空氣源熱泵自然冷源過冷制熱性能實驗研究

牛建會 步秋軍

(河北建筑工程學院能源工程系 張家口 075000)

空氣源熱泵能夠以較低的能量消耗將低溫位熱能輸送至高溫位，可大量利用廣泛存在的自然能源，很好地滿足建筑冬季采暖的要求[1]。電動熱泵系統是建筑物供暖、供熱水的高效清潔技術裝備，特別是氣候寒冷地區的中心城市，使用電動熱泵帶來的節能減排效果尤其顯著。同時它還具有占用空間小、節能、環保、方便等優勢，并能實現一機兩用[2-3]。在我國北方“煤改電”工程中，空氣源熱泵是主流產品。

空氣源熱泵在寒冷高濕地區應用時，隨著室外環境溫度降低，當蒸發溫度降至使換熱器外壁面溫度低于0 ℃且低于空氣露點溫度時，換熱器表面將會結霜。結霜不僅增大空氣流動阻力，同時還降低熱泵制熱能力，嚴重時還會使機組停機[4-6]。除霜時，需要消耗大量熱量，影響供熱效果及機組的穩定運行[7]。目前針對空氣源熱泵常規除霜方法有逆循環除霜[8-9]、熱氣除霜[10]、電熱除霜[11]等，在使用上述方法除霜時，一方面可能增加額外電耗、另一方面可能使系統管路復雜化，甚至還會引起人體不舒適，因此針對空氣源熱泵尋求新型除霜方式尤為重要。

北方冬季的外界環境中蘊含豐富的天然冷源，從熱力學角度分析，采用自然冷源對熱泵供液過冷是提高制熱性能的有效方法。過冷技術多應用于中低溫領域的蒸氣壓縮制冷系統中[12]。如:環境冷卻過冷、吸氣管道過冷以及使用外部機械過冷[13-16]。黃成達等[17]實驗研究了主路過冷和輔助回路過冷兩種利用自然冷源過冷的循環，結果表明，過冷能有效降低壓縮機排氣溫度。代寶民等[18]采用輔助的蒸氣壓縮循環進行過冷，該方法可改善傳統跨臨界CO2熱泵系統冬季供暖性能，尤其在低環境溫度工況下，性能提升顯著。

為了充分利用自然冷源，本文對R134a為制冷劑的空氣源熱泵系統，增設室外過冷器，搭建利用自然冷源過冷的空氣源熱泵實驗系統，從理論及實驗兩方面綜合分析該系統制熱性能，并據此提出一種空氣源熱泵過冷融霜的新型除霜方式。

1 熱泵過冷制熱循環原理

從冷凝器流出的高溫液態制冷劑首先進入室外過冷器，與室外大氣換熱過冷，過冷后的液體進入另一臺室外蒸發器進行蒸發吸熱，稱為過冷制熱。空氣源熱泵過冷制熱原理如圖1所示，系統由壓縮機、室內機組、節流閥、室外機組等4大部件組成。與普通機組不同，其室外機組為2臺管翅式換熱器并聯(3、4)，通過切換電磁閥可以實現將蒸發器3轉換為過冷器，利用大氣自然冷源過冷。即蒸發器3可以作為蒸發器正常蒸發吸熱，也可以作為過冷器實現熱泵系統過冷制熱循環。

圖1 空氣源熱泵過冷制熱循環原理Fig.1 Principle of sub-cooling heating of air-source heat pump

2 過冷制熱熱力學分析

圖2所示為空氣源熱泵過冷制熱理論循環lgp-h圖，圖中2-3為制冷劑在冷凝器內放熱過程，熱泵冬季制熱即為該段放熱量，該段熱量也是能夠利用的熱泵系統高品位熱量，3-4為液態制冷劑在過冷器內的過冷過程。

圖2 空氣源熱泵過冷制熱循環lg p-h圖Fig.2 lg p-h diagram of sub-cooling heating cycle

由圖2可知，制冷劑在過冷過程釋放的熱量可以在蒸發器的等溫吸熱過程中獲得補償并補回至系統中，即圖2中的5-6過程被包含在5-1過程中。具有過冷的熱泵循環與普通熱泵循環相比并未增加壓縮機功耗，同時由于回收過冷冷量，熱泵循環的制熱量得以提高。

3 實驗裝置

為了進一步研究自然冷源過冷對空氣源熱泵制熱性能的影響，基于一臺額定工況下4.13 kW的渦旋壓縮機搭建了空氣源熱泵過冷制熱實驗裝置。實驗裝置及測點布置如圖3所示。

圖3 空氣源熱泵過冷制熱實驗裝置Fig.3 Experimental device of sub-cooling heating of air-source heat pump

