復(fù)疊式空氣源熱泵蓄能除霜與常規(guī)除霜特性實(shí)驗(yàn)研究

曲明璐 李天瑞 樊亞男 王壇

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093）

復(fù)疊式空氣源熱泵蓄能除霜與常規(guī)除霜特性實(shí)驗(yàn)研究

曲明璐 李天瑞 樊亞男 王壇

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093）

針對(duì)復(fù)疊式空氣源熱泵在冬季寒冷地區(qū)供熱運(yùn)行中遇到的結(jié)霜和除霜問題，本文提出增設(shè)蓄熱器的蓄能復(fù)疊式空氣源熱泵除霜系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)研究了該系統(tǒng)間斷制熱蓄能除霜及不間斷制熱蓄能除霜兩種除霜模式下的除霜特性，并與常規(guī)復(fù)疊式空氣源熱泵采用的低溫級(jí)熱氣旁通除霜方式進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：采用蓄能除霜方法的除霜時(shí)間較旁通除霜減少71.4% ～77.6%，系統(tǒng)除霜能耗降低65.1%～85.2%，機(jī)組除霜運(yùn)行更穩(wěn)定、可靠。

空氣源熱泵；復(fù)疊式循環(huán)；除霜；蓄熱器

空氣源熱泵具有熱源獲取方便、效率較高、操作簡(jiǎn)單、無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)長(zhǎng)江流域及以南地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用。但是在低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器表面結(jié)霜而造成節(jié)能性和可靠性的下降［1－2］，直接阻礙了其在我國(guó)北方低溫寒冷地區(qū)的推廣和使用。采用復(fù)疊式空氣源熱泵可以改善空氣源熱泵的低溫適應(yīng)性、提高其低溫制熱性能。近年來對(duì)復(fù)疊式熱泵的相關(guān)研究主要包括運(yùn)行特性研究［3－5］、制冷劑研究［6－8］、空氣源熱泵高溫?zé)崴鳎?－11］、系統(tǒng)性能優(yōu)化［12－14］、以及中間溫度控制等。與常規(guī)空氣源熱泵相同，復(fù)疊式空氣源熱泵在供熱運(yùn)行中當(dāng)室外機(jī)表面溫度低于空氣露點(diǎn)且低于冰點(diǎn)時(shí)，也出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。為了保證機(jī)組的良好運(yùn)行狀態(tài)，需要對(duì)室外機(jī)進(jìn)行周期性的除霜。一般復(fù)疊式空氣源熱泵采用低溫級(jí)旁通除霜的方法。與逆循環(huán)除霜方法相比，此方法可以利用復(fù)疊式系統(tǒng)的特點(diǎn)，避免高低溫級(jí)同時(shí)換向除霜過程中出現(xiàn)的一些運(yùn)行問題［15－16］。然而當(dāng)室外溫度低于某一值（臨界點(diǎn)在－12～－9℃）時(shí)，熱氣旁通除霜法除霜將無法除盡低溫級(jí)蒸發(fā)器上的霜層。原因在于單級(jí)運(yùn)行的吸排氣溫度均很低，室外溫度也很低，壓縮機(jī)制取的熱量無法滿足換熱器從環(huán)境吸收的冷量和換熱器霜層化霜所需的熱量［17］。

本文將蓄能技術(shù)引入復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)中，提出蓄能復(fù)疊式空氣源熱泵除霜新系統(tǒng)。即在常規(guī)復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)中增設(shè)蓄熱器，在室內(nèi)環(huán)境滿足要求的前提下，將復(fù)疊式空氣源熱泵高效制熱運(yùn)行時(shí)低溫級(jí)的部分余熱儲(chǔ)存在蓄熱器內(nèi)，通過高低溫級(jí)循環(huán)在不同運(yùn)行模式時(shí)的能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)低溫級(jí)換向除霜。這種蓄能除霜方法分為間斷供熱蓄能除霜和不間斷供熱蓄能除霜兩種運(yùn)行方式。兩者的主要區(qū)別在于除霜過程中高溫級(jí)壓縮機(jī)及室內(nèi)風(fēng)機(jī)是否正常運(yùn)行，即室內(nèi)側(cè)是否正常供熱。本文重點(diǎn)將這兩種運(yùn)行模式的蓄能除霜方法與目前常規(guī)的低溫級(jí)熱氣旁通除霜方法對(duì)比，分析各模式下的除霜特性。

