一种新型无霜空气源热泵热水器实验研究

王志华 王沣浩 郑煜鑫 李晶超 郇 超 王志洋

(1 西安交通大学能源与动力工程学院 西安 710049; 2 西安交通大学人居环境与建筑工程学院 西安 710049)

一种新型无霜空气源热泵热水器实验研究

王志华1王沣浩2郑煜鑫1李晶超2郇 超1王志洋2

(1 西安交通大学能源与动力工程学院 西安 710049; 2 西安交通大学人居环境与建筑工程学院 西安 710049)

针对空气源热泵在低温环境下容易结霜问题，本文提出一种新型无霜空气源热泵热水器，其利用固体干燥剂较强的除湿特性，使室外空气含湿量低于结霜条件来实现无霜运行；其次，利用相变蓄热装置对冷凝余热进行回收，使之作为再生模式下的低温热源，对干燥剂进行再生，以保证系统的持续运行。本文通过实验验证了新型系统的可行性，并与传统除霜系统相比，在环境工况为0 ℃/80%下，其COP比热气旁通除霜系统和电除霜系统分别高7.25%和46.3%。

无霜空气源热泵；热水器；除湿；相变蓄热

空气源热泵系统在低温工况下运行时，蒸发器表面霜的形成导致换热器传热效果恶化，使得机组制热能力下降，严重时机组会停止运行。因此，提高蒸发侧的除霜和延缓结霜技术是提高空气源热泵在低温环境下制热性能和系统稳定性的有效途径之一。

目前常用的除霜方式主要有电加热除霜，逆循环除霜，热气旁通和蓄能除霜几种方式。电加热除霜具有系统简单、除霜完全、实现控制简单的优点，但缺点是耗电多，不宜在大型装置上采用[1]。逆循环除霜简单易行，除霜效果良好[2]。然而，在除霜时高低压对接过程会对系统各部件产生比较严重的冲击，系统可靠性受到影响[3]。热气旁通法与一般系统相比，其系统的平均COP和制热量分别增加8.5%和5.7%[4]，但是由于蒸发器入口温度的提高，导致了系统制热量的下降。热气旁通除霜的能量主要来自压缩机的输入功，而且制冷剂流过分液器和分液毛细管的能量损失较大，除霜时间比逆循环除霜长。胡文举等[5-6]将相变蓄能装置引入到热泵系统中,提出空气源热泵蓄能热气除霜新系统,该系统把热泵平时高效运行时的余热转存到蓄热器内,使之作为热泵除霜工况下的低位热源,有效的解决了逆循环除霜时能量来源不足的问题。

此外，有学者[7-9]利用固体除湿换热器首先对被处理的空气进行除湿，从而抑制或延缓结霜，然而随着干燥剂吸收水蒸汽能力的减弱，抑制结霜的作用也逐渐失效。为解决此问题，本文提出一种新型无霜空气源热泵热水器。该新型系统首先利用干燥剂对室外空气进行除湿，降低其含湿量，实现无霜热泵运行；其次，利用蓄热装置对冷凝余热进行回收，使之作为再生模式下的低温热源，对干燥剂进行再生且保持系统持续供热。

1 系统原理及性能分析

1.1 系统原理介绍

图1 为新型无霜空气源热泵热水器原理图，该系统主要包括两种模式，即制热模式和再生模式。其具体流程为：

制热模式：电磁阀(15，18)和电子膨胀阀(17)关闭，其余电磁阀打开。制冷剂经压缩机(1)压缩成高温高压的气体，经过高压控制器(2)，四通阀(3)后，在缠绕有冷凝盘管的蓄热水箱(4)冷却成高压的汽液两相流，再经电磁阀(5)在蓄热装置(6)内进一步冷却，蓄热材料吸收制冷剂释放的热量，制冷剂被冷却为过冷液体，流经干燥过滤器(7)，经电子膨胀阀(8)一次节流后，部分制冷剂在除湿换热器(9)内蒸发吸热，之后制冷剂经干燥过滤器(10)、电子膨胀阀(11)二次节流成低压汽液两相流，在室外换热器(12)内完全蒸发吸热，成为过热气体，避免对压缩机造成湿压缩，最后制冷剂经电磁阀(13)、四通阀(3)、低压控制器(14)回到压缩机(1)；室外空气(OA)首先经过除湿换热器(9)，固体干燥剂吸收空气中水分，经过除湿后的干空气(DA)然后经过室外换热器(12)，最后，空气(EA)排出蒸发器。由于除湿后的空气露点温度低于室外换热器(12)内制冷剂的蒸发温度，因此，该系统可以实现无霜运行。

