新型空气-水双热源复合热泵系统性能和除霜实验

徐俊芳，赵耀华，王皆腾，赵会刚，梁元元

（1北京工业大学建筑工程学院，北京 100022；2北京市住房和城乡建设科学技术研究所，北京 100021）

新型空气-水双热源复合热泵系统性能和除霜实验

徐俊芳1,2，赵耀华1，王皆腾2，赵会刚2，梁元元2

（1北京工业大学建筑工程学院，北京 100022；2北京市住房和城乡建设科学技术研究所，北京 100021）

针对低温环境条件下热泵逆循环除霜存在的诸多问题，提出了一套具备预热除霜功能的新型空气-水双热源复合热泵系统（new air-water double source composite heat pump system, AWDSHPS-N），通过阀门切换和低温水源侧水泵的启停控制可直接进入除霜模式，除霜过程中可保证制热的连续性，每次除霜时长不超过 5 min。利用恒温恒湿环境仓模拟室外环境条件，可调控水温的低温水箱模拟太阳能等低温热源搭建AWDSHPS-N实验台，对不同测试工况下，单空气源制热模式（air source heating mode, ASHM）、单水源制热模式（water source heating mode,WSHM）、空气-水双热源制热模式（air-water source heating mode, AWSHM）3种制热模式将水从18℃加热至51℃的系统性能系数（coefficient of performance, COP）进行了实验，结果表明：AWSHM的COP比ASHM提高了6.1%～20.5%；当环境温度和低温水源温度均高于15℃时，系统COP高低顺序为AWSHM、ASHM和WSHM。

热泵；双热源；再生能源；系统性能；优化设计；除霜；实验验证

引 言

随着我国社会经济不断发展、城镇化工作不断推进和人民生活水平日益提高，建筑能耗所占社会总能耗的比重越来越高。2014年北京市民用建筑能耗占社会总能耗的比例达到了 45.6%，建筑节能减排对控制社会总能耗增长和改善环境质量发挥着越来越重要的作用，而大力推广太阳能、空气能等可再生能源在建筑中的应用已成为实现建筑节能的重要措施之一[1]。除太阳能应用于建筑外，空气源热泵应用于农村住宅或别墅建筑采暖系统中可以获得良好的节能减排效果，碳排放量可比燃气锅炉减少12%，运行能耗比电采暖节省 55%～70%，比传统集中供热系统节省23%～46%[2-5]。但是，单一太阳能利用技术或空气源热泵技术存在诸多缺点，如太阳能本身不稳定的问题，空气源热泵在低温环境中运行时会出现供热量减少、启停频繁，蒸发器表面结霜和空气流动阻力增大等问题，导致其应用于建筑中的实际节能效果不佳[3,6-8]。基于复合热泵技术将太阳能、空气能等两种或几种可再生能源形式耦合成一套复合供能系统可优势互补，逐步成为该领域研究的新方向和新热点[9]。

