1 引言 由于人口增長和生活水平的提高，人們對能源的需求每年都在逐步增長?？照{(diào)及其他制冷設(shè)備的能源消耗在全球能源消耗中占比較大，能源消耗嚴重，提升能源利用率以及對廢熱余熱的回收利用成為關(guān)注的焦點[1][2]?；谡羝麎嚎s循環(huán)的制冷設(shè)備，其系統(tǒng)主要包括壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置等，低溫制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱后進入壓縮機壓縮，壓縮后的高溫制冷劑進入冷凝器冷凝放熱，再經(jīng)節(jié)流裝置節(jié)流進入蒸發(fā)器完成制冷循環(huán)[3][4]，在這一循環(huán)過程中，壓縮機對制冷劑壓縮做功的部分熱量通過殼體以余熱形式散發(fā)出來；而制冷模式下冷凝器冷卻高溫制冷劑，向外界散發(fā)熱量，可對這部分熱量進行再利用[5]。 近年來，對制冷系統(tǒng)余熱利用的研究備受關(guān)注。對于壓縮機殼體熱量的利用，常用在蒸發(fā)器的除霜以及熱泵強化制熱方面；而對于冷凝器熱量的利用，常用于蒸發(fā)器的除霜，系統(tǒng)的節(jié)能及生活用水的加熱。得益于近年相變蓄熱材料的研究發(fā)展，結(jié)合相變儲能，可有效對制冷系統(tǒng)余熱進行儲存與利用。 Ooi和Wong[6]對家用冰箱壓縮機進行了仿真模擬與測量，所建立的模型考慮了制冷劑的幾何、熱力學、動力學和摩擦效應(yīng)，并用真實氣體方程描述制冷劑的狀態(tài)。在與實際測量結(jié)果對比分析后，結(jié)果表明，壓縮機在壓縮循環(huán)中消耗的能量是壓縮機輸入功率的80～90%，能量消耗的10～15%是通過對流和傳導方式由壓縮機外殼散發(fā)到周圍環(huán)境中的損失。Park[7]開發(fā)了滾動活塞式壓縮機的瞬態(tài)仿真模型，該模型基于守恒原理、實際氣體方程、曲軸和滾子的運動學、泄漏引起的質(zhì)量流量損失以及傳熱，計算了電機效率、機械效率、電機轉(zhuǎn)矩和容積效率，結(jié)果表明，壓縮機散發(fā)的熱量約為輸入功率的6.3%。馬一太[8]對市場上幾種主要容積式壓縮機的電效率進行了對比和分析，結(jié)果表明：渦旋壓縮機的電效率基本上在0.5～0.75之間，主要集中于0.6～0.7之間；活塞壓縮機的效率基本上在0.4～0.7之間，主要集中于0.5～0.65之間。在負載變化和惡劣工況下（如低溫工況），電效率甚至會降低[9][10]。這指明了輸入功率會有部分以余熱方式通過壓縮機殼體散發(fā)出來，給制冷系統(tǒng)的性能改進提供方向。 冷凝熱作為制冷系統(tǒng)中熱量最高的部分，其余熱可用來對制冷系統(tǒng)進行優(yōu)化與應(yīng)用[11]。Gu[12]等對空調(diào)系統(tǒng)冷凝余熱進行回收利用，研發(fā)了利用相變材料存儲空調(diào)系統(tǒng)余熱（顯熱和潛熱）的熱回收系統(tǒng)，通過熱力學計算和改變系統(tǒng)的冷凝溫度，對系統(tǒng)的綜合能效比進行了計算和分析，研究表明，當空調(diào)系統(tǒng)排出的余熱（顯熱和潛熱）全部回收時，能有效地提高系統(tǒng)的綜合能效比。如今翅片式外置風冷冷凝器也用于容積較大的風冷電冰箱，其散熱效率高，散熱量大。冷凝熱回收技術(shù)的發(fā)展，以及技術(shù)的不斷完善也促使冷凝熱回收技術(shù)逐步進入家用制冷設(shè)備中。通過采用蓄熱等方式，對冷凝熱進行利用，從而改善制冷系統(tǒng)，實現(xiàn)節(jié)能與增設(shè)功能的意義[13][14]。 2 壓縮機殼體余熱的應(yīng)用研究 2.1 壓縮機殼體熱在冰箱中的應(yīng)用 壓縮機在工作時通過殼體會散失出部分熱量。圖1所示壓縮機功率為100W的風冷冰箱在25℃工況下啟動運行10小時過程中壓縮機殼體溫度變化，從圖中可以看出，在壓縮機啟停運行過程中其殼體溫度保持在40～50℃區(qū)間內(nèi)。這部分余熱可以應(yīng)用在冰箱中，目前的應(yīng)用研究包括風冷冰箱的蒸發(fā)器除霜、恒溫解凍，以及在模塊化冰箱門板防露等方面。 經(jīng)過近幾年發(fā)展，風冷冰箱以冷風循環(huán)、食物之間不產(chǎn)生黏連、容積大、箱體壁面不會出現(xiàn)霜層而逐漸替代直冷冰箱。