空氣源熱泵相變蓄能除霜蓄能特性實驗研究

董建鍇,姜益強,姚 楊,高 強

(哈爾濱工業大學熱泵空調技術研究所,哈爾濱 150090)

空氣源熱泵相變蓄能除霜蓄能特性實驗研究

董建鍇,姜益強,姚 楊,高 強

(哈爾濱工業大學熱泵空調技術研究所,哈爾濱 150090)

為了研究空氣源熱泵相變蓄能除霜過程中不同蓄熱模式下的系統特性,在人工模擬環境下,對不同的蓄熱模式特性進行了實驗研究。實驗結果表明：串聯蓄熱模式下,壓縮機吸排氣壓力和溫度分別穩定在0.38MPa和1.65MPa以及-6.9℃和75.0℃,而并聯蓄熱模式和單獨蓄熱模式下吸排氣壓力低至0.12 MPa和1.16 MPa,排氣溫度高達122.5℃。串聯蓄熱模式下,相變材料在蓄熱過程中很好的完成相變,室內機出風溫差達到18.0℃,壓縮機耗功達到825W。因此,串聯蓄熱模式下系統壓力和溫度等特性最為穩定,且蓄熱過程時間較短,對室內供熱影響最小,具有較強的可行性。

蓄熱模式;相變材料;空氣源熱泵;除霜

20世紀90年代以來,空氣源熱泵作為一種節能的供暖設備在中國得到了廣泛應用[1]。但是,在冬季氣候條件下,室外機存在結霜的危險。霜層的產生和增長增加了室外機翅片熱阻,減小了室外機空氣流通面積,導致蒸發溫度下降和供熱性能系數降低。因此,為了提高熱泵機組運行性能,必須周期性除霜。常用的除霜方式主要是逆循環除霜和熱氣旁通除霜 2種,針對熱泵除霜,進行了很多研究。Huang等[2]對空氣源熱泵逆循環除霜和熱氣旁通除霜的動態特性進行了研究。結果顯示熱氣旁通的除霜時間明顯長于逆循環除霜。Chen等[3]研究了室外空氣參數對空氣源熱泵除霜特性的影響。認為除霜時間主要取決于室外機壁面溫度和除霜期間的冷凝壓力。Wang等[4]提出了帶有制冷劑補償器的熱泵除霜系統。結果顯示除霜期間,壓縮機的吸排氣壓力和耗功均高于帶有氣液分離器的常規系統。在逆循環除霜過程中,提前開啟風機可以有效降低壓縮機的過壓保護[5]。Watters[6]在2個3排的熱泵室外機組上研究了翅片間距對減緩霜層的增長以及改善熱泵結除霜的影響。此外,對室外機表面進行憎水性處理可以有效的提高除霜效率,縮短除霜時間[7]。在熱氣旁通除霜方式下,所需的除霜時間較逆循環除霜要長,但是除霜過程中具有較低的噪聲、較小的室內溫度波動和沒有吹冷風的感覺,因此可以很好的彌補逆循環除霜的缺點[8]。Byun[9]通過實驗發現在210min的熱泵制熱和除霜時間內,當制冷劑旁通量為20%時,系統的COP和供熱能量可以分別提高8.5%和5.7%。Hew itt[10]對具有圓形室外蒸發器的空氣源熱泵采用熱氣旁通除霜的特性進行了研究。提出了最佳的除霜起始時間、除霜運行時間和除霜間隔。文獻[11]對節流機構對除霜的影響進行了實驗研究,比較了不同節流機構對除霜效率,尤其對除霜速度的影響。此外,Jain[12]分別設計了空氣源熱泵液體除濕系統,在防止結霜方面取得了良好的效果。文獻[13]提出了采用制冷劑顯熱進行熱氣旁通除霜的除霜方式,并對控制方法進行了實驗研究。

盡管許多學者多空氣源熱泵的除霜進行了很多研究,但是除霜能量來源不足的根本問題沒有解決,從而導致了除霜過程中壓縮機吸排氣壓力降低,向室內吹冷風,延長了除霜時間,惡化了室內空氣舒適性等許多問題。為了解決空氣源熱泵除霜能量來源不足的問題,文獻[14]提出了相變蓄能除霜的新技術。在原有的空氣源熱泵的基礎上增加了一個相變蓄熱器,在正常供熱滿足要求時,蓄存多余的熱量;在除霜過程中,作為熱泵的低位熱源。該文將對不同蓄熱模式下的系統特性進行研究,從而選取最合理的蓄熱方式,并對實驗結果進行分析和比較。

