温湿度对空气源热泵相变蓄能除霜系统特性影响

胡文举，姜益强，姚 杨，倪 龙，陈镇凯

(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，150090哈尔滨;2.广东吉荣空调有限公司博士后科研工作站，522000广东揭阳)

目前，国内外对空气源热泵除霜方法进行了很多的研究.文献［1－4］对除霜过程中的空气源热泵系统特性进行了研究，分析了结霜除霜对热泵系统性能的影响.文献［5-6］建立了基于实验的空气源热泵除霜数学模型.文献［7－9］研究了除霜过程、节流结构对除霜的影响.然而，除霜时为了避免向室内吹冷风而必须关闭室内机导致除霜时系统缺少低位热源，进而导致除霜时压缩机吸气压力非常低，除霜时间长，在重度结霜情况下，还会出现除霜不完全、不彻底等问题.除霜问题严重影响了空气源热泵的性能和可靠性.文献［10］提出了具有良好的除霜性能的基于相变蓄能的热气除霜新系统，系统如图1所示.文献［11］针对相变蓄热器对热泵性能的影响进行了研究，确定了系统最佳的蓄热模式.文献［12］研究了空气源热泵除霜模式对除霜速度的影响，认为相变蓄热器单独除霜是最佳的除霜模式.本文开展了有关室外空气温湿度对除霜空气源热泵相变蓄能系统的影响的实验研究.

图1 空气源热泵蓄能除霜系统结构及测点布置

1 实验装置及条件

1.1 人工模拟环境室

室外环境模拟小室空气处理系统主要有空气冷却、加热和加湿3部分组成.模拟小室降温通过制冷量为4.5kW的移动冷水机组和冬季室外低温自然冷实现.加湿由两台加湿量为300g/h的超声波加湿器实现，可通过对电压的调节实现加湿速度的调节.在本文实验中，室外机空气温度测量精度为±0.25℃，相对湿度测量精度为±2%，室内机的入口平均空气温度控制在(19.5±0.5)℃.

1.2 空气源热泵相变蓄能除霜系统及相变蓄热器的设计

该系统由1台分体采用R22作为制冷剂的热泵型房间空调器改造而成，其额定制热量为2.5kW，制冷量为2.3kW，额定功率0.86kW.

为达到迅速吸放热的目的，必须增大相变材料与制冷剂之间的换热面积.本实验设计出双螺旋盘管套筒形蓄热器.蓄热器由内外两套筒组成，将两个不同直径的螺旋盘管置于两套筒之间(长度分别为5.70、6.67m)，相变材料充注于双螺旋盘管和内外套筒之间构成的3个夹层空间(容积为1.869mL)，结构如图2所示(实线和虚线箭头分别为蓄热和除霜工况制冷剂的流向).

相变材料对蓄能除霜性能有重要影响.经筛选，采用质量分数为2%的SrCl2·6H2O和Ba(OH)2·6H2O溶液作为添加剂的CaCl2·6H2O溶液作为蓄热材料.多次试验发现采用1L相变材料即可基本满足实验工况的除霜需要，因此本文除霜实验中采用的液相CaCl2·6H2O溶液的体积为1L，各工况结霜时间均为90min.

图2 相变蓄热器结构示意图

1.3 实验数据采集

为研究空气源热泵相变蓄能除霜系统的动态特性，分别在压缩机的吸排口、毛细管和室外换热器之间布置压力传感器和温度传感器.此外，还在室外换热器的吸排风处布置了温度传感器、湿度传感器和风速传感器，用以测量室外换热器进出口空气状态和风量.在室外换热器的管壁上布置4个代表4个典型的测试区域的温度测点以观察在除霜过程中室外机管壁温度的变化.本实验选用温度传感器精度为±0.1℃，压力传感器精度为0.25级，湿度传感器精度为±1.5%.实验测点布置如图1所示(T、p、H分别代表温度、压力和相对湿度测点).

