王曉艷

（山東經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院,山東 濰坊261011）

1 引言

隨著空氣污染日益嚴(yán)重，減少煤炭用量，采用清潔可再生能源供暖成為當(dāng)務(wù)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(zhuǎn)換效率太低，且增加的用電量需要投入巨大資金對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行改造?？諝庠礋岜檬且揽刻崛〉蜏乜諝庵械牡推肺粺崮埽噪娏︱?qū)動(dòng)壓縮機(jī)，將提取空氣中的熱能轉(zhuǎn)換產(chǎn)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(yīng)用于北方寒冷地區(qū)時(shí)，空氣側(cè)換熱器隨著表面霜層的增厚,將出現(xiàn)蒸發(fā)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(huán)境下空氣源熱泵蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)工藝優(yōu)化等方面入手，通過試驗(yàn)分析的方法為空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

2 翅片蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)霜的影響

空氣源熱泵在冬季制熱運(yùn)行時(shí)，空氣側(cè)換熱器起蒸發(fā)器的作用，環(huán)境溫度往往低于0℃，當(dāng)室外空氣流經(jīng)換熱器時(shí)，其所含的水分就會(huì)析出，并形成霜層將出現(xiàn)蒸發(fā)溫度下降，制熱量下降和風(fēng)機(jī)性能衰減等問題。常規(guī)空氣源熱泵翅片蒸發(fā)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(shù)3-4排[2]，因此在冬季會(huì)出現(xiàn)除霜頻繁的現(xiàn)象。寒冷地區(qū)適當(dāng)增大翅片間距可避免結(jié)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(chǔ)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(fā)器進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.1 翅片間距對(duì)結(jié)霜的影響

當(dāng)以《低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機(jī)組》標(biāo)準(zhǔn)工況：環(huán)境干球溫度-12℃，濕球溫度-14℃，入口風(fēng)速2.2m/s時(shí)，隨著時(shí)間的增加，翅片蒸發(fā)器結(jié)霜厚度越來越大，圖1是翅片間距對(duì)蒸發(fā)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(fā)器結(jié)霜速度較快，原因主要是在霜柱發(fā)生期及霜層成長(zhǎng)期，翅片間距越小霜柱及霜柱頭部霜晶的干涉作用，流動(dòng)阻力增加，風(fēng)量迅速降低造成的[2]。熱泵運(yùn)行1小時(shí)后，2.4毫米翅片間距的蒸發(fā)器霜層厚為0.41毫米，2.8毫米翅片間距的蒸發(fā)器霜層厚為0.68毫米，3.2毫米翅片間距的蒸發(fā)器霜層厚為0.8毫米。雖然蒸發(fā)器翅片間距越大，結(jié)霜越慢。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，相同換熱面積的情況下，間距越大蒸發(fā)器的體積也越大，可導(dǎo)致蒸發(fā)器入口風(fēng)速的降低，因此需要根據(jù)實(shí)際情況合理確定蒸發(fā)器的翅片間距。

圖1 翅片間距對(duì)蒸發(fā)器霜層厚度的影響

圖2 管間距對(duì)蒸發(fā)器霜層厚度的影響

2.2 管間距對(duì)結(jié)霜的影響

蒸發(fā)器迎風(fēng)面管間距的不同，可導(dǎo)致蒸發(fā)器內(nèi)空氣流動(dòng)場(chǎng)的變化，對(duì)結(jié)霜有重要影響。圖2為空氣干球溫度-12℃，濕球溫度-14℃，入口風(fēng)速2.2m/s時(shí)，以翅片間距為2.8毫米情況下，不同管間距對(duì)蒸發(fā)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(fā)器兩管的流動(dòng)空間，使空氣流場(chǎng)變化，減小了氣流與管壁剪切運(yùn)動(dòng)及管后部的渦流運(yùn)動(dòng)，降低了空氣流動(dòng)阻力,強(qiáng)化了空氣與翅片蒸發(fā)器之間的換熱。另一方面，管間距的增大，減少了管子數(shù)目，增大了管內(nèi)制冷劑的質(zhì)量流速，對(duì)制冷劑與銅管間的換熱起到了促進(jìn)作用。

3 低溫空氣源熱泵系統(tǒng)增效優(yōu)化

3.1 翅片蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上述2中的結(jié)構(gòu)對(duì)翅片蒸發(fā)器運(yùn)行結(jié)霜的影響，綜合考慮換熱器體積、風(fēng)機(jī)風(fēng)量等因素，優(yōu)選翅片間距2.8毫米，管間距27.4毫米，管排數(shù)3排，用以制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

3.2 噴氣增焓壓縮技術(shù)

