復疊式空氣源熱泵蓄能除霜與常規除霜特性實驗研究

曲明璐 李天瑞 樊亞男 王壇

（上海理工大學環境與建筑學院 上海 200093）

復疊式空氣源熱泵蓄能除霜與常規除霜特性實驗研究

曲明璐 李天瑞 樊亞男 王壇

（上海理工大學環境與建筑學院 上海 200093）

針對復疊式空氣源熱泵在冬季寒冷地區供熱運行中遇到的結霜和除霜問題，本文提出增設蓄熱器的蓄能復疊式空氣源熱泵除霜系統，通過實驗研究了該系統間斷制熱蓄能除霜及不間斷制熱蓄能除霜兩種除霜模式下的除霜特性，并與常規復疊式空氣源熱泵采用的低溫級熱氣旁通除霜方式進行對比分析。結果表明：采用蓄能除霜方法的除霜時間較旁通除霜減少71.4% ～77.6%，系統除霜能耗降低65.1%～85.2%，機組除霜運行更穩定、可靠。

空氣源熱泵；復疊式循環；除霜；蓄熱器

空氣源熱泵具有熱源獲取方便、效率較高、操作簡單、無污染等諸多優點，在我國長江流域及以南地區得到廣泛的應用。但是在低溫環境下運行時，蒸發器表面結霜而造成節能性和可靠性的下降［1－2］，直接阻礙了其在我國北方低溫寒冷地區的推廣和使用。采用復疊式空氣源熱泵可以改善空氣源熱泵的低溫適應性、提高其低溫制熱性能。近年來對復疊式熱泵的相關研究主要包括運行特性研究［3－5］、制冷劑研究［6－8］、空氣源熱泵高溫熱水器［9－11］、系統性能優化［12－14］、以及中間溫度控制等。與常規空氣源熱泵相同，復疊式空氣源熱泵在供熱運行中當室外機表面溫度低于空氣露點且低于冰點時，也出現結霜現象。為了保證機組的良好運行狀態，需要對室外機進行周期性的除霜。一般復疊式空氣源熱泵采用低溫級旁通除霜的方法。與逆循環除霜方法相比，此方法可以利用復疊式系統的特點，避免高低溫級同時換向除霜過程中出現的一些運行問題［15－16］。然而當室外溫度低于某一值（臨界點在－12～－9℃）時，熱氣旁通除霜法除霜將無法除盡低溫級蒸發器上的霜層。原因在于單級運行的吸排氣溫度均很低，室外溫度也很低，壓縮機制取的熱量無法滿足換熱器從環境吸收的冷量和換熱器霜層化霜所需的熱量［17］。

本文將蓄能技術引入復疊式空氣源熱泵系統中，提出蓄能復疊式空氣源熱泵除霜新系統。即在常規復疊式空氣源熱泵系統中增設蓄熱器，在室內環境滿足要求的前提下，將復疊式空氣源熱泵高效制熱運行時低溫級的部分余熱儲存在蓄熱器內，通過高低溫級循環在不同運行模式時的能量存儲和轉移，實現低溫級換向除霜。這種蓄能除霜方法分為間斷供熱蓄能除霜和不間斷供熱蓄能除霜兩種運行方式。兩者的主要區別在于除霜過程中高溫級壓縮機及室內風機是否正常運行，即室內側是否正常供熱。本文重點將這兩種運行模式的蓄能除霜方法與目前常規的低溫級熱氣旁通除霜方法對比，分析各模式下的除霜特性。

1 系統原理及實驗介紹

1.1 實驗系統介紹

實驗系統由三部分組成，即焓差環境實驗室、復疊式空氣源熱泵蓄能除霜系統和數據采集系統。

1.1.1 焓差環境實驗室

實驗在上海理工大學環境與建筑學院的焓差環境實驗室中進行，實驗室可提供恒定的室內外環境，由室內側、室外側和量熱室組成。主要設備包括室內側和室外側空氣處理設備（制冷系統、電加熱和電加濕等）、室內焓差測試裝置（本體）、取樣裝置、穩壓電源控制柜、電氣控制裝置以及數據采集系統等。被測室外機組安裝在焓差環境實驗室的室外側，被測室內機組安裝在焓差環境實驗室的室內側。

