复叠式空气源热泵双螺旋盘管蓄热器蓄放热特性实验研究
2017-06-23曲明璐樊亚男李天瑞王坛
曲明璐 樊亚男 李天瑞 王坛
（上海理工大学环境与建筑学院 上海 200093）
复叠式空气源热泵双螺旋盘管蓄热器蓄放热特性实验研究
曲明璐 樊亚男 李天瑞 王坛
（上海理工大学环境与建筑学院 上海 200093）
本文在传统的复叠式空气源热泵中增加一个双螺旋盘管形式的蓄热器，并测量蓄热器内不同位置水温及蓄热器进出口制冷剂温度变化。研究了当室内侧模拟工况干球温度为22℃ ±0.1℃，相对湿度为50% ±3%，室外侧模拟工况干球温度为－12℃ ±0.1℃时，蓄热器在蓄热模式、间断制热蓄能除霜模式、不间断制热蓄能除霜模式下的蓄放热特性。结果表明：该蓄热器有良好的蓄热能力及在不同低位热源条件下的放热能力。在间断和不间断制热蓄能除霜过程中，蓄热器的释热量分别为1 642.7 kJ和1 892.4 kJ，可以满足除霜的要求和部分室内供热需求。
空气源热泵；复叠式循环；蓄热器；蓄放热特性；除霜
空气源热泵空调技术是一种有效的节能方法［1－2］，可以大大降低一次能源的消耗。但是在较低环境温度的制热工况运行时存在效率较低、可靠性差及故障较多等问题，因此出现了复叠式空气源热泵系统［3－5］，但是在制热运行中，当室外机表面温度低于空气露点且低于冰点时，空气源热泵会出现结霜现象，严重影响热泵的供热效果。热气旁通除霜是复叠式空气源热泵除霜方法中较为有效的一种，但是在低温环境下除霜效果差，除霜时间长，甚至无法将霜层完全除尽。为解决以上问题出现了蓄能除霜，蓄能除霜是利用蓄热材料将热泵高效制热运行时的部分余热储存起来，除霜时将其作为热泵的低位热源，通过蓄热材料的放热，向系统提供除霜所需的热量。国内针对蓄热器进行了很多研究，韩志涛等［6］为了突出蓄能热气除霜新系统的优越性，将相变蓄热装置引入到空气源热泵系统中，并与传统的热气旁通除霜系统做了对比；张红瑞等［7］提出了空气源热泵储水蓄能除霜系统，缓解了空气源热泵在除霜时室内环境舒适性恶化的问题，同时提高了机组除霜可靠性运行稳定性；曹琳等［8］为研究空气源热泵相变蓄能除霜系统的除霜过程动态特性及性能，开展了空气源热泵相变蓄能除霜系统的实验研究。董建锴等［9］搭建了空气源热泵除霜系统动态实验台，研究了蓄能热气除霜系统运行动态特性，并且指出蓄能除霜能提高压缩机的吸排气压力，缩短除霜时间60%。文博等［10］以圆柱形螺旋盘管相变蓄热装置为研究对象，实验分析其在不同室外温度下的蓄、放热特性和除霜特性。王志华等［11］利用固体干燥剂较强的除湿特性，提出一种新型无霜空气源热泵热水器。张志强等［12］测试了不同冷水进水温度和不同水流量下蓄热箱中石蜡及蓄热箱热水出口温度的变化情况。曲明璐等［13］研究了采用相变蓄能除霜方法的不同蓄能运行模式下空气源热泵的运行状况和室内热舒适情况。
针对蓄热材料的选择，按蓄热方式不同，可分为显热蓄能和相变潜热蓄能。相变材料在循环相变过程中存在热物理性质退化、材料泄漏、表面结霜等问题，而且价格较贵，热导率较差；显热蓄能通常为水箱蓄热，华南理工大学对一种复叠式蓄热型空气源热泵热水器系统的运行工况和性能优化进行了很多研究［14－15］。本文介绍复叠式蓄热型空气源热泵系统工作原理，对系统进行理论分析，研究通过实验和模拟的方法探讨热泵系统在蓄热过程和放热过程的热量传递及水箱温度动态变化特性，探索复叠式蓄热型空气源热泵热水器动态传热和效率耦合问题。
本文设计了蓄能复叠式空气源热泵系统，在复叠式空气源热泵低温级上增加一个双螺旋盘管形式的蓄热器，选用水作为蓄热材料，在供热／蓄能时该蓄热器作为冷凝器储存热量，在蓄能除霜模式下作为蒸发器向低温级提供低位热量用于除霜，同时也可向高温级提供热量用于对室内制热。本文对复叠式空气源热泵蓄热、除霜过程中蓄热器的蓄热、放热过程进行研究，分析了双螺旋盘管蓄热器的蓄放热特性。
图1 蓄能复叠式空气源热泵系统原理图Fig.1 The schematic diagram of the energy storage based CASHP system
1 系统的工作原理和结构形式
1.1 系统的工作原理
