提升空调低温制热效果的试验研究-席战利

提升空调低温制热效果的试验研究席战利（广东美的制冷设备有限公司）摘要针对热泵空调在寒冷地区制热效果不佳的情况，设计了一款在低温环境下具有强劲制热能力的热泵空调系统；通过试验验证，在相同工况下，制热能力较原系统提升了8%，除霜周期延长了60%，出风口温度较原系统提升了1.85℃；并且结合持续制热技术，可进一步提升制热性能。关键词热泵；制热量；除霜ExperimentalstudyonimprovingthelowtemperatureheatingeffectofairconditionerXiZhanli(GuangdongMideaAirConditioningEquipmentCo.Ltd)AbstractInordertosolvetheproblemthattheheatingeffectoftheheatpumpsystemisnotgoodinthecoldarea,aheatpumpsystemwithstrongheatingcapacityisdesigned.Theexperimentalresultsshowthatunderthesameconditions,theheatingcapacityincreasedby8%comparedwiththeoriginalsystem,thedefrostcycleisprolongedby60%,theoutletairtemperatureis1.85℃higherthanthatoftheoriginalsystem.Applicationofcontinuousheatingtechnologywillfurtherenhancetheheatingperformance.Keywordsheatpump；heatcapacity；defrost1引言我国大部分地区冬季寒冷，制热需求广泛，随着经济的发展和生活水平的提高，人们对采暖的功能及舒适性要求越来越高，热泵技术被认为是解决室内环境控制问题最适宜的技术方式[1]；空气源热泵空调器以同时具有夏季制冷和冬季制热的功能，加之安装方便、价格适中，受到越来越多的用户青睐。但是低温环境下，当气温下降时，热泵机组蒸发压力随之降低，从而使压缩机吸气比容增大，制冷剂的流量减少，压缩机有效容积得不到充分利用，造成制热能力大幅度衰减，机组的制热能力和COP也相应下降，如图1所示。而此时所需的热量(房间热负荷)却随着环境温度的下降而迅速上升，因此空调系统制热量将不能满足采暖热负荷需求。当室外环境温度下降到一定的程度时，室外换热器表面还会结霜，进一步降低制热性能，热泵空调器都会涉及到除霜问题，传统空调器除霜时，空调转入制冷运行，从房间吸取热量，从而迅速降低房间温度，严重影响用户舒适性。图1空调制热量与蒸发温度的关系图提升热泵空调器在低温环境下的制热量和消除空调在制热除霜过程中房间温度迅速下降的问题，是舒适性空调面临的一个重要课题。本文针对热泵空调系统制热量差，舒适性差的问题，采用冷媒加热技术，提升制热过程的蒸发温度，有效抑制蒸发器结霜；同时采用持续制热技术，使热制热量/kW蒸发温度/℃2泵系统在除霜时继续持续向房间供热，进一步提升制热性能。2系统分析热泵是依靠消耗机械功而把室外环境中的低位热量连同消耗的功转移到需要较高温度的某一区域中的设备。如图2是通过输入功率实现制热示意图[2]。按照逆卡诺循环的结果，其制热量：Qc＝Qe＋W式中：Qc为向高温热源放出的热量；Qe从低温热源吸收的热量；W为输入功。图2冷热能量转换示意图普通空调采用单级蒸汽压缩式制冷方式，制热过程中，空调器室外换热器中制冷剂从室外低温热源Te吸取热量，吸热蒸发为低温低压的过热蒸汽，压缩机吸入过热蒸汽并将它压缩为高温高压的制冷剂蒸汽，高温制冷剂向室内高温热源Tc放热实现制热运行，从而实现舒适的室内环境，见图3中压焓图循环1-2-3-4-1。图3冷媒加热压焓图本文采用如图4所示的冷媒加热系统，该系统包括四通阀、室内热交换器、旁通电磁阀、节流装置、室外热交换器和压缩机。其中，制热时，压缩机储液器进气口与冷媒加热装置相连，冷媒加热装置通过四通阀与室外热交换器相连、排气口通过四通阀与室内热交换器相连。在制热循环过程中，尤其是低温工况下，根据室外环境温度判断冷媒加热装置的开启，从而提高蒸发温度，提升制热量，如图3所示循环1’-2’-3’-4’-1’；同时抑制结霜速度，延长了正常制热的时间，并将热气旁通化霜技术与冷媒加热技术有机结合起来，避免了制热化霜过程转为制冷循环从室内吸热的弊端，使空调器在制热化霜过程中能持续制热，避免房间忽冷忽热，同时制热量的大幅提高可有效加快温升速度，提高用户使用空调制热的舒适性。图4冷媒加热系统图如图5所示，在空调器制冷运行时，冷媒加热装置断电不工作，低温低压的制冷剂在室内热交换器中吸热蒸发后经过四通阀和冷媒加热装置进入压缩机压缩至高温高压的制冷剂蒸气，通过四通阀进入室外热交换器，制冷剂蒸气在室外热交换器中冷凝放热成为高温高压的过冷液体，通过节流装置节流降压成低温低压的气液混合物进入室内热交换器，完成整个制冷循环。