唐雍博，曲明璐，秦瑞豐，余 倩，彭 博

（1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.中國(guó)聯(lián)合工程公司，杭州 310052；

3.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200030）

近年來(lái)，針對(duì)空氣源熱泵在低溫環(huán)境中使用的弊端，眾多專家學(xué)者對(duì)提高空氣源熱泵低溫適用性展開(kāi)了研究[1-3]。復(fù)疊式空氣源熱泵是有效解決低溫適用性的方法之一[4]。

但是復(fù)疊式空氣源熱泵和常規(guī)空氣源熱泵一樣，當(dāng)室外盤管溫度低于室外空氣的露點(diǎn)溫度，且低于0℃時(shí)，室外盤管就會(huì)結(jié)霜[5]，從而導(dǎo)致熱泵運(yùn)行性能惡化，能量轉(zhuǎn)化效率降低。因此，為了保證機(jī)組運(yùn)行良好，需對(duì)室外機(jī)進(jìn)行周期性除霜。

當(dāng)前，眾多除霜方法中應(yīng)用最廣泛的方式是熱氣除霜，分為逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜，但這兩種方法都有弊端。開(kāi)啟逆循環(huán)除霜時(shí)，由于室內(nèi)風(fēng)機(jī)關(guān)閉，導(dǎo)致室內(nèi)的取熱量很小。當(dāng)盤管溫度很低時(shí)制冷劑無(wú)法再?gòu)闹形諢崃浚舭l(fā)溫度和蒸發(fā)壓力明顯下降，可能發(fā)生低壓保護(hù)或濕壓縮，最終導(dǎo)致熱泵機(jī)組停機(jī)甚至壓縮機(jī)損壞[6]。熱氣旁通除霜方式雖然在一定程度上改進(jìn)了除霜性能，且對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境影響較小，但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)室外溫度低于某一值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)難以除盡換熱器表面霜層的現(xiàn)象[7]。針對(duì)以上弊端，曲明璐等[8-10]提出了使用水作為蓄熱材料的蓄能除霜方法，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：復(fù)疊式空氣源熱泵采用蓄能除霜方法相較于熱氣旁通除霜方法，除霜時(shí)間減少了71.4%以上，除霜能耗降低65.1%以上。但由于水的顯熱蓄熱不足，在低溫級(jí)除霜和高溫級(jí)制熱同時(shí)進(jìn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)高低溫級(jí)的吸氣壓力均較低的情況，制熱量有限。

針對(duì)蓄熱量不足這個(gè)問(wèn)題，本文采用相變蓄能方法對(duì)蓄熱器進(jìn)行了改進(jìn)，并且針對(duì)蓄能除霜系統(tǒng)在幾種低溫工況下的適應(yīng)性進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)工作原理

圖 1 為復(fù)疊式空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)主要由3 部分組成，分別是高、低溫級(jí)循環(huán)和蓄熱器。圖中，F(xiàn)1，F(xiàn)3，F(xiàn)5，F(xiàn)9，F(xiàn)11 為球閥，F(xiàn)2，F(xiàn)4，F(xiàn)6，F(xiàn)7，F(xiàn)8，F(xiàn)10 為電磁閥。高、低溫級(jí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)工質(zhì)分別為R134a 和R410A。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要運(yùn)行3 種模式：常規(guī)制熱模式、蓄熱模式和不間斷制熱蓄能除霜模式。

圖1 蓄能復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the energy storage based cascade air source heat pump system

開(kāi)啟常規(guī)制熱模式時(shí)，低溫級(jí)循環(huán)工質(zhì)從室外機(jī)吸熱進(jìn)入蒸發(fā)冷凝器放熱，高溫級(jí)工質(zhì)從蒸發(fā)冷凝器吸熱進(jìn)入室內(nèi)機(jī)放熱。蓄熱模式與常規(guī)制熱模式區(qū)別在于：低溫級(jí)工質(zhì)從室外機(jī)吸熱后首先經(jīng)過(guò)蓄熱器蓄熱再進(jìn)入蒸發(fā)冷凝器冷凝放熱；高溫級(jí)工質(zhì)的循環(huán)狀態(tài)則與常規(guī)制熱模式時(shí)相同。開(kāi)啟蓄能除霜模式時(shí)，室外機(jī)風(fēng)機(jī)關(guān)機(jī)，四通換向閥換向，低溫級(jí)工質(zhì)從蓄熱器吸熱后進(jìn)入室外機(jī)冷凝除霜；同時(shí)高溫級(jí)工質(zhì)也從蓄熱器吸熱后進(jìn)入室內(nèi)機(jī)放熱。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)控制圖 1，開(kāi)、閉相關(guān)閥門運(yùn)行以上3 種模式。各模式下相應(yīng)開(kāi)啟的閥門如表 1所示，其余閥門關(guān)閉。

