增大蒸发器面积对延缓空气源热泵冷热水机组结霜的实验与分析

  0 引言

 

  空气源热泵在较低的环境温度下工作时, 若蒸发器表面温度低于空气的露点温度, 空气中的水分就会在盘管表面析出;若蒸发器表面温度低于0℃, 则会结霜[ 1] 。结霜对热泵性能有较大的影响,热泵机组的供热量、消耗功和性能系数均会随结霜时间的延长而下降, 下降的幅度和室外气象条件有关。若不及时除霜, 有可能使蒸发器的空气通道完全堵塞、制冷剂不能完全蒸发、压缩机可能发生回液, 导致热泵不能正常工作[ 2] 。因此, 延缓空气源热泵冷热水机组的结霜, 对改善热泵机组的运行特性和提高系统的制热性能都有较大意义。而空气源热泵的蒸发器表面结霜除了与室外空气参数, 如干球温度、相对湿度等密切相关外, 还受蒸发器本身的结构形式、肋片间距及面积等因素的影响[ 3] 。

 

  为此, 本文拟通过实验来研究改变空气源热泵冷热水机组蒸发器面积对蒸发温度的影响, 并通过对我国空气源热泵主要应用地区代表性城市气象资料的分析计算, 探讨以下问题:

 

  1) 增大室外蒸发器面积能否延缓空气/水热泵机组室外蒸发器表面结霜, 以及延缓的效果如何;

 

  2) 当室外蒸发器面积增大时, 在热泵运行季节内减少的空气源热泵冷热水机组的结霜时间有多长, 是否有意义等。

 

  1 空气源热泵冬季结霜特性及其影响

 

  1. 1 蒸发器表面结霜与空气参数的关系

 

  结霜的机理及结霜对传热的影响涉及因素很多, 一般认为空气源热泵机组室外蒸发器结霜时,其表面温度tfe 和空气露点温度tdew 需满足式(1)。

 

  tfe ≤ 0 且tfe ≤ tdew (1)

 

  式(1)中空气露点温度t dew 取决于空气的干球温度t w 和相对湿度φ, 因此, 室外空气的干球温度和相对湿度是影响热泵结霜的重要因素。图1 是根据日本学者对不同空气源热泵机组的实验结果拟合得到的曲线[ 5] , 可能结霜的气象参数范围为- 12. 8 ℃≤tw ≤5. 8 ℃, φ≥67 %。当tw >5. 8 ℃时, 可以不考虑结霜对热泵的影响;当tw <5. 8 ℃,φ<67 %时, 由于空气露点温度tdew 低于室外换热器表面温度tfe , 不会发生结霜现象;当tw <- 12. 8℃时, 由于空气含湿量太小, 也不会发生结霜现象。

 

  由此可见, 若室外气象参数落在图中阴影区域, 就很可能会发生结霜现象。

 

  1. 2 蒸发器表面结霜对热泵性能的影响

 

  空气源热泵室外蒸发器表面结霜对机组性能的影响国内外已有许多学者进行了实验研究, 从中发现:1) 结霜堵塞蒸发器肋片间通道, 增加空气流动阻力;2) 结霜增加换热器热阻, 换热能力下降;3) 结霜导致热泵机组蒸发温度下降, 能效比降低,热泵运行工况恶化, 严重时导致机组发生故障甚至停机;4) 除霜时的热量损失导致热泵制热性能下降[ 6] 。文献[ 7] 采用结霜除霜损失系数来研究空气源热泵结霜除霜对热泵供热性能的影响, 计算了我国15 个主要城市的平均结霜除霜损失系数, 并根据各地区不同的气候特点, 初步将我国划分为低温结霜区、轻霜区、重霜区和一般结霜区4 个区域。

 

  2 实验简介及结果分析

 

  2. 1  实验简介

 

  采用按照GB /T 17758 —1999 规定建造的焓差法实验台进行实验, 由恶劣工况室模拟室外气象条件, 将室外换热器置于恶劣工况室内, 实验工况如下。

 

  机组运行模式:1 台压缩机+1 个室外蒸发器(简称1 +1 模式)和1 台压缩机+2 个室外蒸发器(简称1 +2 模式, 与前者相比, 相当于将室外蒸发器面积增大1 倍);室外环境温度:10 ℃, 5 ℃, 0℃, - 5 ℃;供水温度:45 ℃;供回水温差:5 ℃。

