溫濕度對空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)特性影響

胡文舉，姜益強，姚 楊，倪 龍，陳鎮(zhèn)凱

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱;2.廣東吉榮空調(diào)有限公司博士后科研工作站，522000廣東揭陽)

目前，國內(nèi)外對空氣源熱泵除霜方法進行了很多的研究.文獻［1－4］對除霜過程中的空氣源熱泵系統(tǒng)特性進行了研究，分析了結(jié)霜除霜對熱泵系統(tǒng)性能的影響.文獻［5-6］建立了基于實驗的空氣源熱泵除霜數(shù)學(xué)模型.文獻［7－9］研究了除霜過程、節(jié)流結(jié)構(gòu)對除霜的影響.然而，除霜時為了避免向室內(nèi)吹冷風而必須關(guān)閉室內(nèi)機導(dǎo)致除霜時系統(tǒng)缺少低位熱源，進而導(dǎo)致除霜時壓縮機吸氣壓力非常低，除霜時間長，在重度結(jié)霜情況下，還會出現(xiàn)除霜不完全、不徹底等問題.除霜問題嚴重影響了空氣源熱泵的性能和可靠性.文獻［10］提出了具有良好的除霜性能的基于相變蓄能的熱氣除霜新系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖1所示.文獻［11］針對相變蓄熱器對熱泵性能的影響進行了研究，確定了系統(tǒng)最佳的蓄熱模式.文獻［12］研究了空氣源熱泵除霜模式對除霜速度的影響，認為相變蓄熱器單獨除霜是最佳的除霜模式.本文開展了有關(guān)室外空氣溫濕度對除霜空氣源熱泵相變蓄能系統(tǒng)的影響的實驗研究.

圖1 空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測點布置

1 實驗裝置及條件

1.1 人工模擬環(huán)境室

室外環(huán)境模擬小室空氣處理系統(tǒng)主要有空氣冷卻、加熱和加濕3部分組成.模擬小室降溫通過制冷量為4.5kW的移動冷水機組和冬季室外低溫自然冷實現(xiàn).加濕由兩臺加濕量為300g/h的超聲波加濕器實現(xiàn)，可通過對電壓的調(diào)節(jié)實現(xiàn)加濕速度的調(diào)節(jié).在本文實驗中，室外機空氣溫度測量精度為±0.25℃，相對濕度測量精度為±2%，室內(nèi)機的入口平均空氣溫度控制在(19.5±0.5)℃.

1.2 空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)及相變蓄熱器的設(shè)計

該系統(tǒng)由1臺分體采用R22作為制冷劑的熱泵型房間空調(diào)器改造而成，其額定制熱量為2.5kW，制冷量為2.3kW，額定功率0.86kW.

為達到迅速吸放熱的目的，必須增大相變材料與制冷劑之間的換熱面積.本實驗設(shè)計出雙螺旋盤管套筒形蓄熱器.蓄熱器由內(nèi)外兩套筒組成，將兩個不同直徑的螺旋盤管置于兩套筒之間(長度分別為5.70、6.67m)，相變材料充注于雙螺旋盤管和內(nèi)外套筒之間構(gòu)成的3個夾層空間(容積為1.869mL)，結(jié)構(gòu)如圖2所示(實線和虛線箭頭分別為蓄熱和除霜工況制冷劑的流向).

相變材料對蓄能除霜性能有重要影響.經(jīng)篩選，采用質(zhì)量分數(shù)為2%的SrCl2·6H2O和Ba(OH)2·6H2O溶液作為添加劑的CaCl2·6H2O溶液作為蓄熱材料.多次試驗發(fā)現(xiàn)采用1L相變材料即可基本滿足實驗工況的除霜需要，因此本文除霜實驗中采用的液相CaCl2·6H2O溶液的體積為1L，各工況結(jié)霜時間均為90min.

圖2 相變蓄熱器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 實驗數(shù)據(jù)采集

為研究空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)的動態(tài)特性，分別在壓縮機的吸排口、毛細管和室外換熱器之間布置壓力傳感器和溫度傳感器.此外，還在室外換熱器的吸排風處布置了溫度傳感器、濕度傳感器和風速傳感器，用以測量室外換熱器進出口空氣狀態(tài)和風量.在室外換熱器的管壁上布置4個代表4個典型的測試區(qū)域的溫度測點以觀察在除霜過程中室外機管壁溫度的變化.本實驗選用溫度傳感器精度為±0.1℃，壓力傳感器精度為0.25級，濕度傳感器精度為±1.5%.實驗測點布置如圖1所示(T、p、H分別代表溫度、壓力和相對濕度測點).