但其蒸發(fā)器表面會形成霜層，當長時間運行時，霜層變得越來越厚，這增加了蒸發(fā)器的表面熱阻，阻擋了翅片之間的通道，并降低了系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，影響制冷量，增加能耗。因此霜層必須定期除掉，目前Pradee[15]等人建立了間冷式冰箱蒸發(fā)器內(nèi)結(jié)霜時的數(shù)學模型，分析了結(jié)霜時各位置的能量分配情況，并進行了除霜性能實驗，比較了不同霜層厚度下蒸發(fā)器除霜時蒸發(fā)器翅片表面溫度的變化特性。結(jié)果表明，不同的霜層厚度下，蒸發(fā)器翅片表面溫度在52～56℃之間波動，化霜加熱器的效率僅為30.3%,化霜電耗最高占冰箱總耗電量的17.7%。因此利用壓縮機殼體廢熱聯(lián)合熱氣旁通來優(yōu)化除霜方式，旨在提高風冷冰箱除霜效率，減少除霜時間，降低除霜能耗。 趙飛[16]在風冷冰箱上設(shè)計開發(fā)了熱氣旁通聯(lián)合相變蓄熱的除霜方式。如圖2所示，圖中1為壓縮機、2為冷凝器、3為節(jié)流裝置、4為蒸發(fā)器、5為相變蓄熱包、6為常開電磁閥、7為常閉電磁閥、8為旁通管道、9為常閉電磁閥、10為制冷劑過熱旁通管道、11為電加熱器，該方式將壓縮機的排氣旁通進入蒸發(fā)器，高溫的制冷劑由內(nèi)而外融化蒸發(fā)器表面霜層，被冷卻的制冷劑進入包裹在壓縮機外的相變蓄熱器內(nèi)進行再熱，之后進入壓縮機完成除霜循環(huán)。 圖2 冰箱正常制冷循環(huán)以及除霜循環(huán)的原理圖 在此方案中，相變蓄熱包作為熱氣旁通除霜的關(guān)鍵部件，其采用石蠟作為壓縮機殼體熱的儲熱材料。如圖3所示相變蓄熱包對壓縮機進行全部包裹，儲存壓縮機運行過程中的熱量，相變蓄熱包內(nèi)設(shè)置了盤管，盤管加以翅片形式，可使相變蓄熱包內(nèi)的熱量更好地傳遞給制冷劑。 圖3 相變蓄熱包包裹壓縮機 研究結(jié)果表明，在與180～419W電化霜相比，化霜時間減少65%～77%（圖4），化霜電能消耗減少89%～92%；另外，在此實驗過程中，壓縮機正常運行60h的實驗時間內(nèi)，暴露在空氣中的壓縮機殼體溫度穩(wěn)定在60℃左右，然而包裹相變蓄熱器的壓縮機殼體溫度穩(wěn)定在54℃左右，實驗數(shù)據(jù)表明，相變蓄熱器不僅不會使壓縮機殼體溫度集聚，反而會使其溫度降低；而蓄熱包包裹壓縮機殼體還可以有效降低壓縮機運行時產(chǎn)生的噪音，與同型號沒有包裹蓄熱包的壓縮機相比能夠有效降低噪音18.5%。這一除霜方式是對壓縮機殼體熱的利用，在壓縮機工作期間，其相變蓄熱器不停地吸收壓縮機殼體熱儲存起來，當需要除霜時，對制冷劑進行再熱，保證系統(tǒng)安全。 圖4 不同化霜模式蒸發(fā)器溫度隨時間變化圖 此實驗方案或存在著吸氣壓力高的問題，在沒有節(jié)流的情況下，過熱后的制冷劑直接進入壓縮機，可能會對壓縮機造成危險；另外整機性能功耗沒有進行測試，考慮到其實驗中壓縮機殼體溫度降低，故在后期實驗中應(yīng)繼續(xù)驗證熱氣旁通聯(lián)合相變蓄熱的除霜方式對整機節(jié)能的效果；另外其實驗裝置采取模擬風道，沒有在產(chǎn)品上進行實驗，且壓縮機全部浸沒在蓄熱材料中，安全性欠佳，故應(yīng)在一定產(chǎn)品型號上進行全工況實驗，優(yōu)化相變蓄熱裝置設(shè)計，驗證熱氣旁通聯(lián)合相變蓄熱的除霜方式的產(chǎn)品可靠性。 針對趙飛實驗過程中的問題，北京工業(yè)大學閆家文等進一步優(yōu)化方案：以對壓縮機殼體熱進行儲存利用為基礎(chǔ)，設(shè)置除霜系統(tǒng)對蒸發(fā)器進行除霜，在除霜系統(tǒng)中，制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器作為此系統(tǒng)冷凝器，相變蓄熱器作為此系統(tǒng)蒸發(fā)器，優(yōu)化解決電加熱除霜的能耗高，耗時長等問題。圖5所示為系統(tǒng)研究方案，圖5中，1為殼體熱相變蓄熱器、2為蓄熱材料、3為相變蓄熱器相變材料加注口、4為制冷劑再熱旁通管、5為三通閥、6為旁通管路節(jié)流裝置，此方案含有兩路系統(tǒng)：制冷系統(tǒng)、除霜系統(tǒng)；以此來改善電化霜的效率低下、耗能高等問題。 