一种新型无霜空气源热泵热水器实验研究_王志华

一种新型无霜空气源热泵热水器实验研究
王志华
摘 要
1
王沣浩
2
郑煜鑫
1
李晶超
2
郇超
1
王志洋
2
（ 1 西安交通大学能源与动力工程学院
西安 710049 ； 2 西安交通大学人居环境与建筑工程学院
西安 710049 ）
针对空气源热泵在低温环境下容易结霜问题 ， 本文提出一种新型无霜空气源热泵热水器 ， 其利用固体干燥剂较强的除
收稿日期： 2014 年 4 月 25 日
压缩机的输入功， 而且制冷剂流过分液器和分液毛细 管的能量损失较大， 除霜时间比逆循环除霜长。胡文 ［5 － 6 ］ 举等 将相变蓄能装置引入到热泵系统中 ， 提出空 气源热泵蓄能热气除霜新系统， 该系统把热泵平时高 效运行时的余热转存到蓄热器内， 使之作为热泵除霜 工况下的低位热源， 有效的解决了逆循环除霜时能量 来源不足的问题。 ［7 － 9 ］ 此外， 有学者 利用固体除湿换热器首先对被 处理的空气进行除湿， 从而抑制或延缓结霜， 然而随 ， 着干燥剂吸收水蒸汽能力的减弱 抑制结霜的作用也 逐渐失效。为解决此问题， 本文提出一种新型无霜空 气源热泵热水器。 该新型系统首先利用干燥剂对室 外空气进行除湿， 降低其含湿量， 实现无霜热泵运行； 其次， 利用蓄热装置对冷凝余热进行回收， 使之作为 再生模式下的低温热源， 对干燥剂进行再生且保持系
空气源热泵系统在低温工况下运行时 ， 蒸发器表 面霜的形成导致换热器传热效果恶化 ， 使得机组制热 能力下降， 严重时机组会停止运行。 因此， 提高蒸发 侧的除霜和延缓结霜技术是提高空气源热泵在低温 环境下制热性能和系统稳定性的有效途径之一 。 目前常用的除霜方式主要有电加热除霜 ， 逆循环 除霜， 热气旁通和蓄能除霜几种方式。电加热除霜具 有系统简单、 除霜完全、 实现控制简单的优点， 但缺点 ［1 ］ 是耗电多， 不宜在大型装置上采用 。 逆循环除霜 ［2 ］ 简单易行， 除霜效果良好 。 然而， 在除霜时高低压 对接过程会对系统各部件产生比较严重的冲击 ， 系统 ［3 ］ 可靠性受到影响 。 热气旁通法与一般系统相比， 其系 统 的 平 均 COP 和 制 热 量 分 别 增 加 8. 5% 和 5. 7% ［4］， 但是由于蒸发器入口温度的提高， 导致了 系统制热量的下降。 热气旁通除霜的能量主要来自
第 36 卷 第 1 期 2015 年 2 月 文章编号： 0253 － 4339 （ 2015 ） 01 － 0052 － 07 doi： 10. 3969 / j. issn. 0253 － 4339. 2015. 01. 052
制冷学报 Journal of Ｒefrigeration
Vol． 36 ， No． 1 2015 February，
τ
COP = c water m water dt / pdτ
t1 0
∫
∫
（ 4）
1. 3 理论依据
图 2 是根据日本学者对不同空气源热泵机组的 实验结果拟合得到的曲线。 可能结霜的气象参数范 围为 － 12. 8 ℃ ≤ t w ≤ 5. 8 ℃ ， φ ≥ 67% 。 当 t w ＞ 5. 8 ℃ 时， 可以不考虑结霜对热泵的影响； 当 t w ＜ 5. 8 ℃ ， φ ＜ 67% 时， 由于空气露点温度低于室外换热器表面 温度， 不会发生结霜现象； 当 t w ＜ － 12. 8 ℃ 时， 由于 空气含湿量太小， 也不会发生结霜现象。 由此可见， 若室外气象参数落在图中区域内 ， 就很可能发生结霜 的现象。因此， 对于无霜运行就是通过某种方法将空 气露点温度处理在图中区域外。 m rm·wv = m hm·wv =
1. 2 性能分析
系统 COP 为： COP = Q con W com （ 1）
式中： Q con 为 一 个 周 期 内 冷 凝 器 释 放 的 热 量， kJ； W com 为一个周期内压缩机的耗功，kJ。 其中：
t2
Q con = c water m water dt
t1
∫
（ 2）
· ℃ ） ； m water 为水 式中： c water 为水的比热，J / （ kg kg； t 为水温， ℃。 的质量， 一个周期内压缩机的耗功 W com 为：
式中： p 为压缩机功率，W； τ 为系统工作时间， min。 COP 可表示 从方程 （ 1 ） ～ 方程 （ 3 ） ，可以得出， 为： — 53 —
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一种新型无霜空气源热泵热水器实验研究
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统持续供热。
1 系统原理及性能分析
1 . 1 系统原理介绍
