(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096)

冬季，空氣源熱泵面臨嚴(yán)重的結(jié)霜問題,結(jié)霜導(dǎo)致空氣流通面積減少，室外換熱器蒸發(fā)溫度下降、機(jī)組制熱量減少、風(fēng)機(jī)性能衰減、輸入電流增大、供熱性能系數(shù)降低，嚴(yán)重時(shí)壓縮機(jī)會(huì)停止運(yùn)行，以致機(jī)組不能正常工作[1-4]，學(xué)者們提出了多種解決辦法。電融霜是一種簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)的方法，但效率較低，換向融霜可以克服電融霜的一些缺點(diǎn)，但會(huì)帶來室內(nèi)熱舒適度低和系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的問題。針對(duì)上述問題，大量學(xué)者從抑制結(jié)霜和縮短融霜時(shí)間的角度出發(fā)，對(duì)蒸發(fā)器表面翅片的材料及翅片的形狀、大小、安裝方式等進(jìn)行了研究，開發(fā)出一系列優(yōu)于傳統(tǒng)翅片性能的新型翅片，在此基礎(chǔ)上除霜方式也有所創(chuàng)新[5-8]。楊軍紅[9]為解決空氣源CO2熱泵在低溫、高濕環(huán)境下的除霜問題，設(shè)計(jì)出一種CO2熱泵智能除霜方法，即在CO2熱泵壓縮機(jī)排氣端與蒸發(fā)器之間安裝旁通管路，除霜時(shí)打開旁通管路將CO2熱泵高壓端的高溫、高壓氣體直接送入蒸發(fā)器以達(dá)到除霜的目的。實(shí)際應(yīng)用表明，該除霜方式能夠很好的解決CO2熱泵在低溫、高濕環(huán)境下運(yùn)行時(shí)的除霜問題，其除霜穩(wěn)定、可靠、干凈。胡斌等[10-11]研究了采用熱氣旁通除霜的空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了該系統(tǒng)除霜工況時(shí)的參數(shù)變化及蒸發(fā)器側(cè)結(jié)霜情況，研究表明，采用熱氣除霜的跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)可以高效、合理地運(yùn)行。高強(qiáng)等[12]根據(jù)成霜原理提出了新型無霜空氣源熱泵系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)研究了該系統(tǒng)的性能，得出該系統(tǒng)具有可行性且節(jié)能效果顯著。李念平等[13]通過對(duì)應(yīng)用熱源塔式空氣源熱泵實(shí)際工程案例的經(jīng)濟(jì)性分析，得出熱源塔式空氣源熱泵具有較高的節(jié)能潛力。許東晟等[14]研究了不同噴淋溶液質(zhì)量和濃度對(duì)無霜空氣源熱泵系統(tǒng)性能的影響，并研究了室外條件對(duì)除濕和結(jié)霜的影響，為無霜空氣源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。王志華等[15]提出一種新型無霜空氣源熱泵熱水器并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型系統(tǒng)的可行性，與傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)相比，在環(huán)境溫度為0 ℃，相對(duì)濕度為80%工況下，其COP比熱氣旁通除霜系統(tǒng)和電除霜系統(tǒng)分別高7.25%和46.30%。姚楊等[16]從液體除濕的角度出發(fā)，提出了噴淋除濕溶液來實(shí)現(xiàn)無霜運(yùn)行的空氣源熱泵系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可靠性高，沒有介入制冷劑循環(huán)，在常規(guī)模式和防霜模式之間切換時(shí)對(duì)系統(tǒng)沖擊小，“防霜”模式運(yùn)行時(shí)，送風(fēng)溫差比常規(guī)系統(tǒng)高1.5 ℃，供熱量高6%，但噴淋溶液時(shí)系統(tǒng)COP 略低于常規(guī)系統(tǒng)的平均COP[17]。Jiang Yiqiang[18]選定甘油水溶液作為噴淋溶液，并指出溶液質(zhì)量濃度為50%，質(zhì)量流量為0.077 kg/s時(shí),系統(tǒng)綜合能效最高。Su Wei等[19]提出并研究了一種新型無霜空氣源熱泵(ASHP)與膜式液體干燥劑除濕加濕相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)在分析參數(shù)的變化范圍內(nèi)系統(tǒng)的顯熱COP和總COP分別比傳統(tǒng)的逆循環(huán)除霜ASHP系統(tǒng)高37.70%和64.30%。

