随着建筑建筑面积和住宅能源需求的持续增长,空间供暖能耗在建筑总能耗中占有相当大的比重[1,2]。因此,提高供暖效率和减少碳排放已成为建筑低碳发展的关键挑战[3,4]。在众多供暖技术中,空气源热泵(ASHP)以环境空气为热源,通过输入电能提供适合温度的热量用于空间供暖[5,6]。由于其高效性、运行灵活性和低污染物排放,ASHP已广泛应用于建筑供暖系统[7,8]。然而,在寒冷潮湿的运行条件下,ASHP室外换热器上常发生结霜现象[9,10]。霜层堆积增加了空气侧热阻,降低了蒸发温度,最终削弱了ASHP的制热量(q)和性能系数(COP)[11,12]。
当霜层积累达到临界水平时,必须启动化霜以防止ASHP运行效率进一步恶化[13,14]。在现有的化霜方法中,逆向循环化霜是ASHP系统中普遍采用的方法[15]。该方法通过切换四通阀来反转制冷剂流向,使压缩机排出高温制冷剂蒸气进入室外换热器以去除霜层[16]。然而,在逆向循环化霜期间,室内侧换热器从冷凝器转变为蒸发器[17]。因此,水侧传热方向反转,系统从向循环水供热转变为从循环水吸热,从而暂时中断正常供暖运行[18]。该过程会降低供水温度(Ts)和向室内空间输送的热量,并可能进一步降低室内空气温度(Ti)[19]。因此,逆向循环化霜不仅恶化了ASHP的运行性能,还干扰了室内热环境,导致热舒适度下降[20]。
以往的研究曾试图提高ASHP的化霜性能,以减轻化霜导致的供暖中断和室内热环境波动[21]。这些研究大致可分为两个方向。第一个方向旨在优化化霜启动和终止的判定标准,从而降低过早或延迟化霜的风险[[22], [23], [24]]。Zhao等[22]开发了一种利用机器视觉检测室外换热器上霜层生长情况以提高化霜决策准确性的化霜控制方法。Xu等[23]开发了一种基于蒸发器图像纹理特征和机器学习的自适应智能霜识别方法,以增强复杂光照条件下的结霜状态识别。Tang等[24]提出了一种基于室外风机运行特性的时间-电流-温差化霜控制方法,为化霜启动提供了更全面的判定标准。第二个方向聚焦于优化化霜策略并在化霜期间维持供热,从而缩短化霜过程并降低能耗[25,26]。Zhang等[25]引入了一种带蓄热的化霜方法,通过回收压缩机散热以提高化霜性能并在化霜期间维持供热。Kim等[26]提出了一种结合双路热气旁通与蓄热器的化霜方案,以增强寒冷气候条件下的化霜性能。总体而言,这些研究提高了化霜效率并减少了化霜对供暖运行的不利影响。然而,大多数研究集中于ASHP室外机,对末端加热配置对ASHP运行影响的考虑有限。
在实际运行中,不同末端需要不同的Ts值,且具有不同的传热模式和热惯性,这可能导致ASHP制热性能存在差异[27]。风机盘管(FCU)和辐射地板(RF)是ASHP系统中两种常用的末端[28]。FCU主要通过强制对流提供空间供暖,通常需要较高的Ts值[29],而RF主要通过热辐射提供空间供暖,通常能在较低的Ts值下满足室内供暖需求[[30], [31], [32]]。已有研究对比了与FCU和RF耦合的ASHP系统。Atienza Márquez等[33]利用TRNSYS仿真对比了同时配备FCU和RF的ASHP系统的控制策略,报告FCU+RF组合配置改善了供暖季的热舒适度。Hu等[28]实验对比了与不同末端耦合的ASHP系统的q、COP、室内温度分布和热舒适度,报告RF制热模式下热舒适度更优。Liu等[27]在结合ASHP的对流辐射供暖系统中对比了FCU、RF和FCU+RF三种制热模式,表明FCU运行导致Ti波动更大,而RF和FCU+RF模式能保持更稳定的Ti值。然而,这些研究未考虑结霜-化霜过程的影响。在结霜-化霜运行期间,ASHP系统的Ts和回水温度(Tr)会出现较大波动。由于FCU和RF需要不同的运行水温,结霜-化霜引起的水温波动也可能在两种制热模式之间有所不同,从而对ASHP运行性能和室内热环境产生不同影响。目前,不同末端配置下这些差异的影响尚不清楚。
为解决这一研究空白,本文在人工环境舱中搭建了实验ASHP平台。单台室外机同时连接FCU和RF,通过调节相应阀门切换FCU和RF制热模式。随后,分析了两端制热模式下ASHP系统的结霜-化霜特性、制热性能和室内热环境。本研究的创新之处在于:(1)揭示了ASHP系统在FCU和RF制热模式下结霜-化霜特性和制热性能的差异;(2)阐明了不同末端制热模式在结霜-化霜条件下对室内热环境的不同影响。本研究的发现可为针对不同类型末端开发化霜控制方法提供指导,并有助于减轻与不同末端配置相关的室内热环境波动。