空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究

空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究

空氣源熱泵在我國(guó)的建筑節(jié)能工程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，其應(yīng)用得到了廣泛的普及。然而，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，運(yùn)行效果并不理想。主要原因是新裝置室外換熱器的結(jié)霜，這意味著裝置的運(yùn)行不穩(wěn)定，可靠性低。因此，定期霜凍是保證當(dāng)局在結(jié)霜凍條件下正常運(yùn)行的必要環(huán)節(jié)。目前，空氣源熱泵的除霜方法主要有兩種：逆循環(huán)法和氣位法。在國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究。在除霜過(guò)程中，本研究了空氣源熱泵系統(tǒng)的特性，分析了結(jié)霜除霜對(duì)水泵系統(tǒng)性能的影響。黃東等人在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了室外換熱器的耗霜物理過(guò)程，并建立了基于實(shí)驗(yàn)的空氣源熱泵室外換熱器的耗霜數(shù)學(xué)模型。然而，空氣源熱泵的除霜問(wèn)題尚未完全解決。主要原因是由于逆循環(huán)和加熱側(cè)的抗凍性除霜，為了避免除霜時(shí)從室內(nèi)機(jī)吹冷風(fēng)，室內(nèi)機(jī)的風(fēng)扇應(yīng)關(guān)閉。由于抗凍系統(tǒng)的抗凍性除了霜，管道的吸氣壓（甚至阻力保護(hù)）降低，吸聲比增加，系統(tǒng)中的綠茶循環(huán)質(zhì)量流量降低，除霜時(shí)間長(zhǎng)，由于嚴(yán)重結(jié)霜凍，應(yīng)停止抗霜。這種抗凍性除霜方法具有低能源消耗和系統(tǒng)穩(wěn)定性的缺點(diǎn)。我們應(yīng)該探索一種更好的抗凍性除霜方法。為了研究空氣源熱泵在除霜過(guò)程中的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和性能，總結(jié)其除霜規(guī)律，并將其與傳統(tǒng)除霜進(jìn)行比較。在這項(xiàng)工作中，我們展示了空氣源熱泵和傳統(tǒng)系統(tǒng)除霜的動(dòng)態(tài)特性。1相變蓄能除霜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)在傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)相變蓄熱器和若干個(gè)電磁閥,其系統(tǒng)原理如圖1所示.當(dāng)系統(tǒng)處于高效運(yùn)行狀態(tài)時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)閥門可實(shí)現(xiàn)蓄熱器蓄熱.當(dāng)系統(tǒng)需要除霜時(shí),關(guān)閉閥門2、3、5,保持閥門1與4打開,相變蓄熱器做除霜低位熱源.相變蓄能除霜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成:相變蓄能除霜系統(tǒng)測(cè)試樣機(jī)、室外環(huán)境模擬小室及溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).1.1不同蓄熱器結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)由一臺(tái)KFR-23GW/T型分體熱泵型空調(diào)器改造而成.該空調(diào)器額定制熱量為2500W,制冷量為2300W,額定功率860W,采用R22作為制冷劑,毛細(xì)管作為節(jié)流部件(長(zhǎng)度為450mm,管徑為Ф3.0×0.7mm).室外側(cè)換熱器為L(zhǎng)型換熱器,室內(nèi)換熱器由3個(gè)三折蒸發(fā)器組成,其結(jié)構(gòu)分別如圖2和3所示.表1給出了室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù).