多聯式空調熱泵系統除霜性能試驗研究

在炎熱的條件下，通過外部換熱器的空調必須連續(xù)吸收空氣中的熱量。當外部溫度較低時，很容易出現霜凍，這降低了換熱器的加熱和換能器的性能。目前常用的除霜方法是熱氣旁通除霜與逆循環(huán)除霜,KrakowK.I.等對除霜過程中的空氣源熱泵系統特性進行了研究,分析了結霜除霜對熱泵系統性能的影響。O′nealD.L.等通過試驗研究了不同節(jié)流機構對除霜效率,尤其對除霜速度的影響。此外,還有學者在試驗的基礎上對室外換熱器的熱氣除霜物理過程進行分析,建立了基于試驗的空氣源熱泵室外換熱器的除霜數學物理模型。大量學者對熱泵除霜做了廣泛研究,但未從根本上消除這2種除霜方式的弊端。熱氣旁通除霜時間長,吸氣過熱度低,易使壓縮機回液,同時,排氣壓力高,對壓縮機會產生一定的沖擊;逆循環(huán)除霜速度慢,結霜嚴重時除霜不完全,由于需要從房間中吸取熱量,室內溫度急劇下降,降低了室內環(huán)境的舒適性。針對已有除霜技術應用存在的不足,筆者對采用相變蓄熱除霜的多聯式空調(熱泵)系統進行試驗研究,并與傳統的逆循環(huán)除霜方式進行對比。該系統可以實現除霜與制熱同時進行,蓄熱與制熱同時進行,并且在除霜過程中系統制熱能力下降不大,系統宜于實際應用。1試驗原理和試驗體系1.1蓄熱系統工作原理相對于傳統的空調(熱泵)系統,相變蓄熱空調(熱泵)系統增加了一個相變蓄熱器,工作原理如圖1所示。相變蓄熱空調(熱泵)系統通過2個四通換向閥可以實現制熱與除霜同時進行,制熱與蓄熱同時進行,把除霜對制熱的影響降到最低。制熱與除霜同時進行時,四通換向閥A(3)電磁線圈通電,四通換向閥B(4)電磁線圈斷電,蓄熱電磁閥(12)和蓄熱電子膨脹閥(13)全開,室內電子膨脹閥(15)全開。制冷劑從壓縮機(1)排氣口進入油分離器(2)后分為制熱支路和除霜支路。制熱支路為:油分離器(2)→四通換向閥A(3)→氣管截止閥(16)→室內換熱器(7)→液管截止閥(14)→蓄熱電子膨脹閥(13)→蓄熱器(6)→四通換向閥B(4)→氣液分離器(8)→壓縮機(1)。除霜支路為:油分離器(2)→四通換向閥B(4)→室外換熱器(5)→蓄熱器(6)→四通換向閥B(4)→氣液分離器(8)→壓縮機(1)。制熱與蓄熱同時進行時,四通換向閥A和四通換向閥B電磁線圈均通電,蓄熱電磁閥(12)和蓄熱電子膨脹閥(13)全開,室內電子膨脹閥(15)全開。制冷劑從壓縮機(1)排氣口進入油分離器(2)后分為制熱支路和蓄熱支路。制熱支路為:油分離器(2)→四通換向閥A(3)→氣管截止閥(16)→室內換熱器(7)→液管截止閥(14)→室外換熱器(5)→氣液分離器(8)→壓縮機(1)。蓄熱回路為:油分離器(2)→四通換向閥B(4)→蓄熱器(6)→蓄熱電磁閥(12)→蓄熱電子膨脹閥(13)→制熱管路的制冷劑匯合→室外換熱器(5)→四通換向閥B(4)→氣液分離器(8)→壓縮機(1)。蓄熱器采用的蓄熱材料為石蠟。在空調(熱泵)系統蓄熱時,四通換向閥B(4)電磁線圈通電,蓄熱器中的石蠟吸收系統制冷劑的熱量從固體變?yōu)橐后w;當系統在除霜模式下運行時,四通換向閥B(4)電磁線圈斷電,蓄熱器中的石蠟由液體變?yōu)楣腆w釋放熱量。1.2測試安裝1.2.1輕靜壓管機型試驗樣機是一拖四多聯式空調(熱泵)系統。室外機機型為內銷機型RFC280MX4-H,室內機型為4臺低靜壓風管機RFUT71MX,制冷劑為R410A。室內換熱器和室外換熱器的結構參數如表1所示。1.2.2材料石蠟的安裝蓄熱模塊由一個翅片換熱器和外殼組成,蓄熱器外殼和換熱器間的間隙中填充蓄熱材料(石蠟)。翅片換熱器的尺寸(長×寬×高)為802mm×318mm×82mm,翅片間距2mm,蓄熱模塊中填充的蓄熱材料(石蠟)約為8.5kg。在試驗之前對室內換熱器、室外換熱器和蓄熱模塊進行檢漏測試。1.2.3試驗儀器和試驗流程為了研究有/無蓄熱模塊多聯式空調(熱泵)系統的動態(tài)特性,在系統中多個位置布置壓力傳感器和溫度傳感器。傳感器的具體布置位置如表2所示。試驗還測試室內換熱器閥前過冷度、室外換熱器的進口過冷度、油液位和油流量等參數。為了實時監(jiān)測蓄熱材料石蠟的溫度,在相變蓄熱模塊的內部布置了2個溫度測點。試驗選用的溫度傳感器為日本千野四線制Pt100溫度傳感器,測溫精度為±0.1℃;壓力傳感器為芬蘭(VAISALA)PTB100A,測試精度為±0.005MPa;相對濕度傳感器采用芬蘭(VAISA-LA)HMT120,測試精度為±2%。