表1 各模式下相應(yīng)開(kāi)啟的閥門Tab.1 Open valves in different modes

1.2 蓄熱器設(shè)計(jì)

1.2.1 相變材料選擇

本實(shí)驗(yàn)選取16.7 kg 的有機(jī)相變材料RT10HC為蓄熱材料，主要性質(zhì)如表 2 所示。

表2 相變材料RT10HC 特性Tab.2 Properties of PCM RT10HC

1.2.2 蓄熱器結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)中選用的蓄熱器結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，其中管口1～4 分別為制冷劑高溫級(jí)進(jìn)口、高溫級(jí)出口、低溫級(jí)進(jìn)口、低溫級(jí)出口。由分液器分別引出3 排分管。蓄熱器里蓄熱材料在蓄熱運(yùn)行時(shí)吸收儲(chǔ)存熱量；除霜運(yùn)行時(shí)釋放熱量。蓄熱時(shí)，制冷劑從3 號(hào)口流入，通過(guò)分液器流入2，4，6 排管道加熱管外蓄熱材料，冷凝放熱后從4 號(hào)口流出。蓄能除霜時(shí)，高溫級(jí)制冷劑從1 號(hào)口流入，通過(guò)分液器流入1，3，5 排管道，吸收管外熱量后從2 號(hào)口流出。蓄熱器內(nèi)布置了24 個(gè)測(cè)點(diǎn)，蓄熱器內(nèi)相變材料的平均溫度取24 個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值。

圖2 蓄熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the heat storage tank

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)在上海理工大學(xué)的焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。為了證明相變蓄能除霜方法在更廣室外溫度范圍使用的有效性，本文在不同低溫環(huán)境下進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)。本相變蓄能除霜實(shí)驗(yàn)總共做了6 個(gè)工況，其中工況2 為重度結(jié)霜，工況6 為中度結(jié)霜，工況1，3，4 介于中度和重度結(jié)霜之間，工況5 為輕度結(jié)霜。結(jié)霜程度的判斷主要根據(jù)除霜后測(cè)得的融霜水質(zhì)量來(lái)衡量，質(zhì)量大于2.5 kg的作為重度結(jié)霜，融霜水質(zhì)量在1 kg 左右的作為中度結(jié)霜。室內(nèi)側(cè)模擬工況干球溫度為22±0.1℃，相對(duì)濕度為50%±3%。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段系統(tǒng)開(kāi)啟常規(guī)制熱模式，待低溫級(jí)排氣溫度穩(wěn)定后切換到蓄熱模式，觀察到蓄熱器低溫級(jí)進(jìn)出口溫差基本不變時(shí)，判斷蓄熱結(jié)束。此后重新切換為常規(guī)制熱模式，直至結(jié)霜結(jié)束，結(jié)霜時(shí)間根據(jù)供熱量下降程度以及人工觀察室外側(cè)機(jī)組結(jié)霜情況進(jìn)行控制。

蓄能除霜實(shí)驗(yàn)制熱過(guò)程結(jié)束后，低溫級(jí)機(jī)組停機(jī)60 s 以平衡系統(tǒng)壓力，之后開(kāi)啟不間斷蓄熱除霜模式，直至除霜結(jié)束。除霜終止時(shí)間根據(jù)室外換熱器最底層盤管溫度達(dá)到2 ℃左右以及人工觀察室外換熱器表面情況來(lái)判斷。

