廣義空氣源熱泵制熱/除霜周期的性能模型

李寧 石文星 王寶龍 李先庭

(清華大學(xué)建筑學(xué)院建筑技術(shù)科學(xué)系 北京 100084)

廣義空氣源熱泵制熱/除霜周期的性能模型

李寧 石文星 王寶龍 李先庭

(清華大學(xué)建筑學(xué)院建筑技術(shù)科學(xué)系 北京 100084)

常規(guī)空氣源熱泵和無霜空氣源熱泵可以統(tǒng)稱為廣義空氣源熱泵。本文分析了廣義空氣源熱泵在制熱/除霜(再生)過程的物理特征和能耗特點(diǎn)，并應(yīng)用熱力學(xué)原理建立了描述一個(gè)制熱/除霜(再生)周期的熱泵性能評價(jià)模型，推導(dǎo)出描述制熱/除霜(再生)周期內(nèi)的系統(tǒng)能效比COPs的通用表達(dá)式，據(jù)此分析不同類型空氣源熱泵存在性能差異的根本原因和性能優(yōu)化方向。該模型為無霜空氣源熱泵技術(shù)路線的選擇提供了一定的理論支持，同時(shí)可為各類空氣源熱泵的季節(jié)性能評價(jià)和適用性評判提供新的視角和基礎(chǔ)工具。

空氣源熱泵；結(jié)霜；除霜；能效比；性能模型

空氣源熱泵是以空氣為低溫?zé)嵩粗迫「哂诃h(huán)境溫度的熱水或熱風(fēng)的熱泵裝置，是重要的采暖和生活熱水設(shè)備之一。與燃?xì)獠膳碗姴膳啾?，其一次能源效率高，既降低采暖能耗，又減少環(huán)境污染，同時(shí)可兼顧夏季制冷，故在夏熱冬冷地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。然而，當(dāng)空氣源熱泵的蒸發(fā)器表面溫度低于室外空氣露點(diǎn)溫度且低于0℃時(shí)會(huì)發(fā)生結(jié)霜，結(jié)霜不僅增加了蒸發(fā)器的傳熱熱阻，也增加了換熱器風(fēng)阻，導(dǎo)致蒸發(fā)溫度和冷凝溫度降低，制熱量減小、能效比下降。因此，空氣源熱泵系統(tǒng)必須采取除霜措施(如:四通閥換向除霜和熱氣旁通等除霜方式[1－4])，但除霜過程不僅耗能，還會(huì)影響室內(nèi)環(huán)境的舒適性。

為了避免蒸發(fā)器結(jié)霜，改善熱泵系統(tǒng)的供熱穩(wěn)定性，近年來，人們提出了多種無霜空氣源熱泵技術(shù)方案，并在很多地區(qū)開始應(yīng)用，主要包括:先對蒸發(fā)器側(cè)入口空氣進(jìn)行除濕，然后再進(jìn)入風(fēng)冷式蒸發(fā)器[5]；在風(fēng)冷式蒸發(fā)器表面噴淋防凍液[6]；采用能源塔從空氣中取熱，再用水源熱泵機(jī)組[7]提升熱量品位實(shí)現(xiàn)制熱等技術(shù)方案。這些技術(shù)的應(yīng)用可使空氣源熱泵系統(tǒng)在制熱過程中的性能更為穩(wěn)定，并改善制熱全過程中室內(nèi)環(huán)境的舒適性，但為了實(shí)現(xiàn)除濕劑和防凍液的再生，也需消耗一定的能量。這些技術(shù)的本質(zhì)都是利用熱泵從空氣中取熱從而制取熱水或熱風(fēng)，因其在制熱過程中，取熱換熱器表面不出現(xiàn)結(jié)霜，故業(yè)內(nèi)將這些產(chǎn)品稱為“無霜空氣源熱泵”，它們與常規(guī)空氣源熱泵一起，可統(tǒng)稱為“廣義空氣源熱泵”(簡稱:空氣源熱泵)。然而，任何技術(shù)都是有適用條件的，到底這些(廣義)空氣源熱泵在何種氣候條件下的能效比更佳，目前雖有一些實(shí)驗(yàn)對比[4，6]，但尚缺少相關(guān)的理論分析方法和更為明確的結(jié)論。