2 試驗數(shù)據(jù)及分析

反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)，當室外機表面溫度升至50℃時才能保證室外機表面水有少量的水蒸氣逸出.因此本實驗除霜時采用室外機表面溫度升至50℃作為除霜終止的判斷依據(jù).

2.1 空氣溫度對除霜性能的影響

研究表明，空氣源熱泵溫度為－5～5℃，相對濕度在70%以上氣象條件下運行時室外換熱器表面最易結(jié)霜［13］.因此本文研究中保證空氣相對濕度為80%，分別對空氣溫度在－5、－3、-1、1、3、5℃時進行實驗研究.

2.1.1 壓縮機吸排氣壓力比較與分析

圖3為空氣相對濕度為80%，不同空氣溫度時除霜過程中壓縮機排氣壓力隨時間的變化.由圖可知，除霜過程中，壓縮機的排氣壓力先降低后升高，且室外空氣溫度越高，升高速度越快.比較還可以發(fā)現(xiàn)，各種空氣溫度下，系統(tǒng)的除霜所需時間隨著空氣溫度的降低先增長后縮短.比如，當空氣溫度分別為5、－3、－5℃時，除霜時間分別為182、393、332s.分析原因，溫度為0～5 ℃ 時，隨著空氣溫度的降低室外換熱器結(jié)霜量增多，而除霜過程中室外換熱器由自然對流導(dǎo)致的向環(huán)境散熱也越來越多，導(dǎo)致除霜時間增長.當越過結(jié)霜量最多溫度點(0℃)后，雖然結(jié)霜量變少，但空氣溫度越來越低，導(dǎo)致除霜時間并未隨結(jié)霜量的減少而減少，反而增長.隨著空氣溫度的降低，結(jié)霜量減少，結(jié)霜量對除霜速度的影響超過空氣溫度的影響，因此－5℃時除霜時間比－3℃時有所縮短.

圖4為相對濕度為80%，不同空氣溫度時，除霜過程中壓縮機吸氣壓力隨時間的變化.由于系統(tǒng)高低壓轉(zhuǎn)換，在除霜初始30s內(nèi)壓縮機吸氣壓力迅速上升之后迅速下降至最低點，然后又經(jīng)歷了回升和再降低的過程.由圖可知，除霜過程中，空氣溫度越高壓縮機的吸氣壓力越高.實驗發(fā)現(xiàn)，由于增加了相變蓄熱器，即使－3℃工況下，除霜結(jié)束時壓縮機的吸氣壓力保持在0.4 MPa，遠高于壓縮機的低壓保護值(實際中通常設(shè)定為0.10～0.15 MPa).因此，相變蓄熱器可有效提高壓縮機的吸氣壓力，避免保護性停機.

圖3 壓縮機排氣壓力隨時間的變化

圖4 壓縮機吸氣壓力隨時間的變化

2.1.2 室外機壁溫比較與分析

圖5為相對濕度為80%，不同空氣溫度時，除霜過程中室外機翅片管表面平均溫度隨時間的變化.由圖可知，對于5、－3、－5℃時的工況，由于表面結(jié)霜量比較少，融霜時間非常短，和其他工況相比不存在溫度保持穩(wěn)定的階段，而是直接升高.對于其他工況，室外機壁溫先升高，后保持不變，然后再迅速升高且升高速度越來越慢.分析原因:除霜初始階段，蒸發(fā)器被加熱，溫度迅速升高，當升高至0℃時，霜層開始融化，因此在一段時間內(nèi)溫度保持穩(wěn)定.當霜層完全被融化后，翅片管被加熱，溫度迅速升高.隨著溫度的升高，翅片管和環(huán)境間的溫差越來越大，自然對流損失所占比重增大，因此升高速度減慢.

2.1.3 壓縮機功率的比較與分析

圖6、7分別為相對濕度為80%，不同空氣溫度時，除霜過程中壓縮機功率隨時間的變化和壓縮機能耗隨溫度的變化.由圖可知，在除霜初始30 s內(nèi)，壓縮機功率迅速降低至最低點，約為400～500 W，然后又逐漸升高.當環(huán)境溫度低于3℃時，壓縮機的能耗在除霜后期保持緩慢的穩(wěn)定增長.對比7種工況壓縮機耗功可知，在本實驗條件下，當相對濕度為80%時，在空氣溫度為－3～5℃時，壓縮機在整個除霜過程中能耗隨著空氣溫度的降低而逐漸增高.由于－5℃時結(jié)霜量少于－3℃時的工況，導(dǎo)致－5℃時系統(tǒng)能耗比－3℃時能耗減少約50 kJ.理論分析知，溫度一定時，結(jié)霜量隨相對濕度的增加而增加，而除霜時滯留霜水的蒸發(fā)速度由于相對濕度的增加而減小，必然導(dǎo)致滯留水蒸干時間延長，對流散熱損失增加.因此，可認為當濕度一定時，－3℃時的工況為本實驗條件下設(shè)計相變蓄熱器的最不利工況.

