低溫空氣源熱泵相變蓄熱除霜性能模擬研究

丁 艷 蔡 樂 袁隆基

低溫空氣源熱泵相變蓄熱除霜性能模擬研究

丁 艷1,2蔡 樂1袁隆基2

（1.中國礦業大學徐海學院 徐州 221008；2.中國礦業大學電氣與動力工程學院 徐州 221116）

低溫空氣源熱泵是目前主流的節能設備之一，但其發展受到結霜問題的困擾。以相變蓄熱除霜技術為基礎，借助Fluent軟件對蓄熱器傳熱模型進行了建模，模擬分析了換熱管數量、換熱流體溫度和換熱流體流速對蓄熱器傳熱效果的影響。結果表明：在結構合理的基礎上，增加蓄熱器內換熱管數量可以提高傳熱性能；隨著傳熱流體的溫度與相變材料的溫差增大，蓄熱器的傳熱效果增強，除霜效果增強；流速增大，蓄熱器的傳熱效果增強，除霜效果增強。

空氣源熱泵；除霜；相變材料；模擬

0 引言

空氣源熱泵是依靠提取空氣中的低品位熱能，以電力驅動壓縮機，將提取的空氣熱能轉換產生高品位熱能以供使用的一種設備。消耗一份電能，可獲得2～4倍的熱能[1-3]。隨著國家“煤改電”、“煤改清潔能源”的不斷推進，空氣源熱泵以其高效、環保、安全、可靠的優勢，在商用和民用空調領域快速發展，目前，國家已將空氣源熱泵納入可再生能源范圍，并在“十三五”規劃中設立了發展目標[4]。空氣源熱泵在我國長江以南區域得到廣泛運用，但冬季運行時會受到結霜的困擾[5]，機組能效因此而降低。尤其在環境溫度低于-10℃時的北方極其寒冷地區，機組的制熱能力和效率下降明顯[6]。低溫空氣源熱泵的結霜問題以及除霜導致的能耗問題給空氣源熱泵高效率運行帶來了挑戰，因此對于解決其除霜問題已成為未來空氣源熱泵進一步發展的關鍵，也是目前空氣源熱泵技術研究的熱點之一。

長期以來，大量的專家學者對熱泵除霜展開研究，探尋空氣源熱泵除霜性能特性。研究涉及的傳統除霜方式主要包括逆循環除霜法、熱氣旁通除霜法、加熱除霜法和超聲波除霜等。其中，逆循環除霜是目前最常用的除霜方式[7,8]。白韡[9]在實驗研究中發現，逆循環除霜時室內溫度下降8.1℃，導致舒適性較差，且四通閥切換時會對系統內部設備造成沖擊，影響機組性能和壽命，并伴有工作噪音。近年來，蓄熱除霜因節能、可靠、除霜效果好快速成為本領域的研究熱點。董建鍇等[10]在蓄熱除霜實驗中發現蓄熱除霜比傳統除霜輸入功率高，并且除霜時間為傳統除霜的1/3以上。朱穎秋等[11]建立了同心套管相變蓄熱器模型，提供了同心套管相變蓄熱的結構基礎。晉瑞芳等[12]對同心管相變蓄熱規律進行數值模擬并通過實驗手段進行驗證。龍建佑等[13]研究了三重同心套管的相變蓄熱規律。本文以相變蓄熱除霜技術為基礎，借助Fluent軟件對蓄熱器傳熱模型進行了建模，模擬分析了換熱管數量、換熱流體溫度和換熱流體流速對蓄熱器傳熱效果的影響。

1 相變材料

相變材料在除霜系統中起著關鍵性作用，而不同的相變材料相變蓄熱性能也不同。本文從相變材料的潛熱、密度、熱導率、溫度等其他方面進行綜合考慮，選擇石蠟作為相變材料，其參數如表1所示。