1 系統(tǒng)原理及實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由三部分組成，即焓差環(huán)境實(shí)驗(yàn)室、復(fù)疊式空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.1.1 焓差環(huán)境實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)在上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院的焓差環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室可提供恒定的室內(nèi)外環(huán)境，由室內(nèi)側(cè)、室外側(cè)和量熱室組成。主要設(shè)備包括室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)空氣處理設(shè)備（制冷系統(tǒng)、電加熱和電加濕等）、室內(nèi)焓差測(cè)試裝置（本體）、取樣裝置、穩(wěn)壓電源控制柜、電氣控制裝置以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。被測(cè)室外機(jī)組安裝在焓差環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的室外側(cè)，被測(cè)室內(nèi)機(jī)組安裝在焓差環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)側(cè)。

1.1.2 復(fù)疊式空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)

復(fù)疊式空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)包括低溫級(jí)循環(huán)和高溫級(jí)循環(huán)，及蓄熱器三部分。低溫級(jí)循環(huán)工質(zhì)為R410A，高溫級(jí)循環(huán)工質(zhì)為R134a。系統(tǒng)主要由高低溫級(jí)壓縮機(jī)、室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)、蒸發(fā)冷凝器、儲(chǔ)水蓄熱器、四通換向閥和電磁閥等設(shè)備組成，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)選用雙螺旋盤管形式的蓄熱器，如圖2所示，蓄熱材料為水。為選擇與實(shí)驗(yàn)中復(fù)疊式熱泵相匹配的蓄熱器，根據(jù)結(jié)霜量及室內(nèi)側(cè)要求達(dá)到的供熱溫度得到除霜和不間斷供熱所需的熱量約為1 971 kJ，除霜前后水的溫差約為30℃，計(jì)算可得蓄熱用水量為15.6 kg，選擇蓄熱器的容積為15 L。為了減少蓄熱量的損失，內(nèi)套筒、外套筒、蓄熱器底部及蓄熱器上蓋均做一層保溫。蓄熱過程中，低溫級(jí)高溫高壓制冷劑進(jìn)入蓄熱盤管，加熱管外蓄熱材料；而釋熱（即除霜）過程蓄熱罐中蓄熱材料對(duì)高低溫級(jí)循環(huán)都放熱。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

復(fù)疊式空氣源熱泵蓄能除霜機(jī)組控制系統(tǒng)中，PLC作為控制中樞，負(fù)責(zé)采集復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)高低溫級(jí)循環(huán)的溫度、壓力等參數(shù)。并通過PLC的輸出模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)控制，控制蒸發(fā)器的風(fēng)機(jī)變頻，通過控制高低溫級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電子膨脹閥，控制壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)的啟停、運(yùn)行模式切換等。

圖1 蓄能復(fù)疊式空氣源熱泵系統(tǒng)原理圖Fig.1 The schematic diagram of the energy storage based CASHP system

圖2 蓄熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of thermal accumulator

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及運(yùn)行模式

實(shí)驗(yàn)過程中，保持穩(wěn)定的結(jié)霜和除霜工況，室內(nèi)側(cè)模擬工況干球溫度為（22±0.1）℃，相對(duì)濕度為50%±3%；室外側(cè)模擬工況干球溫度為（－12± 0.1）℃，相對(duì)濕度為80% ±3%。通過機(jī)組的控制系統(tǒng)和相應(yīng)閥門的開啟、關(guān)閉，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)五種運(yùn)行模式：常規(guī)制熱模式、蓄熱模式、熱氣旁通除霜模式、間斷制熱蓄能除霜模式和不間斷制熱蓄能除霜模式。如圖1所示，各運(yùn)行模式下的工作原理及制冷劑的流動(dòng)情況分別為：