合理設(shè)計(jì)相變蓄熱器對(duì)蓄能除霜性能具有非常重要影響.為了使蓄熱器性能最優(yōu),主要從下文兩方面考慮.1.1.1蓄熱材料的篩選相變材料的相變溫度必須介于熱泵供熱或除霜時(shí)的冷凝溫度Tc與蒸發(fā)溫度Te之間,這樣才能滿足系統(tǒng)蓄熱和釋熱的要求.較大的相變潛熱.選擇潛熱值大的相變材料可以有效地減少蓄熱換熱器的體積.較高的導(dǎo)熱系數(shù).除霜過(guò)程較短,熱量必須在短時(shí)間內(nèi)取出,因此相變材料應(yīng)具有較高的導(dǎo)熱系數(shù).另外相變材料應(yīng)無(wú)毒,無(wú)腐蝕性等.經(jīng)過(guò)比對(duì)篩選,決定采用含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的SrCl2·6H2O和Ba(OH)2·6H2O作為添加劑的CaCl2·6H2O作為蓄熱材料(相變溫度為27.5℃,與添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)和純度有關(guān),相變潛熱為176kJ/kg,固液相密度分別為1800kg/m3和1560kg/m3).1.1.2相變蓄熱器設(shè)計(jì)為達(dá)到迅速吸放熱的目的,必須增大相變材料與制冷劑二者之間的換熱面積.為此,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出了雙螺旋盤管的套筒形蓄熱器.蓄熱器由內(nèi)外2個(gè)套筒組成,將2個(gè)不同直徑的螺旋盤管置于2個(gè)套筒之間,由此相變材料充注于雙螺旋盤管和內(nèi)外套筒四者之間構(gòu)成的3個(gè)夾層空間.蓄熱時(shí),高溫高壓的制冷劑沿兩根豎管自相變蓄熱器的底部進(jìn)入相變蓄熱器,由下而上逐層加熱管外相變材料.除霜時(shí),低溫低壓的制冷劑從盤管上部開始沿螺旋往下流動(dòng),吸收相變材料的相變熱量而蒸發(fā).圖4和圖5給出了蓄熱器結(jié)構(gòu)示意圖(其中實(shí)線箭頭表示蓄熱工況制冷劑的流向,虛線箭頭表示除霜工況制冷劑的流向),具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2.所設(shè)計(jì)的相變蓄熱器的總?cè)萘繛?869mL,但后期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用約其一半體積的相變材料即可基本滿足本文實(shí)驗(yàn)工況的除霜需要,因此本文除霜實(shí)驗(yàn)中采用的液相CaCl2·6H2O的體積為1000mL.1.2小室降溫設(shè)計(jì)室外環(huán)境模擬小室內(nèi)部長(zhǎng)×寬×高為3.2m×3.0m×2.4m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)為160mm厚高密度苯板,外壁為3mm厚纖維板,內(nèi)壁為1.5mm厚鋁板,鋁板表面刷油漆,小室保溫、隔濕性能良好.小室空氣處理系統(tǒng)主要有空氣冷卻系統(tǒng)、空氣加熱系統(tǒng)、空氣加濕系統(tǒng)3部分組成.當(dāng)小室內(nèi)溫度高于模擬值時(shí),模擬小室降溫通過(guò)以下2種方式實(shí)現(xiàn):1)利用制冷量為4500W的移動(dòng)冷水機(jī)組向模擬小室供冷;2)利用哈爾濱地區(qū)冬季室外低溫自然冷.自然冷通過(guò)置于室外的一風(fēng)機(jī)盤管和置于小室內(nèi)的風(fēng)機(jī)盤管經(jīng)乙二醇溶液管路輸入小室.當(dāng)小室內(nèi)溫度低于模擬值時(shí),可通過(guò)加熱功率為4000W(粗調(diào))和800W(微調(diào))的可調(diào)功率的紅外線電加熱器實(shí)現(xiàn).加濕系統(tǒng)主要由2臺(tái)加濕量為300g/h的超聲波加濕器組成,可通過(guò)對(duì)電壓的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)加濕速率的調(diào)節(jié).在本文實(shí)驗(yàn)中,室外機(jī)空氣溫度控制在1±0.25℃,相對(duì)濕度為80%±2%,室內(nèi)機(jī)的入口平均空氣溫度控制在19.5±0.5℃.1.3溫度與濕度測(cè)試為了研究空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,本實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示(T、P、H分別代表溫度、壓力和相對(duì)濕度測(cè)點(diǎn)).