 

  实验样机流程如图2 所示, 在设计的空气源热泵冷热水机组样机中采用了1 台ZR34K3 PFJ型涡旋压缩机和2 个室外蒸发器。本实验中通过对电磁阀7 的开闭分别实现1 +1 和1 +2 两种模式, 并以此来研究两种运行模式下机组的运行特性。

 

  2. 2  实验结果及分析

 

  由于空气源热泵室外蒸发器表面结霜与否与其蒸发温度关系密切, 因此, 在本实验中, 分别测得机组在1 +1 模式和1 +2 模式下运行时的蒸发温度, 实验数据经整理后列于图3 中。

 

  由图3 可以看出, 由于室外换热器面积的增大, 空气源热泵冷热水机组的蒸发温度有所升高,这将有利于延缓空气源热泵机组的结霜, 减少热泵除霜次数和结霜融霜的热损失。在本实验中, 当室外蒸发器面积增大1 倍后, 即实验样机由1 +1 运行模式变为1 +2 运行模式时, 机组的蒸发温度te平均升高了约2. 5 ℃, 意味着室外蒸发器的表面温度也将随着升高约2. 5 ℃, 这充分表明增大室外蒸发器的面积对延缓结霜有一定的效果。

 

  3 热泵供热季节内结霜时间的统计及分析

 

  3. 1 不同运行模式下结霜区域的确定

 

  由图1 可知, 当室外空气参数为- 12. 8 ℃≤tw ≤5. 8 ℃, φ≥67 %时, 常规的空气源热泵机组(相应于本文中实验样机的1 +1 运行模式)就会结霜。根据图3 可得, 当tw =5. 8 ℃时机组的蒸发温度te =- 2. 0 ℃。由于两个蒸发器结构形式相同,可以认为机组在1 +2 模式下运行时, 也应该在蒸发温度te =- 2. 0 ℃时蒸发器表面具备结霜条件。

 

  由此可得到增大室外蒸发器面积后, 机组开始结霜时所对应的室外干球温度应为2. 2 ℃, 如图3 所示。

 

  再根据图1 可得出空气源热泵冷热水机组处于不同运行模式时所对应的结霜区域, 如图4 所示。空气源热泵机组处于1 +1 模式时, 其蒸发器图4 不同运行模式下机组的结霜区域

 

  表面结霜所对应的区域为(A +B)区域;而当机组处于1 +2 运行模式时, 其蒸发器表面发生结霜所对应的区域为B 区域。也就是说, A 区域即为室外蒸发器面积增大1 倍后, 其结霜可以得到延缓的室外气象参数区域。

 

  3. 2  各地区结霜时间统计结果及分析

 

  空气源热泵冷热水机组具有诸多优点, 作为集中空调的冷热源, 近年来在我国发展很快, 目前在我国的长江流域、黄河流域等地区应用十分广泛,甚至天津、西安等地也有应用实例, 这表明其应用范围有北扩的趋势。那么当空气源热泵室外蒸发器面积增大时, 机组在上述地区冬季运行能减少多少结霜时间、是否有意义呢

 

  为此, 笔者从我国可应用空气源热泵的各个地区选取了一些代表城市, 根据图4 中的(A +B)区域和B 区域, 对其热泵供热季节内室外气象资料进行统计计算, 分别得到1 +1 运行模式和1 +2 运行模式下机组发生结霜现象的时间, 如表1 所示。

 

  根据表1 可得出以下结论:

 

  1) 机组按1 +1 模式运行时, 结霜仍然是一个比较严重的问题, 结霜时间约占热泵整个运行时间的18. 83 % ～ 66. 49 %。在我国的东北地区、华北地区和西北地区, 由于冬季气候寒冷, 相对湿度较低, 空气源热泵结霜时间占整个运行时间的比例并不高, 平均约为30 %;而在我国的华东地区和中南地区, 由于冬季室外空气温度不太低且相对湿度大, 空气源热泵机组的结霜时间占总运行时间的比例较高, 平均约为46 %;在西南地区, 由于冬季室外干球温度较高, 故结霜时间所占热泵总运行时间的比例也不太高, 约为16. 35 %～ 31. 39 %。

 