基于上述背景，本文將從熱力學(xué)原理出發(fā)，分析幾類空氣源熱泵在特定工況下的制熱與除霜(再生)過程的物理特征和能耗特點(diǎn)，并以一個(gè)制熱/除霜(再生)周期為對象，建立其通用性能評價(jià)模型，以此分析典型空氣源熱泵在制熱/除霜(再生)周期內(nèi)存在能耗差異的原因及其影響因素，為各類系統(tǒng)的適用性分析和技術(shù)方案選擇提供一定的理論支持。

1 空氣源熱泵制熱/除霜過程的物理特征

1·1 制熱/除霜的物理過程

空氣源熱泵無論采用四通閥換向除霜(先結(jié)霜后除霜)，還是采用固體吸附劑除濕或溶液噴淋除濕(吸濕)后再對除濕劑或溶液進(jìn)行再生(脫水)的方式，其物理過程的本質(zhì)是一致的:在制熱階段，熱泵系統(tǒng)從濕空氣中吸收水蒸氣潛熱，并使水蒸氣轉(zhuǎn)變?yōu)樗蛩?冰)進(jìn)入系統(tǒng)；在除霜或再生階段，利用某種技術(shù)手段將水或霜(冰)從系統(tǒng)中分離出去。

1·1·1 常規(guī)空氣源熱泵

常規(guī)空氣源熱泵通常采用四通換向閥除霜和熱氣旁通除霜方式，參見圖1和圖2。在其制熱過程中，空氣中的水蒸氣變成了霜(即:水蒸氣→冰)并附著在蒸發(fā)器表面；而在除霜過程中，則通過加熱方式將霜轉(zhuǎn)變成水(冰→水)并排出系統(tǒng)。

圖1 四通閥換向除霜空氣源熱泵原理圖Fig·1 SchematiCdiagramof reverse-cycle defrosting on ASHP

圖3給出了某臺采用四通閥換向除霜的空氣源熱泵在一個(gè)制熱/除霜周期(τ＝τ1＋τ2)內(nèi)制熱量隨時(shí)間的變化曲線，圖中，τ1、τ2分別表示結(jié)霜與除霜過程的時(shí)間。在制熱過程中，隨著霜層的生長，制熱量先略有增大，隨后逐漸減小；在除霜過程中，不僅需要消耗一定的電能，還需從制取的熱量中取熱，從而影響室內(nèi)的舒適性。因其制熱/除霜過程相互銜接、相互影響，故其性能應(yīng)從一個(gè)完整的制熱/除霜周期進(jìn)行分析評價(jià)。

圖2 熱氣旁通除霜空氣源熱泵原理圖Fig·2 SchematiCdiagramof hot bypass defrosting on ASHP

圖3 四通閥換向除霜空氣源熱泵的制熱量變化Fig·3 Heating capacity variation of ASHPduring reverse-cycle defrosting

1·1·2 無霜空氣源熱泵

目前，無霜空氣源熱泵主要是通過采用①固體吸附劑除濕(吸水)＋吸附劑再生(脫水)、②溶液吸濕劑除濕(吸水)＋溶液再生(脫水)等方式來實(shí)現(xiàn)。

1)典型無霜空氣源熱泵的工作過程

圖4示出了一種采用固體吸附劑除濕＋吸附劑再生的無霜空氣源熱泵的結(jié)構(gòu)與工作原理[8]。室外風(fēng)冷換熱器由兩個(gè)風(fēng)路串聯(lián)的翅片管換熱器1、換熱器2構(gòu)成，其中，進(jìn)口側(cè)換熱器1表明涂有固體吸附劑。其工作工程如下:

圖4 循環(huán)式吸附再生空氣源熱泵原理圖Fig·4 SchematiCdiagramof the frost-free ASHPsystemwith circulation-type absorption regeneration