2.2 蓄熱器放熱量計(jì)算

蓄熱器內(nèi)相變材料的放熱量計(jì)算如下：

式中：QHE為蓄熱器提供的總熱量，kJ；QS為相變材料提供的顯熱量，kJ；QL為相變材料提供的潛熱量，kJ；C 為相變材料的比熱容，kJ/（kg·K）；m 為相變材料質(zhì)量，kg；Δt 為除霜前后相變材料溫差，℃；LPCM為相變潛熱，kJ/kg。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表 3 給出了相變蓄能除霜方法的實(shí)驗(yàn)工況及相關(guān)內(nèi)容匯總。從表中可以看出，各工況下系統(tǒng)除霜所需時(shí)間都在520～770 s 范圍內(nèi)，對(duì)比文獻(xiàn)[7]中，使用熱氣旁通除霜時(shí)，1.68 kg 的融霜水對(duì)應(yīng)的除霜時(shí)間為35 min，本系統(tǒng)的除霜效果比較理想。此外可以看出在室外溫度?15℃以上時(shí)，蓄熱結(jié)束后相變材料的溫度都可在16℃以上，低位熱源充足。而室外溫度?18℃時(shí)，蓄熱結(jié)束時(shí)蓄熱材料平均溫度在10～12℃之間。由于潛熱用盡后，顯熱釋熱慢，容易導(dǎo)致除霜時(shí)間變長(zhǎng)，除霜期排氣壓力過(guò)低。本實(shí)驗(yàn)在室外溫度?18℃工況下，工況6 除霜結(jié)束時(shí)雖然室外機(jī)最底層盤管未達(dá)到2℃，但觀察室外機(jī)除霜狀況，基本除霜完全，因此判斷蓄熱量滿足除霜需要。

除霜期蓄熱器的供熱量與結(jié)霜程度有關(guān)，重度結(jié)霜工況下蓄熱器供熱量最大，輕度結(jié)霜時(shí)蓄熱器供熱量最小。6 種工況下，除霜期高溫級(jí)平均供熱量達(dá)到正常制熱時(shí)的57.4%以上，因此除霜期對(duì)室內(nèi)供熱量影響較低。

表3 實(shí)驗(yàn)工況及結(jié)果Tab.3 Experimental conditions and main results

本文主要分析在環(huán)境溫度?9℃時(shí)，在中度（工況1）和重度（工況2）兩結(jié)霜情況下的系統(tǒng)除霜運(yùn)行特性。

2.3.1 除霜期低溫級(jí)運(yùn)行特性分析

圖 3 為系統(tǒng)除霜期低溫級(jí)吸氣壓力的變化，由于工況1 結(jié)霜時(shí)間短，結(jié)霜量較小，因此除霜啟動(dòng)時(shí)刻工況1 的低溫級(jí)吸氣壓力高于工況2。除霜啟動(dòng)后受四通換向閥換向影響，吸氣壓力都迅速降低，之后隨著低溫級(jí)制冷劑流量增大，吸氣壓力迅速升高。此后進(jìn)入霜層融化的主要階段，吸氣壓力緩慢下降。由于工況1 結(jié)霜量較工況2 少，因此融霜過(guò)程更迅速，180 s 時(shí)降到最低0.243 MPa。工況2 由于結(jié)霜量更大，因此霜層融化階段持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，在330 s 時(shí)降到最低點(diǎn)0.212 MPa。之后隨著室外機(jī)表面霜層的融化，吸氣壓力又緩慢上升。除霜終止時(shí)，兩實(shí)驗(yàn)工況的吸 氣壓力分別達(dá)到0.306 MPa 和0.254 MPa。

圖3 低溫級(jí)吸氣壓力變化Fig.3 Variations of the suction pressure of low temperature cycle

從低溫級(jí)吸氣壓力變化趨勢(shì)來(lái)看，結(jié)霜量大的，吸氣壓力整體呈較低趨勢(shì)。工況2 雖然為重度結(jié)霜，但過(guò)程中即使最低吸氣壓力仍有0.210 MPa，主要融霜階段90～780 s 的平均吸氣壓力為0.240 MPa，且此過(guò)程中吸氣壓力相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)較小，說(shuō)明低溫級(jí)除霜能量充足。

如圖 4 所示，除霜啟動(dòng)后，由于壓縮機(jī)排氣端接入系統(tǒng)高壓側(cè)，排氣壓力迅速上升。之后進(jìn)入霜層主要融化階段，此階段排氣壓力基本保持不變。工況1 在80～130 s 基本穩(wěn)定在0.800 MPa 左右；而工況2 此過(guò)程持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，170～290 s 基本穩(wěn)定在0.790 MPa 左右。霜層基本融化后，開(kāi)始蒸發(fā)翅片上殘留的水珠，此階段排氣壓力升高速率很快。在除霜結(jié)束時(shí)，工況1 和工況2 低溫級(jí)排氣壓力分別達(dá)到1.564 MPa 和1.422 MPa，除霜過(guò)程中排氣壓力平均升高速率分別為0.110 MPa /min，0.072 MPa /min。由此可見(jiàn)，結(jié)霜程度越重，排氣壓力升高越慢；整個(gè)除霜期排氣壓力相較于結(jié)霜程 度輕的也越小。

圖4 低溫級(jí)排氣壓力變化Fig.4 Variations of the discharge pressure of low temperature cycle