蓄能复叠式空气源热泵系统如图1所示，与常规复叠式空气源热泵相比，系统增加一个双螺旋盘管形式的蓄热器和相应电磁阀。低温级循环工质为R410A，高温级循环工质为R134a。该实验系统的详细介绍参照文献［16］。复叠式空气源热泵蓄热系统有三种工作模式：蓄热模式、间断制热蓄能除霜模式、不间断制热蓄能除霜模式。
在蓄热模式下蓄热器兼有冷凝器的作用，蓄能除霜模式下蓄热器作为蒸发器；在间断制热蓄能除霜时，四通阀换向，蓄热器作为蒸发器向低温级提供低位热量用于除霜，高温级不运行；在不间断制热蓄能除霜时，四通阀换向，蓄热器作为蒸发器，提供的低位热量分别用于低温级的除霜和高温级的制热。
1）蓄热模式
此模式下阀门F1，F3，F7，F8，F9，F10开启，其余阀门关闭。蓄热结束后重新切换为常规制热模式，直至达到除霜条件。
制冷剂在系统中的工作流程如下：
低温级循环：低温级压缩机→四通换向阀→F1→蓄热器→F3→F7→蒸发冷凝器→F9→低温级储液器→低温级电子膨胀阀→室外机→四通换向阀→低温级气液分离器→低温级压缩机；
高温级循环：高温级压缩机→室内机→高温级储液器→高温级电子膨胀阀→F10→蒸发冷凝器→F8→高温级气液分离器→高温级压缩机。
2）间断制热蓄能除霜模式
此模式下阀门F1、F3、F11开启，其余阀门关闭。同时，低温级压缩机启动，室外风机关闭，高温级压缩机和室内机均关闭。
制冷剂在系统中的工作流程如下：
低温级循环：低温级压缩机→四通换向阀→室外机→低温级储液器→低温级电子膨胀阀→F11→F3→蓄热器→F1→四通换向阀→低温级气液分离器→低温级压缩机。
3）不间断制热蓄能除霜模式
此模式下阀门F1，F2，F3，F4，F11开启，其余阀门关闭。同时，高温级压缩机启动，室内机开启。
制冷剂在系统中的工作流程如下：
低温级循环：低温级压缩机→四通换向阀→室外机→低温级储液器→低温级电子膨胀阀→F11→F3→蓄热器→F1→四通换向阀→低温级气液分离器→低温级压缩机。
高温级循环：高温级压缩机→室内机→高温级储液器→高温级电子膨胀阀→F4→蓄热器→F2→高温级气液分离器→高温级压缩机。
1.1.1 蓄热材料的选择
本系统选用水作为蓄热材料。水作为蓄热材料具有以下优点：
1）水有较高的比热容（4.212 kJ／（kg·K）），在相同的温度变化条件下能够吸收或放出较多的热量，同时在蓄放相同热量的条件下，可使用较少的蓄热材料，并缩小蓄热器的体积。
2）水有较大的密度（1 000 kg／m3），储存相同质量蓄热材料时，可缩小蓄热器的体积。
3）水的导热系数较高（0.551 W／（m·K）），使蓄放热速度较大，减小蓄放热和除霜时间。
4）水作为生活中常见的物质，具有价格便宜，容易获取，性价比高的优点。
5）水也是可再生的清洁能源，并且安全可靠、对外界物质腐蚀性小。
为了满足有效的除霜和除霜时高温级制热所需的热量，蓄热器蓄热容量为15.6 L，即所需水的质量约为15.6 kg。
1.1.2 蓄热器的结构和尺寸
本系统设计了双螺旋盘管形式的蓄热器，如图2所示。蓄热器分为内套筒和外套筒，在两个套筒之间放置两排管径相同的螺旋盘管，内盘管连接到高温级循环，外盘管连接到低温级循环。内套筒与盘管、外套筒与盘管及两个螺旋盘管之间构成了三个狭小的夹层空间，蓄热材料位于这三个夹层空间内，这种结构可以增加蓄热介质与制冷剂管道的接触面积，强化换热。为了减少蓄热量的损失，内套筒、外套筒、蓄热器底部及蓄热器上盖均做一层保温。
蓄热时低温级的高温高压制冷剂从外盘管上层流入，由上到下逐层加热管外蓄热材料，冷凝放热后由下方流出。间断制热除霜时，低温级的低温低压制冷剂从盘管底部流入，由下到上吸收管外蓄热量，吸热气化后由上方流出。不间断制热除霜时，低温级和高温级的低温低压制冷剂均从盘管底部流入，由下到上吸收管外蓄热量，吸热气化后由上方流出。蓄热器详细结构参数如表1所示。
图2 蓄热器结构示意图（单位：mm）Fig.2 The schematic diagram of heat storage tank
表1 蓄热器结构参数Tab.1 Parameters of the heat storage tank
1.2 温度测点布置