圖5 風冷冰箱制冷循環(huán)以及除霜循環(huán)原理圖 圖6為此系統(tǒng)在某一品牌產(chǎn)品上的樣機制作，其相變蓄熱器進行重新優(yōu)化設(shè)計，不同于壓縮機全部浸沒于蓄熱材料中，采用與壓縮機貼合的形式，此設(shè)計更加的安全可靠，具有產(chǎn)品化。產(chǎn)品樣機目前還在實驗中，后續(xù)將分析優(yōu)化后的化霜方案在產(chǎn)品上的性能試驗。 圖6 相變蓄熱裝置與壓縮機搭配圖 劉梓玫[17]等利用壓縮機殼體的熱量，在風冷冰箱上增加了解凍功能。如圖7所示，其實驗方案將壓縮機殼體熱利用相變材料包裹，蓄熱器內(nèi)設(shè)置盤管，盤管另一端連接解凍槽，通過水循環(huán)，將壓縮機殼體熱量遷移至解凍槽內(nèi)，用于解凍冷凍食物等。在與自然解凍，微波解凍的對比實驗中，研究表明，利用這部分熱量解凍，時間雖長于微波解凍，但明顯快于自然解凍、水解凍且解凍食物的品質(zhì)優(yōu)于其他解凍方式。另外，楊軒[18]采用相同原理，將水循環(huán)更換為空氣循環(huán)，有效利用壓縮機殼體余熱，對冰箱增加了具有實用性的功能。但是其對冰箱整體性能沒有做進一步研究，相變蓄熱裝置的設(shè)置在解凍時將熱量帶走，這是否會降低壓縮機殼體溫度實現(xiàn)對整體系統(tǒng)的節(jié)能，還需進一步研究。 圖7 恒溫靜水解凍實驗裝置 2.2 壓縮機殼體熱在熱泵空調(diào)中的應(yīng)用 相較于冰箱壓縮機，熱泵系統(tǒng)中的壓縮機殼體溫度更高。有研究表明，輸入功率為1500W熱泵壓縮機，其殼體溫度可達80℃以上，這可以用來熱泵的除霜或強化系統(tǒng)制熱。 Zhang[19]在空氣源熱泵基礎(chǔ)上開發(fā)了一種基于壓縮機殼體熱的新型除霜方式并對其進行實驗。如圖8所示，該方式在原有系統(tǒng)上添加了電子膨脹閥和熱力膨脹閥，在除霜期間，通過閥門的啟閉，使得高溫制冷劑經(jīng)兩路進入室內(nèi)和室外換熱器，在化霜的同時持續(xù)給室內(nèi)供暖，最終經(jīng)熱力膨脹閥和節(jié)流裝置的節(jié)流匯集為一路進入包裹在壓縮機殼體外的相變材料-熱交換器裝置內(nèi)進行蒸發(fā)，后進入壓縮機完成除霜循環(huán)。 圖8 基于壓縮機殼體余熱除霜的空氣源熱泵系統(tǒng)示意圖 循環(huán)過程中，包裹在壓縮機殼體外的相變蓄熱裝置充當了除霜循環(huán)的蒸發(fā)器。圖9為該實驗蓄熱裝置設(shè)計圖。相變材料-熱交換器是這種新型除霜方法成功開發(fā)的關(guān)鍵組成部分。它被設(shè)計成覆蓋壓縮機外殼的四分之三，并且呈圓形罐狀以緊密纏繞壓縮機，用隔熱材料覆蓋相變材料-熱交換器，選擇的相變材料是35mol%十二酸和65mol%癸酸的混合物，使用翅片管作為相變材料熱交換器以增強相變材料與制冷劑之間的熱傳遞。 圖9 相變蓄熱裝置設(shè)計圖 該方式解決了逆循環(huán)中壓縮機停機四通閥變向的過程，除霜時間明顯減少，與逆循環(huán)除霜方法相比，新型逆循環(huán)除霜方法的化霜時間縮短了65%；另外，該方式利用壓縮機殼體熱，將相變蓄熱器作為除霜期間的蒸發(fā)器，解決了逆循環(huán)除霜室內(nèi)溫度降低的狀況，與逆循環(huán)除霜方法相比，125分鐘試驗期間的總加熱量和輸入功率分別增加了14.2%和12.6%。系統(tǒng)COP增加了1.4%；實現(xiàn)了廢熱利用的意義。 范鵬艷[20]采用相變蓄熱裝置將熱泵壓縮機全部包裹起來，并利用這一部分廢熱聯(lián)合熱氣旁通對冬季工作的熱泵蒸發(fā)器進行除霜，另外，在相變蓄熱裝置中設(shè)置水盤管，對生活用水進行預(yù)熱處理。如圖10所示，圖中，1為壓縮機、2為蒸發(fā)器、3為節(jié)流裝置、4為冷凝器、5為常開電磁閥、6為常閉電磁閥、7為常閉電磁閥、8為相變蓄熱器、9為四通閥、10為常閉電磁、11為泵、12為制冷劑旁通管，當開始除霜時常閉閥打開，常開閥關(guān)閉，熱的制冷劑進入室外蒸發(fā)器進行除霜，除霜后的制冷劑進入相變蓄熱裝置中再熱，最終進入壓縮機完成除霜循環(huán)；預(yù)熱水循環(huán)是當熱泵裝置不除霜時，采取水循環(huán)加熱生活用水，并將壓縮機熱量帶走，使熱泵穩(wěn)定運行。
