張勇，李志明，張結良，黃銳堅

（廣州市華德工業(yè)有限公司，廣東廣州 510663）

蒸發(fā)冷卻式熱泵機組與風冷熱泵機組制熱性能對比分析

張勇*，李志明，張結良，黃銳堅

（廣州市華德工業(yè)有限公司，廣東廣州 510663）

本文介紹了一種新的熱泵技術應用形式——蒸發(fā)冷卻式熱泵，可以克服傳統(tǒng)風冷熱泵在結霜、融霜情況下熱量的損失。試驗結果表明：在低環(huán)境溫度下，風冷熱泵機組的平均制熱量衰減較為嚴重；在環(huán)境溫度-2℃時，風冷熱泵的平均制熱量只有名義制熱工況熱量的約53%；在環(huán)境溫度低于3℃時，蒸發(fā)冷卻式熱泵機組提供的平均制熱量高于風冷熱泵的平均制熱量。

蒸發(fā)式冷卻式；熱泵；融霜；平均制熱量；峰值制熱量

0 引言

風冷熱泵以空氣作為低位熱源，具有節(jié)能性及環(huán)保性等特點，擁有大量的市場和發(fā)展前景，因此受到了廣泛關注。風冷熱泵系統(tǒng)廣泛應用于我國南方、長江流域甚至黃河流域，但在使用空氣源熱泵冬季供暖時的運行狀況始終不理想[1-2]。以南京地區(qū)采用空氣源熱泵作為中央空調冷熱源的工程為例，運行效果差的占15%，70%的機組運行效果居中，而運行效果良好的僅占15%。其它地區(qū)（如杭州、成都、長沙等）的情況與此類似。造成這一現(xiàn)象的主要原因是風冷熱泵的熱源側換熱器在冬季運行時存在結霜問題[3-4]。當室外環(huán)境溫度和相對濕度處在-5℃～5℃和65%以上時，風冷熱泵室外換熱器表面最易結霜。一旦風冷熱泵結霜，熱泵機組的性能就會大大衰減[5-6]。

蒸發(fā)冷卻式空調機組以其優(yōu)良的制冷性能特點，得到廣泛的認可[3]；蒸發(fā)冷卻式熱泵作為一種新型的熱泵技術應用，避免了風冷熱泵結霜、融霜的問題，有其穩(wěn)定、可靠、連續(xù)供熱的特點，有較大的發(fā)展空間。蒸發(fā)冷卻式熱泵機組的特點以及與風冷熱泵的性能差異，尚未被廣泛認知。本文通過蒸發(fā)冷卻式熱泵機組與風冷熱泵機組制熱性能對比，分析蒸發(fā)冷卻式熱泵機組的優(yōu)勢和存在的意義，以便引起更廣泛關注和技術研究。

1 風冷熱泵和蒸發(fā)冷卻式熱泵機組運行機理

1） 風冷熱泵運行機理

風冷熱泵在低溫環(huán)境運行時，室外換熱器壁面存在結霜現(xiàn)象。霜層的生長導致了機組供熱性能的下降。為保證空氣源熱泵機組的高效運行，需要周期性除霜。目前，逆循環(huán)除霜是應用最廣泛的除霜方法之一[7-8]。

2） 蒸發(fā)冷卻式熱泵機理

蒸發(fā)冷卻式熱泵機組在運行制熱工況時，也屬于一種空氣源熱泵，是以原蒸發(fā)式冷凝器作為熱源端，使用端換熱器為使用提供熱水，通過改變制冷劑流向來實現(xiàn)制熱功能（如圖1）。

圖1 蒸發(fā)冷卻式熱泵機組系統(tǒng)原理圖

在制熱模式下，使用端換熱器的工作原理同傳統(tǒng)風冷熱泵的工作原理，在熱源端換熱器（蒸發(fā)式冷凝器）通過外表面的水與內側的制冷劑換熱，將蒸發(fā)式冷凝器的循環(huán)水的熱量傳遞給內側的制冷劑，外側通過循環(huán)水與空氣換熱，將空氣的熱量傳遞給循環(huán)水，包括空氣中部分凝結水的熱量傳遞給循環(huán)水。

蒸發(fā)式冷凝器，在制冷工況下，由于水的蒸發(fā)導致整體的換熱器系數(shù)較高，在制熱工況下，可換熱面積偏少，因此，必須要使用循環(huán)水進行擴大換熱面積，一般還會在蒸發(fā)式冷凝器側增加填料，擴大循環(huán)水與空氣的換熱面積，強化換熱。在制熱模式下，如果作為熱源側的蒸發(fā)式冷凝器不運行循環(huán)水（也就是不噴水），空氣直接與蒸發(fā)式冷凝器的制冷劑管道或管板換熱，由于空氣的換熱系數(shù)較低，會致使換熱性能非常差，機組無法正常運行；在蒸發(fā)式冷凝器外表側噴水后，由于循環(huán)水與蒸發(fā)式冷凝器的制冷劑管道或管板換熱的換熱系數(shù)較高，可以在當前換熱面積下循環(huán)水釋放熱量給蒸發(fā)式冷凝器內側的制冷劑，再通過擴充換熱面積的填料，使空氣與循環(huán)水有足夠的熱交換面積，從而使得循環(huán)水從空氣中吸收足夠的熱量。

