蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器实验研究

郝鹏飞王沣浩王志华王甜

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

蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器实验研究

郝鹏飞1王沣浩1王志华2王甜1

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

本文研究了一种新型无霜空气源热泵热水器系统，该系统在传统系统基础上增加了除湿换热器和蓄热装置，其运行方式包括制热模式和再生模式两种。针对此新型系统，本文搭建了实验台，并通过研究发现，该系统在室外温度为－3℃、0℃和3℃、RH（相对湿度）为85%的工况下可以保持无霜运行时间分别为32 min、34 min和36 min；且在再生模式下能够满足干燥剂的再生，保证系统了的持续供热。此外，与逆循环除霜系统相比，在－3℃和3℃，RH为85%下，COP分别高17.9%和3.4%，表明在低温环境下，该系统有相对明显的优势。

空气源热泵；无霜；固体干燥剂；蓄热装置；热水器

近年来，空气源热泵由于其优良的节能性和环保性受到广泛关注［1－2］，也已经作为热源或冷源应用在国内很多方面［3］。然而，在冬季寒冷地区，室外换热器表面会发生结霜导致传热效果恶化、制热量减小、系统性能下降，甚至导致机组因自我保护而停机。因此，室外换热器的结霜问题是制约空气源热泵系统更加广泛应用和发展的重要因素。

针对空气源热泵系统的除霜问题，国内外学者已经进行了大量研究。目前广泛使用的除霜方法主要包括电热除霜［4－5］、逆循环除霜［6－7］、热气旁通法除霜［8－9］以及蓄能除霜［10］，它们虽然具有简单易行的优点，但是增加了不必要的除霜能耗。此外，有学者根据结霜机理提出了抑制或延缓结霜的方法［11－12］，Zhang L等［13］提出在蒸发器前利用固体干燥剂对空气除湿来抑制结霜，不过当干燥剂吸湿量达到饱和后，其脱附再生产生的湿空气依然会造成蒸发器结霜，因此该系统有待于进一步完善。

本课题组充分利用蓄热器和除湿抑制结霜的特点，将二者有机结合，提出蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器［14］，该系统能够避免室外换热器结霜，并能够满足干燥剂的再生，有效提高了系统的低温适应性。本文通过实验，研究该系统在不同环境工况下的抑制结霜性能以及系统稳定性，并通过实验台改造，与传统逆循环除霜进行对比分析。

1 系统原理

该新型系统主要包括两种运行模式，即制热模式和再生模式。其具体流程为：

图1 制热模式原理图Fig.1 Schematic diagram of heating mode

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），在缠绕有冷凝盘管的蓄热水箱（4）冷却成高压的气液两相流，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，在蒸发器（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，最后制冷剂流经电磁阀（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，除湿后的干燥空气（DA）然后经过蒸发器（12），最后，冷却空气（EA）排出蒸发器。由于除湿后的空气露点温度低于蒸发器（12）内制冷剂的蒸发温度，实现空气源热泵无霜运行。

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）冷却成高压的气液两相流，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）和蒸发器（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（14）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蒸发器（12）上，造成下次循环结霜的隐患，在再生模式下，室外空气（OA）首先经过蒸发器（12），再通过除湿换热器（9），吸收干燥剂脱附的水蒸气成为湿空气（MA）后排出。

图2 再生模式原理图Fig.2 Schematic diagram of regeneration mode

2 实验装置及工况

根据普通家用热水需求并参考市场常见热泵热水器，该新型热泵热水器设计额定制热量为2500 W。其核心装置为蓄热装置和除湿换热装置，因此蓄热材料和干燥剂的选择尤为重要。

2.1 蓄热装置

针对该新型热泵系统，蓄热材料的选择除了需要满足相变潜热大、导热系数高等常规要求外，最重要应具备合适的相变温度，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。根据有关学者研究比较［15］，选择CaCl2·6H2O作为相变蓄热材料，其热物性参数如表1所示。