圖10 熱泵壓縮機殼體蓄熱應(yīng)用示意圖 其用于儲存壓縮機殼體熱的相變蓄熱裝置整體包裹在壓縮機外，如圖11所示，相變蓄熱裝置以石蠟為蓄熱材料進行填充并添加石墨增強導熱，石蠟的固液比為6:4（潛熱為103kJ/kg，密度為725kg/m3）并且其內(nèi)制冷劑盤管與水盤管以翅片形式增強換熱。其研究表明，相對于逆循環(huán)除霜方式，其除霜時間降低9%，功耗降低21.7%；另在熱泵制熱期間，10L循環(huán)水溫度上升30℃，壓縮機殼體溫度降低4.6℃。
圖11 熱泵壓縮機相變蓄熱裝置 Huang[21]制作并測試了一種新型熱回收裝置，用于回收從熱泵壓縮機外表面釋放的熱量，并提高低溫工況熱泵的性能。通過在空氣源熱泵壓縮機表面設(shè)置鋁殼作為導熱體，再通過熱管裝置，將壓縮機殼體熱量輸入壓縮機吸氣管路上，對熱泵裝置進行吸氣再熱，以解決低溫工況下吸氣溫度較低的情況。 如圖12所示，該新型熱回收裝置由三個基本單元組成：HAU-吸熱單元，HEU-散熱單元和heatpipes-熱管。吸熱單元和散熱單元具有以下共同元素：鋁殼。吸熱單元覆蓋在壓縮機外面，并涂有導熱硅脂無縫接觸，頂端與熱管連接；發(fā)熱單元通過壓力帶，螺絲孔等與吸氣管路固定；紅色為熱回收系統(tǒng)內(nèi)的熱量傳遞方向；藍色為制冷劑流動方向?？梢钥闯?，來自壓縮機外表面的熱量通過熱管傳遞到制冷劑。
圖12 鋁殼、熱管熱回收裝置 該實驗以一臺制冷劑為R410A空氣源熱泵實驗樣機，研究表明，當室外干球溫度6℃濕球溫度5℃時，壓縮機吸氣溫度由21.3℃上升到46.4℃，壓縮機殼體溫度略微下降，耗電量下降1.2%。這種對空調(diào)裝置的強化制熱方式，不需要其他能量消耗，結(jié)合熱管將壓縮機殼體熱量輸送到制冷劑，是對壓縮機殼體熱的利用。 北京工業(yè)大學婁鳳飛等設(shè)計了新型的雙蒸發(fā)器聯(lián)合壓縮機殼體蓄熱的熱泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用相變蓄熱材料回收壓縮機殼體的余熱，將相變蓄熱材料充注在蓄熱換熱器中，蓄熱換熱器作為副蒸發(fā)器可以有效利用壓縮機殼體余熱，提高整個系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，強化制熱。目前該系統(tǒng)正在實驗測試中，如圖13所示，圖中，1為室外換熱器、2為壓縮機、3為室內(nèi)換熱器、4為毛細管、5為閃發(fā)器、6為電子膨脹閥、7為氣液分離器、8為蓄熱器、9為四通換向閥、10a,b為手動控制閥門、11a,b為單向閥、12為電磁閥。熱泵系統(tǒng)循環(huán)過程中，經(jīng)冷凝器出來的制冷劑一路正常進入蒸發(fā)器，另一路進入蓄熱換熱器中，最終匯合后進入壓縮機完成循環(huán)。該循環(huán)系統(tǒng)中，相變蓄熱器作為另一蒸發(fā)器，用以提高低溫工況下壓縮機的吸氣溫度，進而提高低溫環(huán)境下熱泵的制熱能力。如圖14所示為該系統(tǒng)中相變蓄熱裝置。
圖13 雙蒸發(fā)器聯(lián)合壓縮機殼體蓄熱的熱泵系統(tǒng)原理圖
圖14 相變蓄熱裝置 目前市面上已出現(xiàn)采用壓縮機蓄熱的家用空調(diào)器，如松下KFR-51GW/BpSJHL1，KFR-36GW/BpSJHL1，KFR-26GW/BpSJHL1等（圖15）。官方數(shù)據(jù)顯示，-20℃時，蓄熱空調(diào)正常啟動，除霜時不停機，溫度波動僅為1～2℃，系統(tǒng)制熱量得到明顯提高，除霜周期得以延緩，使得室內(nèi)溫度波動減小，提升用戶的舒適性。可以看出，將蓄熱技術(shù)用于熱泵空調(diào)中已經(jīng)從技術(shù)研發(fā)走向了應(yīng)用階段，在目前節(jié)能環(huán)保背景下，熱泵空調(diào)替代傳統(tǒng)能源供暖方式將逐漸普及，而結(jié)合蓄熱方式，可以使熱泵空調(diào)技術(shù)更好的給用戶提供舒適的生活環(huán)境，提升生活品質(zhì)。
