李 剛 田小亮

（青島大學(xué)機電工程學(xué)院，山東 青島266071）

近年來，空氣源熱泵因其節(jié)能環(huán)保、能源利用率高，具備制冷制熱雙重功能等優(yōu)勢在暖通空調(diào)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。然而空氣源熱泵極易出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)霜現(xiàn)象，空氣源熱泵的結(jié)霜過程極其復(fù)雜，涉及到進風(fēng)溫濕度、空氣流量、換熱器翅片類型及間距、翅片表面特性以及霜層結(jié)構(gòu)等眾多影響因素[1]。更重要的是，結(jié)霜會導(dǎo)致?lián)Q熱器傳熱熱阻增大、空氣流量減少、換熱能力降低等問題，因此換熱器表面結(jié)霜到一定程度時需要轉(zhuǎn)換為除霜模式[2]。目前空氣源熱泵常用的除霜方式有電熱法、逆循環(huán)法等，然而在實際工程運用中，采用這類除霜方式時往往存在化霜水清除不徹底的情況，當(dāng)機組重啟制熱模式時，換熱器表面的滯留水會使得結(jié)霜狀況更加嚴(yán)重，甚至?xí)Q熱器造成破壞。這不僅大大降低了空氣源熱泵系統(tǒng)工作效率及用戶的熱舒適度，也造成了巨大的能量損失[3]。

本文從空氣源熱泵系統(tǒng)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的實際工程運用出發(fā)，搭建了空氣源熱泵系統(tǒng)結(jié)霜化霜可視化實驗平臺。實驗研究了空氣源熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境運行時霜層的形成、發(fā)展過程及其隨換熱器性能的影響。并采用對低溫空氣除霜方法，對化霜過程及化霜效果進行了驗證和探究。同時分析了不同化霜時間下，換熱器恢復(fù)制熱模式時翅片表面殘留的滯留水對系統(tǒng)性能以及換熱器再結(jié)霜過程的影響。最大限度縮短了系統(tǒng)化霜時間、減少了翅片表面滯留水量，降低了結(jié)霜、化霜過程對系統(tǒng)性能的影響，保證機組能夠連續(xù)、高效、穩(wěn)定地運行，降低了能耗。

1 實驗簡介

空氣源熱泵空調(diào)結(jié)霜化霜實驗平臺如圖1 所示，系統(tǒng)由過濾網(wǎng)、電加熱器、并聯(lián)復(fù)合式變頻壓縮制冷機組、擋水板、引風(fēng)機、集水裝置、保溫材料等構(gòu)成?？諝庠谝L(fēng)機作用下依次經(jīng)過濾網(wǎng)、電加熱器、并聯(lián)復(fù)合式1#-4#變頻壓縮制冷機組和擋水板。

圖1 實驗平臺系統(tǒng)圖

表1 為1#-4#換熱器的主要參數(shù)。通過控制1#-4#制冷機組和電加熱器的工作臺數(shù)或頻率實驗平臺能夠調(diào)節(jié)空氣露點溫度，可以將其降至-20℃甚至更低來實現(xiàn)模擬不同溫度濕度環(huán)境下的結(jié)霜化霜工況。Kestrel3000 便攜式風(fēng)速儀、蒸發(fā)器前后測溫點布置的Pt100Ω 鉑電阻溫度傳感器用以測量系統(tǒng)運行時的風(fēng)速、溫度、濕度?？梢暬翱谀軌虮ＷC相機對結(jié)霜化霜全過程進行記錄，數(shù)據(jù)采集采用Agilent34970A 實現(xiàn)。

表1 換熱器主要參數(shù)

2 實驗過程及分析

2.1 熱泵結(jié)霜實驗

為探究在空氣源熱泵空調(diào)實際工程應(yīng)用中蒸發(fā)器結(jié)霜問題對系統(tǒng)運行的影響，在實驗中以1#機組為研究對象來模擬蒸發(fā)器長時間運行時霜層的生長過程。如圖2 所示，隨著蒸發(fā)器翅片表面溫度降低，換熱器表面結(jié)霜過程與單一翅片結(jié)霜過程相同，同樣分為霜核形成階段（a），霜層生長階段（b）和霜層完成形成階段（c）[4]?？諝庵兴质紫仍趽Q熱器冷表面凝結(jié)后形成冰晶，冰晶進入生長階段后翅片表面結(jié)霜量不斷增長直至翅片表面被明顯的霜層覆蓋。隨著結(jié)霜時間的增長，換熱器相鄰翅片間隙完全被霜層堵塞，此時換熱器換熱量、空氣流量、系統(tǒng)性能急劇下降。