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(shù)，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(jìn)入增效器，支路制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓后再進(jìn)入增效器（圖3中5-9點(diǎn)）[3]。這兩部分制冷劑在增效器中進(jìn)行熱交換，主回路制冷劑放熱變?yōu)檫^冷液體（圖3中5-6點(diǎn)），經(jīng)膨脹閥降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器（圖3中6-1點(diǎn)）；支路一小部分制冷劑吸熱變?yōu)闅怏w（圖3中9-10點(diǎn)），進(jìn)入渦旋壓縮機(jī)渦旋盤，與中壓腔的制冷劑進(jìn)行混合，（圖3中2、10-3點(diǎn)），然后共同壓縮至排氣壓力后（圖3中3-4點(diǎn)）進(jìn)入冷凝器，這個(gè)類似于二級(jí)壓縮，中壓冷卻循環(huán)，可以有效降低排氣溫度，確保了壓縮機(jī)的可靠運(yùn)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(shù)與普通空氣源熱泵相比的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于：大部分制冷劑通過增效器后溫度降低，蒸發(fā)器進(jìn)出口焓差增加，可提高系統(tǒng)制熱量；在低環(huán)境溫度時(shí)，噴氣增焓中間補(bǔ)氣顯著改善壓縮過程，降低排氣溫度[4]，擴(kuò)展空氣源熱泵應(yīng)用范圍。普通空氣源熱泵在-15℃以下的環(huán)境溫度下，排氣溫度過高導(dǎo)致系統(tǒng)密封件及潤(rùn)滑出現(xiàn)問題，因此會(huì)停止工作，空氣源噴氣增焓壓縮技術(shù)可保證-25℃環(huán)境溫度下穩(wěn)定工作。

3.3 防霜增效循環(huán)優(yōu)化

空氣源熱泵在冬季運(yùn)行過程中因翅片蒸發(fā)器底部易積水結(jié)冰，隨著時(shí)間的增加，冰層會(huì)逐漸向上部延伸，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在整個(gè)翅片蒸發(fā)器外部形成冰殼，增大空氣的流通阻力，嚴(yán)重影響熱泵運(yùn)行，甚至造成反復(fù)除霜的故障而不能制熱。防霜增效循環(huán)采用冷凝后的高溫制冷劑進(jìn)入空氣側(cè)換熱器（圖3中6-7點(diǎn)）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(shí)進(jìn)行防霜與除霜，最大程度降低除霜次數(shù)，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。降溫后的制冷劑進(jìn)一步增大了過冷度至膨脹閥節(jié)流降壓（圖3中7-8點(diǎn)），在消耗電能不變的情況下，增加了蒸發(fā)器的吸熱量，從而增加了一部分制熱量，提高機(jī)組能效。

3.4 低溫空氣源增效熱泵性能實(shí)驗(yàn)

低溫?zé)岜迷鲂岜貌捎肰RI噴氣增焓壓縮機(jī)，普通熱泵采用VR系列同型號(hào)壓縮機(jī)。在標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)中，選取空氣源熱泵標(biāo)準(zhǔn)制熱工況：干球溫度7℃，濕球溫度6℃；低溫空氣源標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體運(yùn)行工況見表1。

表1 低溫空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)工況

圖4 環(huán)境溫度對(duì)制熱量的影響

圖5 環(huán)境溫度對(duì)制熱性能系數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)和制熱量隨著環(huán)境溫度的降低而降低，普通熱泵相對(duì)于低溫增效熱泵的降低幅度更大。尤其是低環(huán)境溫度條件下，制熱量最大降低幅度約15%，性能系數(shù)最大降低幅度約10%。普通熱泵接近-14℃時(shí)由于排氣溫度過高壓縮機(jī)自保護(hù)裝置經(jīng)常保護(hù)停機(jī)，已不能正常工作。低溫增效熱泵在低溫標(biāo)準(zhǔn)工況-12℃熱泵性能系數(shù)達(dá)到2.35，在環(huán)境溫度-25℃時(shí)性能系數(shù)1.65，且能正常運(yùn)行，制熱量為16.1kW。從數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度-25℃時(shí)制熱量是低溫標(biāo)準(zhǔn)制熱工況-12℃時(shí)制熱量的67%，是0℃時(shí)制熱量的53%，因此在冬季寒冷地區(qū)使用空氣源熱泵應(yīng)考慮低溫環(huán)境下熱泵機(jī)組的制熱量衰減問題，適當(dāng)增大熱泵機(jī)組的配置容量。

4 結(jié)論

（1）低環(huán)境溫度空氣源熱泵蒸發(fā)器采用增大翅片間距和管間距的方式，可有效的防止結(jié)霜，延長(zhǎng)制熱時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，翅片間距2.8毫米，管間距27.4毫米在翅片體積、風(fēng)機(jī)匹配上有較好的效果。

（2）低溫增效循環(huán)優(yōu)化將冷凝后的高溫制冷劑經(jīng)過翅片蒸發(fā)器底部的2-3排管后再截流降壓進(jìn)入翅片蒸發(fā)器上部，能有效增加制冷劑的過熱度，增大蒸發(fā)器進(jìn)出口焓差，提高機(jī)組的制熱量。同時(shí)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(shí)進(jìn)行防霜與除霜，最大程度降低除霜次數(shù)，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）噴氣增焓技術(shù)應(yīng)用在熱泵中，可增加制熱性能系數(shù)和制熱量，環(huán)境溫度越低，增加效果越明顯，-12℃時(shí)制熱性能系數(shù)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(shí)制熱量是標(biāo)準(zhǔn)低溫?zé)岜霉r制熱量的67%，因此在寒冷地區(qū)應(yīng)用應(yīng)考慮低溫環(huán)境下熱泵機(jī)組的制熱量衰減問題，適當(dāng)增大熱泵機(jī)組的配置容量。

[1]董旭.低溫空氣源熱泵應(yīng)用技術(shù)研究[D].秦皇島:燕山大學(xué),2013:4-10.

[2]張哲,田津津.翅片管式蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)霜特性影響的研究[J].低溫與超導(dǎo),2006,35(01):69-72.

[3]劉暢，劉強(qiáng)，秦巖. 噴氣增焓空氣源熱泵在北方寒冷地區(qū)的應(yīng)用[J].制冷技術(shù),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.