0 引言

 

  空氣源熱泵在較低的環(huán)境溫度下工作時, 若蒸發(fā)器表面溫度低于空氣的露點溫度, 空氣中的水分就會在盤管表面析出;若蒸發(fā)器表面溫度低于0℃, 則會結(jié)霜[ 1] 。結(jié)霜對熱泵性能有較大的影響,熱泵機組的供熱量、消耗功和性能系數(shù)均會隨結(jié)霜時間的延長而下降, 下降的幅度和室外氣象條件有關(guān)。若不及時除霜, 有可能使蒸發(fā)器的空氣通道完全堵塞、制冷劑不能完全蒸發(fā)、壓縮機可能發(fā)生回液, 導(dǎo)致熱泵不能正常工作[ 2] 。因此, 延緩空氣源熱泵冷熱水機組的結(jié)霜, 對改善熱泵機組的運行特性和提高系統(tǒng)的制熱性能都有較大意義。而空氣源熱泵的蒸發(fā)器表面結(jié)霜除了與室外空氣參數(shù), 如干球溫度、相對濕度等密切相關(guān)外, 還受蒸發(fā)器本身的結(jié)構(gòu)形式、肋片間距及面積等因素的影響[ 3] 。

 

  為此, 本文擬通過實驗來研究改變空氣源熱泵冷熱水機組蒸發(fā)器面積對蒸發(fā)溫度的影響, 并通過對我國空氣源熱泵主要應(yīng)用地區(qū)代表性城市氣象資料的分析計算, 探討以下問題:

 

  1) 增大室外蒸發(fā)器面積能否延緩空氣/水熱泵機組室外蒸發(fā)器表面結(jié)霜, 以及延緩的效果如何;

 

  2) 當(dāng)室外蒸發(fā)器面積增大時, 在熱泵運行季節(jié)內(nèi)減少的空氣源熱泵冷熱水機組的結(jié)霜時間有多長, 是否有意義等。

 

  1 空氣源熱泵冬季結(jié)霜特性及其影響

 

  1. 1 蒸發(fā)器表面結(jié)霜與空氣參數(shù)的關(guān)系

 

  結(jié)霜的機理及結(jié)霜對傳熱的影響涉及因素很多, 一般認為空氣源熱泵機組室外蒸發(fā)器結(jié)霜時,其表面溫度tfe 和空氣露點溫度tdew 需滿足式(1)。

 

  tfe ≤ 0 且tfe ≤ tdew (1)

 

  式(1)中空氣露點溫度t dew 取決于空氣的干球溫度t w 和相對濕度φ, 因此, 室外空氣的干球溫度和相對濕度是影響熱泵結(jié)霜的重要因素。圖1 是根據(jù)日本學(xué)者對不同空氣源熱泵機組的實驗結(jié)果擬合得到的曲線[ 5] , 可能結(jié)霜的氣象參數(shù)范圍為- 12. 8 ℃≤tw ≤5. 8 ℃, φ≥67 %。當(dāng)tw >5. 8 ℃時, 可以不考慮結(jié)霜對熱泵的影響;當(dāng)tw <5. 8 ℃,φ<67 %時, 由于空氣露點溫度tdew 低于室外換熱器表面溫度tfe , 不會發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象;當(dāng)tw <- 12. 8℃時, 由于空氣含濕量太小, 也不會發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象。

 

  由此可見, 若室外氣象參數(shù)落在圖中陰影區(qū)域, 就很可能會發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象。

 

  1. 2 蒸發(fā)器表面結(jié)霜對熱泵性能的影響

 

