貴陽地區(qū)空氣源熱泵結(jié)霜規(guī)律及抑霜策略研究

楊雅鑫,毛瑞勇,趙 麒,胡 澄,田茂軍

(1.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025; 2.長春工程學(xué)院 能源動力工程學(xué)院,吉林 長春 130012)

0 引言

貴陽冬季采暖使用空氣源熱泵的覆蓋率占總采暖形式的45%，而該地區(qū)冬季濕度普遍偏高，致使空氣源熱泵運(yùn)行極易結(jié)霜，頻繁化霜對室內(nèi)舒適度、機(jī)組能效及使用壽命均產(chǎn)生不利影響，由此引發(fā)眾多學(xué)者對空氣源熱泵結(jié)霜及除霜問題的研究探討。

關(guān)于空氣源熱泵結(jié)霜問題，前人通過實驗測試、建立結(jié)霜模型及理論分析等方面已有許多突破。劉業(yè)鳳[1]指出霜層密度與霜層導(dǎo)熱系數(shù)是研究霜層形成的主要參數(shù)，但其影響因素較為復(fù)雜，故該研究方向較少。董文剛[2]通過引入熱電阻、熱動勢建立新的能量流模型，用以對蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)分析及優(yōu)化設(shè)計。姚楊[3]考慮了制冷劑兩相流對模型的影響，分別對空氣源熱泵室外蒸發(fā)器和室外空氣側(cè)建立分布參數(shù)模型并求解，得出壓縮機(jī)的軸功率和空氣側(cè)換熱量隨著相對濕度的增加而減少；期間又根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和Clapeyron- Clausius方程推導(dǎo)出用于計算霜密度變化的結(jié)霜量變化率，為后來模型的建立提供依據(jù)。霜層密度與霜層厚度均是時間函數(shù),在結(jié)霜量計算中認(rèn)為霜層密度不變，會導(dǎo)致機(jī)組因霜量計算不準(zhǔn)確而判斷誤除霜。龔光彩[4]建立霜層、蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑側(cè)及外部空氣側(cè)模型，利用Cyclepad軟件進(jìn)行空氣源熱泵結(jié)霜過程仿真模擬；利用柏金漢定理，推導(dǎo)出5個無量綱準(zhǔn)則，得出結(jié)霜量計算公式。但是建模是定量分析，其中的各項系數(shù)因地而異，不能統(tǒng)一而定。近些年，通過相關(guān)的熱力學(xué)軟件，建立新的結(jié)霜模型，并輔以理論分析的科研成就增多。Huee-Youl Ye[5]考慮霜量增加引起翅片堵塞導(dǎo)致的換熱量下降的影響因素，提出新的結(jié)霜模型，證實有霜工況下，壓力損失系數(shù)與阻塞率呈相關(guān)關(guān)系。隨后提出應(yīng)及時排出冷凝水或者增大風(fēng)扇功率用以提高空氣側(cè)換熱效率。Yoon Chung[6]通過改進(jìn)的ε-NTU法建立了不同結(jié)霜工況下的霜層生長速率模型，并給出相應(yīng)的性能變化情況。國外學(xué)者大多針對純理論分析的研究，并沒有實驗佐以驗證模型，故模型在實際結(jié)霜過程的可靠性有待考究。

近幾年關(guān)于空氣源熱泵除霜的探討層出不窮。Jin Woo Yoo[7]通過實驗及圖像處理提出了一種霜量計算方法，從而確定最佳除霜時間，但該法對觀測設(shè)備要求較高，工程中難以應(yīng)用。宋孟杰[8]量化金屬儲能對除霜性能的影響，通過增大室外線圈，發(fā)現(xiàn)金屬儲能效能由正變負(fù)，使得除霜效率提升，雖然該種除霜方法易行，但提升除霜效能并不顯著，可以用作輔助除霜的手段。董建鍇[9]提出一種由癸酸-月桂酸新型相變蓄能介質(zhì)，加入相變蓄能裝置的逆循環(huán)除霜方法與傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜方法相比，除霜時間縮短60%，蓄能介質(zhì)除霜研究的較為成熟，新型蓄能介質(zhì)開發(fā)應(yīng)從減小蓄能裝置體積考慮。

由于貴州特殊的地理氣候環(huán)境造成的結(jié)霜規(guī)律與以往的成果存在差異，且目前針對空氣源熱泵結(jié)霜工況的實測研究較少，因此有必要對以貴州為代表的雙高地區(qū)(高含濕量，高相對濕度)開展空氣源熱泵在冬季實際工況下結(jié)霜對機(jī)組性能影響研究，并提出相應(yīng)的抑霜方法以解決頻繁除霜帶給室內(nèi)人員的不舒適感問題。

