0 引言

 

  空氣源熱泵在較低的環境溫度下工作時, 若蒸發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;若蒸發器表面溫度低于0℃, 則會結霜[ 1] 。結霜對熱泵性能有較大的影響,熱泵機組的供熱量、消耗功和性能系數均會隨結霜時間的延長而下降, 下降的幅度和室外氣象條件有關。若不及時除霜, 有可能使蒸發器的空氣通道完全堵塞、制冷劑不能完全蒸發、壓縮機可能發生回液, 導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霜, 對改善熱泵機組的運行特性和提高系統的制熱性能都有較大意義。而空氣源熱泵的蒸發器表面結霜除了與室外空氣參數, 如干球溫度、相對濕度等密切相關外, 還受蒸發器本身的結構形式、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器面積對蒸發溫度的影響, 并通過對我國空氣源熱泵主要應用地區代表性城市氣象資料的分析計算, 探討以下問題:

 

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

 

  2) 當室外蒸發器面積增大時, 在熱泵運行季節內減少的空氣源熱泵冷熱水機組的結霜時間有多長, 是否有意義等。

 

  1 空氣源熱泵冬季結霜特性及其影響

 

  1. 1 蒸發器表面結霜與空氣參數的關系

 

  結霜的機理及結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器結霜時,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霜的重要因素。圖1 是根據日本學者對不同空氣源熱泵機組的實驗結果擬合得到的曲線[ 5] , 可能結霜的氣象參數范圍為- 12. 8 ℃≤tw ≤5. 8 ℃, φ≥67 %。當tw >5. 8 ℃時, 可以不考慮結霜對熱泵的影響;當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 , 不會發生結霜現象;當tw <- 12. 8℃時, 由于空氣含濕量太小, 也不會發生結霜現象。

 

  由此可見, 若室外氣象參數落在圖中陰影區域, 就很可能會發生結霜現象。

 

  1. 2 蒸發器表面結霜對熱泵性能的影響

 

  空氣源熱泵室外蒸發器表面結霜對機組性能的影響國內外已有許多學者進行了實驗研究, 從中發現:1) 結霜堵塞蒸發器肋片間通道, 增加空氣流動阻力;2) 結霜增加換熱器熱阻, 換熱能力下降;3) 結霜導致熱泵機組蒸發溫度下降, 能效比降低,熱泵運行工況惡化, 嚴重時導致機組發生故障甚至停機;4) 除霜時的熱量損失導致熱泵制熱性能下降[ 6] 。文獻[ 7] 采用結霜除霜損失系數來研究空氣源熱泵結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霜除霜損失系數, 并根據各地區不同的氣候特點, 初步將我國劃分為低溫結霜區、輕霜區、重霜區和一般結霜區4 個區域。

 

  2 實驗簡介及結果分析

 

  2. 1  實驗簡介

 

  采用按照GB /T 17758 —1999 規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, 實驗工況如下。

 

  機組運行模式:1 臺壓縮機+1 個室外蒸發器(簡稱1 +1 模式)和1 臺壓縮機+2 個室外蒸發器(簡稱1 +2 模式, 與前者相比, 相當于將室外蒸發器面積增大1 倍);室外環境溫度: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 個室外蒸發器。本實驗中通過對電磁閥7 的開閉分別實現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  實驗結果及分析

 

  由于空氣源熱泵室外蒸發器表面結霜與否與其蒸發溫度關系密切, 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溫度, 實驗數據經整理后列于圖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溫度有所升高,這將有利于延緩空氣源熱泵機組的結霜, 減少熱泵除霜次數和結霜融霜的熱損失。在本實驗中, 當室外蒸發器面積增大1 倍后, 即實驗樣機由1 +1 運行模式變為1 +2 運行模式時, 機組的蒸發溫度te平均升高了約2. 5 ℃, 意味著室外蒸發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器的面積對延緩結霜有一定的效果。

