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        貴陽地區(qū)空氣源熱泵結(jié)霜/除霜周期特性實驗研究

        2022-01-20 09:26:34陳京瑞田茂軍
        黑龍江科學(xué) 2021年24期
        關(guān)鍵詞:制熱量除霜結(jié)霜

        陳京瑞,田茂軍,蘇 鷹,郭 銳

        (1.貴州省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,貴陽 550081; 2.貴州燃?xì)鉄崃υO(shè)計有限責(zé)任公司,貴陽 550001)

        空氣源熱泵供暖采用對流換熱方式,氣流均勻受熱,人體舒適感較強,因此得到了廣泛的應(yīng)用。但其在低溫、高濕地區(qū)冬季供熱運行時,室外蒸發(fā)器表面結(jié)霜將導(dǎo)致機(jī)組的制熱能力減弱,系統(tǒng)制熱效率降低。針對此問題,學(xué)者進(jìn)行了較多研究。郭憲民等[1]研究了室外環(huán)境參數(shù)對空氣源熱泵室外蒸發(fā)器動態(tài)結(jié)霜特性的影響。范晨等[2]建立了空氣源熱泵系統(tǒng)的結(jié)霜動態(tài)模型與顯熱除霜模型,得出結(jié)霜與除霜過程中空氣源熱泵系統(tǒng)各特性參數(shù)的變化規(guī)律。陳軼光[3]對空氣源熱泵結(jié)霜、除霜的特性進(jìn)行了數(shù)值模擬與實驗研究,探討了室外蒸發(fā)器表面結(jié)霜對熱泵系統(tǒng)性能及除霜過程的影響。王偉等[4]研究表明,貴陽是空氣源熱泵應(yīng)用的重霜區(qū),該地區(qū)空氣源熱泵供熱運行時結(jié)霜情況嚴(yán)重,除霜時間長。楊雅鑫等[5]對貴陽地區(qū)空氣源熱泵的結(jié)霜規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。空氣源熱泵在貴陽地區(qū)應(yīng)用比較廣泛,但結(jié)霜問題一直以來未得到有效解決,故而搭建了空氣源熱泵結(jié)霜、除霜實驗平臺,對空氣源熱泵整個結(jié)霜、除霜周期機(jī)組的特性進(jìn)行測試,并得到了系統(tǒng)的各特性參數(shù)變化規(guī)律,為后續(xù)空氣源熱泵除霜方法的優(yōu)化研究打下了基礎(chǔ)。

        1 實驗平臺及機(jī)組介紹

        實驗樣機(jī)由一臺家用分體式空調(diào)器改裝而成,制冷劑為R410A,額定制熱量為700~3 600 W,除霜開始與結(jié)束采用機(jī)組自帶的控制策略,實驗在人工環(huán)境實驗室內(nèi)進(jìn)行。實驗開始前,先調(diào)節(jié)人工環(huán)境室(小室)溫度至所需工況并開啟冷風(fēng)機(jī)組,同時開啟加濕器對小室空氣進(jìn)行加濕。實驗測試時,人工環(huán)境室(小室)的溫度設(shè)置為-2℃~-1℃,相對濕度85%。實驗系統(tǒng)原理圖及測點分布如圖1所示。

        圖1 實驗平臺及機(jī)組測點分布Fig.1 Distribution of measuring points of experimental platform and unit

        2 結(jié)果與討論

        圖2給出了機(jī)組運行過程中室外蒸發(fā)器表面溫度的變化情況。供熱運行后,隨著制冷劑在室外換熱器內(nèi)蒸發(fā)吸熱,翅片管表面溫度逐漸下降,隨著霜層的增厚,空氣與翅片管間的換熱受到阻礙,換熱效果變差,翅片管內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)量變少,蒸發(fā)溫度也下降。由圖2可知,在結(jié)霜過程中,室外蒸發(fā)器表面的溫度由1.4℃逐漸降至-8.9℃,降低了10.3℃。運行至31 min時,機(jī)組啟動除霜,系統(tǒng)內(nèi)制冷劑逆向流動,該測點溫度開始急劇上升,最高溫度達(dá)到35.2℃,除霜完成后,系統(tǒng)恢復(fù)制熱模式,因此該點溫度開始逐漸下降,恢復(fù)供熱110 s后,蒸發(fā)器表面溫度達(dá)到0℃以下,即開始下一次結(jié)霜過程,可見逆循環(huán)除霜過后,機(jī)組會快速地再次結(jié)霜,這將使機(jī)組需要頻繁地啟動除霜,引起室內(nèi)熱舒適性變差。

