(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海200093)

熱泵是一種消耗部分高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能環(huán)保的供暖供冷裝置[1-2]。但空氣源熱泵在環(huán)境溫度較低且相對(duì)濕度較大的冬季運(yùn)行時(shí)，制熱效果并不理想[3-6]，針對(duì)空氣源熱泵在低溫高濕環(huán)境中使用的弊端，可以采用復(fù)疊式空氣源熱泵[7-8]。與常規(guī)空氣源熱泵相同，復(fù)疊式空氣源熱泵運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)室外機(jī)表面溫度低于空氣露點(diǎn)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象[9-10]。一般復(fù)疊式空氣源熱泵采用低溫級(jí)旁通除霜的方法，但當(dāng)室外溫度低于某值(臨界點(diǎn)為-12～-9 ℃)時(shí)，熱氣旁通除霜法無(wú)法除盡蒸發(fā)器上的霜層[11-12]。鑒于以上問(wèn)題，曲明璐等[13]提出了蓄能除霜的方法，以水作為蓄熱材料，研究表明，復(fù)疊式空氣源熱泵采用蓄能除霜相較于熱氣旁通除霜，除霜時(shí)間減少71.4%～77.6%，除霜能耗降低65.1%～85.2%。Dong Jiankai等[14]搭建了空氣源熱泵逆循環(huán)除霜實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究表明，除霜所消耗的總能量有78.1%來(lái)自室內(nèi)，其中59.4%用于融霜。Song Mengjie等[15]研究了空氣源熱泵除霜過(guò)程中的能量傳遞，結(jié)果表明，室內(nèi)供熱總能量的80%用于除霜，超過(guò)40%的能量用于與室外空氣換熱。

盡管關(guān)于空氣源熱泵蓄能除霜的研究很多，但關(guān)于復(fù)疊式空氣源熱泵蓄能除霜能耗的研究較少。本文將研究在室外溫度為-9 ℃，相對(duì)濕度為85%，結(jié)霜量為1.5 kg的工況下，復(fù)疊式空氣源熱泵在相變蓄能除霜過(guò)程中，除霜能量的來(lái)源和能耗的分配。

1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)工作原理

圖1所示為復(fù)疊式空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)原理，系統(tǒng)主要由高、低溫級(jí)循環(huán)及蓄熱器3部分組成。高、低溫級(jí)循環(huán)對(duì)應(yīng)的工質(zhì)分別為R134a和R410A。 本實(shí)驗(yàn)中該系統(tǒng)主要運(yùn)行3種模式：常規(guī)制熱模式、蓄熱制熱模式和蓄能除霜模式。系統(tǒng)詳細(xì)介紹見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。

1低溫級(jí)壓縮機(jī)；2四通換向閥；3蓄熱器；4蒸發(fā)冷凝器；x5單向閥；6低溫級(jí)儲(chǔ)液器；7低溫級(jí)視液鏡；8低溫級(jí)干燥過(guò)濾器；9低溫級(jí)電子膨脹閥；10室外機(jī)；11低溫級(jí)氣液分離器；12高溫級(jí)壓縮機(jī)；13 室內(nèi)機(jī)；14高溫級(jí)儲(chǔ)液器；15高溫級(jí)視液鏡；16 高溫級(jí)干燥過(guò)濾器；17高溫級(jí)電子膨脹閥；18高溫級(jí)氣液分離器；F1、F3、F5、F9球閥；F2、F4、F6、F7、F8、F10電磁閥。圖1 蓄能復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)原理Fig.1 The principle of the energy storage based cascade air source heat pump(CASHP) system

該系統(tǒng)在常規(guī)復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)中增加一個(gè)相變蓄熱器。在室內(nèi)環(huán)境滿足要求的前提下，將復(fù)疊式空氣源熱泵制熱運(yùn)行時(shí)低溫級(jí)的部分余熱儲(chǔ)存在蓄熱器內(nèi)，在蓄能除霜時(shí)，蓄熱器作為低溫級(jí)的蒸發(fā)器，該熱量一部分用于低溫級(jí)除霜，另一部分用于高溫級(jí)供熱。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)制熱量為8.5 kW。

