牛建會(huì) 步秋軍

(河北建筑工程學(xué)院能源工程系 張家口 075000)

空氣源熱泵能夠以較低的能量消耗將低溫位熱能輸送至高溫位，可大量利用廣泛存在的自然能源，很好地滿足建筑冬季采暖的要求[1]。電動(dòng)熱泵系統(tǒng)是建筑物供暖、供熱水的高效清潔技術(shù)裝備，特別是氣候寒冷地區(qū)的中心城市，使用電動(dòng)熱泵帶來(lái)的節(jié)能減排效果尤其顯著。同時(shí)它還具有占用空間小、節(jié)能、環(huán)保、方便等優(yōu)勢(shì)，并能實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用[2-3]。在我國(guó)北方“煤改電”工程中，空氣源熱泵是主流產(chǎn)品。

空氣源熱泵在寒冷高濕地區(qū)應(yīng)用時(shí)，隨著室外環(huán)境溫度降低，當(dāng)蒸發(fā)溫度降至使換熱器外壁面溫度低于0 ℃且低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，換熱器表面將會(huì)結(jié)霜。結(jié)霜不僅增大空氣流動(dòng)阻力，同時(shí)還降低熱泵制熱能力，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使機(jī)組停機(jī)[4-6]。除霜時(shí)，需要消耗大量熱量，影響供熱效果及機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行[7]。目前針對(duì)空氣源熱泵常規(guī)除霜方法有逆循環(huán)除霜[8-9]、熱氣除霜[10]、電熱除霜[11]等，在使用上述方法除霜時(shí)，一方面可能增加額外電耗、另一方面可能使系統(tǒng)管路復(fù)雜化，甚至還會(huì)引起人體不舒適，因此針對(duì)空氣源熱泵尋求新型除霜方式尤為重要。

北方冬季的外界環(huán)境中蘊(yùn)含豐富的天然冷源，從熱力學(xué)角度分析，采用自然冷源對(duì)熱泵供液過(guò)冷是提高制熱性能的有效方法。過(guò)冷技術(shù)多應(yīng)用于中低溫領(lǐng)域的蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)中[12]。如:環(huán)境冷卻過(guò)冷、吸氣管道過(guò)冷以及使用外部機(jī)械過(guò)冷[13-16]。黃成達(dá)等[17]實(shí)驗(yàn)研究了主路過(guò)冷和輔助回路過(guò)冷兩種利用自然冷源過(guò)冷的循環(huán)，結(jié)果表明，過(guò)冷能有效降低壓縮機(jī)排氣溫度。代寶民等[18]采用輔助的蒸氣壓縮循環(huán)進(jìn)行過(guò)冷，該方法可改善傳統(tǒng)跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)冬季供暖性能，尤其在低環(huán)境溫度工況下，性能提升顯著。

為了充分利用自然冷源，本文對(duì)R134a為制冷劑的空氣源熱泵系統(tǒng)，增設(shè)室外過(guò)冷器，搭建利用自然冷源過(guò)冷的空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從理論及實(shí)驗(yàn)兩方面綜合分析該系統(tǒng)制熱性能，并據(jù)此提出一種空氣源熱泵過(guò)冷融霜的新型除霜方式。

1 熱泵過(guò)冷制熱循環(huán)原理

從冷凝器流出的高溫液態(tài)制冷劑首先進(jìn)入室外過(guò)冷器，與室外大氣換熱過(guò)冷，過(guò)冷后的液體進(jìn)入另一臺(tái)室外蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，稱(chēng)為過(guò)冷制熱。空氣源熱泵過(guò)冷制熱原理如圖1所示，系統(tǒng)由壓縮機(jī)、室內(nèi)機(jī)組、節(jié)流閥、室外機(jī)組等4大部件組成。與普通機(jī)組不同，其室外機(jī)組為2臺(tái)管翅式換熱器并聯(lián)(3、4)，通過(guò)切換電磁閥可以實(shí)現(xiàn)將蒸發(fā)器3轉(zhuǎn)換為過(guò)冷器，利用大氣自然冷源過(guò)冷。即蒸發(fā)器3可以作為蒸發(fā)器正常蒸發(fā)吸熱，也可以作為過(guò)冷器實(shí)現(xiàn)熱泵系統(tǒng)過(guò)冷制熱循環(huán)。

圖1 空氣源熱泵過(guò)冷制熱循環(huán)原理Fig.1 Principle of sub-cooling heating of air-source heat pump

