无霜空气源热泵系统冬季再生性能初步实验

(东南大学能源与环境学院 南京 210096)

冬季，空气源热泵面临严重的结霜问题,结霜导致空气流通面积减少，室外换热器蒸发温度下降、机组制热量减少、风机性能衰减、输入电流增大、供热性能系数降低，严重时压缩机会停止运行，以致机组不能正常工作[1-4]，学者们提出了多种解决办法。电融霜是一种简单、可操作性强的方法，但效率较低，换向融霜可以克服电融霜的一些缺点，但会带来室内热舒适度低和系统运行不稳定的问题。针对上述问题，大量学者从抑制结霜和缩短融霜时间的角度出发，对蒸发器表面翅片的材料及翅片的形状、大小、安装方式等进行了研究，开发出一系列优于传统翅片性能的新型翅片，在此基础上除霜方式也有所创新[5-8]。杨军红[9]为解决空气源CO2热泵在低温、高湿环境下的除霜问题，设计出一种CO2热泵智能除霜方法，即在CO2热泵压缩机排气端与蒸发器之间安装旁通管路，除霜时打开旁通管路将CO2热泵高压端的高温、高压气体直接送入蒸发器以达到除霜的目的。实际应用表明，该除霜方式能够很好的解决CO2热泵在低温、高湿环境下运行时的除霜问题，其除霜稳定、可靠、干净。胡斌等[10-11]研究了采用热气旁通除霜的空气源跨临界CO2热泵系统，重点分析了该系统除霜工况时的参数变化及蒸发器侧结霜情况，研究表明，采用热气除霜的跨临界CO2热泵系统可以高效、合理地运行。高强等[12]根据成霜原理提出了新型无霜空气源热泵系统，并通过实验研究了该系统的性能，得出该系统具有可行性且节能效果显著。李念平等[13]通过对应用热源塔式空气源热泵实际工程案例的经济性分析，得出热源塔式空气源热泵具有较高的节能潜力。许东晟等[14]研究了不同喷淋溶液质量和浓度对无霜空气源热泵系统性能的影响，并研究了室外条件对除湿和结霜的影响，为无霜空气源热泵系统的应用提供参考。王志华等[15]提出一种新型无霜空气源热泵热水器并实验验证了新型系统的可行性，与传统除霜系统相比，在环境温度为0 ℃，相对湿度为80%工况下，其COP比热气旁通除霜系统和电除霜系统分别高7.25%和46.30%。姚杨等[16]从液体除湿的角度出发，提出了喷淋除湿溶液来实现无霜运行的空气源热泵系统，发现该系统可靠性高，没有介入制冷剂循环，在常规模式和防霜模式之间切换时对系统冲击小，“防霜”模式运行时，送风温差比常规系统高1.5 ℃，供热量高6%，但喷淋溶液时系统COP 略低于常规系统的平均COP[17]。Jiang Yiqiang[18]选定甘油水溶液作为喷淋溶液，并指出溶液质量浓度为50%，质量流量为0.077 kg/s时,系统综合能效最高。Su Wei等[19]提出并研究了一种新型无霜空气源热泵(ASHP)与膜式液体干燥剂除湿加湿相结合的方法，发现在分析参数的变化范围内系统的显热COP和总COP分别比传统的逆循环除霜ASHP系统高37.70%和64.30%。

1 系统描述

无霜空气源热泵系统如图1所示，主要包括压缩机、电子膨胀阀、旁通阀、翅片盘管换热器、板式换热器、储液罐、过滤器、四通换向阀、溶液塔(冷却塔)、溶液泵、轴流风机、风阀，该系统主要由热泵循环、液体除湿/再生循环(夏季蒸发冷却循环)组成，具有冬夏季双高效的运行特性。机组分为夏季工况和冬季工况运行，冬季工况分为两种模式，包括供热模式和再生模式：夏季工况时溶液塔(冷却塔)内循环工质为水而冬季为除湿溶液，本文针对冬季再生工况下系统性能进行实验研究。

