空氣源熱泵相變蓄能除霜特性實驗研究*

董建鍇,姜益強,姚 楊,胡文舉

(哈爾濱工業大學熱泵空調技術研究所,黑龍江哈爾濱 150090)

空氣源熱泵相變蓄能除霜特性實驗研究*

董建鍇,姜益強?,姚 楊,胡文舉

(哈爾濱工業大學熱泵空調技術研究所,黑龍江哈爾濱 150090)

為了解決空氣源熱泵除霜過程中能量來源不足而導致的各種除霜問題,提出了空氣源熱泵相變蓄能逆循環除霜方法.對一臺額定功率為850W的家用空氣源熱泵進行改造,并在人工模擬室內外環境的條件下進行實驗.實驗結果表明:蓄能除霜可以有效地提高除霜期間壓縮機的吸排氣壓力,縮短除霜時間,減少除霜能耗.相對于常規除霜,在實驗條件下,蓄能除霜可以分別提高壓縮機吸排氣壓力0.15和0.25MPa,縮短除霜時間60%.

空氣源熱泵;蓄能;相變材料;逆循環除霜

空氣源熱泵是一種節能的供熱設備,在商業建筑中有著廣泛的應用,但在相對濕度較高的環境運行時,空氣源熱泵的室外機翅片將出現結霜問題[1-2].隨著霜層的增加,室外機翅片管換熱熱阻逐漸增大,換熱性能系數和空氣流量逐步減小.當熱泵的性能降低到一定程度時,需要將室外機翅片上的霜層除去.

通過有效的除霜方式可以將空氣源熱泵性能恢復到結霜前狀態,但在除霜過程需要消耗一定的能量,同時帶來室內空氣品質的惡化.目前應用最為廣泛的除霜方式是逆循環除霜和熱氣旁通除霜.O'Neal等[3]對家用空氣源熱泵逆循環除霜的特性進行了研究,在研究過程中,當熱泵供熱能力降低到額定供熱量的80%時即開始除霜.Payne等[4]通過實驗方法驗證了滾動式壓縮機和往復式壓縮機在空氣源熱泵除霜過程中的不同作用.Huang等[5]比較了熱氣旁通除霜和逆循環除霜在空氣-水源熱泵中的除霜效果,結果顯示熱氣旁通除霜時間更長,但具有低噪聲、室內溫度波動小,沒有吹冷風感等優點.Choa等[6]研究了壓縮機起停除霜和熱氣旁通除霜在柜式制冷機中的不同應用,實驗結果顯示,熱氣旁通除霜可有效地提高制冷能力,降低溫度波動,但同時也將消耗更多的除霜能量.Byun等[7]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%.Hewitt等[8]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.Huang等[9]研究發現在空氣源熱泵逆循環除霜過程中,風機提前開機可以有效地防止由于壓縮機吸氣保護而造成的壓縮機停機.Jhee等[10]研究發現對室外換熱器表面進行增水處理將會有效地提高除霜效率,縮短除霜時間.Wang等[11]在熱泵室外機的進口處通過固定沸石和活性炭的吸收床吸收空氣中的水分,一方面降低了空氣濕度,另一方面,由于水的冷凝放熱提高了進口空氣溫度.Adnan等[12]和 Jain等[13]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.此外,在空氣源熱泵除霜動態特性[14]和熱泵系統部件在除霜中的作用方面也進行了研究[15-16].

盡管許多研究者對空氣源熱泵的除霜問題進行了眾多研究,但是除霜時缺少低位熱源的本質問題沒有解決(為避免向室內吹冷風而關閉室內機風機,導致室內換熱器無法提供充足的除霜熱量).由于除霜能量不足,除霜時壓縮機吸氣壓力遠低于供熱時的平均水平,吸氣比容變大,制冷劑循環質量流量變小,最終導致除霜時間拉長,嚴重時導致壓縮機停機.為了解決由于除霜能量不足而導致的各種問題,文獻[17]提出了基于相變蓄能的熱氣除霜新系統.與傳統空氣源熱泵系統相比,該系統在原有系統的基礎上增加了一個充有相變材料的相變蓄熱器,為除霜過程提供低位熱源.在除霜過程中,相變蓄熱器與系統有3種不同的除霜連接模式.本文將針對3種不同除霜模式下的除霜時間、除霜效果以及除霜能耗等與現有的常規逆循環除霜方式進行對比研究.

