冷热水三联供空调机组的除霜特性

    

       三联供空调机组在冬季运行时，由于室外换热器表面结霜，会降低空气与翅片之间的传热效率，严重时会使制冷剂无法吸收空气中的热量，导致机组无法制热甚至使压缩机出现湿压缩的现象，严重影 响机组安全运行。本文我们将探讨下不同的化霜温度测点位置对系统除霜特性的影响。

   

   

1、三联供系统除霜实验

1.1三联供系统除霜原理     

图1为三联供空调系统原理，该系统主要由压缩机、四通换向阀和换热器等部件组成。通过调节两个四通换向阀可以控制机组运行四种不同模式，分别如下：当四通换向阀1接通a-b和c-d，四通换向阀2接通j-h和f-g时，系统运行制热模式；当四通换向阀1接通a-b和c-d，四通换向阀2接通j-f和g-h，且电子膨胀阀2关闭时，系统运行制热水模式；当四通换向阀1接通a-c和b-d，四通换向阀2接通h-g和j-f时，系统运行制冷模式；当四通换向阀1接通a-b和c-d，四通换向阀2接通j-f和g-h，且电子膨胀阀1关闭时，系统运行制冷兼制热水模式。机组在夏季运行时，可以开启制冷兼制热水模式，对房间制冷的同时回收冷凝热，用于生产热水，满足用户对热水的需求；在冬季，机组作为空气源热泵，回收空气中的热量，对室内进行采暖或生产热水。三联供系统利用一台机组同时实现了用户对制冷、采暖以及热水的需求，提高了系统使用的综合效率。

本机组启动除霜机制的控制方法是“温度-时间”控制法。当机组启动除霜机制时，四通换向阀转向，进行逆循环除霜，该除霜方式具有除霜速度快的特点。

1.2除霜实验   

如图2将室外机组置于环境实验舱内，并通过如下方法调节环境实验舱内的温度和湿度。在研究化霜温度传感器处于不同温度测点时机组除霜特性的实验中，通过控制环境实验舱温度以及化霜传感器测点位置，共进行5组实验，实验工况见表1。

 

2、实验结果与分析

2.1测点布置   

室外换热器共有五个回路，五个测点的布置位置如图3所示。

 

图4表示不同测点处化霜温度随室外环境温度的变化。室外环境温度是由机组自带的室外温度传感器测得，实验过程中，由于室外换热器结霜，换热效果差，使得换热器对室外机组周围空气的冷却能力降低，导致测得的室外温度逐渐升高。化霜温度表征的是被化霜温度传感器所探测的室外换热器管路的表面温度，当室外换热器表面没有结霜时，室外换热器换热效果良好，化霜温度与测得的室外温度比较接近，而且化霜温度的变化趋势与测得的室外温度变化趋势也相同。

实验中测点1处换热器表面结霜最少，其温度变化始终与测得的环境温度变化一致，在整个实验过程中未能触发化霜机制，因此接下来只分析其余四个温度测点的情况。如图4(a)和(d)所示，温度传感器布于测点2和5时，结霜前，室外换热器换热良好，化霜温度与室外温度的变化一致；结霜过程中，由于室外换热器换热效果变差，制冷剂不能充分与空气进行换热，导致化霜温度逐渐降低，即制冷剂吸热量逐渐减少，化霜温度传感器布置处的测点温度逐渐降低，当化霜温度达到触发化霜机制的温度时，机组开始化霜。

温度传感器布于测点3和4时，如图4(b)和(c)所示，机组未能触发化霜机制，因此测点3和4不适宜作为化霜温度传感器的布置点。出现这种现象的原因是机组运行时，由于换热器结构或室外换热器表面风场分布的影响，导致各回路的结霜顺序存在差异，各测点结霜的先后顺序为测点5、测点2、测点4、测点3和测点1。虽然测点5所在管路处的风速小，但由于翅片上附有亲水膜，空气流经换热器冷凝成水珠后流淌至测点5所在管路，因此测点5处的换热器最先结霜；化霜时测点5处的霜层最后才能化完。