1）常規(guī)制熱模式

閥門F5，F(xiàn)7，F(xiàn)8，F(xiàn)9，F(xiàn)10開，其余閥門關(guān)閉。制冷劑在系統(tǒng)中的流程如下：

低溫級(jí)循環(huán)：低溫級(jí)壓縮機(jī)→四通換向閥→F5 →F7→蒸發(fā)冷凝器→F9→低溫級(jí)儲(chǔ)液器→低溫級(jí)電子膨脹閥→室外機(jī)→四通換向閥→低溫級(jí)氣液分離器→低溫級(jí)壓縮機(jī)；

高溫級(jí)循環(huán)：高溫級(jí)壓縮機(jī)→室內(nèi)機(jī)→高溫級(jí)儲(chǔ)液器→高溫級(jí)電子膨脹閥→F10→蒸發(fā)冷凝器→F8→高溫級(jí)氣液分離器→高溫級(jí)壓縮機(jī)。

2）蓄熱模式

為了保持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，并提供一個(gè)比較基準(zhǔn)，蓄能除霜實(shí)驗(yàn)蓄熱結(jié)霜的前5 min，開啟常規(guī)制熱模式，5 min后切換為蓄熱模式，此時(shí)閥門F2，F(xiàn)4，F(xiàn)6，F(xiàn)5，F(xiàn)11關(guān)閉，其余閥門開啟。蓄熱結(jié)束后重新切換為常規(guī)制熱模式，直至達(dá)到除霜條件。制冷劑在系統(tǒng)中的流程如下：

低溫級(jí)循環(huán)：低溫級(jí)壓縮機(jī)→四通換向閥→F1→蓄熱器→F3→F7→蒸發(fā)冷凝器→F9→低溫級(jí)儲(chǔ)液器→低溫級(jí)電子膨脹閥→室外機(jī)→四通換向閥→低溫級(jí)氣液分離器→低溫級(jí)壓縮機(jī)；

高溫級(jí)循環(huán)：高溫級(jí)壓縮機(jī)→室內(nèi)機(jī)→高溫級(jí)儲(chǔ)液器→高溫級(jí)電子膨脹閥→F10→蒸發(fā)冷凝器→F8→高溫級(jí)氣液分離器→高溫級(jí)壓縮機(jī)。

3）間斷制熱蓄能除霜模式

低溫級(jí)制冷劑旁通蒸發(fā)冷凝器，故除霜熱量來源于蓄熱器所蓄存的熱量，此時(shí)蓄熱器作為蒸發(fā)器，為低溫級(jí)除霜提供能量。除霜過程中高溫級(jí)機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，室外換熱器風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。除霜開始時(shí)，低溫級(jí)機(jī)組停機(jī)60 s以平衡系統(tǒng)壓力，之后低溫級(jí)壓縮機(jī)啟動(dòng)，四通換向閥換向，低溫級(jí)電子膨脹閥開度開到最大，閥門F1、F3、F11開啟，其余閥門關(guān)閉。制冷劑在系統(tǒng)中的流程如下：

低溫級(jí)循環(huán)：低溫級(jí)壓縮機(jī)→四通換向閥→室外機(jī)→低溫級(jí)儲(chǔ)液器→低溫級(jí)電子膨脹閥→F11→F3→蓄熱器→F1→四通換向閥→低溫級(jí)氣液分離器→低溫級(jí)壓縮機(jī)。

