黎輝玲 周宏亮 湯奇雄 繆雄偉
廣東美的製冷設備有限公司
摘要
Abstract
通過設定3P環境模擬室房間溫度波動2℃內為目標達到「無感化霜」效果，選定相變溫度46℃石蠟為蓄熱材料，理論計算設計了符合3P空調室外機空間的蓄熱器，並通過實驗驗證分析了蓄熱化霜系統房間溫度波動、出風溫度、24 h持續制熱運行衰減情況，並與傳統逆向除霜系統對比了室外2℃時化霜溫度波動，實驗表明，2℃時蓄熱化霜系統溫度波動低至1℃，明顯低於傳統逆向化霜系統的5.67℃，且蓄熱化霜系統化霜時最低出風溫度在39.1℃以上，可以滿足24h長時間運行且波動低於1℃。
關鍵詞
Keywords
變頻空調器；溫度波動；蓄熱化霜；持續運行；出風溫度
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2023.01.005
0 引言
空氣源熱泵在冬季室外低溫高濕環境下制熱運行，室外冷凝器會發生結霜現象[1]，造成制熱能力衰減，影響用戶使用舒適性；因此需要對室外換熱器進行除霜處理，傳統的空氣源熱泵通過切換為製冷循環來除霜[2]，此時室內風機為停止狀態，室內蒸發器溫度極低，不僅不向室內供熱，蒸發器反而向室內吸熱，以及室內外漏熱，造成室內溫度快速降低，使用戶感覺不適。
為此，國內外學者及行業從業者對改變室外空氣參數、外部破壞霜層形成[3]、優化循環系統[4]、增加外部化霜熱源[5-6]等新型除霜方式進行了研究，其中蓄熱除霜方式由於可將正常制熱時存儲的熱量用於化霜，室內機化霜時持續供熱[7-9]，甚至達到「無霜效果」[10]等優點，成為近些年相關學者及企業研究的方向。而家用熱泵空調系統外室機逐漸小型化，蓄熱器尺寸成為制約蓄熱化霜技術應用的重要因素之一，本文提出一種無感化霜的思路，即通過設定較低房間溫度波動值，在不改變現有外機箱體外觀尺寸的情況下設計蓄熱器，通過實驗驗證無感化霜的可行性。
1 實驗
1.1 實驗原理
如圖1所示，新系統在常規空氣源熱泵系統節流部件增加旁通電磁閥，在回氣管上增加了蓄熱迴路，蓄熱方式採用恆溫PTC蓄熱，冬季制熱模式下控制器檢測為易結霜環境時，PTC蓄熱器開始蓄熱；除霜製冷劑流向如圖1c)所示，四通換向閥不動作，保持制熱模式，高溫製冷劑先進入室內持續供熱，旁通電磁閥打開，製冷劑不節流進入室外換熱器化霜，然後經過三通閥進入蓄熱器蒸發，該方案雖然也進行除霜，但除霜時室內機還在持續供熱，如果化霜期間房間溫度幾乎沒有波動，用戶幾乎感覺不到，即可實現「無感化霜」。
要實現「無感化霜」的關鍵是化霜時室內房間溫度波動小，目標是控制在2℃以內，要保證較好地實現該目標，化霜時要保持室內側持續供熱的同時化霜速度要快，因此必須要保證蓄熱期間蓄存的熱量滿足化霜期間對熱量的需求。而家用空調室外機逐漸小型化的趨勢勢必影響蓄熱器尺寸，如何設計合理的蓄熱器尺寸就顯得尤為重要。
1.2 實驗設計
本實驗的樣機為某品牌市場上的一款3P熱泵櫃機，該款櫃機相關銘牌參數如表1所示，在此機型基礎上進行改造成圖1所示的系統。
本文測試均在環境模擬實驗室進行，環境模擬實驗室的室內側如圖2所示。實驗室長9.52 m、寬4.52 m、高2.66 m，房間內共布置720個測溫點，其中寬度方向（X軸）8點，每隔0.5 m一個點；長度方向（Y軸）18點，每隔0.5 m一個點；高度方向（Z軸）5點，第一點離地0.2 m，以上每隔0.5 m一個點。
1.3 蓄熱器設計
由於熱泵系統外機尺寸限制，蓄熱器儘量做到小型化設計的同時提升蓄熱量，優先考慮採用相變材料，本文選用相變溫度為46℃，潛熱210 kJ/kg的石蠟，其參數如表2所示。其次蓄熱器要安全可靠，本文選用120℃恆溫PTC作為熱源，有效防止蓄熱材料高溫氧化。
根據房間熱平衡關係，可對化霜階段室內平均溫降進行推導，室內溫降表達式為：
式中：
ΔT為室內溫降（℃）；
Qe為室內供熱量（kJ）；
Qloss為房間漏熱量（kJ）；
c為室內空氣的比熱容（kJ/(kg•℃)）；
ρ和V分別為室內空氣的密度和體積。
