陳姝，歐炯樺，李金城，陳嘉澍，卓獻榮

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣州，510025）

相比傳統(tǒng)的燃氣熱水器和電熱水器，空氣源熱泵熱水器因其高效節(jié)能安全無污染在我國熱水設(shè)備供應(yīng)市場呈逐年攀升的趨勢，也有益于減少碳排放實現(xiàn)碳中和，但其在中溫高濕地區(qū)運行時存在的蒸發(fā)器結(jié)霜問題，是影響熱泵機組冬季制熱效率的主要因素，嚴(yán)重制約著空氣源熱泵的發(fā)展［1］。因此，提高除霜技術(shù)是推進空氣源熱泵發(fā)展的必要條件［2］。針對空氣源熱泵的除霜問題，國外大量學(xué)者已進行了諸多實驗方法研究，李剛、田小亮將空氣源熱泵空調(diào)在實際工程應(yīng)用的中采用的換熱器作為研究對象，通過進行低溫工況下的結(jié)霜、化霜實驗，對不同空氣溫度、相對濕度、化霜時間以及滯留水滴落時間下的霜層融化過程和化霜水流動過程的分析，為空氣源熱泵空調(diào)在低溫工況下聯(lián)系正常運行奠定了基礎(chǔ)［3］。沈康偉發(fā)現(xiàn)將毛細管節(jié)流部件由外機側(cè)移至水箱側(cè)后，系統(tǒng)的能效以及壓縮機的安全和可靠性運行都有所改善［4］。Feng Wang，Yuling Zhou等人對空氣源熱泵室外盤管噴涂超疏水涂料的防結(jié)霜性能進行研究，采用在鋁表面噴涂SiO2涂層的方法制備了超疏水表面并進行性能測試，說明可噴表面具有優(yōu)良的防結(jié)霜性能［5］。牛建會、馬國遠等針對大中型空氣源熱泵系統(tǒng)除霜，提出一種空氣源熱泵蒸發(fā)器并聯(lián)輪換除霜系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)除霜時不停止制熱［6］。Qu等人則建立了多環(huán)路蒸發(fā)器除霜模型，研究了融化水流動對除霜過程的負面影響［7］。目前最普遍的除霜方式為逆循環(huán)除霜，其存在較大不足且除霜時需要從熱水中吸取熱量導(dǎo)致水溫下降，而分組獨立除霜的融霜方式鮮見研究。

本文以蒸發(fā)器分組獨立除霜方式對空氣源熱泵熱水器除霜性能優(yōu)化進行探索，通過分組獨立除霜實驗與逆循環(huán)除霜實驗進行熱泵性能對比，以中部地區(qū)典型溫度為研究工況，在環(huán)境相對濕度為70 %左右，溫度在-4 ℃到4 ℃之間每隔2 ℃作為一個實驗溫度點進行實驗對比，最終通過實驗數(shù)據(jù)分別對其除霜性能進行分析比較。

1 實驗研究

本文通過控制變量法，在環(huán)境室內(nèi)模擬中部地區(qū)典型冬季環(huán)境工況，改裝現(xiàn)有熱泵熱水裝置，具體流程為在模擬環(huán)境下進行實驗，分別測量出兩種不同除霜方式下冷凝器里水溫隨著時間變化的數(shù)據(jù)，并計算性能參數(shù)以進行對比分析。

1.1 實驗裝置

實驗裝置由廣東澳信熱泵空調(diào)有限公司的AWH-003PV型熱泵熱水器改造而成，其詳細參數(shù)如下表：

表熱泵主要參數(shù)

1.2 實驗原理

圖1實驗裝置圖，逆循環(huán)除霜實驗時，閥4關(guān)閉，閥2和閥3打開，除霜時四通閥打開，制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮后，分別流入蒸發(fā)器1、2，冷凝放熱后由毛細管節(jié)流進入蒸發(fā)器，經(jīng)四通閥回到壓縮機。其除霜時需要從熱水中吸取熱量導(dǎo)致水溫下降。

圖1 分組除霜系統(tǒng)原理圖

分組獨立除霜實驗中，除霜時四通閥和截止閥1均打開，閥2閥3均關(guān)閉。制冷劑先經(jīng)壓縮機壓縮后，先流入蒸發(fā)器1（冷凝放熱除霜），經(jīng)過閥4流入蒸發(fā)器2，通過截止閥1到四通閥再回到壓縮機，完成對蒸發(fā)器1的除霜操作； 而后制冷劑先經(jīng)壓縮機壓縮后，由截止閥1流入蒸發(fā)器2（冷凝放熱除霜），經(jīng)過閥4流入蒸發(fā)器1，通過四通閥回到壓縮機，完成對蒸發(fā)器2的除霜操作。與逆循環(huán)除霜方式相比，分組除霜不需要經(jīng)過冷凝器吸收熱水的熱量。