1 試驗簡介

1.1 試驗概況

目前貴陽地區(qū)空氣源熱泵使用場合多為公共建筑，使用時段多為早9:00-晚7:00。本實驗對一臺制熱量為3 400 W的空調(diào)機(jī)組進(jìn)行為期一個冬季時段的結(jié)霜測試。

1.2 測試對象

測試對象為貴陽某高校某學(xué)院一間辦公室，設(shè)有空氣源熱泵一臺，利用傳統(tǒng)的空氣源熱泵供熱系統(tǒng)供熱?？諝庠礋岜檬覂?nèi)外側(cè)換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，熱泵性能如表2所示。

表1 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)表

換熱器換熱面積/m2管排數(shù)/排管間距/mm管徑/mm分液路數(shù)/路長度/mm管徑/mm翅片間距/mm冷凝器3.9922171251571.5蒸發(fā)器4.7712171270071.3

表2 測試熱泵性能參數(shù)表

空氣源熱泵性能參數(shù)額定電流/A5.08(0.92-5.77)額定功率/W1 100(200-1 250)制熱量/W3 400(700-3 600)排/吸氣側(cè)最高工作壓力/MPa4.2/1.5制冷劑/gR410A/830理論SEER值4.5

2 試驗過程

2.1 試驗方法

測點(diǎn)分布如圖1所示，在不同溫度濕度工況開啟機(jī)組，觀察結(jié)霜狀況，記錄工況參數(shù)，得出空氣源熱泵在高濕地區(qū)實際運(yùn)行的結(jié)霜規(guī)律。主要測試壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度、壓力，毛細(xì)管前后壓力，冷凝器進(jìn)出溫濕度，蒸發(fā)器進(jìn)出口溫濕度，蒸發(fā)器管路數(shù)壁面溫度，蒸發(fā)器之前流量，室外機(jī)室內(nèi)機(jī)進(jìn)出口風(fēng)速。通過所測數(shù)據(jù)計算空調(diào)機(jī)組的制熱量，性能系數(shù)COP及壓縮機(jī)壓縮比等機(jī)組性能評價參數(shù)。

圖1 測點(diǎn)分布圖1-壓縮機(jī)；2-氣液分離器；3-儲液器；4-蒸發(fā)器；5-毛細(xì)管；6-干燥過濾器；7-冷凝器；8-四通換向閥

2.2 結(jié)霜堵塞過程試驗

綜合整個季度結(jié)霜工況時間段分析，貴陽冬季溫度集中在4～6℃，濕度范圍在75%～85%之間。故以t環(huán)境≈4～6℃，RH≈75%～85%為基礎(chǔ)工況。通過測試不同結(jié)霜程度時室外機(jī)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速，與未結(jié)霜時進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速作比，以風(fēng)速為原初始風(fēng)速的10%～90%作為堵塞程度標(biāo)準(zhǔn)，即風(fēng)速的10%對應(yīng)堵塞程度90%，以此類推。整個實驗周期是先開機(jī)，記錄不同時刻的機(jī)組性能參數(shù)，直至堵塞至100%，關(guān)機(jī)化霜。

2.3 結(jié)霜量試驗

通過測量結(jié)霜量，分析霜量與空氣中含濕量的關(guān)系。霜量測量分為兩部分：一是對化霜水的收集；二是計算粘附在翅片表面的化霜水液膜。

2.4 抑霜實驗

利用伴熱帶固定在制冷劑主要分液管道上，用以提升蒸發(fā)器壁面溫度，進(jìn)而延長結(jié)霜初期時間抑制結(jié)霜。

3 結(jié)果分析與討論

本研究通過做以下四組實驗，分別得出相同濕度不同溫度工況下機(jī)組的性能參數(shù)變化情況；相同溫度不同濕度工況下機(jī)組結(jié)霜量與室外環(huán)境含濕量變化情況；抑霜與正常運(yùn)行結(jié)霜工況性能對比；結(jié)霜堵塞過程各管道壁溫的變化情況對分階段結(jié)霜的影響及堵塞各個階段性能參數(shù)變化情況。