4）不間斷制熱蓄能除霜模式

上莊鄉(xiāng)隸屬河南省南陽市新野縣，擁有良好的畜牧產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，其中重點(diǎn)養(yǎng)殖奶牛、肉羊和乳鴿等。如奶牛養(yǎng)殖就已經(jīng)成為新野縣第一個(gè)集養(yǎng)殖、牛奶銷售、交易以及養(yǎng)殖信息服務(wù)為一體的綜合市場(chǎng)，這對(duì)鄉(xiāng)內(nèi)其他畜牧業(yè)的綜合良性發(fā)展具有促進(jìn)意義。近年，伴隨新野縣“縣域經(jīng)濟(jì)特色化、特色經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)園區(qū)化、園區(qū)經(jīng)濟(jì)集群化、集群經(jīng)濟(jì)品牌化”的發(fā)展思路，該鄉(xiāng)也希望以龍頭企業(yè)為抓手發(fā)展規(guī)模化肉羊養(yǎng)殖，一改傳統(tǒng)放牧式散養(yǎng)肉羊模式，投資建舍開展更加規(guī)范化的舍飼養(yǎng)羊模式，借助政府及地方畜牧產(chǎn)業(yè)天然優(yōu)勢(shì)大力發(fā)展以肉羊養(yǎng)殖為基礎(chǔ)快速發(fā)展的特色農(nóng)業(yè)區(qū)域化發(fā)展道路[1]。

為使高溫級(jí)在除霜過程中持續(xù)供熱，在間斷制熱蓄能除霜的基礎(chǔ)上，使高溫級(jí)制冷劑亦旁通蒸發(fā)冷凝器，即高溫級(jí)亦從蓄熱器取熱，且高溫級(jí)制冷劑流向不變。閥門F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)11開啟，其余閥門關(guān)閉。同時(shí)，高溫級(jí)壓縮機(jī)啟動(dòng)，室內(nèi)機(jī)開啟。制冷劑在系統(tǒng)中的流程如下：

低溫級(jí)循環(huán)：低溫級(jí)壓縮機(jī)→四通換向閥→室外機(jī)→低溫級(jí)儲(chǔ)液器→低溫級(jí)電子膨脹閥→F11→F3→蓄熱器→F1→四通換向閥→低溫級(jí)氣液分離器→低溫級(jí)壓縮機(jī)；

高溫級(jí)循環(huán)：高溫級(jí)壓縮機(jī)→室內(nèi)機(jī)→高溫級(jí)儲(chǔ)液器→高溫級(jí)電子膨脹閥→F4→蓄熱器→F2→高溫級(jí)氣液分離器→高溫級(jí)壓縮機(jī)。

5）熱氣旁通除霜模式

除霜開始時(shí)，旁通支路上的電磁閥F6打開，其余閥門關(guān)閉，通過旁通支路將低溫級(jí)壓縮機(jī)排出的的高溫高壓制冷劑直接進(jìn)入室外換熱器，利用其冷凝放熱進(jìn)行除霜。除霜過程中，四通換向閥不換向，高溫級(jí)壓縮機(jī)停機(jī)，室內(nèi)外換熱器風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，除霜的熱量來源為壓縮機(jī)所消耗的電能和壓縮機(jī)殼體蓄熱兩部分。制冷劑在系統(tǒng)中的流程如下：

低溫級(jí)循環(huán)：低溫級(jí)壓縮機(jī)→四通換向閥→F6→室外機(jī)→四通換向閥→低溫級(jí)氣液分離器→低溫級(jí)壓縮機(jī)。

除霜條件的判斷：當(dāng)?shù)蜏丶?jí)吸氣壓力達(dá)到約0.167 MPa（蒸發(fā)溫度為－41℃），此時(shí)高溫級(jí)排氣壓力約為1.05 MPa（冷凝溫度為41℃），相比無霜條件下高溫級(jí)排氣壓力下降約25%，因此，以此作為開始除霜的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)束除霜的判斷：當(dāng)室外側(cè)換熱器最底層環(huán)路的出口溫度達(dá)到5℃，并保持10 s以上，霜層完全融化，且翅片表面幾乎沒有滯留水珠，以此作為結(jié)束除霜的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 間斷制熱蓄能除霜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4所示為間斷制熱蓄能除霜時(shí)蓄熱器內(nèi)水溫變化，反映了蓄熱器的釋熱過程。溫度測(cè)點(diǎn)布置在蓄熱器中部。由圖4可知，除霜時(shí)蓄熱器作為蒸發(fā)器，水溫從35.2℃降低到除霜結(jié)束時(shí)的8.4℃。