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原理及運行模式

相對于傳統的空氣源熱泵系統,本系統增加了一個相變蓄熱器,系統原理如圖1所示.當系統處于正常供熱狀態且室內溫度滿足供熱要求時,通過打開閥門F2,F3和F5,關閉閥門F1和F4,使相變蓄熱器和室內機串聯運行,制冷劑在相變蓄熱器內放熱,實現相變蓄熱器的蓄能.當系統處于除霜狀態運行時,通過閥門的開閉,可以實現3種不同的除霜模式,分別為串聯除霜模式、并聯除霜模式和單獨除霜模式.

圖1 空氣源熱泵蓄能除霜系統原理及測點布置圖Fig.1 Schematic of ASH P energy storage hot gas defrost system

1)串聯除霜模式.在除霜過程中,通過打開閥門F5,F3和F2,關閉閥門F4和F1,使相變蓄熱器和室內機處于串聯運行狀態.低溫液態制冷劑先后流經室內機和相變蓄熱器,取熱后變為低溫氣態制冷劑回到壓縮機.

2)并聯除霜模式.在除霜過程中,通過打開閥門F1,F2,F4和F5,關閉閥門F3,使相變蓄熱器和室內機處于并聯運行狀態.低溫液態制冷劑同時流過相變蓄熱器和室內機,取熱后的低溫氣態制冷劑回到壓縮機.

3)單獨除霜模式.在除霜過程中,通過打開閥門F2和F4,關閉閥門F1,F3和F5.此時低溫液態制冷劑只流經相變蓄熱器,在相變蓄熱器中取熱后變熱氣態,然后回到壓縮機.

1.2 空氣源熱泵相變蓄能除霜系統實驗設計

實驗系統主要有壓縮機、室內機、毛細管、室外機、四通換向閥和相變蓄熱器組成.實驗過程中制冷劑采用R22,壓縮機額定輸入功率為850W,額定制熱量為2 500W,室內風機與室外風機額定風量分別為450和3 600 m3/h.實驗中布置了壓力傳感器(量程為3.0 MPa,精度為±0.075 Pa)、溫度傳感器(±0.1℃)、濕度傳感器(±1.0%)和風速傳感器(±0.2 m/s).其布置如圖1所示.

為了獲得制冷劑完全流動下的溫度、壓力變化,消除管壁厚度對溫度測量結果的影響,則將壓力傳感器用毛細管連接在制冷劑管路中,將鉑電阻的鉑片直接插入焊接到制冷劑管路φ5的銅管中,內灌入氧化銀粉末作為導熱劑.在系統壓力、溫度等參數穩定后,開啟安捷倫34980A數據采集系統進行實驗數據采集.在實驗過程中,通過控制人工小室的供熱量、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 實驗數據及分析

2.1 壓縮機吸排氣壓力變化

壓縮機吸排氣壓力是評價熱泵除霜效果的重要參數.在本實驗中,控制除霜終止的條件是室外機翅片表面最低溫度達到35℃.由圖2可以看出,蓄能除霜的除霜時間為3.0 min,而常規除霜時間卻達到了7.5 min.對于常規除霜來講,吸排氣壓力在0.5 min內由起始時的0.37和1.66 MPa分別降低到了0.28和0.76MPa.這主要是因為除霜開始時壓縮機關機和四通閥換向改變了制冷劑的流向.隨著除霜的進行,排氣壓力在3.0 min時上升到1.37 MPa,并最終穩定在1.44 M Pa.相應的吸氣壓力下降到0.20 MPa.常規除霜過程中,除霜能量主要來自壓縮機做功和室內機取熱,由于在除霜時室內風機關機,因此造成除霜能量來源不足,壓縮機吸排氣壓力低,除霜時間較長.

