盛健，張華，黃加連，吳兆林，倪彬

（1-上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2-上海華族實業(yè)有限公司，上海 201404）

0 引言

空氣源熱泵空調(diào)是一種以室外空氣為低溫熱源，以高品位能源為驅(qū)動，從低溫熱源吸取熱量，連同消耗的高品位能源，提升成較高品位的熱能，用于生產(chǎn)生活的制冷（熱泵）裝置，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，因而廣泛應用。我國房間空調(diào)器2013年生產(chǎn)14,332.9萬臺，同比增長11.6%[1]；2014年生產(chǎn)15,716.9萬臺，同比增長11.5%[2]；2015年生產(chǎn)15,649.8萬臺，與2014年基本持平[3]；2016年生產(chǎn)16,049.3萬臺，同比增長4.5%[4]。然而在低溫環(huán)境下，空氣源熱泵制熱效率和制熱量均有大幅衰減，為保障供熱量，一般采用輔助電加熱器進行補償。此外，恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的出風口末端一般也通過輔助電加熱補償來精確調(diào)控出風溫度[5-7]?？照{(diào)輔助電加熱器屬于中低溫加熱器，主要有普通電熱管、陶瓷正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient，PTC）熱敏電阻加熱器和金屬PTC熱敏電阻加熱器[8-9]。

管狀電熱元件，以金屬管為外殼、合金電熱絲作發(fā)熱體，在兩者間充以密實的氧化鎂粉或類似絕緣物作為絕緣介質(zhì)、并通過引出棒接至電源的一種用于加熱的元件[10]。因結構簡單，制作技術難度低，日常使用方便，一直沿用至今。但隨著科技進步，電熱管面臨各種新興電阻加熱產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，如PTC加熱器，稀土厚膜電路電熱元件，氮化硅陶瓷電熱元件，半導體發(fā)熱元件等，或有更優(yōu)的溫度控制特性，或有更短的升溫與降溫時間，或有更好的電絕緣性能及更長的使用壽命[11]等優(yōu)勢。PTC效應是指當電加熱器超過一定溫度（居里溫度）時，其電阻值隨著溫度的升高呈階躍性增高[12]。

常用的PTC熱敏電阻加熱器有陶瓷PTC電加熱器和金屬PTC電加熱器。陶瓷PTC加熱器將陶瓷PTC功率片和陶瓷無功片交叉排列，并用耐高溫樹脂粘接在一起，以鋁管為外殼，并脹接鋁制波紋翅片以強化換熱。金屬PTC電加熱器采用鎳鐵合金絲（具有較大正溫度系數(shù)）為發(fā)熱體，以邦迪管和鋁管為外殼，間隙填充氧化鎂粉末，兩端引出接線棒，鋁管外脹接鋁制肋片來強化換熱[13-15]。

在陶瓷和金屬PTC電加熱器的廣泛使用中，特別是長期使用時的發(fā)熱功率衰減是最大的技術缺點，因此研究其功率衰減特性，對輔助電加熱器的設計、應用有重要意義。

1 試驗方法

1.1 測試PTC電加熱器

測試用陶瓷PTC和金屬PTC電加熱器的型號分別為DF MZFR00206-MD-DF220V850W和HUAZU KSFR-220/900W(3A)，從成品中各隨機抽取5只作為測試樣品，所測數(shù)據(jù)分別取平均值。

1.2 測試工況

PTC電加熱器的功率與換熱條件相關，當換熱條件較好時，PTC電加熱器溫度較低，故電阻值較低，電功率較大。在測試其長期使用過程中功率衰減時，必須保持相同換熱條件，試驗中保持環(huán)境室溫20 ℃、相對濕度65%。

PTC電加熱器長期使用功率衰減的測試方法，并沒有相關標準，因此行業(yè)中一般按照兩種測試方法。1）名義工況下，測試PTC電加熱器在多次通斷電后的功率衰減。兩種電加熱器在風速1.5 m/s氣流下，均啟動運行15 min，達到穩(wěn)態(tài)制熱，再斷電冷卻5 min至室溫，作為一次啟停實驗，各進行5,000次啟停試驗。試驗裝置如圖1和2所示。2）干燒工況下，測試PTC電加熱器在干燒一段時間后的功率衰減。兩種電加熱器在靜止無風環(huán)境，均通電加熱運行，干燒15天。試驗裝置如圖3和4。