2.2 不間斷制熱蓄能除霜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

該運(yùn)行模式下除霜時(shí)間為600 s。除霜結(jié)束后，收集的融霜水量為1.72 kg。整個(gè)除霜階段系統(tǒng)總能耗為0.52 kW·h，包括低溫級(jí)及高溫級(jí)除霜的能耗。

圖3 間斷制熱蓄能除霜低溫級(jí)吸排氣壓力變化Fig.3 The variations of suction and discharge pressure of LT cycle in intermittent heating thermal energy storage defrosting mode

圖4 間斷制熱蓄能除霜蓄熱器內(nèi)水溫變化Fig.4 The variation of water temperature in thermal accumulator in intermittent heating thermal energy storage defrosting mode

圖5 不間斷制熱蓄能除霜低溫級(jí)吸排氣壓力變化Fig.5 The variations of suction and dischargepressure of LT cycle in continuous heating thermal energy storage defrosting

圖5所示為不間斷制熱蓄能除霜時(shí)低溫級(jí)吸排氣壓力變化。由圖5可知，低溫級(jí)吸氣壓力較穩(wěn)定，波動(dòng)較小，吸氣壓力的平均值為0.203 MPa，較間斷制熱蓄熱除霜時(shí)低0.067 MPa，整個(gè)除霜階段吸氣壓力一直處于較低值，不利于機(jī)組運(yùn)行。除霜結(jié)束時(shí)排氣壓力達(dá)到1.46 MPa，除霜過程中排氣壓力的平均升高速率為0.107 MPa／min，較間斷制熱蓄能除霜時(shí)低0.04 MPa／min。

因此，在融霜水量基本相同的情況下，不間斷制熱蓄能除霜時(shí)，低溫級(jí)排氣壓力升高較快，使室外機(jī)盤管溫度上升較快，除霜效果良好，除霜時(shí)間為600 s。由于除霜過程中高溫級(jí)同時(shí)從蓄熱器內(nèi)取熱，減少了低溫級(jí)除霜的低位熱量，相比間斷制熱蓄能除霜，不間斷制熱蓄能除霜時(shí)低溫級(jí)吸氣壓力較低，排氣壓力升高速率較小，除霜時(shí)間延長(zhǎng)了190 s。

圖6所示為不間斷制熱蓄能除霜時(shí)，高溫級(jí)吸排氣壓力變化。圖7所示為不間斷制熱蓄能除霜時(shí)，制熱量及室內(nèi)進(jìn)出風(fēng)溫差變化。由圖6和圖7可得，由于蓄熱量有限，高溫級(jí)低位熱量不足，除霜過程中高溫級(jí)吸排氣壓力一直處于較低值，制熱效果有所降低，最大制熱量為4.68 kW，達(dá)到正常制熱的47.7%，但仍可以保證一定的制熱量。

圖6 不間斷制熱蓄能除霜高溫級(jí)吸排氣壓力變化Fig.6 The variations of suction and discharge pressure of HT cycle in continuous heating thermal energy storage defrosting mode

圖7 不間斷制熱蓄能除霜制熱量及室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)溫差變化Fig.7 The variations of heat capacity and temperature difference between the inlet and outlet of the indoor unit in continuous heating thermal energy storage defrosting mode

圖8 不間斷制熱蓄能除霜蓄熱器內(nèi)水溫變化Fig.8 The variation of water temperature in thermal accumulator in continuous heating thermal energy storage defrosting mode