1.2 蓄熱器的設(shè)計(jì)

1.2.1 相變材料的選擇

綜合考慮高低溫級(jí)運(yùn)行時(shí)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度以及相變溫度、相變潛熱等指標(biāo)，選擇 RT10為蓄熱材料。利用差示掃描量熱儀對(duì)其進(jìn)行相變溫度和潛熱值的測(cè)定，RT10的主要特性參數(shù)如表1所示。

為滿足室內(nèi)側(cè)供熱和室外側(cè)除霜的需要，根據(jù)文獻(xiàn)[14，17]估算出蓄熱器需提供的熱量為3 370 kJ，得出相變材料需16.7 kg，蓄熱器容積為21.69 L。

表1 RT10熱物理特性Tab.1 Thermophysical properties of RT10

1.2.2 蓄熱器結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)中蓄熱器由翅片管式換熱器內(nèi)芯和外殼體組成，如圖2所示。換熱器內(nèi)芯由高溫級(jí)和低溫級(jí)兩套盤(pán)管構(gòu)成,為使熱量分配均勻，高低溫級(jí)盤(pán)管分排交錯(cuò)排列。換熱器內(nèi)芯固定在外殼體內(nèi)，外殼體和換熱器間充滿相變材料。在蓄熱器內(nèi)布置了溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)量高低溫級(jí)管路和相變材料的溫度變化。

1高溫級(jí)制冷劑進(jìn)口；2高溫級(jí)制冷劑出口；3低溫級(jí)制冷劑進(jìn)口；4低溫級(jí)制冷劑出口。圖2 蓄熱器內(nèi)換熱器結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of heat exchanger in thermal accumulator

2 相變蓄能除霜實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)介紹

實(shí)驗(yàn)在上海理工大學(xué)環(huán)建樓焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室主要由室內(nèi)側(cè)、室外側(cè)和量熱室組成，被測(cè)低溫級(jí)室外機(jī)組安裝在焓差環(huán)境實(shí)驗(yàn)室外側(cè)，被測(cè)高溫級(jí)室內(nèi)機(jī)組安裝在焓差環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)側(cè)。

融霜水通過(guò)安置在室外機(jī)底部的集水盤(pán)收集到稱量容器中，用精度為1 g的科學(xué)電子秤稱量質(zhì)量；室外機(jī)進(jìn)、出口風(fēng)速和相對(duì)濕度均通過(guò)風(fēng)速風(fēng)溫風(fēng)濕變送器采集，該變送器風(fēng)速測(cè)量精度為5%±0.05 m/s，相對(duì)濕度測(cè)量精度為±3%；室外機(jī)換熱銅管的壁面溫度通過(guò)精度為±0.1 ℃的T型銅-康銅熱電偶測(cè)量，熱電偶布置在每個(gè)環(huán)路的始末位置處，取銅管始末位置壁面溫度的平均值作為該環(huán)路銅管壁面的平均溫度；高低溫級(jí)吸排氣壓力均采用精度為0.1 F.S的壓力傳感器測(cè)量；高低溫級(jí)制冷劑流量采用精度為1.6%變送器測(cè)量。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，室內(nèi)側(cè)模擬工況：干球溫度為(22 ±0.1)℃，相對(duì)濕度為50%±3%；室外側(cè)模擬工況：干球溫度為(-9±0.1)℃，相對(duì)濕度為85%±3%，結(jié)霜量控制為1.5 kg。實(shí)驗(yàn)可分為結(jié)霜期和除霜期兩部分。設(shè)定蓄熱結(jié)束的判斷條件為：蓄熱器低溫級(jí)進(jìn)出口溫差維持在1 ℃以內(nèi)且蓄熱器內(nèi)各溫度測(cè)點(diǎn)基本一致。設(shè)定除霜條件為：當(dāng)累積結(jié)霜量達(dá)到設(shè)定工況結(jié)霜量時(shí)開(kāi)始除霜。設(shè)定除霜結(jié)束的判斷條件為：換熱器最底層環(huán)路的出口溫度達(dá)到25 ℃且觀察到室外機(jī)表面上幾乎沒(méi)有滯留的融霜水。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.3.1 除霜能量分配計(jì)算