2 试验数据及分析

反复实验发现，当室外机表面温度升至50℃时才能保证室外机表面水有少量的水蒸气逸出.因此本实验除霜时采用室外机表面温度升至50℃作为除霜终止的判断依据.

2.1 空气温度对除霜性能的影响

研究表明，空气源热泵温度为－5～5℃，相对湿度在70%以上气象条件下运行时室外换热器表面最易结霜［13］.因此本文研究中保证空气相对湿度为80%，分别对空气温度在－5、－3、-1、1、3、5℃时进行实验研究.

2.1.1 压缩机吸排气压力比较与分析

图3为空气相对湿度为80%，不同空气温度时除霜过程中压缩机排气压力随时间的变化.由图可知，除霜过程中，压缩机的排气压力先降低后升高，且室外空气温度越高，升高速度越快.比较还可以发现，各种空气温度下，系统的除霜所需时间随着空气温度的降低先增长后缩短.比如，当空气温度分别为5、－3、－5℃时，除霜时间分别为182、393、332s.分析原因，温度为0～5 ℃ 时，随着空气温度的降低室外换热器结霜量增多，而除霜过程中室外换热器由自然对流导致的向环境散热也越来越多，导致除霜时间增长.当越过结霜量最多温度点(0℃)后，虽然结霜量变少，但空气温度越来越低，导致除霜时间并未随结霜量的减少而减少，反而增长.随着空气温度的降低，结霜量减少，结霜量对除霜速度的影响超过空气温度的影响，因此－5℃时除霜时间比－3℃时有所缩短.

图4为相对湿度为80%，不同空气温度时，除霜过程中压缩机吸气压力随时间的变化.由于系统高低压转换，在除霜初始30s内压缩机吸气压力迅速上升之后迅速下降至最低点，然后又经历了回升和再降低的过程.由图可知，除霜过程中，空气温度越高压缩机的吸气压力越高.实验发现，由于增加了相变蓄热器，即使－3℃工况下，除霜结束时压缩机的吸气压力保持在0.4 MPa，远高于压缩机的低压保护值(实际中通常设定为0.10～0.15 MPa).因此，相变蓄热器可有效提高压缩机的吸气压力，避免保护性停机.

图3 压缩机排气压力随时间的变化

图4 压缩机吸气压力随时间的变化

2.1.2 室外机壁温比较与分析

图5为相对湿度为80%，不同空气温度时，除霜过程中室外机翅片管表面平均温度随时间的变化.由图可知，对于5、－3、－5℃时的工况，由于表面结霜量比较少，融霜时间非常短，和其他工况相比不存在温度保持稳定的阶段，而是直接升高.对于其他工况，室外机壁温先升高，后保持不变，然后再迅速升高且升高速度越来越慢.分析原因:除霜初始阶段，蒸发器被加热，温度迅速升高，当升高至0℃时，霜层开始融化，因此在一段时间内温度保持稳定.当霜层完全被融化后，翅片管被加热，温度迅速升高.随着温度的升高，翅片管和环境间的温差越来越大，自然对流损失所占比重增大，因此升高速度减慢.

2.1.3 压缩机功率的比较与分析

图6、7分别为相对湿度为80%，不同空气温度时，除霜过程中压缩机功率随时间的变化和压缩机能耗随温度的变化.由图可知，在除霜初始30 s内，压缩机功率迅速降低至最低点，约为400～500 W，然后又逐渐升高.当环境温度低于3℃时，压缩机的能耗在除霜后期保持缓慢的稳定增长.对比7种工况压缩机耗功可知，在本实验条件下，当相对湿度为80%时，在空气温度为－3～5℃时，压缩机在整个除霜过程中能耗随着空气温度的降低而逐渐增高.由于－5℃时结霜量少于－3℃时的工况，导致－5℃时系统能耗比－3℃时能耗减少约50 kJ.理论分析知，温度一定时，结霜量随相对湿度的增加而增加，而除霜时滞留霜水的蒸发速度由于相对湿度的增加而减小，必然导致滞留水蒸干时间延长，对流散热损失增加.因此，可认为当湿度一定时，－3℃时的工况为本实验条件下设计相变蓄热器的最不利工况.

