随着能源成本概念的推广, 利用热泵技术来实现节能目标已成为业界关注的焦点。从全球来看, 超过90%的世界人口居住于可合理使用热泵装置的区域 ^[1]。空气源热泵由于具有获取热源方便、安装使用快捷、运行管理简单、无污染等诸多优点, 得到了大力推广。然而, 空气源热泵性能受室外环境的影响很大。冬季, 空气源热泵机组对室内供热时, 当室外盘管温度低于0 ℃且低于室外空气的露点温度时, 室外盘管就会结霜。结霜导致空气流通面积减少, 室外换热器蒸发温度下降、机组制热量减少、风机性能衰减、输入电流增大、供热性能系数降低, 严重时压缩机会停止运行, 导致机组不能正常工作 ^[2,3,4]。目前, 针对这一问题传统的解决方法主要包括电融霜、逆循环除霜和热气旁通除霜等。电融霜虽然是一种简单、可操作性强的方法, 但效率不高;逆循环除霜需要四通阀换向, 因而降低了室内温度, 影响人体舒适度;热气旁通除霜尽管无需吸取室内热量, 同时还能提供少量的热量, 避免了除霜时的吹冷风感, 供水温度下降较缓慢, 但除霜时间过长, 导致室内温度下降 ^[5]。针对以上问题, 大量学者从抑制结霜和缩短融霜时间的角度出发, 对蒸发器表面肋片的材料及形状、大小、安装方式等进行了研究, 开发出一系列优于传统肋片性能的新型肋片, 在此基础上除霜方式也有所创新 ^{[6,7,8,9,10,11,12]}。张凡等人提出了一种通过溶液除湿降低蒸发器入口空气湿度的无霜型空气源热泵系统, 利用冷凝热再生溶液的同时对送风空气进行加热加湿, 从而实现机组冬季无霜连续制热运行, 保证了室内热舒适性 ^[13]。郝鹏飞等人利用蓄热器蓄热和除湿剂抑制结霜的特性, 提出了一种蓄热除湿耦合型无霜空气源热泵热水器, 提高了传统系统的低温适应性, 并研究了其在不同环境工况下的抑制结霜性能及系统稳定性 ^[14]。姚杨等人从液体除湿的角度出发, 提出了喷淋除湿溶液来实现无霜运行的空气源热泵系统, 该系统可靠性高, 没有介入到制冷剂循环, 在常规模式和防霜模式之间切换时对系统冲击小, 防霜模式运行时, 送风温差比常规系统高1.5 ℃, 供热量高6%, 但喷淋溶液时系统COP略低于常规系统的平均COP ^[15,16]。Su等人提出并研究了一种新型无霜空气源热泵 (ASHP) 与膜式液体干燥剂除湿加湿相结合的方法, 结果表明, 在分析参数变化范围内系统的显热COP和总COP分别比传统的逆循环除霜ASHP系统高37.7%和64.3%, 供气的湿化效果取决于环境空气的特性 ^[17]。此外, Su等人提出并研究了一种新型的液体除湿与压缩机辅助再生相结合的ASHP系统, 并建立了数学仿真模型, 在该系统中, 其额外的压缩机被用来对再生热进行回收, 结果表明, 当环境空气温度从-10 ℃上升到0 ℃, 恒定相对湿度为80%时, 系统COP平均值从2.811变为3.242;当温度在0 ℃时, 随着环境空气相对湿度从70%升至90%, COP平均值从3.285变为3.200, 略微下降;分析了除湿器空气与溶液质量流量比及再生温度对系统性能的影响 ^[18]。

　　 目前国内关于无霜空气源热泵技术的相关研究尚在起步阶段, 相关研究文献较少, 本文提出了一种新型无霜空气源热泵供热系统, 并采用氯化锂与溴化锂2种常用的除湿剂进行冬季供热性能模拟研究。由于需要整合氯化锂与溴化锂溶液的物性参数, 所以模拟设备采用了大型化工软件Aspen plus, 采用正交试验法模拟的目的在于判定该系统的运行参数 (环境温度、气液比、相对湿度、溶液质量分数、冷凝温度) 对系统COP、除湿量M, 以及气液吸热比η的影响顺序。