1.3 實驗方法

熱泵熱水裝置在環(huán)境溫度為-4 ℃到4 ℃之間進行實驗，每隔2 ℃作為一個實驗溫度點，比較熱泵在不同溫度下的兩種除霜方式的性能。環(huán)境濕度控制在70 %，濕度誤差10 %。感溫器3個分別用于測量冷凝器出口的水溫、蒸發(fā)器1和蒸發(fā)器2表面的溫度。

模擬環(huán)境溫度設(shè)置為-4 ℃，往水箱中加入水箱內(nèi)128 kg的冷水。啟動系統(tǒng)加熱水箱中的水，此時熱泵熱水器正常運行，截止閥1，閥4關(guān)閉，閥2和閥3打開。待蒸發(fā)器表面結(jié)霜時（蒸發(fā)器表面結(jié)霜，以運行1小時30分鐘時長為準(zhǔn)）執(zhí)行除霜操作，設(shè)置除霜結(jié)束溫度為12 ℃，連接四通閥的感溫器放在蒸發(fā)器1表面上。水溫每升高2 ℃記錄一次冷凝器中水的溫度、時間和除霜對應(yīng)時間點，以及每運行一個周期結(jié)束時的耗電量。除霜期間，水溫每變動0.1 ℃記錄一次時間。每隔2 ℃進行一個環(huán)境溫度點實驗，直到實驗進行到環(huán)境溫度4 ℃為止。

記錄-4 ℃～4 ℃之間下熱泵運行一周期熱水溫度變化情況，每隔兩分鐘記錄一次。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 兩種除霜方式對水箱內(nèi)水溫的影響

2.1 兩種除霜方式對水箱內(nèi)水溫的影響

圖3 -2 ℃下熱泵運行一周期熱水溫度變化情況

圖4 0 ℃下熱泵運行一周期熱水溫度變化情況

圖5 2 ℃下熱泵運行一周期熱水溫度變化情況

圖2至圖6為環(huán)境溫度-4 ℃～4 ℃下系統(tǒng)運行水溫的變化情況，當(dāng)在1∶30∶00開始除霜時，兩種除霜方式下的水水溫均有所降低，但逆循環(huán)除霜方式下的水溫下降得較多。從系統(tǒng)原理圖上看，進行分組獨立除霜時，制冷劑不需要經(jīng)過冷凝器，因此不需要從熱水中吸取熱量，所以當(dāng)進行分組獨立除霜時，熱水的溫度本應(yīng)該不會下降，在圖中應(yīng)該是呈現(xiàn)水平線，但在實際實驗中，在相對低溫的環(huán)境下因保溫問題，由溫差產(chǎn)生的傳熱造成漏熱是溫度降低的一個原因。另一個造成分組獨立除霜時水溫降低的主要原因是水箱中熱水溫度的不均勻性，進行除霜時，水泵依然在運行，把水箱里的水溫進一步傳熱均勻，因此分組獨立除霜過程中的后半部分，水溫幾乎不會再下降了。

圖2 -4 ℃下熱泵運行一周期熱水溫度變化

圖6 4 ℃下熱泵運行一周期熱水溫度變化情況

圖2至圖6中無論是逆循環(huán)除霜還是分組獨立除霜，最后總有0.1 ℃～0.2 ℃回升，造成這種情況主要原因是除霜時溫度變動太快導(dǎo)致水溫不均勻性。