1 實驗原理及實驗設計

1.1 空氣源熱泵相變蓄能除霜系統蓄能原理及運行模式

相對于傳統的空氣源熱泵系統,該系統增加了一個相變蓄熱器,系統原理如圖1所示。通過改變閥門F1-F5的啟閉,可以實現相變蓄熱器與室內機的不同運行模式：相變蓄熱器與室內機串聯蓄熱模式(串聯蓄熱)、相變蓄熱器與室內機并連蓄熱模式(并聯蓄熱)、相變蓄熱器單獨蓄熱模式(單獨蓄熱),其制冷劑流程分別為：

1)串聯蓄熱模式：開啟閥門F2、F3和F5,關閉閥門F1和F4。高溫制冷劑先流經相變蓄熱器再流經室內機。在相變蓄熱器內,高溫制冷劑的氣-液相變熱轉換為蓄熱材料的固-液相變熱,從而完成了相變材料的相變蓄熱過程。

2)并聯蓄熱模式：開啟閥門F1、F2、F4和F5,關閉閥門F3。高溫制冷劑一部分流經相變蓄熱器,同時另一部分流經室內機。在實現室內供熱的同時,完成了相變材料的蓄熱過程。

3)單獨蓄熱模式：開啟閥門F2和F4,關閉閥門F1、F3和F5。高溫制冷劑只流經相變蓄熱器。在相變蓄熱器內,高溫制冷劑的氣-液相變熱轉換為蓄熱材料的固-液相變熱,完成相變材料的相變蓄熱過程。

圖1 空氣源熱泵蓄能除霜系統原理圖及測點布置

1.2 相變蓄熱材料選取

從目前的文獻來看[15-16],雖然相變材料的種類和分類方法很多,但是作為一種理想的相變材料,需要具備以下條件：

1)合適的相變溫度,較大的相變潛熱,以及較高的導熱系數;

2)在相變過程中不發生溶析現象,以免導致相變介質化學成分的變化;不發生過冷和相分層現象,具有良好的穩定性和可靠性;

3)與容器材料相容,相變材料不能夠腐蝕容器;

4)無毒,不易燃,具有較快結晶速度和晶體生長速度;

5)低蒸汽壓,體積膨脹率較小,密度較大,原料易購,價格便宜。

由于真正能夠滿足以上所有條件的相變蓄熱材料很難找到,因此在實際選擇相變材料時應考慮主要矛盾。針對空氣源熱泵除霜,選取結晶水合鹽類相變材料CaCl2?6H2O作為蓄熱材料,外加質量分數2%的SrCl2?6H2O和質量分數2%的Ba(OH)2,用來消除CaCl2?6H2O在相變過程中的過冷和分層現象[18]。CaCl2?6H2O的主要物性參數如表1所示。

表1 相變材料熱物理特性參數

1.3 相變蓄熱器結構參數及設計

相變蓄熱器是本系統中一個重要的部件。圖2所示為相變蓄熱器的結構示意圖。將2個不同直徑的螺旋盤管置于不同半徑的2套筒之間,螺旋盤管和套筒之間充注相變材料,銅管管徑為 Ф10×0.6 mm,內盤管長5.7 m,外盤管長6.7 m。為了減小制冷劑在相變蓄熱器內流動阻力,2螺旋盤管并聯,蓄熱時高溫高壓的制冷劑從盤管的底部進入相變蓄熱器。

圖2 相變蓄熱器結構示意圖(單位：mm)

2 實驗數據及分析

實驗在人工模擬室內外氣候環境條件下完成。實驗過程中,通過控制模擬人工小室的供熱量、供冷量以及加濕量,從而保證室外側換熱器所處環境溫度為-1.0±0.1℃,相對濕度為80%±2%,室內側換熱器所處環境溫度為20.6±0.5℃,進行多組重復實驗。