(1)熱泵在制熱循環(huán)時(shí)，打開風(fēng)閥10和風(fēng)閥11，關(guān)閉風(fēng)閥9，壓縮機(jī)3和水泵5運(yùn)行，參見圖5(a)。室外空氣OA先在換熱器1(此時(shí)為蒸發(fā)器)表面等焓除濕，再經(jīng)過換熱器2(蒸發(fā)器)進(jìn)一步冷卻后排出機(jī)組。由于除濕后的空氣露點(diǎn)降低，避免了在換熱器2表面結(jié)霜；制冷劑經(jīng)電子膨脹閥7和電子膨脹閥8逐級節(jié)流，以兩級蒸發(fā)溫度獲取室外空氣的熱量，再經(jīng)壓縮機(jī)3壓縮，在冷凝器4中冷凝為液態(tài)制冷劑，并為用戶提供制熱量。

圖5 循環(huán)式吸附再生空氣源熱泵log p-h圖Fig·5 Pressure enthalpy diagramof the frost-free ASHPsystemwith circulation-type Absorption regeneration

(2)當(dāng)蒸發(fā)器1表面的吸附劑吸附能力降低后，熱泵啟動(dòng)再生模式，此時(shí)關(guān)閉風(fēng)閥10和風(fēng)閥11，打開風(fēng)閥9，使空氣順序經(jīng)過換熱器1和換熱器2并循環(huán)流動(dòng)；此時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)行，電子膨脹閥7全開，水泵或風(fēng)機(jī)5低速運(yùn)行。制冷劑經(jīng)過用戶側(cè)換熱器4、膨脹閥7進(jìn)入風(fēng)冷換熱器1，并在換熱器1(冷凝器)中釋放熱量冷凝成液態(tài)制冷劑，再經(jīng)膨脹閥8節(jié)流，進(jìn)入風(fēng)冷換熱器2(蒸發(fā)器)，吸收濕空氣的熱量而蒸發(fā)，再返回壓縮機(jī)3，參見圖5(b)。循環(huán)空氣對換熱器1(冷凝器)表面的吸附劑進(jìn)行再生，釋放出水蒸氣，然后在換熱器2(蒸發(fā)器)表面冷凝除濕，排放出冷凝水。由于在再生過程中，通過熱回收方式使得換熱器1進(jìn)口與換熱器2出口之間的空氣焓差為0，不僅實(shí)現(xiàn)了固體吸附劑的再生，同時(shí)還為用戶提供了大小為壓縮機(jī)功率的制熱量，具有很好的節(jié)能效果，并改善了室內(nèi)舒適性。

2)無霜空氣源熱泵的工作特點(diǎn)

在這類無霜空氣源熱泵中，制熱時(shí)空氣中的水蒸氣轉(zhuǎn)化為水(水蒸氣→水)并存貯在固體吸附劑或溶液中；在再生過程中，則根據(jù)再生和排水方式不同有多種可行的方法:

(1)加熱吸附劑或溶液，將水轉(zhuǎn)化為水蒸氣，再通過冷卻方法將水蒸氣轉(zhuǎn)化為水(水→水蒸氣→水)排出系統(tǒng)[5，9]。

(2)利用冷凍法將溶液中水凍結(jié)成冰直接排出系統(tǒng)(水→冰)，或先利用冷凍法將溶液中水凍結(jié)成冰，再利用熱回收方法將冰轉(zhuǎn)化為水排出系統(tǒng)(水→冰→水)等[10]。

從無霜空氣源熱泵的工作過程可以看出，在它經(jīng)歷的吸水/再生周期與常規(guī)空氣源熱泵的制熱/除霜周期相似，為說明起見，也將其吸水/再生兩個(gè)過程稱為一個(gè)制熱/除霜周期，進(jìn)而也可采用統(tǒng)一的物理和數(shù)學(xué)模型來描述各類空氣源熱泵在制熱/除霜周期內(nèi)的熱工性能。

1·2 制熱/除霜過程的物理模型

對于各類空氣源熱泵，在其一個(gè)制熱/除霜周期內(nèi)的工作過程可用圖6所示的物理模型進(jìn)行描述。其制熱與除霜過程可以分別等效為兩個(gè)循環(huán)過程，整個(gè)熱泵的工作過程就是這兩個(gè)循環(huán)交替工作的過程。