  2) 机组按1 +2 模式运行后, 对各地区的结霜时间都有一定影响。其中影响较大的是华东地区、华中地区和西南地区, 相对于1 +1 模式, 结霜时间减少了约40. 42 % ～ 82. 96 %, 这主要是因为增大室外蒸发器面积后, 空气源热泵机组的结霜条件由室外空气干球温度5. 8 ℃降至2. 2 ℃, 而这些地区冬季室外空气温度较高, 室外气象参数落入A 区域内的时间较长, 所以其结霜时间大为减少;而在东北地区、华北地区和西北地区, 由于供暖季室外气温较低, 其室外气象参数落在A 区域内的时间并不长, 故这些地区机组结霜时间减少的比例较小, 约为5. 21 %～ 17. 23 %。

 

  综上所述, 增大室外蒸发器面积后, 由于空气源热泵冷热水机组蒸发温度的提高, 延缓了其蒸发器表面的结霜, 使得热泵机组在运行季节内发生结霜的时间有所减少。但增大蒸发器面积, 意味着机组成本和初投资的增加, 若为此专门增大1 倍蒸发器面积, 是否合适, 应进行全面综合分析。

 

  3. 3 增大蒸发器面积对各地区延缓结霜的效果分析

 

  根据表1 , 按增大蒸发器面积后空气源热泵冷热水机组结霜时间的减少程度, 即按延缓机组结霜效果将上述地区分为三类, 如图5 所示。

 

  1) 效果一般地区:主要指我国的东北、西北和增大蒸发器面积对各地区延缓结霜的效果分区华北的部分地区。这些地区冬季气候寒冷, 温度较低, 相对湿度也比较低, 本来结霜现象就不太严重,增大蒸发器面积对机组的结霜时间影响不大(减少了约5. 21 %～ 17. 23 %)。在这些地区, 用增大蒸发器面积的方法来减少空气源热泵的除霜热损失、提高机组的制热性能效果一般, 是否值得采用须作进一步的经济分析。

 

  2) 效果良好地区:主要是我国的华北、华东和华中的部分地区, 代表城市有济南、南京、武汉等。

 

  这些地区冬季空气温度较高, 相对湿度较大, 蒸发器面积增大1 倍后, 空气源热泵的结霜时间减少了约20. 04 %～ 40. 59 %。在这些地区用增大室外蒸发器面积的方法来延缓空气源热泵冷热水机组的结霜, 效果较好。

 

  3) 效果显著地区:主要是我国的华东、中南和西南的大部分地区, 代表城市有上海、南昌、杭州、桂林、长沙和成都等。在这些地区, 冬季气候比较温暖又有供暖需要, 相对湿度很高, 空气源热泵运行结霜时间较长。蒸发器面积增大1 倍后, 结霜时间减少了约57. 77 %～ 82. 96 %。这些地区采用增大蒸发器面积的方法来延缓空气源热泵冷热水机组结霜, 效果显著, 应积极采用, 以改善机组的结霜特性。

 

  4 结论及展望

 

  4. 1 室外蒸发器面积增大1 倍后, 空气源热泵冷热水机组的蒸发温度平均升高了2. 5 ℃左右, 对延缓室外蒸发器表面结霜有一定效果;在运行季节内, 机组的结霜时间减少了5. 21 %～ 82. 96 %, 表明不同地区的效果差异很大。

 

  4. 2 根据增大蒸发器面积对热泵机组运行季节内结霜时间减少的程度不同, 可将我国应用空气源热泵的地区分为效果一般地区、效果良好地区和效果显著地区。

 

  当然, 增大室外蒸发器的面积, 意味着空气源热泵机组成本和用户初投资的增加。在效果显著地区值得采取;在效果良好地区应进行全面综合分析后方可实施;而在效果一般地区, 不宜专门采用。

 

  但是, 传统的空气源热泵冷热水机组由多台压缩机组成, 每台压缩机都各自完成一个独立的制冷回路, 在机组运行的大部分时间里, 系统都是部分负荷运行。此时, 部分压缩机投入运行, 而与其余压缩机相匹配的蒸发器均闲置不用, 造成了设备的很大浪费。此时若通过对其流程进行改进, 使得机组在部分负荷运行时闲置的蒸发器得到充分利用, 是很值得研究的一个问题。