貴陽地區空氣源熱泵結霜/除霜周期特性實驗研究

陳京瑞，田茂軍，蘇 鷹，郭 銳

(1.貴州省建筑設計研究院有限責任公司，貴陽 550081； 2.貴州燃氣熱力設計有限責任公司，貴陽 550001)

空氣源熱泵供暖采用對流換熱方式，氣流均勻受熱，人體舒適感較強，因此得到了廣泛的應用。但其在低溫、高濕地區冬季供熱運行時，室外蒸發器表面結霜將導致機組的制熱能力減弱，系統制熱效率降低。針對此問題，學者進行了較多研究。郭憲民等[1]研究了室外環境參數對空氣源熱泵室外蒸發器動態結霜特性的影響。范晨等[2]建立了空氣源熱泵系統的結霜動態模型與顯熱除霜模型，得出結霜與除霜過程中空氣源熱泵系統各特性參數的變化規律。陳軼光[3]對空氣源熱泵結霜、除霜的特性進行了數值模擬與實驗研究，探討了室外蒸發器表面結霜對熱泵系統性能及除霜過程的影響。王偉等[4]研究表明，貴陽是空氣源熱泵應用的重霜區，該地區空氣源熱泵供熱運行時結霜情況嚴重，除霜時間長。楊雅鑫等[5]對貴陽地區空氣源熱泵的結霜規律進行了總結。空氣源熱泵在貴陽地區應用比較廣泛，但結霜問題一直以來未得到有效解決，故而搭建了空氣源熱泵結霜、除霜實驗平臺，對空氣源熱泵整個結霜、除霜周期機組的特性進行測試，并得到了系統的各特性參數變化規律，為后續空氣源熱泵除霜方法的優化研究打下了基礎。

1 實驗平臺及機組介紹

實驗樣機由一臺家用分體式空調器改裝而成，制冷劑為R410A，額定制熱量為700～3 600 W，除霜開始與結束采用機組自帶的控制策略，實驗在人工環境實驗室內進行。實驗開始前，先調節人工環境室(小室)溫度至所需工況并開啟冷風機組，同時開啟加濕器對小室空氣進行加濕。實驗測試時，人工環境室(小室)的溫度設置為-2℃～-1℃，相對濕度85%。實驗系統原理圖及測點分布如圖1所示。

圖1 實驗平臺及機組測點分布Fig.1 Distribution of measuring points of experimental platform and unit

2 結果與討論

圖2給出了機組運行過程中室外蒸發器表面溫度的變化情況。供熱運行后，隨著制冷劑在室外換熱器內蒸發吸熱，翅片管表面溫度逐漸下降，隨著霜層的增厚，空氣與翅片管間的換熱受到阻礙，換熱效果變差，翅片管內制冷劑的蒸發量變少，蒸發溫度也下降。由圖2可知，在結霜過程中，室外蒸發器表面的溫度由1.4℃逐漸降至-8.9℃，降低了10.3℃。運行至31 min時，機組啟動除霜，系統內制冷劑逆向流動，該測點溫度開始急劇上升，最高溫度達到35.2℃，除霜完成后，系統恢復制熱模式，因此該點溫度開始逐漸下降，恢復供熱110 s后，蒸發器表面溫度達到0℃以下，即開始下一次結霜過程，可見逆循環除霜過后，機組會快速地再次結霜，這將使機組需要頻繁地啟動除霜，引起室內熱舒適性變差。

圖2 室外蒸發器表面溫度變化情況Fig.2 Surface temperature change of outdoor evaporator

圖3為運行過程中壓縮機吸氣溫度的變化情況。機組開始運行后，壓縮機吸氣溫度開始逐漸下降，運行至8 min時，吸氣溫度降至-5℃，此時室外蒸發器表面霜層覆蓋較少，因此壓縮機吸氣溫度并未進一步下降，當運行至17 min時，吸氣溫度開始繼續下降，這是由于室外蒸發器表面霜層逐漸增厚，導致換熱量不足，從而引起壓縮機吸氣溫度的降低。運行至31 min時，吸氣溫度下降至-7.4℃，降幅達到17.3℃，此時系統開始啟動除霜，機組由供熱模式轉換為除霜模式，四通換向閥換向運行，未進入室內換熱器的高溫高壓氣態制冷劑會逆向進入壓縮機，導致壓縮機吸氣溫度迅速上升，當狀態轉變完成，除霜模式穩定后，壓縮機吸氣溫度又逐漸下降。

圖3 壓縮機吸氣溫度變化情況Fig.3 Change of suction temperature of compressor

圖4顯示了機組運行時機組吸氣壓力的變化情況。由圖4可見，機組啟動制熱后，壓縮機會瞬間抽吸，因此吸氣壓力迅速下降，之后便開始逐漸上升，經過約8 min后，吸氣壓力達到穩定狀態，吸氣壓力值為0.493 MPa，隨著霜層的增厚，吸氣壓力開始下降，運行至31 min時，系統壓力降至0.401 MPa，降幅為18.6%，此時機組開始啟動除霜，除霜過程持續進行3 min后，除霜結束，系統恢復制熱，此時吸氣壓力又開始急劇下降。

圖4 壓縮機吸氣壓力變化情況Fig.4 Change of suction pressure of compressor

圖5給出了運行過程機組制熱量變化情況，可以看出，供熱初期，機組制熱量在逐漸增大，運行16 min后，機組制熱量達到最大值2 416 W，運行至31 min時，由于機組表面霜層覆蓋較多，系統自動啟動除霜，此時系統制熱量降低至1 811 W，降幅為25%。整個除霜過程持續3 min，此時機組不僅無制熱量，還會向室內取熱，導致室內溫度下降，除霜完成后，系統重新啟動制熱。

圖5 系統供熱量變化情況Fig.5 Change of system heating capacity

圖6顯示了機組運行過程COP隨時間的變化情況。機組運行過程中，系統COP在前14 min內持續上升，最大值達到1.91，繼續運行15 min后，COP開始逐漸下降，這是由于霜層逐漸增厚，制熱量減小，導致COP減小，下降至1.54時，降幅達到19.3%，此時機組開始啟動除霜。

圖6 系統供熱量變化情況Fig.6 Change of system heating capacity

3 結論

構建了貴陽地區空氣源熱泵結霜、除霜實驗平臺并進行了實驗研究，得出以下結論：機組開始運行后，隨著霜層的增厚，蒸發器翅片管表面溫度會逐漸下降。結霜過程中，室外蒸發器表面的溫度由1.4℃逐漸降至-8.9℃，壓縮機吸氣溫度降低了17.3℃，吸氣壓力降低了18.6%。運行到啟動除霜時，系統制熱量與COP降幅分別為25%、19.3%。啟動除霜后，機組不僅無制熱量，還會向室內取熱，導致室內溫度下降。除霜完成后，蒸發器表面溫度會迅速下降至0℃以下，機組將快速地再次結霜，這將使機組頻繁地啟動除霜，引起室內熱舒適性變差。