无霜型空气源热泵系统及其基础问题研究

水冷冷水机组空调系统夏季制冷效率高，但冬季不能制热；空气源热泵系统虽然冬季能制热，但由于空气与制冷剂之间传热效果差导致制热效率低，且冬季易结霜，导致制热效率进一步下降。为了解决上述技术难题，习惯上采用强化传热或（和）采用先进除霜方式，但都没有从本质上解决问题。本项目突破上述传统思路束缚，提出一种无霜型空气源热泵系统，它由三个子系统组成：压缩制冷（热泵）子系统、溶液吸热子系统、溶液再生子系统。新系统不仅能实现夏季高效制冷，而且能实现冬季制热且无需除霜。本项目主要研究构成该系统的三个子系统之间的能量耦合关系，揭示系统内部能量流、质量流之间的作用机理，寻找各能量流、质量流之间以及各子系统之间最优匹配的调控措施，进而找到系统内部关键热力学参数的确定方法；同时，开展实验研究，验证理论成果。本项目旨在为无霜型空气源热泵系统建立一套理论研究方法，为实际工程设计提供基础数据。

传统空气源热泵系统利用室外换热器从空气中吸热或向空气放热，传热效果较差，所以传统空气源热泵系统在夏季用于供冷时在相同工况下其性能系数比水冷式冷水机组低,而水冷式冷水机组在冬季尤其是当室外空气温度低于0℃时不能正常运行。虽然传统空气源热泵系统在冬季能工作，但运行时常常因为室外换热器表面结霜而制热效果差，甚至无法正常运行，这就极大地制约了空气源热泵的推广使用。本项目提出了一种新的无霜型空气源热泵系统，该系统夏季以水冷模式运行，能充分发挥水冷冷水机组的优势，而冬季又能利用原系统从环境中吸取热量，作空气源热泵使用，且能避免系统结霜，可连续运行。.无霜型空气源热泵系统由三个子系统组成：压缩制冷（热泵）子系统、溶液吸热子系统、溶液再生子系统。和传统空气源热泵系统相比，新系统增加了溶液系统。因此，首先必须研究溶液与空气之间的气液相平衡关系。. 本项目根据色谱直接测定的方法，设计并搭建了一套高精度测试盐溶液与空气气液相平衡数据的实验系统，并对相关数据进行了测定。.溶液系统中最关键的部件为再生器，因此，首先需掌握冬季工况下再生器的热质传递规律，详细研究了冬季工况下再生器的性能。利用搭建的冬季工况下溶液再生器性能实验台，实验研究了冬季工况下以LiCl溶液为介质时入口空气温度、流量、含湿量以及溶液温度、流量、浓度对溶液再生器性能的影响，分析了以上各入口参数对再生量和全热效率的影响。根据实验数据，回归出了冬季工况下再生量和全热效率的计算关联式。. 建立了再生过程的热质传递模型，并把这些数学模型离散化进行了数值求解。为了使再生器内热质传递分析和计算简化和通用化，根据实验数据，得到了再生器在冬季工况下的无量纲形式的热质传递准则关系式，该关系式可用于冬季工况下再生器的设计与优化等。.建立了无霜型空气源热泵系统热力计算的数学模型，分别分析了各主要参数对系统性能的影响，并搭建了无霜型空气源热泵系统性能实验台，实验研究了环境空气温度、冷凝温度、蒸发器内溶液流量、溶液塔入口的溶液浓度、再生器入口溶液流量、溶液塔内的风量、空气湿度变化对系统性能的影响。结果显示：本课题提出的无霜型空气源热泵系统在冬季传统空气源热泵容易结霜的温区范围内可实现制热且无需除霜，可连续运行。