兩種電加熱器的電壓及電流參數(shù)測量采用艾諾AN7931X三相電參數(shù)綜合測量儀，電壓及電流測量精度±（0.2%×量程+0.3%×顯示值），功率測量精度±1%，數(shù)據(jù)計算周期0.9s。溫度及相對濕度測量采用VAISALA HMT338溫濕度變送器，溫度精度為±0.2 ℃，相對濕度精度為±(1.0+0.008×讀數(shù))%。數(shù)據(jù)采集與保存采用安捷倫34970A，測量精度均達到國標[16-17]規(guī)定的要求。

圖1 名義工況下通斷電測試PTC電加熱器功率衰減原理圖

圖2 名義工況下PTC電加熱器安裝位置及測溫點布置圖

圖3 干燒工況測試PTC電加熱器功率衰減原理圖

圖4 干燒工況下PTC電加熱器測溫點布置圖

2 實驗結果及分析

2.1 名義工況PTC電加熱器功率衰減

圖5可見，金屬PTC電加熱器穩(wěn)態(tài)功率從960 W逐漸下降至約930 W，下降3.13%。前4,000次下降速率基本相同，從960 W降至932 W；之后功率下降較慢。如圖6所示，電加熱管外壁面穩(wěn)態(tài)溫度從平均175 ℃左右逐漸下降至平均156 ℃，由于功率下降，而換熱條件不變，因此穩(wěn)態(tài)表面溫度下降19 ℃。

圖5 名義工況金屬PTC電加熱器功率

圖6 名義工況金屬PTC電加熱器壁面溫度

圖7可見，陶瓷PTC電加熱器經(jīng)啟停5,000次試驗后，穩(wěn)態(tài)功率從平均750 W逐漸下降至平均705 W左右，總衰減率為6.00%。前200次功率下降速率最快，之后下降速率逐漸減慢。如圖8，電加熱管外壁面穩(wěn)態(tài)溫度從平均141 ℃逐漸下降至平均137 ℃，由于功率下降，而換熱條件不變，因此穩(wěn)態(tài)表面溫度下降約4℃。

2.2 干燒工況PTC電加熱器功率衰減

如圖9所示，干燒時，額定功率900 W的金屬PTC電加熱器實際加熱功率為612.5 W左右，之后緩慢下降。至21,600 min（15天）時，加熱功率下降至600 W左右，干燒后，電加熱功率衰減約2.04%。

如圖10所示，金屬PTC電加熱器外壁面溫度初始在600 ℃左右波動，約18,000 min（12.5天）后壁面溫度開始下降，至21,600 min（15天）壁面溫度振蕩下降至580 ℃，穩(wěn)態(tài)表面溫度下降約20 ℃。

如圖11所示，干燒工況下，額定功率850 W的陶瓷PTC電加熱器初始功率約為185 W；前期衰減較快，至約6,000 min（4.2天），電加熱功率衰減至約171 W；之后衰減較慢，至21,600 min（15天）時，下降至170 W左右，干燒后，電加熱功率衰減約8.11%。

如圖12所示，干燒工況下，陶瓷PTC電加熱器壁面溫度初始在244 ℃左右波動，之后緩慢下降；到21,600 min（15天）時，下降至241 ℃左右波動，表面溫度下降3℃。

圖7 名義工況陶瓷PTC電加熱器功率

圖8 名義工況陶瓷PTC電加熱器壁面溫度

圖9 干燒工況金屬PTC電加熱器功率

圖10 干燒工況金屬PTC電加熱器壁面溫度

圖11 干燒工況陶瓷PTC電加熱器功率

圖12 干燒工況陶瓷PTC電加熱器壁面溫度

3 結論

1）金屬PTC電加熱器額定功率900 W，名義工況下，初始功率960 W，表面溫度175 ℃；通斷電運行5,000次后，穩(wěn)態(tài)功率930 W，表面溫度156 ℃，功率衰減3.13%，表面溫度下降19℃。干燒工況下，初始功率612.5 W，表面溫度600 ℃；干燒15天后，穩(wěn)態(tài)功率600 W，表面溫度580 ℃，功率衰減2.04%，表面溫度下降20℃。

