壓縮機頻率改變對壓縮機輸入功率、制熱量和COP的影響，結果表明，當頻率小于50 Hz時壓縮機的輸入功率和制熱量基本與頻率呈線性關系，頻率大于50 Hz后，它們隨頻率增加的趨勢明顯變小。文獻［18］實驗研究了結霜工況下壓縮機降速運行對平均結霜速率和結除霜過程總能效比的影響，并得出壓縮機降速調節使平均結霜速率減小，總能效比增大，有改善熱泵機組結霜程度，提升熱泵機組供熱能效的效果。

本文通過試驗對融霜工況下空氣源熱泵機組在不同頻率下的特性進行了研究，得出了熱泵機組主要運行參數隨壓縮機運行頻率的變化情況，并對試驗結果進行了分析并得出相關結論。

1 融霜工況空氣源熱泵測試系統

1.1 系統原理

圖1示出了空氣源熱泵系統原理圖，本樣機名義制熱工況下額定制熱量為16 331 W，額定頻率為70 Hz。制熱運行時，壓縮機出口的高溫高壓氣態制冷劑通過四通換向閥進入板式換熱器的制冷劑側與水進行換熱，恒溫水系統給板換提供恒定的進水溫度和水流量，并計量板換的瞬時換熱量，通過瞬時換熱量的積分，可得機組的累計產熱量。

圖1 空氣源熱泵系統原理Fig.1 Schematic diagram of air source heat pump system

表1為本次研究的試驗工況，試驗在空氣源熱泵測試室中進行。試驗采用了定制樣機，機組的運行頻率為50～85 Hz，每5 Hz一檔。融霜工況為非穩定工況，定義一次融霜結束至下一次融霜結束為一個制熱-融霜周期，簡稱制熱周期。該周期包括一個制熱過程和一個融霜過程。

表1 測試工況Tab.1 Test conditions

1.2 融霜開始與結束判斷條件

在融霜工況下，熱泵機組的換熱溫差會隨著霜層厚度的增加而降低，因此可以用空氣溫度與蒸發溫度差作為啟動融霜的依據，當溫差超過設定閾值時，啟動融霜過程。該閾值與環境溫度和壓縮機運行頻率有關，通常為該頻率無霜狀態時換熱溫度的1.5～2倍。如運行頻率為60 Hz時，無霜狀態下的環境與蒸發溫度差為6 ℃，融霜設定閾值為11 ℃。融霜過程中，機組壓縮機運行頻率固定為45 Hz，四通換向閥失電，機組進入制冷模式運行。幾分鐘后，盤管溫度開始上升，說明霜層已基本融化。本試驗以盤管溫度>25 ℃作為融霜結束的判斷條件，當滿足此條件時，機組退出融霜過程，四通換向閥上電，重新進入制熱過程。

2 測試結果分析

2.1 制熱過程瞬時數據變化分析

2.1.1 制熱過程熱泵機組瞬時制熱量變化分析

不同壓縮機運行頻率，熱泵機組瞬時制熱量不同。圖2示出了熱泵機組在一個制熱周期內，制熱過程的制熱量隨時間的變化，曲線結束時間為制熱結束融霜開始的時間點。從圖中可以看出，在開始階段，壓縮機高頻工作時，機組的制熱量明顯高于壓縮機低頻工作時的制熱量。壓縮機低頻運行時，整個階段的制熱量的變化較為平緩，制熱的持續時間也較長。隨著壓縮機頻率的增加，機組的制熱過程持續時間變短，制熱量的衰減加快，而且頻率越高，衰減越快。50 Hz運行時，機組融霜前的制熱量比最大制熱量下降22.8%，而80 Hz運行時，機組融霜前的制熱量比最大制熱量下降36.5%。然而，機組在各個頻率下進入融霜過程前的制熱量卻相差無幾，均在8 000 W左右。

圖2 熱泵機組瞬時制熱量隨時間的變化Fig.2 Changes of instantaneous heating output of heat pump unit with time

2.1.2 制熱過程壓縮機瞬時功率變化分析

圖3示出了吸氣壓力隨時間的變化。圖4示出了熱泵機組在不同壓縮機運行頻率下，瞬時功率隨時間的變化。在相對穩定時間段內，壓縮機頻率越高，機組的功率越大。當運行頻率較低時，機組功率在整個制熱過程內變化不大，而當運行頻率較高時，瞬時功率會隨時間的推移，迅速下降，對照圖2，3可以發現，此時的吸氣壓力也迅速下降，瞬時制熱量也下降迅速，這說明當壓縮機運行頻率較高時，不但使制熱周期變短，而且霜層對機組傳熱性能和功率的影響也較低頻時大。

