低溫度空氣源熱泵防霜增效實驗分析

王曉艷

（山東經貿職業學院,山東 濰坊261011）

1 引言

隨著空氣污染日益嚴重，減少煤炭用量，采用清潔可再生能源供暖成為當務之急。“煤改氣”受天然氣資源短缺限制難以推廣；“煤改電”如果采用直接電加熱的方式能源轉換效率太低，且增加的用電量需要投入巨大資金對電網進行改造。空氣源熱泵是依靠提取低溫空氣中的低品位熱能，以電力驅動壓縮機，將提取空氣中的熱能轉換產生高品位的熱能以供使用，消耗一份電能，可獲得2-4倍的熱能。但是，空氣源熱泵應用于北方寒冷地區時，空氣側換熱器隨著表面霜層的增厚,將出現蒸發溫度下降,制熱量下降，甚至熱泵不能正常工作[1]。本文從低溫環境下空氣源熱泵蒸發器結構、系統工藝優化等方面入手，通過試驗分析的方法為空氣源熱泵在寒冷地區的應用提供數據參考。

2 翅片蒸發器結構對結霜的影響

空氣源熱泵在冬季制熱運行時，空氣側換熱器起蒸發器的作用，環境溫度往往低于0℃，當室外空氣流經換熱器時，其所含的水分就會析出，并形成霜層將出現蒸發溫度下降，制熱量下降和風機性能衰減等問題。常規空氣源熱泵翅片蒸發器要兼做夏季制冷冷凝器使用，其翅片間距一般在2-2.4毫米，管排數3-4排[2]，因此在冬季會出現除霜頻繁的現象。寒冷地區適當增大翅片間距可避免結霜快速堵塞翅片換熱器。因此本文以較常用的直徑9.52毫米銅管，厚0.2毫米波紋片為基礎材料，片間距取2.4毫米、2.8毫米、3.2毫米，管間距取22毫米、25.4毫米、27.4毫米分別制作蒸發器進行試驗分析。

2.1 翅片間距對結霜的影響

當以《低環境溫度空氣源熱泵(冷水)機組》標準工況：環境干球溫度-12℃，濕球溫度-14℃，入口風速2.2m/s時，隨著時間的增加，翅片蒸發器結霜厚度越來越大，圖1是翅片間距對蒸發器霜層厚度的影響。

從圖1中可以看出翅片間距較小的蒸發器結霜速度較快，原因主要是在霜柱發生期及霜層成長期，翅片間距越小霜柱及霜柱頭部霜晶的干涉作用，流動阻力增加，風量迅速降低造成的[2]。熱泵運行1小時后，2.4毫米翅片間距的蒸發器霜層厚為0.41毫米，2.8毫米翅片間距的蒸發器霜層厚為0.68毫米，3.2毫米翅片間距的蒸發器霜層厚為0.8毫米。雖然蒸發器翅片間距越大，結霜越慢。但在實際應用過程中，相同換熱面積的情況下，間距越大蒸發器的體積也越大，可導致蒸發器入口風速的降低，因此需要根據實際情況合理確定蒸發器的翅片間距。

圖1 翅片間距對蒸發器霜層厚度的影響

圖2 管間距對蒸發器霜層厚度的影響

2.2 管間距對結霜的影響

蒸發器迎風面管間距的不同，可導致蒸發器內空氣流動場的變化，對結霜有重要影響。圖2為空氣干球溫度-12℃，濕球溫度-14℃，入口風速2.2m/s時，以翅片間距為2.8毫米情況下，不同管間距對蒸發器霜層厚度的影響。

從圖2中可以看出,隨著管間距增加,霜層厚度有所減少。原因主要是增大管間距,就增大了空氣流過蒸發器兩管的流動空間，使空氣流場變化，減小了氣流與管壁剪切運動及管后部的渦流運動，降低了空氣流動阻力,強化了空氣與翅片蒸發器之間的換熱。另一方面，管間距的增大，減少了管子數目，增大了管內制冷劑的質量流速，對制冷劑與銅管間的換熱起到了促進作用。

3 低溫空氣源熱泵系統增效優化

3.1 翅片蒸發器結構優化

根據上述2中的結構對翅片蒸發器運行結霜的影響，綜合考慮換熱器體積、風機風量等因素，優選翅片間距2.8毫米，管間距27.4毫米，管排數3排，用以制作樣機進行試驗測試。

3.2 噴氣增焓壓縮技術

低溫空氣源防霜增效熱泵流程如圖3所示，其中采用噴氣增焓壓縮技術，從冷凝器出來的制冷劑分為兩路：主回路為制冷回路，支路為噴氣增焓回路。主回路制冷劑液體直接進入增效器，支路制冷劑經膨脹閥節流降壓后再進入增效器（圖3中5-9點）[3]。這兩部分制冷劑在增效器中進行熱交換，主回路制冷劑放熱變為過冷液體（圖3中5-6點），經膨脹閥降壓后進入蒸發器（圖3中6-1點）；支路一小部分制冷劑吸熱變為氣體（圖3中9-10點），進入渦旋壓縮機渦旋盤，與中壓腔的制冷劑進行混合，（圖3中2、10-3點），然后共同壓縮至排氣壓力后（圖3中3-4點）進入冷凝器，這個類似于二級壓縮，中壓冷卻循環，可以有效降低排氣溫度，確保了壓縮機的可靠運行，特別是在高壓縮比工況。

