結霜工況下熱泵空調(diào)器動態(tài)特性的理論與實驗研究

1、一種新型空氣源熱泵除霜方式的實驗研究天津市應用基礎研究計劃基金資助項目（批準號：06YFJMJC05500）付文成，郭憲民，陶祥成，汪偉華（天津商業(yè)大學天津市制冷技術重點實驗室，300134，天津）（TelEmail：xmguo）摘 要：提出了一種新型空氣源熱泵除霜方式，其基本原理是在熱汽旁通除霜循環(huán)的基礎上將室外換熱器分為前后兩排，中間用毛細管節(jié)流，前后排換熱管在除霜過程中分別作為蒸發(fā)器和冷凝器，利用四通閥換向分別對其進行除霜。對新循環(huán)除霜性能進行了實驗研究，并與逆循環(huán)除霜方式進行了比較。實驗結果表明，新型分組節(jié)流除霜方式合理地利用了除霜能量，因此除霜時間及除霜損

2、失小于傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜方式，而且在除霜過程中不從室內(nèi)吸收熱量，對其溫度波動影響較小。在除霜過程中，新除霜方式的四通閥換向次數(shù)與逆循環(huán)除霜方式相同，但系統(tǒng)壓力的波動幅度遠遠小于逆循環(huán)除霜方式，因此對系統(tǒng)的機械沖擊要小得多。關鍵詞：熱工學；新除霜方法；除霜特性；空氣源熱泵0 前言空氣源熱泵系統(tǒng)將室外環(huán)境空氣作為熱源向空調(diào)空間提供熱量，是環(huán)保、高效的供熱方式之一，但在室外環(huán)境溫度在0左右且相對濕度較大的工況下制熱運行時，室外換熱器表面結霜比較嚴重1，造成供熱能力及機組平均COP的下降，需要對其進行周期性除霜，帶來的損失超過10%，因此如何提高除霜效率具有重要意義。目前廣泛應用的除霜方式為逆循環(huán)除霜和熱

3、汽旁通除霜。逆循環(huán)除霜速度較快，但除霜過程中需要從室內(nèi)側吸收熱量，同時四通閥頻繁換向會影響其可靠性及壽命；熱汽旁通除霜過程中不吸收室內(nèi)側熱量，除霜能量主要來自壓縮機耗功，因此除霜速度較慢，且容易造成除霜過程中壓縮機吸氣帶液2。為了提高除霜效率，一些學者在除霜循環(huán)方式上進行了改進，提出了一些新的除霜循環(huán)方法。Krakow K I 和 Lin S 3（1996）提出在熱汽旁通除霜循環(huán)中增加一個輔助蒸發(fā)器，其能量來自于壓縮機排汽。實驗結果表明，熱泵系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作，避免了除霜過程中壓縮機吸氣帶液。Mei V C4（2002）等人提出在低壓汽液分離器內(nèi)增加電加熱器，有效地提高了除霜效率。梁彩華 5（2

4、005）等人提出了一種新型的顯熱除霜方式，并進行了實驗研究，結果表明該除霜方式所需的熱量較少，可以較大程度縮短除霜時間。這些新型的除霜方式打開了提高除霜效率的新思路，但尚需更細致的研究，以發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，并經(jīng)受應用的考驗。本文在熱氣旁通除霜循環(huán)的基礎上提出了一種新型除霜方式，可以更有效地利用除霜能量以減少除霜損失；同時，有效地解決熱氣旁通除霜壓縮機吸汽帶液問題，減小除霜過程中系統(tǒng)的壓力波動幅度，提高機組的運行可靠性。1 分組節(jié)流除霜循環(huán)及實驗樣機新除霜循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，在四通閥后和室外換熱器進口間用旁通管連接，并用電磁閥1控制其通斷；室外換熱器前后排換熱管被分為兩部分，中間用并聯(lián)的毛細管