表1 相變材料基本參數

2 模型建立

該模型以“焓法模型”為基礎，引用液相率來間接表征模擬流體的固化和熔化過程。液相率即液相物質在整個系統中所占的比例。該參數可較好地反映物質相變程度。融化過程，不斷增大；而凝固過程，會不斷減小。液相率用溫度表達為：

式中：為材料溫度，℃；T為材料凝固溫度，℃；T為材料熔化溫度，℃。

本文選取ANSYS-FLUENT軟件中的Solidification&Melting模型進行相變蓄熱器傳熱性能研究，此模型貼切相變蓄熱器運行時實際狀況。引進的液相率能充分說明傳熱過程中相變材料的狀態，能夠反映出相變蓄熱器的傳熱性能。在相同的模擬時間內，液相率變化越大，說明蓄熱器傳熱性能越好，越有利于提高系統的除霜性能。

2.1 物理模型

選取除霜套管的某一段為研究對象，物理模型如圖1所示。在保證相變材料和蓄熱體積不變的情況下，改變換熱管數量以及換熱流體的溫度和流速，研究不同參數對蓄熱器傳熱性能的影響。圖1中的（a）、（b）、（c）和（d）分別為對應管數為1、2、3和4根。

圖1 不同管數下相變蓄熱器物理模型

模型中蓄熱器換熱管和外殼材料均采用銅材質，外殼和內部換熱器之間采用相變材料填充。在模擬過程中相當于對兩種相變材料進行傳熱研究。模擬過程比較復雜，制冷劑狀態在系統運行中容易改變，即相變材料和換熱介質狀態變化復雜。目前用制冷劑作為相變蓄熱器模擬中的載熱流體的模型較少，多采用水作為載熱流體。為保證模擬的可行性，本文選用液態水代替制冷劑R22。此外為了強化傳熱效果，增大換熱流體與相變材料溫差，模擬中選取熔點為511K的相變材料進行模擬實驗。通過293K的液態水冷卻熔點為511K的相變材料進行相變材料的凝固過程模擬，并分析換熱管數量、換熱流體溫度和換熱流體流速對相變蓄熱器傳熱性能的影響，進而分析相變蓄熱器對系統除霜性能的影響。

2.2 數學模型

相變材料存在固態、液態和固、液共存狀態，固、液共存狀態被定義為“模糊區”。本數學模型遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒，控制方程如下：

（1）連續性方程

（2）動量方程

因為“模糊區”的存在，在動量方程中添加S和S，限制“模糊區”速度的發展。

（3）能量方程

2.3 邊界條件

傳熱模型管的外壁是絕熱的，因此邊界條件為：

換熱面條件為：

初始時刻條件為：

即換熱管溫度與相變材料溫度一致。

傳熱流體區域進口邊界條件為：速度為0.4m/s，溫度為293K；出口邊界條件為：壓力大小設為相對壓力0Pa，其余默認；壁面邊界：無速度滑移，耦合壁面邊界。

3 模擬結果及分析

3.1 管束數量對傳熱性能的影響

在保證蓄熱材料體積、蓄熱器體積和蓄熱材料種類不變，以及換熱流體進口溫度、進口流速和管距不變的情況下，增加管數研究相同時間點上相變材料的液相率變化情況，如圖2所示。

圖2 不同管數下液相率隨時間變化情況

從圖2可以看出：液相率均隨模擬時間的增加而降低，即在模擬時間增加的過程中，相變材料呈現逐漸凝固的現象，這是由于相變材料的熱量不斷傳遞給了換熱管內的流體造成的；同時還發現：在相同模擬時間下，管數越多，液相率變化越大，蓄熱器傳熱性能越好，除霜性能越好；此外，隨著管數的增加，管徑減小，液相率的變化率逐漸減小，而且實際上管數增多，管徑減小，流阻增加且制造工藝復雜，結合考慮傳熱、流阻、制造工藝的情況下，4管的傳熱效果最佳。