实验中蓄热器内温度测点布置如图3所示。室外机盘管温度测点主要用于测量除霜时各盘管进出口温度，通过这些温度可间接地反映出除霜特性。蓄热器内温度测点主要用于测量蓄热、除霜时蓄热器内不同位置的水温，所用的温度传感器为T型铜-康铜热电偶，其量程为－200～260℃，精度为±0.1℃，测量误差为±0.3℃。其中TU、TM、TL分别为蓄热器内上部温度测点（T1、T2）的平均值、中间温度测点（T3、T4）的平均值和下部温度测点（T5、T6）的平均值。蓄热时通过分析蓄热器内水温变化来反映蓄热器的蓄热特性，除霜时通过分析蓄热器内水温和蓄热器进出口的制冷剂温度的变化来反映蓄热器的放热特性。
图3 蓄热器内温度测点分布图Fig.3 Layout of temperature measuring points in heat storage tank
2 实验
2.1 实验条件
实验中保持稳定的结霜和除霜工况，室内侧模拟工况干球温度为22℃ ±0.1℃，相对湿度为50% ± 3%；室外侧模拟工况干球温度为－12℃ ±0.1℃。表2所示为实验条件，整个结霜过程持续了97 min。当低温级蓄热器进出口温度分别与TU、TL基本相等，可判断此时蓄热结束，实验中蓄热过程持续27.8 min。
表2 实验条件Tab.2 Experimental conditions
2.2 结果分析
2.2.1 蓄热时蓄热器蓄热特性分析
图4、图5分别为蓄能除霜实验结霜时蓄热器内不同位置水温及低温级蓄热器进出口制冷剂温度变化，反映了蓄热器的运行特性。由图4可知，低温级蓄热器进出口初始温度分别为21.1℃、19.2℃，前5 min保持不变，随着蓄热的进行，低温级蓄热器进出口温度都逐渐升高，并且进口温度升高速率大于出口温度。32.8 min时低温级蓄热器进出口温度分别为41.1℃、32.3℃，然后进出口温度又开始缓慢下降，97 min的时候分别稳定在32.5℃、31.4℃。
图4 蓄热模式下蓄热器低温级进出口制冷剂温度变化Fig.4 The variations of refrigerant temperature at the inlet and outlet of low temperature（LT）cycle in heat storage tank in the thermal storage mode
由图5可知，5 min时开启蓄热，此时TU、TM、TL分别为20.4℃、19.2℃、18.5℃，随着蓄热的进行，蓄热器内水温逐渐升高，32.8 min时TU、TL分别为41.1℃、32.3℃，与低温级蓄热器进出口温度基本相等，可判断此时蓄热结束。蓄热时间为27.8 min，蓄热结束时 TU、TM、TL分别为41.1℃、37.5℃、32.3℃。由于蓄热时低温级高温高压制冷剂自上而下流过蓄热器，蓄热时上部水温升高速率较快，整个蓄热过程中TU、TM、TL的平均升高速率分别为0.74℃／min、0.66℃／min、0.5℃／min。关闭蓄热后，由于热量的散失和水的温差引起的自然对流，TU、TM均缓慢降低，TL基本稳定不变，制热结束时TU、TM、TL分别为37.5℃、35.5℃、32.4℃。
图5 蓄热模式下蓄热器内不同位置水温变化Fig.5 The variations of the water temperature at different measuring points in heat storage tank in the thermal storage mode
综上所述：实验过程中系统的蓄热时间为27.8 min，蓄热时低温级排气首先经过蓄热器，然后经过蒸发冷凝器，蓄热过程主要是低温级制冷剂的显热释热过程，一方面提高了蓄热速度，缩短了蓄热时间；另一方面能够使大部分制冷剂潜热为高温级所利用，减小了对高温级的影响，使其对系统制热的影响较小。
2.2.2 间断制热蓄能除霜时蓄热器放热特性分析
间断制热蓄能除霜时间为410 s，除霜结束后，收集到的融霜水量为1.81 kg。该模式下低温级压缩机启动，四通换向阀换向，室外风机关闭，高温级压缩机室内机和均关闭。图6、图7分别为间断制热蓄能除霜时蓄热器低温级进出口制冷剂温度变化和蓄热器内不同位置水温变化，反映了蓄热器的释热过程。
图6 间断制热蓄能除霜模式下蓄热器低温级进出口制冷剂温度变化Fig.6 The variations of refrigerant temperature at the inlet and outlet of LT cycle in heat storage tank in the intermittent heating thermal storage defrosting mode
