近年来，我国多个省市相继发布清洁取暖改造的相关政策。根据《北方地区冬季清洁取暖规划（2017—2021年）》，2021年北方地区整体的清洁取暖率要达到70%。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》强调要推动能源清洁低碳安全高效利用。我国部分城市出台政策将空气源热泵供暖技术纳入可再生能源利用范围。在当前的背景下，变频空气源热泵发展会更加迅速。但是，变频空气源热泵在一些低温高湿环境下运行时存在一些问题。当室外温度较低时，室外机换热器表面容易结霜，霜层的出现会影响空气源热泵的制热量，导致制热时长较短以及频繁除霜。现有的除霜方法一般是逆循环换向除霜，通过四通阀换向，改变制冷剂流动方向，空气源热泵从室内吸热用于室外机除霜。但是该技术造成房间温度的严重下降，席战利等研究表明，实测除霜期间房间平均温度下降幅度为8～10 ℃，除霜时间为5～8 min。频繁除霜会导致房间温度频繁波动，用户热舒适性体验差。
对于空气源热泵结霜现象和除霜方法，国内外学者进行了大量的理论研究和试验研究。恒温暖房技术、DTLTH技术（基于低品位热能利用的热泵型房间空调器除霜技术）以及新型空气源热泵系统可以减小除霜过程中房间温度的波动，但是都需要改变现有的空调器结构，增加空调器成本。
笔者以变频热泵型房间空调器为研究对象，在不改变其现有结构的基础上，通过试验分析压缩机运行频率和室内机风机转速的变化对制热时长、制热量和送风温度的影响，并在空调器室内热舒适性实验台进行验证，为变频空气源热泵在结霜工况下如何提高制热运行舒适性提供参考。


1  试验装置和方法

1.1  试验样机
测试样机为1.5匹房间空调器，样机室内外机配置如表1所示。其系统流程如图1所示。
表1  测试样机配置表

图1  房间空调器系统流程图（箭头代表制热循环）
1.2  实验室
该样机性能测试在标准性能焓差实验室进行。焓差实验室由室内侧和室外侧环境室组成。室内外侧的布置如文献［13］中（图6）所示。焓差实验室内布置与文献［14］一致。
舒适性测试在室内舒适性实验室进行，室内热电偶采样点等同文献［13］。

2  试验方案设计

在变频房间空调器运行过程中调节压缩机运行频率和室内机风机转速，研究这2个变量对制热时长、制热量和送风温度（包括调节期间最低送风温度和整个制热周期的平均送风温度）的影响。
试验工况采用GB/T 7725—2004《房间空气调节器》规定的制热运行自动除霜工况，试验方案如表2和表3所示。
表2  压缩机运行频率调节试验方案

按照表2中试验方案2调节压缩机运行频率后，室内机盘管温度降低，这会使得室内送风温度降低。为了研究室内机风机转速对送风温度的影响程度，对室内机风机转速进行调节，方案如表3所示。
表3  室内机风机转速调节方案

利用室内舒适性实验室分析压缩机运行频率和室内机风机转速的动态调整对房间温度的影响，其测试方案如表4所示。
表4  房间空调器舒适性测试方案


3  测试结果及分析


3.1  压缩机运行频率的影响与分析
在试验工况下，房间空调器开启后，压缩机会升至较高频率运行，室外机换热器管路温度逐步下降并低于露点，开始结霜。当室外机换热器的盘管温度降低至-2 ℃时，室外机换热器上的霜层呈现薄霜状态，此时按照表2进行测试，室外机换热器表面霜层变化如图2所示。

图2  不同降频方案下变频房间空调器室外机换热器霜层变化
由图2可以看出，不同降频方案对应的霜层融化状态不同。相比方案1，频率降低得越多，霜层融化效果越好。
从图3（图示数据以降频40 Hz为例）可以看出，当压缩机频率下降（1′→2′→3′→4′）时，相比常规稳定运行（1→2→3→4），高压降低，低压升高，室外机换热器盘管温度升高至0 ℃以上，可以达到将室外机换热器表面霜层融化的目的。频率下降越多，霜层融化效果越好。

图3  压缩机运行频率变化时的压-焓图
短时间的降频使霜层融化后，将压缩机频率提升至降频前的状态运行一个制热周期，测试结果及分析如下：
1）制热时长：从开机至开始化霜的持续时长
如图4所示，在一个制热周期内，压缩机频率的动态调节幅度不同，对制热时长影响不同。相比方案1，方案2的制热时长降低2.34%，方案3和方案4分别提升1.92%和5.63%。分析原因得知，在制热过程中，压缩机频率下降幅度对系统的低压提升效果不同，因此霜层融化程度不同。压缩机频率降幅较低，霜层可以融化，但是有残留，当压缩机频率升至降频前的状态后会恶化后续的结霜，反而缩短了制热时长。压缩机频率降幅适中，霜层可以完全融化，延长制热时长。