1·2·1 制熱過程

制熱(即結(jié)霜)過程是一個(gè)典型的熱泵循環(huán)，熱泵消耗電能W1，通過室外側(cè)換熱器(蒸發(fā)器)從室外空氣中取熱Qo1(包括顯熱Qo1，s和潛熱Qo1，l)，在用戶側(cè)換熱器(冷凝器)中制取熱量Qi1并向室內(nèi)供熱。室外濕空氣經(jīng)過蒸發(fā)器時(shí)，一部分水蒸氣mw被冷凝進(jìn)而凍結(jié)成霜并附著在蒸發(fā)器表面，或者轉(zhuǎn)化為液態(tài)水蓄存在固體吸濕劑或液體吸濕劑中。

圖6 空氣源熱泵制熱/除霜周期的物理模型Fig·6 Physicalmodel of ASHPduring frost/defrost cycle

1·2·2 除霜過程

除霜(或再生)過程也可以等效為一個(gè)熱泵循環(huán)，熱泵消耗電能W2，從用戶側(cè)或室外側(cè)取熱，使室外側(cè)換熱器上的霜層融化，或使固體或液體吸濕劑與水分離。因采取的除霜(或再生)方式不同，具有兩種循環(huán)形式:

1)熱泵通過用戶側(cè)換熱器(蒸發(fā)器)取熱:熱泵從用戶側(cè)取熱Qi2，向室外側(cè)換熱器(冷凝器)釋放熱量Qo2，包括除霜熱量 Qo2，l和附加熱量 Qo2，s，其中Qo2，l是為了分離這部分水mw所必須提供的潛熱量，Qo2，s是為了提供除霜熱量而需額外提供的熱量，如:加熱換熱器盤管或周圍空氣所需的熱量等。

2)熱泵通過室外側(cè)換熱器(蒸發(fā)器)取熱:熱泵從室外空氣中取熱Qo2(包括除霜熱量Qo2，l和附加熱量Qo2，s)，通過使用側(cè)換熱器(冷凝器)對室內(nèi)側(cè)供熱Qi2。從蒸發(fā)器提取的除霜熱量是使這部分水mw發(fā)生相變分離所必須付出的潛熱量，附加熱量是為了吸收這部分潛熱量需要額外提取的熱量，如:在預(yù)冷及過冷階段使溶液降溫所需的熱量以及對環(huán)境的漏熱量等。

1·2·3 制熱與除霜過程的聯(lián)系

制熱與除霜過程通過室外側(cè)換熱器中發(fā)生相變的水的質(zhì)量守恒方程建立聯(lián)系。在制熱過程中，室外空氣在室外換熱器中釋放潛熱后以水或霜的形式儲(chǔ)存于熱泵系統(tǒng)中，其質(zhì)量為mw；而除霜或再生過程則是將這部分水或霜以液態(tài)水的形式排出系統(tǒng)。因此，制熱過程儲(chǔ)存的水量與除霜/再生過程釋放的水量質(zhì)量相等，均為mw(參見圖6)。雖然在一些特殊情況，比如霜層只融化了一部分就在重力作用下脫落，其處理的質(zhì)量少于mw，但實(shí)際系統(tǒng)里，正常運(yùn)行不應(yīng)使霜層達(dá)到那么厚，另外，為了保證除霜徹底，通常也是在冰霜完全融化后繼續(xù)加熱一段時(shí)間，故可以認(rèn)為兩個(gè)過程處理的水量均為mw。

2 空氣源熱泵制熱/除霜周期的性能模型

為了明確在相同制熱量需求、相同室外側(cè)和用戶側(cè)的工況下，各種空氣源熱泵在一個(gè)完整的制熱(結(jié)霜)/除霜(再生)周期(τ相同)內(nèi)的能耗狀況，則需建立其性能模型。