　　 该新型无霜空气源热泵系统如图1所示, 主要包括压缩机、节流阀、旁通阀、肋片盘管换热器、溶液塔 (冷却塔) 、溶液泵、轴流风机、风阀。该系统具有冬夏季双高效的运行特性, 机组运行分夏季工况和冬季工况, 冬季工况为2种模式 (供热模式和再生模式) 。夏季工况时, 溶液塔 (冷却塔) 内循环工质为水, 冬季工况为除湿溶液。本文仅针对冬季工况供热模式下系统性能进行模拟研究。

　　 由图1可知:供热模式是经压缩机等熵压缩后的高温高压制冷剂蒸气通过板式换热器2冷凝成中温高压的液态工质, 经电子膨胀阀2节流降压后的两相工质在板式换热器1中吸收由溶液塔除湿带来的冷凝热进一步气化, 吸收了冷凝热并被除湿后的空气与工质在肋片盘管换热器中更深入地进行换热, 工质变为低压过热气体, 返回压缩机开始下一步循环。

　　 模拟制冷剂为R22, 冷却水选择纯水, 除湿剂分别为氯化锂溶液或溴化锂溶液。蒸发器蒸发温度取空气入口露点温度加1 ℃。制冷剂流量为85 kg/h, 冷却水流量为2 500 kg/h, 压缩机模式为等熵压缩, 等熵效率与机械效率均为0.95。该模型如图2所示。

　　 系统性能系数COP、溶液吸热量、空气吸热量、气液吸热比和气液比计算公式分别为

　　 $\begin{array}{l}C{\rm O}{\rm P}=\frac{Q{}_{\text{k}}}{W}(1)\\ Q{}_{\text{s}}=c{}_{p\text{s}}m{}_{\text{s}}\text{Δ}t{}_{\text{s}}(2)\\ Q{}_{\text{a}}=c{}_{p\text{a}}m{}_{\text{a}}\text{Δ}t{}_{\text{a}}(3)\\ \eta =\frac{Q{}_{\text{a}}}{Q{}_{\text{s}}}(4)\\ x=\frac{m{}_{\text{a}}}{m{}_{\text{s}}}(5)\end{array}$

　　 式 (1) ～ (5) 中 Q_k为系统制热量, kW;W为压缩机功率, kW;Q_s, Q_a分别为溶液和空气的吸热量, kW;c_ps, c_pa分别为溶液和空气的比定压热容, kJ/ (kg·K) ;m_s, m_a分别为溶液和空气的质量流量, kg/s;Δt_s, Δt_a分别为溶液和空气的换热温差, ℃;η为溶液除湿气液吸热比;x为气液比。

　　 在许多研究领域, 正交试验法是表征和优化系统性能的现代方法。一般来说, 实际工程设计和优化通常涉及3个或3个以上有影响的因素, 这需要因素 (参数) 设计分析。例如, 对于有4个影响因素和5个水平值的试验, 必要的试验次数为625次。如此大量的试验是困难和昂贵的, 而正交试验方法可以从完整的阶乘试验中选取具有代表性的点, 使这些点在测试范围内均匀分布, 充分代表整体情况。本研究中选择了正交试验法分析不同运行因素下的ASHP性能 (COP、除湿量M、气液吸热比η) , 并确定每个因素对结霜工况下ASHP的影响程度。正交试验法能更好地了解环境条件和因变量之间的关系。通过改变试验中溶液质量分数、冷凝温度、相对湿度、环境温度、气液比对模拟数据进行分析, 可得到各因素变化对系统COP、除湿量、气液吸热比的影响。本研究选取16个试验、5个因素、4个水平的正交阵列, 如表1所示。5个因素分别为:因素A (环境温度t_a) 、因素B (气液比x) 、因素C (相对湿度H) 、因素D (溶液质量分数ε) 、因素E (冷凝温度t_c) 。

　　 对于正交试验法的范围分析是在收集试验数据之后进行的。ANORA (范围分析) 假设在分析一个因素的影响时, 其他因素对结果的影响是平衡的。这意味着某个因素的水平差是由其自身引起的。

