摘要：為研究變頻空氣源熱泵機(jī)組的結(jié)霜特性及除霜優(yōu)化，搭建了制冷劑為R410A的變頻空氣源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。在模擬室內(nèi)外環(huán)境條件下進(jìn)行了機(jī)組結(jié)霜特性實(shí)驗(yàn)研究，測試了室外環(huán)境溫度、室外環(huán)境相對濕度、進(jìn)水水溫對機(jī)組結(jié)霜的影響。通過改變壓縮機(jī)除霜過程中壓縮機(jī)運(yùn)行頻率及膨脹閥開度，測試了變頻空氣源熱泵在不同壓縮機(jī)運(yùn)行頻率及不同膨脹閥開度下機(jī)組除霜時(shí)間、機(jī)組能量損耗、化霜前后機(jī)組出水水溫溫差的變化差異并分析出變頻空氣源熱泵除霜的最佳除霜頻率及開度，研究結(jié)論對變頻空氣源熱泵系統(tǒng)的霜控研究具有重要的參考價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：變頻;空氣源熱泵;除霜;結(jié)霜

　　0 引言

　　能源環(huán)境日益成為人民關(guān)注的焦點(diǎn)，燃煤采暖在帶來巨大的能源浪費(fèi)的同時(shí)，更被認(rèn)為是導(dǎo)致北方地區(qū)霧霾的主要因素。空氣源熱泵供暖方式具有高效節(jié)能、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，因此熱泵供暖被認(rèn)為是清潔供暖的最佳方式之一[1]。變頻空氣源熱泵由于其節(jié)能高效、舒適度高而備受消費(fèi)者青睞。但在低溫高濕環(huán)境下，變頻空氣源熱泵存在著空氣源熱泵普遍存在的問題：室外側(cè)存在的換熱器結(jié)霜問題[2,3]。換熱器肋片被霜層覆蓋后，肋片與空氣間的傳熱熱阻增大，惡化了傳熱效果。

　　同時(shí)，霜層的增長產(chǎn)生的阻塞作用大大增加了空氣流過換熱器的阻力造成氣流流量下降風(fēng)機(jī)功耗增加;使得機(jī)組制熱量下降，工況惡化同時(shí)也有可能發(fā)生事故;對于風(fēng)冷冷熱水機(jī)組在化霜過程中會(huì)造成水溫波動(dòng)，影響舒適度[4,5]。因此有必要對熱泵結(jié)霜特性行仔細(xì)研究。

　　本文在模擬室內(nèi)外環(huán)境條件下，對變頻空氣源熱泵的結(jié)霜特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探索了室外溫度、相對濕度、進(jìn)水水溫對機(jī)組結(jié)霜的影響，并對運(yùn)行頻率、膨脹閥開度這兩個(gè)因素對變頻空氣源熱除霜的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，找到了制約變頻空氣源熱泵快速除霜的影響因素，確定了最佳的機(jī)組除霜運(yùn)行頻率和膨脹閥開度。

　　1 實(shí)驗(yàn)簡介

　　1.1 實(shí)驗(yàn)原理

　　本文實(shí)驗(yàn)采用海悟自主研發(fā)的冷暖型變頻空氣源熱泵機(jī)組，其主要包括室外機(jī)及水力模塊兩個(gè)部分。其系統(tǒng)原理圖如圖1所示，室外機(jī)主要包括直流變頻轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)、翅片式蒸發(fā)器、電子膨脹閥、毛細(xì)管、氣液分離器以及電子膨脹閥等部件組成。水力模塊主要包括套管式換熱器(冷凝器)、排氣閥、膨脹罐、水泵等部件組成。壓縮機(jī)通過變頻驅(qū)動(dòng)控制其運(yùn)轉(zhuǎn)頻率來調(diào)節(jié)系統(tǒng)制冷劑循環(huán)流量，蒸發(fā)器為波紋型平片翅片式換熱器，系統(tǒng)節(jié)流通過電子膨脹閥實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用環(huán)保冷媒R410a，其因?yàn)榫哂袃?yōu)良的傳熱性能，而且流動(dòng)壓降比R22要小，因此被認(rèn)為是低溫?zé)岜美硐氲墓べ|(zhì)。

