小型分體式空氣源熱泵除霜能耗來源分析與計算★

秦冰月 韓志濤 徐萌 相貝 劉昱 吳京京

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

1 概述

空氣源熱泵屬于環(huán)保節(jié)能型供熱設備，其熱量來源于室外空氣，無污染物排放，符合生態(tài)供暖的理想模式。當前，我國空氣源熱泵應用日趨廣泛，在建筑節(jié)能，替代燃煤供熱等重大民生工程中發(fā)揮著越來越重要的作用。但是，空氣源熱泵在室外低溫高濕環(huán)境運行時，室外換熱器會結霜，導致其供熱性能下降，需要周期性除霜來保證熱泵的正常運行。除霜的可靠性與穩(wěn)定性是保證空氣源熱泵在各地區(qū)、各種氣象條件高效運行的一個關鍵問題。

從近些年來空氣源熱泵應用的實踐過程來看，其結霜、除霜問題遠沒有得到很好的解決，尤其在中重度結霜時的惡劣工況下，除霜時往往除不干凈，主要表現(xiàn)為室外側換熱器往往滯留一部分化霜水分，再次供熱時在室外側換熱器底部還會結成不易融化的冰層，增加了室外換熱器的換熱熱阻，對空氣源熱泵的供熱質量構成嚴重影響。目前空氣源熱源的結霜、除霜已成為業(yè)內研究的一個熱點［1-3］。空氣源熱泵從容量大小來看主要可以分為兩大類，一類是大中的空氣源熱泵熱水機組，另一類是小型的分體式空氣源熱泵。因為安裝方便靈活、造價低等優(yōu)點，近年來小型的空氣源熱泵得到了廣泛的應用。因為小型空氣源熱泵供熱時室內側換熱器作為空冷型冷凝器，直接與供熱環(huán)境的空氣進行熱交換方能制取熱量，其除霜時換熱器作為蒸發(fā)器時的蒸發(fā)特性對供熱環(huán)境的影響更加直接、快速。在小型分體式空氣源熱泵(制熱量在5 kW以下)實際運行中，除霜結束時往往有“冷風”吹出，影響室內環(huán)境的熱舒適性。從空氣源熱泵除霜運行實踐來看，有必要對其除霜時能量的來源進行深入的探討。除霜的能量是由熱泵系統(tǒng)哪些部件提供，各部件供能的品質如何，數(shù)量是多少。只有在準確分析除霜能量特性的基礎上，才能有針對性地解決除霜系統(tǒng)存在的除霜不凈，室內機吹冷風等問題。

2 熱泵除霜能量來源分析

從壓焓圖上蒸汽壓縮式熱泵理論循環(huán)過程可以看到，空氣源熱泵逆循環(huán)熱氣除霜時，節(jié)流后的制冷劑依次流經(jīng)蒸發(fā)器(室內側換熱器)和壓縮機，其比焓的增加主要來自于蒸發(fā)吸熱和壓縮機對制冷劑作功兩大部分。為了便于采用實驗參數(shù)輔助計算，制冷劑蒸發(fā)過程中獲得的熱量又可以細分為兩部分:室內換熱器翅片管及管路部件蓄存的熱量和從室內空氣中吸收的熱量。這樣，分體式空氣源熱泵的能量來源可以分為以下3個方面:

1)除霜初始階段，制冷劑吸收尚處于高熱狀態(tài)的室內換熱器翅片管及管路等部件蓄存的熱量Qsys。2)除霜中后期，室內側換熱器表面溫度降至室溫以下后，制冷劑通過室內換熱器翅片管與室內空氣在自然對流換熱工況下，從供熱環(huán)境中吸收熱量Qevr。3)壓縮機對制冷劑作功，制冷劑內能增加的獲得的除霜熱量Qcom。

2.1 熱泵部件溫降貢獻除霜熱量

熱泵系統(tǒng)正常供熱時，室內換熱器及其進氣、出液管路均處于高壓、高熱狀態(tài)，即使結霜后期，一般情況下系統(tǒng)高壓側部件的平均溫度也高于30℃。除霜初期，首先是節(jié)流后的氣液混合的制冷劑與這些部件管壁換熱，導致?lián)Q熱器翅片管降溫。當系統(tǒng)室內換熱器連接管路長度的增加時對除霜是有利的，銅管本身可以貯存一定的熱量，可以在除霜開始階段提供更多的熱量。此部分熱量用Qsys表示，其計算公式為:

其中，Qfip為制冷劑從室內換熱器翅片管吸收的熱量;Qhpg為制冷劑從室內換熱器進氣管吸收的熱量;Qhpl為制冷劑從室內換熱器出液管吸收的熱量。以上三部分熱量折算成熱泵每單位名義制熱功率下室內換熱器翅片管提供的熱量，其單位均可表示為kJ/kW。

室內側換熱器翅片管通常由銅管和整體套片式的鋁翅片兩部分構成，則Qfip可表示為:

其中，ΔT為除霜開始至終止時刻，室內換熱器翅片管表面與室內環(huán)境溫度的平均溫差;m和c則分別為所用材料的質量和比熱。

2.2 制冷劑蒸發(fā)從室內空氣中吸收的熱量

常規(guī)結霜(中等霜量)除霜時，室內換熱器平均蒸發(fā)溫度低于－5℃，重度結霜時則更低。可見除霜時室內換熱器表面和供熱環(huán)境之間有近25℃的溫差，而且室內換熱器翅片管總表面積較大。這樣，即使除霜時室內側換熱器的風機停機，室內側換熱器處于自然對流狀態(tài)，除霜時制冷劑吸收室內供熱環(huán)境的熱量Qevr還是很大。實驗中通過溫度傳感器可以比較精確地測得除霜各時刻室內換熱器的壁面溫度及進出口空氣溫度。將整個除霜持續(xù)時間分為n個時段，每個時間間隔為Δτ，約為3 s～5 s，在Δτ時段內，可近似認為整個換熱器的壁面平均溫度，自然對流過程中通過換熱器表面的進出口空氣溫度不變。第i個時段內Qevr－i可由空氣側對流換熱基本方程式(3)計算:

此情況下對流換熱系數(shù)αi的計算方法有兩種:

1)把整體套片式室內換熱器看成由水平銅管(外套鋁片)和垂直鋁翅片兩部分組成。由自然對流換熱實驗關聯(lián)式(4)及式(5)［4］聯(lián)合計算水平銅管和鋁翅片與空氣的自然對流換熱系數(shù)。

式(4)和式(5)中的C，n均是由實驗確定的常數(shù)。

這種計算方法的缺點是計算得到的對流換熱系數(shù)αi的值會比實際值偏大。因為實際上各翅片間距很小，每張翅片與空氣的自然對流會相互影響而使對流邊界層的充分發(fā)展受限，導致自然對流作用減弱，而式(5)是適用于大空間的關聯(lián)式，并不包含自然對流間相互影響。

2)可采用受迫流動實驗關聯(lián)式計算對流換熱系數(shù)，只是采用較低的迎面風速。對于叉排整體式翅片管可按式(6)，式(7)［5］計算αi:

最后，得到Qevr:

2.3 壓縮機作功貢獻除霜熱量的分析與計算

壓縮機對制冷劑作功時要產生各種能量損失，即電動熱泵的總耗功只有一部分轉換成制冷劑壓縮時獲得的能量。在除霜實驗中比較容易測得壓縮機除霜各時刻的實時功率，還要求出壓縮機的各種效率之積的總效率，再考慮除霜時壓縮機在不同功率下運行的時間，才能近似求出制冷劑從壓縮機提供的除霜能量。

此類小型全封閉式壓縮機能量損失主要是電機損失、摩擦損失、非等熵壓縮損失。總的能量損失可用總效率η∑表示，η∑表示為電機效率ηe、摩擦效率ηm、指示效率ηi之積。近似計算時，根據(jù)相關的經(jīng)驗公式，常用的小型滾動轉子式壓縮機，η∑ 取0.55～0.66 作為總效率值即可［6］。

除霜實驗時，每間隔時長Δτ，采用數(shù)字功率計自動記錄壓縮機即時功率，在這微小時長內可認為壓縮機功率wi不變，則經(jīng)過總的除霜時長nΔτ后，壓縮后氣態(tài)制冷劑獲得的能量Qcom可以表示為:

對于結霜量較大的常規(guī)除霜，除霜熱量的大小主要和除霜時壓縮機的功率成正比，霜層融化時室外側的換熱器冷凝溫度比較低，相應的冷凝壓力也比較低(約為0.8 MPa)，導致壓縮機吸排氣壓力均低(約為0.2 MPa)，壓縮機功率也會較低。所以小型熱泵常規(guī)除霜時壓縮機的輸入功率較低，為了獲得較好的除霜效果，需要相應地增加除霜時間。

3 結語

通過以上對空氣源熱泵除霜理論分析，對分體式空氣源熱泵的除霜能耗來源可以分成三部分:1)壓縮機作功;2)從室內供熱環(huán)境吸熱;3)熱泵系統(tǒng)部件制熱工況時貯存的熱量。一般情況下，熱泵系統(tǒng)部件貯存的熱量較少，則前兩部分構成了除霜熱量的主要來源。

［1］N.Hoffenbecker，S.A.Klein，D.T.Reindl.Hot Gas Defrost Model Development and Validation，Int.J.of Refrigeration，2005，28(3):605-615.

［2］韓志濤.空氣源熱泵常規(guī)除霜與蓄能除特性實驗研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學博士論文，2007.

［3］姬長發(fā)，黃 東，袁秀玲.風冷熱泵冷熱水機組結霜與除霜性能的實驗研究［J］.西安交通大學學報，2005，39(5):480-484.

［4］J.P.Holman.Heat Transfer.China Machine Press，2005:321-323.

［5］陸亞俊，馬最良，姚 楊.空調工程中的制冷技術［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，1997:111-112.

［6］吳業(yè)正，李紅旗，張 華.制冷壓縮機［M］.第2版.北京:機械工業(yè)出版社，2010:24-26.