图1 无霜空气源热泵系统Fig.1 Forst-free air source heat pump system

夏季模式：蒸发冷却循环和热泵循环持续工作溶液塔中装水。阀门1、电子膨胀阀2、风阀1、2、3、4和溶液泵、水泵和风机都是打开的，其他阀门都是完全关闭的。对于热泵，低温和低压制冷剂被压缩机压缩，然后流入翅片盘管换热器2并将所有热量释放到空气中。随后制冷剂先后通过阀门1、板式换热器2、制冷剂进一步冷却,再通过电子膨胀阀2节流、储液罐、过滤器和板式换热器1，室外空气首先经过冷却塔的冷却水蒸发冷却降温,这样可以增加过冷度,因为环境空气通过翅片盘管换热器的温度更低并带着水滴(可以气化吸热)。

供热模式：除湿循环和热泵循环持续工作。电子膨胀阀2、阀门1、3、4、风阀1、2和溶液泵、水泵和风机都是打开的，其他阀门都是完全关闭的。对于热泵，低温和低压制冷剂通过压缩机压缩，然后流入板式换热器1，将所有的热量释放到冷却水中。随后通过过滤器、储液罐、电子膨胀阀2进行节流，并依次通过板式换热器2、阀门1和翅片盘管换热器2，制冷剂从溶液和环境空气中吸收热量。室外空气首先通过溶液的除湿，使系统可以实现无霜操作，因为环境空气的露点温度降至蒸发器温度以下。

再生模式：除湿后的溶液被稀释，逐渐丧失除湿能力，因而需要再生，此时在原供热工况需将阀门1打开，电子膨胀阀1关闭，风阀1、2关闭，循环风道风阀3打开，冷凝后的高压中温制冷剂液体在板式换热器中将冷凝余热传给稀溶液，使其温度升高，表面水蒸气分压力升高后与空气进行传热传质，空气吸收水分后，到翅片式蒸发器中冷凝出水降温降湿在风道中不断循环，直至溶液重新获得除湿能力。

该热泵系统压缩机采用全封闭定频转子压缩机，型号为RS221VACC，额定功率为1.03 kW，额定COP为3.18，制冷剂为R22，采用调节供热水侧空气处理机组风量的方式使系统冷凝温度维持在45 ℃。溶液侧采用板式换热器，空气侧采用翅片盘管式换热器，节流阀采用电子膨胀阀，并通过电子膨胀阀控制器对过热度进行自动调节，实现系统稳定运行。测量设备详细参数如表1所示。

表1 测量设备详细参数Tab.1 Measuring equipment parameters

2 性能指标

再生量是指系统运行时单位时间空气通过溶液塔时带走溶液中水蒸气的量，相同时间内再生量越大，再生性能越好，定义如下：

mr,w=ma(din-dout)

(1)

式中：mr,w为除湿量，g/s；ma为空气质量流量，kg/s；din为溶液塔入口空气湿度，g/(kg干空气)；dout为溶液塔出口空气湿度，g/(kg干空气)。

再生效率是指系统运行时溶液塔进出口空气湿度差比上溶液塔入口空气与溶液塔入口溶液状态相平衡时空气湿度差，定义如下：

(2)

式中：ε为再生效率；da,in为溶液塔入口空气湿度， g/(kg干空气)；da,out为溶液塔出口口空气湿度，g/(kg干空气)；da,equ为空气与溶液塔入口状态相平衡的空气湿度，g/(kg干空气)。

3 实验结果分析

根据实验数据进行多元回归分析，得出再生量与再生效率的回归方程：

(3)

(4)

式中：mr,w为再生量，g/s；ε为再生效率；Ga为空气流量，m3/h；Gs为溶液流量，m3/h；ts,in为溶液进口温度，K；ξ为溶液质量浓度。

图2和图3所示分别为回归分析拟合出的再生量和再生效率计算值与实验值的对比。可以看出两个拟合公式的相对误差小、拟合度高，再生量的平均相对误差为0.31%，再生效率的平均相对误差为0.56%，说明根据实验数据回归的公式能够较为准确的计算再生量和再生效率用于分析系统的再生性能。分析拟合得出的关联式可得各参数对系统再生性能的影响，为该无霜空气源热泵系统设计提供理论基础，分析时基于表2的工况，当研究量变动时，其他参数取基准值。

