空氣源熱泵蓄能與常規除霜系統特性參數比較

王 妍 李 晶*

(長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022)

空氣源熱泵蓄能與常規除霜系統特性參數比較

王 妍 李 晶*

(長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022)

在保證室內空氣品質的前提下，對常規除霜系統進行了改造，并簡單介紹了改造過的蓄能除霜系統的結構以及控制系統，并將蓄能除霜方法與常規除霜方法在相同工況下主要特性參數的變化規律進行了比較，從而驗證了空氣源蓄能除霜方法的科學性和合理性。

空氣源熱泵，除霜，蓄能除霜

0 引言

在我國空氣源熱泵得到廣泛的應用，在實際使用過程中常會產生結霜的情況，這種情況不僅出現在冬季的南方高濕地區，同時在需求供暖的冬季北方地區，在春季和秋季供暖的過度季節，相對濕度與溫度都在易結霜范圍內，所以除霜的應用是要普及的。美國Baxter等人對一臺空氣源熱泵進行試驗[3]，實驗結果表明除霜時消耗的能量占整個機組消耗能量的10.2%，消耗的能量很多，所以在低溫高濕的環境下運行室外側換熱器的除霜是必要的，同時由于不同的除霜控制方法，根據實驗數據27%的情況下是在室外側換熱器蒸發器翅片表面結霜不嚴重或者不需要除霜時進行了除霜，也就是產生了誤除霜的情況，這樣就產生了大量的能源浪費，同時減少了供暖能力，影響供暖效率。所以本文中對空氣源熱泵蓄熱除霜方法的研究是有必要的。

1 空氣源熱泵蓄能除霜系統的改造

1.1 空氣源熱泵蓄能除霜系統的結構改造

經過各參數對比，實驗中所使用的空氣源熱泵機組為型號KFR-23GW/DY-GA(E5)家用分體式壁掛空調，并對整個系統進行了適當的改造。由圖1可以看出，實驗時可通過控制F1～F7這7個開關，使蓄熱器以不同的方式連入實驗系統(以制冷劑流過蓄熱罐先后作為參照，先流過蓄熱罐稱作上游)，根據實驗實際操作的需要，本實驗最常用的連入方式為上游蓄熱，下游除霜。實驗中常用的蓄熱除霜方式(上游蓄熱，下游除霜)的基本運行模式是：當熱泵系統處于制熱循環時，由壓縮機排出的高溫高壓氣態工質首先進入蓄熱器的盤管(若采取并聯方式則同時進入蓄熱器與室內機的盤管)，通過盤管導熱作用與盤管外蓄熱介質發生熱交換，蓄熱介質吸收制冷劑工質冷凝過程中釋放的熱量開始蓄熱。除霜時，四通閥換向，壓縮機排出高溫工質與蓄熱器中存儲的熱量同時進入室外側換熱器，加熱翅片管，融化其表面霜層，達到除霜目的，如圖1所示，為實驗用機組系統原理圖。

1.2 蓄能除霜系統的控制系統改造

由于要對常規除霜系統和蓄能除霜系統一些參數規律的變化進行對比，所以要對系統中控制除霜開始時間和結束時間的除霜控制系統進行相應的改造。在除霜時常規除霜系統有一套自己常用的自動控制方法，經過課題組對常規實驗機組的觀察發現，實驗機組所帶的自動除霜控制方法為時間控制法，即開機40 min后機組停機四通閥換向，機組除霜開始，并且在除霜8 min后停機，機組繼續進入供熱工況。然而根據觀察，當室外側換熱器翅片上結霜很嚴重，但沒有到達除霜時間，機組繼續運行，根據對電流表的觀察，電流會快速上升，同時壓縮機的排氣壓力急劇上升，當到達40 min開始除霜時壓縮機排氣壓力已經超過了閾值，所以這是一個很危險的情況；另一種情況就是室外機翅片上的霜層厚度不夠，機組到達了除霜時間就開始自動除霜，這樣不僅浪費能源同樣的也使除霜時室內機的翅片溫度降得很低，從而導致室內側的空氣品質下降。同樣的，自動除霜系統是無論除霜是否完畢都會固定除霜8 min。這種控制方法會有兩種缺點，第一是霜層已經完全清除但是沒有到達除霜結束時間，所以仍然會繼續除霜，導致了能源的浪費；第二，當霜層厚度比較大的時候，到除霜除了8 min的時候，由固態霜變成液體的水珠沒有完全蒸發掉，這樣會導致下次制熱循環時水珠迅速凝固成固態的冰晶，影響翅片間空氣流通使機組的制熱效果更差。對于蓄能除霜控制系統，我們將其中自帶的控制芯片拆出，可以手動控制結霜和除霜時間，四通閥換向，使整個系統控制起來更靈活。