5、和電磁閥2聯(lián)通。在正常制冷或制熱運行時，電磁閥1關閉，電磁閥2開啟；除霜時電磁閥1開啟，電磁閥2關閉，制冷劑通過旁通管及前后排之間的毛細管，室外換熱器前后排管分別充當冷凝器和蒸發(fā)器，構成一個完整的循環(huán)系統(tǒng)；通過四通閥改變制冷劑流向，可以對前后排進行順序除霜。本文將該除霜方法稱為分組節(jié)流除霜方式，對其除霜特性進行了實驗研究。圖1 分組節(jié)流除霜循環(huán)系統(tǒng)原理圖實驗樣機由一臺分體掛壁式熱泵空調(diào)器改裝而成，其壓縮機為滾動轉子式，額定輸入功率為710。室外換熱器風機在恒定轉速下運轉，無霜工況下的流量為610，室內(nèi)機風機轉速分為高、中、低三檔，高轉速運轉時空氣流量為500。室內(nèi)外換熱器均采用波紋翅片管式，室

6、外換熱器幾何參數(shù)如表1所示。表1 熱泵空調(diào)器室外換熱器參數(shù)管外徑/mm排間距/mm翅間距/mm翅片厚/mm管長/mm管排數(shù)/管列數(shù)9.5225.41.560.176020 / 22 實驗裝置及實驗步驟2.1 實驗裝置實驗在由室內(nèi)外環(huán)境室組成的焓差法空調(diào)器性能實驗臺上進行，實驗系統(tǒng)如圖2所示。在內(nèi)外側環(huán)境室內(nèi)分別配置了空氣處理機組，通過降溫除濕（由壓縮冷凝機組提供冷源）、加熱（由電加熱管提供熱源）和加濕（電加濕器提供蒸汽）實現(xiàn)對環(huán)境室內(nèi)溫、濕度的調(diào)節(jié)和控制。圖2 熱泵測量系統(tǒng)示意圖通過測量噴嘴前后壓差及換熱器進出口干、濕球溫度，可計算出室內(nèi)機換熱量，制冷系統(tǒng)的壓力由壓力變送器（精度±0

7、.25%）測量，室外換熱器壁面溫度采用經(jīng)過標定的T型銅康銅熱電偶（精度±0.1）測量，實驗樣機耗功由多功能綜合電量變送器（精度±0.5%）測量，霜層厚度采用放大倍數(shù)90倍的顯微鏡測量。使用兩部500萬像素攝像頭記錄換熱器前后排翅片表面霜層生長和融化過程，利用計算機內(nèi)部時鐘記錄除霜時間。2.2 實驗工況及步驟郭憲民1等人前期的實驗研究工作證實，在室外環(huán)境溫度為0左右時，空氣源熱泵室外換熱器表面結霜速度最快，結霜對熱泵系統(tǒng)性能影響最大。所以在本文的實驗中室外環(huán)境溫度分別設置為2、0、-3、-7，室外環(huán)境相對濕度分別為60%、70%、80%和90%。除霜實驗是在上述各工況下的結霜

8、實驗后進行，在同一個工況條件下分別對逆循環(huán)除霜和分組節(jié)流除霜特性進行了實驗。實驗過程中控制相同工況下兩種循環(huán)的環(huán)境參數(shù)一致。除霜開始時，室外機風扇停止運轉，室內(nèi)機風扇以低速模式運轉；對于傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜，如圖1所示，電磁閥2始終保持開啟狀態(tài)；除霜開始時，電磁閥1關閉，四通閥換向；除霜結束后關閉電磁閥1，切換四通閥，開始下一個制熱循環(huán)。對于分組節(jié)流除霜方式，除霜開始時，電磁閥1開啟，電磁閥2關閉，高溫高壓蒸汽進入室外換熱器的前排換熱管冷凝，經(jīng)毛細管節(jié)流后進入后排換熱管；經(jīng)過一段時間后四通閥換向，高溫高壓蒸汽進入室外換熱器的后排換熱管融化霜層；除霜結束后，關閉電磁閥1，開啟電磁閥2，同時四通閥切換回

9、制熱狀態(tài)，開始下一個制熱循環(huán)。采用人工啟動除霜控制方式，除霜判據(jù)為相鄰兩翅片上霜層間距為一個顯微刻度（約0.2mm）時開始除霜，這樣可以保證除霜開始時的霜層厚度基本一致，同時按參考文獻1采用的方法測量了室外換熱器結霜量，結果表明相同工況下兩種循環(huán)除霜開始時的結霜量也基本一致。除霜結束判據(jù)采用觀察到霜層融盡后繼續(xù)2分鐘以蒸干表層水份。3 實驗結果及分析對于室外環(huán)境溫度為2、相對濕度為80%的典型工況條件，從以下幾個方面比較逆循環(huán)除霜和分組節(jié)流除霜方式的除霜性能。3.1 壓縮機吸排氣壓力比較圖3為典型工況條件下兩種除霜方式壓縮機吸排氣壓力曲線，從圖中可以看出，逆循環(huán)除霜時間約為440秒，分組節(jié)流除

