空气源热泵相变蓄能除霜特性实验研究*

董建锴,姜益强,姚 杨,胡文举

(哈尔滨工业大学热泵空调技术研究所,黑龙江哈尔滨 150090)

空气源热泵相变蓄能除霜特性实验研究*

董建锴,姜益强†,姚 杨,胡文举

(哈尔滨工业大学热泵空调技术研究所,黑龙江哈尔滨 150090)

为了解决空气源热泵除霜过程中能量来源不足而导致的各种除霜问题,提出了空气源热泵相变蓄能逆循环除霜方法.对一台额定功率为850W的家用空气源热泵进行改造,并在人工模拟室内外环境的条件下进行实验.实验结果表明:蓄能除霜可以有效地提高除霜期间压缩机的吸排气压力,缩短除霜时间,减少除霜能耗.相对于常规除霜,在实验条件下,蓄能除霜可以分别提高压缩机吸排气压力0.15和0.25MPa,缩短除霜时间60%.

空气源热泵;蓄能;相变材料;逆循环除霜

空气源热泵是一种节能的供热设备,在商业建筑中有着广泛的应用,但在相对湿度较高的环境运行时,空气源热泵的室外机翅片将出现结霜问题[1-2].随着霜层的增加,室外机翅片管换热热阻逐渐增大,换热性能系数和空气流量逐步减小.当热泵的性能降低到一定程度时,需要将室外机翅片上的霜层除去.

通过有效的除霜方式可以将空气源热泵性能恢复到结霜前状态,但在除霜过程需要消耗一定的能量,同时带来室内空气品质的恶化.目前应用最为广泛的除霜方式是逆循环除霜和热气旁通除霜.O'Neal等[3]对家用空气源热泵逆循环除霜的特性进行了研究,在研究过程中,当热泵供热能力降低到额定供热量的80%时即开始除霜.Payne等[4]通过实验方法验证了滚动式压缩机和往复式压缩机在空气源热泵除霜过程中的不同作用.Huang等[5]比较了热气旁通除霜和逆循环除霜在空气-水源热泵中的除霜效果,结果显示热气旁通除霜时间更长,但具有低噪声、室内温度波动小,没有吹冷风感等优点.Choa等[6]研究了压缩机起停除霜和热气旁通除霜在柜式制冷机中的不同应用,实验结果显示,热气旁通除霜可有效地提高制冷能力,降低温度波动,但同时也将消耗更多的除霜能量.Byun等[7]通过实验发现在210min的热泵制热和除霜时间内,当制冷剂旁通量为20%时,系统的cop和供热能量可以分别提高8.5%和5.7%.Hewitt等[8]对具有圆形室外蒸发器的空气源热泵采用热气旁通除霜的特性进行了研究,提出了最佳的除霜起始时间、除霜运行时间和除霜间隔.Huang等[9]研究发现在空气源热泵逆循环除霜过程中,风机提前开机可以有效地防止由于压缩机吸气保护而造成的压缩机停机.Jhee等[10]研究发现对室外换热器表面进行增水处理将会有效地提高除霜效率,缩短除霜时间.Wang等[11]在热泵室外机的进口处通过固定沸石和活性炭的吸收床吸收空气中的水分,一方面降低了空气湿度,另一方面,由于水的冷凝放热提高了进口空气温度.Adnan等[12]和 Jain等[13]分别设计了空气源热泵液体除湿系统,在防止结霜方面取得了良好的效果.此外,在空气源热泵除霜动态特性[14]和热泵系统部件在除霜中的作用方面也进行了研究[15-16].