對(duì)于室外部分(包括壓縮機(jī)、四通換向閥、室外換熱器、毛細(xì)管)分別在壓縮機(jī)的吸排口、毛細(xì)管和室外換熱器之間布置壓力傳感器和溫度傳感器.此外,還在室外換熱器的吸排風(fēng)處布置了溫度傳感器、濕度傳感器和風(fēng)速傳感器,用以測(cè)量室外換熱器進(jìn)出口空氣狀態(tài)和風(fēng)量.在室外換熱器的管壁上布置4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)用以觀察在除霜過(guò)程中室外機(jī)管壁溫度的變化,4個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布置在第1、7、13和20根盤管上,代表被測(cè)室外換熱器4個(gè)典型的測(cè)試區(qū)域.對(duì)于室內(nèi)部份,為了測(cè)量進(jìn)入室內(nèi)換熱器和相變蓄熱器的進(jìn)出口制冷劑的狀態(tài),分別布置了溫度傳感器和壓力傳感器.此外,為了能夠反映和比較不同除霜方式對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度的影響,還在室內(nèi)機(jī)的第2和23根翅片管表面布置了2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn).相變材料溫度的變化是反映蓄熱和取熱動(dòng)態(tài)過(guò)程的重要標(biāo)志性參數(shù),因此在相變蓄熱器的內(nèi)部布置了2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),分別記為A、B測(cè)點(diǎn),分別布置在相變蓄熱器內(nèi)相變材料距離底部1.5cm和距離相變材料頂部1.5cm處.本實(shí)驗(yàn)選用四線制鉑電阻測(cè)量溫度,其測(cè)溫精度為±0.1℃.壓力傳感器由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司制造,精度為0.25級(jí).溫濕度傳感器為瑞士羅卓尼克生產(chǎn)的Hygroclip溫濕度傳感器.其濕度的測(cè)量精度為±1.5%,溫度的測(cè)量精度為±0.3℃.本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的參數(shù)分為溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、壓力檢測(cè)、風(fēng)速檢測(cè)等,采用了安捷倫34980A多功能數(shù)據(jù)采集儀,完成對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測(cè),并實(shí)時(shí)地存入電腦.2除霜終止判斷依據(jù)本實(shí)驗(yàn)研究中,并沒(méi)有采用原空調(diào)系統(tǒng)的控制系統(tǒng),而采用了人工控制的方法.除霜終止的判斷是基于多次實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)做出的.即無(wú)論針對(duì)蓄能除霜還是逆循環(huán)除霜,都經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn),然后選取一個(gè)合適的除霜終止判斷依據(jù).對(duì)于傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜,多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)除霜約8min時(shí)才能保證室外機(jī)表面水有少量的水蒸氣逸出(即室外機(jī)表面水基本被蒸干),因此傳統(tǒng)除霜實(shí)驗(yàn)時(shí)采用了時(shí)間終止除霜法.而對(duì)于蓄能除霜,經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)室外機(jī)表面的溫度升高至50℃時(shí)才能保證室外機(jī)表面水有少量的水蒸氣逸出,因此對(duì)于蓄能除霜,本實(shí)驗(yàn)中采用室外機(jī)表面溫度升高至50℃來(lái)作為除霜終止的判斷依據(jù).2.1種除霜方式下壓縮機(jī)排氣壓力的變化圖6為2種除霜模式下壓縮機(jī)排氣壓力隨時(shí)間的變化.