图2 再生量实验值与计算值对比Fig.2 Comparison of the experimental value and the calculated value of the regenerated quantity

图3 再生效率实验值与计算值的对比Fig.3 Comparison of the experimental and calculated values of the regenerative efficiency

参数变化范围基准值空气流量q/(m3/h)200～600600溶液温度t/℃25～3530溶液流量q/(m3/h)0.5～0.90.9溶液质量浓度ε0.25～0.300.27

图4所示为溶液塔入口空气流量对系统再生量和再生效率的影响。由图4可知，当空气流量从200 m3/h升至600 m3/h，系统再生量从0.26 g/s升至0.48 g/s，而再生效率随空气流量的下降则增加了26.00%。随着空气流量的上升，单位质量空气和溶液的传质接触时间变短，传质不充分，而空气流量的增大使传热增强，溶液出口温度下降，进而溶液平均表面水蒸气分压力减小，减小了传质驱动力，最终使再生效率减小，但由于风量的增大，再生量反而有所增加。

图4 溶液塔入口空气流量对系统再生量和再生效率的影响Fig.4 Effect of inlet air flow rate of solution tower on system regeneration capacity and regeneration efficiency

图5所示为溶液塔入口溶液温度对系统再生量和再生效率的影响。由图5可知，当溶液温度从25 ℃升至35 ℃时，系统再生量从0.35 g/s升至0.76 g/s，而再生效率基本保持不变。随着溶液入口温度的提升，空气和溶液的传质驱动力增大，空气出口含湿量增大进而再生量增大，而此时进口空气含湿量与溶液入口平衡时的空气含湿量差也增大，两者比值变化较小。

图5 溶液塔入口溶液温度对系统再生量和再生效率的影响Fig.5 Effect of solution temperature of solution tower on regeneration rate and regeneration efficiency of system

图6所示为溶液流量对系统再生量和再生效率的影响。由图6可知，当溶液流量从0.5 m3/h升至0.9 m3/h时，系统再生量从0.38 g/s升至0.48 g/s增长了26.30%，而再生效率从0.44升至0.50增长了13.63%。随着溶液流量的提升，填料表面溶液更新速率增大，溶液温降减小，传质驱动力增大，空气出口含湿量增大进而再生量和再生效率增大。

图6 溶液流量对系统再生量和再生效率的影响Fig.6 Effect of solution flow rate on system regeneration rate and regeneration efficiency

图7所示为溶液质量浓度对系统再生量和再生效率的影响。由图7可知，当质量浓度从0.25升至0.30时，系统再生量从0.49 g/s降至0.46 g/s降低了6.10%，而再生效率基本保持不变。随着溶液质量浓度的增大，填料表面溶液水蒸气分压力减小，传质驱动力减小，空气进出口含湿量差减小进而再生量减小，而此时进口空气含湿量与溶液入口平衡时的空气含湿量差也减小，两者比值变化较小，故再生效率变化较小。

图7 溶液质量浓度对系统再生量和再生效率的影响Fig.7 Effect of solution mass concentration on regeneration rate and regeneration efficiency

4 结论

1)实验研究了室外干球温度为0 ℃，相对湿度为75%环境条件下的再生工况，得到溶液塔入口空气流量、溶液温度、溶液流量、溶液质量浓度对系统再生性能的影响，并对再生模式的实验数据进行回归分析，拟合得出计算再生量与再生效率的关联式，且相对误差小、拟合度高。

2)空气流量从200 m3/h升至600 m3/h，再生量随之从0.26 g/s升至0.48 g/s，再生效率则从0.63降至0.50，影响均较为显著，适当降低空气流量有利于提高再生效率。

3)溶液温度从25 ℃升至35 ℃，再生量随之从0.35 g/s升至0.76 g/s，再生效率基本保持不变，提高溶液温度在本研究范围内有利于加快溶液的再生。

4)溶液流量从0.5 m3/h升至0.9 m3/h，系统再生量从0.38 g/s升至0.48 g/s，再生效率从0.44升至0.50，适当提高溶液流量有利于溶液的快速再生。

5)溶液质量浓度从0.25升至0.30，系统再生量从0.49 g/s降至0.46 g/s，再生效率变化较小，溶液质量浓度对再生性能影响不显著。