陳京瑞，田茂軍，蘇 鷹，郭 銳

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

空氣源熱泵供暖采用對(duì)流換熱方式，氣流均勻受熱，人體舒適感較強(qiáng)，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(yùn)行時(shí)，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(duì)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(duì)空氣源熱泵室外蒸發(fā)器動(dòng)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?jiǎng)討B(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(duì)空氣源熱泵結(jié)霜、除霜的特性進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，探討了室外蒸發(fā)器表面結(jié)霜對(duì)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(yùn)行時(shí)結(jié)霜情況嚴(yán)重，除霜時(shí)間長(zhǎng)。楊雅鑫等[5]對(duì)貴陽地區(qū)空氣源熱泵的結(jié)霜規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)?？諝庠礋岜迷谫F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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)空氣源熱泵整個(gè)結(jié)霜、除霜周期機(jī)組的特性進(jìn)行測(cè)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)及機(jī)組介紹

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)由一臺(tái)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(shí)驗(yàn)在人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)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(shí)開啟加濕器對(duì)小室空氣進(jìn)行加濕。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，人工環(huán)境室(小室)的溫度設(shè)置為-2℃～-1℃，相對(duì)濕度85%。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖及測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及機(jī)組測(cè)點(diǎn)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(yùn)行過程中室外蒸發(fā)器表面溫度的變化情況。供熱運(yùn)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(yùn)行至31 min時(shí)，機(jī)組啟動(dòng)除霜，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑逆向流動(dòng)，該測(cè)點(diǎn)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(diǎn)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(huì)快速地再次結(jié)霜，這將使機(jī)組需要頻繁地啟動(dòng)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(yùn)行過程中壓縮機(jī)吸氣溫度的變化情況。機(jī)組開始運(yùn)行后，壓縮機(jī)吸氣溫度開始逐漸下降，運(yùn)行至8 min時(shí)，吸氣溫度降至-5℃，此時(shí)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(yùn)行至17 min時(shí)，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(yùn)行至31 min時(shí)，吸氣溫度下降至-7.4℃，降幅達(dá)到17.3℃，此時(shí)系統(tǒng)開始啟動(dòng)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(yùn)行，未進(jìn)入室內(nèi)換熱器的高溫高壓氣態(tài)制冷劑會(huì)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(yùn)行時(shí)機(jī)組吸氣壓力的變化情況。由圖4可見，機(jī)組啟動(dòng)制熱后，壓縮機(jī)會(huì)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(yùn)行至31 min時(shí)，系統(tǒng)壓力降至0.401 MPa，降幅為18.6%，此時(shí)機(jī)組開始啟動(dòng)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(shí)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(yùn)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(yùn)行16 min后，機(jī)組制熱量達(dá)到最大值2 416 W，運(yùn)行至31 min時(shí)，由于機(jī)組表面霜層覆蓋較多，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)除霜，此時(shí)系統(tǒng)制熱量降低至1 811 W，降幅為25%。整個(gè)除霜過程持續(xù)3 min，此時(shí)機(jī)組不僅無制熱量，還會(huì)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(dòng)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(yùn)行過程COP隨時(shí)間的變化情況。機(jī)組運(yùn)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(yùn)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(shí)，降幅達(dá)到19.3%，此時(shí)機(jī)組開始啟動(dòng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：機(jī)組開始運(yùn)行后，隨著霜層的增厚，蒸發(fā)器翅片管表面溫度會(huì)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(yùn)行到啟動(dòng)除霜時(shí)，系統(tǒng)制熱量與COP降幅分別為25%、19.3%。啟動(dòng)除霜后，機(jī)組不僅無制熱量，還會(huì)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(huì)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(dòng)除霜，引起室內(nèi)熱舒適性變差。