尽管许多研究者对空气源热泵的除霜问题进行了众多研究,但是除霜时缺少低位热源的本质问题没有解决(为避免向室内吹冷风而关闭室内机风机,导致室内换热器无法提供充足的除霜热量).由于除霜能量不足,除霜时压缩机吸气压力远低于供热时的平均水平,吸气比容变大,制冷剂循环质量流量变小,最终导致除霜时间拉长,严重时导致压缩机停机.为了解决由于除霜能量不足而导致的各种问题,文献[17]提出了基于相变蓄能的热气除霜新系统.与传统空气源热泵系统相比,该系统在原有系统的基础上增加了一个充有相变材料的相变蓄热器,为除霜过程提供低位热源.在除霜过程中,相变蓄热器与系统有3种不同的除霜连接模式.本文将针对3种不同除霜模式下的除霜时间、除霜效果以及除霜能耗等与现有的常规逆循环除霜方式进行对比研究.

1 实验原理及实验设计

1.1 空气源热泵相变蓄能除霜系统原理及运行模式

相对于传统的空气源热泵系统,本系统增加了一个相变蓄热器,系统原理如图1所示.当系统处于正常供热状态且室内温度满足供热要求时,通过打开阀门F2,F3和F5,关闭阀门F1和F4,使相变蓄热器和室内机串联运行,制冷剂在相变蓄热器内放热,实现相变蓄热器的蓄能.当系统处于除霜状态运行时,通过阀门的开闭,可以实现3种不同的除霜模式,分别为串联除霜模式、并联除霜模式和单独除霜模式.

图1 空气源热泵蓄能除霜系统原理及测点布置图Fig.1 Schematic of ASH P energy storage hot gas defrost system

1)串联除霜模式.在除霜过程中,通过打开阀门F5,F3和F2,关闭阀门F4和F1,使相变蓄热器和室内机处于串联运行状态.低温液态制冷剂先后流经室内机和相变蓄热器,取热后变为低温气态制冷剂回到压缩机.

2)并联除霜模式.在除霜过程中,通过打开阀门F1,F2,F4和F5,关闭阀门F3,使相变蓄热器和室内机处于并联运行状态.低温液态制冷剂同时流过相变蓄热器和室内机,取热后的低温气态制冷剂回到压缩机.

3)单独除霜模式.在除霜过程中,通过打开阀门F2和F4,关闭阀门F1,F3和F5.此时低温液态制冷剂只流经相变蓄热器,在相变蓄热器中取热后变热气态,然后回到压缩机.

1.2 空气源热泵相变蓄能除霜系统实验设计

实验系统主要有压缩机、室内机、毛细管、室外机、四通换向阀和相变蓄热器组成.实验过程中制冷剂采用R22,压缩机额定输入功率为850W,额定制热量为2 500W,室内风机与室外风机额定风量分别为450和3 600 m3/h.实验中布置了压力传感器(量程为3.0 MPa,精度为±0.075 Pa)、温度传感器(±0.1℃)、湿度传感器(±1.0%)和风速传感器(±0.2 m/s).其布置如图1所示.

为了获得制冷剂完全流动下的温度、压力变化,消除管壁厚度对温度测量结果的影响,则将压力传感器用毛细管连接在制冷剂管路中,将铂电阻的铂片直接插入焊接到制冷剂管路φ5的铜管中,内灌入氧化银粉末作为导热剂.在系统压力、温度等参数稳定后,开启安捷伦34980A数据采集系统进行实验数据采集.在实验过程中,通过控制人工小室的供热量、供冷量以及加湿量,从而保证室外侧换热器所处环境温度为(-1.0±0.1)℃,相对湿度为80%± 2%,室内侧换热器所处环境温度为(20.6±0.5)℃.进行多组重复实验.

2 实验数据及分析

2.1 压缩机吸排气压力变化

压缩机吸排气压力是评价热泵除霜效果的重要参数.在本实验中,控制除霜终止的条件是室外机翅片表面最低温度达到35℃.由图2可以看出,蓄能除霜的除霜时间为3.0 min,而常规除霜时间却达到了7.5 min.对于常规除霜来讲,吸排气压力在0.5 min内由起始时的0.37和1.66 MPa分别降低到了0.28和0.76MPa.这主要是因为除霜开始时压缩机关机和四通阀换向改变了制冷剂的流向.随着除霜的进行,排气压力在3.0 min时上升到1.37 MPa,并最终稳定在1.44 M Pa.相应的吸气压力下降到0.20 MPa.常规除霜过程中,除霜能量主要来自压缩机做功和室内机取热,由于在除霜时室内风机关机,因此造成除霜能量来源不足,压缩机吸排气压力低,除霜时间较长.