10、霜時間約為430秒，其中前排換熱管除霜時間約為330秒，后排換熱管除霜時間約為100秒，新循環(huán)方式除霜時間比逆循環(huán)除霜方式略小。需要指出的是，由于除霜結束時刻是人為判斷確定的，實驗中存在逆循環(huán)除霜提前結束的問題，實際上逆循環(huán)除霜方式所需除霜時間要大于上述的440秒，因此兩種除霜方式所需除霜時間的差別要大于10秒，此問題將在下文結合霜層圖片進一步討論。圖3 除霜過程中壓縮機的吸、排氣壓力對于逆循環(huán)除霜方案，在除霜開始時四通閥換向，壓縮機吸排氣壓力在短時間內(nèi)迅速達到平衡，然后吸氣壓力迅速下降。隨著除霜過程的進行，約50秒后壓縮機吸排氣壓力開始緩慢回升。在約第150秒壓縮機排氣壓力開始迅速升高，而吸

11、氣壓力升高幅度較小。在除霜過程結束時四通閥再次換向進入正常制熱循環(huán)，引起壓縮機吸排氣壓力的劇烈波動，特別是吸氣壓力波動幅度更大。對于分組節(jié)流除霜方案，除霜開始后壓縮機吸氣壓力變化幅度很小，而排氣壓力迅速下降達到穩(wěn)定狀態(tài)；約在第330秒四通閥換向，室外換熱器中制冷劑流向改變，壓縮機吸排氣壓力均下降，但幾乎沒有發(fā)生波動；在除霜過程結束時四通閥再次換向進入正常制熱循環(huán)，壓縮機排氣壓力迅速上升，而吸氣壓力發(fā)生了較大的波動。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，兩種除霜方式在除霜過程中壓縮機的吸排氣壓力變化存在很大區(qū)別：（1）采用逆循環(huán)方式除霜時，在兩次四通閥換向過程中壓縮機吸氣壓力均發(fā)生了大幅波動，壓力變化幅度約為555

12、和490，而且在第二次四通閥換向過程中壓縮機排氣壓力也發(fā)生了大幅波動，壓力變化幅度約為200。而采用分組節(jié)流方式除霜時，僅在第二次四通閥換向過程中壓縮機吸氣壓力發(fā)生了波動，波動幅度約為252，遠遠低于逆循環(huán)除霜過程中壓縮機吸氣壓力波動幅度，這對減少除霜對壓縮機的機械沖擊是有利的。（2）采用分組節(jié)流除霜方式時，在除霜的第一階段壓縮機吸排氣壓力比較平穩(wěn)，且吸排氣壓差要小于逆循環(huán)除霜方式，特別是在除霜過程后期，二者相差達22.8倍，這將對壓縮機耗功率產(chǎn)生影響。圖4 除霜過程中熱泵機組耗功率3.2 除霜耗功率的比較圖4所示為在環(huán)境溫度2、相對濕度80%工況下傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜和分組節(jié)流除霜過程中熱泵機組耗

13、功率比較。其它工況下兩種除霜方式的耗功率曲線變化趨勢其本相同。從圖4可見，在分組節(jié)流除霜過程的開始階段（0100秒），壓縮機耗功率大于逆循環(huán)除霜過程中的耗功率，而在100300秒時段，分組節(jié)流除霜耗功率小于逆循環(huán)除霜方式；其原因是在開始階段，分組節(jié)流除霜方式壓縮機壓比較大（圖3），而在100300秒時段其壓縮比明顯低于逆循環(huán)除霜方式。在分組節(jié)流除霜過程的第二階段，除霜耗功率略大于逆循環(huán)除霜過程中的耗功率。兩種方案在除霜過程中的總耗能相差不大，分別為200.7 和191.1，分組節(jié)流除霜方式除霜耗能減少了約5。 圖5 除霜過程中室內(nèi)換熱器熱交換量3.3 供熱性能比較圖5為熱泵機組在不同環(huán)境溫度工

