具有相变蓄热模块的新型多联式空气源热泵空调器系统除霜特性的实验研究

侯泽飞 李廷勋

（1.广东美的制冷设备有限公司 佛山 528311； 2.中山大学 广州 510725）

引言

能源是世界经济发展的引擎。因此，调整能源发展结构，开展创新性能源科学技术研究变得尤为迫切[1～2]。空气源热泵是一种新型环保节能技术，热泵技术通过消耗少量的电能，将热量从低温室外空气中转移到室内房间，达到节能减排的效果[3～5]。因此，热泵技术在解决能源问题和环境污染问题上显示出日益重要的作用[5]。然而，空气源热泵的使用容易受到室外环境温度的限制，随着环境温度的降低，室外机蒸发压力下降，压缩机吸气量进一步降低，压缩比增大，严重削弱了热泵空调器的制热能力与性能系数，影响了热泵空调器运行可靠性[6～7]。因此，研究新型空气源热泵除霜技术对提高空调器的制热能力和室内房间热舒适性具有重要意义。众多学者对逆循环除霜的优化改进进行了研究，Krakow等[8～9]对除霜过程中空气源热泵系统特性进行研究，分析了结霜除霜对系统性能的影响。

通过上述分析，逆循环除霜和热气旁通除霜均有优缺点，无法实现较好的除霜效果，针对已有除霜技术存在的缺陷（除霜时缺少低品位热源的本质问题没有解决），研究者开始探索采用蓄热方式的新型除霜技术。韩志涛等[12]进行了空气源热泵常规除霜与蓄能除霜特性试验研究，研究表明，相同条件下，蓄能除霜时间较短，只占常规除霜时间的2/3；胡文举等[13]针对空气源热泵蓄能除霜系统，设计了串联供热、非连通供热和连通供热3中供热模式，在3种供热模式下研究相变蓄热器对空气源热泵性能的影响。在以上研究的基础上，本文蓄热除霜技术进行了拓展研究，提出了一种具有相变蓄热技术的多联式热泵空调器系统，系统中采用蓄热器串联供热模式，并将其与逆循环除霜方式进行对比分析。在低温环境下，该系统可以实现持续供热，同时，系统的制热能力明显提高。

1 试验装置及试验条件介绍

1.1 采用相变蓄能技术的多联式热泵空调器工作原理

新型多联式空气源热泵相变蓄能除霜系统工作原理如图1所示。在制冷模式时，EEV4保持全开，蓄热器不工作。在制热模式时，EEV1～EEV4均保持一定开度，压缩机排出的高温高压气体分别进入不同室内机供热，从室内机出来的制冷剂一定节流效果后进入室外机吸收环境空气热量，从室外机吸热后的制冷剂通过储液筒在EEV4中节流后进入蓄热器再次吸热，吸热后的制冷剂回到压缩机，完成供热循环。当室外换热器需要除霜时，EEV1～EEV3保持开度最大值，EEV4保持一定开度，室内风机保持一定转速，室外风机停止，从压缩机出来的高温高压制冷剂先进入室内机，提供一定热量后进入室外机除霜，除霜后的制冷剂在EEV4节流后进入蓄热器吸热，吸热后回到压缩机，完成蓄热除霜过程。

从以上系统工作原理可看出，为满足室内热舒适性，维持室内房间温度恒定，同时又能快速有效的除霜，需要优化提升蓄热器的蓄热能力。综上所述，相变蓄能器是系统的核心部件，同时，蓄热器内部的相变蓄能材料的特性决定了蓄热器的性能，因此，选择合适的蓄能材料对提高蓄热器的除霜性能具有重要意义。

1.2 蓄能装置设计与蓄能材料研制

1.2.1 蓄能材料研制

相变材料的热物性主要包括：相变潜热、相变温度、导热系数、比热、膨胀系数等。通过分析比较本文选择的相变材料为石蜡与膨胀石墨的混合物。考虑到批量加工时要保证蓄热材料的流动性，需要验证石墨与石蜡的最大比例。