1 系統(tǒng)描述

無霜空氣源熱泵系統(tǒng)如圖1所示，主要包括壓縮機(jī)、電子膨脹閥、旁通閥、翅片盤管換熱器、板式換熱器、儲(chǔ)液罐、過濾器、四通換向閥、溶液塔(冷卻塔)、溶液泵、軸流風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥，該系統(tǒng)主要由熱泵循環(huán)、液體除濕/再生循環(huán)(夏季蒸發(fā)冷卻循環(huán))組成，具有冬夏季雙高效的運(yùn)行特性。機(jī)組分為夏季工況和冬季工況運(yùn)行，冬季工況分為兩種模式，包括供熱模式和再生模式：夏季工況時(shí)溶液塔(冷卻塔)內(nèi)循環(huán)工質(zhì)為水而冬季為除濕溶液，本文針對(duì)冬季再生工況下系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 無霜空氣源熱泵系統(tǒng)Fig.1 Forst-free air source heat pump system

夏季模式：蒸發(fā)冷卻循環(huán)和熱泵循環(huán)持續(xù)工作溶液塔中裝水。閥門1、電子膨脹閥2、風(fēng)閥1、2、3、4和溶液泵、水泵和風(fēng)機(jī)都是打開的，其他閥門都是完全關(guān)閉的。對(duì)于熱泵，低溫和低壓制冷劑被壓縮機(jī)壓縮，然后流入翅片盤管換熱器2并將所有熱量釋放到空氣中。隨后制冷劑先后通過閥門1、板式換熱器2、制冷劑進(jìn)一步冷卻,再通過電子膨脹閥2節(jié)流、儲(chǔ)液罐、過濾器和板式換熱器1，室外空氣首先經(jīng)過冷卻塔的冷卻水蒸發(fā)冷卻降溫,這樣可以增加過冷度,因?yàn)榄h(huán)境空氣通過翅片盤管換熱器的溫度更低并帶著水滴(可以氣化吸熱)。

供熱模式：除濕循環(huán)和熱泵循環(huán)持續(xù)工作。電子膨脹閥2、閥門1、3、4、風(fēng)閥1、2和溶液泵、水泵和風(fēng)機(jī)都是打開的，其他閥門都是完全關(guān)閉的。對(duì)于熱泵，低溫和低壓制冷劑通過壓縮機(jī)壓縮，然后流入板式換熱器1，將所有的熱量釋放到冷卻水中。隨后通過過濾器、儲(chǔ)液罐、電子膨脹閥2進(jìn)行節(jié)流，并依次通過板式換熱器2、閥門1和翅片盤管換熱器2，制冷劑從溶液和環(huán)境空氣中吸收熱量。室外空氣首先通過溶液的除濕，使系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無霜操作，因?yàn)榄h(huán)境空氣的露點(diǎn)溫度降至蒸發(fā)器溫度以下。

再生模式：除濕后的溶液被稀釋，逐漸喪失除濕能力，因而需要再生，此時(shí)在原供熱工況需將閥門1打開，電子膨脹閥1關(guān)閉，風(fēng)閥1、2關(guān)閉，循環(huán)風(fēng)道風(fēng)閥3打開，冷凝后的高壓中溫制冷劑液體在板式換熱器中將冷凝余熱傳給稀溶液，使其溫度升高，表面水蒸氣分壓力升高后與空氣進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，空氣吸收水分后，到翅片式蒸發(fā)器中冷凝出水降溫降濕在風(fēng)道中不斷循環(huán)，直至溶液重新獲得除濕能力。

該熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)采用全封閉定頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，型號(hào)為RS221VACC，額定功率為1.03 kW，額定COP為3.18，制冷劑為R22，采用調(diào)節(jié)供熱水側(cè)空氣處理機(jī)組風(fēng)量的方式使系統(tǒng)冷凝溫度維持在45 ℃。溶液側(cè)采用板式換熱器，空氣側(cè)采用翅片盤管式換熱器，節(jié)流閥采用電子膨脹閥，并通過電子膨脹閥控制器對(duì)過熱度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。測(cè)量設(shè)備詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 測(cè)量設(shè)備詳細(xì)參數(shù)Tab.1 Measuring equipment parameters

2 性能指標(biāo)

再生量是指系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)單位時(shí)間空氣通過溶液塔時(shí)帶走溶液中水蒸氣的量，相同時(shí)間內(nèi)再生量越大，再生性能越好，定義如下：

mr,w=ma(din-dout)

(1)

式中：mr,w為除濕量，g/s；ma為空氣質(zhì)量流量，kg/s；din為溶液塔入口空氣濕度，g/(kg干空氣)；dout為溶液塔出口空氣濕度，g/(kg干空氣)。

再生效率是指系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)溶液塔進(jìn)出口空氣濕度差比上溶液塔入口空氣與溶液塔入口溶液狀態(tài)相平衡時(shí)空氣濕度差，定義如下：

(2)

式中：ε為再生效率；da,in為溶液塔入口空氣濕度， g/(kg干空氣)；da,out為溶液塔出口口空氣濕度，g/(kg干空氣)；da,equ為空氣與溶液塔入口狀態(tài)相平衡的空氣濕度，g/(kg干空氣)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，得出再生量與再生效率的回歸方程：

(3)

(4)

式中：mr,w為再生量，g/s；ε為再生效率；Ga為空氣流量，m3/h；Gs為溶液流量，m3/h；ts,in為溶液進(jìn)口溫度，K；ξ為溶液質(zhì)量濃度。

圖2和圖3所示分別為回歸分析擬合出的再生量和再生效率計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比?？梢钥闯鰞蓚€(gè)擬合公式的相對(duì)誤差小、擬合度高，再生量的平均相對(duì)誤差為0.31%，再生效率的平均相對(duì)誤差為0.56%，說明根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸的公式能夠較為準(zhǔn)確的計(jì)算再生量和再生效率用于分析系統(tǒng)的再生性能。分析擬合得出的關(guān)聯(lián)式可得各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)再生性能的影響，為該無霜空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，分析時(shí)基于表2的工況，當(dāng)研究量變動(dòng)時(shí)，其他參數(shù)取基準(zhǔn)值。

圖2 再生量實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.2 Comparison of the experimental value and the calculated value of the regenerated quantity

圖3 再生效率實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比Fig.3 Comparison of the experimental and calculated values of the regenerative efficiency

參數(shù)變化范圍基準(zhǔn)值空氣流量q/(m3/h)200～600600溶液溫度t/℃25～3530溶液流量q/(m3/h)0.5～0.90.9溶液質(zhì)量濃度ε0.25～0.300.27

圖4所示為溶液塔入口空氣流量對(duì)系統(tǒng)再生量和再生效率的影響。由圖4可知，當(dāng)空氣流量從200 m3/h升至600 m3/h，系統(tǒng)再生量從0.26 g/s升至0.48 g/s，而再生效率隨空氣流量的下降則增加了26.00%。隨著空氣流量的上升，單位質(zhì)量空氣和溶液的傳質(zhì)接觸時(shí)間變短，傳質(zhì)不充分，而空氣流量的增大使傳熱增強(qiáng)，溶液出口溫度下降，進(jìn)而溶液平均表面水蒸氣分壓力減小，減小了傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力，最終使再生效率減小，但由于風(fēng)量的增大，再生量反而有所增加。

