牛建会 步秋军

(河北建筑工程学院能源工程系 张家口 075000)

空气源热泵能够以较低的能量消耗将低温位热能输送至高温位，可大量利用广泛存在的自然能源，很好地满足建筑冬季采暖的要求[1]。电动热泵系统是建筑物供暖、供热水的高效清洁技术装备，特别是气候寒冷地区的中心城市，使用电动热泵带来的节能减排效果尤其显著。同时它还具有占用空间小、节能、环保、方便等优势，并能实现一机两用[2-3]。在我国北方“煤改电”工程中，空气源热泵是主流产品。

空气源热泵在寒冷高湿地区应用时，随着室外环境温度降低，当蒸发温度降至使换热器外壁面温度低于0 ℃且低于空气露点温度时，换热器表面将会结霜。结霜不仅增大空气流动阻力，同时还降低热泵制热能力，严重时还会使机组停机[4-6]。除霜时，需要消耗大量热量，影响供热效果及机组的稳定运行[7]。目前针对空气源热泵常规除霜方法有逆循环除霜[8-9]、热气除霜[10]、电热除霜[11]等，在使用上述方法除霜时，一方面可能增加额外电耗、另一方面可能使系统管路复杂化，甚至还会引起人体不舒适，因此针对空气源热泵寻求新型除霜方式尤为重要。

北方冬季的外界环境中蕴含丰富的天然冷源，从热力学角度分析，采用自然冷源对热泵供液过冷是提高制热性能的有效方法。过冷技术多应用于中低温领域的蒸气压缩制冷系统中[12]。如:环境冷却过冷、吸气管道过冷以及使用外部机械过冷[13-16]。黄成达等[17]实验研究了主路过冷和辅助回路过冷两种利用自然冷源过冷的循环，结果表明，过冷能有效降低压缩机排气温度。代宝民等[18]采用辅助的蒸气压缩循环进行过冷，该方法可改善传统跨临界CO2热泵系统冬季供暖性能，尤其在低环境温度工况下，性能提升显著。

为了充分利用自然冷源，本文对R134a为制冷剂的空气源热泵系统，增设室外过冷器，搭建利用自然冷源过冷的空气源热泵实验系统，从理论及实验两方面综合分析该系统制热性能，并据此提出一种空气源热泵过冷融霜的新型除霜方式。

1 热泵过冷制热循环原理

从冷凝器流出的高温液态制冷剂首先进入室外过冷器，与室外大气换热过冷，过冷后的液体进入另一台室外蒸发器进行蒸发吸热，称为过冷制热。空气源热泵过冷制热原理如图1所示，系统由压缩机、室内机组、节流阀、室外机组等4大部件组成。与普通机组不同，其室外机组为2台管翅式换热器并联(3、4)，通过切换电磁阀可以实现将蒸发器3转换为过冷器，利用大气自然冷源过冷。即蒸发器3可以作为蒸发器正常蒸发吸热，也可以作为过冷器实现热泵系统过冷制热循环。

图1 空气源热泵过冷制热循环原理Fig.1 Principle of sub-cooling heating of air-source heat pump

2 过冷制热热力学分析

图2所示为空气源热泵过冷制热理论循环lgp-h图，图中2-3为制冷剂在冷凝器内放热过程，热泵冬季制热即为该段放热量，该段热量也是能够利用的热泵系统高品位热量，3-4为液态制冷剂在过冷器内的过冷过程。

图2 空气源热泵过冷制热循环lg p-h图Fig.2 lg p-h diagram of sub-cooling heating cycle

由图2可知，制冷剂在过冷过程释放的热量可以在蒸发器的等温吸热过程中获得补偿并补回至系统中，即图2中的5-6过程被包含在5-1过程中。具有过冷的热泵循环与普通热泵循环相比并未增加压缩机功耗，同时由于回收过冷冷量，热泵循环的制热量得以提高。

3 实验装置

为了进一步研究自然冷源过冷对空气源热泵制热性能的影响，基于一台额定工况下4.13 kW的涡旋压缩机搭建了空气源热泵过冷制热实验装置。实验装置及测点布置如图3所示。

图3 空气源热泵过冷制热实验装置Fig.3 Experimental device of sub-cooling heating of air-source heat pump

