融霜工况下压缩机运行频率对空气源热泵机组制热性能的影响

翁文兵，李 晓，李 霞

（上海理工大学，上海 200093）

0 引言

空气源热泵空调是我国夏热冬冷地区主要的冬季采暖方式，在我国华北地区，空气源热泵也越来越多地被应用于清洁能源改造的“煤改电”工程［1-4］。在冬季，当室外侧换热器表面温度低于0 ℃时，空气源热泵往往会出现结霜现象［5］。霜层的增加会导致室外换热器与空气间的热阻也相应地增加，当霜层积累到一定厚度，机组性能严重衰竭［6-9］，此时机组会进入融霜程序，机组采用逆循环除霜［10-16］，通过将室外换热器转换成冷凝器，融化换热器表面的霜层。融霜过程不但耗功，而且还消耗使用侧热量，对空气源热泵的性能和效率有较大的影响。因此，对于空气源热泵空调系统的结霜、融霜研究显得十分重要。文献［17］实验研究了正常制热工况下压缩机频率改变对压缩机输入功率、制热量和COP的影响，结果表明，当频率小于50 Hz时压缩机的输入功率和制热量基本与频率呈线性关系，频率大于50 Hz后，它们随频率增加的趋势明显变小。文献［18］实验研究了结霜工况下压缩机降速运行对平均结霜速率和结除霜过程总能效比的影响，并得出压缩机降速调节使平均结霜速率减小，总能效比增大，有改善热泵机组结霜程度，提升热泵机组供热能效的效果。

本文通过试验对融霜工况下空气源热泵机组在不同频率下的特性进行了研究，得出了热泵机组主要运行参数随压缩机运行频率的变化情况，并对试验结果进行了分析并得出相关结论。

1 融霜工况空气源热泵测试系统

1.1 系统原理

图1示出了空气源热泵系统原理图，本样机名义制热工况下额定制热量为16 331 W，额定频率为70 Hz。制热运行时，压缩机出口的高温高压气态制冷剂通过四通换向阀进入板式换热器的制冷剂侧与水进行换热，恒温水系统给板换提供恒定的进水温度和水流量，并计量板换的瞬时换热量，通过瞬时换热量的积分，可得机组的累计产热量。

图1 空气源热泵系统原理Fig.1 Schematic diagram of air source heat pump system

表1为本次研究的试验工况，试验在空气源热泵测试室中进行。试验采用了定制样机，机组的运行频率为50～85 Hz，每5 Hz一档。融霜工况为非稳定工况，定义一次融霜结束至下一次融霜结束为一个制热-融霜周期，简称制热周期。该周期包括一个制热过程和一个融霜过程。

表1 测试工况Tab.1 Test conditions

1.2 融霜开始与结束判断条件

在融霜工况下，热泵机组的换热温差会随着霜层厚度的增加而降低，因此可以用空气温度与蒸发温度差作为启动融霜的依据，当温差超过设定阈值时，启动融霜过程。该阈值与环境温度和压缩机运行频率有关，通常为该频率无霜状态时换热温度的1.5～2倍。如运行频率为60 Hz时，无霜状态下的环境与蒸发温度差为6 ℃，融霜设定阈值为11 ℃。融霜过程中，机组压缩机运行频率固定为45 Hz，四通换向阀失电，机组进入制冷模式运行。几分钟后，盘管温度开始上升，说明霜层已基本融化。本试验以盘管温度>25 ℃作为融霜结束的判断条件，当满足此条件时，机组退出融霜过程，四通换向阀上电，重新进入制热过程。

2 测试结果分析

2.1 制热过程瞬时数据变化分析

2.1.1 制热过程热泵机组瞬时制热量变化分析

不同压缩机运行频率，热泵机组瞬时制热量不同。图2示出了热泵机组在一个制热周期内，制热过程的制热量随时间的变化，曲线结束时间为制热结束融霜开始的时间点。从图中可以看出，在开始阶段，压缩机高频工作时，机组的制热量明显高于压缩机低频工作时的制热量。压缩机低频运行时，整个阶段的制热量的变化较为平缓，制热的持续时间也较长。随着压缩机频率的增加，机组的制热过程持续时间变短，制热量的衰减加快，而且频率越高，衰减越快。50 Hz运行时，机组融霜前的制热量比最大制热量下降22.8%，而80 Hz运行时，机组融霜前的制热量比最大制热量下降36.5%。然而，机组在各个频率下进入融霜过程前的制热量却相差无几，均在8 000 W左右。

