摘要：為研究變頻空氣源熱泵機組的結霜特性及除霜優(yōu)化，搭建了制冷劑為R410A的變頻空氣源熱泵系統(tǒng)實驗臺。在模擬室內外環(huán)境條件下進行了機組結霜特性實驗研究，測試了室外環(huán)境溫度、室外環(huán)境相對濕度、進水水溫對機組結霜的影響。通過改變壓縮機除霜過程中壓縮機運行頻率及膨脹閥開度，測試了變頻空氣源熱泵在不同壓縮機運行頻率及不同膨脹閥開度下機組除霜時間、機組能量損耗、化霜前后機組出水水溫溫差的變化差異并分析出變頻空氣源熱泵除霜的最佳除霜頻率及開度，研究結論對變頻空氣源熱泵系統(tǒng)的霜控研究具有重要的參考價值。

　　關鍵詞：變頻;空氣源熱泵;除霜;結霜

　　0 引言

　　能源環(huán)境日益成為人民關注的焦點，燃煤采暖在帶來巨大的能源浪費的同時，更被認為是導致北方地區(qū)霧霾的主要因素?？諝庠礋岜霉┡绞骄哂懈咝Ч?jié)能、清潔環(huán)保等特點，因此熱泵供暖被認為是清潔供暖的最佳方式之一[1]。變頻空氣源熱泵由于其節(jié)能高效、舒適度高而備受消費者青睞。但在低溫高濕環(huán)境下，變頻空氣源熱泵存在著空氣源熱泵普遍存在的問題：室外側存在的換熱器結霜問題[2,3]。換熱器肋片被霜層覆蓋后，肋片與空氣間的傳熱熱阻增大，惡化了傳熱效果。

　　同時，霜層的增長產(chǎn)生的阻塞作用大大增加了空氣流過換熱器的阻力造成氣流流量下降風機功耗增加;使得機組制熱量下降，工況惡化同時也有可能發(fā)生事故;對于風冷冷熱水機組在化霜過程中會造成水溫波動，影響舒適度[4,5]。因此有必要對熱泵結霜特性行仔細研究。

　　本文在模擬室內外環(huán)境條件下，對變頻空氣源熱泵的結霜特性進行了實驗研究，探索了室外溫度、相對濕度、進水水溫對機組結霜的影響，并對運行頻率、膨脹閥開度這兩個因素對變頻空氣源熱除霜的影響進行實驗探究，并對實驗結果進行分析，找到了制約變頻空氣源熱泵快速除霜的影響因素，確定了最佳的機組除霜運行頻率和膨脹閥開度。

　　1 實驗簡介

　　1.1 實驗原理

　　本文實驗采用海悟自主研發(fā)的冷暖型變頻空氣源熱泵機組，其主要包括室外機及水力模塊兩個部分。其系統(tǒng)原理圖如圖1所示，室外機主要包括直流變頻轉子式壓縮機、翅片式蒸發(fā)器、電子膨脹閥、毛細管、氣液分離器以及電子膨脹閥等部件組成。水力模塊主要包括套管式換熱器(冷凝器)、排氣閥、膨脹罐、水泵等部件組成。壓縮機通過變頻驅動控制其運轉頻率來調節(jié)系統(tǒng)制冷劑循環(huán)流量，蒸發(fā)器為波紋型平片翅片式換熱器，系統(tǒng)節(jié)流通過電子膨脹閥實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用環(huán)保冷媒R410a，其因為具有優(yōu)良的傳熱性能，而且流動壓降比R22要小，因此被認為是低溫熱泵理想的工質。

　　該系統(tǒng)的制熱過程為：壓縮機排出的高溫、高壓制冷劑氣體，經(jīng)過套管換熱器后冷凝為高壓制冷劑液體。然后經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流后進入蒸發(fā)器，吸收低溫環(huán)境中熱量后變?yōu)榈蛪旱闹评鋭怏w被壓縮機吸入，被壓縮后排出壓縮機，至此形成一個完整的制熱循環(huán)。系統(tǒng)采用四通閥換向逆向除霜的方式，即機組通過系統(tǒng)判定需要除霜時，進行四通閥切換，此時機組制冷劑循環(huán)與制熱時制冷劑循環(huán)相反，機組室內側換熱器吸收水側能量而在室外側換熱器釋放進而將霜層融化。