2·1 能量守恒方程

熱泵系統(tǒng)的制熱和除霜(再生)過程都是非穩(wěn)態(tài)過程，故應(yīng)按一個(gè)制熱/除霜周期來描述其綜合性能。如果規(guī)定熱泵系統(tǒng)在制熱階段向室內(nèi)供熱為正，在除霜階段從室內(nèi)取熱為正(即圖示箭頭方向)，則可根據(jù)圖6所示能量(箭頭)流向列出整個(gè)系統(tǒng)的能量守恒方程(下列各式中的熱量和耗電量單位:kW·h)。

1)制熱(結(jié)霜)過程:

式中:Qo1，s為結(jié)霜過程的顯熱量；Qo1，l為結(jié)霜過程的潛熱量。

2)除霜(再生)過程:熱泵有可能從用戶側(cè)取熱也可能從其他渠道取熱，以提供除霜(再生)過程所需的熱量，其能量守恒方程為:

式中:Qo2，s為除霜過程的顯熱量，W；Qo2，l為除霜過程的潛熱量，W。

3)一個(gè)制熱/除霜周期(τ相同)內(nèi)熱泵系統(tǒng)對用戶側(cè)的實(shí)際制熱量Qh:

4)一個(gè)結(jié)霜/除霜周期內(nèi)熱泵系統(tǒng)的系統(tǒng)能效比COPs:

2·2 影響系統(tǒng)能效比COPs的5個(gè)主要參數(shù)

一個(gè)制熱/除霜周期的系統(tǒng)能效比COPs主要取決于兩個(gè)過程的三個(gè)因素:1)發(fā)生相變的類型；2)發(fā)生相變實(shí)際所需的熱量；3)提供該熱量所需的耗電量。雖然制熱和除霜/再生過程中發(fā)生相變的水的質(zhì)量相同，但由于兩個(gè)過程的相變類型可能不同，故其對應(yīng)的潛熱量也不同。為明確兩個(gè)過程的特點(diǎn)和關(guān)聯(lián)關(guān)系，定義如表1所示的5個(gè)參數(shù)。

各類空氣源熱泵的上述5個(gè)參數(shù)不盡相同是其在一個(gè)制熱/除霜周期內(nèi)存在性能差異的根本原因。這些參數(shù)與能量守恒、質(zhì)量守恒方程結(jié)合，可以導(dǎo)出系統(tǒng)能效比COPs計(jì)算公式，進(jìn)而可以分析這些參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。

2·3 熱泵的系統(tǒng)能效比COPs

空氣源熱泵在一個(gè)結(jié)霜/除霜周期內(nèi)的總電耗為:

由于兩個(gè)過程發(fā)生相變的水的質(zhì)量相等，故可得到Qi1與Qo2間的關(guān)系:

將式(8)代入式(7)，得到系統(tǒng)能效比COPs與其他變量的關(guān)系式:

3 討論

從式(9)可以看出:提高空氣源熱泵系統(tǒng)在一個(gè)制熱/除霜周期內(nèi)的系統(tǒng)能效比COPs，有以下5種技術(shù)途徑。

3·1 減小Qi1/Qh

根據(jù)公式(5)可知，減小Qi1/Qh意味著在Qh相同的情況下減少Q(mào)i2，即減少除霜過程從室內(nèi)的取熱量 甚至向室內(nèi)供熱，從而提高系統(tǒng)能效比COPs。

表1 影響COPs的5個(gè)主要參數(shù)Tab·1 Fivemain parameters influencing COPs

采用熱氣旁通除霜的空氣源熱泵系統(tǒng)(圖2)，除霜時(shí)壓縮機(jī)提供的電能用于除霜，其Qi1/Qh≈1，相對于四通閥換向除霜空氣源熱泵系統(tǒng)(圖1)在除霜過程中需從室內(nèi)取熱(即Qi1/Qh＞1)而言，不僅提高了COPs，而且還改善了室內(nèi)熱舒適。