圖15 松下蓄熱空調(diào) 3 冷凝器余熱的應(yīng)用研究 3.1 冷凝器余熱在冰箱中的應(yīng)用 制冷系統(tǒng)冷凝熱多于制冷量，大量冷凝熱直接排入大氣，造成巨大的能源浪費[22][23]。 李驁[24]在風冷冰箱上，對冷凝器的部分熱量進行蓄熱，在原有制冷系統(tǒng)上建立除霜系統(tǒng)。如圖16所示壓縮機排氣直接旁通進入蒸發(fā)器除霜，后經(jīng)蓄熱器內(nèi)再熱進入壓縮機，完成吸氣。實驗設(shè)置其他三種除霜模式作為對比，如圖17所示，第一種模式為原機電化霜；第二種為不經(jīng)蓄熱器的熱氣旁通除霜方式；第三種為蓄熱器后的旁通除霜模式。通過四種除霜模式的比較，研究表明，通過蓄熱制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)部由內(nèi)而外的熱氣旁通化霜模式優(yōu)于傳統(tǒng)的電化霜模式，在壓縮機排氣側(cè)加裝蓄熱器的熱氣旁通模式又優(yōu)于蓄熱器后的熱氣旁通模式，而最優(yōu)的化霜模式是讓蓄熱器在壓縮機吸氣側(cè)提供熱量的熱氣旁通模式。
圖16 冷凝器蓄熱除霜原理圖
圖18所示為實驗裝置中蓄熱換熱器，其制冷劑管采用翅片形式，放置于壓縮機倉內(nèi)，在制冷模式下蓄熱器內(nèi)部相變蓄熱材料完成蓄熱，在化霜模式下能夠有效提高蒸發(fā)器的化霜溫度，并防止液擊現(xiàn)象的發(fā)生，有較高化霜效率。冷凝熱蓄熱旁通化霜方式化霜過程持續(xù)約10min，比原機模式節(jié)省時間66.7%，化霜電耗0.0212kW·h，比原機模式節(jié)電71.1%。李驁的研究是對風冷冰箱冷凝熱利用的有效方式。
梅寶軍[25]針對冰箱箱壁式冷凝器效率低下的問題，提出了一種新型蓄熱型冷凝器，即利用定形相變儲能材料對冷凝器進行蓄熱，當冰箱工作時，定形相變材料蓄積冷凝管中無法及時散出的熱量，在冰箱停止工作時繼續(xù)向外散熱。從而把冰箱冷凝器由間歇性散熱變?yōu)檫B續(xù)性散熱，并由此大幅提高冰箱冷凝器的總體散熱效果，進而降低冷凝溫度，提高冰箱的能效。 圖19所示為其蓄熱冷凝器設(shè)計與實物模型，定形相變材料蓄熱型冷凝器主要包括如圖中的1-定形相變材料、2-冷凝器管路、3-冰箱發(fā)泡材料、4-冰箱箱壁，定形相變材料包圍冷凝管組成蓄熱型冷凝組件，蓄熱型冷凝組件緊貼冰箱箱壁板，冰箱發(fā)泡材料充隔在冷凝組件與冰箱內(nèi)膽之間。
該蓄熱冷凝器蓄熱材料以石蠟為基礎(chǔ)，通過添加一定質(zhì)量分數(shù)的高聚乙烯與膨脹石墨來增強其導熱性。通過對相變蓄熱型冷凝器進行實驗研究，實驗研究結(jié)果顯示：利用定形相變材料的蓄熱型冷凝器在開停機比率1:1下傳熱效果相比于傳統(tǒng)箱壁式冷凝器至少提高28%。定形相變材料蓄熱型冷凝器散熱板上溫度均勻性較好；定形相變材料蓄熱型冷凝器中散熱板溫度始終維持在相變材料相變點溫度以下。而在冰箱的試驗樣機，根據(jù)國家標準對實驗樣機的運行性能進行了實驗研究，研究結(jié)果表明，實驗樣機能滿足國家標準規(guī)定的節(jié)能冰箱3星級標準要求，并且試驗樣機耗電量相比于相同型號的原型機節(jié)能10%以上。 針對冰箱獨立外置式冷凝器，北京工業(yè)大學閆家文等利用冷凝熱來加熱生活用水，通過將冷凝器與水箱結(jié)合，可對生活用水進行預(yù)熱，這部分生活用熱水可用于廚衛(wèi)的清洗等。在此實驗過程中，生活用水的預(yù)熱降低了冰箱制冷系統(tǒng)的冷凝溫度，冷凝溫度的降低也降低了冰箱整體功耗。該實驗方案后期將采用承壓水箱，模擬生活用水，以找到最優(yōu)方案。 3.2 冷凝器余熱在熱泵空調(diào)中的應(yīng)用 冷凝器余熱利用在熱泵空調(diào)中常用來冬季蒸發(fā)器除霜，強化制熱和加熱生活用水等。 哈爾濱工業(yè)大學田浩[26]在多聯(lián)機系統(tǒng)上采用了相變蓄能除霜系統(tǒng)，在原有系統(tǒng)上單獨設(shè)立了相變蓄能器，將一部分冷凝熱熱量儲存在相變蓄能器中；在除霜時，壓縮機出口的高溫熱氣進入室外換熱器除霜后進入蓄能器進行再熱，完成除霜循環(huán)。如圖20所示，系統(tǒng)在給室內(nèi)供熱時，由壓縮機排出的高溫制冷劑通過電磁閥K4引出一路進入蓄熱器，蓄熱器內(nèi)蓄熱材料儲存這部分熱量，其余支路依然經(jīng)室內(nèi)機向室內(nèi)供熱，之后兩路制冷劑匯集進入室外機蒸發(fā)換熱，后進入壓縮機完成蓄熱、供暖循環(huán)；當除霜開啟時，四通換向閥換向，高溫制冷劑進入室外機進行除霜，除霜冷卻后的制冷劑此時不再進入室內(nèi)機，而是進入蓄熱器內(nèi)進行蒸發(fā)換熱，后經(jīng)四通換向閥、氣液分離器進入壓縮機完成除霜循環(huán)。這種除霜循環(huán)，改進了多聯(lián)機常規(guī)除霜過程耗時長，制冷劑流經(jīng)室內(nèi)換熱器溫度降低的問題。