由圖可知,傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜至少需要8min,而采用相變蓄能除霜后,除霜時(shí)間僅需約4min.從排氣壓力隨時(shí)間變化可知,在除霜初始30s內(nèi),2種除霜模式的壓縮機(jī)排氣壓力迅速下降至0.8MPa,之后逐漸回升,但回升速度相差較大.傳統(tǒng)除霜模式時(shí),壓縮機(jī)的排氣壓力回升較慢,約3min以后維持在1.4MPa.和傳統(tǒng)除霜模式相比,蓄能除霜的壓縮機(jī)排氣壓力升高較快,不到3min壓縮機(jī)排氣壓力升高至2.2MPa,之后升高速度變慢.由圖還可看出,2種工況的壓縮機(jī)排氣壓力迅速變化主要集中在前3min,說(shuō)明前3min系統(tǒng)處于非常不穩(wěn)定運(yùn)行的階段,而3min后,系統(tǒng)逐步穩(wěn)定.2.2相變蓄能除霜溫度.圖7為2種除霜模式下壓縮機(jī)吸氣壓力隨時(shí)間的變化.由圖可知,在除霜初始30s內(nèi),吸氣壓力迅速上升至約為0.8MPa,而后吸氣壓力迅速下降至最低點(diǎn),然后又經(jīng)歷了吸氣壓力回升和再降低的過(guò)程.由圖可知,在傳統(tǒng)除霜模式中,當(dāng)壓縮機(jī)的吸氣壓力經(jīng)歷一次回升至最大值后,吸氣壓力逐漸下降,然后維持在0.2MPa,很容易引起壓縮機(jī)的吸氣低壓保護(hù)性停機(jī).當(dāng)采用了相變蓄能除霜后,壓縮機(jī)的吸氣壓力提高至0.5MPa,較傳統(tǒng)除霜升高了約0.3MPa.因此可知,相變蓄熱器可以有效地提高壓縮機(jī)的吸氣壓力,避免保護(hù)性停機(jī).2.3壓縮機(jī)排氣溫度圖8為2種除霜模式下壓縮機(jī)排氣溫度隨時(shí)間的變化.由圖可知,在除霜初始30s內(nèi),由于室內(nèi)機(jī)內(nèi)的制冷劑迅速涌入壓縮機(jī)并和壓縮機(jī)以及室外機(jī)內(nèi)的低溫制冷劑混合,導(dǎo)致壓縮機(jī)的排氣溫度迅速由72℃下降至50℃,甚至40℃.隨后,壓縮機(jī)的排氣溫度迅速升高.傳統(tǒng)除霜模式時(shí)壓縮機(jī)的排氣溫度在2.5min時(shí),升高至70℃,然后又逐漸降低.與之相比,相變蓄能除霜的壓縮機(jī)排氣壓力一直處于升高狀態(tài),截至除霜結(jié)束時(shí),相變蓄能除霜的壓縮機(jī)排氣溫度升高至82℃.2.4相變蓄能除霜原理圖9為2種除霜模式下壓縮機(jī)吸氣溫度隨時(shí)間的變化.由圖9可知,在系統(tǒng)由制熱工況轉(zhuǎn)入除霜工況的初始30s內(nèi),由于室內(nèi)機(jī)內(nèi)的制冷劑迅速涌入壓縮機(jī),導(dǎo)致壓縮機(jī)的吸氣溫度迅速升高,其中傳統(tǒng)除霜模式的吸氣溫度升高至30℃,然后又迅速降低至-22℃.而采用相變蓄能除霜系統(tǒng),系統(tǒng)在轉(zhuǎn)入除霜的2min內(nèi),壓縮機(jī)的吸氣溫度都維持在了40℃以上,隨后吸氣溫度會(huì)逐漸降低,但一直保持在5℃以上,充分體現(xiàn)了相變蓄熱器的低位熱源的作用.但是,有必要指出的是,過(guò)高的吸氣溫度會(huì)增大吸入壓縮機(jī)的制冷劑比容,導(dǎo)致系統(tǒng)的制冷劑質(zhì)量流量減小,進(jìn)而可能會(huì)對(duì)除霜速度產(chǎn)生負(fù)面影響.因此,如何有效地控制相變蓄熱器內(nèi)的相變材料溫度及其釋熱速度非常重要.2.5低頻和低頻兩熱條件對(duì)融霜的影響圖10為2種除霜模式下室外機(jī)平均壁溫隨時(shí)間的變化.由圖10可知,在除霜開始的1.5min內(nèi),2種除霜模式的室外機(jī)溫度變化基本一致.這是因?yàn)樵谠撾A段,室外機(jī)被加熱至0℃或者處于外表面發(fā)生融霜現(xiàn)象,雖然各運(yùn)行模式開始時(shí)都具有一個(gè)低位熱源(傳統(tǒng)除霜時(shí)室內(nèi)機(jī)儲(chǔ)存的顯熱可看做一低位熱源),但各低位熱源在此階段對(duì)融霜的影響差別較小,系統(tǒng)內(nèi)部高低壓側(cè)制冷劑的遷移起主要作用.之后,室外機(jī)溫度開始迅速升高,但是升高的速度大不相同.