2.2不同测点布置比较    

机组启动化霜机制时，四通换向阀转向，室内换热器变为蒸发器，室内风机停机。化霜频率及其时间长短会影响室内机组的工作状况，进而影响室内舒适度。化霜时间越长、频率越高，对室内环境影响越大，舒适度越低。系统过热度的变化表征了系统的稳定性，同时也影响着压缩机的工作环境，当系统过热度为负值时，会使压缩机出现吸气带液。因此通过分析不同测点系统的化霜时间及过热度的变化，探究不同测点对机组的舒适性、换热器的有效使用以及压缩机工作环境的影响。

2.2.1 化霜时间

图5所示为化霜温度传感器分别位于测点2和5时，机组在制热模式下输入功率的变化。逆循环除霜在化霜过程中由于压缩机暂停，输入功率会骤降，因此可以通过输入功率的变化来判断化霜过程持续时间。因为机组运行时，测点5处的换热器最先结霜，化霜时，上部换热器表面的霜融化后在下部重新凝结，使得测点5处的温度上升最慢；测点2处的换热器结霜晚于测点5，故化霜机制启动时间晚，但化霜时，测点2比测点5优先化霜，故除霜时间短，但会造成测点5处换热器表面的霜层难以融化，使其换热面积不能得到有效利用。

2.2.2 结霜过程分析

图6所示为当化霜温度传感器分别布置于测点2和5时，系统过热度的变化情况。室外换热器表面结霜时系统过热度出现波动的原因如下：系统过热度的变化受到蒸发器换热性能、电子膨胀阀的开度、室外环境温度、流经室外换热器的空气流量及流速等因素的影响；对于采用定过热度调节的系统，电子膨胀阀的开度变化则取决于系统过热度的变化。随着机组在低温条件下运行，室外换热器表面逐渐出现霜层，霜层的存在会影响到蒸发器的换热性能以及流经蒸发器的空气流量和空气流速，故系统过热度会因此而发生变化。

同时，由于结霜过程是动态变化的，蒸发器的换热性能也是动态变化的；电子膨胀阀的开度则是基于系统过热度进行调节，且系统过热度的变化滞后于电子膨胀阀的开度的变化。诸多因素作用下，导致系统过热度出现大的波动。系统过热度波动时间越长，表征系统运行时处于不稳定状态的时间越长，且系统过热度的降低会导致压缩机吸气带液，影响压缩机的工作环境、缩短压缩机的使用寿命。因此，为机组安全运行考虑，化霜温度传感器应当布置于测点5。

2.2.3 除霜过程分析

图7是测点2和5在化霜过程中过热度变化情况以及压缩机吸气温度与膨胀阀节流后的温度变化。机组在运行时，不仅室外换热器表面结霜，压缩机前的气液分离器表面也出现结霜现象，当机组转为除霜模式时，虽然制冷剂可以通过室内换热器在室内吸收热量，但经过气液分离器时，制冷剂再次被冷却，出现了过热度为负值的现象。当化霜温度传感器布置于测点5时，机组结霜时间短，气液分离器表面没有或者只有少量霜层，化霜时，对系统过热度的影响小，有利于改善压缩机的工作环境。

3、结论

本文为探究采用“温度-时间”除霜控制策略的三联供机组的除霜特性进行了实验研究，测试了化霜温度传感器布置于不同温度测点时对机组除霜特性的影响。

得到结论如下：

1)实验过程中，由于室外换热器结霜，换热效果差，使得室外环境温度会随着结霜过程的进行而逐渐升高。当化霜温度传感器布置于测点1、测点3和测点4时，系统无法触发化霜机制。

2)在研究不同化霜传感器的位置测点对结霜过程的影响中，化霜温度传感器布置于测点2时，系统在结霜过程中持续波动时间约为2 820 s；当布置于测点5时，系统持续波动时间约为220 s。化霜温度传感器布置于测点5时有利于系统的安全运行。

3)在研究不同化霜传感器的位置测点对除霜过程的影响中，化霜温度传感器布置于测点5时，系统除霜时间约为12 min，但系统过热度持续为负值的时间短约为80 s，可以减轻除霜过程中压缩机吸气带液带来的危害，有利于机组的安全运行。

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