2.3.2 除霜期高溫級(jí)運(yùn)行特性分析

圖 5 為系統(tǒng)高溫級(jí)吸氣壓力變化?？梢钥闯霾煌Y(jié)霜程度下，高溫級(jí)吸氣壓力的變化趨勢(shì)相同，且?guī)缀踉谕磺€上。除霜開(kāi)始階段受四通換向閥換向影響，吸氣壓力迅速降低，之后隨著蓄熱器內(nèi)相變材料的溫度降低，吸氣壓力也相應(yīng)降低。工況1 吸氣壓力從0.433 MPa 降低至0.090 MPa，工況2 吸氣壓力從0.416 MPa 降至0.036 MPa。

圖5 高溫級(jí)吸氣壓力變化Fig.5 Variations of the suction pressure of high temperature cycle

圖6 為除霜期高溫級(jí)排氣壓力的變化。隨著除霜模式的開(kāi)啟，排氣壓力在除霜前30 s 迅速升高，之后伴隨高溫級(jí)換熱進(jìn)行，受吸氣壓力逐漸降低的影響，排氣壓力逐漸降低。除霜終止時(shí)，工況1 和工況2 排氣壓力分別為0.798 MPa，0.700 MPa。整個(gè)除霜期間，從30 s 開(kāi)始，工況1 和工況2 排氣壓力降低速率分別為0.059 MPa/min和0.046 MPa/min。

圖6 高溫級(jí)排氣壓力變化Fig.6 Variations of the discharge pressure of high temperature cycle

2.3.3 制熱量及蓄熱器運(yùn)行特性分析

圖7 為不同工況下除霜期室內(nèi)側(cè)供熱量變化曲線。由于除霜啟動(dòng)后需停機(jī)60 s 平衡系統(tǒng)壓力，因此制熱量均穩(wěn)定在一個(gè)較低值。之后高溫級(jí)從蓄熱器內(nèi)取熱，制熱量迅速上升，工況1 和工況2 分別在80 s 和60 s 達(dá)到供熱最大值9.51 kW和8.68 kW，達(dá)到常規(guī)供熱/結(jié)霜期供熱量最大值的99.1%和85.9%。而后，由于蓄熱器內(nèi)提供的熱量逐漸減少，制熱量也相應(yīng)降低。整個(gè)除霜期間，工況1 和工況2 平均制熱量分別為5.67，5.22 kW，分別達(dá) 到常規(guī)供熱/結(jié)霜期平均供熱量的66.9%和57.4%。

圖7 除霜期制熱量變化Fig.7 Variations of the heating capacity during defrosting

如圖 8 所示，由于開(kāi)啟不間斷制熱蓄能除霜模式時(shí)蓄熱器同時(shí)為高低溫級(jí)提供熱量，導(dǎo)致相變材料的平均溫度一直在降低。在除霜結(jié)束時(shí)，工況1 和工況2 的相變材料平均溫度分別降低到8.3℃和6.9℃。由圖可看出相變材料溫度在8～10℃間，溫度測(cè)點(diǎn)的下降速率減緩，因此該階段為釋放相變潛熱的主要階段。除霜過(guò)程中蓄熱器在兩工況下的釋熱量分別為3 424.56 kJ 和3 584.54 kJ，釋 熱速率分別為6.59 kJ/s 和4.66 kJ/s。

圖8 除霜期相變材料平均溫度Fig.8 Variations of the averaged phase change materialstemperature during defrosting

3 結(jié) 論

為研究復(fù)疊式空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)的低溫環(huán)境適應(yīng)性，本文做了6 種不同室外工況下的實(shí)驗(yàn)，并主要分析了?9℃時(shí)兩種結(jié)霜工況的系統(tǒng)運(yùn)行特性，得到以下結(jié)論：

a.不同溫度不同結(jié)霜程度下，除霜所需的總時(shí)間為520～770 s，相較于熱氣旁通除霜，除霜速度還是較為理想的。在室外環(huán)境為?9℃時(shí)，即使重度結(jié)霜，低溫級(jí)最低吸氣壓力仍高于0.210 MPa，且能夠在770 s 內(nèi)完全將霜層除盡。

b.在除霜期，6 種工況下高溫級(jí)的平均供熱量均達(dá)到結(jié)霜期平均供熱量的57.4%以上，而供熱量最大值也均達(dá)到結(jié)霜期平均供熱量的85.9%以上，因此除霜期對(duì)室內(nèi)供熱量影響較低。

綜上所述，采用復(fù)疊式空氣源熱泵相變蓄能除霜方法能使機(jī)組在–9～–18 ℃低溫溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)行，并且有效除霜和給室內(nèi)側(cè)供熱。