1.1.2 復疊式空氣源熱泵蓄能除霜系統

復疊式空氣源熱泵蓄能除霜系統包括低溫級循環和高溫級循環，及蓄熱器三部分。低溫級循環工質為R410A，高溫級循環工質為R134a。系統主要由高低溫級壓縮機、室內機、室外機、蒸發冷凝器、儲水蓄熱器、四通換向閥和電磁閥等設備組成，系統原理圖如圖1所示。

實驗選用雙螺旋盤管形式的蓄熱器，如圖2所示，蓄熱材料為水。為選擇與實驗中復疊式熱泵相匹配的蓄熱器，根據結霜量及室內側要求達到的供熱溫度得到除霜和不間斷供熱所需的熱量約為1 971 kJ，除霜前后水的溫差約為30℃，計算可得蓄熱用水量為15.6 kg，選擇蓄熱器的容積為15 L。為了減少蓄熱量的損失，內套筒、外套筒、蓄熱器底部及蓄熱器上蓋均做一層保溫。蓄熱過程中，低溫級高溫高壓制冷劑進入蓄熱盤管，加熱管外蓄熱材料；而釋熱（即除霜）過程蓄熱罐中蓄熱材料對高低溫級循環都放熱。

1.1.3 實驗數據采集系統

復疊式空氣源熱泵蓄能除霜機組控制系統中，PLC作為控制中樞，負責采集復疊式熱泵系統高低溫級循環的溫度、壓力等參數。并通過PLC的輸出模塊，實現系統的保護控制，控制蒸發器的風機變頻，通過控制高低溫級電機驅動器控制電子膨脹閥，控制壓縮機、風機的啟停、運行模式切換等。

圖1 蓄能復疊式空氣源熱泵系統原理圖Fig.1 The schematic diagram of the energy storage based CASHP system

圖2 蓄熱器結構示意圖Fig.2 The structure of thermal accumulator

1.2 實驗方法及運行模式

實驗過程中，保持穩定的結霜和除霜工況，室內側模擬工況干球溫度為（22±0.1）℃，相對濕度為50%±3%；室外側模擬工況干球溫度為（－12± 0.1）℃，相對濕度為80% ±3%。通過機組的控制系統和相應閥門的開啟、關閉，實驗系統可以實現五種運行模式：常規制熱模式、蓄熱模式、熱氣旁通除霜模式、間斷制熱蓄能除霜模式和不間斷制熱蓄能除霜模式。如圖1所示，各運行模式下的工作原理及制冷劑的流動情況分別為：

1）常規制熱模式

閥門F5，F7，F8，F9，F10開，其余閥門關閉。制冷劑在系統中的流程如下：

低溫級循環：低溫級壓縮機→四通換向閥→F5 →F7→蒸發冷凝器→F9→低溫級儲液器→低溫級電子膨脹閥→室外機→四通換向閥→低溫級氣液分離器→低溫級壓縮機；

高溫級循環：高溫級壓縮機→室內機→高溫級儲液器→高溫級電子膨脹閥→F10→蒸發冷凝器→F8→高溫級氣液分離器→高溫級壓縮機。

2）蓄熱模式

為了保持機組穩定運行，并提供一個比較基準，蓄能除霜實驗蓄熱結霜的前5 min，開啟常規制熱模式，5 min后切換為蓄熱模式，此時閥門F2，F4，F6，F5，F11關閉，其余閥門開啟。蓄熱結束后重新切換為常規制熱模式，直至達到除霜條件。制冷劑在系統中的流程如下：

低溫級循環：低溫級壓縮機→四通換向閥→F1→蓄熱器→F3→F7→蒸發冷凝器→F9→低溫級儲液器→低溫級電子膨脹閥→室外機→四通換向閥→低溫級氣液分離器→低溫級壓縮機；

高溫級循環：高溫級壓縮機→室內機→高溫級儲液器→高溫級電子膨脹閥→F10→蒸發冷凝器→F8→高溫級氣液分離器→高溫級壓縮機。

3）間斷制熱蓄能除霜模式

低溫級制冷劑旁通蒸發冷凝器，故除霜熱量來源于蓄熱器所蓄存的熱量，此時蓄熱器作為蒸發器，為低溫級除霜提供能量。除霜過程中高溫級機組處于停機狀態，室外換熱器風機停止運行。除霜開始時，低溫級機組停機60 s以平衡系統壓力，之后低溫級壓縮機啟動，四通換向閥換向，低溫級電子膨脹閥開度開到最大，閥門F1、F3、F11開啟，其余閥門關閉。制冷劑在系統中的流程如下：

