复叠式空气源热泵热水器结霜工况下的机组运行参数研究

第２６卷第４期　２０１２年８月　制冷与空调　

Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｉｒ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　、ｂ１．２６　Ｎｏ．４　

Ａｕｇ．２０１２．３１９￣３２３　

文章编号：１６７１．６６１２（２０１２）０４—３１９—０５　复叠式空气源热泵热水器结霜工况下　的机组运行参数研究　韩星　范巍　陈剑波　李贺　（１．上海理工大学上海２０００９　３；２．悉地国际（深圳）设计顾问有限公司　上海２００２３５）　

【摘要】　

【关键词】　中图分类号　

复叠式空气源热泵热水器可以在冬季低温（－２５＂Ｃ）下最高提供８０＂Ｃ热水，但是机组结霜问题对机　组的效率和供热性能影响较大。通过研究复叠式热泵热水器的结霜规律以及结霜对机组性能的影　响，为进～步研究并优化除霜控制方法提供依据。系统分为低温级循环和高温级循环，低温级循　环为室外系统，高温级循环及蒸发冷凝器部分为室内系统，热泵循环低温级采用Ｒ４１０Ａ作为循环　工质，高温级采用Ｒ１３４ａ，热泵系统高温级冷凝温度为８０℃，低温级的蒸发温度可达一４０＂Ｃ。通过　在焓差实验室实验进行研究。测试复叠式热泵的结霜过程时间与结霜量，得到不同室外温湿度与　结霜量之间的关系。结霜量通过测量低温级蒸发器进出口含湿量的方法获得，并分析结霜对于机　组实际耗电量以及ＣＯＰ等性能参数的影响。　结霜；复叠式；空气源热泵　ＴＢ６５　文献标识码Ａ　

Ｔｈｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃａｓｃａｄｅ　Ｔｙｐｅ　Ａｉｒ—ｓｏｕｒｃｅ　Ｈｅａｔ　Ｐｕｍｐ　Ｗａｔｅｒ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｆｒｏｓｔｉｎｇ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　Ｈａｎ　Ｘｉｎｇ　Ｆａｎ　Ｗｌｅｉ　Ｃｈｅｎ　Ｊｉａｎｂｏ　Ｌｉ　Ｈｅ　（１．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｈａｎｇｈａｉ　ｆｏｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２０００９３；　２．ＸｉＤｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２００２３５）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｃａｓｃａｄｅ　ｔｙｐｅ　ａｉｒ－ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　ｗａｔｅｒ　ｈｅａｔｅｒ　Ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｇｏａｌ　ｏｆｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ８０￣Ｃ　ｈｏｔ　ｗａｔｅｒ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ（一２５℃），ｂｕｔ　ｆｒｏｓｔｉｎｇ　ｗｉｌｌ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ｆｏｃｕｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｒｏｓｔｉｎｇ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｏｕｔｄｏｏｒ　ａｉｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆａｌｓｅ　ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｕｎｄｅｒ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ａ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｌｅｖｅｌ　ｃｙｃｌｅ　ａｎｄ　ａ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｌｅｖｅｌ　ｃｙｃｌｅ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｅｖｅｌ　ｃｙｃｌｅ，Ｒ４１０Ａｉｓｕｓｅｄｉｌｌｓｔｈｅｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ，ｗｈｉｌｅｉｎｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｅｖｅｌ　ｃｙｃｌｅＲ１３４Ａｉｓｕｓｅｄ　ａｓｔｈｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ．　Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔＷａＳ　ｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎｔｈｅ　ｅｎｔｈａｌｐｙ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｌａｂ．Ｔｈｅｔｉｍｅｏｆｒｅａｃｈｉｎｇ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎｆｒｏｓｔｉｎｇａｍｏｕｎｔｗｉｌｌ　ｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｎｄ　ｆｒｏｓｔｉｎｇ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｏｕｔｄｏｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｗｅｒｅ　ａｌｓｏ　ｔｅｓｔｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ　ｆｒｏｓｔｉｎｇ　ａｍｏｕｎｔ　Ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｏｆｔｈｅ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆｉｎｌｅｔ　ａｎｄ　ｏｕｔｌｅｔ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ．Ｔｈｅｎ，ｗｅ　ｗｉｌｌ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈａｔ　ｈｏｗ　ｔｈｅ　ｆｒｏｓｔｉｎｇ　ａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆｔｈｅｕｎｉｔａｃｔｕａｌｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｎｄＣＯＥ　［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］　Ｆｒｏｓｔｉｎｇ；Ｃａｓｃａｄｅ　ｔｙｐｅ；Ａｉｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ　

０　引言　复叠式热泵循环系统是借鉴复叠式制冷技术，　在超低温的室外环境下，解决空气源热泵系统处理　

高温化的问题，使空气源热泵系统适应更恶劣的室　

基金项目：上海市教委重点学科建设项目（编号：Ｊ５０５０２）　作者（通讯作者）简介：韩星（１９８１一），男，博士，副教授，Ｅｍａｉｌ：ｈａｎｘｉｎｇ＿ｕｓｓｔ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ　

