结霜工况下不同末端空气源热泵供热系统的制热性能分析

《Building and Environment》:Heating performance analysis of an air source heat pump heating system with different heating terminals under frosting conditions

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月11日 来源:Building and Environment 8.4

编辑推荐:

   摘要末端加热配置对空气源热泵(ASHP)的运行性能和室内热响应有显著影响。然而,现有研究大多集中于稳态制热工况,对结霜-化霜过程考虑有限。因此,结霜-化霜循环中不同末端的影响尚不清楚,阻碍了针对不同末端优化ASHP制热性能。为解决该问题,本文在人工环境舱中搭建了ASHP试验平

  

摘要

末端加热配置对空气源热泵(ASHP)的运行性能和室内热响应有显著影响。然而,现有研究大多集中于稳态制热工况,对结霜-化霜过程考虑有限。因此,结霜-化霜循环中不同末端的影响尚不清楚,阻碍了针对不同末端优化ASHP制热性能。为解决该问题,本文在人工环境舱中搭建了ASHP试验平台,将风机盘管(FCU)和辐射地板(RF)连接至同一台ASHP机组并分别运行。随后,在预设环境条件下进行实验,对比了ASHP系统在不同末端制热模式下的结霜-化霜特性、制热性能和室内热环境。结果表明,化霜导致两种制热模式下供回水温度均出现明显波动,其中FCU制热模式的波动幅度更大。与RF制热模式相比,FCU制热模式的抑制结霜性能更优,结霜时长分别延长了21.7%和29.8%。然而,RF制热模式下获得了更好的制热性能,其平均制热量和COP分别比FCU制热模式高出7.9%和21.3%。此外,化霜对RF制热模式下室内热环境的影响较小。RF制热模式下室内温度和相对湿度几乎保持不变,而FCU制热模式下室内温度和相对湿度分别波动3.13–4.02°C和6.03%–7.51%。

引言

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。

章节摘要

人工环境舱

为研究不同末端配置下ASHP系统的制热性能和室内热环境,实验在中国广东省珠海市的人工环境舱中进行。该环境舱能够复现指定的室外条件并记录热环境参数。这一装置使ASHP系统的结霜-化霜特性、制热性能和室内热环境得以

ASHP结霜-化霜特性对比

图4(a)展示了两个连续结霜-化霜循环中FCU制热模式下Ts和Tr的变化以及两者之间的温差(ΔTw)。测试周期涵盖两个完整的结霜-化霜循环,从ASHP在测试前化霜操作后恢复供暖开始,到第二次化霜过程后恢复正常供暖运行结束。由于正式测试前已完成一次完整的化霜操作,

结论

为揭示不同末端配置对结霜-化霜条件下ASHP制热性能和室内热环境的影响,本文在人工环境舱中搭建了实验ASHP平台并进行了对比实验。根据实验发现,两种末端配置下的结霜-化霜特性、制热性能和室内热环境响应为

CRediT作者贡献声明

高雪峰:撰写—初稿,方法论,实验,形式化分析。魏文泽:撰写—审阅与编辑,方法论,经费获取,概念化。王伟:撰写—审阅与编辑,资源,项目管理。唐瑞:监督,软件。谭扬:方法论,形式化分析。孙于莹:资源,形式化分析。罗至文:撰写—审阅与编辑,实验。张春晓:撰写—审阅与编辑,形式化分析。吴文韬:撰写—
高雪峰|魏文泽|王伟|唐瑞|谭扬|孙于莹|罗至文|张春晓|吴文韬
北京工业大学 绿色建造环境与节能技术北京市重点实验室,北京 100124,中国
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号