3.2 傳熱流體溫度對傳熱性能的影響

以4管（管距為75mm）為研究模型，流速為0.4m/s，分別將流體溫度設置為293K、283K和273K，模擬的結果如圖3所示。

圖3 不同溫度下液相率變化

從圖3可以發現：蓄熱器的液相率隨著模擬時間的增加逐漸降低，當傳熱流體溫度由293K降至273K時，相變材料的液相率逐漸降低，換熱管內的流體與相變材料溫差增大，相變材料的傳熱效果增強；同時可以看出，隨著模擬時間的增加，傳熱流體溫度越低，相變材料的液相率變化率越大，這是由于傳熱流體與相變材料溫差增大從而換熱增強造成的。由此可見，傳熱流體與相變材料溫差增大，蓄熱器傳熱效果增強，除霜效果增強。

3.3 傳熱流體流速對傳熱性能的影響

以4管（管距為75mm）為研究模型，換熱流體溫度為293K，分別將流速設置為0.4m/s、1.6m/s和3.2m/s。通過改變流體流速進行模擬，分析傳熱流體流速對蓄熱器傳熱效果的影響，其結果如圖4所示。

圖4 不同流速下液相率變化情況

從圖4可以發現，隨著模擬時間的增加，相變材料的液相率在逐漸降低；同時還發現，三種流速下的液相率曲線幾乎重合，很難分清三者的差別，于是對三個速度做了差值分析，如圖5所示。

圖5 不同流速差值下液相率對比

從圖5可以看出：0.4m/s～1.6m/s曲線代表0.4m/s流速下的液相率與1.6m/s流速下的液相率之差，且這個差值為正，可見，0.4m/s下的液相率比1.6m/s下的液相率高；同理，發現1.6m/s下的液相率比3.2m/s下的液相率高，說明隨著流速的增大，相變材料液相率在降低，蓄熱器的傳熱效果增強，從而除霜效果增強。

4 結論

本文基于Fluent軟件對蓄熱器傳熱模型進行了建模，模擬分析了換熱管數量、換熱流體溫度和換熱流體流速對蓄熱器傳熱效果的影響。結果表明：在結構合理的基礎上，增加蓄熱器內換熱管數量可以提高傳熱性能；隨著傳熱流體的溫度與相變材料的溫差增大，蓄熱器的傳熱效果增強，除霜效果增強；流速增大，蓄熱器的傳熱效果增強，除霜效果增強。

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Simulation of Phase Change Heat Storage Defrosting Performance of Low Temperature Air Source Heat Pump

Ding Yan1,2Cai Le1Yuan Longji2

( 1.Xuhai College of China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221008;2.School of Electrical and Power Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221116 )

Low temperature air source heat pump is one of the mainstream energy-saving equipment, but its development is plagued by frosting. In this paper, based on the phase change thermal storage defrosting technology, the heat transfer model of the regenerator is established with the help of FLUENT software. The influence of the number of heat exchange tubes, the temperature of the heat exchange fluid and the flow rate of the heat exchange fluid on the heat transfer effect of the regenerator is simulated and analyzed. The results show that: on the basis of reasonable structure, increasing the number of heat exchange tubes in the regenerator can improve the heat transfer performance; with the increase of the temperature difference between the heat transfer fluid and the phase change material, the heat transfer effect and defrosting effect of the regenerator are enhanced; with the increase of the flow rate, the heat transfer effect and defrosting effect of the regenerator are enhanced.

Air Source Heat Pump; Defrosting; Phase Change Material; Simulation

1671-6612（2021）03-342-05

TK02

A

江蘇省高等學校自然科學研究面上項目資助（19KJD480001）；2020年江蘇高校“青藍工程”資助（20200415）；中國礦業大學徐海學院一流專業建設項目資助（YA2005）

丁 艷（1980-），女，博士研究生，副教授，E-mail：dingyan02@126.com

2020-09-07