室外機(jī)除霜過(guò)程中，消耗的總能量主要用于融化霜層、蒸發(fā)壁面滯留水、加熱室外換熱器盤(pán)管、與室外空氣的熱交換及加熱融化水。

1) 融化霜層的熱量Qm：

Qm=mLsf

(1)

其中：

(2)

(3)

式中：m為室外機(jī)累積總結(jié)霜量，kg；Lsf為霜的融化潛熱，334 kJ/kg；ΔM為室外機(jī)換熱器結(jié)霜量，kg；Δt為結(jié)霜總時(shí)間，s；Δτ為結(jié)霜單位間隔時(shí)間，Δτ=5 s；din和dout為低溫級(jí)蒸發(fā)器進(jìn)、出口空氣含濕量，g/(kg干空氣)。

2) 蒸發(fā)壁面滯留水的熱量Qv：

Qv=mvLv

(4)

其中：

mv=m-mf

(5)

式中：mf為集水盤(pán)中收集到的化霜水質(zhì)量，kg；mv為室外機(jī)壁面滯留水的質(zhì)量，kg；Lv為水的汽化潛熱，2 443 kJ/kg。

3) 加熱室外換熱器盤(pán)管的熱量QMe：

QMe=cpMe(mCu+mAl)ΔTMe

(6)

其中：

(7)

式中：ΔTMe為除霜始末四路盤(pán)管的平均溫度變化，℃；mCu為室外機(jī)銅管總質(zhì)量，kg；mAl為室外機(jī)鋁翅片總質(zhì)量，kg；cpAl和cpCu分別為鋁翅片和鋼管的比熱，kJ/(kg·K);cpMe為銅管和鋁翅片的平均比熱, kJ/(kg·K)。

4) 與室外空氣熱交換所散失的熱量Qa：

Qa=cpaρa(bǔ)Va(tout-tin)

(8)

式中：cpa為空氣的定壓比熱，kJ/(kg·K)；tin和tout分別為室外機(jī)進(jìn)、出口空氣溫度，℃；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；Va為熱壓下空氣體積流量，m3/s。

5) 加熱融化水的熱量Qr：

Qr=Q-Qm-Qv-QMe-Qa

(9)

其中：

(10)

式中：Q為除霜總熱量，kJ；q為制冷劑流量，kg/s；hin和hout分別為室外機(jī)進(jìn)、出口制冷劑焓值，kJ/kg；t0為除霜總時(shí)間，s。

2.3.2 除霜能量來(lái)源計(jì)算

1) 蓄熱器向低溫級(jí)的釋熱量Ql:

(11)

式中：ql為低溫級(jí)制冷劑的質(zhì)量流量，kg/s；hlin和hlout分別為蓄熱器低溫級(jí)管路進(jìn)口制冷劑焓值，kJ/kg。

2) 低溫級(jí)壓縮機(jī)提供的熱量Wcom：

Wcom=Pη

(12)

式中：P為壓縮機(jī)功耗，kW,通過(guò)焓差室控制柜的功率表采集得到;η為壓縮機(jī)電效率，0.6。

3) 除霜前儲(chǔ)存在系統(tǒng)和管路上的熱量Qstore：

Qstore=Q-QL-Wcom

(13)

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 除霜過(guò)程熱量分配分析

經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，得到除霜過(guò)程中熱量分配的結(jié)果，如表2所示:結(jié)霜量為1.527 kg，融霜水和壁面滯留水質(zhì)量分別占結(jié)霜量的87.0%和13.0%?？芍?，霜層最后均融化成水隨著室外機(jī)環(huán)路流下，少量融霜水滯留在環(huán)路表面。