圖3 吸氣壓力隨時間的變化Fig.3 Changes of suction pressure with time

圖4 壓縮機瞬時功率隨時間的變化Fig.4 Changes of instantaneous power of compressor with time

2.1.3 制熱過程熱泵機組瞬時COP變化分析

圖5示出了制熱過程中，機組制熱性能系數COP隨時間的變化。從圖中可以看出，熱泵機組COP在低頻時明顯較高，而且整個制熱階段COP的降幅校小。50 Hz時，COP最低值為最高值的20.4%，而80 Hz時，COP的最低值為最高值的32.1%。

圖5 熱泵機組瞬時COP隨時間的變化Fig.5 Changes in instantaneous COP of heat pump unit with time

2.2 制熱-融霜周期積分數據變化分析

2.2.1 制熱周期隨頻率變化分析

圖6示出了制熱周期隨壓縮機運行頻率的變化。機組的制熱周期與運行頻率有明顯的單調遞減關系。熱泵機組在低頻運轉時的制熱周期明顯長于高頻時的周期。如50 Hz時機組的周期為110 min，而85 Hz時，周期不到60 min，大約只有前者的55%，這主要是由于頻率增大時，機組的蒸發溫度降低，結霜速度加快，導致制熱周期變短。

圖6 制熱周期隨頻率的變化Fig.6 Changes of heating cycle with frequency

2.2.2 周期產熱量與融霜耗熱量隨頻率變化分析

本文對不同壓縮機運行頻率下熱泵機組的結霜量、周期產熱量、融霜耗熱量、融霜損耗比進行了計算，具體如下。

周期產熱量為制熱周期內制熱過程總制熱量，按下式計算：

式中 Q1——產熱量，kJ；

t1——制熱過程結束時間，s；

t0——起始時間，即周期開始時間，s，t0=0；

q（t）—— 瞬時制熱量，kW，融霜時此值為負。

融霜耗熱量為融霜過程所消耗的熱量，按下式計算：

式中 Q2——融霜耗熱量，kJ；

t2——融霜過程結束時間，s。

融霜損耗比為融霜耗熱量與周期產熱量的比值。此值表征機組在融霜工況下融霜過程的相對損耗。

結霜量為制熱周期所產生的霜的質量，采用融霜稱重法，將每次融霜產生的水進行稱重測量。

圖7示出了機組一個周期內產熱量和融霜耗熱量隨頻率的變化，可以看出在50～80 Hz范圍內，機組的周期產熱量變化不大，85 Hz時，周期產熱量有明顯的下降。融霜耗熱量隨著頻率的增加略有上升，當頻率大于70 Hz后，趨于穩定。

圖7 周期產熱量與融霜耗熱量隨頻率的變化Fig.7 Changes of heating output and defrosting heat consumption with frequency in heating cycle

圖8示出了結霜量和融霜損耗比隨頻率的變化，可以看出結霜量在整個試驗范圍內變化不大，融霜損耗比隨頻率升高緩慢上升。

圖8 結霜量與融霜損耗比隨頻率的變化Fig.8 Changes of frost amount and defrost loss ratio with frequency

總的來說，在80 Hz以下范圍，運行頻率變化對周期產熱量、融霜耗熱量、融霜損耗比影響不大，當頻率為85 Hz時，周期產熱量顯著下降、融霜損耗比增加。周期產熱量隨著整個實驗的范圍內變化不大。

2.2.3 有效融霜熱量與有效融霜率隨頻率變化分析

有效融霜熱量為將霜層融化所需的溶解熱。有效融霜率為有效融霜熱量與融霜耗熱量之比（不含融霜過程中壓縮機耗功），表征了融霜過程中，理想融霜所需熱量與實際消耗熱量之比。

圖9示出了熱泵機組有效融霜熱量和有效融霜率隨時間的變化。可以看出，不同壓縮機運行頻率各制熱周期的有效融霜率基本相同，為30%左右，說明融霜過程中70%的融霜耗熱量用于加熱盤管和其他損耗。

圖9 有效融霜熱量與有效融霜率隨頻率的變化Fig.9 Changes of effective defrosting heat and effective defrosting rate with frequency