图4  不同降频方案下变频房间空调器制热时长对比
2）平均制热量：从开机至常规除霜结束的平均制热量
从图5可以看出，相比方案1，方案2～方案4在一个制热周期的平均制热量均略有下降，降幅分别为2.45%，2.56%和0.28%。结合制热时长来看，压缩机频率存在最优的降幅，使得制热时长提升，且平均制热量基本不变。

图5  不同降频方案下变频房间空调器平均制热量对比
3）送风温度
从图3可以看出，在制热模式下，压缩机频率降低，室内机盘管温度降低，送风温度也会降低。由图6可见：在压缩机降频期间，压缩机频率降幅越大，最低送风温度越低。从一个制热周期的平均送风温度（从开机至常规除霜结束）来看，平均送风温度相差不大。因此，在制热过程中，对压缩机频率进行动态降频调节能够延长制热时长，避免频繁除霜。

图6  不同降频方案下变频房间空调器送风温度对比
3.2  室内机风机转速的影响与分析
按照表3进行测试，在对压缩机频率动态调节（方案2）的同时对室内机风机转速进行动态调节。
1）制热时长
如图7所示，相比方案1，方案5～方案7的制热时长均有提升，提升幅度分别为5.45%，12.35%和12.55%。可见，在压缩机频率降幅相同的情况下，室内机风机转速的降低幅度越大，制热时长越长。

图7  不同室内机风机转速下变频房间空调器制热时长对比
2）平均制热量
从图8可以看出，相比方案1，方案5和方案6的平均制热量略有下降，降幅分别为1.95%和0.48%，方案7的平均制热量略有提升，提升幅度为1.50%。对比方案5～方案7可知，在压缩机降频的基础上，对室内机风机动态调节时，调节幅度越大，平均制热量越高，但是平均制热量变化幅度不大。

图8  不同室内机风机转速下变频房间空调器平均制热量对比
3）送风温度
如图9所示，对比方案5～方案7，室内机风机转速的调节幅度越大，最低送风温度越高。这是由于风挡越低，送风量相应减小，使得高压升高，送风温度相应提升。从一个制热周期的平均送风温度来看，平均送风温度相差不大。因此，结合制热时长和平均制热量，对室内机风机进行动态降挡调节可以提升制热时长及动态调节期间的送风温度，提升室内人员的热舒适性。

图9  不同室内机风机转速下变频房间空调器送风温度对比
3.3  热舒适性测试结果与分析
如表4所示，在热舒适性实验室测试房间温度整体变化情况，房间平均温度变化如图10所示：方案8房间温度经过2次动态调节，有较小的波动。房间温度降幅分别为0.7 ℃和1.7 ℃，3 h未进入常规化霜。而常规化霜时房间温度降幅为5.2 ℃。可见，在结霜工况下进行动态调节后，房间温度波动远低于常规化霜，且总的制热时长有所提升（方案8在3 h内未进入常规化霜）。

图10  制热工况下不同方案房间温升对比


4  结论与建议

笔者在焓差实验室模拟低温低湿结霜工况，以变频房间空调器为研究对象，不改变其结构的情况下，对其在制热运行过程中进行参数的动态调节，包括压缩机频率和室内机风机转速，从制热时长、制热量和送风温度方面进行分析，最后在舒适性实验室进行验证，得到以下结论：
1）当室外机换热器处于结霜状态时，对压缩机进行降频调节，不同的降幅会引起室外机换热器霜层不同程度的融化，降幅越大，融霜效果越明显。同时，可持续制热时长提升越大，调节期间的最低送风温度会越低，但是平均制热量和平均送风温度变化不明显。
2）当压缩机频率结合室内机风机转速进行动态调节时，室内机风机转速下降越多，可持续制热时长提升越多，调节期间的最低送风温度也会有所提升，但是平均制热量和平均送风温度变化不明显。
3）热舒适性试验结果表明，动态调节时房间平均温度波动远低于常规除霜，且总的制热时长有所提升。
笔者提出的方法可以为在结霜工况下延长变频空气源热泵制热时间提供参考，但是对于参数的调节幅度是否存在最优解，需要开展进一步的研究。