圖2 空氣源熱泵換熱器結(jié)霜過程

為探究溫度、相對濕度對空氣源熱泵蒸發(fā)器結(jié)霜過程的影響程度，在實驗過程中將引風(fēng)機開啟后空氣以2.0m/s 的速度進入系統(tǒng)，開啟1#和4#機組并關(guān)閉2#和3#機組，通過4#變頻機組調(diào)整進入1#機組的空氣的溫度（Ta）和相對濕度（RH）分別為Ta=4℃，RH=45%；Ta=2.5℃，RH=45%；Ta=2.5℃，RH=60% 三種不同工況。1#換熱器前后表面的結(jié)霜狀況。

在三種工況下，換熱器后表面測溫點所測溫度均遠低于空氣露點溫度，其換熱器后表面結(jié)霜狀況如圖3（a）所示，其區(qū)別在于隨著環(huán)境溫度的降低，換熱器表面開始出現(xiàn)霜層的時間變短。而RH=45%；Ta=2.5℃，4℃情況下，因換熱器前表面測溫點所測溫度高于環(huán)境空氣露點溫度，故兩種工況下?lián)Q熱器前表面如圖3（b）所示均無結(jié)霜現(xiàn)象。而Ta=2.5℃，RH=60%工況下，蒸發(fā)器前表面結(jié)霜量如圖3（c）所示明顯增多，其原因在于該工況下?lián)Q熱器前表面溫度已經(jīng)低于空氣露點溫度，而且空氣相對濕度較高，導(dǎo)致?lián)Q熱器前表面越容易結(jié)霜。

圖3 換熱器表面結(jié)霜狀況

在3 組結(jié)霜對比實驗中，以霜層不再隨時間出現(xiàn)明顯變化作為結(jié)霜實驗依據(jù)，三種工況的結(jié)霜時間分別為60 分鐘、50 分鐘、30 分鐘，由此可見隨著溫度的降低和相對濕度的升高，空氣源熱泵結(jié)霜越嚴(yán)重，而且相對濕度對結(jié)霜的影響要高于時間和溫度對結(jié)霜的影響。另外由于受換熱器管排布置方式影響，換熱器后表面結(jié)霜狀況出現(xiàn)帶狀分布，實現(xiàn)表明換熱器換熱管處越容易出現(xiàn)霜層堆積，結(jié)霜狀況越嚴(yán)重。

2.2 空氣法化霜實驗

針對結(jié)霜實驗三種工況下1#換熱器的結(jié)霜狀況，進行空氣法化霜實驗研究。實驗過程中保持3#機組開啟，關(guān)閉1#機組，在引風(fēng)機作用下，分別采用風(fēng)速均為2.0m/s, 溫濕度分別為Ta=3.5℃，RH=45%；Ta=2.5℃，RH=45%；Ta=4℃，RH=60%三種狀態(tài)的空氣進行化霜。

在采用Ta=3.5℃，RH=45%；Ta=2.5℃，RH=45%兩種工況的低溫空氣進行化霜時，兩者霜層均在3min 時開始融化，在5min時出現(xiàn)化霜水流動現(xiàn)象。在Ta=2.5℃，RH=45%化霜工況下翅片完全干燥的時間為45min，在Ta=2.5℃，RH=45%化霜工況下翅片完全干燥的時間為36min，分析其原因在于Ta=3.5℃，RH=45%結(jié)霜工況下?lián)Q熱器表面結(jié)霜量少于Ta=2.5℃，RH=45%結(jié)霜工況。而且由化霜過程可以得出，在采用相對濕度一定的低溫空氣化霜時，溫度對化霜時間后期階段的影響要明顯高于化霜初始階段，提高化霜溫度能夠大大于縮短化霜時間。

而對于采用Ta=4℃，RH=60%空氣進行結(jié)霜化霜時，由于換取器前表現(xiàn)結(jié)霜量嚴(yán)重，后表面結(jié)霜量相對減少狀況，導(dǎo)致化霜10min 時后表面霜層已經(jīng)融化完畢，而前表面60min 時過程才結(jié)束化霜過程。而且因工況下結(jié)霜量較多，導(dǎo)致化霜過程存在較長時間的融霜水流動過程。

2.3 化霜滯留水對結(jié)霜過程的影響

由熱泵空調(diào)結(jié)霜化霜實驗可知，熱泵空調(diào)在低溫工況下運行時結(jié)霜嚴(yán)重，而化霜過程是一個漫長的過程，為提高系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵必須盡可能縮短化霜時間。而化霜時間過短會導(dǎo)致?lián)Q熱器表面融霜水不能完全流盡，必然會對結(jié)霜過程產(chǎn)生影響。

