低溫條件下的空氣源熱水器防霜性能實測分析

黃海 黃如

【摘 要】空氣源熱水器在低溫環境下不能穩定運行是比較常見的，主要是因為空氣源熱泵熱水器的除霜性能不佳，但隨著科學技術的不斷發展，這一難題正逐漸得到攻克。文章介紹了新型的具有防霜作用的低溫空氣源熱水器，并意實測對低溫條件下的空氣源熱水器防霜性能進行了測試，最后對結果進行了分析。

【關鍵詞】空氣源熱水器；防霜性能；實驗測試；結果分析

【中圖分類號】 TM925.32【文獻標識碼】 A【文章編號】1672-5158（2013）07-0009-02

空氣源熱水器產品在中國推出以來，已有一段時間，并被一部分消費者所認識。普通的空氣源熱水系統已經在我國多數地區得到較好的應用。但是在冬季空氣濕度比較大的濕冷地區，隨著室外空氣溫度的降低，制冷劑吸氣比容增大、機組吸氣量減小、制熱量下降，而此時恰是末端用戶需熱量最大的時候，機組供熱能力無法滿足末端用戶的供熱需求。針對空氣源熱泵熱水器在低溫環境下的適用性問題，系列研究工作相繼展開。近年來，隨著研究的不斷深入，具有防霜作用的低溫空氣源熱水器相繼出現，那么該技術在低溫條件的運行效果如何，其防霜性能是否能達到要求，就成為了業界人士十分關心的問題。

1 防霜低溫空氣源熱泵系統概述

圖1給出了防霜低溫空氣源熱泵系統流程圖，根據不同室外氣象條件，通過電磁閥切換，該系統可以實現空氣源熱泵防霜循環、低溫循環、除霜循環和制冷循環等不同運行模式。各種運行模式如下：

（1）防霜循環：1→2→3→VO1→4→ED3→5→EX2→6→2→4→1，ED2關閉，ED3打開，ED1關閉；

（2）低溫循環：1→2→3→VO1→4→ED2→EX2→6→2→4→1，ED3關閉，ED2打開，ED1打開；4→ED1→7→1（噴氣增焓循環）

（3）除霜/制冷循環：1→2→6→VO3→5→ED3→4→EX1→3→2→1，ED1關閉，ED2關閉，ED3打開。

1-壓縮機；2-四通換向閥；3-室內換熱器；4-雙向儲液器；5-防霜盤管；6-室外換熱器；

7-閃蒸器；EX1、EX2-節流閥；VO1、VO2-單向閥；ED1～ED3-電磁閥

該防霜低溫空氣源熱泵新流程具有如下特點：

（1）全年高效運行，區域適應性強。通過噴氣增焓技術，可確保機組在較低室外空氣溫度下正常運行，解決空氣源熱泵低溫下排氣溫度高、制熱量不足的問題。

（2）采用防霜盤管，預熱室外空氣從而延緩結霜，提高機組運行效率和可靠性。

（3）采用雙向儲液器，從而使儲液器和氣液分離器合二為一，不僅簡化了系統流程，而且能夠實現節流前過冷、吸氣過熱，進一步提高機組的效率，保證機組的安全運行。

2 實驗測試及結果分析

依據系統流程，研制了一臺型號為RF14WG的分體式防霜低溫熱泵樣機，額定制熱量為14kW。樣機選配了一臺具有噴氣功能的5HP渦旋壓縮機，毛細管長度為1.25m，制冷劑為R22。冷凝器單流程長度為0.83m，分7路，12流程，3排布置，風量2800m3/h。蒸發器單流程長度為1.285m，分6路，12流程，2排布置，風量為7600m3/h。通過實驗測試，對防霜低溫空氣源熱泵樣機在低溫環境下的運行特性以及結霜工況下機組的防霜特性進行了相關的實驗研究。