  空氣源熱泵室外蒸發(fā)器表面結(jié)霜對機組性能的影響國內(nèi)外已有許多學(xué)者進行了實驗研究, 從中發(fā)現(xiàn):1) 結(jié)霜堵塞蒸發(fā)器肋片間通道, 增加空氣流動阻力;2) 結(jié)霜增加換熱器熱阻, 換熱能力下降;3) 結(jié)霜導(dǎo)致熱泵機組蒸發(fā)溫度下降, 能效比降低,熱泵運行工況惡化, 嚴重時導(dǎo)致機組發(fā)生故障甚至停機;4) 除霜時的熱量損失導(dǎo)致熱泵制熱性能下降[ 6] 。文獻[ 7] 采用結(jié)霜除霜損失系數(shù)來研究空氣源熱泵結(jié)霜除霜對熱泵供熱性能的影響, 計算了我國15 個主要城市的平均結(jié)霜除霜損失系數(shù), 并根據(jù)各地區(qū)不同的氣候特點, 初步將我國劃分為低溫結(jié)霜區(qū)、輕霜區(qū)、重霜區(qū)和一般結(jié)霜區(qū)4 個區(qū)域。

 

  2 實驗簡介及結(jié)果分析

 

  2. 1  實驗簡介

 

  采用按照GB /T 17758 —1999 規(guī)定建造的焓差法實驗臺進行實驗, 由惡劣工況室模擬室外氣象條件, 將室外換熱器置于惡劣工況室內(nèi), 實驗工況如下。

 

  機組運行模式:1 臺壓縮機+1 個室外蒸發(fā)器(簡稱1 +1 模式)和1 臺壓縮機+2 個室外蒸發(fā)器(簡稱1 +2 模式, 與前者相比, 相當(dāng)于將室外蒸發(fā)器面積增大1 倍);室外環(huán)境溫度:10 ℃, 5 ℃, 0℃, - 5 ℃;供水溫度:45 ℃;供回水溫差:5 ℃。

 

  實驗樣機流程如圖2 所示, 在設(shè)計的空氣源熱泵冷熱水機組樣機中采用了1 臺ZR34K3 PFJ型渦旋壓縮機和2 個室外蒸發(fā)器。本實驗中通過對電磁閥7 的開閉分別實現(xiàn)1 +1 和1 +2 兩種模式, 并以此來研究兩種運行模式下機組的運行特性。

 

  2. 2  實驗結(jié)果及分析

 

  由于空氣源熱泵室外蒸發(fā)器表面結(jié)霜與否與其蒸發(fā)溫度關(guān)系密切, 因此, 在本實驗中, 分別測得機組在1 +1 模式和1 +2 模式下運行時的蒸發(fā)溫度, 實驗數(shù)據(jù)經(jīng)整理后列于圖3 中。

 

  由圖3 可以看出, 由于室外換熱器面積的增大, 空氣源熱泵冷熱水機組的蒸發(fā)溫度有所升高,這將有利于延緩空氣源熱泵機組的結(jié)霜, 減少熱泵除霜次數(shù)和結(jié)霜融霜的熱損失。在本實驗中, 當(dāng)室外蒸發(fā)器面積增大1 倍后, 即實驗樣機由1 +1 運行模式變?yōu)? +2 運行模式時, 機組的蒸發(fā)溫度te平均升高了約2. 5 ℃, 意味著室外蒸發(fā)器的表面溫度也將隨著升高約2. 5 ℃, 這充分表明增大室外蒸發(fā)器的面積對延緩結(jié)霜有一定的效果。

 

  3 熱泵供熱季節(jié)內(nèi)結(jié)霜時間的統(tǒng)計及分析

 

  3. 1 不同運行模式下結(jié)霜區(qū)域的確定

 

  由圖1 可知, 當(dāng)室外空氣參數(shù)為- 12. 8 ℃≤tw ≤5. 8 ℃, φ≥67 %時, 常規(guī)的空氣源熱泵機組(相應(yīng)于本文中實驗樣機的1 +1 運行模式)就會結(jié)霜。根據(jù)圖3 可得, 當(dāng)tw =5. 8 ℃時機組的蒸發(fā)溫度te =- 2. 0 ℃。由于兩個蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)形式相同,可以認為機組在1 +2 模式下運行時, 也應(yīng)該在蒸發(fā)溫度te =- 2. 0 ℃時蒸發(fā)器表面具備結(jié)霜條件。

 

  由此可得到增大室外蒸發(fā)器面積后, 機組開始結(jié)霜時所對應(yīng)的室外干球溫度應(yīng)為2. 2 ℃, 如圖3 所示。

 