空气-水双热源复合热泵与太阳能联合应用系统一般分设太阳能集热水箱和生活/采暖用热水箱（高温水箱），可实现单太阳能供热模式、单空气能供热模式和太阳能-空气能双热源供热模式，以适应不同环境条件，达到最大限度地利用可再生能源进行节能的目的[10-15]。王强等[16-17]的研究结果表明太阳能-空气源复合热泵系统 COP比常规系统要高，冬季可以利用蓄热热水反向除霜；当太阳能热水温度为 20～30℃时复合热泵机组比单一空气源热泵制热量增加23.3%～24.4%。复合热泵的蒸发器可通过3种方案实现，如刘寅等[18-19]设计出一个套管-翅片式复合蒸发器及太阳能-空气源复合热源热泵样机，制冷剂采用R22，室外环境温度为-15℃时，双热源制热运行模式的系统 COP比单一空气源提升了50%～62%。王岗等[20-21]搭建的太阳能-空气源复合热泵系统采用了制冷剂（R22）管和热水管并排交替设置的复合蒸发器，环境温度为 5～15℃，双热源制热时COP比单空气源制热提升了5.14%～11.38%；并使太阳能光伏发电效率提升到14.5%，整个系统 COP达到了 3.07。徐鹏等[22]对一风冷蒸发器和水冷蒸发器并联设置的太阳能光伏-热泵复合供能系统进行研究，在环境温度为 4℃时，热泵系统平均制热COP为2.72，光热光伏综合利用效率为 34.0%。制冷剂的选择对热泵系统亦很重要，同一热泵系统采用不同制冷剂有着相似的运行状况，但热泵系统性能存在差异，当环境温度低于 13℃时，R744热泵系统COP高于R134a，而R134a热泵系统COP高于R22；当环境温度高于13℃时，COP高低顺序变为R134a > R744 > R22[23]。空气源热泵在低温环境下运行时，因蒸发器结霜导致热泵性能不断变差，选用R407C热泵系统恶化速度远大于R22，同时R407C的热泵机组达到稳定运行状态所需时间比R22短[24]。目前空气源热泵最常用的除霜模式为逆循环除霜，其次为热气旁通除霜和电加热除霜，此外还有热水喷淋除霜和压缩机停机除霜等[25-28]。除霜对热泵系统制热影响是多方面的，如采用逆循环除霜时，热泵系统停止向外供热，且还需从供热环境中吸收热量；除霜结束后，转为供热运行时还需要“补偿”除霜期间从环境、热泵相关组件与管路中吸收的热量，存在热容损失[29-30]。

目前复合热泵技术相关研究涉及低温高湿环境下机组除霜的仍为少数。本文选用R134a为制冷剂，提出了一套具备预热除霜功能的套管-翅片复合蒸发器及对应的新型空气-水双热源复合热泵系统（new air-water double source composite heat pump system，AWDSHPS-N），低温环境下复合热泵机组除霜时不需停机，通过阀门开关及水泵启停控制可实现多种模式除霜。搭建实验台对AWDSHPS-N的运行性能和除霜过程进行了实验研究，验证AWDSHPS-N的可行性。

1 实验装置和方法

1.1 具备预热除霜功能的新型复合蒸发器

具备预热除霜功能的复合蒸发器为一种新型复合蒸发器，其结构如图1，由除霜管段和复合蒸发段组成。除霜段是在复合蒸发器空气进口侧设置了一排制冷剂管路，热泵需启动进行除霜时，通过阀门控制实现压缩机出口的制冷剂或冷凝器出口的制冷剂先流经除霜管进行放热除霜，之后再流向单向阀、膨胀阀和蒸发器等，复合蒸发器水侧管路可以同时辅助除霜。复合蒸发段采用了套管式-翅片式的复合换热器，内管内侧为热水流道，内外管间的环隙为制冷剂R134a流道，外管外侧与翅片形成空气流道；其中内管采用内螺纹管，以强化水侧换热。此种复合蒸发器的设计方案可避免逆循环除霜时热泵制热供热的不连续性、复合蒸发器制冷剂管路（套管环隙）由低压转为高压带来的危害（尤其内管，可被压扁导致内侧水流道不畅），同时减少了除霜时蒸发器的热容损失，增强了复合热泵系统各部件工作的稳定性，延长了使用寿命。

图1 新型复合蒸发器结构示意图Fig.1 Structural diagram of new-type composite evaporator

图2 新型空气-水双热源复合热泵系统原理图Fig.2 Schematic diagram of new-type air-water double source composite heat pump system

1.2 新型空气-水双热源复合热泵系统实验台

利用恒温恒湿环境仓（下文简称环境仓）模拟室外不同环境条件，将AWDSHPS-N的蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀、气液分离器、储液器等主要复合热泵机组置于环境仓内，将高温水箱（water tank 1）、低温水箱（water tank 2）、循环水泵、流量计置于环境仓外，搭建了新型空气-水双热源复合热泵系统实验台，系统原理如图2所示。