根据董建锴等［16］关于蓄热装置的研究，该系统采用相似的双套螺旋管的套管型蓄热罐，装置具体尺寸如表2所示。本项目设计相变材料充注量为5000 mL，蓄热量为1625 kJ。

2.2 除湿换热装置

除湿换热器采用翅片管换热器结构，即在传统翅片管换热器的翅片表面涂覆干燥剂材料涂层构成。Tu R等［17］的研究发现硅胶作为干燥剂的再生温度为40～50℃，与热泵热水器的冷凝温度一致，因此选用硅胶作为此新型系统的干燥剂，表3所示为本实验除湿换热器的结构参数。

表1 CaCl2·6H2O热物性参数Tab.1 Thermophysical properties of CaCl2·6H2O

表2 蓄热装置尺寸Tab.2 Size of the thermal storage device

表3 除湿换热器上胶量及尺寸大小Tab.3 Properties of the desiccant heat exchanger

2.3 实验台搭建及实验工况

本实验台采用三菱电机（广州）滚动转子式压缩机，型号为 RB174GHAC，额定转速为 2860／3400 r／min（50／60 Hz），理论排气量17.4 cm3／r，单汽缸，额定输入功率750 W；以全铜翅片管换热器作为蒸发器，结构尺寸与除湿换热器相同；水箱内部螺旋缠绕4.6 m长的铜管（ϕ9.52×0.5 mm），水量为60 L；实验在高精度5 HP焓差实验室内完成。此外，在实验台相应位置布置压力及温度测点，传感器误差＜2%，所有测量数据均由计算机自动记录。

本实验主要对室外环境温度为－3℃、0℃、3℃，空气相对含湿量为85%工况下的系统性能进行实验，具体实验工况如表4所示。

表4 实验工况及相关工质参数Tab.4 The experimental conditions and related working fluid parameters

3 实验结果及分析

3.1 除湿换热器出口空气温度

图4所示为一个周期内除湿换热器出口空气温度随时间变化情况。

由图4可以看出，除湿换热器出口空气温度在三种工况下的变化趋势基本相同，在系统运行的前5 min温度会有略微增大，之后持续缓慢下降。这是由于在开始阶段，干燥剂吸湿能力较强，释放大量的吸附热，热量超过制冷剂吸收热量，造成空气温度会有短暂上升；随着时间的推移，干燥剂吸湿能力逐渐减弱，释放的吸附热量减小，少于制冷剂吸收热量，所以空气温度逐渐下降。34 min左右，蒸发换热器表面开始结霜，此时系统切换为再生模式。再生初始阶段，冷凝余热对除湿换热器进行加热，空气温度迅速上升，分别在35 min、37 min、38 min达到最大值 30.5℃、32.8℃、31.64℃，由于蓄热器中的热量逐渐减少，冷凝热量减少，不足以提供足够的再生热量，空气温度逐渐下降。

图3 新型无霜空气源热泵热水器实验台Fig.3 Experimental set up novel frost⁃free ASHPWH system

图4 除湿换热器出口空气温度随时间变化Fig.4 Variation of outlet air temperature of desiccant heat exchanger

3.2 除湿换热器出口空气含湿量

图5所示为一个周期内除湿换热器出口空气含湿量随时间变化情况。

图5 除湿换热器出口空气含湿量随时间变化Fig.5 Variation of outlet air hum idity of desiccant heat exchanger

由图5可以看出，三种工况下的空气初始含湿量分别为2.39 g／kg、3.24 g／kg、4.02 g／kg，系统制热模式运行时，空气经过除湿换热器干燥除湿，含湿量迅速降低为1.43 g／kg、2.13 g／kg、2.87 g／kg，相比于初始含湿量值分别下降了40.2%、34.3%和28.6%。随着干燥剂中含湿量的增大，干燥剂除湿能力减弱，此时空气含湿量呈略微上升状态。

系统切换为再生模式后，冷凝余热加热除湿换热器，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，使得空气含湿量增大；随着蓄热装置内热量的减少，冷凝余热不足，干燥剂脱附效果下降，空气含湿量逐渐减小。