圖7為環(huán)境溫度-2 ℃下蒸發(fā)器表面結(jié)霜圖，圖8為-2 ℃下蒸發(fā)器表面除霜效果圖，對比可知除霜效果理想。

圖7 -2 ℃下1小時30分鐘時的蒸發(fā)器表面結(jié)霜圖

圖8 -2 ℃下蒸發(fā)器表面除霜效果圖

2.2 兩種除霜方式對裝置COP的影響

圖9，圖10所示為逆循環(huán)除霜與分組獨立除霜的除霜環(huán)境溫度與COP、除霜過程溫降關(guān)系曲線圖，圖9可以看出，在環(huán)境濕度為70 %左右，溫度在-4 ℃～4 ℃之間，分組獨立除霜模式的COP要比逆循環(huán)除霜模式高；由圖10可以看出，分組獨立除霜過程的水箱溫降比逆循環(huán)除霜低。從除霜原理分析，逆循環(huán)除霜時，制冷劑需要經(jīng)過冷凝器吸取熱量以達到除霜蒸發(fā)器的作用，而分組獨立除霜時，制冷劑不需要經(jīng)過冷凝器吸取熱量，因此分組獨立除霜時水箱溫降低，COP比逆循環(huán)除霜高。分組獨立除霜實驗裝置兩排蒸發(fā)器是一上一下疊在一起，蒸發(fā)器1在上，蒸發(fā)器2在下，當(dāng)分組獨立除霜時，先進行蒸發(fā)器1 的除霜，蒸發(fā)器1表面的除霜水往下流帶走了蒸發(fā)器2表面的部分霜以及融化蒸發(fā)器2 表面的霜，縮短了蒸發(fā)器2的除霜時間。

圖9 除霜環(huán)境溫度與COP關(guān)系曲線圖

圖10 除霜環(huán)境溫度與除霜水箱溫降關(guān)系曲線圖

由除霜環(huán)境溫度與COP關(guān)系曲線圖9還可以看到，在實驗范圍內(nèi)，環(huán)境溫度在-2～4 ℃區(qū)間兩種除霜模式COP差值較高，分組除霜模式更具優(yōu)勢。而在-2 ℃時，分組獨立除霜模式比逆循環(huán)除霜模式的COP差值最大為0.09，同時也是實驗區(qū)間COP差值百分比最大的。而在-4 ℃時，分組獨立除霜模式比逆循環(huán)除霜模式的COP差值只有0.06，這是因為隨著環(huán)境溫度在-2 ℃往下降低，越難以除霜，導(dǎo)致分組獨立除霜所需的時間會更長一點，因此耗電量無疑會更多一點，COP值相對較低。而隨著環(huán)境溫度在-2 ℃越往上升高，分組獨立除霜模式比逆循環(huán)除霜模式的COP差值會逐漸趨于平緩。因為隨著溫度高于-2 ℃，蒸發(fā)器自身結(jié)霜趨于弱化，同時除霜也變得更容易，因此除霜時間相對于低溫環(huán)境而言則縮短，兩種除霜方式除霜時間差別減小。同時隨著環(huán)境溫度升高，熱泵制取熱量的能力越強，因此環(huán)境溫度越高，對于初始溫度相同的冷水，一定時間內(nèi)使熱水溫度升高得越快，進行逆循環(huán)除霜，因水溫較高增加了與低溫制冷劑換熱速率，使得相對高溫下除霜時間較短，而分組獨立除霜COP相同工況下仍略高于逆循環(huán)除霜方式。

3 結(jié)論

為改善現(xiàn)有空氣源熱泵熱水器在中溫高濕地區(qū)的除霜問題，提出一種分組獨立除霜方式，采用控制變量法將分組獨立除霜與逆循環(huán)除霜除霜性能進行多組實驗，發(fā)現(xiàn)在實驗溫濕度范圍內(nèi)，分組獨立除霜性能比COP高于逆循環(huán)除霜模式，體現(xiàn)出更節(jié)能的特點。主要得出以下結(jié)論：

1. 環(huán)境濕度為70 %左右，溫度在-4 ℃～4 ℃之間時，分組獨立除霜模式的COP值比逆循環(huán)除霜模式高。在-4 ℃的時候比逆循環(huán)除霜模式COP多了4.0 %，在-2 ℃的時候比逆循環(huán)除霜模式COP多了5.8 %，在0 ℃的時候比逆循環(huán)除霜模式COP多了5.5 %，在2 ℃的時候比逆循環(huán)除霜模式COP多了4.7 %，在4 ℃的時候比逆循環(huán)除霜模式COP多了5.1 %。

2. 環(huán)境濕度為70 %左右，溫度在-4 ℃～4 ℃之間，分組獨立除霜過程的溫降比逆循環(huán)除霜少，因其除霜過程不需要耗費熱水的熱量。

3. 實驗設(shè)備在環(huán)境溫度為-2 ℃時分組獨立除霜較逆循環(huán)除霜優(yōu)勢最為明顯。在一定溫度范圍內(nèi)，環(huán)境溫度低于-2 ℃且溫度越低，則分組獨立除霜優(yōu)勢越不明顯；溫度高于-2 ℃且溫度越高時，分組獨立除霜較逆循環(huán)除霜優(yōu)勢則趨于平緩。