再生模式：电磁阀(5，13)关闭，其余电磁阀打开。制冷剂经压缩机(1)压缩成高温高压的气体，流经高压控制器(2)，四通阀(3)，在缠绕有冷凝盘管的蓄热水箱(4)冷却成高压的汽液两相流，经电磁阀(15)(此时电子膨胀阀(8，11)全开)，高压制冷剂进一步在除湿换热器(9)和室外换热器(12)内冷却放热，利用余热对固体干燥剂再生，之后高压制冷剂流经干燥过滤器(16)，经电子膨胀阀(17)节流降压后在蓄热装置(6)内蒸发吸热，成为过热气体，最后制冷剂经电磁阀(18)、四通阀(3)、低压控制器(16)回到压缩机(1)，完成一个再生循环。为了充分利用冷凝余热，同时避免干燥剂脱附后的水蒸气附着在室外换热器(12)上，造成下次循环结霜的隐患，在再生模式下，室外空气(OA’)首先经过室外换热器(12)，再通过除湿换热器(9)，连同干燥剂脱附的水蒸气一起排出。

该系统的主要特征是：1)该利用翅片表面涂有固体干燥剂的除湿换热器(9)对被处理室外空气首先进行干燥除湿，由于除湿后的空气温度和相对湿度的降低，使得室外空气的状态达不到结霜的条件，从而实现新型空气源热泵无霜运行。2)随着固体干燥剂的水分含量逐渐增大，除湿换热器(9)除湿能力减弱，当水分达到一定含量时，系统转换为再生模式，在此过程中，该系统把热泵平时高效运行时的余热转存到蓄热装置(6)内，使之作为热泵再生模式下的低位热源，对干燥剂进行加热，被加热后的干燥剂表面水蒸气分压力大于室外空气水蒸气分压力，进行脱附再生。该系统充分合理利用运行过程中产生的余热，提高了空气源热泵在低温环境的适应性。

1.2 性能分析

系统COP为：

(1)

式中：Qcon为一个周期内冷凝器释放的热量, kJ；Wcom为一个周期内压缩机的耗功, kJ。

其中：

(2)

式中：cwater为水的比热, J/ (kg·℃)；mwater为水的质量,kg；t为水温，℃。

一个周期内压缩机的耗功Wcom为：

(3)

式中：p为压缩机功率, W；τ为系统工作时间, min。

从方程 (1)～方程(3), 可以得出，COP 可表示为：

(4)

1.3 理论依据

图2是根据日本学者对不同空气源热泵机组的实验结果拟合得到的曲线。可能结霜的气象参数范围为-12.8 ℃≤tw≤5.8 ℃，φ≥67%。当tw>5.8 ℃时，可以不考虑结霜对热泵的影响；当tw<5.8 ℃，φ<67%时，由于空气露点温度低于室外换热器表面温度，不会发生结霜现象；当tw<-12.8 ℃时，由于空气含湿量太小，也不会发生结霜现象。由此可见，若室外气象参数落在图中区域内，就很可能发生结霜的现象。因此，对于无霜运行就是通过某种方法将空气露点温度处理在图中区域外。

2 新型无霜空气源热泵热水器实验装置

2.1 除湿换热器的结构

除湿换热器(如图3)是在传统的翅片管换热器上表面涂覆干燥剂材料而构成。其主要结构为铜管和铝翅片，其通过一定的工艺条件将干燥剂均匀地涂布在铜管外表面以及翅片表面，空气流过时与干燥剂进行热质交换，而制冷剂流体在铜管内流动。上海交通大学[11-12]在这方面做了大量研究。此外，干燥剂的选择对除湿换热的影响尤为重要，硅胶具有良好的吸附性能，已经广泛运用于空调除湿，对于内冷却固体除湿换热器而言，该干燥剂在40 ℃[13]开始再生。Tu R等[14]研究发现该类型除湿装置的再生温度在40～50℃。因此，本装置采用硅胶作为干燥剂。

干燥剂的再生率定义为再生过程中脱附的水量与除湿过程中吸收的水量之比。其表达式为：

(5)

式中：mrm·wv为再生模式下脱附的水量；mhm·wv为制热模式下吸收的水量。其表达式分别为：

(6)

(7)

Grm与Ghm分别为制热模式和再生模式下的空气流通量；dOA，dhm·DA和drm·MA分别为室外空气含湿量，制热模式和再生模式下，通过除湿换热空气的含湿量；τhm和τrm分别为制热时间和再生时间。

