尹丽媛

(中核新能核工业工程有限责任公司，山西 太原 030012)

1 概述

现如今，北方城镇采暖能耗逐年增加，而采暖过程中的排放物未经处理，直接排放成为大气污染源，面对日益严重的环境问题，空气源热泵逐渐被应用。空气源热泵占地小、安装方便、自控程度高，但其低温情况下性能较差，且存在室外机蒸发器结霜问题。目前，国内外太阳能辅助空气源除霜方式是使用多热源供热，本文提出的太阳能—空气能蒸发集热器一体化热泵供暖装置把太阳能集热系统与空气源热泵室外机蒸发器合成一体，成为太阳能—空气能蒸发集热器，进行热场耦合，实现二者功能的互补优化。通过透明化外壳并在蒸发器翅片表面镀太阳能吸收膜，实现利用太阳能升高蒸发集热器表面温度，抑制太阳能—空气能蒸发集热器结霜的目的，从而提高空气源热泵的功能保障性和供暖能效比(见图1，图2)。同时，为了解决除霜期间室内热舒适性、系统平稳运行等存在的问题，考虑将传统热水型末端替换为直凝型末端，研究其除霜性能和系统性能进行探究。

2 研究内容

太阳能—空气能蒸发集热器热泵供暖装置其管翅片型换热器镀有太阳能吸收膜，不同于常规空气源热泵，需对系统综合性能进行分析。而使用直凝式低温地板代替热水型辐射采暖区别在于过冷度不同，需要对两者性能进行对比分析。

2.1 太阳能—空气能蒸发集热器热泵供暖装置除霜性能

考虑一定的辐射照度下，太阳能—空气能蒸发集热器热泵供暖装置的蒸发器可吸收太阳辐射使其表面温度提高，从而延缓霜层生成，故对装置的除霜性能进行探究。实验将在典型辐射照度天气采集数据，机组示意图见图3。

选取典型辐射照度较好的晴朗天气状况，探究机组综合结霜除霜性能。实验期间，室外平均温度4.5 ℃，相对湿度72%，保持室内温度稳定为20 ℃。

2.2 直凝型末端系统运行性能

太阳能—空气能蒸发集热器热泵供暖装置采用直凝型末端热泵系统，区别于热水系统末端热泵系统的是它直接通过制冷剂将热量传递到用户端，减少了与水热交换的环节，故传热效率增大。通过实验探究不同末端形式对热泵除霜性能的影响，其原理见图4，图5。

实验分别设置用户供暖末端形式为热水地板辐射和直凝式地板辐射，保证除末端形式外其余部件结构及相关参数均相同，并保证测试期间两台机组同时运行。测试其冷凝侧制冷剂进出口温度、流量、系统除霜特性。

3 结果与分析

3.1 太阳能—空气能蒸发集热器热泵供暖装置性能分析

上午8时～9时期间发生结霜，该时段室外平均温度3.4 ℃，相对湿度74.6%，平均辐射照度206 W/m2。结霜运行8 min后结霜情况见图6。

实验结果看出：1)机组正面较侧面和背面结霜少。分析原因：一是太阳直接照射正面使其表面温度较其他有所提高，抑制霜；二是空气中的水蒸气大部分被背部翅片捕获。2)侧面和背面均为上部结霜少，下部结霜多。造成该现象原因为蒸发器内部制冷剂下侧进上侧出，其出口温度高于进口温度，不易结霜。3)背部部分区域并未有霜层。分析可能是气流组织不佳以及部分区域靠近机组机电吸收其散热量造成。4)当瞬时辐射照度大于500 W/m2时，蒸发器将抑制霜层生长。若以太原为例，按照采暖季结霜气候占总运行时间14.6%，考虑室外平均温度不大于3.4 ℃，相对湿度不小于75%，辐射照度100 W/m2≤I≤500 W/m2工况下抑制结霜，实际结霜气候占采暖季的9.2%。因此太阳能—空气能蒸发集热器热泵供暖装置较常规空气源热泵其采暖季除霜时间下降5.4个百分点。可见太阳能吸收膜可提高蒸发器表面温度抑制结霜，还可为除霜过程提供能量。

3.2 直凝型末端系统运行性能分析

实验进行了4.5 h，该时段室外平均温度5 ℃，相对湿度70%，太阳辐射照度平均100 W/m2。结果如下：图7为运行中两种末端形式下冷凝侧制冷剂进出口变化情况，图8为满载状态下即100%流量为0.018 kg/s采用百分比进行对比的变化图。

从图7可看出：1)热水型末端形式出现5次除霜，表现在图中有较大波动处。除霜结束到下一次除霜开始约50 min，而直凝型末端未出现除霜工况。2)热水型末端系统冷凝侧进制冷剂出口温度波动大，并随地暖侧给水温度的升高而增长，在保证回水温度40 ℃时，制冷剂回液温度达到46 ℃；直凝型末端系统运行30 min后达到相对稳定，冷凝器供液温度保持在63 ℃，回液温度保持在26 ℃。

可见直凝型末端系统冷凝器充分过冷，较低的冷凝温度即可满足室内供暖效果，而实验相同效果热水型末端系统冷凝温度至少高于直凝型10 ℃。

从图8可看出：1)直凝式末端系统制冷剂流量较热水型大，且启动阶段最大，稳定后流量稳定在70%；热水型末端系统制冷剂流量随除霜的进行而波动，幅度30%左右，其除霜时流量保持在50%。2)直凝型制冷剂流量较热水型平稳，原因为热水型末端系统受结霜影响，管壁导热系数增大，甚至堵塞翅片风道，故通过减小流量制热量降低避免较低的蒸发压力和蒸发温度。同时除霜工况转换也会导致流量不稳定，影响机组机械性能。

4 结论

通过实验测试，对太阳能—空气能蒸发集热器热泵供暖装置除霜性能进行研究，并对比不同末端对系统性能及除霜性能的影响，结论如下：1)在瞬时辐射照度不小于150 W/m2时，太阳能—空气能蒸发集热器热泵供暖装置可提高除霜周期；在瞬时辐射照度不小于500 W/m2时，在照射面几乎不会产生霜层。2)相比热水型地板辐射末端形式机组而言，直凝型地板辐射末端形式机组有效延长除霜，运行稳定可靠，系统性能高。