對于圖4所示的無霜空氣源熱泵系統(tǒng)，其Qi1/Qh＜1，在不考慮其他因素的影響時(shí)，其COPs相對于圖1和圖2所示系統(tǒng)更優(yōu)；而采用冷凍法對溶液進(jìn)行再生的空氣源熱泵系統(tǒng)[10]，Qi1/Qh可以進(jìn)一步減小，有望獲得更高的COPs。

對此，筆者在多年的小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，依據(jù)學(xué)生的年齡特點(diǎn)，摸索出一套趣味審題“四部曲”，在實(shí)際教學(xué)中運(yùn)用取得了一定的成效，嘗試整理如下。

3·2 減小RP

減小RP有利于提高COPs。從物理過程來看，減小RP意味著除霜過程發(fā)生的相變潛熱量應(yīng)盡可能小于制熱過程發(fā)生的相變潛熱量。如:在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，常規(guī)空氣源熱泵在結(jié)霜過程中發(fā)生的相變潛熱量為(334＋2501)kJ/kg；若采用四通閥換向或熱氣旁通進(jìn)行除霜，發(fā)生的主要相變是融化，則兩個(gè)過程的潛熱比RP＝334/(334＋2501)＝0.118；而對于采用加熱溶液實(shí)現(xiàn)再生的無霜空氣源熱泵系統(tǒng)，其制熱過程發(fā)生的相變是水蒸氣冷凝，而再生過程發(fā)生的相變是蒸發(fā)，因此其RP＝1.0，如果不采用潛熱回收等措施，無論是加熱量的品位(要求加熱的溫度高)和數(shù)量都是不合理的，往往會(huì)導(dǎo)致能耗巨大，COPs顯著降低。而如果能將加熱得到的熱濕空氣進(jìn)行冷凝熱回收[8]，則相當(dāng)于減少了Qi1/Qh，從而比不回收冷凝熱的系統(tǒng)提高了COPs。

表2給出了常見空氣源熱泵系統(tǒng)的RP值。

表2 常見熱泵系統(tǒng)的除霜、結(jié)霜過程潛熱比RPTab·2 RPof conventional heat pumPsystemduring frost/defrost cycle

3·3 減小η1/η2

由(9)式可以看出，欲提高系統(tǒng)能效比COPs，則應(yīng)減小η1/η2，即應(yīng)減小η1或者增大η2。

從物理過程來看，減小η1意味著減小結(jié)霜(制熱)過程中的潛熱比，讓熱泵系統(tǒng)制熱時(shí)應(yīng)盡可能從空氣中提取顯熱，如提高風(fēng)速[5]、通過一定的措施提高進(jìn)風(fēng)溫度[4]、通過改變換熱器的表面特性減緩結(jié)霜發(fā)生[5]都屬于減小結(jié)霜過程的潛熱比的措施；同時(shí)需盡可能減小潛熱，如讓空氣中的水蒸氣轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水(而不要結(jié)冰)[11]，這些方案都有一定的效果。

綜上所述，欲提高空氣源熱泵的COPs，應(yīng)盡量減小η1/η2。在熱泵設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能采取合理的換熱方式和換熱器結(jié)構(gòu)，以便從空氣中提取顯熱，使η1盡可能接近0；除霜時(shí)盡可能充分利用所提供的熱量用于相變，使η2盡可能接近1，同時(shí)需優(yōu)化除霜控制算法，減少誤除霜，實(shí)現(xiàn)有霜必除，除霜必盡的效果，否則有可能η1/η2＞1，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的COPs。

3·4 提高COP2

提高COP2有利于提高COPs。但是采用四通閥換向除霜具有較高的能效比COP2，仍需從使用側(cè)取熱，不僅減少了實(shí)際制熱量，而且影響室內(nèi)舒適性；熱氣旁通除霜能較好地解決室內(nèi)舒適性問題，但除霜熱量主要來自壓縮機(jī)，相當(dāng)于電熱除霜，COP2＝1，從改善COPs角度看也不是一種良好的方法。故應(yīng)探索既不從室內(nèi)取熱，又有較高COP2的系統(tǒng)方式(如圖4所述系統(tǒng))。

3·5 提高COP1

從(9)式中難以直接判斷COP1對COPs的影響方向，故對(9)式中因變量COPs求關(guān)于COP1的偏導(dǎo)數(shù)，得:

一般而言，空氣源熱泵的COP2為1.0～4.0，且(η1/η2)＜1，RP取值為0～1.0，因此，?(COPs)/?(COP1)＞0，即COP1越大系統(tǒng)能效比COPs越高。

圖7給出了當(dāng) Qi1/Qh＝1時(shí)，COPs與 COP1、COP2、η1/η2、RP等4個(gè)變量之間的關(guān)系計(jì)算例，可以看到，圖中曲線的變化趨勢與前文的分析一致。

由于不同類型的空氣源熱泵系統(tǒng)，上述各因素對COPs的影響程度不盡相同，而且各因素之間又相互關(guān)聯(lián)，因此，欲研發(fā)高效的空氣源熱泵和確定在不同地區(qū)選用何種類型空氣源熱泵系統(tǒng)性能更佳時(shí)，則應(yīng)綜合考慮上述因素對COPs的影響程度，合理選擇COPs更優(yōu)的技術(shù)路線和系統(tǒng)方案。

上述分析均是針對特定室外工況下、一個(gè)制熱/除霜周期進(jìn)行的，如果引入熱泵機(jī)組的變工況與部分負(fù)荷工況性能、不同室外工況出現(xiàn)的運(yùn)行時(shí)間分布以及建筑物的負(fù)荷模型，即可將該方法推廣至分析整個(gè)供熱季不同類型空氣源熱泵的運(yùn)行性能；再考慮各種熱泵系統(tǒng)在夏季的制冷性能，則可對不同空氣源熱泵在不同地區(qū)的適用性做出評價(jià)和預(yù)測，為空氣源熱泵系統(tǒng)技術(shù)方案的選擇提供更為合理的工具。

4 結(jié)論

目前，人們對空氣源熱泵結(jié)霜問題進(jìn)行了廣泛的研究，但鮮有文章將常規(guī)空氣源熱泵和采用吸附除濕、溶液噴淋等手段來避免結(jié)霜的無霜空氣源熱泵進(jìn)行統(tǒng)一的評價(jià)，尤其是從機(jī)理層面尚缺乏統(tǒng)一的物理描述和數(shù)學(xué)分析。因此，本文對此進(jìn)行了探索性的分析，開展了如下工作:

1)從熱力學(xué)第一定律和質(zhì)量守恒定律出發(fā)，將結(jié)霜過程和除霜過程看作兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的等效熱泵循環(huán)，提出了基于廣義空氣源熱泵一個(gè)結(jié)霜/除霜周期物理過程的性能評價(jià)模型。

2)應(yīng)用所建立的模型分析了改善空氣源熱泵系統(tǒng)能效比的技術(shù)途徑。

今后，尚需拓展模型的應(yīng)用領(lǐng)域，結(jié)合熱泵機(jī)組的全工況性能參數(shù)、不同地區(qū)的氣象參數(shù)、熱泵機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間以及需求側(cè)的負(fù)荷特征，研究不同類型空氣源熱泵的適用性，從而指導(dǎo)工程應(yīng)用時(shí)選擇適宜的熱泵系統(tǒng)形式。

[1] Byun JS，Lee J，Jeon CD.Frost retardation of an airsource heat pumPby the hot gas bypassmethod[J].International Journal of Refrigeration，2008，31(2):328-334.

[2] Dong J，Deng S，Jiang Y，etal.An experimental study on defrosting heat supplies and energy consumptions duringAreverse cycle defrost operation for an air source heat pumP[J].Applied Thermal Engineering，2012，37:380-387.

[3] 石文星，李先庭，邵雙全.房間空調(diào)器熱氣旁通除霜分析及實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2000，21(2):29-35. (Shi Wenxing，Li Xianting，Shao Shuangquan.Exeprimental research on hotvapor bypass defrostingmethod[J]. Journal of Refrigeration，2000，21(2):29-35.)