　　 本文16个正交试验计算结果如表2所示。在试验矩阵和16个试验的COP、除湿量M和气液吸热比η下, 采用2种溶液的系统计算均值K_i (下标i=1, 2, 3, 4, 表示水平值对应代码) 和极差值R的2个矩阵如表3, 4所示。通过平均COP和M的底部矩阵得到K_i数据的顶矩阵。

　　 为了得到极差值R, 在5个影响因素中分别找出均值K_i的最大值和最小值。R为最大值和最小值之差。如因素A的R=4.516-4.354=0.161 (见表3) 。在极差值R的基础上, 剩余因素按重要性排序 (见表2) , 在COP和M的K_i矩阵下, 一个因素的R值越大, 该因素对结果的影响越大。表3, 4的结果表明:5个因素对性能系数COP的影响顺序是冷凝温度>相对湿度>环境温度>溶液质量分数>气液比;对除湿量M的影响顺序是溶液质量分数>相对湿度>气液比>环境温度>冷凝温度;对气液吸热比η的影响顺序, 使用氯化锂溶液的系统是气液比>冷凝温度>溶液质量分数>相对湿度>环境温度, 使用溴化锂溶液的系统是气液比>环境温度>相对湿度>溶液质量分数>冷凝温度。该系统的最佳运行工况对应于最高的COP、除湿量M和气液吸热比η。

　　 图3为表2的试验结果对比。由图3a可以看出:2种溶液的COP值几乎重合, 该试验是在保证溶液表面水蒸气压力及其他入口参数相同的情况下得到的, 因而可得出在传质驱动力相同的条件下, 由于出口过热带来的功耗增加与制热量的增加均处于微小变动区域, 因而COP几乎不变。

　　 由表2和图3b可知:采用溴化锂溶液作为除湿剂, 在相同条件下, 其系统除湿量比氯化锂溶液高43%～66%, 采用溴化锂溶液的系统在低温除湿性能方面明显优于氯化锂溶液的系统。

　　 由表2和图3c可知:溴化锂溶液除湿时的气液吸热比与氯化锂溶液遵循相同的变化规律, 且采用溴化锂溶液的系统气液吸热比η比氯化锂溶液的高33.3%～54.3%。

　　 结合表1, 2可以看出:COP的最优工况为环境温度1.5 ℃、气液比13、相对湿度90%、溶液质量分数38.00%/51.56%、冷凝温度47.5 ℃;除湿量M的最优工况为环境温度1.0 ℃、气液比14、相对湿度90%、溶液质量分数42.00%/54.90%、冷凝温度50.0 ℃;气液吸热比η的最佳工况为环境温度2.0 ℃、气液比15、相对湿度75%、溶液质量分数38.00%/51.56%、冷凝温度50.0 ℃。

　　 从表3可以看出, 对于COP, 各因素的影响顺序由大到小为:因素A, K₄K₃K₂K₁;因素B, K₃K₂K₄K₁;因素C, K₄K₃K₂K₁;因素D, K₃K₂K₄K₁;因素E, K₁K₂K₃K₄。其原因是:环境温度越高, 系统蒸发温度就越高, 从空气中会吸收更多的热量, 因而COP更高;相对湿度越高, 空气与溶液表面间的除湿驱动力就越低, COP越低;冷凝温度越高, 制热量越低, COP越低。

　　 对于除湿量M, 各因素的影响顺序由大到小为:因素A, K₃K₄K₂K₁;因素B, K₄K₃K₂K₁;因素C, K₄K₃K₂K₁;因素D, K₁K₂K₃K₄;因素E, K₃K₄K₂K₁。其原因是:溶液质量分数越大, 除湿驱动力越大, 除湿效果越好;相对湿度越大, 空气中的水蒸气越多, 促进了水蒸气吸收;气液比越大, 溶液与空气接触越充分, 凝结量增多。

　　 对于气液吸热比η, 各因素的影响顺序由大到小为:因素A, K₄K₁K₂K₃;因素B, K₄K₃K₂K₁;因素C, K₁K₂K₃K₄;因素D, K₁K₃K₂K₄;因素E, K₂K₃K₁K₄。其原因是:气液比的增大促进了空气单位时间吸热量;溶液质量分数的增加使流动性变差;空气相对湿度越小, 气液间的湿度差越小, 潜热总量降低, 空气由于流量大, 降低得更慢。冷凝温度对此影响很小;随着空气温度增加, 溶液与空气吸热量均增加, 空气由于流量大, 升得更快。