3.1 結(jié)霜影響因素研究試驗

3.1.1 相同濕度不同溫度工況機(jī)組性能研究試驗

由于實測實驗很難控制外界環(huán)境溫度，假設(shè)在一段溫差內(nèi)進(jìn)行實驗，認(rèn)為溫度在該段時間內(nèi)不變，含濕量取該時間段內(nèi)平均值。試驗工況如表3所示，對各個工況進(jìn)行空氣源熱泵結(jié)霜實驗，得出結(jié)霜對機(jī)組性能影響如圖2～圖7所示：

由圖2～圖5可知，結(jié)霜工況為非正常工況，機(jī)組性能變化曲線波動較大，系統(tǒng)較不穩(wěn)定，但結(jié)合結(jié)霜工況可以得出：

表3 不同室外溫度結(jié)霜工況表

工況溫度范圍/℃相對濕度RH/[%]含濕量d/g/kg-1·干A-1～270～803.505B2～470～804.31C4～670～805.201D6～870～805.31

圖2 A工況機(jī)組性能曲線圖

圖3 B工況機(jī)組性能曲線圖

圖4 C工況機(jī)組性能曲線圖

圖5 D工況機(jī)組性能曲線圖

(1)不論何種溫度范圍，制熱量QK總是在機(jī)組開機(jī)后先激增，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后繼而衰減，此衰減程度持續(xù)至室外側(cè)蒸發(fā)器開始結(jié)霜，結(jié)霜初期，霜層表面不均勻密實，增加了翅片與外界換熱的表面積，故結(jié)霜初期機(jī)組制熱量增加。而后隨著霜層加厚，導(dǎo)熱熱阻加大；霜量的增加，使得翅片通道堵塞，阻礙翅片與外界空氣換熱，故換熱量緩慢降低。

(2)壓縮機(jī)功率變化趨勢相較于制熱量而言較為穩(wěn)定，起勢平緩，但總體趨勢仍由開機(jī)的逐漸升高，隨著霜量的增加而緩慢下降。

(3)性能系數(shù)COP變化趨勢與制熱量有類似變化趨勢，其中圖5在機(jī)組運(yùn)行后期出現(xiàn)COP性能升高現(xiàn)象可能是由于機(jī)組在起始至運(yùn)行97 min并沒有結(jié)霜，此后開始結(jié)霜，結(jié)霜初期有助于換熱，故COP性能增加，而運(yùn)行至104 min后，霜量影響機(jī)組的運(yùn)行效能，故COP下降。除C工況外，結(jié)霜初期COP值均有所升高，C工況可能原因是制熱量QK在當(dāng)次實驗換熱很少，機(jī)組運(yùn)行功率偏低，故而COP值偏低且無起伏變化。

圖6 不同結(jié)霜工況制熱量隨時間變化曲線圖

圖7 不同結(jié)霜工況COP隨時間變化曲線圖

為得出貴陽地區(qū)最適宜結(jié)霜溫度范圍，對各結(jié)霜溫度進(jìn)行單性能參數(shù)對比，如圖6～圖7所示，壓縮機(jī)在6～8℃溫度范圍內(nèi)，制熱效果最好，性能系數(shù)最高，壓縮比最小。實測實驗中，6～8℃為不穩(wěn)定結(jié)霜范圍，有不結(jié)霜的可能性，這與當(dāng)次實測實驗所處風(fēng)速有關(guān)。當(dāng)室外溫度高于8℃，不論濕度為何種范圍，室外側(cè)換熱器絕不會結(jié)霜。

3.1.2 相同溫度不同濕度工況結(jié)霜量與含濕量關(guān)系試驗

為得到空氣中含濕量對應(yīng)結(jié)霜量的關(guān)系，測試了結(jié)霜溫度范圍下不同相對濕度對應(yīng)的含濕量與結(jié)霜量，如圖8所示。

圖8 不同工況下含濕量與實測霜量的關(guān)系

實驗結(jié)果顯示-1～2℃溫度最低，其空氣中的含濕量較小，即適當(dāng)?shù)慕禍乜梢愿稍锟諝?，使得霜量減少；4～6℃含濕量最大，且結(jié)霜量最多；其次為2～4℃。由實測得知6～8℃為結(jié)霜溫度不明朗區(qū)，盡管含濕量較大，但結(jié)霜之前先生成冷凝水，由于洗脫作用，霜還未粘附在翅片表面就被空氣帶走，故霜量并不大。