图 1 为新型无霜空气源热泵热水器原理图 ， 该系 统主要包括两种模式， 即制热模式和再生模式。其具 体流程为： 18 ） 和电子膨胀阀 （ 17 ） 关 制热模式： 电磁阀 （ 15 ， 闭， 其余电磁阀打开。制冷剂经压缩机 （ 1 ） 压缩成高 温高压的气体， 经过高压控制器 （ 2 ） ， 四通阀 （ 3 ） 后， 在缠绕有冷凝盘管的蓄热水箱 （ 4 ） 冷却成高压的汽 液两相流， 再经电磁阀 （ 5 ） 在蓄热装置 （ 6 ） 内进一步 冷却， 蓄热材料吸收制冷剂释放的热量， 制冷剂被冷 却为过冷液体， 流经干燥过滤器 （ 7 ） ， 经电子膨胀阀 （ 8 ） 一次节流后， 部分制冷剂在除湿换热器 （ 9 ） 内蒸 发吸热， 之后制冷剂经干燥过滤器 （ 10 ） 、 电子膨胀阀 （ 11 ） 二 次 节 流 成 低 压 汽 液 两 相 流， 在室外换热器 （ 12 ） 内完全蒸发吸热， ， 成为过热气体 避免对压缩机 造成湿压缩， 最后制冷剂经电磁阀（ 13 ） 、 四通阀 （ 3 ） 、 低压控制器 （ 14 ） 回到压缩机 （ 1 ） ； 室外空气 （ OA ） 首 先经过除湿换热器 （ 9 ） ， 固体干燥剂吸收空气中水 分， 经过除湿后的干空气 （ DA ） 然后经过室外换热器 （ 12 ） ， 最后， 空气 （ EA ） 排出蒸发器。 由于除湿后的 空气露点温度低于室外换热器 （ 12 ） 内制冷剂的蒸发 温度， 因此， 该系统可以实现无霜运行。
+ 中图分类号： TQ051. 5 ； TK114 ； TU822 ． 1
Experimental Ｒesearch on a Novel Frostfree Airsource Heat Pump Water Heater System
Wang Zhihua1 Wang Fenghao2 Zheng Yuxin1 Li Jingchao2 Huan Chao1 Wang Zhiyang2
（ 1． School of Energy and Power Engineering ，Xi’ an Jiaotong University ，Xi’ an， 710049 ，China； 2． School of Human Settlements and Civil Engineering，Xi’ an Jiaotong University ，Xi’ an， 710049 ，China）
湿特性， 使室外空气含湿量低于结霜条件来实现无霜运行 ； 其次， 利用相变蓄热装置对冷凝余热进行回收 ， 使之作为再生模式下 的低温热源， 对干燥剂进行再生， 以保证系统的持续运行 。本文通过实验验证了新型系统的可行性 ， 并与传统除霜系统相比 ， 在 环境工况为 0 ℃ /80% 下， 其 COP 比热气旁通除霜系统和电除霜系统分别高 7． 25% 和 46． 3% 。 关键词 无霜空气源热泵； 热水器； 除湿； 相变蓄热 文献标识码： A
Abstract Aiming to the frosting problem of airsource heat pump （ ASHP） at low temperatures，a novel frostfree airsource heat pump water heater （ ASHPWH） system is proposed in the paper，in which dehumidification of solid desiccant is used to reduce the humidity ratios of ambient air to realize frostfree operation． In order to keep the system working continuously，phasechange thermal storage is used to recycle the condensation heat that acts as a low temperature resource to regenerate the solid desiccant． The novel system was compared experimentally with conventional defrost system at a temperature of 0 ℃ and relative humidity （ ＲH ） of 80% ． The results show that the average COP of the system was increased by 7． 25% and 46． 3% in comparison with hotgas bypass defrosting and electric resistance heating，which proves the feasibility of the novel system． Keywords frostfree ASHP； water heater； dehumidification； phasechange thermal storage