圖5 室外機平均壁溫隨時間的變化

圖6 壓縮機功率隨時間的變化

圖7 壓縮機能耗隨溫度的變化

2.1.4 相變材料溫度的比較與分析

圖8為相對濕度為80%，不同空氣溫度時，除霜及系統(tǒng)再次蓄熱過程中相變材料溫度隨時間的變化.由圖可知，在除霜初始時刻室外空氣溫度越高相變材料溫度越高.隨著除霜的繼續(xù)，相變材料溫度迅速降低.對于5℃和3℃時的工況，由于除霜時間較短，相變材料初始溫度較高，除霜結(jié)束時相變材料溫度還未低于相變溫度.對于其他4種工況，相變材料最終溫度均低于相變溫度，其中3℃工況相變材料溫度最低.由相變材料溫度變化可知，所設(shè)計相變蓄熱器基本可以滿足除霜的需要.除霜結(jié)束后，系統(tǒng)恢復(fù)供熱(蓄熱)，相變材料溫度逐漸升高，其中平緩區(qū)意味著相變材料正發(fā)生相變，越過相變溫度點后，相變材料溫度迅速升高.結(jié)合圖7壓縮機除霜能耗可知，應(yīng)當把－3℃作為實驗條件下相變蓄熱器設(shè)計的最不利工況溫度.

圖8 相變材料溫度隨時間的變化

2.2 空氣濕度對除霜性能的影響

研究［14-15］表明，當空氣相對濕度一定時，空氣溫度為0～3℃時，空氣源熱泵室外換熱器結(jié)霜最為嚴重.因此，為研究相對濕度對除霜時間、相變材料溫度及壓縮機能耗的影響，結(jié)霜時保證空氣溫度為1℃，分別對空氣濕度為55%，60%，70%，80%，85%時的工況進行研究.

2.2.1 除霜時間和除霜結(jié)束時相變材料溫度比較

圖9為室外空氣溫度為1℃，除霜時間和除霜結(jié)束時相變材料溫度隨相對濕度的變化.由圖可知，隨著室外空氣相對濕度的增大除霜時間逐漸增長.當相對濕度為55%時，由于結(jié)霜量非常少，將室外換熱器升高至50℃僅需150 s，除霜時間較短，除霜結(jié)束時相變材料溫度為31℃，未發(fā)生相變.隨著相對濕度的增大，除霜時間逐漸升高，當相對濕度升至85%時，除霜時間增至270 s，除霜結(jié)束時相變材料溫度僅為0.6℃，蓄能略有不足.

2.2.2 除霜能耗隨相對濕度的變化

圖10為室外空氣溫度為1℃，除霜能耗隨相對濕度的變化.隨著室外空氣相對濕度的增大除霜過程壓縮機能耗逐漸增大.當相對濕度為55%時，由于結(jié)霜量非常少，除霜過程壓縮機能耗僅為116 kJ.隨著相對濕度的增大，除霜時間逐漸增長.當相對濕度升至85%時，除霜過程壓縮機能耗增至206 kJ.因此，在設(shè)計相變蓄熱器時，應(yīng)充分考慮熱泵所應(yīng)用地域空氣相對濕度，避免出現(xiàn)蓄熱不足情況.

圖9 除霜時間和除霜結(jié)束時相變材料溫度隨相對濕度的變化

圖10 壓縮機能耗隨相對濕度的變化

3 結(jié)論

1)對空氣溫濕度對空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)的除霜特性、除霜時間及能耗的影響進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)在保持室外空氣溫度不變時，隨著室外空氣濕度的增大除霜所需時間逐漸增長，除霜能耗逐漸增加.

2)當空氣相對濕度一定時，除霜時間隨著空氣溫度的降低先增長后減少，除霜能耗先增大后減少，其中－3℃工況為實驗條件下除霜時間最長、能耗最大、除霜結(jié)束時相變材料溫度最低工況.

3)空氣濕度一定時，除霜過程中壓縮機排氣壓力和功率先降低后升高，吸氣壓力先升高后降低，且空氣溫度越高，壓縮機吸排氣壓力和功率越高.

4)除霜過程中，隨著除霜進行室外機表面呈現(xiàn)不同的傳熱機理，其表面溫度先迅速升溫，然后不變，然后再迅速升溫，最后再緩慢升溫;相變蓄能除霜可有效提高除霜過程壓縮機吸氣壓力，避免低壓保護，提高了空氣源熱泵的可靠性.

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