3.2 結(jié)霜堵塞程度影響實驗

結(jié)合圖9～圖10可以得出，蒸發(fā)器表面溫度上部第2排進(jìn)口蒸發(fā)溫度最高，中部第4排進(jìn)口蒸發(fā)溫度最低。由于風(fēng)扇正吹蒸發(fā)器中間第四排，溫度分布呈現(xiàn)兩側(cè)高中間低，故中部第四排先結(jié)霜；上部第二排與第四排周圍空氣溫度略高于中部第四排，故后結(jié)霜。

圖9 蒸發(fā)溫度隨堵塞程度變化曲線圖

圖10 結(jié)霜堵塞過程的熱溫度場

初始壁面溫度與外界環(huán)境溫度相差不大，說明結(jié)霜初期，室外機(jī)蒸發(fā)器側(cè)制冷效果良好，使得蒸發(fā)溫度驟降。堵塞20%～70%，溫度梯度較小，仍呈下降趨勢，直至堵塞90%霜層基本將感溫探頭覆蓋，溫度驟降。翅片通道被霜阻塞，不能與外界進(jìn)行換熱，室內(nèi)機(jī)制熱效率急劇下降，停機(jī)除霜。

圖11 中部4th管道蒸發(fā)溫度隨堵塞程度變化曲線圖

圖12 上部4th管道蒸發(fā)溫度隨堵塞程度變化曲線圖

圖11～圖12分別給出最低、最高蒸發(fā)溫度通道在各個溫度工況下隨著堵塞程度變化情況。未結(jié)霜至堵塞10%溫度下降即為迅速，原因同上。中部第四排蒸發(fā)溫度在堵塞20%～40%較為平緩，上部第四排蒸發(fā)溫度在堵塞20%～60%相對平緩,故可考慮分階段抑霜，先結(jié)霜管段先抑霜，后結(jié)霜管段后抑霜，使得機(jī)組性能提升。

通過堵塞實驗，得出機(jī)組性能參數(shù)隨堵塞程度變化如圖13所示。實驗結(jié)果顯示機(jī)組運(yùn)行開始至堵塞程度為10%時，制熱量、壓縮比略有升高，一方面結(jié)霜初期是先結(jié)露后結(jié)霜，從無露到結(jié)露，從結(jié)露到結(jié)霜的過程都是相變過程，相變過程強(qiáng)化傳熱；另一方面霜層初始形成以后，不均勻的霜層會增大翅片表面積，使得換熱量增加。霜層表面溫度、制熱量在堵塞至40%之后有所上升，這是由于機(jī)組自我保護(hù)裝置發(fā)出信號，自動變?yōu)楦哳l，高頻持續(xù)運(yùn)行至堵塞程度為60%，性能系數(shù)COP與制熱量驟降。隨著機(jī)組運(yùn)行時間延長，壓縮機(jī)性能急劇下降，當(dāng)堵塞程度為100%時，此時需進(jìn)行除霜。壓縮機(jī)功率隨著霜量的增加而勻速下降。COP隨著堵塞程度的增加，其變化趨勢與制熱量有所相似。

圖13 機(jī)組運(yùn)行性能隨堵塞程度變化曲線圖

3.2 抑霜與未抑霜運(yùn)行結(jié)霜工況性能對比

針對分階段抑霜方法，對表3工況進(jìn)行抑霜實驗，并與未抑霜工況進(jìn)行性能對比，其結(jié)果如圖14～圖15所示。為精確控制室外環(huán)境溫濕度，本實驗在人工環(huán)境室完成。

經(jīng)過抑霜的制熱量約為未抑霜的制熱量1.15倍。機(jī)組運(yùn)行較為穩(wěn)定，在運(yùn)行至18 min附近后制熱效果達(dá)到最佳，此時結(jié)霜初期換熱效果明顯增強(qiáng)，隨后進(jìn)入結(jié)霜中后期，其制熱量下降坡度逐漸變緩，至結(jié)霜末期停機(jī)化霜。為防止霜量繼續(xù)增加，進(jìn)入結(jié)霜初期后開啟伴熱帶，伴熱帶先后順序根據(jù)翅片管道中部第2排→下部管道→上部第2排。經(jīng)過抑霜的結(jié)霜初期時間較未抑霜的結(jié)霜初期時間長約22 min。在抑霜工況中，以溫度工況為2～4℃制熱量最高，運(yùn)行時間最長,COP最高；該工況下，抑霜較不抑霜COP高出1.71。未抑霜的工況下，4～6℃換熱效果最好，這與實測相差一個溫度梯度，其原因是實測時，溫度工況不穩(wěn)定，波動的溫度時高時低，結(jié)霜不充分會造成結(jié)露，加劇換熱效果。在人工環(huán)境室進(jìn)行實驗，溫度、濕度變化幅度范圍較小，具備結(jié)霜充分的條件，結(jié)露較少，換熱不明顯。圖16給出分階段抑霜實測效果圖，可見在主要通道開啟伴熱帶，使要塞通道壁面溫度升高，有助于抑制霜的生長。