2）陶瓷PTC電加熱器額定功率850 W，名義工況下，初始功率750 W，表面溫度141 ℃；通斷電運行5,000次后，穩(wěn)態(tài)功率705 W，表面溫度137 ℃，功率衰減6.00%，表面溫度下降4℃。干燒工況下，初始功率185 W，表面溫度244 ℃；干燒15天后，穩(wěn)態(tài)功率171 W，表面溫度241 ℃，功率衰減8.11%，表面溫度下降3 ℃。

3）陶瓷和金屬PTC電加熱器功率前期衰減較快、后期衰減較慢。

4）名義工況和干燒工況下，金屬PTC的衰減率分別為3.13%和2.04%，陶瓷PTC的衰減率分別為6.00%和8.11%。

5）在空調(diào)輔助電加熱器進行設計選型時，均需考慮金屬和陶瓷PTC輔助電加熱器的功率衰減而留有裕量，根據(jù)功率衰減特性對設計裕量進行選擇，金屬PTC應選5%，陶瓷PTC應選10%。

6）干燒時，金屬PTC表面溫度達600 ℃左右，易引起安全事故。因此，必須隨電加熱器裝有熔斷器或溫控器，以便當空調(diào)器萬一發(fā)生風機故障，發(fā)生干燒時斷電。

[1]中國人民共和國工業(yè)和信息化部. 2013年1—12月家用電器行業(yè)運行情況[EB/OL]. [2014-02-17].http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n1129413 2/n12858432/n12858703/15882891.html.

[2]中國人民共和國工業(yè)和信息化部. 2014年1—12月家用電器行業(yè)運行情況[EB/OL]. [2015-02-11].http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11293832/n1129413 2/n12858432/n12858703/16451184.html.

[3]中國人民共和國工業(yè)和信息化部. 2015年1—12月家用電器行業(yè)運行情況[EB/OL]. [2016-02-02].http://www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n 3057601/n3057608/c4629917/content.html.

[4]中國人民共和國工業(yè)和信息化部. 2016年1—12月家用電器行業(yè)運行情況[EB/OL]. [2017-02-15].http://www.miit.gov.cn/n1146312/n1146904/n1648366/n 1648371/c5487535/content.html.

[5]盛健, 張華, 倪彬, 等. 三種空調(diào)輔助電加熱技術比較[J]. 建筑熱能通風空調(diào), 2016, 35(5): 64-67.

[6]李素花, 代寶民, 馬一太. 空氣源熱泵的發(fā)展及現(xiàn)狀分析[J]. 制冷技術, 2014, 34(1): 42-48.

[7]孫玉, 沈兆江, 張恒. 汽車空調(diào)暖風系統(tǒng)性能優(yōu)化與效果分析[J]. 制冷技術, 2014, 34(4): 13-17.

[8]王曉洪, 翟曉強. 空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)全年性能實驗研究[J]. 制冷技術, 2016, 36(5): 1-7.

[9]張守信, 張聰, 張華, 等. 換熱器結構布置對分體式空調(diào)室內(nèi)機性能的影響[J]. 制冷技術, 2014, 34(5): 17-21.

[10]JB/T 4088-2012. 日用管狀電熱元件[S]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2012.

[11]杜進. 三相空調(diào)機組PTC電加熱器的應用研究[J]. 制冷與空調(diào), 2015, 15(8): 51-54.

[12]GB/T 7153-2002. 直熱式階躍型正溫度系數(shù)熱敏電阻器第1部分: 總規(guī)范[S]. 北京: 中國標準出版社, 2002.

[13]林創(chuàng)輝, 歐陽惕, 陳華, 等. PTC電加熱器在恒溫恒濕空調(diào)機上的應用研究[J]. 潔凈與空調(diào)技術, 2014(4):6-10.

[14]李沛珂, 劉東, 王如竹, 等. 小溫差風機盤管在空氣源熱泵系統(tǒng)中的應用[J]. 制冷技術, 2017, 37(3): 43-48.

[15]何暉. PTC電加熱在空調(diào)器上的應用[J]. 河南機電高等專科學校學報, 2011, 18(1): 9-11.

[16]GB/T 17758-2010. 單元式空氣調(diào)節(jié)機[S]. 北京: 中國標準出版社, 2010.

[17]GB/T 7725-2004. 房間空氣調(diào)節(jié)器[S]. 北京: 中國標準出版社, 2004.