AWDSHPS-N 制热运行时，阀门 V-4、V-5、V-6、V-7开启；通常情况下V-1和V-3关闭，V-2开启。AWDSHPS-N运行模式包括单空气源制热模式（ASHM）、单水源制热模式（WSHM）和空气-水双热源制热模式（AWSHM）；当在低温环境中ASHM运行需要除霜时，系统可实现5种除霜模式，即冷凝器出口制冷剂再冷除霜模式（D-Ⅰ）、低温热水除霜模式（D-Ⅱ）、低温热水+冷凝器出口制冷剂再冷联合除霜模式（D-Ⅲ）、热气旁通除霜模式（D-Ⅳ）和低温热水+热气旁通联合除霜模式（D-Ⅴ）。不同运行模式下各阀门、水泵和风机的开关情况如表1。

表1 不同运行模式下各阀门、水泵和风机的开关情况Table 1 Switch state of every valve, pump and fan at different modes

1.3 AWDSHPS-N实验台部件规格

复合蒸发器相关结构参数：复合蒸发段共 3排管，内管外径9.52 mm，底壁厚0.4 mm，齿高0.25 mm；外管外径15.7 mm，壁厚0.5 mm；空气侧换热面积为14.15 m2。除霜段共1排管，管外径15.7 mm，壁厚0.5 mm。铝翅片总规格为165 mm×457 mm，翅片间距为2.6 mm。管材为紫铜，按等边三角形排列，管间距为38 mm，单排管长为6.14 m。

压缩机为 1匹的涡旋压缩机，型号为MLZ015T5LP9；设有两个膨胀阀（型号均为Danfoss TEN2）；高温水箱容积为 80 L；低温水箱容积为60 L，配置两个加热棒，功率分别为2 kW和3 kW，可根据设定低温水箱水温控制加热设备启停；低温水泵（pump 2）型号为Wilo-Star-RS，额定功率为45 W；冷凝器为套管式换热器，额定换热能力为3.5 kW；风机额定功率65 W，额定风量1500 m3·h-1。为解决低温环境条件下复合蒸发器的水路及相应管路中的防冻问题，低温水箱中采用了浓度为35%的乙二醇溶液。

1.4 AWDSHPS-N运行性能实验

1.4.1 实验测试参数与测试仪表 实验测试参数主要包括环境仓内温度和湿度、高温水箱和低温水箱的水温、冷凝器水流量、蒸发器水流量、蒸发器与冷凝器进出口水温和制冷剂温度、蒸发器进出口空气温度和湿度（环境温度和湿度），压缩机和膨胀阀进出口的压力与温度。其中温度传感器为四线制PT100（精度±0.2℃），压力传感器型号为HX-800（精度0.2%），水流量采用型号为LWGY-15的涡轮流量计（0.5级），通过Agilent 34970A数据采集系统将这4种传感器信号传送并记录于计算机中，每10 s记录一组数据；压缩机、冷凝器侧水泵、蒸发器侧水泵、蒸发器风机等部件的耗电量测试装置采用Fluke 1730三相电能记录仪，功率和耗电量为每1 min记录一组数据。

1.4.2 实验数据处理方法 根据测得的温度、湿度、流量、耗电功率等参数，计算得到AWDSHPS-N制热量、机组的耗电量和COP等主要参数，如下

2 实验结果与分析

2.1 AWDSHPS-N的系统性能

2.1.1 测试工况 将环境仓（环境）的相对湿度（φam）设定为 60%，环境仓温度（Tam）范围设定为-5～30℃，进行 ASHM、WSHM 和 AWSHM 3种制热模式系统性能实验测试，测试工况详见表2。各工况测试过程中复合蒸发器表面未发现结霜现象，因此未考虑除霜对热泵系统性能的影响，同时未考虑制热运行V-3关闭时除霜管路中制冷剂的积存对系统性的影响。