3.3 除湿换热器温度

图6所示为一个周期内除湿换热器表面温度随时间变化情况。

图6 除湿换热器表面温度随时间的变化Fig.6 Variation of surface temperature of desiccant heat exchanger

由图6可以看出，不同工况下的换热器表面温度变化趋势基本一致。制热模式下，换热器表面温度缓慢下降；切换到再生模式后，温度迅速上升，三种工况下达到的最高表面温度分别为50.4℃、55.4℃、60.2℃，根据Tu R等［17］的研究，内冷型固体除湿装置的再生温度为44.7℃，证明该新型系统可以提供合适的温度满足干燥剂的再生需求。

3.4 除湿换热器性能分析

图7所示为干燥剂在不同温度下的除湿率和再生率变化情况。

由图7中可看出：干燥剂除湿率随室外温度的升高而降低，干球温度由－3℃上升到3℃，除湿率由27.7%下降到24.1%，这是因为干燥剂的温度越低，表面水蒸气分压越小，与周围空气形成的水蒸气分压差越大，除湿效率越高。而再生模式下，干燥剂的再生率随室外温度的升高而增大，从66%增大到81%，一方面由于较高的蒸发温度使制热能力增加，蓄热装置储存热量也增加；另一方面，再生模式下的冷凝温度随着蒸发温度升高而升高，有利于干燥剂再生。

3.5 蓄热材料平均温度

图8所示为不同环境温度下蓄热材料平均温度随时间变化情况。

图7 除湿换热器除湿率及再生率在不同工况下的变化Fig.7 Variation of dehum idification rate and regenerate rate of desiccant heat exchanger in different conditions

图8 不同环境温度下蓄热装置平均温度变化Fig.8 Variation of mean temperature of the thermal storage device in different ambient tem perature

如图8所示，在系统运行前10 min内，蓄热材料温度变化程度较大，当达到相变温度后，蓄热体开始相变换热，温度变化趋于平缓，制热模式结束时的平均温度分别为27℃、32℃、35℃，随着室外温度的升高而升高。系统切换为再生模式后，此时蓄热装置充当蒸发器，制冷剂处于蒸发吸热状态，换热系数大，而且蓄热量逐渐减少，蓄热装置平均温度显著下降。

4 无霜热泵系统与逆循环除霜系统性能对比

传统空气源热泵大多采用逆循环除霜，为了更直观反映该新型系统的性能，本课题组对新型无霜热泵系统进行简单的管路改造，移除蓄热装置和除湿换热器，并关闭额外的电磁阀，使其转换为逆循环除霜，并与新型无霜系统对比。

4.1 逆循环除霜流程

当热泵制热量下降为其额定制热量的70%时，启动逆循环除霜过程［18］。此时压缩机暂停，电子膨胀阀开启度最大以平衡系统内部压力，1 min后四通换向阀切换为除霜模式，然后启动压缩机开始除霜。

4.2 压缩比比较

图9所示为0℃环境温度下无霜系统与逆循环除霜系统压缩比随时间变化曲线。

图9 无霜热泵系统与逆循环除霜系统的压缩比对比Fig.9 Comparison of com pression ratio between frost⁃free system and reverse cycle defrosting system

由图9可以看出，在一个运行周期内，新型无霜热泵系统的压缩比逐渐从3.98增大到7.29，而由于少量的霜层增大了室外换热器的粗糙度，气流扰动增强，一定程度上强化了传热效率，所以逆循环除霜系统运行初期的压缩比有减小的趋势。然后霜层的加厚导致换热热阻不断增大，传热效果变差，蒸发温度降低，压缩比随之不断增大。逆循环除霜系统运行到60 min左右时切换为除霜模式，以水箱热水作为低位热源，蒸发温度较高，压缩比显著下降；随着除霜的进行，冷凝温度逐渐上升，压缩比又开始增大。由此可见，新型无霜热泵系统与逆循环除霜系统相比，后者压缩比变化较为剧烈，前者的运行状态相对稳定。

