多能源熱泵相變蓄能除霜方法研究

多能源熱泵相變蓄能除霜方法研究

多式空調(diào)（空調(diào)）的優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能環(huán)保、運(yùn)營(yíng)成本低、空間節(jié)省、可靠性等，已廣泛使用。與其他小型的空氣源熱泵系統(tǒng)相比,多聯(lián)機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也要面臨空氣源熱泵的共同問(wèn)題:在低溫潮濕環(huán)境下供熱時(shí)室外換熱器容易結(jié)霜,這降低了多聯(lián)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的供熱能力。針對(duì)多聯(lián)機(jī),研究人員對(duì)其制冷、壓縮、流量分配、控制等各方面開(kāi)展了廣泛的研究,而針對(duì)多聯(lián)機(jī)供熱、除霜特性方面研究較少。在供熱方面,AynurT.N.等將多聯(lián)機(jī)與熱泵除濕系統(tǒng)結(jié)合起來(lái),并研究了其在冬季的供熱效果。丁聰?shù)韧ㄟ^(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著室內(nèi)機(jī)開(kāi)啟數(shù)目的增加,系統(tǒng)性能也會(huì)隨之升高,同時(shí)結(jié)霜會(huì)使系統(tǒng)性能下降。在除霜方面,朱樂(lè)琪通過(guò)模擬與實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn),除霜周期內(nèi)的實(shí)際總制熱量受除霜時(shí)間制約,室外機(jī)單位制熱量上升,實(shí)際制熱量具有最大值。JangJ.Y.等在多聯(lián)機(jī)逆循環(huán)除霜的基礎(chǔ)上,提出了分環(huán)路除霜方式,在除霜過(guò)程中將室外換熱器分為2個(gè)部分,在保證除霜能量的同時(shí)為室內(nèi)提供部分熱量。TuQ.等認(rèn)為時(shí)間-盤(pán)管溫度法控制除霜并不適用于多聯(lián)機(jī),應(yīng)該采用時(shí)間-盤(pán)管溫度-冷凝溫度的方法對(duì)多聯(lián)機(jī)除霜加以控制。由于多聯(lián)機(jī)空氣源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,以及試驗(yàn)研究的成本較高等因素,針對(duì)其除霜特性方面的研究相對(duì)于分體式熱泵空調(diào)機(jī)除霜研究較少。然而結(jié)/除霜對(duì)多聯(lián)機(jī)空氣源熱泵供熱運(yùn)行影響較大,成為制約其性能和室內(nèi)環(huán)境舒適性改善的重要因素。為了提高除霜效率,改善除霜時(shí)系統(tǒng)供熱性能,筆者提出了針對(duì)多聯(lián)機(jī)空氣源熱泵的相變蓄能除霜系統(tǒng),并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。首先對(duì)多聯(lián)機(jī)空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)進(jìn)行介紹,之后對(duì)相變蓄能除霜試驗(yàn)方案和步驟進(jìn)行分析,最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行探討。本文研究工作將為有效解決多聯(lián)機(jī)空氣源熱泵除霜問(wèn)題提供新思路。1門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉圖1所示為多聯(lián)機(jī)空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)原理圖。主要由熱泵機(jī)組、蓄熱器、電子膨脹閥和電磁閥等構(gòu)成。通過(guò)相變模塊內(nèi)閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉,可以將系統(tǒng)切換為蓄熱、蓄能除霜、常規(guī)供熱和常規(guī)除霜等不同流程。蓄熱工況下,相變蓄熱器置于氣管與液管之間,利用壓縮機(jī)的部分排氣進(jìn)行蓄熱。除霜工況下,節(jié)流后經(jīng)過(guò)蓄熱器的制冷劑處于低壓側(cè),返回壓縮機(jī)的管路不宜過(guò)長(zhǎng),因此室內(nèi)管路關(guān)斷,從蓄熱器取熱后流出的制冷劑經(jīng)新設(shè)管路直接回到氣液分離器。試驗(yàn)過(guò)程電磁閥的控制方式如表1所示。2不同蓄熱器數(shù)量對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響小螺旋盤(pán)管型蓄熱器主體由內(nèi)、外2個(gè)圓筒組成,形成了封閉、狹長(zhǎng)的圓環(huán)結(jié)構(gòu)。因?yàn)橹虚g部分空間小,可以存放的相變材料體積有限,同時(shí)與螺旋盤(pán)管的距離遠(yuǎn),通過(guò)熱傳導(dǎo)進(jìn)行的熱量傳遞很慢,利用率很低,所以去掉了圓筒的中心部分。在圓環(huán)區(qū)域放置2排直徑不同的螺旋盤(pán)管,至此蓄熱器中相變材料被分別放置在外、中、內(nèi)3個(gè)圓環(huán)柱體內(nèi),換熱面積增大的同時(shí),相變材料厚度大大減小,這有利于增大蓄熱器的換熱能力。