图2 压缩机吸排气压力变化Fig.2 Variation of discharge and suction pressure for different defrostmodes

对于串联除霜来讲,压缩机吸排气压力分别由0.5min时的 0.28和0.83 MPa迅速增加到3.0 min的0.44和1.66 M Pa.在单独除霜和并联除霜过程中也有着相同的变化,吸排气压力达到或超过除霜前水平.这主要是由于蓄能除霜过程中相变蓄热器提供了很大一部分的除霜能量,解决了常规除霜过程中能量来源不足的问题,因此蓄能除霜过程中吸排气压力较高,除霜时间较短.

2.2 压缩机吸排气温度变化

图3为不同除霜模式下压缩机吸排气温度的变化.对于常规除霜来说,除霜开始时由于存在于室内机的高温制冷机回到压缩机,从而导致吸气温度由0.5 min时的-7.6℃迅速上升到1.0 min的24.8℃.随着除霜的进行,吸气温度逐渐降低,最后稳定在-24.6℃左右;由于压缩机停机,排气温度迅速由开始时的71.3℃降低到1.0 min的41.8℃,最后稳定在69.6℃;造成吸排气温度较低的主要原因是除霜过程中缺少能量来源,低温制冷剂在室内机取热量不足.

图3 压缩机吸排气温度变化Fig.3 Variation of discharge and suc tiontem perature for differentdefrostmodes

对于串联除霜过程,吸气温度由初始时的-8.2℃迅速上升到1.0 m in时的33.6℃,最终稳定在36.0℃左右,同时排气温度在2.0 min内由45.8℃上升到71.2℃,吸排气温度均高于常规除霜,这主要是由于蓄热器的存在为除霜提供了充足的低温能量.对于3种除霜方式来讲,在同一时刻,串联除霜时吸气温度最高,并联除霜时最低.例如,在2.0 min时刻,串联除霜、单独除霜和并联除霜的吸气温度分别为37.9,34.9和32.1℃.相对于室内机来说,相变蓄热器蓄存了大量的热量(蓄热完成时相变材料的温度在40℃以上),串联除霜时室内机和相变蓄热器同时作为低位热源,因此串联除霜吸气温度要高于单独除霜.当并联除霜时,系统部分制冷剂在室内机取热,制冷剂蒸发效果要低于相变蓄热器内制冷剂蒸发效果,从而导致并联除霜吸气温度低于单独除霜.

2.3 室外机进出口制冷剂温度变化

在除霜过程中,压缩机排出的高温气态制冷剂被排到室外机融化霜层,室外机进出口制冷剂温度的变化可以反应除霜效果.图4和图5分别为室外机进口和出口制冷剂温度变化图.室外机进口制冷剂温度变化与压缩机排气温度变化相似,在除霜开始后的1.0 min内,由于较低的排气温度和管路内存在的低温制冷剂,室外机进口温度上升较慢.1.0 min之后,室外机进口温度迅速上升,到3.0 m in时,串联除霜的温度上升到64.3℃,而常规除霜温度为51.8℃.之后,常规除霜的进口温度均逐渐降低,在除霜过程中蓄能除霜的制冷剂进口温度一直高于常规除霜.