2.1 不同蓄熱模式下壓縮機吸排氣溫度變化分析

在時長為90m in的實驗過程中,前20 m in為相變蓄熱器蓄熱過程,之后通過閥門的開閉實現相變蓄熱器與室內機的串聯運行。圖3和圖4為壓縮機吸排氣溫度的變化。由圖中可以看出,在實驗初始階段,由于壓縮機啟機,吸氣溫度逐漸降低,排氣溫度逐漸上升。15m in之后,串聯蓄熱模式的壓縮機吸氣溫度穩定在-6.9℃;同時,排氣溫度穩定在75.0℃。在前20 m in內,并聯蓄熱模式下,壓縮機的吸排氣溫度分別由12.0℃和83.5℃逐漸上升到14.5℃和97.6℃。排氣溫度最高達到122.5℃。在單獨蓄熱模式下的壓縮機吸排氣溫度的變化與并聯蓄熱模式相似。并聯蓄熱模式下壓縮機的吸排氣溫度均維持在較高水平,主要是由于調節閥門和較長的管路,導致了相變蓄熱器的管道阻力大于室內機,因此部分制冷劑被蓄存在相變蓄熱器內,導致回流到壓縮機的制冷劑量減少。由于回到壓縮機的制冷劑量不足,所以壓縮機吸排氣溫度不斷上升。單獨蓄熱模式時部分制冷劑蓄存在了室內機部分,因此吸排氣溫度的變化與并聯蓄熱模式相似。20 min后,相變蓄熱器內的相變材料完成了相變蓄熱過程,單獨蓄熱模式和并聯蓄熱模式被調整為串聯運行模式。如果不進行調整,流經相變蓄熱器的制冷劑則不能被冷凝而直接回到毛細管,從而形成氣塞,影響系統的正常運行。對于并聯蓄熱模式,吸氣溫度由18.6℃降低到14.4℃。這主要是因為,相變蓄熱器與室內機改為串聯運行后,有更多的制冷劑回到壓縮機,從而保證了系統的正常運行。65min之后,壓縮機的吸排氣壓力和溫度重新恢復到正常串聯運行狀態。單獨蓄熱模式改為串聯運行模式后的變化與并聯蓄熱模式改為串聯模式的變化相似。

圖3 不同蓄熱模式下壓縮機排氣溫度變化

圖4 不同蓄熱模式下壓縮機吸氣溫度變化

2.2 不同蓄熱模式下壓縮機吸排氣壓力變化分析

圖5和圖6為壓縮機吸排氣壓力的變化。由圖中可以看出,在實驗初始階段,由于壓縮機啟機,吸氣壓力逐漸降低,排氣壓力逐漸上升。15 min之后,串聯蓄熱模式的壓縮機吸氣壓力穩定在0.38 MPa,同時,排氣壓力穩定在1.65 MPa。在前20 min內,并聯蓄熱模式下,壓縮機的吸排氣壓力卻維持在0.12 MPa和1.16MPa左右,明顯低于串聯蓄熱模式下的吸排氣壓力。單獨蓄熱模式下的壓縮機吸排氣壓力的變化與并聯蓄熱模式相似。這主要是由于并聯蓄熱模式下,回流到壓縮機的制冷劑量不足,從而造成吸排氣壓力較低。20 min后,單獨蓄熱模式和并聯蓄熱模式被改為串聯運行模式。同樣由于回到壓縮機的制冷劑量的增加,并聯蓄熱模式和單獨蓄熱模式的吸氣壓力分別增加到0.23 MPa和1.25MPa。65min之后,壓縮機的吸排氣壓力重新恢復到正常串聯運行狀態。單獨蓄熱模式改為串聯運行模式后的變化趨勢與并聯蓄熱模式改為串聯模式的變化相似。

對壓縮機吸排氣壓力和溫度的分析可知,3種蓄熱模式中,串聯蓄熱模式下壓縮機的吸排氣壓力和溫度變化最為穩定,并且管路連接方式和調節措施都相對簡單。

圖5 不同蓄熱模式下壓縮機排氣壓力變化

圖6 不同蓄熱模式下壓縮機吸氣壓力變化

2.3 3種蓄熱方式下相變材料溫度變化分析

圖7為串聯蓄熱、單獨蓄熱、并聯蓄熱以及蓄熱完成后改為串聯運行模式后相變蓄熱器內相變材料溫度隨時間的變化。當初始選擇串聯蓄熱模式時,相變蓄熱器在20min內基本上完成蓄熱,蓄熱速度較快。在蓄熱初始5min內,相變材料溫度變化比較迅速。5～10min由于發生相變,蓄熱材料的溫度變化比較緩慢,之后溫度迅速升高。當系統初始采用單獨蓄熱模式和并聯蓄熱模式時,兩者在運行的20min內相變材料溫度變化非常緩慢,甚至在并聯蓄熱時相變材料溫度還有所降低,充分說明單獨蓄熱和并聯蓄熱模式在本實驗條件下不能有效實施。當將其改為串聯蓄熱模式后,相變材料溫度逐漸上升。