可見，熱泵化霜過程中室內的平均溫降除了與化霜期熱泵對室內的供熱量Q相關外，還受房間的大小V、房間內的空氣的初始狀態ρ、保溫程度Qloss等因素的影響；然而，由於不同住宅的這些影響因素不同，故本文僅對熱泵化霜期供熱Qe對室內溫降ΔT的影響進行分析。根據熱泵系統的能量平衡分析，可知，室內供熱量表達式：
室內熱量損失表達式：
式中：W1為壓縮機供熱量，QX為蓄熱量，QC為化霜所需熱量，F為房間牆體面積，k為牆體傳熱係數，T1為室內溫度，T4為室外溫度，Δt為化霜時間。可以計算出不同工況下石蠟的需求量（如表3所示），結合室外機空間位置關係，蓄熱器結構設計如圖3所示，尺寸290 mm×142 mm×52 mm，可填充石蠟1.6 L。
2 實驗結果與分析
2.1 房間溫度波動
本文房間溫度波動指蓄熱化霜動作出現時化霜前單層或多層房間平均溫度最高值與化霜期間單層或多層房間平均溫度最低值的差值，如圖4所示為室外2℃，濕度83%，室內起始溫度2℃蓄熱化霜系統和傳統系統多層房間平均溫度波動對比，從圖中可知，蓄熱化霜系統溫度波動最大1℃，平均0.96℃，而傳統逆向化霜系統溫度波動5.67℃，蓄熱化霜系統明顯優於傳統逆向化霜系統。蓄熱系統化霜後房間溫度上升到化霜前需要6 min，逆向化霜系統用時18 min。
如圖5所示為室外2℃時，室內離地面高度為0.2 m和0.7 m兩層房間平均溫度波動對比，蓄熱化霜系統0.2 m和0.7 m平均溫度波動分別為0.61℃和1.17℃，而傳統逆向化霜系統分別為3.04℃和5.43℃。
圖6為蓄熱化霜系統在室外2℃，濕度83%，連續運行24小時房間平均溫度曲線；圖7為運行期間化霜溫度波動值，從圖中可知整個運行期間，溫度波動最高1℃，最低0.61℃，平均0.78℃。
如圖8所示為室外-7℃，濕度85%，室內起始溫度0℃蓄熱化霜系統房間平均溫度曲線，兩次溫度波動分別為1.88℃和1.62℃，均要低於2℃目標；而逆循環系統溫度波動達到6.9℃。
2.2 出風溫度
出風溫度作為衡量空調製熱舒適性的一個關鍵指標，如果化霜時出風溫度過低，用戶就會感覺不舒適。圖9為蓄熱化霜系統室外2℃時出風溫度曲線，整個運行期間，蓄熱化霜最低出風溫度在39.1℃以上；圖10為蓄熱化霜系統室外-7℃時出風溫度，第一次化霜時最低出風溫度36.6℃，第二次化霜最低出風溫度為37.5℃。
2.3 蓄熱速度與化霜時間
圖11、12為室外2℃和-7℃制熱運行時蓄熱器溫度變化曲線，其中包括蓄熱材料石蠟蓄熱、放熱時溫度變化和蓄熱器進出口製冷劑溫度變化情況。從圖中可知，蓄熱器蓄熱時每個周期石蠟溫度達到75℃以上，放熱完成時溫度41℃左右，室外2℃時30 min一個循環；室外-7℃時50 min一個循環，每個循環蓄放熱比較充分，放熱時間維持6 min左右。
圖13為蓄熱系統與傳統逆循環系統室外2℃和-7℃化霜時間對比，蓄熱循環化霜時間比逆循環有明顯縮短，分別縮短51%和57%。
2.4 能耗
蓄熱系統用來化霜的部分熱源來自恆溫PTC發熱，舒適性提升的同時帶來能耗增加，如圖14所示為蓄熱化霜系統和逆循環系統在室外2℃工況下，運行4 h耗電量對比，蓄熱系統耗電量要比逆循環高，連續運行4 h約高12%，但此時蓄熱系統房間平均溫度也要高1.3℃。
3 結論
本文通過設定3P環境模擬室房間溫度波動2℃內為目標達到「無感化霜」效果，選定相變溫度46℃石蠟為蓄熱材料，理論計算設計了符合3P空調室外機空間的蓄熱器，並通過實驗驗證分析了蓄熱化霜系統房間溫度波動、出風溫度、24 h持續制熱運行衰減情況，並與傳統逆向除霜系統對比了室外2℃時化霜溫度波動，得出以下結論：
（1）蓄熱化霜系統在室外2℃，濕度83%化霜時室內平均溫度波動最大1℃，平均0.96℃；室外-7℃濕度，85%化霜時兩次溫度波動分別為1.88℃和1.62℃，均要低於2℃目標；
（2）在室外2℃蓄熱化霜系統化霜時出風溫度達到39.1℃以上；
（3）室外2℃時蓄熱化霜系統24 h持續運行，化霜運行正常，溫度波動在1℃以內；
（4）與傳統逆向化霜系統對比，蓄熱化霜系統溫度波動更小，化霜結束恢復到化霜前溫度耗時更短。
參考文獻
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（責任編輯：張晏榕）