贵阳地区空气源热泵结霜/除霜周期特性实验研究

陈京瑞，田茂军，苏 鹰，郭 锐

(1.贵州省建筑设计研究院有限责任公司，贵阳 550081； 2.贵州燃气热力设计有限责任公司，贵阳 550001)

空气源热泵供暖采用对流换热方式，气流均匀受热，人体舒适感较强，因此得到了广泛的应用。但其在低温、高湿地区冬季供热运行时，室外蒸发器表面结霜将导致机组的制热能力减弱，系统制热效率降低。针对此问题，学者进行了较多研究。郭宪民等[1]研究了室外环境参数对空气源热泵室外蒸发器动态结霜特性的影响。范晨等[2]建立了空气源热泵系统的结霜动态模型与显热除霜模型，得出结霜与除霜过程中空气源热泵系统各特性参数的变化规律。陈轶光[3]对空气源热泵结霜、除霜的特性进行了数值模拟与实验研究，探讨了室外蒸发器表面结霜对热泵系统性能及除霜过程的影响。王伟等[4]研究表明，贵阳是空气源热泵应用的重霜区，该地区空气源热泵供热运行时结霜情况严重，除霜时间长。杨雅鑫等[5]对贵阳地区空气源热泵的结霜规律进行了总结。空气源热泵在贵阳地区应用比较广泛，但结霜问题一直以来未得到有效解决，故而搭建了空气源热泵结霜、除霜实验平台，对空气源热泵整个结霜、除霜周期机组的特性进行测试，并得到了系统的各特性参数变化规律，为后续空气源热泵除霜方法的优化研究打下了基础。

1 实验平台及机组介绍

实验样机由一台家用分体式空调器改装而成，制冷剂为R410A，额定制热量为700～3 600 W，除霜开始与结束采用机组自带的控制策略，实验在人工环境实验室内进行。实验开始前，先调节人工环境室(小室)温度至所需工况并开启冷风机组，同时开启加湿器对小室空气进行加湿。实验测试时，人工环境室(小室)的温度设置为-2℃～-1℃，相对湿度85%。实验系统原理图及测点分布如图1所示。

图1 实验平台及机组测点分布Fig.1 Distribution of measuring points of experimental platform and unit

2 结果与讨论

图2给出了机组运行过程中室外蒸发器表面温度的变化情况。供热运行后，随着制冷剂在室外换热器内蒸发吸热，翅片管表面温度逐渐下降，随着霜层的增厚，空气与翅片管间的换热受到阻碍，换热效果变差，翅片管内制冷剂的蒸发量变少，蒸发温度也下降。由图2可知，在结霜过程中，室外蒸发器表面的温度由1.4℃逐渐降至-8.9℃，降低了10.3℃。运行至31 min时，机组启动除霜，系统内制冷剂逆向流动，该测点温度开始急剧上升，最高温度达到35.2℃，除霜完成后，系统恢复制热模式，因此该点温度开始逐渐下降，恢复供热110 s后，蒸发器表面温度达到0℃以下，即开始下一次结霜过程，可见逆循环除霜过后，机组会快速地再次结霜，这将使机组需要频繁地启动除霜，引起室内热舒适性变差。

图2 室外蒸发器表面温度变化情况Fig.2 Surface temperature change of outdoor evaporator

图3为运行过程中压缩机吸气温度的变化情况。机组开始运行后，压缩机吸气温度开始逐渐下降，运行至8 min时，吸气温度降至-5℃，此时室外蒸发器表面霜层覆盖较少，因此压缩机吸气温度并未进一步下降，当运行至17 min时，吸气温度开始继续下降，这是由于室外蒸发器表面霜层逐渐增厚，导致换热量不足，从而引起压缩机吸气温度的降低。运行至31 min时，吸气温度下降至-7.4℃，降幅达到17.3℃，此时系统开始启动除霜，机组由供热模式转换为除霜模式，四通换向阀换向运行，未进入室内换热器的高温高压气态制冷剂会逆向进入压缩机，导致压缩机吸气温度迅速上升，当状态转变完成，除霜模式稳定后，压缩机吸气温度又逐渐下降。

图3 压缩机吸气温度变化情况Fig.3 Change of suction temperature of compressor

图4显示了机组运行时机组吸气压力的变化情况。由图4可见，机组启动制热后，压缩机会瞬间抽吸，因此吸气压力迅速下降，之后便开始逐渐上升，经过约8 min后，吸气压力达到稳定状态，吸气压力值为0.493 MPa，随着霜层的增厚，吸气压力开始下降，运行至31 min时，系统压力降至0.401 MPa，降幅为18.6%，此时机组开始启动除霜，除霜过程持续进行3 min后，除霜结束，系统恢复制热，此时吸气压力又开始急剧下降。

图4 压缩机吸气压力变化情况Fig.4 Change of suction pressure of compressor

图5给出了运行过程机组制热量变化情况，可以看出，供热初期，机组制热量在逐渐增大，运行16 min后，机组制热量达到最大值2 416 W，运行至31 min时，由于机组表面霜层覆盖较多，系统自动启动除霜，此时系统制热量降低至1 811 W，降幅为25%。整个除霜过程持续3 min，此时机组不仅无制热量，还会向室内取热，导致室内温度下降，除霜完成后，系统重新启动制热。

图5 系统供热量变化情况Fig.5 Change of system heating capacity

图6显示了机组运行过程COP随时间的变化情况。机组运行过程中，系统COP在前14 min内持续上升，最大值达到1.91，继续运行15 min后，COP开始逐渐下降，这是由于霜层逐渐增厚，制热量减小，导致COP减小，下降至1.54时，降幅达到19.3%，此时机组开始启动除霜。

图6 系统供热量变化情况Fig.6 Change of system heating capacity

3 结论

构建了贵阳地区空气源热泵结霜、除霜实验平台并进行了实验研究，得出以下结论：机组开始运行后，随着霜层的增厚，蒸发器翅片管表面温度会逐渐下降。结霜过程中，室外蒸发器表面的温度由1.4℃逐渐降至-8.9℃，压缩机吸气温度降低了17.3℃，吸气压力降低了18.6%。运行到启动除霜时，系统制热量与COP降幅分别为25%、19.3%。启动除霜后，机组不仅无制热量，还会向室内取热，导致室内温度下降。除霜完成后，蒸发器表面温度会迅速下降至0℃以下，机组将快速地再次结霜，这将使机组频繁地启动除霜，引起室内热舒适性变差。