图4 室外机进口制冷剂温度变化Fig.4 Refrigerant temperature change of outdoor coil inlet for different defrostmodes

图5 室外机出口制冷剂温度变化Fig.5 Refrigerant temperature change of outdoor coil outlet for different defrostmodes

对室外机出口温度来讲,在除霜开始后的2.0 min内,由于制冷剂进口温度较低和制冷剂热量用来融化霜层,因此制冷剂出口温度均在2.0℃以下.随着进口制冷剂温度的升高和霜层的不断融化,出口制冷剂温度迅速上升,在1.0m in内,串联除霜的室外机出口制冷剂温度由7.8℃上升到29.3℃.蓄能除霜的室外机出口制冷剂温度上升速度将快于常规除霜,并且除霜时间明显缩短.

2.4 压缩机输入功率变化

图6为不同除霜模式下压缩机输入功率的变化.除霜开始后的0.5m in内,由于压缩机的重新启机,输入功率有一个迅速下降,然后又迅速上升的过程.在2.5 min时,常规除霜的输入功率达到608.1 W,最终稳定在608.5W左右,这明显低于正常供热时的输入功率.并联除霜、串联除霜和单独除霜的输入功率分别为744.8,746.8和832.4W,均达到或超过正常供热时的输入功率.造成这个问题的主要原因是蓄能除霜过程中相变蓄热器为除霜提供了充足的低位热源,因此有足够的制冷剂回流到压缩机,压缩机的吸排气压力温度均维持在较高的水平,所以需要较高的输入功率.但是相对于常规除霜,蓄能除霜时间明显缩短,尽管输入功率增加,但还是减小了除霜能耗.

图6 压缩机输入功率变化Fig.6 Compressor input power for different defrostmodes

3 结 论

本文提出了基于相变蓄能的空气源热泵除霜新方法,阐述了3种不同相变蓄能除霜模式.为了研究3种除霜模式对系统除霜的影响搭建了实验台,进行了蓄能除霜与常规除霜的对比实验,分析了实验数据,得到如下结论:

1)在除霜过程中,蓄能除霜的压缩机吸排气压力比常规除霜要高0.15和0.25 MPa以上,并且吸排气温度也将高于常规除霜.在3种蓄能除霜模式中,串联除霜的吸排气压力最高.

2)蓄能除霜过程中,室外机进出口制冷剂温度要高于常规除霜,温度上升速率较快.在实验所模拟的室内外环境和控制除霜终止的条件下,蓄能除霜需要3.0min,而常规除霜需要7.5min,蓄能除霜时间比常规除霜缩短60%.

3)蓄能除霜过程中压缩机的输入功率比常规除霜要高55.2W以上,但是除霜时间要缩短一半以上,因此,蓄能除霜过程更加节能.

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Experimental Study of the Characteristic of Defrosting for Air Source Heat Pump w ith Phase Change Energy Storage

DONG Jian-kai,JIANG Yi-qiang†,YAO Yang,HUWen-ju

(Institute of Heat Pump and Air Conditioning Technology,Harbin Institute of Technology, Harbin,Heilongjiang 150090,China)

This study is concerned with a new reverse-cycle hot gasmethod using phase change thermal energy storage(TES)to eliminate frost in an air-source heatpump(ASHP),which can effectively solve the shortageof defrosting energy.The feasibility of defrostingwas investigated through experimentsand themodes＇performanceswere compared with a norminal 850W capacity ASHP system conventional reverse-cycle hot gas defrosting method.The results have indicated that thermal energy storage based reverse-cycle hot gasmethod can improve the discharge and suction pressureand shortendefrosting time in defrosting.In defrosting operation,the TES defrostingmethod can improve discharge and suction pressureby 0.25MPaand 0.15MPa respectively,and shorten defrosting time by 60%in the tested environment,relative to the conventional reverse-cycle hot gas defrosting method.

air source heat pumps;thermal energy storage;phase changematerials;reverse-cycle hot gas

TU831.6

A

1674-2974(2011)01-0018-05 *

2010-04-05

国家自然科学基金资助项目(50606007)

董建锴(1982-),男,山东邹平人,哈尔滨工业大学博士研究生

†通讯联系人,E-mail:jyq7245@163.com