2.1.2 实验结果 ASHM、WSHM、AWSHM 3种制热模式下得到的各工况系统COP如图3所示。AWSHM系统COP始终高于ASHM，比ASHM提高了6.1%～20.5%；若蒸发器进水温度（Tw,ev-in）与进风温度（Tair,ev-in）保持一致，则温度越低，AWSHM下COP较ASHM的优势越小；实际应用中须保证蒸发器水侧及管路不结冻，蒸发器进水温度有下限要求，若低温环境下蒸发器进水温度保持在最低要求（如 5℃）的条件下，环境温度越低，AWSHM下COP的优势越明显；当环境温度和低温水源温度均高于 15℃时，3种制热模式 COP高低顺序为AWSHM、ASHM和WSHM。测试工况下，AWSHM和ASHM的COP最高值分别可达到4.37和4.12。

表2 AWDSHPS-N系统性能实验测试工况Table 2 Test conditions of AWDSHPS-N COP

图3 3种运行模式下系统性能实验结果Fig.3 COP test results of AWSHM，ASHM and WSHM

2.1.3 实验现象 图4为AWSHM在工况4下冷凝器进出口水温（Tw,con-in和Tw,con-out）、压缩机进出口R134a温度（TR134a,com-in和TR134a,com-out）、压缩机耗电功率（Qcom）、复合蒸发器进出口水温（Tw,ev-in和Tw,ev-out）和复合蒸发器进出口空气温度（Tair,ev-in和Tair,ev-out）等随实验时间的变化规律。运行工况稳定后，由于复合蒸发器进口水温和进风温度实验过程中保持稳定，蒸发器出口水温和空气温度也稳定在一定范围内，复合蒸发器同时从水侧和空气侧吸收热量；随冷凝温度的提升，压缩机出口R134a温度升高，压缩机耗电功率增加。

图4 AWSHM水温、制冷剂温度和压缩机耗电功率的变化规律（工况4）Fig.4 Tw, TR134a and Qcom change conditions of AWSHM at Case 4

图5 AWSHM下高温水箱水温、系统制热量、压缩机耗电功率计进出口压力变化规律（工况1、3、5、7）Fig.5 Tw1, QAW, Qcom and Pcom change conditions of AWSHM(Cases 1,3,5,7)

图5为AWSHM在工况1、工况3、工况5、工况7实验中相关参数的变化规律，运行稳定后，不同工况主要参数的变化规律类似。随着高温水箱水温的升高，压缩机排气压力和温度逐步上升，而系统制热能力呈缓慢下降趋势，且随运行环境条件的改善，下降趋势更明显[图5（a）]。同一实验工况下，压缩机吸气压力保持稳定，随着排气压力不断增大，冷凝温度不断提升，导致压缩机的工作状态恶化，耗电功率不断增加，工况结束时压缩机耗电功率约为起初的 1.7倍[图5（b）]。同冷凝条件下，热泵系统制热能力，压缩机的耗电功率、吸气和排气压力，随着环境条件的改善而提高，如工况7的平均输出热量功率为工况3的2.41倍。

2.2 AWDSHPS-N除霜实验

AWDSHPS-N制热运行中，图2中阀门V-1长期处于压缩机出口高温高压气态制冷剂中，且除霜时高温高压气态制冷剂流经V-1时因局部阻力会释放大量潜热，致使阀门内的密封胶垫易老化或硬化损坏，实验中更换该阀门3次，均因胶圈垫老化导致阀门 V-1无法开启无法实现热气旁通除霜的目的。因此，AWDSHPS-N除霜模式可采用冷凝器出口制冷剂再冷除霜、低温热水除霜、低温热水+冷凝器出口制冷剂再冷联合除霜3种模式。