2 過(guò)冷制熱熱力學(xué)分析

圖2所示為空氣源熱泵過(guò)冷制熱理論循環(huán)lgp-h圖，圖中2-3為制冷劑在冷凝器內(nèi)放熱過(guò)程，熱泵冬季制熱即為該段放熱量，該段熱量也是能夠利用的熱泵系統(tǒng)高品位熱量，3-4為液態(tài)制冷劑在過(guò)冷器內(nèi)的過(guò)冷過(guò)程。

圖2 空氣源熱泵過(guò)冷制熱循環(huán)lg p-h圖Fig.2 lg p-h diagram of sub-cooling heating cycle

由圖2可知，制冷劑在過(guò)冷過(guò)程釋放的熱量可以在蒸發(fā)器的等溫吸熱過(guò)程中獲得補(bǔ)償并補(bǔ)回至系統(tǒng)中，即圖2中的5-6過(guò)程被包含在5-1過(guò)程中。具有過(guò)冷的熱泵循環(huán)與普通熱泵循環(huán)相比并未增加壓縮機(jī)功耗，同時(shí)由于回收過(guò)冷冷量，熱泵循環(huán)的制熱量得以提高。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

為了進(jìn)一步研究自然冷源過(guò)冷對(duì)空氣源熱泵制熱性能的影響，基于一臺(tái)額定工況下4.13 kW的渦旋壓縮機(jī)搭建了空氣源熱泵過(guò)冷制熱實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 空氣源熱泵過(guò)冷制熱實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device of sub-cooling heating of air-source heat pump

該裝置由壓縮機(jī)、室內(nèi)機(jī)組、室外機(jī)組、電子膨脹閥、油分離器、儲(chǔ)液器、氣液分離器等組成。其中室外機(jī)組I的傳熱面積為室外機(jī)組II傳熱面積的三分之一?？諝庠礋岜脵C(jī)組組裝完畢后在人工環(huán)境控制室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，人工環(huán)境控制室包括室內(nèi)環(huán)境模擬間和室外環(huán)境模擬間。室內(nèi)側(cè)溫度控制范圍為10～50 ℃，相對(duì)濕度為30%～85%，室外側(cè)溫度為-15～55 ℃，相對(duì)濕度為30%～95%，室內(nèi)、外側(cè)溫度控制精度為±0.1 ℃，濕度控制精度為±0.1 ℃(WB)。壓縮機(jī)功率通過(guò)高精度電量測(cè)試儀表獲得。溫度傳感器采用Pt100，精度為±0.15 ℃；采用瑞士Huba壓力變送器，精度為±0.5%；采用型號(hào)為L(zhǎng)ZB-50制冷劑流量計(jì)，量程為0～150 kg/h，精度為±0.2%；采用型號(hào)為DZFC-1的電功率計(jì)，量程為0～10 kW，精度為±0.5%；采用HP34972A安捷倫數(shù)據(jù)采集儀對(duì)溫度、壓力、流量、功率等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

4 結(jié)果與分析

室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器控制，冷凝溫度控制在40～50 ℃，室外溫度控制在-15～0 ℃，室外相對(duì)濕度設(shè)定為30%，實(shí)現(xiàn)無(wú)霜制熱運(yùn)行。熱泵工質(zhì)采用R134a。研究熱泵在無(wú)霜工況下利用自然冷源過(guò)冷時(shí)，壓縮機(jī)的排氣溫度、壓縮機(jī)功率、系統(tǒng)制熱量、制熱COP等機(jī)組制熱性能參數(shù)的變化和過(guò)冷過(guò)程過(guò)冷能量的變化。

系統(tǒng)制熱量：

Q=qm(h3-h4)

(1)

式中：Q為系統(tǒng)制熱量，kW；qm為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；h3、h4為冷凝器進(jìn)、出口制冷劑比焓值，kJ/kg。

系統(tǒng)制熱COP：

COP=Q/Pc

(2)

式中：Pc為壓縮機(jī)功耗，kW。

過(guò)冷制熱過(guò)程過(guò)冷量：

Qsub=qm(h6-h7)

(3)

式中：Qsub為過(guò)冷制熱過(guò)程過(guò)冷量，kW；h6、h7為過(guò)冷器進(jìn)、出口制冷劑比焓值，kJ/kg。

后文數(shù)據(jù)分析圖中過(guò)冷度最小的位置處數(shù)據(jù)為過(guò)冷器停止工作系統(tǒng)無(wú)過(guò)冷時(shí)的系統(tǒng)性能參數(shù)。