相變蓄熱器是此實驗的核心部件，用于盛放蓄熱材料，并完成供熱周期內(nèi)相變材料與制冷劑之間的蓄熱/放熱過程，蓄熱器需滿足系統(tǒng)需求的換熱效率，必須具有足夠的換熱面積以滿足換熱要求。實驗者設(shè)計了螺旋管換熱器，以利用容器內(nèi)盤旋的銅管增加制冷劑與蓄熱材料的換熱面積，同時螺旋銅管上加裝翅片進一步增強換熱，圖21為螺旋管換熱器實物圖。
圖21 螺旋管換熱器 在與多聯(lián)機常規(guī)除霜系統(tǒng)實驗對比中，相對于常規(guī)除霜時間505s，蓄熱除霜除霜時間僅為205s；而恢復(fù)供熱時間常規(guī)系統(tǒng)為105s，得益于除霜時制冷劑不再進入室內(nèi)換熱器，蓄熱除霜系統(tǒng)僅為60s。這減少了對室內(nèi)溫度的負面影響，增加了室內(nèi)舒適度。實驗中，相變蓄熱器內(nèi)蓄熱材料因其導熱性問題，還有部分沒有充分利用，故相變蓄熱器還需進一步優(yōu)化，使其更適合實驗系統(tǒng)。 卜燕[27]等對家用空調(diào)進行改裝，設(shè)置熱回收換熱器（水冷冷凝器），與機組原有的風冷冷凝器連接。其冷凝熱回收系統(tǒng)可以將自來水直接送入空調(diào)熱回收換熱器，水流方向與熱回收換熱器內(nèi)制冷劑流動方向相反，設(shè)置保溫儲水箱，電加熱器，從而可實現(xiàn)空調(diào)制冷供熱水的一體化。如圖22所示為新型的空調(diào)冷凝熱回收系統(tǒng)原理圖，它包括空調(diào)的制冷系統(tǒng)、水泵、套管式冷凝器、保溫水箱和電加熱器，可以用來在夏天回收空調(diào)的冷凝熱，其運行可以有以下三種方式。
單獨制熱模式：關(guān)閉套管式冷凝器兩側(cè)的閥門，套管式冷凝器停止工作，進行逆卡諾循環(huán)，可實現(xiàn)空調(diào)的制熱模式，這也是一般家用空調(diào)的運行模式。 單獨制冷模式：關(guān)閉套管式冷凝器兩側(cè)的閥門，開啟冷凝器側(cè)的風機進行機械通風，通過風機將空調(diào)的冷凝器熱排放到室外，即可實現(xiàn)空調(diào)的單獨制冷，但是這種方式無法利用空調(diào)的冷凝熱，同時還可能造成室外環(huán)境的熱污染。 制冷-熱水模式：系統(tǒng)加設(shè)一個套管式冷凝器，將套管式冷凝器與機械通風冷凝器串聯(lián)在系統(tǒng)中，制冷劑在內(nèi)管下進上出，冷卻水在套管式冷凝器內(nèi)上進下出，但是套管式冷凝器中的冷卻水只能承擔部分的冷凝熱負荷，如果不開啟風機進行機械通風，系統(tǒng)的冷凝壓力、蒸發(fā)壓力和排氣溫度會有上升，如果排氣溫度過高，超過壓縮機極限排氣溫度120℃，會導致壓縮機的損壞，因此在制冷-熱水模式中，機械通風也很重要。系統(tǒng)進行的冷凝熱回收和用戶對熱水需求的時間是不同步的，有時間差，因此系統(tǒng)要設(shè)置一個保溫的儲水箱。同時系統(tǒng)設(shè)置一個電加熱設(shè)備，當水溫不能夠達到用戶的要求時，或者空調(diào)系統(tǒng)不開啟時，通過電加熱設(shè)備來滿足用戶日常的生活熱水的需求。 根據(jù)上海地區(qū)一戶三口之家，按房屋90m2為研究對象，根據(jù)氣象條件，主臥和客廳面積與負荷等，以主次臥為某品牌KFR-35GW/K（35556）K1C-N2，制冷量為3500W；客廳選用KFR-50LW/（50566）Aa-3，制冷量為5200W。采用新型家用空調(diào)系統(tǒng)利用冷凝余熱加熱生活用水，每天僅僅需要72min就能夠把300L水加熱至50℃，而且完全能夠滿足家庭用戶日常的生活用水，在減少電能使用的同時，更沒有漏電危險。同時相較于傳統(tǒng)的空調(diào)、電熱水器分體式裝置，其可在夏季節(jié)能929.7kWh，節(jié)能率約為19%，在空調(diào)期每日可減排冷凝熱577425.6kJ，可緩解由于夏季空調(diào)冷凝熱的大量排放而引起的城市熱島效應(yīng)。 4 相變蓄熱材料在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 熱能儲存是能源科學技術(shù)中的重要分支[28]。熱能儲存包括顯熱儲存和潛熱儲存，顯熱儲存是利用材料單一相態(tài)的熱容儲熱；潛熱儲存，又稱相變蓄能，是利用材料在相態(tài)變化中吸收和放出大量的相變潛熱而進行的[29]。 相變材料，就是能利用其在相態(tài)變化時吸收或放出大量相變潛熱用于儲能的材料。