2.2 蓄热材料选择

蓄热材料的选择需满足: 1)相变潜热大。选择潜热值大的相变材料可以有效减少蓄热换热器的体积。2)合适的相变温度。相变材料的相变温度必须介于热泵供热或除霜时的冷凝温度Tc和蒸发温度Te之间，且不能太靠近Tc或Te，介于二者之间偏上为宜[15]。3)较大的导热系数。导热系数大便于能量及时蓄存或取出、不同状态间转化时材料体积变化小。4)相变稳定。5)固、液相密度大[16]。CaCl2·6H2O相变潜热较大且熔点温度较低。但由于其过冷现象导致存储的热量不能顺利释放。本装置采用CaCl2·6H2O作为蓄热材料，并以2% 的 SrCl2·6H2O作为添加剂，其能够有效解决过冷问题[17]。

2.3 实验装置

无霜空气源热泵热水器的实验在高精度5 HP焓差实验室内完成。通过对空气干、湿球温度、风量以及被测样机的输入功率等参数进行连续、频繁的采样测量，来确定热泵热水器的制热量等(主要测量仪器见表1)。本实验环境工况为0 ℃/80%，热水起始温度为15 ℃，水量为60 L。压缩机采用三菱电机(广州)滚动转子式压缩机，型号为RB174GHAC，额定转速是2860/3400(50/60 Hz),理论排气量17.4 cm3/r，单汽缸，输入功率700/850±5%W；蒸发器采用风冷式平直翅片管换热器，4个支路，3排管布置，冷凝器的冷凝器盘管环绕布置在水箱内胆外壁上。

2.4 实验结果误差分析

每一项实验都存在一定程度的误差。本文采用Ozturk[18]选用的误差分析方法进行数据分析。假定计算参数R是由N个独立的直接测试参数Xi计算而得：

R=(X1,X2,X3,…,XN)

(8)

那么，参数R的总误差δR可以通过参数Xi的误差δXi结合相关项的平方根法求出：

(9)

通过公式(9)求得系统平均COP的误差为4.3%。

3 结果及讨论

3.1 除湿换热器出口空气温度和相对湿度随时间的变化

从图2可知，空气的温、湿度是决定蒸发器表面是否结霜的关键因素。因此，对于本系统而言，分析除湿换热器出口空气温度和相对湿度随时间的变化，是检验新型无霜空气源热泵热水器能否实现无霜运行的根据。

从图5可以看出，在制热模式下，空气的相对湿度一直迅速从52%上升到75%。然而，温度变化呈相反趋势，在0～13 min内变化相对缓慢，之后又迅速下降。这是由于在开始阶段，干燥剂具有较强的吸水性能，同时放出大量的吸附热，延缓了一次节流后空气的温度下降速率。随着时间的推移，干燥剂除湿能力减弱，空气的相对湿度上升，温度下降。在制热34 min后，空气温湿度分别达到-1.3 ℃和75%，蒸发器表面开始结霜，此时系统切换为再生模式。从图5还可看出，在系统运行至大约36 min，空气的温湿度均分别上升94%和20 ℃，之后又迅速下降，这是由于在再生模式下，该系统利用冷凝后的余热对除湿换热器进行加热，干燥剂表面水蒸气分压力大于室外空气水蒸气分压力，干燥剂开始脱附再生，随着蓄热装置内热量的减少，冷凝余热不足，空气温湿度下降。

此外，根据公式(5)可以得出，干燥剂的再生率仅为72.7%，其值相对较小，降低了系统下一个制热模式的除湿效果，不利于下一次循环的运行。干燥剂的再生不仅与环境温度有关，还与循环水量、蓄热材料、系统设计等息息相关，如何在更低的温度下利用冷凝余热提高干燥剂的再生率和系统的性能，有待于进一步的研究。

3.2 蓄热材料温度随时间的变化

图6反映了蓄热材料温度随时间的变化，从图中可以看出，在供热模式开始13 min内，测点A温度迅速从19 ℃增加到32 ℃，之后斜率逐渐减小，在供热模式结束后，温度达到35 ℃。测点B和A 存在相同的变化趋势，两者始终存在3 ℃左右温差。在再生模式下，测点A和B，刚开始下降迅速，之后下降缓慢。这是由于再生模式下， 蓄热装置作为蒸发装置的低温热源，导致蓄热装置热量逐渐减少。

3.3 压缩机吸排气压力随时间的变化

图7反映了系统压缩机吸排气压力变化。从图7中可以看出，在供热模式下，压缩机排气压力从800 kPa上升到1800 kPa，这是由于随供热时间的增加，水箱温度升高，冷凝温度增加，进一步导致压缩机排气升高。而吸气压力先从200 kPa上升到490 kPa左右，之后又逐渐下降到220 kPa。这是因为开始阶段，由于制冷剂的迁移，大量的制冷剂从蒸发器涌入储液器和冷凝器，系统处于不稳定状态。在再生模式，系统的吸排气压力下降相对缓慢，基本分别处于360 kPa和1650 kPa左右。因此，该系统压缩机能够安全稳定运行。