　　 通过使用Minitab质量管理统计软件, 结合Aspen模拟数据, 拟合了采用2种溶液的系统COP、除湿量M和气液吸热比η的公式:

　　 $\begin{array}{l}C{\rm O}{\rm P}{}_{\text{c}\text{l}}=5.9610+0.1059t{}_{\text{a}}+0.0094x+0.0164{\rm H}-0.0061\epsilon -0.0563t{}_{\text{c}}(6)\\ C{\rm O}{\rm P}{}_{\text{b}\text{r}}=6.1240+0.1058t{}_{\text{a}}+0.0093x+0.0163{\rm H}-0.0076\epsilon -0.0563t{}_{\text{c}}(7)\\ {\rm M}{}_{\text{c}\text{l}}=-26.6030+0.1355t{}_{\text{a}}+0.2303x+0.1402{\rm H}+0.3826\epsilon +0.0058t{}_{\text{c}}(8)\\ {\rm M}{}_{\text{b}\text{r}}=-40.8200+0.3784t{}_{\text{a}}+0.5259x+0.1473{\rm H}+0.5394\epsilon +0.0064t{}_{\text{c}}(9)\\ \eta {}_{\text{c}\text{l}}=-1.5600+0.0598t{}_{\text{a}}+0.5064x-0.0152{\rm H}+0.0324\epsilon -0.0119t{}_{\text{c}}(10)\\ \eta {}_{\text{b}\text{r}}=1.3700+0.2280t{}_{\text{a}}+0.6896x-0.0195{\rm H}-0.0256\epsilon -0.0213t{}_{\text{c}}(11)\end{array}$

　　 式 (6) ～ (11) 的拟合度依次为0.985 5, 0.986 1, 0.996 6, 0.995 7, 0.940 4, 0.902 7, 得到变量与应变量的多元线性关系。由拟合度可以看出, 公式与模拟数据相关性强, 误差小, 可为进一步研究指明方向。

　　 1) 正交试验结果显示:在水蒸气分压力相同的条件下, 采用2种溶液的系统COP几乎没有区别 (4.18～4.83) ;除湿量M变化规律一致, 但采用溴化锂溶液的系统除湿量 (4.784～10.09 kg/h) 比氯化锂溶液 (1.217～5.758 kg/h) 的高约43%～66%;采用溴化锂溶液的系统气液吸热比η (5.90～7.73) 比氯化锂溶液 (3.84～5.93) 的高约33.3%～54.3%。

　　 2) 采用2种溶液情况下的系统COP最佳工况组合为环境温度1.5 ℃、气液比13、相对湿度90%、溶液质量分数38.00%/51.56%、冷凝温度47.5 ℃;除湿量M的最佳工况组合为环境温度1.0 ℃、气液比14、相对湿度90%、溶液质量分数42.00%/54.90%、冷凝温度50.0 ℃;气液吸热比η的最佳工况组合为环境温度2.0 ℃、气液比15、相对湿度75%、溶液质量分数38.00%/51.56%、冷凝温度50.0 ℃。

　　 3) 对COP的影响顺序是冷凝温度>相对湿度>环境温度>溶液质量分数>气液比;对除湿量M的影响顺序是溶液质量分数>相对湿度>气液比>环境温度>冷凝温度;对气液吸热比η的影响顺序, 使用氯化锂溶液的系统是气液比>冷凝温度>溶液质量分数>相对湿度>环境温度, 使用溴化锂溶液的系统是气液比>环境温度>相对湿度>溶液质量分数>冷凝温度。COP随着冷凝温度、溶液质量分数的降低, 相对湿度、环境温度、气液比的升高而升高;除湿量M随溶液质量分数、相对湿度、气液比、环境温度的升高而增加, 冷凝温度对其影响不大;气液吸热比η随气液比、环境温度的升高, 相对湿度的降低而升高, 随溶液质量分数、冷凝温度的升高而整体降低。

　　 4) 低温时, 在严重结霜工况下, 采用溴化锂溶液的新型无霜空气源热泵系统的防霜性能优于氯化锂溶液系统。