低溫級循環：低溫級壓縮機→四通換向閥→室外機→低溫級儲液器→低溫級電子膨脹閥→F11→F3→蓄熱器→F1→四通換向閥→低溫級氣液分離器→低溫級壓縮機。

4）不間斷制熱蓄能除霜模式

上莊鄉隸屬河南省南陽市新野縣，擁有良好的畜牧產業基礎，其中重點養殖奶牛、肉羊和乳鴿等。如奶牛養殖就已經成為新野縣第一個集養殖、牛奶銷售、交易以及養殖信息服務為一體的綜合市場，這對鄉內其他畜牧業的綜合良性發展具有促進意義。近年，伴隨新野縣“縣域經濟特色化、特色經濟產業化、產業經濟園區化、園區經濟集群化、集群經濟品牌化”的發展思路，該鄉也希望以龍頭企業為抓手發展規模化肉羊養殖，一改傳統放牧式散養肉羊模式，投資建舍開展更加規范化的舍飼養羊模式，借助政府及地方畜牧產業天然優勢大力發展以肉羊養殖為基礎快速發展的特色農業區域化發展道路[1]。

為使高溫級在除霜過程中持續供熱，在間斷制熱蓄能除霜的基礎上，使高溫級制冷劑亦旁通蒸發冷凝器，即高溫級亦從蓄熱器取熱，且高溫級制冷劑流向不變。閥門F1，F2，F3，F4，F11開啟，其余閥門關閉。同時，高溫級壓縮機啟動，室內機開啟。制冷劑在系統中的流程如下：

低溫級循環：低溫級壓縮機→四通換向閥→室外機→低溫級儲液器→低溫級電子膨脹閥→F11→F3→蓄熱器→F1→四通換向閥→低溫級氣液分離器→低溫級壓縮機；

高溫級循環：高溫級壓縮機→室內機→高溫級儲液器→高溫級電子膨脹閥→F4→蓄熱器→F2→高溫級氣液分離器→高溫級壓縮機。

5）熱氣旁通除霜模式

除霜開始時，旁通支路上的電磁閥F6打開，其余閥門關閉，通過旁通支路將低溫級壓縮機排出的的高溫高壓制冷劑直接進入室外換熱器，利用其冷凝放熱進行除霜。除霜過程中，四通換向閥不換向，高溫級壓縮機停機，室內外換熱器風機停止運行，除霜的熱量來源為壓縮機所消耗的電能和壓縮機殼體蓄熱兩部分。制冷劑在系統中的流程如下：

低溫級循環：低溫級壓縮機→四通換向閥→F6→室外機→四通換向閥→低溫級氣液分離器→低溫級壓縮機。

除霜條件的判斷：當低溫級吸氣壓力達到約0.167 MPa（蒸發溫度為－41℃），此時高溫級排氣壓力約為1.05 MPa（冷凝溫度為41℃），相比無霜條件下高溫級排氣壓力下降約25%，因此，以此作為開始除霜的判斷標準。

結束除霜的判斷：當室外側換熱器最底層環路的出口溫度達到5℃，并保持10 s以上，霜層完全融化，且翅片表面幾乎沒有滯留水珠，以此作為結束除霜的判斷標準。

2 實驗結果及分析

2.1 間斷制熱蓄能除霜的實驗結果及分析

圖4所示為間斷制熱蓄能除霜時蓄熱器內水溫變化，反映了蓄熱器的釋熱過程。溫度測點布置在蓄熱器中部。由圖4可知，除霜時蓄熱器作為蒸發器，水溫從35.2℃降低到除霜結束時的8.4℃。

2.2 不間斷制熱蓄能除霜的實驗結果及分析

該運行模式下除霜時間為600 s。除霜結束后，收集的融霜水量為1.72 kg。整個除霜階段系統總能耗為0.52 kW·h，包括低溫級及高溫級除霜的能耗。

圖3 間斷制熱蓄能除霜低溫級吸排氣壓力變化Fig.3 The variations of suction and discharge pressure of LT cycle in intermittent heating thermal energy storage defrosting mode