图2 热泵机组瞬时制热量随时间的变化Fig.2 Changes of instantaneous heating output of heat pump unit with time

2.1.2 制热过程压缩机瞬时功率变化分析

图3示出了吸气压力随时间的变化。图4示出了热泵机组在不同压缩机运行频率下，瞬时功率随时间的变化。在相对稳定时间段内，压缩机频率越高，机组的功率越大。当运行频率较低时，机组功率在整个制热过程内变化不大，而当运行频率较高时，瞬时功率会随时间的推移，迅速下降，对照图2，3可以发现，此时的吸气压力也迅速下降，瞬时制热量也下降迅速，这说明当压缩机运行频率较高时，不但使制热周期变短，而且霜层对机组传热性能和功率的影响也较低频时大。

图3 吸气压力随时间的变化Fig.3 Changes of suction pressure with time

图4 压缩机瞬时功率随时间的变化Fig.4 Changes of instantaneous power of compressor with time

2.1.3 制热过程热泵机组瞬时COP变化分析

图5示出了制热过程中，机组制热性能系数COP随时间的变化。从图中可以看出，热泵机组COP在低频时明显较高，而且整个制热阶段COP的降幅校小。50 Hz时，COP最低值为最高值的20.4%，而80 Hz时，COP的最低值为最高值的32.1%。

图5 热泵机组瞬时COP随时间的变化Fig.5 Changes in instantaneous COP of heat pump unit with time

2.2 制热-融霜周期积分数据变化分析

2.2.1 制热周期随频率变化分析

图6示出了制热周期随压缩机运行频率的变化。机组的制热周期与运行频率有明显的单调递减关系。热泵机组在低频运转时的制热周期明显长于高频时的周期。如50 Hz时机组的周期为110 min，而85 Hz时，周期不到60 min，大约只有前者的55%，这主要是由于频率增大时，机组的蒸发温度降低，结霜速度加快，导致制热周期变短。

图6 制热周期随频率的变化Fig.6 Changes of heating cycle with frequency

2.2.2 周期产热量与融霜耗热量随频率变化分析

本文对不同压缩机运行频率下热泵机组的结霜量、周期产热量、融霜耗热量、融霜损耗比进行了计算，具体如下。

周期产热量为制热周期内制热过程总制热量，按下式计算：

式中 Q1——产热量，kJ；

t1——制热过程结束时间，s；

t0——起始时间，即周期开始时间，s，t0=0；

q（t）—— 瞬时制热量，kW，融霜时此值为负。

融霜耗热量为融霜过程所消耗的热量，按下式计算：

式中 Q2——融霜耗热量，kJ；

t2——融霜过程结束时间，s。

融霜损耗比为融霜耗热量与周期产热量的比值。此值表征机组在融霜工况下融霜过程的相对损耗。

结霜量为制热周期所产生的霜的质量，采用融霜称重法，将每次融霜产生的水进行称重测量。

图7示出了机组一个周期内产热量和融霜耗热量随频率的变化，可以看出在50～80 Hz范围内，机组的周期产热量变化不大，85 Hz时，周期产热量有明显的下降。融霜耗热量随着频率的增加略有上升，当频率大于70 Hz后，趋于稳定。

图7 周期产热量与融霜耗热量随频率的变化Fig.7 Changes of heating output and defrosting heat consumption with frequency in heating cycle

图8示出了结霜量和融霜损耗比随频率的变化，可以看出结霜量在整个试验范围内变化不大，融霜损耗比随频率升高缓慢上升。

图8 结霜量与融霜损耗比随频率的变化Fig.8 Changes of frost amount and defrost loss ratio with frequency

总的来说，在80 Hz以下范围，运行频率变化对周期产热量、融霜耗热量、融霜损耗比影响不大，当频率为85 Hz时，周期产热量显著下降、融霜损耗比增加。周期产热量随着整个实验的范围内变化不大。

2.2.3 有效融霜热量与有效融霜率随频率变化分析

有效融霜热量为将霜层融化所需的溶解热。有效融霜率为有效融霜热量与融霜耗热量之比（不含融霜过程中压缩机耗功），表征了融霜过程中，理想融霜所需热量与实际消耗热量之比。

图9示出了热泵机组有效融霜热量和有效融霜率随时间的变化。可以看出，不同压缩机运行频率各制热周期的有效融霜率基本相同，为30%左右，说明融霜过程中70%的融霜耗热量用于加热盘管和其他损耗。