圖2 壓縮機吸排氣壓力變化Fig.2 Variation of discharge and suction pressure for different defrostmodes

對于串聯除霜來講,壓縮機吸排氣壓力分別由0.5min時的 0.28和0.83 MPa迅速增加到3.0 min的0.44和1.66 M Pa.在單獨除霜和并聯除霜過程中也有著相同的變化,吸排氣壓力達到或超過除霜前水平.這主要是由于蓄能除霜過程中相變蓄熱器提供了很大一部分的除霜能量,解決了常規除霜過程中能量來源不足的問題,因此蓄能除霜過程中吸排氣壓力較高,除霜時間較短.

2.2 壓縮機吸排氣溫度變化

圖3為不同除霜模式下壓縮機吸排氣溫度的變化.對于常規除霜來說,除霜開始時由于存在于室內機的高溫制冷機回到壓縮機,從而導致吸氣溫度由0.5 min時的-7.6℃迅速上升到1.0 min的24.8℃.隨著除霜的進行,吸氣溫度逐漸降低,最后穩定在-24.6℃左右;由于壓縮機停機,排氣溫度迅速由開始時的71.3℃降低到1.0 min的41.8℃,最后穩定在69.6℃;造成吸排氣溫度較低的主要原因是除霜過程中缺少能量來源,低溫制冷劑在室內機取熱量不足.

圖3 壓縮機吸排氣溫度變化Fig.3 Variation of discharge and suc tiontem perature for differentdefrostmodes

對于串聯除霜過程,吸氣溫度由初始時的-8.2℃迅速上升到1.0 m in時的33.6℃,最終穩定在36.0℃左右,同時排氣溫度在2.0 min內由45.8℃上升到71.2℃,吸排氣溫度均高于常規除霜,這主要是由于蓄熱器的存在為除霜提供了充足的低溫能量.對于3種除霜方式來講,在同一時刻,串聯除霜時吸氣溫度最高,并聯除霜時最低.例如,在2.0 min時刻,串聯除霜、單獨除霜和并聯除霜的吸氣溫度分別為37.9,34.9和32.1℃.相對于室內機來說,相變蓄熱器蓄存了大量的熱量(蓄熱完成時相變材料的溫度在40℃以上),串聯除霜時室內機和相變蓄熱器同時作為低位熱源,因此串聯除霜吸氣溫度要高于單獨除霜.當并聯除霜時,系統部分制冷劑在室內機取熱,制冷劑蒸發效果要低于相變蓄熱器內制冷劑蒸發效果,從而導致并聯除霜吸氣溫度低于單獨除霜.

2.3 室外機進出口制冷劑溫度變化

在除霜過程中,壓縮機排出的高溫氣態制冷劑被排到室外機融化霜層,室外機進出口制冷劑溫度的變化可以反應除霜效果.圖4和圖5分別為室外機進口和出口制冷劑溫度變化圖.室外機進口制冷劑溫度變化與壓縮機排氣溫度變化相似,在除霜開始后的1.0 min內,由于較低的排氣溫度和管路內存在的低溫制冷劑,室外機進口溫度上升較慢.1.0 min之后,室外機進口溫度迅速上升,到3.0 m in時,串聯除霜的溫度上升到64.3℃,而常規除霜溫度為51.8℃.之后,常規除霜的進口溫度均逐漸降低,在除霜過程中蓄能除霜的制冷劑進口溫度一直高于常規除霜.

圖4 室外機進口制冷劑溫度變化Fig.4 Refrigerant temperature change of outdoor coil inlet for different defrostmodes

圖5 室外機出口制冷劑溫度變化Fig.5 Refrigerant temperature change of outdoor coil outlet for different defrostmodes

對室外機出口溫度來講,在除霜開始后的2.0 min內,由于制冷劑進口溫度較低和制冷劑熱量用來融化霜層,因此制冷劑出口溫度均在2.0℃以下.隨著進口制冷劑溫度的升高和霜層的不斷融化,出口制冷劑溫度迅速上升,在1.0m in內,串聯除霜的室外機出口制冷劑溫度由7.8℃上升到29.3℃.蓄能除霜的室外機出口制冷劑溫度上升速度將快于常規除霜,并且除霜時間明顯縮短.