圖8所示為不間斷制熱蓄能除霜時(shí)蓄熱器內(nèi)水溫變化?？梢姡疁刈兓厔?shì)與間斷制熱蓄能除霜類似，水溫從32.4℃降低到除霜結(jié)束時(shí)的2℃。釋熱過程中高低溫級(jí)機(jī)組同時(shí)從蓄熱器中取熱，低溫級(jí)蒸發(fā)溫度較低，高溫級(jí)蒸發(fā)溫度較高，且低溫級(jí)螺旋盤管的面積大于高溫級(jí)螺旋盤管的面積，由于熱量的耦合，可能使釋熱過程中，低溫級(jí)取熱較多，高溫級(jí)取熱不足。但考慮蓄能除霜的主要目的仍然是低溫級(jí)的除霜，首先保證低溫級(jí)的熱量供給是有益的。

2.3熱氣旁通除霜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了與蓄能除霜的效果進(jìn)行對(duì)比，將熱氣旁通除霜模式作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。該運(yùn)行模式下除霜時(shí)間為35 min。除霜結(jié)束后，收集到的融霜水量為1.68 kg。整個(gè)除霜階段系統(tǒng)耗功為1.49 kW·h。

圖9所示為熱氣旁通除霜時(shí)低溫級(jí)吸排氣壓力變化。由圖9可知，熱氣旁通除霜過程中低溫級(jí)排氣壓力上升緩慢，且一直處于較低值，使室外機(jī)的盤管溫度一直較低，造成除霜時(shí)間較長(zhǎng)，系統(tǒng)耗功較大。且高溫級(jí)停機(jī)室內(nèi)機(jī)不供熱，造成室內(nèi)溫度的大范圍波動(dòng)，影響室內(nèi)的熱舒適性，說明在如此低的室外環(huán)境下不宜采用熱氣旁通除霜。

將蓄能除霜與熱氣旁通除霜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可知蓄能除霜方法優(yōu)點(diǎn)為：

1）除霜時(shí)間短

除霜時(shí)間直接反映了系統(tǒng)除霜的效果。在融霜水量基本相同的情況下，熱氣旁通除霜的除霜時(shí)間為35 min，不間斷制熱蓄能除霜的除霜時(shí)間為600 s，較熱氣旁通除霜縮短了1 500 s，縮短71.4%。間斷制熱蓄能除霜的除霜時(shí)間僅為410 s，較熱氣旁通除霜縮短了1 690 s，縮短80.5%，即使加上除霜前的60 s停機(jī)時(shí)間，間斷制熱蓄能除霜較熱氣旁通除霜仍縮短了1 630 s，縮短77.6%，大幅縮短了除霜時(shí)間，即室內(nèi)無供熱時(shí)間。

圖9 旁通除霜低溫級(jí)吸排氣壓力變化Fig.9 The variations of suction and discharge pressureof LT cycle in hot?gas bypass defrosting mode

2）機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定

蓄能除霜過程中，蓄熱器能夠提供足夠的低位熱量，低溫級(jí)吸氣壓力相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)較小，能夠保證除霜時(shí)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。由于熱氣旁通除霜吸氣壓力波動(dòng)較大，對(duì)機(jī)組運(yùn)行不利；排氣壓力升高的速率緩慢，使除霜進(jìn)行緩慢。

3）系統(tǒng)除霜能耗少

在融霜水量基本相同的情況下，熱氣旁通除霜的系統(tǒng)能耗為1.49 kW·h；間斷制熱蓄能除霜的系統(tǒng)能耗為0.22 kW·h，較熱氣旁通除霜減少了1.27 kW·h，減少85.2%。不間斷制熱蓄能除霜的系統(tǒng)能耗為0.52 kW·h，包括低溫級(jí)和高溫級(jí)除霜的能耗，較熱氣旁通除霜減少了0.97 kW·h，減少65.1%?？梢娦钅艹南到y(tǒng)能耗更小，能效值更高、更節(jié)能。