該裝置由壓縮機、室內機組、室外機組、電子膨脹閥、油分離器、儲液器、氣液分離器等組成。其中室外機組I的傳熱面積為室外機組II傳熱面積的三分之一。空氣源熱泵機組組裝完畢后在人工環境控制室內進行測試，人工環境控制室包括室內環境模擬間和室外環境模擬間。室內側溫度控制范圍為10～50 ℃，相對濕度為30%～85%，室外側溫度為-15～55 ℃，相對濕度為30%～95%，室內、外側溫度控制精度為±0.1 ℃，濕度控制精度為±0.1 ℃(WB)。壓縮機功率通過高精度電量測試儀表獲得。溫度傳感器采用Pt100，精度為±0.15 ℃；采用瑞士Huba壓力變送器，精度為±0.5%；采用型號為LZB-50制冷劑流量計，量程為0～150 kg/h，精度為±0.2%；采用型號為DZFC-1的電功率計，量程為0～10 kW，精度為±0.5%；采用HP34972A安捷倫數據采集儀對溫度、壓力、流量、功率等進行數據采集。

4 結果與分析

室內機風機轉速由變頻器控制，冷凝溫度控制在40～50 ℃，室外溫度控制在-15～0 ℃，室外相對濕度設定為30%，實現無霜制熱運行。熱泵工質采用R134a。研究熱泵在無霜工況下利用自然冷源過冷時，壓縮機的排氣溫度、壓縮機功率、系統制熱量、制熱COP等機組制熱性能參數的變化和過冷過程過冷能量的變化。

系統制熱量：

Q=qm(h3-h4)

(1)

式中：Q為系統制熱量，kW；qm為制冷劑質量流量，kg/s；h3、h4為冷凝器進、出口制冷劑比焓值，kJ/kg。

系統制熱COP：

COP=Q/Pc

(2)

式中：Pc為壓縮機功耗，kW。

過冷制熱過程過冷量：

Qsub=qm(h6-h7)

(3)

式中：Qsub為過冷制熱過程過冷量，kW；h6、h7為過冷器進、出口制冷劑比焓值，kJ/kg。

后文數據分析圖中過冷度最小的位置處數據為過冷器停止工作系統無過冷時的系統性能參數。

4.1 室外溫度0 ℃、冷凝溫度45 ℃

圖4所示為室外溫度to為0 ℃、冷凝溫度tk為45 ℃時，對比過冷器運行時系統有過冷與過冷器停止工作系統無過冷系統性能。由圖4可知，壓縮機功率和制熱COP在有過冷和無過冷時差異較小，壓縮機功率基本維持在2.2 kW，且隨過冷度的增加變化也較小，制熱COP基本維持在3.03。過冷度為35 ℃時，制熱COP為2.93，僅下降了0.1。系統制熱量在有過冷和無過冷時差異較小，當過冷度進一步增大時會稍有下降。在無過冷時，系統制熱量為6.7 kW，過冷度為16 ℃時，系統制熱量為6.57 kW，下降1.9%，而過冷度為35 ℃時，機組制熱量為6.22 kW，下降7.2%。

圖4 to=0 ℃、tk=45 ℃時機組制熱性能Fig.4 Heating performance when to=0 ℃and tk=45 ℃

4.2 室外溫度-8 ℃、冷凝溫度50 ℃

圖5所示為當室外溫度to為-8 ℃、冷凝溫度tk為50 ℃時，對比過冷器運行時系統有過冷與過冷器停止工作系統無過冷系統性能。由圖5可知，壓縮機功率在有過冷和無過冷時差異較小，維持在2.4 kW；系統制熱量和制熱COP在過冷度較小時，基本不變，過冷度較大時兩者呈下降趨勢，系統制熱量由無過冷時的6.67 kW降至過冷度為38.7 ℃時的5.73 kW，下降約16%，制熱COP由2.73降至2.41，下降11.7%。

圖5 to=-8 ℃、tk=50 ℃時機組制熱性能Fig.5 Heating performance when to=-8 ℃ and tk=50 ℃

4.3 室外溫度-10 ℃、冷凝溫度50 ℃

圖6所示為當室外溫度to為-10 ℃、冷凝溫度tk為50 ℃時，對比過冷器運行時系統有過冷與過冷器停止工作系統無過冷系統性能。由圖6可知，隨著過冷度的增加，壓縮機功率稍有增加，無過冷時壓縮機功率為2.0 kW，過冷度為21 ℃時，壓縮機功率為2.2 kW，而過冷度為38 ℃時，壓縮機功率為2.4 kW，比無過冷時增加了20%。壓縮機功率增加的同時，系統制熱量呈現先少量增加再下降的趨勢，由于壓縮機功率逐步升高，最終導致制熱COP隨著過冷度增加而下降。制熱量在無過冷時為5.82 kW，而過冷度為21 ℃時，機組制熱量為6.2 kW，增加了0.38 kW，當過冷度增至37.6 ℃時，機組制熱量又降至5.5 kW，而此時機組制熱COP為2.3。