在低環(huán)境溫度下，如果水位進一步降低，達到水的冰點，會致使水結冰，使得蒸發(fā)式冷凝熱泵無法正常運行，因此，需要在蒸發(fā)式冷凝器的循環(huán)水中添加防凍劑，這樣才能使機組正常穩(wěn)定運行（由于防凍劑的稀釋而產生的防凍劑再生問題不在本文討論范圍內）。添加防凍劑后，機組可以不需要融霜，一直穩(wěn)定、持續(xù)給使用者提供熱源。

2 熱泵運行性能分析

無論是風冷熱泵機組還是蒸發(fā)冷卻式熱泵機組，都是從空氣中吸收熱量，通過逆卡諾循環(huán)，把熱量傳遞給使用側。空氣中的熱能又分為顯熱和潛熱，風冷熱泵機組和蒸發(fā)冷卻式熱泵機組在吸收空氣的顯熱方面是一致的，但對潛熱的處理存在差異。

由于風冷熱泵機組熱源側換熱器處于低溫高濕工況下運行，當翅片表面溫度低于空氣露點溫度時，換熱器表面便會有凝結水產生，當翅片表面溫度繼續(xù)降至低于0 ℃時，凝結水便會形成霜晶體，覆蓋在翅片及銅管周圍。隨著機組運行時間的延長，換熱器翅片及銅管表面的霜層迅速生長，進一步惡化換熱性能[5-6,9]。隨著風冷翅片表面霜層增加，影響性能，風冷熱泵機組必須要進行融霜。在風冷熱泵機組融霜時，目標是將風冷翅片表面固態(tài)形式霜層變成液態(tài)的水流走，實際過程中，為了徹底融霜和排水（避免出現(xiàn)再次制熱時形成嚴重的冰團）往往會有部分水分變成氣態(tài)水分飄走，而且這些液態(tài)水和氣態(tài)水大多是高溫形式流走和飄走。因此風冷熱泵吸收空氣中的潛熱部分很少[10-11]（如圖2所示）。

圖2 風冷熱泵吸收潛熱情況

在低環(huán)境溫度下，蒸發(fā)冷卻式熱泵吸收空氣中的潛熱后，空氣中水分冷凝混合在蒸發(fā)式冷凝器外側的循環(huán)水內。由于蒸發(fā)式冷凝器外側循環(huán)水內添加了防凍劑后，不需要融霜。這樣蒸發(fā)冷卻時熱泵可以吸收空氣中大部分的潛熱。

機組在運行熱泵工況時，一般會有如下幾個因素導致制熱性能衰減：

1） 環(huán)境溫度下降引起壓縮機性能衰減影響；

2） 融霜時間影響；

3） 融霜熱量影響。

2.1 環(huán)境溫度下降壓縮機性能衰減影響

在環(huán)境溫度下降時，熱源側的蒸發(fā)溫度會下降，根據(jù)壓縮機的性能特性，在熱源測吸收的熱量也會下降，導致機組為使用側提供的制熱量也會下降（影響關系見圖3）。該性能衰減的影響，是換熱器和壓縮機的基本特性，因此，風冷熱泵和蒸發(fā)冷卻式熱泵的影響是一致的。

圖3 峰值制熱量與環(huán)境溫度的關系

2.2 融霜時間影響

在低環(huán)境溫度下，風冷熱泵機組運行一段時間制熱，熱源測翅片結霜后，需要進行融霜，在一個周期內，風冷熱泵在融霜時間內無法為使用側提供熱量，因此，存在融霜時間影響（影響關系見圖4）。而對于蒸發(fā)式冷卻式熱泵機組不存在該影響。

定義融霜時間比例：

式中：

t1——一個周期內融霜時間；

t2——一個周期內正常制熱時間

根據(jù)風冷熱泵在不同環(huán)境溫度下測試數(shù)據(jù)分析，其融霜融霜比例η與環(huán)境溫度的影響如圖4。

圖4 融霜損失時間與環(huán)境溫度的關系

2.3 融霜熱量影響

在國標標準制熱工況（環(huán)境溫度干濕球7/6 ℃）下，一般風冷熱泵機組熱源側的翅片換熱器不結霜，在低于7 ℃環(huán)境溫度下會逐漸開始結霜。在結霜初期，由于換熱面積加大以及結霜相變的原因，換熱性能略微提高，達到峰值制熱量，很快隨著霜層厚度增加，換熱熱阻迅速增加，換熱性能迅速惡化[11-13]。一般在結霜后性能惡化至一定程度后，風冷熱泵機組開始融霜。融霜過程需要吸熱，在整個制熱、融霜運行周期內，其平均制熱量遠小于制熱量峰值，一般風冷熱泵機組僅標稱制熱量峰值，而使用者更關心整個周期內能提供平均制熱量。隨著環(huán)境溫度的下降，風冷制熱周期內的平均制熱量與峰值制熱量比值會所下降。