相變儲熱材料有多種分類方式，按相變形式，可分為固-固、固-液、液-氣、固-氣儲熱材料；按照相變溫度范圍，可分為高溫、中溫和低溫儲熱材料；按照其成分，可分為無機類、有機類（包含小分子和高分子合成材料）以及復(fù)合儲熱材料[30][31]。理想的相變儲熱材料應(yīng)具備相變潛熱高、可逆性好、導熱性好、相變速率快、體積變化小、性能穩(wěn)定、廉價易得、安全無毒、無腐蝕性等特點。與其他儲熱方式相比，相變儲熱具有儲能密度大，熱量輸出的溫度和熱流密度穩(wěn)定，可以作為節(jié)能系統(tǒng)和高新技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)，可以用于電熱系統(tǒng)實行移峰填谷，也可以用于新能源、余熱利用、新型家電的開發(fā)等領(lǐng)域[32][33]。 有機相變材料如石蠟、脂肪酸、多元醇、聚合物材料如聚乙二醇（PEG）和糖醇如D-蘇糖醇、赤蘚糖醇、D-甘露醇和季戊四醇等通常被認為用于低溫應(yīng)用。通常，大多數(shù)有機化合物的熔點低于100℃，高密度聚乙烯（HDPE）在所有選定的有機材料中具有150℃的最高熔點[34]。大多數(shù)鹽水合物的熔點低于220℃，結(jié)晶水合鹽類大都屬于中低溫相變材料，主要包括堿金屬及堿土金屬的鹵化物、硫酸鹽、磷酸鹽、硝酸鹽、醋酸鹽、碳酸鹽的水合物，比較常見的有Na2SO4·10H2O、CaCl2·6H2O、CH3COONH4·3H2O等。這類相變材料的優(yōu)點是價格便宜、體積蓄熱密度大、熔解熱大、導熱系數(shù)比有機相變材料的實際應(yīng)用大、一般呈中性，但在使用過程中會出現(xiàn)過冷、相分離等不利因素，儲熱性能不穩(wěn)定[35]。無機鹽擁有較高的熔點，用于高溫的相變材料，如金屬碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽、氟化物和硝酸鹽已被廣泛用作需要工作溫度超過500℃的高溫熱儲存應(yīng)用的相變材料[36]。有機相變材料主要用于低溫中溫的應(yīng)用，脂肪酸類如硬脂酸，棕櫚酸、月桂酸、癸酸等甚至有低于室溫的熔點。而石蠟是一種非常具有發(fā)展?jié)摿Φ闹械蜏叵嘧冃顭岵牧?，它具有化學穩(wěn)定、幾乎無過冷、無毒無腐蝕和價格低廉的優(yōu)點。石蠟的這些優(yōu)點，使其廣泛應(yīng)用于太陽能熱儲存、地暖和空調(diào)冷凝熱回收。但是，石蠟也具有同大部分有機相變蓄熱材料一樣的導熱系數(shù)低的缺點[37][38]。 結(jié)合相變蓄熱材料特點，將其用于制冷系統(tǒng)余熱的利用，從而更好地改善系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)余熱主要為壓縮機殼體熱與冷凝熱，根據(jù)冰箱壓縮機殼體溫度和冷凝器溫度范圍，中低溫蓄熱材料在制冷系統(tǒng)余熱中較為適用。趙飛[16]在對風冷冰箱壓縮機殼體蓄熱聯(lián)合熱氣旁通實驗中，使用固體石蠟與液體石蠟，通過配比，得到相變點在60℃左右的蓄熱材料，將其應(yīng)用在熱氣旁通除霜實驗中，另外，為了增強配比石蠟的導熱性能，在相變蓄熱材料中加入膨脹石墨；并且再熱盤管采用了翅片管形式。根據(jù)其對壓縮機吸氣溫度的測定，結(jié)果表明石蠟儲存的熱量很好地傳遞給制冷劑。李驁[24]在利用冷凝熱對風冷冰箱除霜的實驗中，選擇了切片石蠟結(jié)合相變點在17℃的液體石蠟作為相變材料。其配置了四種不同比例的相變材料，通過對四種相變材料融化溫度的測定與差示掃描量熱法的測定，結(jié)果表明，隨著液體石蠟比例的增加，相變材料的相變潛熱，相變初始溫度，相變峰值溫度均有所下降，相變溫度區(qū)間沒有規(guī)律變化，說明添加液體石蠟?zāi)軌蛴行Ы档褪炏嘧冃顭岵牧系南嘧儨囟?，但也造成了相變潛熱性能的下降。該實驗方案根?jù)其冷凝器溫度范圍45～50℃，最終選擇了成分比例為6：4的液體石蠟與切片石蠟混合物。對冷凝熱回收除霜實驗過程中增加了膨脹石墨來提高石蠟的導熱性，但沒有取得預(yù)期的效果，最終在蓄熱器設(shè)計上添加鋁翅片提高導熱效率。Zhang[19]在空氣源熱泵上采用35%月桂酸和65%癸酸為蓄熱材料，在熱泵供暖時將壓縮機殼體熱量蓄存在相變蓄熱器內(nèi)，在除霜時，系統(tǒng)分兩路，一邊供熱一邊除霜，最終匯集一路在相變蓄熱器內(nèi)吸收蓄存的熱量而蒸發(fā)。