圖6 to=-10 ℃、tk=50 ℃時機組制熱性能Fig.6 Heating performance when to=-10 ℃ and tk=50 ℃

4.4 不同工況下排氣溫度

圖7所示為上述3種運行工況下，壓縮機排氣溫度的變化。由圖7可知，無論在何種工況下，壓縮機的排氣溫度均隨過冷度的增加逐漸增加，且冷凝溫度越高，排氣溫度也越高，其增加的速率增大。當室外溫度to為0 ℃、冷凝溫度tk為45 ℃時，壓縮機排氣溫度隨過冷度增加緩慢增加，在過冷度達到最大值35 ℃時，其排氣溫度也達到最高，不超過103 ℃，始終運行在壓縮機允許溫度范圍之內。而當室外溫度to為-10 ℃，冷凝溫度tk為50 ℃時，隨著過冷度增加，壓縮機排氣溫度增加較快，當過冷度為21 ℃時，其排氣溫度已達110 ℃，達到了壓縮機允許排氣溫度上限。

圖7 壓縮機排氣溫度變化Fig.7 Variation of compressor discharge temperature

4.5 不同工況下過冷量

圖8所示為不同工況下過冷器運行狀態下的過冷放熱量(簡稱過冷量)和過冷量能夠融化的霜層質量。由圖8可知，隨著室外環境溫度to的降低，過冷增強，過冷量增加，融化的霜層質量增加。當to為0 ℃、tk為45 ℃時，過冷量為0.65 kW；當to為-8 ℃、tk為50 ℃時，過冷量為0.816 kW，增加了25.5%；而當to為-10 ℃、tk為50 ℃時，過冷量為0.88 kW，比to為0 ℃、tk為45 ℃時增加了0.23 kW。

圖8 不同工況下過冷參數Fig.8 Sub-cooling parameters under different conditions

霜融化成水需要的潛熱為333.4 kJ/kg，以融霜時間為5 min為例，當to為0 ℃、tk為45 ℃時，過冷量可以融化掉0.585 kg霜層；當to為-10 ℃、tk為50 ℃時，過冷量為0.88 kW，可融化掉0.792 kg霜層。

利用大氣自然冷源過冷，空氣源熱泵機組制熱性能未被顯著惡化，過冷過程放熱量若用于冬季蒸發器融霜上，可以實現融霜過程不停止制熱。基于此，針對空氣源熱泵提出一種過冷融霜新型除霜方式。采用多臺并聯的室外蒸發器，通過閥門切換，實現利用大氣自然冷源過冷的同時，輪換除去蒸發器翅片上的霜層，同時不停止制熱。該系統適用于北方冬季氣溫不太低，而結霜較為嚴重的地區。

5 結論

為了研究冬季利用自然冷源過冷對空氣源熱泵制熱性能的影響，搭建具有利用自然冷源過冷的空氣源熱泵系統并進行制熱運行實驗，研究不同工況下，過冷對系統制熱性能的影響，并在實驗分析的基礎上提出新型空氣源熱泵融霜方式。得到結論如下：

1)當室外環境溫度大于0 ℃，冷凝溫度小于45 ℃的條件下，自然冷源過冷對熱泵制熱量與制熱COP影響均較小，系統制熱量維持在6.22～6.70 kW，制熱COP維持在3.03，壓縮機排氣溫度維持在103 ℃以下。

2)當室外環境溫度小于 -10 ℃，冷凝溫度大于50 ℃時，隨過冷度的增加，壓縮機功率增加、排氣溫度顯著增高，系統制熱量先稍增加后減小，制熱COP降至2.3。

3)過冷度越大，過冷過程所能融化的霜層質量越多，冬季利用過冷放熱可以除去蒸發器翅片上的霜層。提出空氣源熱泵新型過冷融霜的除霜方式，融霜的同時不停止系統制熱。

本文受河北省教育廳青年自然科學基金項目(QN2020045)，2021年河北省級研究生示范課“冷熱源工程”建設項目(KCJSX2021084)和2020年度校級研究生教育教學研究項目(2020YJSJG05)資助。(The project was supported by the Natural Science Fund Project of Youth of Hebei Education Department(No.QN2020045),Hebei Provincial Postgraduate Demonstration Courses Construction Project(No.KCJSX2021084)and Graduate Education and Teaching Research Project in Year of 2020(No.2020YJSJG05).)