  再根據(jù)圖1 可得出空氣源熱泵冷熱水機組處于不同運行模式時所對應(yīng)的結(jié)霜區(qū)域, 如圖4 所示。空氣源熱泵機組處于1 +1 模式時, 其蒸發(fā)器圖4 不同運行模式下機組的結(jié)霜區(qū)域

 

  表面結(jié)霜所對應(yīng)的區(qū)域為(A +B)區(qū)域;而當(dāng)機組處于1 +2 運行模式時, 其蒸發(fā)器表面發(fā)生結(jié)霜所對應(yīng)的區(qū)域為B 區(qū)域。也就是說, A 區(qū)域即為室外蒸發(fā)器面積增大1 倍后, 其結(jié)霜可以得到延緩的室外氣象參數(shù)區(qū)域。

 

  3. 2  各地區(qū)結(jié)霜時間統(tǒng)計結(jié)果及分析

 

  空氣源熱泵冷熱水機組具有諸多優(yōu)點, 作為集中空調(diào)的冷熱源, 近年來在我國發(fā)展很快, 目前在我國的長江流域、黃河流域等地區(qū)應(yīng)用十分廣泛,甚至天津、西安等地也有應(yīng)用實例, 這表明其應(yīng)用范圍有北擴的趨勢。那么當(dāng)空氣源熱泵室外蒸發(fā)器面積增大時, 機組在上述地區(qū)冬季運行能減少多少結(jié)霜時間、是否有意義呢

 

  為此, 筆者從我國可應(yīng)用空氣源熱泵的各個地區(qū)選取了一些代表城市, 根據(jù)圖4 中的(A +B)區(qū)域和B 區(qū)域, 對其熱泵供熱季節(jié)內(nèi)室外氣象資料進行統(tǒng)計計算, 分別得到1 +1 運行模式和1 +2 運行模式下機組發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象的時間, 如表1 所示。

 

  根據(jù)表1 可得出以下結(jié)論:

 

  1) 機組按1 +1 模式運行時, 結(jié)霜仍然是一個比較嚴重的問題, 結(jié)霜時間約占熱泵整個運行時間的18. 83 % ～ 66. 49 %。在我國的東北地區(qū)、華北地區(qū)和西北地區(qū), 由于冬季氣候寒冷, 相對濕度較低, 空氣源熱泵結(jié)霜時間占整個運行時間的比例并不高, 平均約為30 %;而在我國的華東地區(qū)和中南地區(qū), 由于冬季室外空氣溫度不太低且相對濕度大, 空氣源熱泵機組的結(jié)霜時間占總運行時間的比例較高, 平均約為46 %;在西南地區(qū), 由于冬季室外干球溫度較高, 故結(jié)霜時間所占熱泵總運行時間的比例也不太高, 約為16. 35 %～ 31. 39 %。

 

  2) 機組按1 +2 模式運行后, 對各地區(qū)的結(jié)霜時間都有一定影響。其中影響較大的是華東地區(qū)、華中地區(qū)和西南地區(qū), 相對于1 +1 模式, 結(jié)霜時間減少了約40. 42 % ～ 82. 96 %, 這主要是因為增大室外蒸發(fā)器面積后, 空氣源熱泵機組的結(jié)霜條件由室外空氣干球溫度5. 8 ℃降至2. 2 ℃, 而這些地區(qū)冬季室外空氣溫度較高, 室外氣象參數(shù)落入A 區(qū)域內(nèi)的時間較長, 所以其結(jié)霜時間大為減少;而在東北地區(qū)、華北地區(qū)和西北地區(qū), 由于供暖季室外氣溫較低, 其室外氣象參數(shù)落在A 區(qū)域內(nèi)的時間并不長, 故這些地區(qū)機組結(jié)霜時間減少的比例較小, 約為5. 21 %～ 17. 23 %。

 

  綜上所述, 增大室外蒸發(fā)器面積后, 由于空氣源熱泵冷熱水機組蒸發(fā)溫度的提高, 延緩了其蒸發(fā)器表面的結(jié)霜, 使得熱泵機組在運行季節(jié)內(nèi)發(fā)生結(jié)霜的時間有所減少。但增大蒸發(fā)器面積, 意味著機組成本和初投資的增加, 若為此專門增大1 倍蒸發(fā)器面積, 是否合適, 應(yīng)進行全面綜合分析。