 

  3 熱泵供熱季節內結霜時間的統計及分析

 

  3. 1 不同運行模式下結霜區域的確定

 

  由圖1 可知, 當室外空氣參數為- 12. 8 ℃≤tw ≤5. 8 ℃, φ≥67 %時, 常規的空氣源熱泵機組(相應于本文中實驗樣機的1 +1 運行模式)就會結霜。根據圖3 可得, 當tw =5. 8 ℃時機組的蒸發溫度te =- 2. 0 ℃。由于兩個蒸發器結構形式相同,可以認為機組在1 +2 模式下運行時, 也應該在蒸發溫度te =- 2. 0 ℃時蒸發器表面具備結霜條件。

 

  由此可得到增大室外蒸發器面積后, 機組開始結霜時所對應的室外干球溫度應為2. 2 ℃, 如圖3 所示。

 

  再根據圖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的結霜區域, 如圖4 所示。空氣源熱泵機組處于1 +1 模式時, 其蒸發器圖4 不同運行模式下機組的結霜區域

 

  表面結霜所對應的區域為(A +B)區域;而當機組處于1 +2 運行模式時, 其蒸發器表面發生結霜所對應的區域為B 區域。也就是說, A 區域即為室外蒸發器面積增大1 倍后, 其結霜可以得到延緩的室外氣象參數區域。

 

  3. 2  各地區結霜時間統計結果及分析

 

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

 

  為此, 筆者從我國可應用空氣源熱泵的各個地區選取了一些代表城市, 根據圖4 中的(A +B)區域和B 區域, 對其熱泵供熱季節內室外氣象資料進行統計計算, 分別得到1 +1 運行模式和1 +2 運行模式下機組發生結霜現象的時間, 如表1 所示。

 

  根據表1 可得出以下結論:

 

  1) 機組按1 +1 模式運行時, 結霜仍然是一個比較嚴重的問題, 結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、華北地區和西北地區, 由于冬季氣候寒冷, 相對濕度較低, 空氣源熱泵結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和中南地區, 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霜時間占總運行時間的比例較高, 平均約為46 %;在西南地區, 由于冬季室外干球溫度較高, 故結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, 對各地區的結霜時間都有一定影響。其中影響較大的是華東地區、華中地區和西南地區, 相對于1 +1 模式, 結霜時間減少了約40. 42 % ～ 82. 96 %, 這主要是因為增大室外蒸發器面積后, 空氣源熱泵機組的結霜條件由室外空氣干球溫度5. 8 ℃降至2. 2 ℃, 而這些地區冬季室外空氣溫度較高, 室外氣象參數落入A 區域內的時間較長, 所以其結霜時間大為減少;而在東北地區、華北地區和西北地區, 由于供暖季室外氣溫較低, 其室外氣象參數落在A 區域內的時間并不長, 故這些地區機組結霜時間減少的比例較小, 約為5. 21 %～ 17. 23 %。

 

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

 

  3. 3 增大蒸發器面積對各地區延緩結霜的效果分析

 

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

 

  1) 效果一般地區:主要指我國的東北、西北和增大蒸發器面積對各地區延緩結霜的效果分區華北的部分地區。這些地區冬季氣候寒冷, 溫度較低, 相對濕度也比較低, 本來結霜現象就不太嚴重,增大蒸發器面積對機組的結霜時間影響不大(減少了約5. 21 %～ 17. 23 %)。在這些地區, 用增大蒸發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濟分析。

 

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

 

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

 

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

 

  4 結論及展望

 

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

 

  4. 2 根據增大蒸發器面積對熱泵機組運行季節內結霜時間減少的程度不同, 可將我國應用空氣源熱泵的地區分為效果一般地區、效果良好地區和效果顯著地區。

 

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

 

  但是, 傳統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器均閑置不用, 造成了設備的很大浪費。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器得到充分利用, 是很值得研究的一個問題。