圖3所示為除霜各部分能量分配的占比。由圖3可知在總能耗分配中，用于與室外空氣熱交換和加熱室外換熱器盤(pán)管的能耗較高。主要因本實(shí)驗(yàn)室外機(jī)由多環(huán)路換熱器構(gòu)成，換熱器盤(pán)管與室外空氣的總傳熱面積較大，除霜過(guò)程中散失到室外空氣中和加熱換熱器管路的熱量較多。另一方面，融霜水從上層環(huán)路流下時(shí)會(huì)帶走一定熱量，同時(shí)下層環(huán)路因增加了上層環(huán)路流下的融霜水熱負(fù)荷，使除霜能耗增加。為了降低除霜能耗，可盡快排盡室外換熱器壁面融化水，如改變室外機(jī)換熱器面結(jié)構(gòu)及在各層環(huán)路下放置融霜水盤(pán)等。

表2 除霜過(guò)程熱量分配Tab.2 Heat distribution in defrosting process

圖3 除霜各部分能量分配的占比Fig.3 The proportion of energy distribution in each part of defrosting

2.4.2 除霜過(guò)程熱量來(lái)源分析

除霜過(guò)程中的熱量來(lái)源如表3所示。除霜結(jié)束時(shí)，各部分熱量占比分別為45.2%、30.4%、24.4%。

圖4所示為除霜過(guò)程單位時(shí)間內(nèi)熱量來(lái)源變化。由圖4可知，除霜啟動(dòng)階段，壓縮機(jī)功耗迅速升高，但制冷劑流量較小，故此階段蓄熱器低溫級(jí)釋熱量及壓縮機(jī)做功提供的熱量均較小。除霜總能量主要隨制冷劑流量的增加而增加，蓄熱器低溫級(jí)釋熱量也增加，隨后功耗穩(wěn)定在約1.64 kW。由于蓄熱器中的熱量同時(shí)用于高溫級(jí)供熱，因此蓄熱器提供的除霜熱量逐漸減小。之后因蓄熱器內(nèi)的相變材料大部分相變成為固態(tài)，其傳熱系數(shù)遠(yuǎn)低于液態(tài)時(shí)，故300 s后蓄熱器提供的除霜熱量處于較低水平。通過(guò)以上分析可知，除霜總熱量主要由蓄熱器低溫級(jí)釋熱量提供。

表3 除霜過(guò)程中的熱量來(lái)源Fig.3 Heat source of defrosting process

圖4 除霜過(guò)程單位時(shí)間內(nèi)熱量來(lái)源變化Fig.4 Change of heat source per unit time during defrosting process

3 結(jié)論

本文針對(duì)復(fù)疊式空氣源熱泵相變蓄能除霜過(guò)程中的能量來(lái)源和能耗分配進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在室外側(cè)溫濕度分別為-9 ℃和85%，結(jié)霜量為1.5 kg的工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析與討論，得到如下結(jié)論：

1) 在除霜總能耗分配中，用于與室外空氣熱交換和加熱室外換熱器盤(pán)管的能耗較大，占比分別為38.0%和23.4%，可采取優(yōu)化室外機(jī)結(jié)構(gòu)、減小室外換熱器體積及使融化水盡快從室外換熱器壁面排走等措施來(lái)提高除霜效率。

2) 在除霜過(guò)程中，除霜能量主要來(lái)自蓄熱器向低溫級(jí)釋放的熱量、除霜前儲(chǔ)存在系統(tǒng)中的熱量及低溫級(jí)壓縮機(jī)做功所提供的熱量，各部分占比分別為45.2%、30.4%、24.4%。

本研究可用于指導(dǎo)減少除霜時(shí)間，提高除霜效率的方法，同時(shí)也為相變蓄能除霜中蓄熱器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

本文受上海市青年科技英才楊帆計(jì)劃(14YF1410000)和浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(2016001BB)資助。(The project was supported by Shanghai Sailing Program of Shanghai Committee of Science and Technology(No.14YF1410000) and the Funded Projects of Refrigeration and Cryogenic Technology Key Laboratory in Zhejiang Province(No.2016001BB).)