2.4 壓縮機輸入功率變化

圖6為不同除霜模式下壓縮機輸入功率的變化.除霜開始后的0.5m in內,由于壓縮機的重新啟機,輸入功率有一個迅速下降,然后又迅速上升的過程.在2.5 min時,常規除霜的輸入功率達到608.1 W,最終穩定在608.5W左右,這明顯低于正常供熱時的輸入功率.并聯除霜、串聯除霜和單獨除霜的輸入功率分別為744.8,746.8和832.4W,均達到或超過正常供熱時的輸入功率.造成這個問題的主要原因是蓄能除霜過程中相變蓄熱器為除霜提供了充足的低位熱源,因此有足夠的制冷劑回流到壓縮機,壓縮機的吸排氣壓力溫度均維持在較高的水平,所以需要較高的輸入功率.但是相對于常規除霜,蓄能除霜時間明顯縮短,盡管輸入功率增加,但還是減小了除霜能耗.

圖6 壓縮機輸入功率變化Fig.6 Compressor input power for different defrostmodes

3 結 論

本文提出了基于相變蓄能的空氣源熱泵除霜新方法,闡述了3種不同相變蓄能除霜模式.為了研究3種除霜模式對系統除霜的影響搭建了實驗臺,進行了蓄能除霜與常規除霜的對比實驗,分析了實驗數據,得到如下結論:

1)在除霜過程中,蓄能除霜的壓縮機吸排氣壓力比常規除霜要高0.15和0.25 MPa以上,并且吸排氣溫度也將高于常規除霜.在3種蓄能除霜模式中,串聯除霜的吸排氣壓力最高.

2)蓄能除霜過程中,室外機進出口制冷劑溫度要高于常規除霜,溫度上升速率較快.在實驗所模擬的室內外環境和控制除霜終止的條件下,蓄能除霜需要3.0min,而常規除霜需要7.5min,蓄能除霜時間比常規除霜縮短60%.

3)蓄能除霜過程中壓縮機的輸入功率比常規除霜要高55.2W以上,但是除霜時間要縮短一半以上,因此,蓄能除霜過程更加節能.

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Experimental Study of the Characteristic of Defrosting for Air Source Heat Pump w ith Phase Change Energy Storage

DONG Jian-kai,JIANG Yi-qiang?,YAO Yang,HUWen-ju

(Institute of Heat Pump and Air Conditioning Technology,Harbin Institute of Technology, Harbin,Heilongjiang 150090,China)

This study is concerned with a new reverse-cycle hot gasmethod using phase change thermal energy storage(TES)to eliminate frost in an air-source heatpump(ASHP),which can effectively solve the shortageof defrosting energy.The feasibility of defrostingwas investigated through experimentsand themodes＇performanceswere compared with a norminal 850W capacity ASHP system conventional reverse-cycle hot gas defrosting method.The results have indicated that thermal energy storage based reverse-cycle hot gasmethod can improve the discharge and suction pressureand shortendefrosting time in defrosting.In defrosting operation,the TES defrostingmethod can improve discharge and suction pressureby 0.25MPaand 0.15MPa respectively,and shorten defrosting time by 60%in the tested environment,relative to the conventional reverse-cycle hot gas defrosting method.

air source heat pumps;thermal energy storage;phase changematerials;reverse-cycle hot gas

TU831.6

A

1674-2974(2011)01-0018-05 *

2010-04-05

國家自然科學基金資助項目(50606007)

董建鍇(1982-),男,山東鄒平人,哈爾濱工業大學博士研究生

?通訊聯系人,E-mail:jyq7245@163.com