图5 室外机平均壁温随时间的变化

图6 压缩机功率随时间的变化

图7 压缩机能耗随温度的变化

2.1.4 相变材料温度的比较与分析

图8为相对湿度为80%，不同空气温度时，除霜及系统再次蓄热过程中相变材料温度随时间的变化.由图可知，在除霜初始时刻室外空气温度越高相变材料温度越高.随着除霜的继续，相变材料温度迅速降低.对于5℃和3℃时的工况，由于除霜时间较短，相变材料初始温度较高，除霜结束时相变材料温度还未低于相变温度.对于其他4种工况，相变材料最终温度均低于相变温度，其中3℃工况相变材料温度最低.由相变材料温度变化可知，所设计相变蓄热器基本可以满足除霜的需要.除霜结束后，系统恢复供热(蓄热)，相变材料温度逐渐升高，其中平缓区意味着相变材料正发生相变，越过相变温度点后，相变材料温度迅速升高.结合图7压缩机除霜能耗可知，应当把－3℃作为实验条件下相变蓄热器设计的最不利工况温度.

图8 相变材料温度随时间的变化

2.2 空气湿度对除霜性能的影响

研究［14-15］表明，当空气相对湿度一定时，空气温度为0～3℃时，空气源热泵室外换热器结霜最为严重.因此，为研究相对湿度对除霜时间、相变材料温度及压缩机能耗的影响，结霜时保证空气温度为1℃，分别对空气湿度为55%，60%，70%，80%，85%时的工况进行研究.

2.2.1 除霜时间和除霜结束时相变材料温度比较

图9为室外空气温度为1℃，除霜时间和除霜结束时相变材料温度随相对湿度的变化.由图可知，随着室外空气相对湿度的增大除霜时间逐渐增长.当相对湿度为55%时，由于结霜量非常少，将室外换热器升高至50℃仅需150 s，除霜时间较短，除霜结束时相变材料温度为31℃，未发生相变.随着相对湿度的增大，除霜时间逐渐升高，当相对湿度升至85%时，除霜时间增至270 s，除霜结束时相变材料温度仅为0.6℃，蓄能略有不足.

2.2.2 除霜能耗随相对湿度的变化

图10为室外空气温度为1℃，除霜能耗随相对湿度的变化.随着室外空气相对湿度的增大除霜过程压缩机能耗逐渐增大.当相对湿度为55%时，由于结霜量非常少，除霜过程压缩机能耗仅为116 kJ.随着相对湿度的增大，除霜时间逐渐增长.当相对湿度升至85%时，除霜过程压缩机能耗增至206 kJ.因此，在设计相变蓄热器时，应充分考虑热泵所应用地域空气相对湿度，避免出现蓄热不足情况.

图9 除霜时间和除霜结束时相变材料温度随相对湿度的变化

图10 压缩机能耗随相对湿度的变化

3 结论

1)对空气温湿度对空气源热泵相变蓄能除霜系统的除霜特性、除霜时间及能耗的影响进行了实验研究，发现在保持室外空气温度不变时，随着室外空气湿度的增大除霜所需时间逐渐增长，除霜能耗逐渐增加.

2)当空气相对湿度一定时，除霜时间随着空气温度的降低先增长后减少，除霜能耗先增大后减少，其中－3℃工况为实验条件下除霜时间最长、能耗最大、除霜结束时相变材料温度最低工况.

3)空气湿度一定时，除霜过程中压缩机排气压力和功率先降低后升高，吸气压力先升高后降低，且空气温度越高，压缩机吸排气压力和功率越高.

4)除霜过程中，随着除霜进行室外机表面呈现不同的传热机理，其表面温度先迅速升温，然后不变，然后再迅速升温，最后再缓慢升温;相变蓄能除霜可有效提高除霜过程压缩机吸气压力，避免低压保护，提高了空气源热泵的可靠性.

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