2 常規除霜與蓄能除霜時各參數的變化規律對比

2.1 蓄能除霜系統與常規除霜系統壓縮機排氣溫度對比

如圖2所示為室外溫度-1 ℃，相對濕度RH 75%時蓄能除霜系統與常規除霜系統壓縮機排氣溫度的對比。由圖2中可以明顯看出蓄能除霜系統在除霜時排氣溫度比常規除霜系統高，這樣整個系統的溫度都有所升高，可以使除霜速度更快。蓄能除霜系統壓縮機排氣溫度在90 s時升高到最大值，而常規除霜系統在150 s左右升高到最大值，壓縮機的排氣溫度升高的快說明蓄能除霜系統蓄熱器中的熱量釋放回了整個機組，這樣才會使得機組溫度高且升溫快。圖2中很明顯可以觀察到當5 min 30 s的時候蓄能除霜系統的壓縮機排氣溫度不再下降，這個溫度一直保持到6 min除霜結束，而常規除霜系統在7 min左右溫度不再下降，此后保持相對的穩定，由圖2中看出溫度會存在小范圍的波動，也可由壓縮機的排氣溫度看出，蓄能除霜系統在除霜時更穩定。兩者曲線的大致變化規律基本相似，但是蓄能除霜系統壓縮機的排氣溫度上升速度快并且溫度高，這樣節省了加熱的時間，同時由于溫度高所以使得除霜的速度更快，使得機組更快的進入到平穩的階段，即除霜完成階段。這樣蓄能除霜系統在6 min時即可將霜全部除干凈，既沒有浪費時間同時也不會出現霜層沒被除干凈的現象。

2.2 蓄能除霜系統與常規除霜系統室內機進口溫度對比

如圖3所示為蓄能除霜系統與常規除霜系統室內機進口溫度的對比。圖3中室外機所處的環境溫度為-1 ℃，相對濕度RH 75%。由圖3中可以看出蓄能除霜室內機盤管進口溫度下降速度明顯比較慢，同時溫度最低值也比常規除霜系統高，在-15 ℃以內，這是由于蓄能除霜系統提供熱量是兩部分，一部分是蓄熱罐內的蓄熱材料的相變時吸收并儲存的熱量，另一部分是逆循環時機組自身熱量，所以對于室內熱量的吸收比常規除霜時要少。同時，由圖3中可以看出，蓄能除霜明顯的出現速率不同的兩部分，這是由于一部分由蓄熱器中能量參與的除霜過程，一部分則是蓄熱器內能量沒有參與的除霜過程，所以在圖中顯示為速率不同的兩部分除霜過程。而常規除霜方法的曲線則基本是一個平滑的下降趨勢。

3 結語

1)本實驗所應用的空氣源熱泵蓄能除霜系統，可以完成整個對于常規除霜和蓄能除霜實驗的要求，并且可以獲取整個實驗中較為準確的動態數據。

2)與常規系統相比，蓄能除霜改善了低位熱源不足的缺點，這樣可以很大程度上縮短除霜的時間，由于除霜時間相對較短，并且室外側換熱器盤管溫度較高，所以室外溫度和濕度對除霜的影響很小，在除霜的時候可以不考慮外界環境因素對除霜的影響，決定除霜時間長短主要是結霜量的多少。

[1] 韓志濤,劉曙光.中重度結霜下空氣源熱泵蓄熱除霜實驗研究[J].煤氣與熱力,2012(17)：33-35.

[2] 董建鍇,姜益強,姚 楊,等.空氣源熱泵相變蓄能除霜特性實驗研究[J].湖南大學學報(自然科學版)，2011(6):90-91.

[3] 韓志濤．空氣源熱泵常規除霜與蓄能除霜特性實驗研究[D]．哈爾濱:哈爾濱工業大學博士學位論文，2007：1- 45．

The comparison of characteristic parameter air-source heat pump energy-storage and conventional defrosting system

Wang Yan Li Jing*

(SchoolofMechatronicalEngineering，ChangchunUniversityofScienceandTechnology，Changchun130022,China)

In the premise guaranteeing indoor air quality, the paper transforms conventional defrosting system, simply introduces transformed energy-storage defrosting structure and control system, and compares major parameters altering law of energy-storage defrosting method and conventional defrosting method under similar working conditions, which testifies the air-source energy-storage defrosting method scientific and rational.

air-source heat pump, defrosting, energy-storage defrosting

2015-06-20

王 妍(1986- )，女，碩士，助教

李 晶(1976- )，女，博士，講師

1009-6825(2015)25-0139-02

TQ051.5

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