其結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖分別如圖2和圖3所示?？紤]到蓄熱器在除霜時(shí)作為蒸發(fā)器而蓄熱時(shí)作為冷凝器,除霜階段制冷劑應(yīng)遵循下進(jìn)上出的原則,這樣有利于吸熱汽化的制冷劑順利流出。除霜時(shí),蓄熱器作為蒸發(fā)器,制冷劑從下方進(jìn)入,吸熱汽化后由上方流出;蓄熱時(shí),蓄熱器作為冷凝器,制冷劑從上方進(jìn)入,冷凝放熱后由下方排出。3除霜溫度試驗(yàn)過(guò)程中,室內(nèi)外環(huán)境保持標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)霜和除霜工況,即室外側(cè)模擬工況干球溫度為2.0℃±0.2℃,濕球溫度為1.0℃±0.2℃;室內(nèi)側(cè)模擬工況為干球溫度20.0℃±0.2℃,濕球溫度12.0℃±0.2℃。試驗(yàn)開(kāi)始后,調(diào)節(jié)空氣處理系統(tǒng),保持室內(nèi)、外工況不變,室內(nèi)機(jī)全部轉(zhuǎn)為制熱模式,設(shè)定風(fēng)量模式為高風(fēng)量,總出風(fēng)量為4800m3/h,出風(fēng)溫度為30.0℃。當(dāng)供熱時(shí)間超過(guò)60min后,根據(jù)吸氣壓力以及環(huán)境溫度判斷是否開(kāi)始除霜。除霜過(guò)程中,檢測(cè)設(shè)置于室外換熱器液管管壁上的除霜傳感器溫度。當(dāng)傳感器溫度高于25.0℃并保持10s以上時(shí),系統(tǒng)退出除霜狀態(tài)并開(kāi)始下一周期的制熱。當(dāng)3臺(tái)室內(nèi)機(jī)全部開(kāi)啟時(shí),其額定供熱量為33.6kW。為了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分別進(jìn)行了常規(guī)除霜和蓄能除霜試驗(yàn)。4除霜前后的出風(fēng)時(shí)間在模擬室內(nèi)外環(huán)境下進(jìn)行了多聯(lián)機(jī)空氣源熱泵相變蓄能除霜性能試驗(yàn),結(jié)果如表2所示。常規(guī)除霜時(shí)間為505s,蓄能除霜時(shí)間為335s,除霜時(shí)間縮短了33.7%。圖4所示為壓縮機(jī)吸氣溫度變化情況。供熱末期壓縮機(jī)吸氣溫度低于-6.0℃。0s時(shí)除霜開(kāi)始,系統(tǒng)壓力平衡,壓縮機(jī)吸氣溫度迅速上升至9.2℃,此時(shí)熱量主要來(lái)源于相變材料的顯熱。40s后,吸氣溫度下降至6.9℃,并維持了1min,制冷劑逐步相變材料的潛熱量。105s時(shí),部分相變材料轉(zhuǎn)化為固體,溫度開(kāi)始下降,制冷劑吸收相變材料潛熱量逐漸減少,吸氣溫度隨之下降。185s時(shí),吸氣溫度降低至最低點(diǎn)(-6.2℃)。隨著除霜臨近結(jié)束,從室外機(jī)盤(pán)管流出的制冷劑升溫,同時(shí)吸氣溫度上升。205s時(shí),系統(tǒng)退出除霜,四通換向閥第二次換向,吸氣溫度迅速升高。圖5所示為壓縮機(jī)排氣溫度變化情況。除霜前40s,壓縮機(jī)的排氣溫度為78.2℃。隨著壓縮機(jī)頻率的降低,其排氣溫度隨之下降。0s時(shí)除霜開(kāi)始,排氣溫度為74.1℃。此后頻率迅速提高,其排氣溫度的下降速度明顯減慢。受吸氣溫度影響,在25s到85s間排氣溫度從68.0℃降到66.1℃。相變材料熱量逐漸降低,吸氣溫度逐漸下降,排氣溫度降低至63.9℃。205s時(shí),壓縮機(jī)再次降低頻率并換向,排氣溫度隨之再次下降。圖6所示為室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度變化情況。0s時(shí)除霜開(kāi)始,液管溫度迅速下降至防冷風(fēng)溫度以下,室內(nèi)機(jī)停止出風(fēng),此時(shí)的出風(fēng)溫度即室內(nèi)機(jī)盤(pán)管附近空氣的溫度逐漸下降(供熱停止后室溫下降)。205s時(shí)除霜結(jié)束,室內(nèi)機(jī)盤(pán)管溫度上升,265s時(shí)達(dá)到出風(fēng)臨界條件,室內(nèi)機(jī)開(kāi)始出風(fēng),出風(fēng)溫度為28.9℃。機(jī)組恢復(fù)供熱時(shí)間為60s。圖7所示為多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)在整個(gè)除霜階段內(nèi)壓縮機(jī)功率變化。四通換向閥換向前(0s),功率因降頻而降低;換向時(shí)功率將至最低點(diǎn)(3.3kW);由于蓄熱器提供了充足的低位熱量,壓縮機(jī)吸氣量充足,功率維持在4.8kW并保持不變;隨著霜層的快速融化,壓縮機(jī)的吸氣量開(kāi)始逐漸增大,同時(shí)頻率上升至最大值,其功率也隨之迅速上升。除霜臨近結(jié)束時(shí),頻率降低至60r/s后再次換向,功率也因此降低。整個(gè)除霜階段內(nèi),壓縮機(jī)耗功為0.3kW·h,提供的除霜熱量為3396.6kJ,除霜COP為3.1。較常規(guī)除霜,除霜效率有巨大提升。5相變蓄能除霜系統(tǒng)筆者針對(duì)多聯(lián)機(jī)空氣源熱泵除霜過(guò)程中存在的除霜時(shí)間長(zhǎng)、除霜過(guò)程中室內(nèi)供熱環(huán)