该装置由压缩机、室内机组、室外机组、电子膨胀阀、油分离器、储液器、气液分离器等组成。其中室外机组I的传热面积为室外机组II传热面积的三分之一。空气源热泵机组组装完毕后在人工环境控制室内进行测试，人工环境控制室包括室内环境模拟间和室外环境模拟间。室内侧温度控制范围为10～50 ℃，相对湿度为30%～85%，室外侧温度为-15～55 ℃，相对湿度为30%～95%，室内、外侧温度控制精度为±0.1 ℃，湿度控制精度为±0.1 ℃(WB)。压缩机功率通过高精度电量测试仪表获得。温度传感器采用Pt100，精度为±0.15 ℃；采用瑞士Huba压力变送器，精度为±0.5%；采用型号为LZB-50制冷剂流量计，量程为0～150 kg/h，精度为±0.2%；采用型号为DZFC-1的电功率计，量程为0～10 kW，精度为±0.5%；采用HP34972A安捷伦数据采集仪对温度、压力、流量、功率等进行数据采集。

4 结果与分析

室内机风机转速由变频器控制，冷凝温度控制在40～50 ℃，室外温度控制在-15～0 ℃，室外相对湿度设定为30%，实现无霜制热运行。热泵工质采用R134a。研究热泵在无霜工况下利用自然冷源过冷时，压缩机的排气温度、压缩机功率、系统制热量、制热COP等机组制热性能参数的变化和过冷过程过冷能量的变化。

系统制热量：

Q=qm(h3-h4)

(1)

式中：Q为系统制热量，kW；qm为制冷剂质量流量，kg/s；h3、h4为冷凝器进、出口制冷剂比焓值，kJ/kg。

系统制热COP：

COP=Q/Pc

(2)

式中：Pc为压缩机功耗，kW。

过冷制热过程过冷量：

Qsub=qm(h6-h7)

(3)

式中：Qsub为过冷制热过程过冷量，kW；h6、h7为过冷器进、出口制冷剂比焓值，kJ/kg。

后文数据分析图中过冷度最小的位置处数据为过冷器停止工作系统无过冷时的系统性能参数。

4.1 室外温度0 ℃、冷凝温度45 ℃

图4所示为室外温度to为0 ℃、冷凝温度tk为45 ℃时，对比过冷器运行时系统有过冷与过冷器停止工作系统无过冷系统性能。由图4可知，压缩机功率和制热COP在有过冷和无过冷时差异较小，压缩机功率基本维持在2.2 kW，且随过冷度的增加变化也较小，制热COP基本维持在3.03。过冷度为35 ℃时，制热COP为2.93，仅下降了0.1。系统制热量在有过冷和无过冷时差异较小，当过冷度进一步增大时会稍有下降。在无过冷时，系统制热量为6.7 kW，过冷度为16 ℃时，系统制热量为6.57 kW，下降1.9%，而过冷度为35 ℃时，机组制热量为6.22 kW，下降7.2%。

图4 to=0 ℃、tk=45 ℃时机组制热性能Fig.4 Heating performance when to=0 ℃and tk=45 ℃

4.2 室外温度-8 ℃、冷凝温度50 ℃

图5所示为当室外温度to为-8 ℃、冷凝温度tk为50 ℃时，对比过冷器运行时系统有过冷与过冷器停止工作系统无过冷系统性能。由图5可知，压缩机功率在有过冷和无过冷时差异较小，维持在2.4 kW；系统制热量和制热COP在过冷度较小时，基本不变，过冷度较大时两者呈下降趋势，系统制热量由无过冷时的6.67 kW降至过冷度为38.7 ℃时的5.73 kW，下降约16%，制热COP由2.73降至2.41，下降11.7%。

图5 to=-8 ℃、tk=50 ℃时机组制热性能Fig.5 Heating performance when to=-8 ℃ and tk=50 ℃

4.3 室外温度-10 ℃、冷凝温度50 ℃

图6所示为当室外温度to为-10 ℃、冷凝温度tk为50 ℃时，对比过冷器运行时系统有过冷与过冷器停止工作系统无过冷系统性能。由图6可知，随着过冷度的增加，压缩机功率稍有增加，无过冷时压缩机功率为2.0 kW，过冷度为21 ℃时，压缩机功率为2.2 kW，而过冷度为38 ℃时，压缩机功率为2.4 kW，比无过冷时增加了20%。压缩机功率增加的同时，系统制热量呈现先少量增加再下降的趋势，由于压缩机功率逐步升高，最终导致制热COP随着过冷度增加而下降。制热量在无过冷时为5.82 kW，而过冷度为21 ℃时，机组制热量为6.2 kW，增加了0.38 kW，当过冷度增至37.6 ℃时，机组制热量又降至5.5 kW，而此时机组制热COP为2.3。