2.3 制熱周期平均數據變化分析

2.3.1 周期平均蒸發溫度隨頻率變化分析

熱泵機組制熱運行時，蒸發溫度不斷變化，本文采用周期平均蒸發溫度來表征運行過程中的蒸發溫度。

周期平均蒸發溫度為制熱過程中蒸發溫度平穩下降段的平均值。蒸發溫度平穩下降段取熱泵機組制熱運行后蒸發溫度下降5 ℃的時間段。圖10示出了不同壓縮機運行頻率周期平均蒸發溫度變化情況。由圖可知，隨著壓縮機運行頻率提高，平均蒸發溫度呈線性下降趨勢，從50 Hz時的-3.1 ℃，降到85 Hz時的-7.5 ℃，蒸發溫度下降導致了機組的制熱周期變短和制熱效率降低。

圖10 周期平均蒸發溫度隨頻率的變化Fig.10 Changes of average evaporation temperature with frequency in the cycle

2.3.2 周期平均制熱量、平均功率和平均COP隨頻率變化分析

融霜工況是非穩態運行工況，因此可以用平均參數來反映熱泵機組特性。

周期平均制熱量反映一個周期時間段內扣除了融霜耗熱量后的有效平均制熱量。

定義式如下：

式中 q——周期平均制熱量，W。

如圖11所示，機組的周期平均功率隨頻率增加呈線性上升，平均COP隨頻率線性下降。周期平均制熱量隨著運行頻率提高緩慢增大，且變化趨勢逐漸變緩，在80 Hz時達最大值，然后呈下降趨勢。這是由于壓縮機頻率提高，結霜速率增加，熱泵機組融霜頻繁，因此熱泵機組的周期平均制熱量并沒有隨壓縮機運行頻率同步提高，甚至在高頻時出現下降。

圖11 周期各平均值隨頻率的變化Fig.11 Changes of mean values with frequency in the cycle

這表明在頻率較低時，頻率的提高可以增加制熱量，但導致了制熱效率COP的降低。當頻率為80 Hz時，機組的制熱量達到了最大值，繼續增大頻率，反而使有效平均制熱量下降。

2.4 運行頻率增加對平均制熱量和功率增加量的影響

對比在各個頻率下，頻率增加對周期平均制熱量、平均功率的增加量的影響更能反映出頻率增加對熱泵性能的影響。二者定義式如下：

式中 ΔQ（F），ΔP（F）—— 每 5 Hz平均制熱量增量、每5 Hz平均功率增量，W；

Q（F），P（F）—— 當前頻率平均制熱量、平均功率，W；

Q（F-5），P（F-5）—— 上一頻率平均制熱量、平均功率，W。

圖12示出了運行頻率每增加5 Hz，熱泵機組周期平均制熱量增量、平均功率增量與頻率的關系。從圖中可以看出，在73 Hz之前熱泵機組周期平均制熱量增量大于平均功率增量，當頻率為73 Hz時，增加的制熱量等于增加的功率，頻率大于73 Hz時，制熱量的增加不及功率的增加，即提高頻率后的整機效率，不如固定頻率73 Hz加輔助電熱的整機效率。當頻率大于80 Hz時，周期平均制熱量隨頻率負增長。

圖12 每5 Hz制熱量增量與功率增量隨頻率的變化Fig.12 Changes of heating increment and power increment per 5 Hz with frequency

圖12中在頻率較低時，每5 Hz功率增加量隨頻率增加緩慢增加，當頻率大于70 Hz后，由于單位容積功下降，所以功率的增量也呈下降趨勢。

3 結論

（1）制熱-融霜周期隨機組運行頻率的變化非常敏感，降低運行頻率可以有效延長制熱-融霜周期。

（2）熱泵機組蒸發壓力、COP隨頻率增加均呈下降趨勢，功率隨頻率增加呈上升趨勢。

（3）在試驗工況下，一個周期內熱泵機組的有效融霜熱量、融霜耗熱量、結霜量隨頻率變化不大，周期產熱量在80 Hz之前基本不變，在85 Hz時出現下降。

（4）在試驗工況下，熱泵機組周期平均制熱量隨壓縮機運行頻率的提高先上升后下降，在80 Hz達到最大值。之后頻率的增加反而會導致制熱量的降低。

（5）在試驗工況下，當運行頻率大于73 Hz時，每增加5 Hz引起平均制熱量增加量比平均功率增加量少，提高頻率后的整機效率，不如固定頻率73 Hz加輔助電熱的整機效率，此時提高運行頻率不及采用電輔熱更節能。