　　該系統(tǒng)的制熱過程為：壓縮機(jī)排出的高溫、高壓制冷劑氣體，經(jīng)過套管換熱器后冷凝為高壓制冷劑液體。然后經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，吸收低溫環(huán)境中熱量后變?yōu)榈蛪旱闹评鋭怏w被壓縮機(jī)吸入，被壓縮后排出壓縮機(jī)，至此形成一個(gè)完整的制熱循環(huán)。系統(tǒng)采用四通閥換向逆向除霜的方式，即機(jī)組通過系統(tǒng)判定需要除霜時(shí)，進(jìn)行四通閥切換，此時(shí)機(jī)組制冷劑循環(huán)與制熱時(shí)制冷劑循環(huán)相反，機(jī)組室內(nèi)側(cè)換熱器吸收水側(cè)能量而在室外側(cè)換熱器釋放進(jìn)而將霜層融化。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)介紹

　　本文實(shí)驗(yàn)在低溫焓差環(huán)境實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。焓差實(shí)驗(yàn)室的平面布置圖如下圖2，裝置可以測試最大200kW的熱泵機(jī)組。室外側(cè)能模擬的溫度范圍為-30℃~45℃，模擬的濕度范圍為20%~100%。環(huán)境溫度測量傳感器采用PT100溫度計(jì)，測量范圍在-30℃~55℃，測量精度為0.1℃。系統(tǒng)壓力測量傳感器采用MPM480系列壓力傳感器，測量范圍在0～6MPa，測量精度為Pa。

　　壓縮機(jī)吸、排氣溫度、盤管溫度由綁在壓縮機(jī)吸排氣口100mm處的熱電偶來測量，機(jī)組進(jìn)出水溫度由綁在進(jìn)出水口100mm處的鉑電阻測得。壓縮機(jī)吸排氣壓力由布置在壓縮機(jī)吸、排氣口100mm處的壓力傳感器測得，機(jī)組的運(yùn)行功率通過實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。為采集機(jī)組結(jié)霜量，機(jī)組被放置于一個(gè)托盤上，每次融霜后的融霜水均通過托盤收集，并采用精度為0.1g的電子天平進(jìn)行稱量，由此采集的融霜水量等同于機(jī)組的結(jié)霜量。

　　2 變頻空氣源熱泵的結(jié)霜特性分析

　　2.1 室外溫度對結(jié)霜的影響

　　圖3為在室外相對濕度90%，進(jìn)水水溫35℃下，機(jī)組在不同環(huán)境溫度下一個(gè)融霜周期(每個(gè)融霜周期為40min)的結(jié)霜量。從圖中可以看到室外環(huán)境溫度從-20℃至0℃，在相同濕度下隨著環(huán)溫的升高機(jī)組結(jié)霜量增加，其中在0℃下機(jī)組的結(jié)霜量是-20℃下的2.3倍。

　　這說明，在相同濕度下，環(huán)境溫度越低機(jī)組越不易結(jié)霜。由路易斯關(guān)系可知，換熱量的增大也會(huì)使得傳質(zhì)量的增大，因而導(dǎo)致了結(jié)霜量的增加[6]。環(huán)境溫度從0℃升至5℃，機(jī)組的結(jié)霜量明顯下降，這主要是因?yàn)檎舭l(fā)溫度升高，蒸發(fā)器翅片表面結(jié)霜更加困難。

　　2.2 室外環(huán)境相對濕度對結(jié)霜的影響

　　圖4為在環(huán)境溫度-3℃，進(jìn)水水溫35℃下，機(jī)組在不同室外環(huán)境相對濕度一個(gè)融霜周期(每個(gè)融霜周期為40min)的結(jié)霜量。從圖中可以看到機(jī)組結(jié)霜量隨著室外環(huán)境相對濕度的增加而增加，機(jī)組在50%相對濕度下機(jī)組幾乎無明顯霜層形成，而隨著相對濕度由50%增加至100%，機(jī)組的結(jié)霜量由0.3Kg增加至4.0Kg。這主要是由于室外環(huán)境溫度不變時(shí)，相對濕度越大，室外環(huán)境中的含濕量越大，越有利于霜層的生長。