 

  3. 3 增大蒸發(fā)器面積對各地區(qū)延緩結(jié)霜的效果分析

 

  根據(jù)表1 , 按增大蒸發(fā)器面積后空氣源熱泵冷熱水機組結(jié)霜時間的減少程度, 即按延緩機組結(jié)霜效果將上述地區(qū)分為三類, 如圖5 所示。

 

  1) 效果一般地區(qū):主要指我國的東北、西北和增大蒸發(fā)器面積對各地區(qū)延緩結(jié)霜的效果分區(qū)華北的部分地區(qū)。這些地區(qū)冬季氣候寒冷, 溫度較低, 相對濕度也比較低, 本來結(jié)霜現(xiàn)象就不太嚴重,增大蒸發(fā)器面積對機組的結(jié)霜時間影響不大(減少了約5. 21 %～ 17. 23 %)。在這些地區(qū), 用增大蒸發(fā)器面積的方法來減少空氣源熱泵的除霜熱損失、提高機組的制熱性能效果一般, 是否值得采用須作進一步的經(jīng)濟分析。

 

  2) 效果良好地區(qū):主要是我國的華北、華東和華中的部分地區(qū), 代表城市有濟南、南京、武漢等。

 

  這些地區(qū)冬季空氣溫度較高, 相對濕度較大, 蒸發(fā)器面積增大1 倍后, 空氣源熱泵的結(jié)霜時間減少了約20. 04 %～ 40. 59 %。在這些地區(qū)用增大室外蒸發(fā)器面積的方法來延緩空氣源熱泵冷熱水機組的結(jié)霜, 效果較好。

 

  3) 效果顯著地區(qū):主要是我國的華東、中南和西南的大部分地區(qū), 代表城市有上海、南昌、杭州、桂林、長沙和成都等。在這些地區(qū), 冬季氣候比較溫暖又有供暖需要, 相對濕度很高, 空氣源熱泵運行結(jié)霜時間較長。蒸發(fā)器面積增大1 倍后, 結(jié)霜時間減少了約57. 77 %～ 82. 96 %。這些地區(qū)采用增大蒸發(fā)器面積的方法來延緩空氣源熱泵冷熱水機組結(jié)霜, 效果顯著, 應(yīng)積極采用, 以改善機組的結(jié)霜特性。

 

  4 結(jié)論及展望

 

  4. 1 室外蒸發(fā)器面積增大1 倍后, 空氣源熱泵冷熱水機組的蒸發(fā)溫度平均升高了2. 5 ℃左右, 對延緩室外蒸發(fā)器表面結(jié)霜有一定效果;在運行季節(jié)內(nèi), 機組的結(jié)霜時間減少了5. 21 %～ 82. 96 %, 表明不同地區(qū)的效果差異很大。

 

  4. 2 根據(jù)增大蒸發(fā)器面積對熱泵機組運行季節(jié)內(nèi)結(jié)霜時間減少的程度不同, 可將我國應(yīng)用空氣源熱泵的地區(qū)分為效果一般地區(qū)、效果良好地區(qū)和效果顯著地區(qū)。

 

  當(dāng)然, 增大室外蒸發(fā)器的面積, 意味著空氣源熱泵機組成本和用戶初投資的增加。在效果顯著地區(qū)值得采取;在效果良好地區(qū)應(yīng)進行全面綜合分析后方可實施;而在效果一般地區(qū), 不宜專門采用。

 

  但是, 傳統(tǒng)的空氣源熱泵冷熱水機組由多臺壓縮機組成, 每臺壓縮機都各自完成一個獨立的制冷回路, 在機組運行的大部分時間里, 系統(tǒng)都是部分負荷運行。此時, 部分壓縮機投入運行, 而與其余壓縮機相匹配的蒸發(fā)器均閑置不用, 造成了設(shè)備的很大浪費。此時若通過對其流程進行改進, 使得機組在部分負荷運行時閑置的蒸發(fā)器得到充分利用, 是很值得研究的一個問題。