2.2.1 除霜实验工况 同环境条件下，冷凝温度越低，热泵制热功率越高，蒸发器需吸收热量越多，使得其表面越易结霜，除霜难度越大。因此进行AWDSHPS-N除霜实验验证时，将环境仓内温度控制在-5～5℃范围内，相对湿度控制在 90%左右；首先进行冷凝器进水温度为35℃时除霜分析，模拟AWDSHPS-N与地板辐射采暖等低温末端联合应用于建筑供暖中的运行工况，并进行冷凝器进水温度为25℃时除霜效果校核验证。

2.2.2 除霜实验现象 冷凝器进水温度为35℃时，ASHM在低温高湿环境下运行，复合蒸发器进出口空气温度、系统制热功率及压缩机功耗变化如图6所示，图中结霜过程中蒸发器进出口空气温度多次小幅度突变是因定时开门进入环境仓内观察实验现象造成的。除霜过程分析如下。

图6 ASHM结霜除霜实验变化规律（Tw,con-in=35℃）Fig.6 Variation of ASHM frosting and defrosting(Tw,con-in=35℃)

（1）第1次除霜。ASHM在Tair,ev-in=-3.6℃、φair,ev-in=91.1%的环境条件下运行60 min后采用低温热水+冷凝器出口制冷剂再冷除霜模式（D-Ⅲ，除霜过程中蒸发器平均进水温度Tw,ev-in=5℃），可在5 min内完成除霜，热泵系统制热功率由除霜前的1829.5 W降低为143 W（除霜过程中均值，下文同），压缩机耗电功率由831.1 W降低为660 W，除霜3 min后 Tair,ev-out由-4.4℃升至 1.4℃；复合蒸发器出口侧霜层融化过程见图7。同时发现此条件下只采用冷凝器出口制冷剂再冷除霜模式无法达到除霜目的，采用 5℃低温热水除霜模式需要较长的除霜时间。

图7 低温热水+冷凝器出口制冷剂再冷除霜模式除霜过程Fig.7 Defrosting process of low temperature hot water + condenser outlet refrigerant recooling defrosting

（2）第 2次除霜。ASHM 在 Tair,ev-in=1.8℃、φair,ev-in=84%的环境条件下运行 90 min后采用冷凝器出口制冷剂再冷除霜模式（D-Ⅰ）可在5 min内完成除霜，热泵系统制热功率由除霜前的2251.7 W降低为204.7 W，压缩机耗电功率由849.4 W降低至642.3 W；除霜1 min后Tair,ev-out由-1.5℃升至0.3℃，除霜完成时为2.5℃。

（3）第3次除霜。采用低温热水除霜模式（D-Ⅱ，Tw,ev-in=22.5℃），除霜实验前 ASHM 在Tair,ev-in=-1.8℃、φair,ev-in=89.4%环境条件下运行，除霜3 min后Tair,ev-out由-2.3℃升至0.9℃，5 min内亦可完成除霜；此除霜模式相当于复合热泵系统由ASHM转变为除霜过程中的AWSHM，且蒸发器进水温度较高，极大改善了蒸发器的运行条件，除霜的同时还可提高热泵系统制热功率和COP，压缩机功耗也由除霜前的876.9 W增加至932.4 W。

（4）由3次除霜过程分析可归纳出除霜终止的判定条件为蒸发器出口空气温度升至 0℃后继续除霜至少2 min，建议除霜时长为5 min。

（5）对冷凝器进口水温为25℃时进行除霜的实验校核，ASHM下启动D-Ⅲ除霜模式（Tw,ev-in=7.7℃）2 min后Tair,ev-out由-1.1℃升至1.3℃；启动D-Ⅰ除霜模式2 min后Tair,ev-out由-1.6℃升至0.7℃；启动D-Ⅱ除霜模式（Tw,ev-in=24℃）2 min后Tair,ev-out由-1.9℃升至0.2℃；3次除霜均在5 min完成。