3.4 除湿换热器温度和蒸发温度随时间的变化

图8反映了系统工作时除湿换热器温度和室外换热器温度随时间的变化。在供热模式下，除湿换热器温度在-2.3 ℃和-3.5 ℃之间波动，蒸发温度在系统工作10 min之内由-3.1 ℃下降至-6.8 ℃，之后在-6.2 ℃和-7.5 ℃之间波动。在供热模式下，除湿换热器温度比蒸发温度平均高3.8 ℃，这是由于EEV(8)开度较大，节流相对较弱。系统切换为再生模式后，除湿换热器温度在2 min之内上升至58.4 ℃，再生模式下平均温度为54.3 ℃，根据文献[15-16]的研究，说明该系统能够提供合适的温度满足干燥剂的再生。

3.5 水温随时间的变化

图9为水温随时间的变化。T1，T2，T3，分别代表水箱不同高度的测点(见图1)。由图可以看出，水温随着供热时间的增加而逐渐上升，但上升的斜率逐渐减小，这是因为在开始阶段，水温和冷凝器之间存在较大的温差，传热效率较高，而随着水温的上升，温差减小，不可逆损失增大。从图9还可以看出，在一个周期结束时，水箱不同测点的温度分别为42.2 ℃, 48.3 ℃ 和55.2 ℃，因此，减小水箱温度分层，有利于提高系统的性能。

3.6 系统COP随时间的变化

图10为系统COP随时间的变化。由图可以看出，在供热模式下，系统COP达到最大值为3.15后逐渐下降，这是由于水温上升，冷凝增加，导致压缩比增大，功率增加，进一步导致COP减小。在再生模式下，由于较多的热量储存在蓄热装置内，蒸发温度相对较高，系统COP迅速增大，达到峰值3.72。然而，在系统运行至36.3 min后，COP开始急剧下降，这是由于蓄热量减少，换热能力下降，蒸发温度降低。在整个周期内，系统平均COP为2.81，比热气旁通延缓除霜和电加热除霜分别高7.25%[19]和46.3%[20]。

4 结论

通过对新型无霜空气源热泵热水器的实验研究，在环境温度为0 ℃，相对湿度为80%条件下，该系统在34 min内实现无霜运行，在制热模式下，相对湿度从52%上升到75%，干球温度从3 ℃下降到-1.3 ℃。再生模式下，除湿换热器的平均温度为54.3 ℃，能够达到干燥剂的再生温度要求。在一个周期内，系统的平均COP为2.81，比热气旁通延缓结霜和电加热除霜分别高7.25%和46.3%。但其再生率仅为72.7%，其值相对较小，降低了系统下一个制热模式的除湿效果，如何提高干燥剂的再生率和系统性能，有待于进一步的研究和优化。

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About the corresponding author

Wang Fenghao, male，Ph.D. / professor, head of Building Energy Research Center,Xi'an Jiaotong University, +86 13227006940, E-mail: fhwang@mail.xjtu.edu.cn. Research fields: building energy efficiency and renewable energy technology. The author takes on project supported by Xi’an Science and Technology Plan Projects (No.CX12591).

Experimental Research on a Novel Frost-free Air-source Heat Pump Water Heater System

Wang Zhihua1Wang Fenghao2Zheng Yuxin1Li Jingchao2Huan Chao1Wang Zhiyang2

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049, China; 2. School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049, China)

Aiming to the frosting problem of air-source heat pump (ASHP) at low temperatures, a novel frost-free air-source heat pump water heater (ASHPWH) system is proposed in the paper, in which dehumidification of solid desiccant is used to reduce the humidity ratios of ambient air to realize frost-free operation. In order to keep the system working continuously, phase-change thermal storage is used to recycle the condensation heat that acts as a low temperature resource to regenerate the solid desiccant. The novel system was compared experimentally with conventional defrost system at a temperature of 0 ℃ and relative humidity (RH) of 80%. The results show that the average COP of the system was increased by 7.25% and 46.3% in comparison with hot-gas bypass defrosting and electric resistance heating, which proves the feasibility of the novel system.

frost-free ASHP; water heater; dehumidification; phase-change thermal storage

0253- 4339(2015) 01- 0052- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.052

2014年4月25日

TQ051.5; TK114; TU822+.1

A

王沣浩，男，教授，博士生导师，西安交通大学建筑节能研究中心主任，13227006940，E-mail：fhwang@mail.xjtu.edu.cn。研究方向：建筑节能与可再生能源利用技术。现在进行的研究项目：西安市科技计划项目(CX12591)。