　　1.2 實驗介紹

　　本文實驗在低溫焓差環(huán)境實驗室進行。焓差實驗室的平面布置圖如下圖2，裝置可以測試最大200kW的熱泵機組。室外側能模擬的溫度范圍為-30℃~45℃，模擬的濕度范圍為20%~100%。環(huán)境溫度測量傳感器采用PT100溫度計，測量范圍在-30℃~55℃，測量精度為0.1℃。系統(tǒng)壓力測量傳感器采用MPM480系列壓力傳感器，測量范圍在0～6MPa，測量精度為Pa。

　　壓縮機吸、排氣溫度、盤管溫度由綁在壓縮機吸排氣口100mm處的熱電偶來測量，機組進出水溫度由綁在進出水口100mm處的鉑電阻測得。壓縮機吸排氣壓力由布置在壓縮機吸、排氣口100mm處的壓力傳感器測得，機組的運行功率通過實驗室的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集。為采集機組結霜量，機組被放置于一個托盤上，每次融霜后的融霜水均通過托盤收集，并采用精度為0.1g的電子天平進行稱量，由此采集的融霜水量等同于機組的結霜量。

　　2 變頻空氣源熱泵的結霜特性分析

　　2.1 室外溫度對結霜的影響

　　圖3為在室外相對濕度90%，進水水溫35℃下，機組在不同環(huán)境溫度下一個融霜周期(每個融霜周期為40min)的結霜量。從圖中可以看到室外環(huán)境溫度從-20℃至0℃，在相同濕度下隨著環(huán)溫的升高機組結霜量增加，其中在0℃下機組的結霜量是-20℃下的2.3倍。

　　這說明，在相同濕度下，環(huán)境溫度越低機組越不易結霜。由路易斯關系可知，換熱量的增大也會使得傳質量的增大，因而導致了結霜量的增加[6]。環(huán)境溫度從0℃升至5℃，機組的結霜量明顯下降，這主要是因為蒸發(fā)溫度升高，蒸發(fā)器翅片表面結霜更加困難。

　　2.2 室外環(huán)境相對濕度對結霜的影響

　　圖4為在環(huán)境溫度-3℃，進水水溫35℃下，機組在不同室外環(huán)境相對濕度一個融霜周期(每個融霜周期為40min)的結霜量。從圖中可以看到機組結霜量隨著室外環(huán)境相對濕度的增加而增加，機組在50%相對濕度下機組幾乎無明顯霜層形成，而隨著相對濕度由50%增加至100%，機組的結霜量由0.3Kg增加至4.0Kg。這主要是由于室外環(huán)境溫度不變時，相對濕度越大，室外環(huán)境中的含濕量越大，越有利于霜層的生長。

　　2.3 進水水溫對結霜的影響

　　圖5為機組在環(huán)境溫度0℃下，相對濕度90%，機組在不同進水水溫下一個融霜周期(每個融霜周期為40min)的結霜量。從圖中可以看到機組結霜量隨著進水溫度的升高而明顯降低。這主要是因為隨著進水溫度升高，機組冷凝壓力升高，導致蒸發(fā)壓力上升，從而使得機組結霜困難，從而導致結霜量下降。

　　圖6為機組在進水水溫30℃及進水水溫50℃下機組在運行過程中吸、排氣壓力隨時間變化圖，從圖中可以看到機組進水水溫50℃時機組運行的吸、排氣壓力明顯高于機組進水水溫30℃時機組運行的吸、排氣壓力;另一方面隨著進水溫度升高，機組冷凝溫度升高，機組運行條件惡化機組換熱量下降，換熱量下降必會引起傳質量的下降，因而機組結霜量下降。

　　3 變頻空氣源熱泵的除霜優(yōu)化實驗結果分析

　　3.1 壓縮機化霜運行頻率對除霜的影響

　　為提高空氣源熱泵舒適度，需要盡量提高除霜速度，同時盡量降低機組在化霜過程中的能量損失，而變頻空氣源熱泵機組的化霜頻率是影響化霜速度及能量損失的關鍵因素。為此，本文實驗通過改變機組壓縮機化霜運行頻率，記錄了在其他運行條件一致的情況下機組化霜時間、機組化霜運行功率及機組在化霜過程中的能量損失。