圖3 低溫空氣源防霜增效熱泵流程

空氣源噴氣增焓壓縮技術與普通空氣源熱泵相比的應用優勢在于：大部分制冷劑通過增效器后溫度降低，蒸發器進出口焓差增加，可提高系統制熱量；在低環境溫度時，噴氣增焓中間補氣顯著改善壓縮過程，降低排氣溫度[4]，擴展空氣源熱泵應用范圍。普通空氣源熱泵在-15℃以下的環境溫度下，排氣溫度過高導致系統密封件及潤滑出現問題，因此會停止工作，空氣源噴氣增焓壓縮技術可保證-25℃環境溫度下穩定工作。

3.3 防霜增效循環優化

空氣源熱泵在冬季運行過程中因翅片蒸發器底部易積水結冰，隨著時間的增加，冰層會逐漸向上部延伸，嚴重時會在整個翅片蒸發器外部形成冰殼，增大空氣的流通阻力，嚴重影響熱泵運行，甚至造成反復除霜的故障而不能制熱。防霜增效循環采用冷凝后的高溫制冷劑進入空氣側換熱器（圖3中6-7點）顯熱防霜除霜，換熱器底部2-3排管的高溫制冷劑可抑制冰層的形成，在制熱的同時進行防霜與除霜，最大程度降低除霜次數，保證機組穩定運行。降溫后的制冷劑進一步增大了過冷度至膨脹閥節流降壓（圖3中7-8點），在消耗電能不變的情況下，增加了蒸發器的吸熱量，從而增加了一部分制熱量，提高機組能效。

3.4 低溫空氣源增效熱泵性能實驗

低溫熱泵增效熱泵采用VRI噴氣增焓壓縮機，普通熱泵采用VR系列同型號壓縮機。在標準焓差實驗中，選取空氣源熱泵標準制熱工況：干球溫度7℃，濕球溫度6℃；低溫空氣源標準制熱工況：干球溫度-12℃，濕球溫度-14℃；再輔以最低工作溫度-25℃及其他環境工況進行實驗。具體運行工況見表1。

表1 低溫空氣源熱泵實驗工況

圖4 環境溫度對制熱量的影響

圖5 環境溫度對制熱性能系數的影響

實驗結果如圖4和圖5，低溫增效熱泵和普通熱泵的制熱性能系數和制熱量隨著環境溫度的降低而降低，普通熱泵相對于低溫增效熱泵的降低幅度更大。尤其是低環境溫度條件下，制熱量最大降低幅度約15%，性能系數最大降低幅度約10%。普通熱泵接近-14℃時由于排氣溫度過高壓縮機自保護裝置經常保護停機，已不能正常工作。低溫增效熱泵在低溫標準工況-12℃熱泵性能系數達到2.35，在環境溫度-25℃時性能系數1.65，且能正常運行，制熱量為16.1kW。從數據中可以看出，當環境溫度-25℃時制熱量是低溫標準制熱工況-12℃時制熱量的67%，是0℃時制熱量的53%，因此在冬季寒冷地區使用空氣源熱泵應考慮低溫環境下熱泵機組的制熱量衰減問題，適當增大熱泵機組的配置容量。

4 結論

（1）低環境溫度空氣源熱泵蒸發器采用增大翅片間距和管間距的方式，可有效的防止結霜，延長制熱時間。在實際應用中，翅片間距2.8毫米，管間距27.4毫米在翅片體積、風機匹配上有較好的效果。

（2）低溫增效循環優化將冷凝后的高溫制冷劑經過翅片蒸發器底部的2-3排管后再截流降壓進入翅片蒸發器上部，能有效增加制冷劑的過熱度，增大蒸發器進出口焓差，提高機組的制熱量。同時由于高溫制冷劑在底部顯熱的釋放，在冬季可抑制冰層的形成，在制熱的同時進行防霜與除霜，最大程度降低除霜次數，保證機組穩定運行。

（3）噴氣增焓技術應用在熱泵中，可增加制熱性能系數和制熱量，環境溫度越低，增加效果越明顯，-12℃時制熱性能系數是比普通熱泵增加約10%，制熱量比普通熱泵增加約15%。由于此時制熱量是標準低溫熱泵工況制熱量的67%，因此在寒冷地區應用應考慮低溫環境下熱泵機組的制熱量衰減問題，適當增大熱泵機組的配置容量。

[1]董旭.低溫空氣源熱泵應用技術研究[D].秦皇島:燕山大學,2013:4-10.

[2]張哲,田津津.翅片管式蒸發器結構對結霜特性影響的研究[J].低溫與超導,2006,35(01):69-72.

[3]劉暢，劉強，秦巖. 噴氣增焓空氣源熱泵在北方寒冷地區的應用[J].制冷技術,2015,35(02):43-46.

[4]Xu X,Hwang Y,Radermacher R.Refrigerant Injection for Heat Pumping/Air Conditioning Systems:Literature Review and Challenges Discussions[J].International Journal of Refrigera tion,2011,34(02):402-415.