溫度傳感器、壓力傳感器和濕度傳感器直接連在試驗室的接線柱上,通過數據采集儀完成對試驗數據的自動檢測,并實時存入電腦。測試時間是2013年10月21—25日,地點是青島海爾空調電子有限公司焓差十二試驗室。測試工況是常規(guī)除霜、大濕度除霜和低溫制熱3種制熱工況,見表3。試驗使用工況機使模擬室外側、室內側的房間達到工況條件。上述3種工況只進行全開運轉,除霜時間與室內機停機時間間隔為1s,其他的數據記錄時間間隔為1min(時間長短可以從電腦檢測軟件讀取)。常規(guī)除霜運行時蓄熱電子膨脹閥(13)關閉,旁通毛細管(加大流量用)通過蓄熱電磁閥(12)關閉;蓄熱除霜時蓄熱電子膨脹閥(13)自動控制,旁通毛細管上蓄熱電磁閥打開。2去霜參數的測定在常規(guī)除霜、大濕度除霜與低溫制熱3種制熱工況下,測得蓄熱除霜的制熱量、整機消耗功率、室內機的制熱周期、室內機盤管平均溫度以及室內機出風口熱電偶平均溫度等參數,并與常規(guī)的逆循環(huán)除霜方式進行對比。2.1降壓機器性能分析從表4可以看出,采用相變蓄熱除霜的換熱量平均值高于常規(guī)逆循環(huán)除霜的換熱量。在除霜工況、大濕度除霜工況和低溫制熱工況下,相變蓄熱除霜分別比常規(guī)逆循環(huán)除霜高出987W,1345W和756W。采用相變蓄熱除霜的整機消耗功率平均值高于常規(guī)逆循環(huán)除霜。相變蓄熱除霜空調(熱泵)系統的制熱性能系數在3種試驗工況下分別為2.91,2.81和2.86,常規(guī)逆循環(huán)除霜空調(熱泵)系統分別為2.79,2.80和2.84。采用相變蓄熱模塊的空調(熱泵)系統的制熱性能優(yōu)于常規(guī)逆循環(huán)除霜空調(熱泵)系統的制熱性能。2.2熱泵系統啟停功能對于室內換熱器的制熱周期,相變蓄熱除霜空調(熱泵)系統通過四通換向閥B的換向進行判斷,常規(guī)空調(熱泵)系統通過室內機風扇的啟停進行判斷。從表5可以看出,在除霜、大濕度除霜和低溫制熱3種工況條件下,相變蓄熱除霜與常規(guī)逆循環(huán)除霜相比,制熱周期基本一致,但除霜期間室內機的停機時間前者比后者縮短約一半,相變蓄熱除霜時室內機開機時間會相應增加,這使得系統的制熱量增加,提高了室內環(huán)境的舒適度。2.3烈的部分除霜模式圖2所示為除霜工況、大濕度除霜工況和低溫制熱工況下室內換熱器盤管溫度隨時間的變化情況。前面溫度波動較平緩的部分為制熱模式,后面溫度變化劇烈的部分為除霜模式。可以看出,空調(熱泵)系統在制熱模式下運行時,相變蓄熱除霜和常規(guī)逆循環(huán)除霜室內換熱器盤管的平均溫度基本相同,在除霜模式下運行時(圖1中的四通換向閥A電磁線圈通電,四通換向閥B電磁線圈斷電)蓄熱模塊釋放儲存的熱量,蓄熱除霜比常規(guī)逆循環(huán)除霜室內換熱器盤管溫度要高20~25℃。所以,采用相變蓄熱模塊除霜的空調(熱泵)系統的熱舒適性高于常規(guī)逆循環(huán)除霜方式的空調(熱泵)系統。2.4省加霜模式圖3所示為除霜工況、大濕度除霜工況和低溫制熱工況下室內換熱器出風口平均溫度隨時間的變化情況。前面溫度波動較平緩的部分為制熱模式,后面溫度變化劇烈的部分為除霜模式?？梢钥闯?空調(熱泵)系統在制熱模式下運行時,相變蓄熱除霜和常規(guī)逆循環(huán)除霜室內換熱器出風口的平均溫度基本相同,在除霜模式下運行時,蓄熱模塊釋放儲存的熱量,蓄熱除霜比常規(guī)除霜室內換熱器出風口溫度要高13~17℃。試驗結果表明,采用相變蓄熱模塊除霜的空調(熱泵)系統的熱舒適性高于常規(guī)逆循環(huán)除霜方式的空調(熱泵)系統。3空調熱泵系統針對熱氣旁通除霜與逆循環(huán)除霜的傳統除霜方式對空調(熱泵)系統帶來的負面影響,研究了多聯式空調(熱泵)系統采用相變蓄熱模塊除霜的動態(tài)特性,并與常規(guī)的逆循環(huán)除霜方式進行對比。在除霜、大濕度除霜和低溫制熱3種工況下:1)帶有蓄熱器的空調(熱泵)系統制熱性能系數分別為2.91,2.81和2.86,常規(guī)逆循環(huán)除霜空調(熱泵)系統的制熱性能系數分別為2.79,2.80和2.84。2)相變蓄熱除霜相對常規(guī)逆循環(huán)除霜而言,室內換熱器的制熱周期基本一致,但除霜期間室