图6 to=-10 ℃、tk=50 ℃时机组制热性能Fig.6 Heating performance when to=-10 ℃ and tk=50 ℃

4.4 不同工况下排气温度

图7所示为上述3种运行工况下，压缩机排气温度的变化。由图7可知，无论在何种工况下，压缩机的排气温度均随过冷度的增加逐渐增加，且冷凝温度越高，排气温度也越高，其增加的速率增大。当室外温度to为0 ℃、冷凝温度tk为45 ℃时，压缩机排气温度随过冷度增加缓慢增加，在过冷度达到最大值35 ℃时，其排气温度也达到最高，不超过103 ℃，始终运行在压缩机允许温度范围之内。而当室外温度to为-10 ℃，冷凝温度tk为50 ℃时，随着过冷度增加，压缩机排气温度增加较快，当过冷度为21 ℃时，其排气温度已达110 ℃，达到了压缩机允许排气温度上限。

图7 压缩机排气温度变化Fig.7 Variation of compressor discharge temperature

4.5 不同工况下过冷量

图8所示为不同工况下过冷器运行状态下的过冷放热量(简称过冷量)和过冷量能够融化的霜层质量。由图8可知，随着室外环境温度to的降低，过冷增强，过冷量增加，融化的霜层质量增加。当to为0 ℃、tk为45 ℃时，过冷量为0.65 kW；当to为-8 ℃、tk为50 ℃时，过冷量为0.816 kW，增加了25.5%；而当to为-10 ℃、tk为50 ℃时，过冷量为0.88 kW，比to为0 ℃、tk为45 ℃时增加了0.23 kW。

图8 不同工况下过冷参数Fig.8 Sub-cooling parameters under different conditions

霜融化成水需要的潜热为333.4 kJ/kg，以融霜时间为5 min为例，当to为0 ℃、tk为45 ℃时，过冷量可以融化掉0.585 kg霜层；当to为-10 ℃、tk为50 ℃时，过冷量为0.88 kW，可融化掉0.792 kg霜层。

利用大气自然冷源过冷，空气源热泵机组制热性能未被显著恶化，过冷过程放热量若用于冬季蒸发器融霜上，可以实现融霜过程不停止制热。基于此，针对空气源热泵提出一种过冷融霜新型除霜方式。采用多台并联的室外蒸发器，通过阀门切换，实现利用大气自然冷源过冷的同时，轮换除去蒸发器翅片上的霜层，同时不停止制热。该系统适用于北方冬季气温不太低，而结霜较为严重的地区。

5 结论

为了研究冬季利用自然冷源过冷对空气源热泵制热性能的影响，搭建具有利用自然冷源过冷的空气源热泵系统并进行制热运行实验，研究不同工况下，过冷对系统制热性能的影响，并在实验分析的基础上提出新型空气源热泵融霜方式。得到结论如下：

1)当室外环境温度大于0 ℃，冷凝温度小于45 ℃的条件下，自然冷源过冷对热泵制热量与制热COP影响均较小，系统制热量维持在6.22～6.70 kW，制热COP维持在3.03，压缩机排气温度维持在103 ℃以下。

2)当室外环境温度小于 -10 ℃，冷凝温度大于50 ℃时，随过冷度的增加，压缩机功率增加、排气温度显著增高，系统制热量先稍增加后减小，制热COP降至2.3。

3)过冷度越大，过冷过程所能融化的霜层质量越多，冬季利用过冷放热可以除去蒸发器翅片上的霜层。提出空气源热泵新型过冷融霜的除霜方式，融霜的同时不停止系统制热。

本文受河北省教育厅青年自然科学基金项目(QN2020045)，2021年河北省级研究生示范课“冷热源工程”建设项目(KCJSX2021084)和2020年度校级研究生教育教学研究项目(2020YJSJG05)资助。(The project was supported by the Natural Science Fund Project of Youth of Hebei Education Department(No.QN2020045),Hebei Provincial Postgraduate Demonstration Courses Construction Project(No.KCJSX2021084)and Graduate Education and Teaching Research Project in Year of 2020(No.2020YJSJG05).)