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(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

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寒冷地區(qū)空氣源熱泵結(jié)霜情況測試研究

陳忠海劉宏寶洪靜

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

針對寒冷地區(qū)空氣源熱泵結(jié)霜問題，對一種新型空氣源熱泵進行實驗測試和數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明在結(jié)霜較少時有助于提高熱泵的制熱量和cop，但隨著霜層的不斷增加，空氣源熱泵的COP和制熱效果不斷惡化.

空氣源熱泵；結(jié)霜；寒冷地區(qū)；測試

0　前　言

隨著建筑節(jié)能及環(huán)境保護工作的日益推進，傳統(tǒng)的供暖模式將會被逐漸取代.而空氣源熱泵是一種節(jié)能、環(huán)保的制熱制冷設(shè)備.其在我國的長江流域、黃河流域等地區(qū)的應(yīng)用十分廣泛，被廣泛應(yīng)用在公寓、酒店、餐廳、購物商場、影劇院、廠房、醫(yī)院、辦公大樓等空調(diào)工程中.但是由于空氣源熱泵按照“逆卡諾循環(huán)”工作，當(dāng)室外溫度較低，相對濕度較大時，壓縮機壓比偏大、蒸發(fā)器表面容易結(jié)霜，系統(tǒng)制熱率下降，系統(tǒng)性能降低等問題，成為空氣源熱泵在寒冷地區(qū)應(yīng)用的直接阻力.因此，在張家口地區(qū)通過對一種新型空氣源熱泵進行了結(jié)霜情況的測試研究，來驗證該系統(tǒng)在寒冷地區(qū)應(yīng)用的可行性.為后續(xù)改進機組提供運行測試數(shù)據(jù).

1　新型空氣源熱泵系統(tǒng)

一方面，在熱泵系統(tǒng)中加氣液分離器和單向閥，是離開室內(nèi)換熱器的制冷劑以氣態(tài)的形式進入壓縮機，避免夾雜含液體的制冷劑被壓縮機吸入和壓縮；另一方面在熱泵系統(tǒng)中加一條分流循環(huán)回路，經(jīng)分流制冷劑調(diào)壓后，分流循環(huán)回路中的制冷劑能夠調(diào)節(jié)壓縮機吸入制冷劑狀態(tài)，使壓縮機吸入更多密度較大的氣態(tài)制冷劑.從而使系統(tǒng)能夠在較低的室外溫度下正常工作，為室內(nèi)提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，降低系統(tǒng)除霜開始和結(jié)束的響應(yīng)時間[1].

2　實驗系統(tǒng)及測試方法

圖1　 實驗測試系統(tǒng)布置

圖一為新型空氣源熱泵系統(tǒng)的實驗測試系統(tǒng).實驗系統(tǒng)分三部分：1、室外測試部分.主要包括：室外空氣的溫度、相對濕度和室外換熱器空氣側(cè)入口、出口溫度的測量.2、室內(nèi)測試部分.主要包括：室內(nèi)空氣的溫度、送風(fēng)量及機組總耗電量的測試.3、數(shù)據(jù)采集和記錄裝置.主要包括：電腦和數(shù)據(jù)自動采集器.

2.1測量裝置

此空氣源熱泵的所有測點所測得溫度、濕度均由Agilent34970A數(shù)據(jù)采集器進行采集記錄.各溫度測點采用0.2 mm的銅-康銅熱電偶溫度計進行測量，同時，為保證各測點溫度的準(zhǔn)確性，如室外環(huán)境溫度、室內(nèi)送、回風(fēng)溫度等部分?jǐn)?shù)據(jù)采用了清華同方股份有限公司生產(chǎn)的測量精度為：±0.3 ℃，測量頻率為1 s～9 h，存儲量為6536個數(shù)據(jù)，測溫范圍為-20 ℃～55 ℃的RHLOG-Ⅱ型智能溫度自記儀進行采集和記錄，并與熱電偶進行了交叉和對比測量.相對濕度采用RHLOG-HI型濕度自計議進行測量，其精度為±3%～±5%.室內(nèi)外風(fēng)速采用型號為8383-M-GB多參數(shù)風(fēng)速儀進行測量，儀器的風(fēng)速測量范圍0～50 m/s，測量誤差±0.015 m/s.熱泵機組的耗電量直接由三相電度表讀取.

2.2測試方法

本實驗主要測試此空氣源熱泵系統(tǒng)在張家口地區(qū)的結(jié)霜情況及結(jié)霜工況下系統(tǒng)的實際運行情況，為樣機在寒冷地區(qū)高效節(jié)能的的運行提供參考和依據(jù)，對實際使用時所出現(xiàn)的問題作出分析和討論.因此測試采用連續(xù)運行方式，通過大量連續(xù)的測量，獲得此空氣源熱泵不同室外環(huán)境下的運行結(jié)霜情況.測試階段，將室內(nèi)溫度設(shè)定在21-23 ℃，當(dāng)室外相對濕度小于70%時，每隔半小時采樣一次；當(dāng)室外相對濕度大于70%時，每隔10 min采樣一次.

3　實驗結(jié)果分析

3.1測試期室外環(huán)境

圖2室外日平均溫度 圖3室外日平均濕度

實驗期間室外日平均溫度在-16 ℃～0 ℃之間波動，測試期間的平均溫度為-5.93 ℃，由于2月6號下雪，7號到9號連續(xù)三天張家口地區(qū)持續(xù)低溫，室外日平均溫度分別為-12.22 ℃，-13.65 ℃，-11.56 ℃，在2月3號張家口達(dá)到室外最低溫度-20.73 ℃.室外日平均濕度在32%-68%之間波動，測試期間的平均濕度為51.79%.張家口地區(qū)冬季空調(diào)室外設(shè)計溫度為-16.2 ℃，相對濕度41%，所以這樣的室外環(huán)境完全可以驗證此空氣源熱泵實驗樣機在張家口地區(qū)的結(jié)霜運行情況.