[4] 張杰，蘭菁，杜瑞環(huán)，等.幾種空氣源熱泵除霜方式的性能比較[J].制冷學(xué)報(bào)，2012，33(2):47-49.(Zhang Jie，Lan Jing，Du Ruihuan，et al.The performance comparision of several defrosting modes for air-source heat pump[J].Journal of Refrigeration，2012，33(2):47-49.)

[5] 姜益強(qiáng)，柴永金，姚楊，等.延緩空氣源熱泵機(jī)組結(jié)霜的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].制冷與空調(diào)(四川)，2009，23 (1):1-5.(Jiang Yiqiang，Chai Yongjin，Yao Yang，et al.Research status of delaying frosting for air source heat pump[J].Refrigeration and Air Conditioning，2009，23 (1):1-5.)

[6] 付慧影，姜益強(qiáng)，姚楊，等.噴淋溶液對無霜空氣源熱泵系統(tǒng)特性的影響[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63(Suppl. 2):193-198.(Fu Huiying，Jiang Yiqiang，Yao Yang，et al.Influence of spray solution on novel non-frosting air source heat pumPsystemperformance[J].CIESCJournal，2012，63(Suppl.2):193-198.)

[7] 宋應(yīng)乾，馬宏權(quán)，龍惟定.能源塔熱泵技術(shù)在空調(diào)工程中的應(yīng)用與分析[J].暖通空調(diào)，2011，41(4):20-23. (Song Yingqian，Ma Hongquan，Long Weiding.Application and analysis of energy tower heat pumPtechnology in air conditioning engineering[J].Journal of HV＆AC，2011，41(4):20-23.)

[8] Zhang L，F(xiàn)ujinawa T，Saikawa M.A new method for preventing air-source heat pumPwater heaters fromfrosting [J].International Journal of Refrigeration，2012，35(5): 1327-1334.

[9] 李先庭，石文星，王寶龍，等.一種溶液再生處理裝置:中國，201210234947X[P].2012-07-06.

[10]王寶龍，李筱，李寧，等.一種基于凍結(jié)的溶液再生方法及裝置:中國，2012102466238[P].2012-07-16.

[11]Wang Z，Zheng Y，Wang F，et al.Experimental analysis onAnovel frost-free air-source heat pumPwater heater system[J].Applied Thermal Engineering，2014，70(1): 808-816.

About the corresponding author

ShiWenxing，male，professor，Department of Building Science，School of Architecture，Tsinghua University，＋86 10-62796114，E-mail:wxshi＠tsinghua.edu.cn.Research fields:refrigeration and heat pumPtechnology，energy storage and renewable energy utilization technology，evaluation of performance of refrigeration and heat pumPsystem.

Performance Model of General Air Source Heat PumPinASingle Frost/Defrost Cycle

Li Ning ShiWenxing Wang Baolong Li Xianting
(Department of Building Science，School of Architecture，Tsinghua University，Beijing，100084，China)

Conventional air source heat pumPand no-frost air source heat pumPcan be categorized as general air source heat pump.The physical characteristics and energy consumption of general air source heat pumPsysteminAfrost/defrost cycle is analyzed based on the first law of thermodynamics andAgeneralized performancemodel is deduced，which can be used for the prediction of performance difference and optimization of existing technologies.Thismodel provides notonlyAtheoretical basiCfor the development of frost-free air source heat pump，but alsoAbasis for annual performance evaluation of air source heat pumPsystems.

air source heat pump；frost；defrost；coefficient of performance；performancemodel

TQ051.5；TU831；TB61＋1

A

0253－4339(2015)02－0001－07

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.001

簡介

石文星，男，博士，教授，清華大學(xué)建筑學(xué)院建筑技術(shù)科學(xué)系，(010)62796114，E-mail:wxshi＠tsinghua.edu.cn。研究方向:制冷與熱泵技術(shù)、蓄能與可再生能源利用技術(shù)、制冷與熱泵裝置性能評價(jià)。

國家自然科學(xué)基金(51176084)和國家杰出青年科學(xué)基金(51125030)項(xiàng)目資助。(The projectwas supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51176084)and the National Science Foundation for Distinguished Young Scholars of China(No.51125030).)

2014年9月10日