4.1 室外溫度0 ℃、冷凝溫度45 ℃

圖4所示為室外溫度to為0 ℃、冷凝溫度tk為45 ℃時(shí)，對(duì)比過(guò)冷器運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)有過(guò)冷與過(guò)冷器停止工作系統(tǒng)無(wú)過(guò)冷系統(tǒng)性能。由圖4可知，壓縮機(jī)功率和制熱COP在有過(guò)冷和無(wú)過(guò)冷時(shí)差異較小，壓縮機(jī)功率基本維持在2.2 kW，且隨過(guò)冷度的增加變化也較小，制熱COP基本維持在3.03。過(guò)冷度為35 ℃時(shí)，制熱COP為2.93，僅下降了0.1。系統(tǒng)制熱量在有過(guò)冷和無(wú)過(guò)冷時(shí)差異較小，當(dāng)過(guò)冷度進(jìn)一步增大時(shí)會(huì)稍有下降。在無(wú)過(guò)冷時(shí)，系統(tǒng)制熱量為6.7 kW，過(guò)冷度為16 ℃時(shí)，系統(tǒng)制熱量為6.57 kW，下降1.9%，而過(guò)冷度為35 ℃時(shí)，機(jī)組制熱量為6.22 kW，下降7.2%。

圖4 to=0 ℃、tk=45 ℃時(shí)機(jī)組制熱性能Fig.4 Heating performance when to=0 ℃and tk=45 ℃

4.2 室外溫度-8 ℃、冷凝溫度50 ℃

圖5所示為當(dāng)室外溫度to為-8 ℃、冷凝溫度tk為50 ℃時(shí)，對(duì)比過(guò)冷器運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)有過(guò)冷與過(guò)冷器停止工作系統(tǒng)無(wú)過(guò)冷系統(tǒng)性能。由圖5可知，壓縮機(jī)功率在有過(guò)冷和無(wú)過(guò)冷時(shí)差異較小，維持在2.4 kW；系統(tǒng)制熱量和制熱COP在過(guò)冷度較小時(shí)，基本不變，過(guò)冷度較大時(shí)兩者呈下降趨勢(shì)，系統(tǒng)制熱量由無(wú)過(guò)冷時(shí)的6.67 kW降至過(guò)冷度為38.7 ℃時(shí)的5.73 kW，下降約16%，制熱COP由2.73降至2.41，下降11.7%。

圖5 to=-8 ℃、tk=50 ℃時(shí)機(jī)組制熱性能Fig.5 Heating performance when to=-8 ℃ and tk=50 ℃

4.3 室外溫度-10 ℃、冷凝溫度50 ℃

圖6所示為當(dāng)室外溫度to為-10 ℃、冷凝溫度tk為50 ℃時(shí)，對(duì)比過(guò)冷器運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)有過(guò)冷與過(guò)冷器停止工作系統(tǒng)無(wú)過(guò)冷系統(tǒng)性能。由圖6可知，隨著過(guò)冷度的增加，壓縮機(jī)功率稍有增加，無(wú)過(guò)冷時(shí)壓縮機(jī)功率為2.0 kW，過(guò)冷度為21 ℃時(shí)，壓縮機(jī)功率為2.2 kW，而過(guò)冷度為38 ℃時(shí)，壓縮機(jī)功率為2.4 kW，比無(wú)過(guò)冷時(shí)增加了20%。壓縮機(jī)功率增加的同時(shí)，系統(tǒng)制熱量呈現(xiàn)先少量增加再下降的趨勢(shì)，由于壓縮機(jī)功率逐步升高，最終導(dǎo)致制熱COP隨著過(guò)冷度增加而下降。制熱量在無(wú)過(guò)冷時(shí)為5.82 kW，而過(guò)冷度為21 ℃時(shí)，機(jī)組制熱量為6.2 kW，增加了0.38 kW，當(dāng)過(guò)冷度增至37.6 ℃時(shí)，機(jī)組制熱量又降至5.5 kW，而此時(shí)機(jī)組制熱COP為2.3。

圖6 to=-10 ℃、tk=50 ℃時(shí)機(jī)組制熱性能Fig.6 Heating performance when to=-10 ℃ and tk=50 ℃

4.4 不同工況下排氣溫度

圖7所示為上述3種運(yùn)行工況下，壓縮機(jī)排氣溫度的變化。由圖7可知，無(wú)論在何種工況下，壓縮機(jī)的排氣溫度均隨過(guò)冷度的增加逐漸增加，且冷凝溫度越高，排氣溫度也越高，其增加的速率增大。當(dāng)室外溫度to為0 ℃、冷凝溫度tk為45 ℃時(shí)，壓縮機(jī)排氣溫度隨過(guò)冷度增加緩慢增加，在過(guò)冷度達(dá)到最大值35 ℃時(shí)，其排氣溫度也達(dá)到最高，不超過(guò)103 ℃，始終運(yùn)行在壓縮機(jī)允許溫度范圍之內(nèi)。而當(dāng)室外溫度to為-10 ℃，冷凝溫度tk為50 ℃時(shí)，隨著過(guò)冷度增加，壓縮機(jī)排氣溫度增加較快，當(dāng)過(guò)冷度為21 ℃時(shí)，其排氣溫度已達(dá)110 ℃，達(dá)到了壓縮機(jī)允許排氣溫度上限。

