增大蒸發(fā)器面積對延緩空氣源熱泵冷熱水機組結霜的實(shí)驗與分析

  0 引言

 

  空氣源熱泵在較低的環(huán)境溫度下工作時(shí), 若蒸發(fā)器表面溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度, 空氣中的水分就會(huì )在盤(pán)管表面析出;若蒸發(fā)器表面溫度低于0℃, 則會(huì )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(huì )隨結霜時(shí)間的延長(cháng)而下降, 下降的幅度和室外氣象條件有關(guān)。若不及時(shí)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(fā)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(guān)外, 還受蒸發(fā)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(guò)實(shí)驗來(lái)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(guò)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(wèn)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)器表面結霜, 以及延緩的效果如何;

 

  2) 當室外蒸發(fā)器面積增大時(shí), 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(shí)間有多長(cháng), 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(fā)器表面結霜與空氣參數的關(guān)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(fā)器結霜時(shí),其表面溫度tfe 和空氣露點(diǎn)溫度tdew 需滿(mǎn)足式(1)。

 

  tfe ≤ 0 且tfe ≤ tdew (1)

 

  式(1)中空氣露點(diǎn)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(xué)者對不同空氣源熱泵機組的實(shí)驗結果擬合得到的曲線(xiàn)[ 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(shí), 可以不考慮結霜對熱泵的影響;當tw <5. 8 ℃,φ<67 %時(shí), 由于空氣露點(diǎn)溫度tdew 低于室外換熱器表面溫度tfe , 不會(huì )發(fā)生結霜現象;當tw <- 12. 8℃時(shí), 由于空氣含濕量太小, 也不會(huì )發(fā)生結霜現象。

 

  由此可見(jiàn), 若室外氣象參數落在圖中陰影區域, 就很可能會(huì )發(fā)生結霜現象。

 

  1. 2 蒸發(fā)器表面結霜對熱泵性能的影響

 

  空氣源熱泵室外蒸發(fā)器表面結霜對機組性能的影響國內外已有許多學(xué)者進(jìn)行了實(shí)驗研究, 從中發(fā)現:1) 結霜堵塞蒸發(fā)器肋片間通道, 增加空氣流動(dòng)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(fā)溫度下降, 能效比降低,熱泵運行工況惡化, 嚴重時(shí)導致機組發(fā)生故障甚至停機;4) 除霜時(shí)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(lái)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(gè)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(diǎn), 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(gè)區域。

 

  2 實(shí)驗簡(jiǎn)介及結果分析

 

  2. 1  實(shí)驗簡(jiǎn)介

 

  采用按照GB /T 17758 —1999 規定建造的焓差法實(shí)驗臺進(jìn)行實(shí)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(shí)驗工況如下。

 

  機組運行模式:1 臺壓縮機+1 個(gè)室外蒸發(fā)器(簡(jiǎn)稱(chēng)1 +1 模式)和1 臺壓縮機+2 個(gè)室外蒸發(fā)器(簡(jiǎn)稱(chēng)1 +2 模式, 與前者相比, 相當于將室外蒸發(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(shí)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(gè)室外蒸發(fā)器。本實(shí)驗中通過(guò)對電磁閥7 的開(kāi)閉分別實(shí)現1 +1 和1 +2 兩種模式, 并以此來(lái)研究?jì)煞N運行模式下機組的運行特性。

 

  2. 2  實(shí)驗結果及分析

 

  由于空氣源熱泵室外蒸發(fā)器表面結霜與否與其蒸發(fā)溫度關(guān)系密切, 因此, 在本實(shí)驗中, 分別測得機組在1 +1 模式和1 +2 模式下運行時(shí)的蒸發(fā)溫度, 實(shí)驗數據經(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霜, 減少熱泵除霜次數和結霜融霜的熱損失。在本實(shí)驗中, 當室外蒸發(fā)器面積增大1 倍后, 即實(shí)驗樣機由1 +1 運行模式變?yōu)? +2 運行模式時(shí), 機組的蒸發(fā)溫度te平均升高了約2. 5 ℃, 意味著(zhù)室外蒸發(fā)器的表面溫度也將隨著(zhù)升高約2. 5 ℃, 這充分表明增大室外蒸發(fā)器的面積對延緩結霜有一定的效果。