總結(jié)分階段抑霜實驗得出在各溫度工況下抑霜換熱效果均比不抑霜效果好，抑霜與不抑霜工況總的運(yùn)行時間基本不變，但抑霜使得結(jié)霜初期延長，使室內(nèi)換熱充分，人員舒適度有所提升，故分階段抑霜方法效果明顯，為實現(xiàn)降低頻繁除霜不舒適度提供理論支持。

圖14 不同溫度工況抑霜/未抑霜制熱量對比曲線圖

圖15 不同溫度工況抑霜/未抑霜COP對比曲線圖

圖16 分階段抑霜實測效果圖

3.3 機(jī)組的SCOP

通過測試該熱泵于整個冬季時段的室內(nèi)累計制熱量及累計供暖耗電量,得出制熱季節(jié)期間，空調(diào)器進(jìn)行熱泵制熱運(yùn)行累計制熱量及累計供暖耗電量之比SCOP，如圖17所示。經(jīng)計算，該熱泵機(jī)組整個冬季時段SCOP平均為2.11，峰谷差達(dá)3.4。SCOP在16～18℃最高，由于室內(nèi)溫度較高，故熱泵達(dá)到設(shè)置溫度并不需要耗費(fèi)很多電量，其次為6～8℃，此溫度范圍為結(jié)霜不明朗區(qū)，結(jié)露會沖刷翅片表面，洗脫作用使得換熱量增加，霜形成后，霜層較薄，堵塞情況不至于惡劣，致使機(jī)組運(yùn)行良好。在8～16℃工況里，SCOP略有下降因為制熱同時去除環(huán)境中空氣的濕量，由于貴陽地區(qū)特殊的地理氣候環(huán)境，造成該地區(qū)即便在溫度不低的情況，依然體感很冷，需通過供熱使室內(nèi)干燥。在2～6℃，結(jié)霜情況嚴(yán)重，故SCOP較低。最惡劣溫度工況-1～2℃持續(xù)時間較短，且每次運(yùn)行結(jié)霜較快，機(jī)組運(yùn)行時間較短導(dǎo)致停機(jī)，故SCOP相對較高。

圖17 供暖季不同溫度工況范圍SCOP值

4 結(jié)論

針對貴陽地區(qū)開展由溫度、濕度引起的空氣源熱泵結(jié)霜規(guī)律實驗，得出以下結(jié)論：

(1)溫度影響結(jié)霜速率快慢，空氣中含濕量決定結(jié)霜量多少。高濕地區(qū)結(jié)霜現(xiàn)象是單位時間生成霜量大且結(jié)霜迅速造成機(jī)組頻繁除霜，但隨著室外溫度降低，空氣中含濕量降低，結(jié)霜量減少，整個制熱周期不會產(chǎn)生過多霜量。

(2)以貴陽為代表的雙高地區(qū)(高含濕量高相對濕度)結(jié)霜工況需同時滿足t環(huán)境≤6℃，RH≥75%。6～8℃為結(jié)霜工況的不明朗溫度區(qū)，結(jié)霜不穩(wěn)定會過渡成結(jié)露工況，冷凝水洗脫作用會使機(jī)組換熱效率增加，建議高濕地區(qū)在8℃以上使用空氣源熱泵作為熱源。

(3)結(jié)霜堵塞程度為10%時，機(jī)組各方面性能達(dá)到最優(yōu)，結(jié)霜初期有助于換熱，繼續(xù)結(jié)霜，霜布滿翅片管具有時間的不一致性，考慮先結(jié)先抑，后結(jié)后抑的分段抑霜手段。

(4)針對分階段抑霜方法，提出一種將伴熱帶纏繞在室外機(jī)蒸發(fā)器主要通道處，分時段開啟伴熱帶，延長結(jié)霜初期時間約22 min，抑霜效果明顯。

(5)實測得知該套熱泵機(jī)組在貴陽地區(qū)供暖季的SCOP達(dá)2.11，峰谷差達(dá)3.4，即溫度低于6℃時應(yīng)及時抑霜或除霜，使耗電量降低。