3 結(jié)論

為解決復(fù)疊式空氣源熱泵除霜問題，本文提出了復(fù)疊式空氣源熱泵蓄能除霜新方法，并在室內(nèi)側(cè)干球溫度為（22±0.1）℃，相對(duì)濕度為50% ±3%；室外側(cè)干球溫度為（－12±0.1）℃，相對(duì)濕度為80% ± 3%的模擬工況條件下進(jìn)行了間斷及不間斷制熱兩種蓄能除霜模式的實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）在融霜水量基本相同的情況下，由于蓄熱器能夠提供足夠的低位熱量，間斷及不間斷制熱蓄能除霜的除霜時(shí)間較熱氣旁通除霜分別縮短了77.6%和71.4%；系統(tǒng)除霜能耗分別降低了85.2%和65.1%。蓄能除霜模式下低溫級(jí)吸氣壓力相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)較小，系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

2）在融霜水量基本相同的情況下，不間斷制熱蓄能除霜模式除霜效果較好，能夠保證一定的制熱量。關(guān)于不間斷制熱蓄能除霜模式的高低溫級(jí)能量匹配問題還需進(jìn)一步研究。

本文受上海市青年科技英才楊帆計(jì)劃（14YF1410000）和滬江基金資助項(xiàng)目（D14003）資助。（The project was supported by the Shanghai Sailing Program of Shanghai Committee of Science and Technology（No.14YF1410000）and the Hujiang Foundation of China（No.D14003）.）

［1］ 田津津，張哲.風(fēng)冷熱泵結(jié)霜工況下的實(shí)驗(yàn)研究［J］.制冷與空調(diào)（四川），2008，22（1）：88?90.（TIAN Jin?jin，ZHANG Zhe.Experimental study on air?cooled heat pump on the frosting condition［J］.Refrigeration and Air Conditioning，2008，22（1）：88?90.）

［2］ Senshu T，Yasuda H，Oguni K，et al.Heat pump per?formance under frosting condition：partⅠ?heat and mass transfer on cross?finned tube heat exchangers under frosting conditions［J］.ASHRAE Transactions，1990，96（1）：373?380.

［3］ Kaushik S C，Kumar P，Jain S.Performance evaluation of irreversible cascaded refrigeration and heat pump cycles ［J］.Energy Conversion and Management，2002，43 （17）：2405?2424.

［4］ Park H，Kim D H，Kim M S.Performance investigation of a cascade heat pump water heating system with a quasi?steady state analysis［J］.Energy，2013，63：283?294.

［5］ 陳劍波，姚晶珊，韓星，等.不同環(huán)境溫度下復(fù)疊式空氣源熱泵高溫?zé)崴到y(tǒng)運(yùn)行特性研究［J］.暖通空調(diào)，2013，43（7）：107?111.（CHEN Jianbo，YAO Jingshan，HAN Xing，et al.Study of cascade air?source heat pump of high temperature hot water unit under different environment temperature［J］.Journal of HV＆AC，2013，43（7）：107?111.）

［6］ 劉永忠，馮霄.復(fù)疊熱泵冷凍干燥系統(tǒng)制冷劑的選擇［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，30（5）：105?108.（LIU Yongzhong，F(xiàn)ENG Xiao.Selection of working fluids on a cascade heat pump cycle in application to freeze?drying plant［J］.Journal of North China Electric Power Universi?ty，2003，30（5）：105?108.）

［7］ 杜塏，徐衛(wèi)榮.R134a?R123自然復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)濃度配比分析［J］.制冷學(xué)報(bào)，2009，30（2）：33?38.（DU Kai，XU Weirong.Concentration optimization of R134a／R123 in auto?cascade heat pump systems［J］.Journal of Refrigeration，2009，30（2）：33?38.）

［8］ 趙海波，楊昭.復(fù)疊式水水熱泵的制冷劑篩選［J］.制冷學(xué)報(bào)，2012，33（5）：32?36.（ZHAO Haibo，YANG Zhao.Refrigerant selection for cascade water?to?water heat pump［J］.Journal of Refrigeration，2012，33（5）：32?36.）

［9］ 項(xiàng)招鵬.復(fù)疊式蓄熱型空氣源熱泵熱水器性能優(yōu)化分析［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2010.（XIANG Zha?openg.Optimization design on cascade air source heat pump water heater with thermal storage［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2010.）