圖7 壓縮機(jī)排氣溫度變化Fig.7 Variation of compressor discharge temperature

4.5 不同工況下過(guò)冷量

圖8所示為不同工況下過(guò)冷器運(yùn)行狀態(tài)下的過(guò)冷放熱量(簡(jiǎn)稱(chēng)過(guò)冷量)和過(guò)冷量能夠融化的霜層質(zhì)量。由圖8可知，隨著室外環(huán)境溫度to的降低，過(guò)冷增強(qiáng)，過(guò)冷量增加，融化的霜層質(zhì)量增加。當(dāng)to為0 ℃、tk為45 ℃時(shí)，過(guò)冷量為0.65 kW；當(dāng)to為-8 ℃、tk為50 ℃時(shí)，過(guò)冷量為0.816 kW，增加了25.5%；而當(dāng)to為-10 ℃、tk為50 ℃時(shí)，過(guò)冷量為0.88 kW，比to為0 ℃、tk為45 ℃時(shí)增加了0.23 kW。

圖8 不同工況下過(guò)冷參數(shù)Fig.8 Sub-cooling parameters under different conditions

霜融化成水需要的潛熱為333.4 kJ/kg，以融霜時(shí)間為5 min為例，當(dāng)to為0 ℃、tk為45 ℃時(shí)，過(guò)冷量可以融化掉0.585 kg霜層；當(dāng)to為-10 ℃、tk為50 ℃時(shí)，過(guò)冷量為0.88 kW，可融化掉0.792 kg霜層。

利用大氣自然冷源過(guò)冷，空氣源熱泵機(jī)組制熱性能未被顯著惡化，過(guò)冷過(guò)程放熱量若用于冬季蒸發(fā)器融霜上，可以實(shí)現(xiàn)融霜過(guò)程不停止制熱?；诖?，針對(duì)空氣源熱泵提出一種過(guò)冷融霜新型除霜方式。采用多臺(tái)并聯(lián)的室外蒸發(fā)器，通過(guò)閥門(mén)切換，實(shí)現(xiàn)利用大氣自然冷源過(guò)冷的同時(shí)，輪換除去蒸發(fā)器翅片上的霜層，同時(shí)不停止制熱。該系統(tǒng)適用于北方冬季氣溫不太低，而結(jié)霜較為嚴(yán)重的地區(qū)。

5 結(jié)論

為了研究冬季利用自然冷源過(guò)冷對(duì)空氣源熱泵制熱性能的影響，搭建具有利用自然冷源過(guò)冷的空氣源熱泵系統(tǒng)并進(jìn)行制熱運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，研究不同工況下，過(guò)冷對(duì)系統(tǒng)制熱性能的影響，并在實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上提出新型空氣源熱泵融霜方式。得到結(jié)論如下：

1)當(dāng)室外環(huán)境溫度大于0 ℃，冷凝溫度小于45 ℃的條件下，自然冷源過(guò)冷對(duì)熱泵制熱量與制熱COP影響均較小，系統(tǒng)制熱量維持在6.22～6.70 kW，制熱COP維持在3.03，壓縮機(jī)排氣溫度維持在103 ℃以下。

2)當(dāng)室外環(huán)境溫度小于 -10 ℃，冷凝溫度大于50 ℃時(shí)，隨過(guò)冷度的增加，壓縮機(jī)功率增加、排氣溫度顯著增高，系統(tǒng)制熱量先稍增加后減小，制熱COP降至2.3。

3)過(guò)冷度越大，過(guò)冷過(guò)程所能融化的霜層質(zhì)量越多，冬季利用過(guò)冷放熱可以除去蒸發(fā)器翅片上的霜層。提出空氣源熱泵新型過(guò)冷融霜的除霜方式，融霜的同時(shí)不停止系統(tǒng)制熱。

本文受河北省教育廳青年自然科學(xué)基金項(xiàng)目(QN2020045)，2021年河北省級(jí)研究生示范課“冷熱源工程”建設(shè)項(xiàng)目(KCJSX2021084)和2020年度校級(jí)研究生教育教學(xué)研究項(xiàng)目(2020YJSJG05)資助。(The project was supported by the Natural Science Fund Project of Youth of Hebei Education Department(No.QN2020045),Hebei Provincial Postgraduate Demonstration Courses Construction Project(No.KCJSX2021084)and Graduate Education and Teaching Research Project in Year of 2020(No.2020YJSJG05).)