圖7 3種蓄熱模式下相變材料溫度變化

2.4 3種蓄熱模式下室內機進出風溫差分析

圖8為3種蓄熱模式下室內機進出風溫差變化。在20 min的蓄熱過程中,單獨蓄熱模式下,由于壓縮機的高溫排氣全部流經相變蓄熱器,不向室內供熱。因此室內機的進出風溫差維持在較低水平。最低達到0.1℃。改為串聯運行后,進出風溫差迅速上升到6.5℃。到65 min時,達到17.8℃。在并聯蓄熱模式下,室內機進出風溫差維持在7.0℃左右。這是由于只有少部分壓縮機排除的高溫制冷劑流經室內機,大部分制冷劑流經相變蓄熱器。到50m in時達到17.5℃。在串聯蓄熱模式下,室內機進出風溫差在前20min內一直不斷升高,帶蓄熱結束時,達到18.0℃。由圖中可以看出,在串聯蓄熱模式下,對室內供熱最為有利。

圖8 3種蓄熱模式下室內機進出風溫差變化

2.5 3種模式下壓縮機耗功分析

圖9為串聯蓄熱、單獨蓄熱、并聯蓄熱以及蓄熱完成后改為串聯運行模式后壓縮機耗功變化。其功率的變化趨勢與壓縮機的吸排氣壓力相同。初始選擇串聯模式時,空氣源熱泵以功率825W穩定運行。而當初始熱泵采用單獨蓄熱模式和并聯蓄熱模式時,發現兩者在運行的20min內功率僅為550W,遠低于串聯蓄熱,且波動劇烈,反映壓縮機運行不穩定。將單獨蓄熱模式和并聯蓄熱模式改為串聯蓄熱模式后,兩者的功率上升了80W,40 m in和50 m in后,熱泵功率急劇上升之后穩定運行。

圖9 3種蓄熱模式下壓縮機耗功變化

3 結 論

針對提出的基于相變蓄能的空氣源熱泵除霜新方法,闡述了3種不同的相變蓄熱模式。為了研究3種蓄熱模式效果以及對系統的影響搭建了實驗臺,進行了3種蓄熱模式的對比實驗,分析了實驗數據,得到如下結論：

1)在3種不同的蓄熱模式下,串聯蓄熱模式時,壓縮機的吸排氣溫度分別穩定在 -6.9℃和75.0℃,處于正常的溫度范圍;而并聯蓄熱模式和單獨蓄熱模式的吸排氣溫度均維持在較高水平,最高可以到 122.5℃,對于熱泵系統具有一定的危害。當蓄熱完成改為串聯運行模式后,經過45 m in才能降到正常溫度。

2)在3種不同的蓄熱模式下,串聯蓄熱模式時,壓縮機的吸排氣壓力分別穩定在0.38MPa和1.65 MPa,處于正常的壓力范圍;而并聯蓄熱模式下,壓縮機的吸排氣壓力卻低至0.12 MPa和1.16 MPa左右,當蓄熱完成改為串聯運行模式后,壓縮機吸排氣有所上升,經過45 min達到正常壓力。

3)3種蓄熱模式中,串聯蓄熱時,在20 min的蓄熱過程中可以很好的完成相變蓄熱,且對室內供熱影響最小,蓄熱過程結束時,室內機出風溫差達到18.0℃。壓縮機耗功維持在正常水平825 W左右。此外,串聯蓄熱模式系統結構和調節方式簡單,因此具有較強的可行性。

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(編輯 胡英奎)

Experimental Analysis on Characteristics of Energy Storage for Defrosting of Air Source Heat Pump with Phase Change Energy Storage

DONGJian-kai,JIANGYi-qiang,YAOYang,GAOQiang

(Institute of heat pump and air conditioning of technology,H arbin Institute of Technology,H arbin 150090,China)

The performances of energy storage m odes are experimentally analyzed in the artificial environment in order to study the effectof energy storagem odes for defrosting of air source heat pump with phase change energy storage.Results indicate that suction and discharge pressuresare stable at 0.38 MPa and 1.65MPa under the seriesenergy storagemode,and suction and discharge tem peraturesare-6.9℃and 75.0℃respectively.However,the suction and discharge p ressures are as low as 0.12 MPa and 1.16 MPa in paralleland singleenergy storagemodes individually,and thedischarge temperature isup to 122.5℃.In addition,in series energy storagem ode,the phase change material can com pletely change from solid to liquid in energy storage process.The temperature difference isabout 18.0℃for indoor coil,and the input power to compressor is 825W.Therefore,the system pressures and temperatures arem ost stable in the series energy storagemode and the time for energy storage is short,which can meet the need of defrosting energy.

energy storagemode;phase changem aterials;air source heat pumps;defrosting

TU833.3

A

1674-4764(2011)02-0074-06

2010-08-24

國家自然科學基金資助項目(50606007)

董建鍇(1982-),男,博士生,主要從事熱泵基礎理論與應用技術研究,(E-mail)djkheb@163.com。姜益強(通訊作者),男,教授,博士生導師,(E-mail)jyq7245@163.com。