        圖2 室外蒸發(fā)器表面溫度變化情況Fig.2 Surface temperature change of outdoor evaporator

        圖3為運行過程中壓縮機(jī)吸氣溫度的變化情況。機(jī)組開始運行后,壓縮機(jī)吸氣溫度開始逐漸下降,運行至8 min時,吸氣溫度降至-5℃,此時室外蒸發(fā)器表面霜層覆蓋較少,因此壓縮機(jī)吸氣溫度并未進(jìn)一步下降,當(dāng)運行至17 min時,吸氣溫度開始繼續(xù)下降,這是由于室外蒸發(fā)器表面霜層逐漸增厚,導(dǎo)致?lián)Q熱量不足,從而引起壓縮機(jī)吸氣溫度的降低。運行至31 min時,吸氣溫度下降至-7.4℃,降幅達(dá)到17.3℃,此時系統(tǒng)開始啟動除霜,機(jī)組由供熱模式轉(zhuǎn)換為除霜模式,四通換向閥換向運行,未進(jìn)入室內(nèi)換熱器的高溫高壓氣態(tài)制冷劑會逆向進(jìn)入壓縮機(jī),導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣溫度迅速上升,當(dāng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變完成,除霜模式穩(wěn)定后,壓縮機(jī)吸氣溫度又逐漸下降。

        圖3 壓縮機(jī)吸氣溫度變化情況Fig.3 Change of suction temperature of compressor

        圖4顯示了機(jī)組運行時機(jī)組吸氣壓力的變化情況。由圖4可見,機(jī)組啟動制熱后,壓縮機(jī)會瞬間抽吸,因此吸氣壓力迅速下降,之后便開始逐漸上升,經(jīng)過約8 min后,吸氣壓力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),吸氣壓力值為0.493 MPa,隨著霜層的增厚,吸氣壓力開始下降,運行至31 min時,系統(tǒng)壓力降至0.401 MPa,降幅為18.6%,此時機(jī)組開始啟動除霜,除霜過程持續(xù)進(jìn)行3 min后,除霜結(jié)束,系統(tǒng)恢復(fù)制熱,此時吸氣壓力又開始急劇下降。

        圖4 壓縮機(jī)吸氣壓力變化情況Fig.4 Change of suction pressure of compressor

        圖5給出了運行過程機(jī)組制熱量變化情況,可以看出,供熱初期,機(jī)組制熱量在逐漸增大,運行16 min后,機(jī)組制熱量達(dá)到最大值2 416 W,運行至31 min時,由于機(jī)組表面霜層覆蓋較多,系統(tǒng)自動啟動除霜,此時系統(tǒng)制熱量降低至1 811 W,降幅為25%。整個除霜過程持續(xù)3 min,此時機(jī)組不僅無制熱量,還會向室內(nèi)取熱,導(dǎo)致室內(nèi)溫度下降,除霜完成后,系統(tǒng)重新啟動制熱。

        圖5 系統(tǒng)供熱量變化情況Fig.5 Change of system heating capacity

        圖6顯示了機(jī)組運行過程COP隨時間的變化情況。機(jī)組運行過程中,系統(tǒng)COP在前14 min內(nèi)持續(xù)上升,最大值達(dá)到1.91,繼續(xù)運行15 min后,COP開始逐漸下降,這是由于霜層逐漸增厚,制熱量減小,導(dǎo)致COP減小,下降至1.54時,降幅達(dá)到19.3%,此時機(jī)組開始啟動除霜。

        圖6 系統(tǒng)供熱量變化情況Fig.6 Change of system heating capacity

        3 結(jié)論

        構(gòu)建了貴陽地區(qū)空氣源熱泵結(jié)霜、除霜實驗平臺并進(jìn)行了實驗研究,得出以下結(jié)論:機(jī)組開始運行后,隨著霜層的增厚,蒸發(fā)器翅片管表面溫度會逐漸下降。結(jié)霜過程中,室外蒸發(fā)器表面的溫度由1.4℃逐漸降至-8.9℃,壓縮機(jī)吸氣溫度降低了17.3℃,吸氣壓力降低了18.6%。運行到啟動除霜時,系統(tǒng)制熱量與COP降幅分別為25%、19.3%。啟動除霜后,機(jī)組不僅無制熱量,還會向室內(nèi)取熱,導(dǎo)致室內(nèi)溫度下降。除霜完成后,蒸發(fā)器表面溫度會迅速下降至0℃以下,機(jī)組將快速地再次結(jié)霜,這將使機(jī)組頻繁地啟動除霜,引起室內(nèi)熱舒適性變差。

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