圖4 間斷制熱蓄能除霜蓄熱器內水溫變化Fig.4 The variation of water temperature in thermal accumulator in intermittent heating thermal energy storage defrosting mode

圖5 不間斷制熱蓄能除霜低溫級吸排氣壓力變化Fig.5 The variations of suction and dischargepressure of LT cycle in continuous heating thermal energy storage defrosting

圖5所示為不間斷制熱蓄能除霜時低溫級吸排氣壓力變化。由圖5可知，低溫級吸氣壓力較穩定，波動較小，吸氣壓力的平均值為0.203 MPa，較間斷制熱蓄熱除霜時低0.067 MPa，整個除霜階段吸氣壓力一直處于較低值，不利于機組運行。除霜結束時排氣壓力達到1.46 MPa，除霜過程中排氣壓力的平均升高速率為0.107 MPa／min，較間斷制熱蓄能除霜時低0.04 MPa／min。

因此，在融霜水量基本相同的情況下，不間斷制熱蓄能除霜時，低溫級排氣壓力升高較快，使室外機盤管溫度上升較快，除霜效果良好，除霜時間為600 s。由于除霜過程中高溫級同時從蓄熱器內取熱，減少了低溫級除霜的低位熱量，相比間斷制熱蓄能除霜，不間斷制熱蓄能除霜時低溫級吸氣壓力較低，排氣壓力升高速率較小，除霜時間延長了190 s。

圖6所示為不間斷制熱蓄能除霜時，高溫級吸排氣壓力變化。圖7所示為不間斷制熱蓄能除霜時，制熱量及室內進出風溫差變化。由圖6和圖7可得，由于蓄熱量有限，高溫級低位熱量不足，除霜過程中高溫級吸排氣壓力一直處于較低值，制熱效果有所降低，最大制熱量為4.68 kW，達到正常制熱的47.7%，但仍可以保證一定的制熱量。

圖6 不間斷制熱蓄能除霜高溫級吸排氣壓力變化Fig.6 The variations of suction and discharge pressure of HT cycle in continuous heating thermal energy storage defrosting mode

圖7 不間斷制熱蓄能除霜制熱量及室內機進出風溫差變化Fig.7 The variations of heat capacity and temperature difference between the inlet and outlet of the indoor unit in continuous heating thermal energy storage defrosting mode

圖8 不間斷制熱蓄能除霜蓄熱器內水溫變化Fig.8 The variation of water temperature in thermal accumulator in continuous heating thermal energy storage defrosting mode

圖8所示為不間斷制熱蓄能除霜時蓄熱器內水溫變化。可見，水溫變化趨勢與間斷制熱蓄能除霜類似，水溫從32.4℃降低到除霜結束時的2℃。釋熱過程中高低溫級機組同時從蓄熱器中取熱，低溫級蒸發溫度較低，高溫級蒸發溫度較高，且低溫級螺旋盤管的面積大于高溫級螺旋盤管的面積，由于熱量的耦合，可能使釋熱過程中，低溫級取熱較多，高溫級取熱不足。但考慮蓄能除霜的主要目的仍然是低溫級的除霜，首先保證低溫級的熱量供給是有益的。

2.3熱氣旁通除霜的實驗結果及分析

為了與蓄能除霜的效果進行對比，將熱氣旁通除霜模式作為對比實驗進行分析。該運行模式下除霜時間為35 min。除霜結束后，收集到的融霜水量為1.68 kg。整個除霜階段系統耗功為1.49 kW·h。

圖9所示為熱氣旁通除霜時低溫級吸排氣壓力變化。由圖9可知，熱氣旁通除霜過程中低溫級排氣壓力上升緩慢，且一直處于較低值，使室外機的盤管溫度一直較低，造成除霜時間較長，系統耗功較大。且高溫級停機室內機不供熱，造成室內溫度的大范圍波動，影響室內的熱舒適性，說明在如此低的室外環境下不宜采用熱氣旁通除霜。

將蓄能除霜與熱氣旁通除霜的實驗結果對比，可知蓄能除霜方法優點為：

1）除霜時間短

除霜時間直接反映了系統除霜的效果。在融霜水量基本相同的情況下，熱氣旁通除霜的除霜時間為35 min，不間斷制熱蓄能除霜的除霜時間為600 s，較熱氣旁通除霜縮短了1 500 s，縮短71.4%。間斷制熱蓄能除霜的除霜時間僅為410 s，較熱氣旁通除霜縮短了1 690 s，縮短80.5%，即使加上除霜前的60 s停機時間，間斷制熱蓄能除霜較熱氣旁通除霜仍縮短了1 630 s，縮短77.6%，大幅縮短了除霜時間，即室內無供熱時間。