4.3 制热量比较

图10反映了不同工况下，新型无霜热泵系统与逆循环除霜系统制热量的变化情况。可以看出，二者的制热量均随环境温度的升高而增大，在环境温度3℃以下，无霜热泵系统相对逆循环除霜系统制热量较高，主要是由于结霜造成室外换热器热阻增大，换热效果恶化，导致制热量减小。随着环境温度的升高，换热器结霜量减少，对换热效果影响相对较小，而且除霜能耗也减小，制热量差距减小，当环境温度达到3℃时，二者制热量趋于一致。

4.4 COP比较

图11所示为新型系统与逆除霜系统一个制热周期内的平均COP比较。

由图11可以看出，在测试工况下，新型无霜热泵系统的COP始终高于逆循环除霜系统，在－3℃和0℃工况下的差距分别为17.9%和9.93%。一方面由于低温工况下结霜问题导致逆循环除霜系统的制热量相对较小，另一方面新型无霜热泵系统避免了不必要的除霜能耗。不过随着环境温度的升高，制热量差距以及除霜能耗下降，二者COP差距也逐渐减小。由此证明该新型无霜空气源热泵系统具有更优良的低温适应性以及更好的制热性能。

图10 无霜热泵系统与逆循环除霜系统的制热量对比Fig.10 Comparison of heating capacity between frost⁃free system and reverse cycle defrosting system

图11 无霜热泵系统与逆循环除霜系统的COP对比Fig.11 Com parison of COP between frost⁃free system and reverse cycle defrosting system

5 结论

本文对一种新型无霜空气源热泵热水器在不同环境温度下的系统运行性能进行实验研究，并与传统逆循环除霜进行对比分析，通过分析实验数据得到结论如下：

1）在－3℃、0℃和3℃的室外空气温度条件下，系统分别可以保持32 min、34 min、36 min的无霜制热模式运行，而且再生模式下除湿换热器的最高温度分别达到50.4℃、58.4℃、60.2℃，可满足干燥剂脱附再生要求，证明该新型系统无霜运行的可行性。

2）随着室外环境温度从－3℃升高到3℃，干燥剂除湿效率由27.7%下降到24.1%，而再生效率由66%上升到81%，系统COP由2.47增大到3.11。低温环境温度下的干燥剂再生效率以及系统COP都明显降低，所以如何提高干燥剂在低温工况下的再生效率以及系统性能还有待进一步研究。

3）与传统的逆循环除霜热泵系统相比，新型系统压缩比变化较小，运行更稳定。在系统制热量以及COP性能方面，新型无霜系统在低温工况下都显著优于逆循环系统，证明新型系统良好的低温适应性。

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王沣浩，男，博士生导师，教授，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。

About the corresponding author

Wang Fenghao，male，Ph.D.／professor，Director 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.

Experimental Research on a Novel Frost⁃free Air⁃source Heat Pump Water Heater System Coupling with Thermal Storage and Dehum idification

Hao Pengfei1Wang Fenghao1Wang Zhihua2Wang Tian1

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

A novel frost⁃free air⁃source heat pump water heater applying dehumidification device and thermal storage on the basis of tradi⁃tional system is studied in this paper.The operation mode of this system includes heating mode and regeneration mode.An experimental apparatus is built up to study this system，and according to the experiment，the frost⁃free operating time of this system is 32 min，34 min and 36min respectively when the temperature of air is－3℃，0℃，3℃ and the relative humidity is 85%.And the temperature is high enough for the regeneration of desiccant，which could keep the heat pump heating water continuously.Besides，the COP of this system at temperature of－3℃and 3℃is 17.9%and 3.4%higher than the reverse cycle defrosting system in the same conditions，which proves that this new system has better performance under low environment temperature.

air⁃source heat pump；frost⁃free；desiccant；thermal storage；water heater

TQ051.5；TK114；TU822

A

0253－4339（2015）04－0085－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.085

简介

2014年12月9日