由图6可知，除霜开始后20 s，蓄热器低温级进口温度降至最低点－12.5℃，进口温度呈升高趋势，240 s时升至－2.5℃，之后进口温度缓慢下降，除霜结束时达到－4.4℃。除霜的前180 s蓄热器低温级出口温度基本稳定在34.7℃左右，然后出口温度迅速下降，230 s时下降至－4.6℃，之后出口温度下降速率变缓，除霜结束时出口温度达到－12.3℃，与进口温度相比较低，初期蓄热器内热量足够，出口有较大过热度，出口温度高于进口温度。随着蓄热器内热量释放，吸气压力下降，同时蒸发温度也下降，由于水与制冷剂的温差，上部的蒸发温度高于下部蒸发温度。而且蓄热器内的水温是分层的，下部水温比上部水温低。同时，由于蓄热器的体积较大，盘管总长度较长，蓄热器内制冷剂流动阻力大，造成蓄热器制冷剂出口温度与进口温度差较大。由图7可知，制冷剂自下而上流过蓄热器，TU、TM、TL的温降均有一定的延迟，除霜的前40 s，TL稳定在32.2℃左右，除霜的前50 s，TM稳定在35.2℃左右，除霜的前70 s，TU稳定在37.1℃左右。之后随着除霜的进行水温逐渐降低，40～140 s，TL的下降速率最大；140～210 s，TM的下降速率最大；210～410 s，TU的下降速率最大。除霜结束时TU、TM、TL分别为16.1℃、8.4℃、5℃，除霜过程中蓄热器的释热量为1 642.7 kJ，平均释热速率为4 kW。
图7 间断制热蓄能除霜模式下蓄热器内不同位置水温变化Fig.7 The variations of the water temperature at different measuring points in heat storage tank in the intermittent heating thermal storage defrosting mode
综上所述：除霜时蓄热器作为蒸发器，制冷剂自蓄热器下部流入，除霜初始阶段下部水温较高，热量充足，能够提供足够的低位热量，制冷剂自下部取热较多，故下部水温下降较快，上部水温下降较慢；制冷剂吸热后自蓄热器上部流出，被上部的高温热水过热，故前180 s蓄热器低温级出口温度较高且比较稳定；随着下部水温的降低，下部蓄热不足，制冷剂自上部取热增多，上部水温下降变快，下部水温下降变慢，蓄热器出口温度迅速降低。
2.2.3 不间断制热蓄能除霜时蓄热器放热特性分析
不间断制热蓄能除霜时间为600 s，除霜结束后，收集到的融霜水量为1.72 kg。该模式下低温级压缩机启动，四通换向阀换向，室外风机关闭。与间断制热蓄能除霜模式的不同，高温级压缩机和室内风机均开启。蓄热器作为蒸发器，提供的低位热量分别用于低温级的除霜和高温级的制热。图8、图9分别为不间断制热蓄能除霜时蓄热器低温级进出口制冷剂温度变化和蓄热器高温级进出口制冷剂温度变化。由图8可知，后期除霜过程中蓄热器低温级进口温度在－10℃左右波动，始终低于间断制热蓄能除霜时的值，相比间断制热蓄能除霜时蓄热器低温级出口温度在除霜初始阶段有一段时间的稳定，不间断制热蓄能除霜时蓄热器低温级出口温度在50 s时达到最大32.5℃，然后迅速降低，这可能是由低温级低位热量不足引起的。
图8 不间断制热蓄能除霜模式下蓄热器低温级进出口制冷剂温度变化Fig.8 The variations of refrigerant temperature at the inlet and outlet of LT cycle in heat storage tank in the continuous heating thermal storage defrosting mode
由图9可知，随着蓄热器内热量的不断减少，不间断制热蓄能除霜时蓄热器高温级进出口温度随时间均逐渐降低，相比蓄热器低温级出口温度，高温级蓄热器出口温度下降速率较快，在开机的60 s时出口温度开始低于进口温度，而蓄热器低温级出口温度在440 s时才开始低于进口温度，这是因为初期蓄热器内热量足够，出口有较大过热度，出口温度高于进口。随着蓄热器内热量释放，吸气压力下降，同时蒸发温度也下降。由于低温级制冷剂的平均蒸发温度比高温级制冷级的平均蒸发温度低，在换热面积相差很小的情况下低温级吸取的热量大于高温级。同时蓄热器内制冷剂流动阻力也很大，所以与低温级相比，高温级出现出口温度低于进口温度时间较早。