试验条件：温度控制80 ℃，设备采用恒温水浴箱，材料采用石墨（300目）、石蜡，其他工具包括搅拌棒等。试验方法中，石蜡选用10 g，依次增加石墨质量0.1 g，判定标准为呈现水状态评分为10分，呈现固定评分为0，其他状态依次评分，拍照记录。从表1中可看出，在石墨质量百分比为20 %左右时，蓄热材料流动性依然处于较好的状态。

图1 具有相变蓄热模块的多联式热泵空调器系统图

1.2.2 蓄能装置设计

蓄热器作为蓄能除霜系统的核心部件，其主要作用是提供低品位热源，保证除霜过程中充足的热量供给。根据相关空气源热泵除霜能耗的研究文献可以发现，除霜过程中消耗的热量占总制热量的约10 %左右[17，18]。本试验中设计的多联式热泵机组的额定制热能力为7.6 kW，按照除霜周期为50 min计算，低温制热量衰减率取30 %，则最大除霜能耗Qdf计算如下：

以上计算为最大除霜能耗，考虑到正常除霜过程的能耗约为最大除霜能耗的70 %～80 %。另外，除霜过程的热量并不是完全由蓄热器提供，压缩机做功在除霜热量中占了很大比例，约为50 %～60 %[19]。因此，本系统中蓄热器蓄热能力设计时按照最大蓄热能力的50 %。石蜡材料的相变蓄热能力约为250 kJ/kg, 本装置中需要的石蜡质量为2.55 kg。

图2（a）和（b）分别为蓄能装置结构示意图与实物图。蓄热器外壳为弧形设计，与压缩机筒体充分固定贴合。外壳采用铸铝材料，换热盘管采用铜管。蓄热器内部填充石蜡与石墨混合后的相变蓄能材料，蓄热器外部采用保温棉包裹。

表2为蓄能装置的结构参数表。

1.3 试验装置

样机为一拖三热泵空调器系统，样机在焓差室内完成测试，焓差室测试将试验数据返回到采集仪，同时，系统耗电量数据在采集仪中记录。表3为室外机详细配置参数，表4为室内换热器和室外换热器结构参数。

试验测试在美的制冷设备有限公司3匹焓差3完成，测试工况包括额定制热工况、易结霜工况和低温工况，具体见表5。

2 系统测试结果及分析

图3为除霜过程中蓄热循环与常规循环室内机盘管温度变化曲线，从图3中可以看出，随着除霜过程的进行，常规除霜过程室内机盘管温度急剧下降，蓄热除霜过程盘管温度下降幅度明显小于常规循环，主要是由于除霜过程中，室内侧可通过蓄热器提供一部分热量来弥补除霜带来的热量损耗。当除霜结束后，常规循环方式需要更长的时间恢复盘管温度，制热舒适性较蓄热除霜差。

表1 石墨与石蜡最大比例验证表

图2 蓄热器结构图和实物图

表2 蓄能装置结构参数表

表3 室外机详细配置参数

表4 室内外换热器详细参数

表5 制热测试工况

图3 蓄热除霜与常规除霜过程室内盘管温度变化曲线

图4 系统在蓄热循环与常规循环中制热量变化

图4为室外2/1环境下常规循环与蓄热循环制热能力比较。从图中可以看出，蓄热循环制热量较常规循环提升了8.7 %。一方面是蓄热循环缩短了循环时间；另一方面是蓄热循环较常规循环吸热量增加，蓄热器提供了制热及除霜过程的辅助热量。

3 结论

本文中研制了相变蓄热材料，对相变蓄热材料性能进行了分析比较，搭建了具有相变蓄热功能的热泵多联式空调器，并进行了初步试验测试，具体结论如下：

1）相变蓄热材料研制中，在保证材料导热性和流动性基础上，石墨与石蜡质量配比存在最佳比例；

2）具有蓄热功能的热泵多联式空调器在除霜过程中室内机盘管温度明显高于常规循环，有效避免了常规逆循环除霜带来的房间温度和舒适性下降的问题；

3）具有蓄热功能的热泵空调器在辅助热量供应下，低温制热能力优于常规系统。