图9 有效融霜热量与有效融霜率随频率的变化Fig.9 Changes of effective defrosting heat and effective defrosting rate with frequency

2.3 制热周期平均数据变化分析

2.3.1 周期平均蒸发温度随频率变化分析

热泵机组制热运行时，蒸发温度不断变化，本文采用周期平均蒸发温度来表征运行过程中的蒸发温度。

周期平均蒸发温度为制热过程中蒸发温度平稳下降段的平均值。蒸发温度平稳下降段取热泵机组制热运行后蒸发温度下降5 ℃的时间段。图10示出了不同压缩机运行频率周期平均蒸发温度变化情况。由图可知，随着压缩机运行频率提高，平均蒸发温度呈线性下降趋势，从50 Hz时的-3.1 ℃，降到85 Hz时的-7.5 ℃，蒸发温度下降导致了机组的制热周期变短和制热效率降低。

图10 周期平均蒸发温度随频率的变化Fig.10 Changes of average evaporation temperature with frequency in the cycle

2.3.2 周期平均制热量、平均功率和平均COP随频率变化分析

融霜工况是非稳态运行工况，因此可以用平均参数来反映热泵机组特性。

周期平均制热量反映一个周期时间段内扣除了融霜耗热量后的有效平均制热量。

定义式如下：

式中 q——周期平均制热量，W。

如图11所示，机组的周期平均功率随频率增加呈线性上升，平均COP随频率线性下降。周期平均制热量随着运行频率提高缓慢增大，且变化趋势逐渐变缓，在80 Hz时达最大值，然后呈下降趋势。这是由于压缩机频率提高，结霜速率增加，热泵机组融霜频繁，因此热泵机组的周期平均制热量并没有随压缩机运行频率同步提高，甚至在高频时出现下降。

图11 周期各平均值随频率的变化Fig.11 Changes of mean values with frequency in the cycle

这表明在频率较低时，频率的提高可以增加制热量，但导致了制热效率COP的降低。当频率为80 Hz时，机组的制热量达到了最大值，继续增大频率，反而使有效平均制热量下降。

2.4 运行频率增加对平均制热量和功率增加量的影响

对比在各个频率下，频率增加对周期平均制热量、平均功率的增加量的影响更能反映出频率增加对热泵性能的影响。二者定义式如下：

式中 ΔQ（F），ΔP（F）—— 每 5 Hz平均制热量增量、每5 Hz平均功率增量，W；

Q（F），P（F）—— 当前频率平均制热量、平均功率，W；

Q（F-5），P（F-5）—— 上一频率平均制热量、平均功率，W。

图12示出了运行频率每增加5 Hz，热泵机组周期平均制热量增量、平均功率增量与频率的关系。从图中可以看出，在73 Hz之前热泵机组周期平均制热量增量大于平均功率增量，当频率为73 Hz时，增加的制热量等于增加的功率，频率大于73 Hz时，制热量的增加不及功率的增加，即提高频率后的整机效率，不如固定频率73 Hz加辅助电热的整机效率。当频率大于80 Hz时，周期平均制热量随频率负增长。

图12 每5 Hz制热量增量与功率增量随频率的变化Fig.12 Changes of heating increment and power increment per 5 Hz with frequency

图12中在频率较低时，每5 Hz功率增加量随频率增加缓慢增加，当频率大于70 Hz后，由于单位容积功下降，所以功率的增量也呈下降趋势。

3 结论

（1）制热-融霜周期随机组运行频率的变化非常敏感，降低运行频率可以有效延长制热-融霜周期。

（2）热泵机组蒸发压力、COP随频率增加均呈下降趋势，功率随频率增加呈上升趋势。

（3）在试验工况下，一个周期内热泵机组的有效融霜热量、融霜耗热量、结霜量随频率变化不大，周期产热量在80 Hz之前基本不变，在85 Hz时出现下降。

（4）在试验工况下，热泵机组周期平均制热量随压缩机运行频率的提高先上升后下降，在80 Hz达到最大值。之后频率的增加反而会导致制热量的降低。

（5）在试验工况下，当运行频率大于73 Hz时，每增加5 Hz引起平均制热量增加量比平均功率增加量少，提高频率后的整机效率，不如固定频率73 Hz加辅助电热的整机效率，此时提高运行频率不及采用电辅热更节能。