　　實驗中通過布置在蒸發(fā)器盤管上的熱電偶溫度及肉眼觀察換熱器表面機組融霜情況來判定機組是否除霜干凈，實驗中觀察到在機組盤管溫度到達15℃時機組表面霜層完全融化干凈，且無殘冰積累，因此本文判定15℃為化霜終止溫度。

　　圖7為壓縮機盤管溫度隨時間變化曲線圖，從圖中可以看到在化霜運行的初期機組盤管溫度變化平緩，甚至在壓縮機化霜頻率為45Hz時盤管溫度在很長時間內都無明顯升高，隨著壓縮機頻率的增加盤管溫度變化速率增加明顯。同時從圖8可以看到，壓縮機化霜頻率越高，壓縮機融霜時間越短，壓縮機化霜頻率為65Hz時機組融霜時間最短。增加化霜運行頻率有利于制冷劑的快速轉移并增加制冷劑流量將霜層快速融化。

　　機組化霜中的能量損失及對舒適度影響也是需考慮的關鍵因素。表1中統(tǒng)計了在不同化霜頻率下，在化霜過程中所消耗的能量及化霜前后出水水溫溫差。表中可以看到，當壓縮機化霜運行頻率為55Hz時，機組融霜所消耗的能量最小。而化霜運行頻率為45Hz時，所消耗的能量最大，這主要是因為大部分的能量并未有效利用而造成了損耗。

　　隨著頻率由55Hz變化至65Hz，化霜消耗的能量也有所提高，這說明化霜頻率過低或過高均不利于機組能量的有效利用。過高的化霜頻率也會增加運行噪聲。綜合以上因素，本次實驗中機組化霜頻率55Hz為最佳化霜頻率。

　　3.2 電子膨脹閥開度對除霜的影響

　　影響機組化霜的另一個關鍵因素是機組的化霜時的膨脹閥開度。圖9與圖10分別記錄機組在不同化霜膨脹閥開度下機組盤管溫度變化曲線及機組運行消耗功率變化曲線。從圖中可以明顯看到膨脹閥開度越大，機組盤管溫度上升速率越快，機組化霜時間越短。這主要是因為膨脹閥開度的增大能夠提高制冷劑的流量和排氣壓力，進而增大制冷劑攜帶的能量，使得機組化霜速度加快[7,8]。

　　表2記錄了機組在不同化霜膨脹閥開度下，在化霜過程中所消耗的能量及化霜前后出水水溫溫差。從表中可以看到，膨脹閥開度越大，化霜所消耗的能量越小、機組除霜水溫變化溫差越小。因此在化霜過程中適當增大膨脹閥開度，有利于提高機組化霜速度及減小能量損失，提高化霜運行舒適度。當然過大的膨脹閥開度，在惡劣的融霜工況下有有可能會由于存在無法建立系統(tǒng)壓差，機組化霜無法正常運行的風險。

　　結論

　　本文通過改變機組化霜時壓縮機運行頻率、膨脹閥開度，測試了變頻空氣源熱泵在不同壓縮機運行頻率及不同膨脹閥開度下機組除霜時間、機組能量損耗、化霜前后機組出水水溫溫差的變化差異，主要得出了以下結論：

　　(1)室外環(huán)境溫度、相對濕度以及機組進水水溫對空氣源熱泵結霜都有一定的影響。在其他實驗條件相同的實驗條件下，由于換熱溫差大及傳質量的增加，環(huán)境溫度越高機組結霜量越大，而當環(huán)溫過高時由于蒸發(fā)溫度上升機組也不容易結霜。在其它實驗條件相同的實驗條件下，相對濕度與機組結霜量正相關，相對濕度越大，機組結霜量越大;隨著機組進水水溫升高機組蒸發(fā)壓力和冷凝壓力升高、機組換熱量下降導致傳質量下降，機組結霜量下降;

　　(2)機組除霜速度與壓縮機除霜運行頻率、機組膨脹閥開度正相關。在其它條件一致情況下，壓縮機除霜運行頻率越高機組除霜時間越短，膨脹閥開度越大機組除霜時間越短，除霜消耗能量越小;但頻率的增加機組能量消耗增加同時機組運行舒適度下降，因此本次實驗確定的最佳化霜頻率為55Hz。同時膨脹閥開度過大也有可能導致機組在惡劣工況時由于壓差無法建立，化霜無法正常進行，因此本次實驗確定的最佳化膨脹閥開度為350步。