圖4 溶液塔入口空氣流量對(duì)系統(tǒng)再生量和再生效率的影響Fig.4 Effect of inlet air flow rate of solution tower on system regeneration capacity and regeneration efficiency

圖5所示為溶液塔入口溶液溫度對(duì)系統(tǒng)再生量和再生效率的影響。由圖5可知，當(dāng)溶液溫度從25 ℃升至35 ℃時(shí)，系統(tǒng)再生量從0.35 g/s升至0.76 g/s，而再生效率基本保持不變。隨著溶液入口溫度的提升，空氣和溶液的傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力增大，空氣出口含濕量增大進(jìn)而再生量增大，而此時(shí)進(jìn)口空氣含濕量與溶液入口平衡時(shí)的空氣含濕量差也增大，兩者比值變化較小。

圖5 溶液塔入口溶液溫度對(duì)系統(tǒng)再生量和再生效率的影響Fig.5 Effect of solution temperature of solution tower on regeneration rate and regeneration efficiency of system

圖6所示為溶液流量對(duì)系統(tǒng)再生量和再生效率的影響。由圖6可知，當(dāng)溶液流量從0.5 m3/h升至0.9 m3/h時(shí)，系統(tǒng)再生量從0.38 g/s升至0.48 g/s增長(zhǎng)了26.30%，而再生效率從0.44升至0.50增長(zhǎng)了13.63%。隨著溶液流量的提升，填料表面溶液更新速率增大，溶液溫降減小，傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力增大，空氣出口含濕量增大進(jìn)而再生量和再生效率增大。

圖6 溶液流量對(duì)系統(tǒng)再生量和再生效率的影響Fig.6 Effect of solution flow rate on system regeneration rate and regeneration efficiency

圖7所示為溶液質(zhì)量濃度對(duì)系統(tǒng)再生量和再生效率的影響。由圖7可知，當(dāng)質(zhì)量濃度從0.25升至0.30時(shí)，系統(tǒng)再生量從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變。隨著溶液質(zhì)量濃度的增大，填料表面溶液水蒸氣分壓力減小，傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力減小，空氣進(jìn)出口含濕量差減小進(jìn)而再生量減小，而此時(shí)進(jìn)口空氣含濕量與溶液入口平衡時(shí)的空氣含濕量差也減小，兩者比值變化較小，故再生效率變化較小。

圖7 溶液質(zhì)量濃度對(duì)系統(tǒng)再生量和再生效率的影響Fig.7 Effect of solution mass concentration on regeneration rate and regeneration efficiency

4 結(jié)論

1)實(shí)驗(yàn)研究了室外干球溫度為0 ℃，相對(duì)濕度為75%環(huán)境條件下的再生工況，得到溶液塔入口空氣流量、溶液溫度、溶液流量、溶液質(zhì)量濃度對(duì)系統(tǒng)再生性能的影響，并對(duì)再生模式的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合得出計(jì)算再生量與再生效率的關(guān)聯(lián)式，且相對(duì)誤差小、擬合度高。

2)空氣流量從200 m3/h升至600 m3/h，再生量隨之從0.26 g/s升至0.48 g/s，再生效率則從0.63降至0.50，影響均較為顯著，適當(dāng)降低空氣流量有利于提高再生效率。

3)溶液溫度從25 ℃升至35 ℃，再生量隨之從0.35 g/s升至0.76 g/s，再生效率基本保持不變，提高溶液溫度在本研究范圍內(nèi)有利于加快溶液的再生。

4)溶液流量從0.5 m3/h升至0.9 m3/h，系統(tǒng)再生量從0.38 g/s升至0.48 g/s，再生效率從0.44升至0.50，適當(dāng)提高溶液流量有利于溶液的快速再生。

5)溶液質(zhì)量濃度從0.25升至0.30，系統(tǒng)再生量從0.49 g/s降至0.46 g/s，再生效率變化較小，溶液質(zhì)量濃度對(duì)再生性能影響不顯著。