3 结 论

本文提出了一种具备预热除霜功能的新型复合蒸发器及新型空气-水双热源复合热泵系统，对其系统性能及除霜进行了实验研究，得出如下结论。

（1）通过在复合蒸发器空气进口侧增设除霜制冷剂管排，可实现冷凝器出口制冷剂再冷除霜、低温热水除霜和低温热水+冷凝器出口制冷剂再冷除霜等除霜模式，且除霜过程中可保证复合热泵系统制热的连续性。

（2）AWDSHPS-N的AWSHM运行时系统COP比ASHM提高了6.1%～20.5%；系统制热能力除受机组自身配置影响外，主要的影响因素为环境温度、冷凝温度及运行模式；实际应用中应对不同制热模式制定合理的运行控制策略。

（3）AWDSHPS-N除霜时长可取5 min，除霜终止的判定条件为蒸发器出口空气温度升至 0℃以上后继续除霜至少2 min；采用低温热水+冷凝器出口制冷剂再冷除霜模式对低温水源的温度要求比单低温热水除霜模式低。

符 号 说 明

G——水质量流量，kg·s-1

M——水箱中的水量，kg

P——制冷剂压力，MPa

Q——热泵系统制热功率，kW

q——热泵系统制热量，kJ

T——温度，℃

φ——相对湿度，%

下角标

A ——单空气源制热模式

AW——空气-水双热源制热模式

air——空气

am——环境或恒温恒湿环境仓内

com——压缩机

con——冷凝器

ev——蒸发器

in——入口

out——出口

R134a——制冷剂R134a

W——单水源制热模式

w——水

1,2——分别为高温水箱1和低温水箱2

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date:2017-01-10.

Prof. WANG Jieteng, wangjieteng@sina.com

supported by the National Key Technology Support Program(2012BAA13B02).

System performance and defrosting test of new air-water double source composite heat pump system

XU Junfang1,2, ZHAO Yaohua1, WANG Jieteng2, ZHAO Huigang2, LIANG Yuanyuan2
(1College of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing100022,China;2Beijing Science and Technology Institute of Housing and Urban-Rural Development,Beijing100021,China)

In order to improve many disadvantages that the heat pump system has when it uses the reverse-cycle defrosting method in the low temperature environment, a new air-water double source composite heat pump system (AWDSHPS-N) was presented. This system has a new preheating and defrosting function. AWDSHPS-N has defrosted for 5 min and has 5 different defrosting ways, such as the condenser outlet refrigerant recooling defrosting, the low temperature-hot water defrosting, and so on. It can be put into different modes by changing some relevant valves or starting and stopping the pump of the low temperature water. In this way, the heat output power of AWDSHPS-N may be reduced dramatically, but the system can produce heating continuously. A test-bed including constant temperature and humidity environment storehouse and a low temperature water tank were set up to get operating data for coefficient of performance (COP) of AWDSHPS-N. The environment storehouse imitates the change in outdoor environment by keeping the temperature and the humidity at a certain level constantly, and the low temperature water tank with two electric heating bars can be thought as a low temperature heating source of a solar energy system or a waste heat system. By heating the water from 18℃ to 51℃, the COP of AWDSHPS-N was tested and analyzed in air source heating mode (ASHM), water source heating mode(ASHM), water source heating mode (WSHM) and air-water double source heating mode (AWSHM), respectively.By calculating, the COP of AWSHM is 6.1%—20.5% higher than ASHM. When the ambient temperature and the low temperature water are both above 15℃, the COP of AWSHM is the best one, and the COP of WSHM is the last one among these three heating modes.

heat pump; double-heat sources; renewable energy; system performance; optimal design; defrosting;experimental validation

TK 519

A

0438—1157（2017）11—4301—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20170041

2017-01-10收到初稿，2017-03-31收到修改稿。

联系人：王皆腾。

徐俊芳（1982—），男，博士研究生。

国家科技支撑计划项目（2012BAA13B02）。