　　2.3 進(jìn)水水溫對結(jié)霜的影響

　　圖5為機(jī)組在環(huán)境溫度0℃下，相對濕度90%，機(jī)組在不同進(jìn)水水溫下一個(gè)融霜周期(每個(gè)融霜周期為40min)的結(jié)霜量。從圖中可以看到機(jī)組結(jié)霜量隨著進(jìn)水溫度的升高而明顯降低。這主要是因?yàn)殡S著進(jìn)水溫度升高，機(jī)組冷凝壓力升高，導(dǎo)致蒸發(fā)壓力上升，從而使得機(jī)組結(jié)霜困難，從而導(dǎo)致結(jié)霜量下降。

　　圖6為機(jī)組在進(jìn)水水溫30℃及進(jìn)水水溫50℃下機(jī)組在運(yùn)行過程中吸、排氣壓力隨時(shí)間變化圖，從圖中可以看到機(jī)組進(jìn)水水溫50℃時(shí)機(jī)組運(yùn)行的吸、排氣壓力明顯高于機(jī)組進(jìn)水水溫30℃時(shí)機(jī)組運(yùn)行的吸、排氣壓力;另一方面隨著進(jìn)水溫度升高，機(jī)組冷凝溫度升高，機(jī)組運(yùn)行條件惡化機(jī)組換熱量下降，換熱量下降必會(huì)引起傳質(zhì)量的下降，因而機(jī)組結(jié)霜量下降。

　　3 變頻空氣源熱泵的除霜優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　3.1 壓縮機(jī)化霜運(yùn)行頻率對除霜的影響

　　為提高空氣源熱泵舒適度，需要盡量提高除霜速度，同時(shí)盡量降低機(jī)組在化霜過程中的能量損失，而變頻空氣源熱泵機(jī)組的化霜頻率是影響化霜速度及能量損失的關(guān)鍵因素。為此，本文實(shí)驗(yàn)通過改變機(jī)組壓縮機(jī)化霜運(yùn)行頻率，記錄了在其他運(yùn)行條件一致的情況下機(jī)組化霜時(shí)間、機(jī)組化霜運(yùn)行功率及機(jī)組在化霜過程中的能量損失。

　　實(shí)驗(yàn)中通過布置在蒸發(fā)器盤管上的熱電偶溫度及肉眼觀察換熱器表面機(jī)組融霜情況來判定機(jī)組是否除霜干凈，實(shí)驗(yàn)中觀察到在機(jī)組盤管溫度到達(dá)15℃時(shí)機(jī)組表面霜層完全融化干凈，且無殘冰積累，因此本文判定15℃為化霜終止溫度。

　　圖7為壓縮機(jī)盤管溫度隨時(shí)間變化曲線圖，從圖中可以看到在化霜運(yùn)行的初期機(jī)組盤管溫度變化平緩，甚至在壓縮機(jī)化霜頻率為45Hz時(shí)盤管溫度在很長時(shí)間內(nèi)都無明顯升高，隨著壓縮機(jī)頻率的增加盤管溫度變化速率增加明顯。同時(shí)從圖8可以看到，壓縮機(jī)化霜頻率越高，壓縮機(jī)融霜時(shí)間越短，壓縮機(jī)化霜頻率為65Hz時(shí)機(jī)組融霜時(shí)間最短。增加化霜運(yùn)行頻率有利于制冷劑的快速轉(zhuǎn)移并增加制冷劑流量將霜層快速融化。

　　機(jī)組化霜中的能量損失及對舒適度影響也是需考慮的關(guān)鍵因素。表1中統(tǒng)計(jì)了在不同化霜頻率下，在化霜過程中所消耗的能量及化霜前后出水水溫溫差。表中可以看到，當(dāng)壓縮機(jī)化霜運(yùn)行頻率為55Hz時(shí)，機(jī)組融霜所消耗的能量最小。而化霜運(yùn)行頻率為45Hz時(shí)，所消耗的能量最大，這主要是因?yàn)榇蟛糠值哪芰坎⑽从行Ю枚斐闪藫p耗。