图10所示为不间断制热蓄能除霜时蓄热器内不同位置水温变化，可知制冷剂自下而上流过蓄热器，TU、TM、TL的温降均有一定延迟。除霜的前20 s，TL稳定在28.5℃左右；除霜的前30 s，TM稳定在32.4℃左右；除霜的前50 s，TU稳定在34.4℃左右。之后随着除霜的进行水温逐渐降低20～110 s，TL的下降速率最大，为0.8℃、2℃、6.1℃。除霜过程中蓄热器的释热量为1 892.4 kJ，较间断制热蓄能除霜时仅多了249.7 kJ，平均释热速率为3.2 kW，较间断制热蓄能除霜时减小了0.8 kW。
图9 不间断制热蓄能除霜模式下蓄热器高温级进出口制冷剂温度变化Fig.9 The variations of refrigerant temperature at the inlet and outlet of high temperature cycle in heat storage tank in the continuous heating thermal storage defrosting mode
图10 不间断制热蓄能除霜模式下蓄热器内不同位置水温变化Fig.10 The variations of the water temperature at different measuring points in heat storage tank in the continuous heating thermal storage defrosting mode
3 不同蓄能除霜模式蓄热器放热特性讨论
由实验结果分析可知，与间断制热蓄能除霜时蓄热器低温级进出口温度的变化相比，不间断制热蓄能除霜时进出口温度均较低，出口温度在除霜初始阶段没有稳定的时间段，除霜过程中蓄热器释热量相比间断制热蓄能除霜时仅增多了249.7 kJ，蓄热量不足，释热速率较小，可能是由于水温的降低减缓了释热速度。释热过程中高低温级机组同时从蓄热器中取热，低温级蒸发温度较低，高温级蒸发温度较高，且低温级螺旋盘管的面积大于高温级螺旋盘管的面积，由于热量的耦合，可能使释热过程中，低温级取热较多，高温级取热不足。但考虑到蓄能除霜的主要目的是低温级的除霜，首先保证低温级的热量供给是有益的。
4 结论
为解决复叠式空气源热泵除霜问题，本文在传统的复叠式空气源热泵系统中增加一个双螺旋盘管蓄热器，在室内侧干球温度为22℃ ±0.1℃，相对湿度为50% ±3%；室外侧干球温度为－12℃ ±0.1℃，相对湿度为80%±3%的模拟工况条件下进行了蓄热、间断及不间断制热蓄能除霜模式的实验，通过研究蓄热器蓄放热特性得出以下结论：
1）实验过程中系统的蓄热时间为27.8 min，蓄热过程主要是低温级制冷剂的显热释热过程。
2）所研制的双螺旋盘管蓄热器在温度较低的情况下有良好的蓄热、放热能力，在间断和不间断制热蓄能除霜过程中蓄热器的释热量分别为1 642.7 kJ和1 892.4 kJ，可以满足除霜的要求。
3）间断制热蓄能除霜时间为410 s，收集到的融霜水量为1.81 kg。不间断制热蓄能除霜时间为600 s，除霜结束后，收集到的融霜水跟不间断制热蓄能除霜的融霜水量大致相等，为1.72 kg。
蓄热器存在阻力较大的问题，今后会在满足蓄热量的前提下，改进蓄热器的结构设计。
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Experimental Study on Characteristics of Spiral Tube Heat Storage
Tank for CASHP
Qu Minglu Fan Yanan Li Tianrui Wang Tan
（School of Environment＆Architecture，University of Shanghai for Science＆Technology，Shanghai，200093，China）