3.2結(jié)霜情況

在為期一個月的測試期間內(nèi)，當(dāng)張家口地區(qū)室外日平均溫度為-8 ℃到-4 ℃，室外相對濕度在50%左右時，室外蒸發(fā)器沒有出現(xiàn)結(jié)霜情況；當(dāng)室外相對濕度為66%左右時，室外蒸發(fā)器表面出現(xiàn)少量的霜雪，對樣機的制熱量和cop幾乎沒有造成影響；當(dāng)室外相對濕度超過70%時，室外蒸發(fā)器表面結(jié)霜較為嚴(yán)重，樣機運行四個小時左右室外換熱器翅片布滿霜雪.

3.3結(jié)霜工況熱泵運行情況

圖4結(jié)霜工況室外溫度圖5結(jié)霜工況室內(nèi)溫度

圖6結(jié)霜工況制熱量變化 圖7結(jié)霜工況COP值變化

圖四到圖七所有的數(shù)據(jù)為2月6號結(jié)霜過程所測的數(shù)據(jù)，室外溫度在-5 ℃到-2 ℃之間，室外相對濕度為70%左右.室內(nèi)溫度在剛開始結(jié)霜的兩個小時內(nèi)室外溫度變化很小只有0.2 ℃的降低，在結(jié)霜三個小時后室外溫度有所提高但是由于室外換熱器結(jié)霜導(dǎo)致運行工況惡化溫度下降較快，三個小時大致降低1.3 ℃，但室內(nèi)溫度依然能保持在22 ℃之上，能夠為人們提供一個舒適的室內(nèi)環(huán)境.

由圖六可知，此空氣源熱泵在結(jié)霜開始的一段時間內(nèi)制熱量下降較為平緩，后期由于室外換熱器盤管表面霜層的不斷增加，盤管熱阻不斷增大，傳熱系數(shù)不斷減小，同時隨著結(jié)霜厚度的增加，換熱器翅片間的空氣阻力增加，降低了翅片的通風(fēng)量，從而導(dǎo)致空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱率下降速度較快，但制熱量仍然能保持在5.3 KW以上，依舊能為室內(nèi)提供足夠的熱量.

由圖七可知，在結(jié)霜開始的一個小時內(nèi)，由于室外換熱器翅片結(jié)霜較少，增大了翅片表面的粗糙度，使換熱器的傳熱系數(shù)增大，系統(tǒng)的COP值有所提高，但隨著結(jié)霜厚度的增加，換熱器的熱阻增大和通過翅片的空氣流量減小，從而導(dǎo)致COP值直線下降，五個小時后降到了1.4以下.

4　結(jié)　論

在為期一個月的實驗測試期間，張家口地區(qū)室外溫度在-20 ℃到0 ℃之間，相對濕度在20%到90%之間，平均濕度為51.79%，室內(nèi)溫度為21 ℃～23 ℃，此空氣源熱泵系統(tǒng)的實驗樣機能夠穩(wěn)定運行，且能夠保證大部分時間為室內(nèi)提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，取得了令人滿意的供暖要求.但是由于個別天氣原因，室外空氣濕度增加，系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，當(dāng)室外平均濕度為66.9%時，結(jié)霜對樣機影響較小，樣機仍能高效運行；當(dāng)室外濕度在73%-94.9%時，樣機結(jié)霜嚴(yán)重，嚴(yán)重的影響了系統(tǒng)的制熱量和COP，使樣機的耗能較為嚴(yán)重.

在實驗測試過程中發(fā)現(xiàn)，此空氣源熱泵實驗樣機在除霜過程中，蒸發(fā)器上的霜層在一邊融化的同時一邊結(jié)成灰黑色的冰，而且在蒸發(fā)器下部有少量水滴下，張家口地區(qū)室外溫度很低，將會造成蒸發(fā)器底部冰層的堆積，從而造成除霜時間延長，系統(tǒng)的能耗增大.因此，在以后對系統(tǒng)的改進時應(yīng)注意對除霜過程產(chǎn)生的水滴做及時處理.

[1]王瑞祥.空氣源熱泵及其應(yīng)用于寒冷地區(qū)的建筑采暖研究.家電科技，2004，2～3，P98～101

[2]李臘芳.空氣源熱泵結(jié)霜工況高效能運行研究[D].重慶大學(xué)，2013

[3]姚楊，姜益強，馬最良.空氣源熱泵冷熱水機組空氣側(cè)換熱器結(jié)霜規(guī)律[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，34(5)

[4]姜益強.延緩空氣源熱泵機組結(jié)霜的研究現(xiàn)狀與進展[J].制冷與空調(diào)(四川)，2009，23(1)

Research on Test of Heat Pump Frost with Air Source in Cold Areas

CHEN Zhong-hai,LIU Hong-bao,HONG Jing

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000,China)

Aiming at the problem of air source heat pump frosting in cold areas,a new air source heat pump was tested experimentally under frosting conditions.The results show that,with less frost,its heat capacity and COP can be improved,slow speed of frost.However,with the increasing of the frost layer,COP and the heating effect will be influenced greatly.

air source heat pump;frost;cold areas;testing

2016-02-20

陳忠海(1963-)，男，教授，從事建筑節(jié)能與新能源利用研究.

TU 83

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