图5冷媒加热系统制冷循环图在空调器制热运行时，系统制冷剂从室外热交换器吸热蒸发成低温低压的制冷剂蒸气，经四通阀和冷媒加热装置吸入压缩机储液罐吸气口，经压缩机压缩为高温高压的制冷剂蒸气，而后从压缩机排气口排出，经过四通阀进入室内热交换器，高温高压的制冷剂蒸气在室内热交换器中和室内空气换热后冷凝为高压的制冷剂过冷液体；过冷液体经过节WQeQc高温热源Tc低温热源Teh1h24’43’32’21’1ph3流装置节流降压为低温低压的气液混合物进入室外换热器，完成整个制热循环，如图6所示。图6冷媒加热系统制热循环图当室外热交换器不停的从室外环境中吸热，使得环境温度降低，水蒸气凝结成霜，附着在室外热交换器的表面，如果不进行除霜，霜层会越积越厚，结霜面积会越来越大，从而减小了换热面积和风量，影响了换热效果；本文采用热气旁通除霜方式实现制热不停机，减少能量损耗，提升舒适性。除霜开始时，四通阀不动作，压缩机运行除霜频率，此时，旁通电磁阀打开，如图7所示，压缩机排气口排出的高温高压的制冷剂蒸气和经过节流后的制冷剂混合后进入室外热交换器进行化霜，此时，冷媒加热开启，四通阀不断电，不换向，压缩机不停机，系统仍然在继续制热，从而减小了房间的温度波动，且化霜时间缩短，化霜干净、迅速，化霜过程仍然向室内吹出热风。图7冷媒加热系统除霜循环图除霜开始时旁通回路的循环原理由图8所示[3]，一般而言，系统中节流装置阻力大于旁通电磁阀阻力，故制冷剂大部分被旁通至室外换热器中进行除霜，制冷剂在系统中的流动路径为1’’-2-3-4-1-1’’。即压缩机从气液分离器中吸入饱和蒸气1’’压缩至排气状态2，经过旁通电磁阀降压节流至状态3，与系统节流后的两相制冷剂5混合成状态4进入室外换热器内，在压缩机连续的抽吸过程中，两相制冷剂4沿换热器盘管内部通道将热量排放至霜层，进一步冷凝至状态1，并克服盘管阻力返回压缩机吸气管前端的气液分离器中,被分离出的液体1’贮存在气液分离器内,气体1’’再次进入压缩机压缩成高温蒸气。图8热气旁通除霜压焓图随着除霜过程的进行,液态制冷剂连续不断地返回到气液分离器中。贮存在室外侧换热器盘管内的制冷剂质量逐渐减少，同时排回气间的压差也逐渐变小，排气压力降低，回气压力升高，除霜效果变差。3试验分析试验在全自动焓差实验室内进行测试，测试工况是低温制热工况，室内干球温度20℃，湿球温度15℃；室外干球温度2℃，湿球温度1℃。在低温制热工况空调器会出现除霜动作，运行过程制热能力先升后降，属于不稳定制热。试验方法是：在试验期间按时间进行积分平均，测试时间为样机进行首次化霜动作结束后开始计时，到下一次化霜结束为完整的化霜周期，共进行2个完整的化霜周期为止，测试周期包括2个完整的化霜周期，涵盖制热过程和化霜过程。热泵低温制热量应在整个测试周期，但所经历的化霜时间必须包括在求平均制热量的总试验时间内。实测低温平均制热量为两个化霜周期内制热量的平均值，即：2量总和两个化霜周期低温制热实测低温平均制热量进行了原型机关闭冷媒加热普通除霜、开启冷媒加热普通除霜和开启冷媒加热热气旁通除霜的低温制热工况测试，测试数据如表1：从测试结果上看：1、开冷媒加热，可以有效提升制热量，制热量提升293W，较没有冷媒加热功能的提升了8%。2、开冷媒加热，可以有效延长除霜周期，提升制热量，除霜周期延长73分钟，较没有冷媒加热功能的延长了60%。hp1’234511’’4表1低温制热工况制热能力对比冷媒加热除霜方式制热能力(W)除霜周期(分钟)出风温度(℃)关制冷3688.8312342.27开制冷3981.7219644.12开制热4293.4612545.33、开冷媒加热，相同的风档下可以有效提升出风温度，出风温度提升了1.85℃。4、冷媒加热和热气旁通除霜结合可进一步提升制热量和出风温度，制热量较仅采用冷媒加热技术的制热量提升了312W，提升了7.8%；出风温度提升了1.18℃。4总结采用冷媒加热技术和热气旁通除霜技术能有效提升空调器低温制热能力，提高出风温度，延长除霜周期，能够有效解决制热不舒适的问题，通过理论和试验结果分析，得出如下结论。1、采用冷媒加热技术能够有效提升空调器的制热能力，制热量提升8%。2、采用冷媒加热技术可提升蒸发温度，从而抑制结霜，除霜周期延长73分钟。3、采用冷媒加热技术可以提升出风温度，出风温度有1.85℃的提升。4、冷媒加热技术和热气旁通技术结合可进一步提升制热量和出风温度，在冷媒加热系统基础上分别提升了7.8%和1.18℃。参考文献[1]余丽华,马国远,徐荣保.低温空气源热泵的现状与发展[J].建筑节能，2007,3(1):37～54.[2]吴业正.制冷原理与设备[M].西安：西安交通大学出版社，2010.[3]刘清江,韩学廷.风冷热泵旁通除霜问题的研究[J].制冷与空调，2007,3(1):40～42.作者简介：席战利，男，硕士，毕业于中南大学制冷及低温工程专业，现任广东美的制冷设备有限公司主任工程师，主要从事制冷系统性能设计及热舒适性方面的研究。