摘要
结霜问题是目前限制空气源热泵推广应用的主要问题之一，当盘管表面温度下降到冰点且低于露点温度时，空气便会在室外换热器翅片表面结霜，霜层的生长会使流过蒸发器翅片的空气流量急剧衰减，机组换热能力会逐渐恶化，性能下降，甚至发生故障。结霜图谱能揭示空气源热泵机组可能发生结霜的室外温湿度范围，为除霜策略的开发提供指导，而关于变频空气源热泵结霜图谱的研究仍比较缺乏。目前在空气源热泵的结霜机理、抑霜和除霜方法、以及机组在不同工况下的结霜特性方面已有大量研究，但是结合机组参数，空气侧参数和霜层微观结构对不同结霜工况下空气源热泵的结霜特性和机组性能的研究仍不够充分。此外，目前多数关于除霜方法的研究理论意义大于实践意义，关于空气源热泵实际应用最普遍的温差-时间除霜策略的研究不够丰富。本文的主要内容也将围绕这三个问题展开。 首先，本课题基于在严寒地区代表城市哈尔滨进行的两项变频空气-水热泵供暖实验，开发了适用于严寒地区的变频空气源热泵结霜图谱，并使用实验中的典型工况对图谱的准确性进行验证，将开发的两个变频机组结霜图谱与文献中的定频机组结霜图谱进行对比，发现定频空气源热泵结霜图谱的临界结露线会随着温度的上升而下降，而变频空气源热泵结霜图谱的临界结露线在可变频的温度区间会随着室外温度的上升而上升，但当压缩机转数达到最大或最低后，其临界结露线的趋势便会出现明显的转折点，开始呈现定频机组的特点。 接着，本课题建立了空气-水热泵系统模型，并基于此模型进行了严寒地区、寒冷地区和夏热冬冷地区代表城市哈尔滨、天津和南京的结霜图谱的模拟研究，发现由于各地区极端最低气温和供暖室外计算温度的差异，同一台空气源热泵在不同地区的结霜图谱会出现明显的差异，极端最低气温越低，图谱的下结霜温度边界越低，供暖室外计算温度越低，图谱的平均临界相对湿度越高，而上结霜温度边界越低。此外，本课题还以天津市为例，定量地研究了机组选型对结霜图谱的影响，发现机组选型每增大10%，图谱的上结霜温度边界平均下降0.26℃，平均临界相对湿度升高1.98%，在考虑天津市的气象参数后，机组选型平均每增大10%，全年的结霜天数会降低4.25天，结霜时间的全年时间占比会降低1.16%。 然后，为了研究温度、湿度、风量和翅片间距对机组结霜特性和性能的影响，本课题依托焓差实验室搭建了结霜工况下空气源热泵机组性能及结霜特性研究实验台。研究发现，不同温度下霜层的表面结构会有明显的区别，相对湿度为90%时，从4℃到-2℃，霜层表面由绵密平整到粗糙杂乱，其表面的沿厚度方向的针状晶体越来越明显，从-2℃到-10℃，霜层表面又会逐渐平整化，但是霜晶的形态逐渐由极小的颗粒状变为明显的冰粒状，这些特点使得-2℃工况霜层厚度的生长明显快于其他工况。-7℃和-10℃下霜层几乎是以小冰粒的形式堆积生长，其霜层结构紧致均匀，霜层密度较大且在整个实验过程都比较稳定，没有明显的涨幅。此外，在进风温度为2℃时，相对湿度在70%~90%范围内，霜层厚度的生长速度随着相对湿度增大而加快，由于风速和相邻霜层之间的干涉作用，风量越大，翅片间距越小，霜层厚度的生长反而会更慢。 最后，本文基于4℃、2℃、0℃、-2℃、-4℃、-7℃和-10℃七个结霜温度工况的实验，提出了机组周期运行性能系数COPzh的概念，并计算得到各个温度工况最大COPzh以及对应的机组运行时间和盘管表面与空气温差，然后利用七个独立的温度点将-10℃~6℃划分为7个温度区间，以各温度工况最大COPzh对应的运行时间作为每个温度区间进入除霜的时间条件，以盘管表面温度与空气温差不小于6℃作为进入除霜动作的温差条件，并采用分区计时、逐区归一，累计评判的计时方法，最后以室外盘管温度达到12℃以上作为退出机组结霜除霜的条件，综合形成一套适用于-10℃~6℃温度区间的新型温差-时间除霜控制策略。
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