 

  3 熱泵供熱季節內結霜時(shí)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(shí), 常規的空氣源熱泵機組(相應于本文中實(shí)驗樣機的1 +1 運行模式)就會(huì )結霜。根據圖3 可得, 當tw =5. 8 ℃時(shí)機組的蒸發(fā)溫度te =- 2. 0 ℃。由于兩個(gè)蒸發(fā)器結構形式相同,可以認為機組在1 +2 模式下運行時(shí), 也應該在蒸發(fā)溫度te =- 2. 0 ℃時(shí)蒸發(fā)器表面具備結霜條件。

 

  由此可得到增大室外蒸發(fā)器面積后, 機組開(kāi)始結霜時(shí)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(shí)所對應的結霜區域, 如圖4 所示?？諝庠礋岜脵C組處于1 +1 模式時(shí), 其蒸發(fā)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(shí), 其蒸發(fā)器表面發(fā)生結霜所對應的區域為B 區域。也就是說(shuō), A 區域即為室外蒸發(fā)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(shí)間統計結果及分析

 

  空氣源熱泵冷熱水機組具有諸多優(yōu)點(diǎn), 作為集中空調的冷熱源, 近年來(lái)在我國發(fā)展很快, 目前在我國的長(cháng)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(shí)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(fā)器面積增大時(shí), 機組在上述地區冬季運行能減少多少結霜時(shí)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(gè)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(jìn)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(fā)生結霜現象的時(shí)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(shí), 結霜仍然是一個(gè)比較嚴重的問(wèn)題, 結霜時(shí)間約占熱泵整個(gè)運行時(shí)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(shí)間占整個(gè)運行時(shí)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(shí)間占總運行時(shí)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(shí)間所占熱泵總運行時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間較長(cháng), 所以其結霜時(shí)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(yíng) 區域內的時(shí)間并不長(cháng), 故這些地區機組結霜時(shí)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)器表面的結霜, 使得熱泵機組在運行季節內發(fā)生結霜的時(shí)間有所減少。但增大蒸發(fā)器面積, 意味著(zhù)機組成本和初投資的增加, 若為此專(zhuān)門(mén)增大1 倍蒸發(fā)器面積, 是否合適, 應進(jìn)行全面綜合分析。

 

  3. 3 增大蒸發(fā)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(fā)器面積后空氣源熱泵冷熱水機組結霜時(shí)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(lèi), 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(fā)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(lái)結霜現象就不太嚴重,增大蒸發(fā)器面積對機組的結霜時(shí)間影響不大(減少了約5. 21 %～ 17. 23 %)。在這些地區, 用增大蒸發(fā)器面積的方法來(lái)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(jìn)一步的經(jīng)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(fā)器面積增大1 倍后, 空氣源熱泵的結霜時(shí)間減少了約20. 04 %～ 40. 59 %。在這些地區用增大室外蒸發(fā)器面積的方法來(lái)延緩空氣源熱泵冷熱水機組的結霜, 效果較好。

 

  3) 效果顯著(zhù)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(cháng)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(shí)間較長(cháng)。蒸發(fā)器面積增大1 倍后, 結霜時(shí)間減少了約57. 77 %～ 82. 96 %。這些地區采用增大蒸發(fā)器面積的方法來(lái)延緩空氣源熱泵冷熱水機組結霜, 效果顯著(zhù), 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(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)器表面結霜有一定效果;在運行季節內, 機組的結霜時(shí)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(fā)器面積對熱泵機組運行季節內結霜時(shí)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(zhù)地區。

 

  當然, 增大室外蒸發(fā)器的面積, 意味著(zhù)空氣源熱泵機組成本和用戶(hù)初投資的增加。在效果顯著(zhù)地區值得采取;在效果良好地區應進(jìn)行全面綜合分析后方可實(shí)施;而在效果一般地區, 不宜專(zhuān)門(mén)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(gè)獨立的制冷回路, 在機組運行的大部分時(shí)間里, 系統都是部分負荷運行。此時(shí), 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, 造成了設備的很大浪費。此時(shí)若通過(guò)對其流程進(jìn)行改進(jìn), 使得機組在部分負荷運行時(shí)閑置的蒸發(fā)器得到充分利用, 是很值得研究的一個(gè)問(wèn)題。