由圖可知,傳統(tǒng)除霜由于除霜過(guò)程沒(méi)有低位熱源導(dǎo)致室外機(jī)溫度變化較慢,最后穩(wěn)定40℃.而對(duì)于蓄能除霜模式,由于有了除霜用低位熱源,室外機(jī)壁溫升高非常迅速,升高至50℃僅用了約4min.2.6相變蓄能除霜圖11為2種除霜模式下壓縮機(jī)功率隨時(shí)間的變化.由圖可知,壓縮機(jī)的功率和壓縮機(jī)的排氣壓力的變化趨勢(shì)非常類似.在除霜初始30s內(nèi),壓縮機(jī)功率迅速降低至最低點(diǎn),約為500W,然后又逐漸升高.在除霜結(jié)束時(shí),相變蓄能除霜的壓縮機(jī)功率約為900W,而傳統(tǒng)除霜壓縮機(jī)功率升高較慢,且最終維持在630W.主要原因是壓縮機(jī)的吸氣比容較小,導(dǎo)致系統(tǒng)制冷劑質(zhì)量流量較小.這也是傳統(tǒng)除霜慢而相變蓄熱除霜可以加快除霜的主要原因之一.2.7傳統(tǒng)除霜模式下室內(nèi)機(jī)溫度下降至-15圖12為2種除霜模式下室內(nèi)機(jī)平均壁溫隨時(shí)間的變化.當(dāng)系統(tǒng)由制熱模式轉(zhuǎn)向除霜模式后,室內(nèi)機(jī)溫度迅速下降.在傳統(tǒng)除霜模式中,室內(nèi)機(jī)壁溫降低至-15℃,而采用蓄能除霜時(shí)僅降低至17℃,略低于室內(nèi)溫度.這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)除霜時(shí),低溫低壓制冷劑流經(jīng)室內(nèi)機(jī),導(dǎo)致室內(nèi)機(jī)壁溫大幅度降低.采用蓄能除霜時(shí),制冷劑從室內(nèi)吸取的熱量甚微.2.8蓄能除霜運(yùn)行模式圖14為除霜后熱泵機(jī)組再次啟動(dòng)時(shí),室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度隨時(shí)間的變化.由圖可知,當(dāng)系統(tǒng)由制熱模式轉(zhuǎn)向除霜模式后,室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度迅速下降.在傳統(tǒng)除霜模式中,室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度降低至12℃,低于室內(nèi)溫度.采用蓄能除霜運(yùn)行模式時(shí),當(dāng)系統(tǒng)從除霜轉(zhuǎn)換至供熱工況時(shí),除霜幾乎沒(méi)有影響到向室內(nèi)供熱,出風(fēng)溫度升高速度比傳統(tǒng)除霜升高速度快很多,因此不會(huì)給人以吹冷風(fēng)的感覺(jué),更有利于供熱房間的舒適性.2.9鋼液調(diào)劑.除霜前后溫度變圖14為相變蓄能除霜4min內(nèi),蓄熱器內(nèi)相變材料測(cè)點(diǎn)A和B的溫度隨時(shí)間的變化.由圖可知,除霜開始后,距離螺旋盤管較遠(yuǎn)的A、B點(diǎn)的溫度變化緩慢,但隨著釋熱的繼續(xù),兩點(diǎn)的溫度迅速下降.當(dāng)釋熱至第160s時(shí),相變材料溫度變化逐漸變緩,表明A、B點(diǎn)開始了潛熱釋熱階段.在相變的過(guò)程中,沒(méi)有出現(xiàn)理論的等溫過(guò)程.主要原因有2個(gè)方面:1)除霜時(shí),盤管內(nèi)的制冷劑蒸發(fā)溫度與相變溫度的溫差較大(約25℃),導(dǎo)致取熱速度較快,釋熱過(guò)程持續(xù)較短;2)相變材料本身具有一定的過(guò)冷度,雖然本文添加了相應(yīng)的消除過(guò)冷度的添加劑,但仍未完全消除其過(guò)冷度.至第220s時(shí),相變潛熱釋放完畢,相變材料的溫度再次開始迅速下降.在除霜過(guò)程結(jié)束時(shí),A點(diǎn)溫度約為22℃,B點(diǎn)溫度約為25℃.從除霜啟動(dòng)至第180s是相變材料發(fā)生相變釋放潛熱的主要過(guò)程,也是室外換熱器融霜的關(guān)鍵時(shí)段.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,相變材料相變釋熱過(guò)程盤管內(nèi)制冷劑與管外相變材料熱交換充分,除霜結(jié)束時(shí)液相相變材料基本全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?3相變蓄熱器本文介紹了空氣源