圖5為某風冷熱泵在0 ℃環(huán)境溫度下制熱周期內的熱量關系，經(jīng)過核算，其制熱周期內的平均制熱量只有峰值制熱量的72%。由于蒸發(fā)冷卻式熱泵機組在制熱運行時，一直處于穩(wěn)定工況（不需要進行融霜），為用戶提供穩(wěn)定的熱量，因此，蒸發(fā)冷卻式熱泵機組的平均制熱量就是其峰值制熱量。

圖5 某風冷熱泵在0 ℃環(huán)境溫度下制熱周期內的熱量關系

3 差異對比

由于上述分析制熱性能影響因素，風冷熱泵與蒸發(fā)冷卻時熱泵在不同環(huán)境溫度下的性能對比如圖6。

1） 由于蒸發(fā)冷卻式熱泵機組制冷方面的優(yōu)勢以及在制熱方面換熱面積、風量的劣勢，在標準制熱工況，蒸發(fā)冷卻式熱泵機組制熱量會低于風冷熱泵的制熱量。

圖6 風冷熱泵與蒸發(fā)冷卻時熱泵在不同環(huán)境溫度下的性能對比

2） 隨著環(huán)境溫度降低，風冷熱泵和蒸發(fā)冷卻式熱泵機組的峰值制熱量會逐漸降低，當環(huán)境溫度在5℃下，達到標準制熱工況的峰值制熱量的約70%（蒸發(fā)冷卻式熱泵機組的峰值制熱量與平均制熱量相同）。

3） 由于風冷熱泵機組制熱性能受到文中提及的環(huán)境溫度的影響，其平均制熱量會隨著環(huán)境溫度的降低而更大幅度的降低。

4） 蒸發(fā)冷卻式熱泵在標準制熱工況下的劣勢，隨著環(huán)境溫度下降，在環(huán)境溫度約3℃時，蒸發(fā)冷卻式熱泵提供的平均制熱量與風冷熱泵提供的平均制熱量相同；隨著環(huán)境的進一步降低，蒸發(fā)冷卻式熱泵提供的平均制熱量優(yōu)于風冷熱泵提供的平均制熱量。

4 結論

本文通過分析風冷熱泵和蒸發(fā)冷卻式熱泵機組在制熱運行的特點分析，主要結論如下。

1） 由于風冷熱泵機組的平均制熱量與一般標稱的峰值制熱量存在較大差異，而用戶獲得的熱量體現(xiàn)在總制熱量，即與平均制熱量相關，因此，在用戶選擇熱泵機組時，應以熱泵機組提供的平均制熱量值為熱量的選型指標。

2） 由于風冷熱泵和蒸發(fā)冷卻式熱泵機組的制熱量會隨著環(huán)境溫度的下降而降低，因此，空調熱泵機組設計選型時，應考慮實際考核環(huán)境溫度下熱泵機組的修正性能進行選配熱泵機組，而不是名義制熱工況。

3） 風冷熱泵機組在一個制熱、融霜周期內，吸收熱源側空氣的潛熱較少，而蒸發(fā)冷卻式熱泵機組幾乎能吸收所有的空氣中潛熱。

4） 風冷熱泵機組性能受到環(huán)境溫度下降壓縮機性能衰減、融霜時間和融霜熱量影響，在低環(huán)境溫度下，性能衰減較為嚴重；在環(huán)境溫度-2℃時，風冷熱泵的平均制熱量只有名義制熱工況制熱量的約53%。

5） 在環(huán)境溫度低于3℃時，蒸發(fā)冷卻式熱泵機組提供的平均制熱量高于風冷熱泵的平均制熱量，因此，在華東、華北等地區(qū)，考核溫度低于3℃時，蒸發(fā)冷卻式熱泵機組的裝機容量可以小于風冷熱泵的裝機容量。

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Comparison and Analysis on Heating Performance of Evaporative Cooling Heat Pump Unit and Air Cooled Heat Pump Unit

ZHANG Yong*, LI Zhi-ming, ZHANG Jie-liang, HUANG Rui-jian
(Guangzhou Wide Industrial Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510663, China)

A new application of heat pump technology, evaporative cooling heat pump, was proposed in order to overcome the drawback of the heat losses of conventional air cooled heat pump units during frosting and defrosting. The experimental results show that the average heating capacities of air cooled heat pump unit decrease seriously at low ambient temperatures. At –2 ℃ ambient temperature, the average heating capacity is 53% of the nominal heating capacity. At ambient temperatures lower than 3 ℃, the average heating capacity of the evaporative cooling heat pump unit is higher than that of the air cooled heat pump unit.

Evaporative cooling; Heat pump; Defrost; Average heating capacity; Peak heating capacity

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.104

*張勇（1982-），男，碩士。研究方向：蒸發(fā)式冷凝技術及其應用。聯(lián)系地址：廣東省廣州市蘿崗區(qū)科學城南翔三路9號，郵編：510663。聯(lián)系電話：18928738708。E-mail：zhangload@126.com。