14、況下，兩種除霜方式在除霜過程中室內(nèi)換熱器熱交換量比較，其中規(guī)定“”表示向室內(nèi)環(huán)境供熱。從圖中可以看出，對于傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜方式，在環(huán)境溫度2、相對濕度80%工況下，除霜過程中從空調(diào)房間中吸收的總熱量約為112.9。這一部分熱量需由熱泵系統(tǒng)在下一個制熱循環(huán)中重新加入室內(nèi)，造成附加除霜損失，同時對室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性也是不利的。采用分組節(jié)流除霜方式時室內(nèi)換熱器熱交換量一直保持正值，不產(chǎn)生附加除霜損失，因此除霜過程中室內(nèi)溫度波動比較小。比較不同環(huán)境溫度工況下的吸熱量，如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度為0工況下，逆循環(huán)除霜過程中從室內(nèi)環(huán)境吸收的熱量最大，約為187.9，其原因是當室外環(huán)境溫度為0時，換熱器表

15、面結霜最為嚴重1。分組節(jié)流除霜方式與傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜方式除霜特性的另一個明顯差別在于除霜過程結束后制熱量的恢復速度。從圖5可以看出，對于逆循環(huán)除霜方式，由于在除霜過程中室內(nèi)換熱器作為蒸發(fā)器使用，因此其換熱管、翅片等處于較低溫度，恢復制熱循環(huán)后一部分熱量首先蓄存在這些金屬材料中，因此向室內(nèi)環(huán)境供熱量減少；而分組節(jié)流除霜方式在除霜過程中流過室內(nèi)換熱器的制冷劑量很小，因此其壁面溫度變化不大，恢復制熱循環(huán)后可以迅速恢復供熱。圖6 除霜過程中室外換熱器壁面溫度3.4 換熱管壁面溫度及除霜效果比較實驗結果顯示，前排管各彎頭處壁面溫度變化曲線基本重合，而后排管各彎頭處壁面溫度也有類似的趨勢。因此取靠近換熱器進

16、出口處的實驗數(shù)據(jù)分別代表前、后排管壁面溫度，如圖1所示的和，兩種除霜方式室外換熱器壁面溫度比較如圖6所示。對于傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜方式，高溫蒸汽首先進入室外換熱器后排管，其表面薄霜層很快融化，由圖6可見，經(jīng)過約150秒，其壁面溫度開始迅速升高，而結霜嚴重的前排管壁溫升高較慢。對于分組節(jié)流除霜方案，首先對前排管進行除霜，從圖6中可以看到，在前排管除霜過程中其壁面溫度一直比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)過熱現(xiàn)象；在除霜第二階段，高溫制冷劑首先進入后排管，壁面溫度迅速升高，由于后排管融霜時間較短，其壁面溫度也未出現(xiàn)大的過熱現(xiàn)象。表2為環(huán)境溫度2、相對濕度80%工況下，兩種除霜方式室外換熱器前排霜層融化過程照片。從圖中可以

17、明顯的看出，對于分組節(jié)流除霜方式，除霜開始后前排管及翅片表面霜層迅速融化，至第180秒霜層基本全部融化，此后進入翅片表面水份蒸干階段；在第330秒四通閥換向，高溫蒸汽進入室外換熱器后排管除霜，而前排管作為蒸發(fā)器使用，在此階段從圖中未見前排管融化水再結霜現(xiàn)象。對于傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜方案，從除霜開始至105秒時段內(nèi)前排管翅片表面霜層未見明顯的融化，至第120秒個別翅片表面霜層才開始融化，至第420秒前排管翅片表面霜層基本全部融化，此后進入表面水份蒸干階段。表2 環(huán)境溫度2、相對濕度80工況下室外換熱器前排翅片上霜層照片時間 / s0306090120150180240300360420逆循環(huán)除霜分組節(jié)