圖9 旁通除霜低溫級吸排氣壓力變化Fig.9 The variations of suction and discharge pressureof LT cycle in hot?gas bypass defrosting mode

2）機組的運行穩定

蓄能除霜過程中，蓄熱器能夠提供足夠的低位熱量，低溫級吸氣壓力相對穩定，波動較小，能夠保證除霜時系統的正常運行。由于熱氣旁通除霜吸氣壓力波動較大，對機組運行不利；排氣壓力升高的速率緩慢，使除霜進行緩慢。

3）系統除霜能耗少

在融霜水量基本相同的情況下，熱氣旁通除霜的系統能耗為1.49 kW·h；間斷制熱蓄能除霜的系統能耗為0.22 kW·h，較熱氣旁通除霜減少了1.27 kW·h，減少85.2%。不間斷制熱蓄能除霜的系統能耗為0.52 kW·h，包括低溫級和高溫級除霜的能耗，較熱氣旁通除霜減少了0.97 kW·h，減少65.1%。可見蓄能除霜的系統能耗更小，能效值更高、更節能。

3 結論

為解決復疊式空氣源熱泵除霜問題，本文提出了復疊式空氣源熱泵蓄能除霜新方法，并在室內側干球溫度為（22±0.1）℃，相對濕度為50% ±3%；室外側干球溫度為（－12±0.1）℃，相對濕度為80% ± 3%的模擬工況條件下進行了間斷及不間斷制熱兩種蓄能除霜模式的實驗，得到以下結論：

1）在融霜水量基本相同的情況下，由于蓄熱器能夠提供足夠的低位熱量，間斷及不間斷制熱蓄能除霜的除霜時間較熱氣旁通除霜分別縮短了77.6%和71.4%；系統除霜能耗分別降低了85.2%和65.1%。蓄能除霜模式下低溫級吸氣壓力相對穩定，波動較小，系統運行可靠穩定。

2）在融霜水量基本相同的情況下，不間斷制熱蓄能除霜模式除霜效果較好，能夠保證一定的制熱量。關于不間斷制熱蓄能除霜模式的高低溫級能量匹配問題還需進一步研究。

本文受上海市青年科技英才楊帆計劃（14YF1410000）和滬江基金資助項目（D14003）資助。（The project was supported by the Shanghai Sailing Program of Shanghai Committee of Science and Technology（No.14YF1410000）and the Hujiang Foundation of China（No.D14003）.）

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Experimental Study on Characteristics of Energy Storage Defrosting and Conventional Defrosting for Cascade Air Source Heat Pump

Qu Minglu Li Tianrui Fan Yanan Wang Tan

（School of Environment＆Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China）

Based on the frosting and defrosting problems of cascade air source heat pumps（CASHPs）during heating operation in the cold area in winter，a novel thermal energy storage CASHP defrosting system with a thermal accumulator is proposed.The defrosting perform?ances of thermal energy storage defrosting mode with intermittent heating and continuous heating were experimentally studied，and then the experimental results were compared with common used hot?gas bypass defrosting mode.It was found that in energy storage defrosting mode，the defrosting duration time and the energy consumption were reduced by 71.4%－77.6%and 65.1%－85.2%respectively com?pared with hot?gas bypass defrosting mode，and the system defrosting operation was more stable and reliable.

air source heat pump；cascade cycle；defrosting；thermal accumulator

TQ051.5；TU831.5；TK02

A

0253－4339（2017）01－0034－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.01.034

國家自然科學基金青年基金（51406119）資助項目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China （No.51406119）.）

2016年6月7日

曲明璐，女，副教授，碩士生導師，上海理工大學環境與建筑學院，13795377789，E?mail：quminglu＠126.com。研究方向：空氣源熱泵，建筑設備熱質交換過程。

About the corresponding author

Qu Minglu，female，associate professor，master supervisor，School of Environment＆Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，＋86 13795377789，E?mail：quminglu ＠126.com.Research fields：air source heat pump，heat and mass transfer process of building equipment.