收稿日期：２０１２．０５．３０　・３２０・　制冷与空调　２０１２笠　外环境，扩大空气源热泵系统的应用空间［１】。然而　与普通空气源热泵系统一样面临结霜问题，在进行　制热循环时，当空气露点温度高于蒸发器翅片表面　温度，换热器翅片表面就会结露；当翅片温度低于　０￣Ｃ时，翅片表面就会结霜。　结霜量是研究结霜特性的一个重要参数，研究　人员采用了各种方法进行测量，其中Ｓｅｎｓｈｕ　Ｔ等【２】　为了获得结霜的质量，在试验中每隔一段时间将结　满霜的换热器翅管卸下，再称量其质量，然后减掉　初始时化霜水质量来得到换热器质量变化，从而获　得结霜量。Ｓｈｉｎｈｙｕｋ　Ｙｏｏｎ等【４Ｊ用可移动取样带取　霜样品称质量，在每次测量之前把铝带放在换热器　的表面，然后在一定时间之后，取下铝带用天平测　量。而Ｏ’Ｎｅａｌ［５Ｊ根据流通的空气流率和进出口的湿　度差间接算出沉积为霜的水汽重量。这些方法一般　测量结果会产生较大的不确定度，相对而言，测量　换热器前后含湿量和通过换热器的风量的方法国　内外使用的比较多。　结霜工况下空气源热泵系统的性能变化可以　真实的反应结霜时机组运行状态和能耗。Ｋａｍｉｌ　Ｋａｙｇｕｓｕｚ［６］对一台为７５ｍ　房间供暖的空气源热泵　的性能进行研究，在系统达到稳定的结霜工况时测　量出系统性能和换热量，实验的室外环境工况是：　环境温度在４－１０℃和相对湿度在６５％一８０％的范围　内。实验得到在上述环境条件下系统以及各部件的　参数。在国内，黄虎等Ｌ７　Ｊ对一台７０．３４ｋＷ风冷热泵　冷热水机组在结霜工况下的运行情况进行了测试，　得出了在这个结霜工况下运行时，机组吸气压力、　排气压力、翅片温度、制热量等参数随时间的变化　关系。姬长发等【８】在一台制冷量为５５ｋＷ的风冷热　泵冷热水机组上进行了实验，他在分析中把结霜过　程分为启动阶段、稳定阶段和震荡阶段三个阶段，　得出风速的不均匀会导致热力膨胀阀的震荡。田津　津等［９］对一台风冷热泵室进行了结霜工况下的实　验测试，实验地研究了风冷热泵在规定的环境温度　下制热能力、出风温度以及热泵制热性能的变化。　实验结果表明热泵结霜严重的影响了制热能力、出　风温度以及热泵制热性能。　本文对一台复叠式空气源热泵系统进行结霜　实验，并分析结霜对于机组实际耗电量以及ＣＯＰ　等性能参数的影响。　１　实验装置　复叠式热泵系统由两个单级循环叠加而成，分　为高温级循环和低温级循环，系统原理图如图１所　示。本文研究的复叠式热泵机组是能在超低温的环　境下（环境温度一２５℃）制取８Ｏ℃的热水，低温级　循环工质Ｒ４１０Ａ，蒸发温度一４０￣Ｃ，冷凝温度１５℃；　高温级循环工质Ｒ１３４ａ，蒸发温度１Ｏ℃，冷凝温度　８５℃。复叠式空气源热泵热水器实物图如图２所　示。　低温级压缩机高温级压缩机　

图１　复叠式热泵系统原理图　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｃａｓｃａｄｅ　ｔｙｐｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｉａｇｒａｍ　

图２复叠式热泵低温级实物图　ｒｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｉｃｔｕｒｅ　本文实验是在焓差环境实验室内进行，焓差环　境实验室平面布置如图３所示，主要由室内侧、室　外侧和室内侧量热室组成，实验室的室内和室外侧　房间均设有恒温水接口，提供所测设备需要用水，　并且它可以确保实验能在恒温恒湿条件下进行。为　了保证实验室温湿度工况的控制精度并保证测试　工况的稳定性，实验室采用顶部孔板送风和侧面回　风方式。机组的低温级放在室外侧，高温级放在室　内侧。　第２６卷第４期　韩星，等：复叠式空气源热泵热水器结霜工况下的机组运行参数研究　本实验实验数据的采集通过数据采集仪实现，　实验室的室内外侧各设置了２０个热电偶温度测试　通道，机组的ＣＯＰ、吸排气压力、温度以及制热　量等性能参数均可在计算机上读出。　为了获得低温级蒸发器的结霜量，需要测量蒸　发器的进出口风速、温度以及相对湿度，然后可计　

算出通过室外换热器的空气流量、密度及进出口含　湿量。△耐段内室外换热器的结霜量可表示为：　可ｍａＡ￣＂（　埘）　（１）　

式中：　、　，分别为低温级蒸发器前后的含　湿量。　

图３焓差环境实验室平面布置图　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｅｎｔｈａｌｐｙ－ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｌａｂ　ｆｌｏｏｒ　ｐｌａｎ　

风速利用ｔｅｓｔｏ风速传感仪来测量，温湿度利　用Ｅ＋Ｅ温湿度传感器测量，如图４所示。　图４温湿度测量仪器　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　本实验的复叠式空气源热泵机组低温级蒸发　器风机是由两个风机组成，为了测得准确的出口风　速，测点应均匀布置在每个圆形出口上，两个出口　总共设置八个风速测点，温度测点也是这样设置。　蒸发器进口也是采用设置多个测量取平均风速，由　于蒸发器盘管的形状是Ｌ形，侧面尺寸是１２０ｍｍ　Ｘ　３０ｒａｍ、正面尺寸是１２０ｍｍ×６８ｍｍ，因此侧面　测点布置成单排，沿高度方向均匀设置４个；正面　测点设置成双排，每排四个，整个低温级蒸发器进　口共１２个温湿度、风速测点。虽然焓差室内的温　湿度可以由其白带的传感器读出，但为了测量更准　确，低温级蒸发器进口仍均匀布置１２个测点。　在进行实验之前，先将焓差环境实验室的室外　侧环境干湿球温度调节到所需数值，并控制在相对　稳定状态下，即焓差实验室室内外侧环境干湿球温　度误差在±Ｏ．２℃内。待室外侧达到稳定时开启被　试机组进行实验，每隔３００ｓ记录一次实验数据。