18、流除霜如前所述，實驗中逆循環(huán)除霜過程在440秒結束，因此留給表面水分蒸發(fā)的時間不足120秒，這主要是由于實驗中靠人為觀察確定霜層全部融化狀態(tài)帶來的誤差造成的。如果按霜層全部融化后增加兩分鐘表面水分蒸發(fā)的時間計算，逆循環(huán)除霜時間應為約540秒，比分組節(jié)流除霜時間長約110秒，因此其除霜耗功率及從空調(diào)環(huán)境中的吸熱量也相應比圖4、圖5所示值要大，但兩種除霜循環(huán)方式比較得出的結論是不變的。從能量守恒的角度來講，逆循環(huán)除霜方式的能量來自壓縮機耗功和換熱器從室內(nèi)環(huán)境中吸收的熱量，而分組節(jié)流除霜的能量主要來自壓縮機耗功和部分室外換熱器，其數(shù)值比傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜方式除霜能量小。采用逆循環(huán)方式除霜時，從壓縮機排出

19、的過熱蒸汽首先進入結霜量較小的后排管，能量主要用于加熱管壁及翅片，造成管壁過熱，浪費了除霜能量。分組節(jié)流除霜方式充分利用了除霜能量，使得前后排均衡除霜，前后排管壁溫度均未出現(xiàn)大的過熱現(xiàn)象，從圖6所示的管壁溫度比較及表2 中的霜層融化過程照片可以明顯地看到這種現(xiàn)象。4 結論：本文在熱汽旁通除霜方式的基礎上提出了一種新型分組節(jié)流除霜方式，對其除霜性能進行了實驗研究，并與傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜方式進行了比較，得到如下結論：（1）新型分組節(jié)流除霜方式的除霜時間、除霜耗功略小于逆循環(huán)除霜方式，而且除霜過程中不從空調(diào)空間吸收熱量，恢復制熱運行時供熱恢復速度快，因此對空調(diào)房間溫度波動的影響較小。（2）在除霜過程中，

20、新型分組節(jié)流除霜方式的四通閥換向次數(shù)與逆循環(huán)除霜方式相同，但其系統(tǒng)壓力的波動幅度遠遠小于逆循環(huán)除霜方式，因此對系統(tǒng)的機械沖擊要小得多。（3）實驗發(fā)現(xiàn)，分組節(jié)流除霜方式合理地利用了除霜能量，除霜過程中換熱管未出現(xiàn)嚴重過熱現(xiàn)象；而逆循環(huán)除霜式室外換熱管出現(xiàn)了嚴重過熱，造成能量的浪費。參考文獻1 郭憲民，陳軼光，汪偉華等室外環(huán)境參數(shù)對空氣源熱泵翅片管蒸發(fā)器動態(tài)結霜性能的影響制冷學報，2006，27(6)： 29-332 黃東，袁秀玲風冷熱泵冷熱水機組熱氣旁通除霜與逆循環(huán)除霜性能對比西安交通大學學報，2006，40(5)：5433 Krakow K I, Lin S,Hot gas defrostin

21、g of evaporators utilizing a vaporizer. ASHRAE Trans, 1996, 102(1)：385-394.4 Mei V C, Domitrovic R E, Chen F C, et al. A frost-less heat pump. ASHRAE Trans, 2002, 108(1)：452-459.5 梁彩華，張小松，巢龍兆等顯熱除霜方式與逆向除霜方式的對比試驗研究制冷學報，2005, 26(4)：20-24Experimental Study on a Novel Defrost Cycle for Air Source Heat Pu

22、mpFu Wencheng Guo Xianmin Tao Xiaocheng Wang WeihuaTianjin University of Commerce, Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin, 300134Abstract: On the basis of the hot gas bypass defrost cycle, a new defrost method for air - source heat pump is proposed. In the new defrost cycle the

23、outdoor heat exchanger is divided into two parts which are connected by a capillary tube. The front and rear parts of the heat exchanger are used as the evaporator and condenser respectively during defrost process, and can be defrosted orderly by using the four-way valve. The defrost performance of

24、the new cycle is investigated experimentally and the results are compared with that of the reverse-cycle defrost system. Experimental results indicate that the energy is used more efficiently in the new defrost cycle, therefore, the defrost time and the defrost losses of the new cycle are less than

25、these of the reverse-cycle defrost system, and it does not extract heat from the indoor space during defrost process in terms of the new frost cycle. Compared with the reverse-cycle defrost system, it is found that the switching times of the four-way valve in the new defrost system are the same, and the fluctuation of the discharge and suction pressures during the defrost process is mu