結(jié)果顯示壓縮機的吸氣溫度沒有明顯降低，表明蓄熱材料已蓄存熱量并將其很好的釋放出來。 張紅瑞[39]選取水合鹽六水氯化鐵（FeCl3·6H2O）對空調(diào)冷凝熱進行回收，其利用相變材料冷卻曲線測定了相變材料的相變潛熱，比熱以及熱導率。結(jié)果表明，六水氯化鐵的相變溫度為37.4℃，融化潛熱223kJ/kg；比熱容1460J/(kg·k)；導熱系數(shù)0.57w/(m2·K)，但在實驗過程中出現(xiàn)了相分離現(xiàn)象，后期的實驗應(yīng)對水合鹽相分離現(xiàn)象進行優(yōu)化。謝豪等[40]在空氣源熱泵系統(tǒng)加裝蓄熱器來提升熱泵性能。其蓄熱器選擇了80%Na2SO4·10H2O與20%Na2HPO4·10H2O為相變蓄熱材料，20%Na2HPO4·10H2O的添加，提高了相變蓄熱材料的穩(wěn)定性與重復(fù)性，克服各自存在的分層與過冷現(xiàn)象；又結(jié)合蓄熱器加裝鋁翅片優(yōu)化，使得熱泵系統(tǒng)平均制熱量增加了19.9%，滿足了惡劣工況的供熱要求。田浩[26]在多聯(lián)機空氣源熱泵上采用相變蓄能除霜系統(tǒng)，通過采用65mol%癸酸+35mol%十二酸為相變材料對一部分冷凝熱進行蓄存，結(jié)合翅片型蓄熱器，結(jié)果表明帶有相變蓄能的多聯(lián)機系統(tǒng)除霜時間大大減小。 5 結(jié)論 在低碳經(jīng)濟時代，對余熱廢熱的回收利用成為降低能耗，減少熱污染的有效途徑。余熱利用主要對于冰箱，熱泵系統(tǒng)壓縮機殼體熱，冷凝器排放熱回收利用，有利于降低運行成本，提高系統(tǒng)能力。本研究對當前冰箱、熱泵系統(tǒng)的余熱利用進行了概括綜述。通過對一些具有代表性的研究進行分析，指明了目前冰箱、熱泵系統(tǒng)在余熱利用方面的研究方向與進展：壓縮機殼體熱量在風冷冰箱中可用來蒸發(fā)器除霜、恒溫解凍，以及在模塊化冰箱門板防露等，在熱泵系統(tǒng)中可用來蒸發(fā)器除霜，強化制熱等；冷凝熱在風冷冰箱中可用來除霜，熱泵系統(tǒng)中可用來除霜及強化制熱，空調(diào)制冷時可加熱生活用水等。壓縮機在運行時會有熱量通過殼體以對流和傳導方式散失在周圍空氣中，冷凝器會將壓縮的高溫制冷劑向外界釋放熱量，眾多學者發(fā)現(xiàn)這兩部分熱量，并試圖將這部分熱量利用起來，以解決制冷設(shè)備中所遇到的問題。風冷冰箱運行過程中蒸發(fā)器表面出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，目前化霜方式以電加熱為主，而電加熱化霜效率低能耗高，北京工業(yè)大學劉忠寶課題組等采用熱氣旁通，熱氣反向等多種方式聯(lián)合壓縮機殼體或冷凝器蓄熱，對風冷冰箱蒸發(fā)器進行除霜，研究結(jié)果表明了此類除霜時間與除霜能耗均低于電化霜模式，但該方式在產(chǎn)品應(yīng)用，蓄熱器、管道閥門、邏輯控制的設(shè)計等方面還需進一步優(yōu)化，以實現(xiàn)在產(chǎn)品上的應(yīng)用。哈爾濱工業(yè)大學等利用壓縮機殼體，冷凝器熱量在熱泵系統(tǒng)上采取蓄熱方式，用于除霜與強化制熱方面，研究表明新系統(tǒng)的除霜時間優(yōu)于原機逆循環(huán)除霜方式，除霜期間室內(nèi)溫度波動更小，用戶舒適度得以提升，但在蓄熱器設(shè)計，熱量利用率，系統(tǒng)設(shè)計，控制等方面還需進一步研究設(shè)計以適用于產(chǎn)品。 盡管冰箱、熱泵系統(tǒng)余熱利用研究還沒有在產(chǎn)品上大規(guī)模適用，但因其對余熱的回收利用，對制冷設(shè)備的優(yōu)化改進，相信以后可以在產(chǎn)品上出現(xiàn)。在蓄熱器的發(fā)展中，后期研究應(yīng)對整個設(shè)備元件與制冷系統(tǒng)更精確地優(yōu)化匹配，達到理想效果。此外，優(yōu)化系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，減少設(shè)備的初投資，并預(yù)測和評估應(yīng)用前景也是一個重要的研究方向，從而推動行業(yè)進步，實現(xiàn)節(jié)能效益。  |
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