［10］朱玉娟.復(fù)疊式蓄熱型空氣源熱泵熱水器動(dòng)態(tài)特性研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2010.（ZHU Yujuan. Dynamic thermal characteristics research on cascade air source heat pump water heater with PCM［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2010.）

［11］巫江虹，王源霞，游少芳，等.復(fù)疊式蓄熱型空氣源熱泵熱水器動(dòng)態(tài)傳熱特性［J］.化工學(xué)報(bào)，2010，61（Sup?pl.2）：68?73.（WU Jianghong，WANG Yuanxia，YOU Shaofang，et al.Transient thermal behavior of cascade air source heat pump water heater with PCM［J］.CIESC Jour?nal，2010，61（Suppl.2）：68?73.）

［12］Bertsch S S，Groll E A.Two?stage air?source heat pump for residential heating and cooling applications in northern U.S.climates［J］.International Journal of Refrigeration，2008，31（7）：1282?1292.

［13］張紅瑞，劉學(xué)來，李永安，等.節(jié)能高效空氣源復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)［J］.暖通空調(diào)，2010，40（11）：108?112. （ZHANG Hongrui，LIU Xuelai，LI Yongan，et al.Energy efficient cascade air source heat pump system［J］.Journal of HV＆AC，2010，40（11）：108?112.）

［14］Roh C W，Kim M S.Effect of vapor?injection technique on the performance of a cascade heat pump water heater［J］. International Journal of Refrigeration，2014，38：168?177.

［15］黃東，袁秀玲.風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組熱氣旁通除霜與逆循環(huán)除霜性能對(duì)比［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40（5）：539?543.（HUANG Dong，YUAN Xiuling.Com?parison of dynamic characteristics between the hot?gas by?pass defrosting method and reverse?cycle defrosting method on an air?to?water heat pump［J］.Journal of Xi′an Jiaotong University，2006，40（5）：539?543.）

［16］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 per?formance comparison of several defrosting modes for air?source heat pump［J］.Journal of Refrigeration，2012，33 （2）：47?49.）

［17］范巍.復(fù)疊式空氣源熱泵熱水器除霜控制方法實(shí)驗(yàn)研究［D］.上海：上海理工大學(xué)，2013.（FAN Wei.De?frosting control methods experimental research based on the cascade type air?source heat pump water heater［D］. Shanghai：University of Shanghai for Science and Technolo?gy，2013.）

Experimental Study on Characteristics of Energy Storage Defrosting and Conventional Defrosting for Cascade Air Source Heat Pump

Qu Minglu Li Tianrui Fan Yanan Wang Tan

（School of Environment＆Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China）

Based on the frosting and defrosting problems of cascade air source heat pumps（CASHPs）during heating operation in the cold area in winter，a novel thermal energy storage CASHP defrosting system with a thermal accumulator is proposed.The defrosting perform?ances of thermal energy storage defrosting mode with intermittent heating and continuous heating were experimentally studied，and then the experimental results were compared with common used hot?gas bypass defrosting mode.It was found that in energy storage defrosting mode，the defrosting duration time and the energy consumption were reduced by 71.4%－77.6%and 65.1%－85.2%respectively com?pared with hot?gas bypass defrosting mode，and the system defrosting operation was more stable and reliable.

air source heat pump；cascade cycle；defrosting；thermal accumulator

TQ051.5；TU831.5；TK02

A

0253－4339（2017）01－0034－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.01.034

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（51406119）資助項(xiàng)目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China （No.51406119）.）

2016年6月7日

曲明璐，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，13795377789，E?mail：quminglu＠126.com。研究方向：空氣源熱泵，建筑設(shè)備熱質(zhì)交換過程。

About the corresponding author

Qu Minglu，female，associate professor，master supervisor，School of Environment＆Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，＋86 13795377789，E?mail：quminglu ＠126.com.Research fields：air source heat pump，heat and mass transfer process of building equipment.