2.1 低溫環境噴氣增焓運行模式實驗結果分析

在低溫環境運行時，根據閥門的切換實現三種不同的噴氣增焓運行模式：

（1）模式1：閥門ED1開，ED2開，ED3關。

（2）模式2：閥門ED1關，ED2開，ED3關，即傳統空氣源熱泵運行模式。

（3）模式3：閥門ED1開，ED2關，ED3關。

當室外環境溫度為-15℃，室內環境溫度為20℃時，三種模式下，壓縮機吸排氣壓力對比分析。通過對比可以發現，前兩種模式的壓縮機吸排氣壓力基本相當，分別為1.1MPa和0.15MPa。而當采用第三種制熱運行模式時，由于閃蒸器前毛細管和之后的節流閥的雙重作用，導致系統的吸氣壓力降低比較明顯，較前兩種模式，降低了40%，這大大降低了空氣源熱泵系統的可靠性，因此，在防霜低溫熱泵機組中，模式1的噴氣增焓運行方案比較理想，可保證系統運行的可靠性。

當室外環境溫度為-15℃，室內環境溫度為20℃時，三種運行模式下，壓縮機吸排氣溫度對比分析。從中可以看出，采用傳統的熱泵運行模式時，壓縮機的排氣溫度最高，而采用了噴氣增焓運行模式時，無論采用模式1還是模式3，系統的排氣溫度均有所下降，下降幅度分別為13.2%和6.5%，由此可見，采用噴氣增焓對于降低壓縮機的排氣溫度效果比較明顯。

當室外環境溫度為-15℃，室內環境溫度為20℃時，三種運行模式下，系統性能系數的對比分析。從中可以看出，傳統的熱泵運行模式時，系統的性能系數僅為1.42，而采用了噴氣增焓運行模式，模式1的系統性能系數約為2.03，而采用模式3非但沒有增高反而降低，這是由于系統過度節流導致吸氣壓力偏低，進而使得系統性能系數降低。

通過對上述三種噴氣增焓運行模式的研究發現，采用模式1，系統無論從可靠性、還是降低壓縮機排氣溫度和提高COP方面，相比傳統的熱泵運行模式，均具有明顯的優勢。

2.2 防霜運行模式實驗結果分析

在防霜運行模式下，來自室內機的制冷劑首先經過防霜盤管，然后再進入室外機蒸發器進行節流。由此可以看出，通過將部分供熱量來加熱經過室外機的室外低溫空氣，來達到減少或者延緩結霜的目的。在本次實驗中，對室內機的風量進行調節，分別保證其最大額定風量的100%、75%和50%，調節室內和經過防霜盤管的熱量，達到延緩結霜的目的。

圖2和圖3分別為當室外環境溫度為2℃，室內環境溫度為20℃時，室內機風量分別為50%、75%和100%額定風量時，防霜運行時壓縮機吸排氣壓力和室外機上位于不同位置的三個溫度測點的溫度隨著室內機風量的變化。由圖2可知，隨著室內機風量的減少，由于散失到室內的熱量減少，系統的冷凝壓力增幅較大，由1.2MPa升至1.45MPa，而蒸發壓力雖然也有所升高，但升高幅度較小。因此，從其冷凝壓力和蒸發壓力，并沒有看出具有明顯的防霜效果顯現。但是，從圖3可以看出，比較其蒸發器表面溫度可以發現，隨著室內機風量的減少，由于散失到室內的熱量減少，系統的蒸發器的表面溫度具有一定的溫升，如當風量分別有100%降低至50%時，A測點的溫度由-3.8℃升高至-0.6℃，B測點的溫度由-10.8℃升高至-5.6℃，C測點的溫度由-7.6℃升高至-5.4℃，蒸發器表面溫度升幅普遍較大。因此，通過降低室內機風量，利用防霜盤管可以有效地提高蒸發器表面壁溫，進而可以有效的達到延緩結霜的目的。然而，需要指出的是，延緩室外結霜提高系統的可靠性是通過減少房間供熱量為代價的，需要平衡兩者之間的關系，進行優化兩者之間的能量分配。

3 結束語

研究結果表明，在環境溫度為-15℃時，模式1的噴氣增焓運行方案，無論是從系統的可靠性、降低壓縮機排氣溫度還是提高COP各方面，均是最優的運行模式，也是一種能夠保證低溫工況下空氣源熱泵系統高效運行的有效措施。同時，采用防霜盤管能有效緩解結霜，但是，需要平衡供熱量和防霜熱量之間的關系，使之達到一個合理的能量分配比例，以實現可靠性和性能的雙重保障。

參考文獻

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