　　隨著頻率由55Hz變化至65Hz，化霜消耗的能量也有所提高，這說明化霜頻率過低或過高均不利于機(jī)組能量的有效利用。過高的化霜頻率也會(huì)增加運(yùn)行噪聲。綜合以上因素，本次實(shí)驗(yàn)中機(jī)組化霜頻率55Hz為最佳化霜頻率。

　　3.2 電子膨脹閥開度對除霜的影響

　　影響機(jī)組化霜的另一個(gè)關(guān)鍵因素是機(jī)組的化霜時(shí)的膨脹閥開度。圖9與圖10分別記錄機(jī)組在不同化霜膨脹閥開度下機(jī)組盤管溫度變化曲線及機(jī)組運(yùn)行消耗功率變化曲線。從圖中可以明顯看到膨脹閥開度越大，機(jī)組盤管溫度上升速率越快，機(jī)組化霜時(shí)間越短。這主要是因?yàn)榕蛎涢y開度的增大能夠提高制冷劑的流量和排氣壓力，進(jìn)而增大制冷劑攜帶的能量，使得機(jī)組化霜速度加快[7,8]。

　　表2記錄了機(jī)組在不同化霜膨脹閥開度下，在化霜過程中所消耗的能量及化霜前后出水水溫溫差。從表中可以看到，膨脹閥開度越大，化霜所消耗的能量越小、機(jī)組除霜水溫變化溫差越小。因此在化霜過程中適當(dāng)增大膨脹閥開度，有利于提高機(jī)組化霜速度及減小能量損失，提高化霜運(yùn)行舒適度。當(dāng)然過大的膨脹閥開度，在惡劣的融霜工況下有有可能會(huì)由于存在無法建立系統(tǒng)壓差，機(jī)組化霜無法正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

　　結(jié)論

　　本文通過改變機(jī)組化霜時(shí)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率、膨脹閥開度，測試了變頻空氣源熱泵在不同壓縮機(jī)運(yùn)行頻率及不同膨脹閥開度下機(jī)組除霜時(shí)間、機(jī)組能量損耗、化霜前后機(jī)組出水水溫溫差的變化差異，主要得出了以下結(jié)論：

　　(1)室外環(huán)境溫度、相對濕度以及機(jī)組進(jìn)水水溫對空氣源熱泵結(jié)霜都有一定的影響。在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的實(shí)驗(yàn)條件下，由于換熱溫差大及傳質(zhì)量的增加，環(huán)境溫度越高機(jī)組結(jié)霜量越大，而當(dāng)環(huán)溫過高時(shí)由于蒸發(fā)溫度上升機(jī)組也不容易結(jié)霜。在其它實(shí)驗(yàn)條件相同的實(shí)驗(yàn)條件下，相對濕度與機(jī)組結(jié)霜量正相關(guān)，相對濕度越大，機(jī)組結(jié)霜量越大;隨著機(jī)組進(jìn)水水溫升高機(jī)組蒸發(fā)壓力和冷凝壓力升高、機(jī)組換熱量下降導(dǎo)致傳質(zhì)量下降，機(jī)組結(jié)霜量下降;

　　(2)機(jī)組除霜速度與壓縮機(jī)除霜運(yùn)行頻率、機(jī)組膨脹閥開度正相關(guān)。在其它條件一致情況下，壓縮機(jī)除霜運(yùn)行頻率越高機(jī)組除霜時(shí)間越短，膨脹閥開度越大機(jī)組除霜時(shí)間越短，除霜消耗能量越小;但頻率的增加機(jī)組能量消耗增加同時(shí)機(jī)組運(yùn)行舒適度下降，因此本次實(shí)驗(yàn)確定的最佳化霜頻率為55Hz。同時(shí)膨脹閥開度過大也有可能導(dǎo)致機(jī)組在惡劣工況時(shí)由于壓差無法建立，化霜無法正常進(jìn)行，因此本次實(shí)驗(yàn)確定的最佳化膨脹閥開度為350步。