為探究化霜滯留水對結(jié)霜過程的影響，在實驗中同時開啟1#、2#、3#、4#機組，機組運行時間為30min，以1#機組換熱器表面作為研究對象，其表面結(jié)霜狀況圖圖4（a）所示。然后將1#、2#、3#機組關(guān)閉，通過控制4#機組工作頻率，將化霜空氣溫濕度控制在Ta=14℃，RH=45%。化霜10min 后重新將1#、2#、3#、4#機組開啟至初始結(jié)霜運行工況，此時翅片表面已無霜層和化霜水流動現(xiàn)象，但換熱器上部和中部翅片表面存在少量化霜滯留水，換熱器底部滯留水較多。機組重新運行時間為30min，1#機組換熱器表面結(jié)霜狀況圖圖4（b）所示。

圖4 不同翅片表面結(jié)霜狀況對比

在干燥翅片表面結(jié)霜過程中，120s 時換熱器表面出現(xiàn)霜層，40min 后翅片表面霜層生長均勻。在有滯留水翅片表面結(jié)霜過程中，70s 時換熱器表面即出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，而且在霜層生長過程中，翅片表面殘存的滯留水會慢慢結(jié)冰，在翅片間形成冰點并不斷變大直至完全堵塞翅片間隙。同樣，由于滯留水在結(jié)霜過程中形成冰點，導(dǎo)致?lián)Q熱器上部和中部霜層融化時間由原先的4min 增加至6min，而換熱器底部間滯留水不斷聚集，致使在下次結(jié)霜過程中換熱器底部形成冰層，隨著空氣源熱泵低溫下運行工作的增長，換熱器表面結(jié)霜情況更加惡劣。

通過上述分析，化霜滯留水會使得換熱器表面二次結(jié)霜過程中出現(xiàn)冰點，因此控制合理的化霜水滴水時間尤為重要。實驗中采用風(fēng)速均為2.0m/s，溫度均為Ta=14℃，濕度分別為RH=45%，RH=70%兩種環(huán)境工況，通過控制化霜水滴落時間，分析二次結(jié)霜冰點狀況，結(jié)果如表2（a）、（b）所示。

表2 化霜水滴落時間對換熱器二次結(jié)霜冰點的影響

由以上幾組實驗可知，在Ta=14℃，RH=45%工況下化霜時，霜層融化后需要預(yù)留15min 左右的時間讓滯留水充分滴落才會避免二次結(jié)霜時產(chǎn)生冰點，而Ta=14℃，RH=45%工況下化霜時滯留水充分滴落時間則延長至20min 左右。其原因在于換熱器除霜過程主要分為霜層融化過程和化霜水流動滴落過程。在采用空氣化霜法除霜時，兩個過程都要收到結(jié)霜量及化霜空氣溫度和濕度的影響，因此需要充分考慮具體工況特點控制除霜時間。

3 結(jié)論與討論

本文將空氣源熱泵空調(diào)在實際工程應(yīng)用的中采用的換熱器作為研究對象，通過進行低溫工況下的結(jié)霜、化霜實驗得出以下結(jié)論：

（1）空氣源熱泵空調(diào)低溫工況運行過程中，霜核形成階段時間較短，霜層生長階段和霜層完成形成階段占據(jù)結(jié)霜過程的大部分時間。但熱泵空調(diào)換熱器翅片表面霜層厚度達到翅片間距1/2 時，就會完全堵塞換熱器空氣通道，導(dǎo)致結(jié)霜時間縮短，換熱能力下降。而且蒸發(fā)器換熱管處，結(jié)霜現(xiàn)象更加嚴(yán)重。因此在合理選擇換熱器翅片型式和間距能夠保證在不降低換熱器換熱能力前提下盡量延緩結(jié)霜時間。

（2）熱器表面結(jié)霜過程中，環(huán)境溫度越低、相對濕度越大換熱器表面越容易結(jié)霜，而且相對濕度對結(jié)霜的影響要高于時間和溫度對結(jié)霜的影響，因此空氣源熱泵空調(diào)低溫工況運行時，預(yù)先降低空氣濕度對延緩結(jié)霜有著積極作用。

（3）空氣源熱泵空調(diào)化霜過程中，翅片化霜水流動時間要遠遠大于霜層融化時間。而且翅片表面的滯留水會導(dǎo)致機組二次結(jié)霜時間變短并在結(jié)霜過程中形成冰點附著在翅片表面，繼而使化霜時間增長，機組正常工作狀態(tài)下的連續(xù)運行長時間縮短。

（4）低溫空氣法化霜相比于逆向除霜方式而言，減少了制冷制熱模式轉(zhuǎn)換給用戶側(cè)帶來的不利體驗，降低了能耗，其能耗僅為風(fēng)機帶來的能量損失。提高化霜空氣溫度、降低化霜空氣相對濕度能夠縮短化霜時間，同時加速翅片表面滯留水蒸發(fā)過程和流動過程。