The performance of a spiral-tube heat storage tank added to a traditional cascade air source heat pump was experimentally investigated.The water temperature of different measuring points and the refrigerant temperature at the inlet and outlet of the heat storage tank were measured.The dry bulb temperature for indoor simulated conditions was 22℃ ±0.1℃，the relative humidity was 50% ±3%，and the dry bulb temperature for outdoor simulated conditions was－12℃ ±0.1℃.The characteristics of the heat storage tank in the thermal storage mode，thermal storage defrosting mode with intermittent heating，and thermal storage defrosting mode with continuous heating were experimentally studied.The experiment results indicated that the spiral-tube heat storage tank was effective for heat storage and heat release for low-grade heat sources at different temperatures.During a thermal storage defrosting mode with intermittent heating，and thermal storage defrosting mode with continuous heating，the amounts of heat release in the heat storage tank were 1642.7 kJ and 1892.4 kJ，respectively.These results can meet the requirements for defrosting and for part of indoor heating.
air source heat pump；cascade cycle；heat storage tank；charging and discharging characteristics；defrosting
TB61＋1；TQ051.5
：A
0253－4339（2017）03－0023－08
10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.023
曲明璐，女，副教授，硕士生导师，上海理工大学环境与建筑学院，13795377789，E-mail：quminglu＠126.com。研究方向：空气源热泵，建筑设备热质交换过程。
国家自然科学基金青年基金（51406119）资助项目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No.51406119）.）
2016年7月14日
About the corresponding author
Qu Minglu，female，associate professor，School of Environment＆Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，＋86 13795377789，E-mail：quminglu＠126.com.Research fields：air source heat pump，heat and mass transfer process of building equipment.
