空气源热泵系统在室外环境温度处于-7℃至5℃区间，且相对湿度高于65%时，容易产生结霜现象，导致系统性能下降，甚至停机。本文从空气源热泵系统的运行原理出发，提出了一种采用耦合储液气液分离器的新型解决方案。本文针对该新型系统，进行了系统抑霜和除霜性能测试、基于系统热力学损失的实际运行性能研究、系统热力学循环理论分析、关键部件储液气液分离器的传热机理研究以及结构设计优化。本文的研究对于有效抑制空气源热泵系统结霜问题，提高空气源热泵技术在不同环境下的适用性具有重要意义。 论文提出的耦合储液气液分离器空气源热泵系统，在制热模式下，室内换热器的高温液态制冷剂进入储液腔，而室外换热器的气液两相低温制冷剂进入气液分离腔。这种设计使得气液分离腔内的低温制冷剂被储液腔中的高温制冷剂加热并气化，甚至过热，从而提高了系统的压缩机吸气温度和蒸发器表面温度，抑制了室外换热器的结霜。在除霜模式下，制冷剂逆向流动，由于止回阀的作用，室内换热器中的制冷剂无法返回储液腔，导致储液腔内的制冷剂迅速流入室内换热器，提高了室内换热器的压力和制冷剂质量流量，降低了压缩机的压缩比，从而加速了除霜。 为了验证这一新型系统的性能，论文搭建了耦合储液气液分离器的空气源热泵系统实验台，并对比测试了新型系统与传统空气源热泵系统在给定工况下的制热、结霜和除霜性能。实验结果表明，在环境温度为5℃、相对湿度为90%的条件下，与传统空气源热泵系统相比，耦合储液气液分离器的空气源热泵系统首次结霜时间推迟了30分钟。同时，气液分离腔中的低温制冷剂吸收的热量被送入室内，提高了系统的供热能力。在除霜过程中，耦合储液气液分离器的空气源热泵系统通过降低压缩比，提升了压缩机的效率和除霜效率，使系统除霜时间减少了74 s（22.7%）。在整个除霜循环中，新型系统供热能力增加了3.4 kW（5.13%），平均性能系数（COP）增加了0.38（12.6%）。 论文对耦合储液气液分离器的空气源热泵系统进行了抑霜损失和除霜损失分析，建立了耦合系统稳态运行能效、瞬态损失和除霜损失的实际运行性能模型。引入热力学完善度指标，表明新系统在稳定状态下的能效表现，并通过不可逆损失量化瞬态损失的原因。研究结果表明，在实际运行条件下，耦合储液气液分离器的空气源热泵系统和传统空气源热泵系统的热力学完善度最大分别降低了约26.5%和55.9%，最大瞬态损失分别为3.2%和5.3%。在瞬态损失分析中发现，新系统和传统系统中不可逆损失的主要来源均为压缩机，分别占瞬态损失的32.9%和34.1%；其次为冷凝器，分别占29.7%和32.7%；最后是膨胀阀和蒸发器。相比之下，除霜损失对新型系统的实际能效影响显著。 论文还对耦合储液气液分离器的空气源热泵系统进行了理论分析，建立了系统的热力学模型和㶲分析模型。通过对系统制热量、压缩机功率和系统性能系数（COP）等关键参数的计算和分析，验证了耦合储液气液分离器设计在抑制结霜和提高系统性能方面的显著优势。 论文建立了储液气液分离器的传热模型，研究了储液腔与气液分离腔的传热特性以及气液分离腔内制冷剂的状态变化。分析了储液腔入口温度、入口质量流量，以及气液分离腔压力、入口温度、入口干度对两腔之间传热性能的影响。研究结果表明，提高储液腔入口温度、入口质量流量和气液分离腔入口温度、入口干度均能有效提升系统的传热性能。具体而言，储液腔入口温度的提高增加了高温制冷剂与低温两相制冷剂之间的温差，从而提高了传热效率；储液腔入口质量流量的增加则意味着更多的制冷剂进入储液腔，增加了传热量。气液分离腔入口温度和干度的提高会减少气液两相制冷剂达到饱和状态所需的热量，进而提升了相变吸热量，更多的液相制冷剂迅速气化，增强了气液分离腔的传热能力。 最后，采用遗传算法（GA）对储液气液分离器结构进行了优化，以最大化系统COP为目标。优化后的储液气液分离器在结构尺寸上发生了显著变化，储液腔直径增加而高度减小，气液分离腔高度增加而直径减小。这种优化设计使储液腔液面高度增加的速度减慢，同时气液分离腔的高度增加和直径减小提供了更大的传热面积，提升了气液分离效率。通过数值模拟和实验验证，优化后的储液腔与气液分离腔之间的传热量从优化前的5.5 kW增加至8.0 kW，系统COP从优化前的2.95提升至3.37。 |
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