李 剛 田小亮

（青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266071）

近年來(lái)，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(shì)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(guò)程極其復(fù)雜，涉及到進(jìn)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(huì)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(wèn)題，因此換熱器表面結(jié)霜到一定程度時(shí)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(shí)際工程運(yùn)用中，采用這類除霜方式時(shí)往往存在化霜水清除不徹底的情況，當(dāng)機(jī)組重啟制熱模式時(shí)，換熱器表面的滯留水會(huì)使得結(jié)霜狀況更加嚴(yán)重，甚至?xí)?duì)換熱器造成破壞。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(shí)際工程運(yùn)用出發(fā)，搭建了空氣源熱泵系統(tǒng)結(jié)霜化霜可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)研究了空氣源熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境運(yùn)行時(shí)霜層的形成、發(fā)展過(guò)程及其隨換熱器性能的影響。并采用對(duì)低溫空氣除霜方法，對(duì)化霜過(guò)程及化霜效果進(jìn)行了驗(yàn)證和探究。同時(shí)分析了不同化霜時(shí)間下，換熱器恢復(fù)制熱模式時(shí)翅片表面殘留的滯留水對(duì)系統(tǒng)性能以及換熱器再結(jié)霜過(guò)程的影響。最大限度縮短了系統(tǒng)化霜時(shí)間、減少了翅片表面滯留水量，降低了結(jié)霜、化霜過(guò)程對(duì)系統(tǒng)性能的影響，保證機(jī)組能夠連續(xù)、高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，降低了能耗。

1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

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

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)圖

表1 為1#-4#換熱器的主要參數(shù)。通過(guò)控制1#-4#制冷機(jī)組和電加熱器的工作臺(tái)數(shù)或頻率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠調(diào)節(jié)空氣露點(diǎn)溫度，可以將其降至-20℃甚至更低來(lái)實(shí)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(cè)溫點(diǎn)布置的Pt100Ω 鉑電阻溫度傳感器用以測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)速、溫度、濕度?？梢暬翱谀軌虮ＷC相機(jī)對(duì)結(jié)霜化霜全過(guò)程進(jìn)行記錄，數(shù)據(jù)采集采用Agilent34970A 實(shí)現(xiàn)。

表1 換熱器主要參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及分析

2.1 熱泵結(jié)霜實(shí)驗(yàn)

為探究在空氣源熱泵空調(diào)實(shí)際工程應(yīng)用中蒸發(fā)器結(jié)霜問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，在實(shí)驗(yàn)中以1#機(jī)組為研究對(duì)象來(lái)模擬蒸發(fā)器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)霜層的生長(zhǎng)過(guò)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(guò)程與單一翅片結(jié)霜過(guò)程相同，同樣分為霜核形成階段（a），霜層生長(zhǎng)階段（b）和霜層完成形成階段（c）[4]。空氣中水分首先在換熱器冷表面凝結(jié)后形成冰晶，冰晶進(jìn)入生長(zhǎng)階段后翅片表面結(jié)霜量不斷增長(zhǎng)直至翅片表面被明顯的霜層覆蓋。隨著結(jié)霜時(shí)間的增長(zhǎng)，換熱器相鄰翅片間隙完全被霜層堵塞，此時(shí)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(guò)程

為探究溫度、相對(duì)濕度對(duì)空氣源熱泵蒸發(fā)器結(jié)霜過(guò)程的影響程度，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將引風(fēng)機(jī)開啟后空氣以2.0m/s 的速度進(jìn)入系統(tǒng)，開啟1#和4#機(jī)組并關(guān)閉2#和3#機(jī)組，通過(guò)4#變頻機(jī)組調(diào)整進(jìn)入1#機(jī)組的空氣的溫度（Ta）和相對(duì)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(cè)溫點(diǎn)所測(cè)溫度均遠(yuǎn)低于空氣露點(diǎn)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(shí)間變短。而RH=45%；Ta=2.5℃，4℃情況下，因換熱器前表面測(cè)溫點(diǎn)所測(cè)溫度高于環(huán)境空氣露點(diǎn)溫度，故兩種工況下?lián)Q熱器前表面如圖3（b）所示均無(wú)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(diǎn)溫度，而且空氣相對(duì)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(duì)比實(shí)驗(yàn)中，以霜層不再隨時(shí)間出現(xiàn)明顯變化作為結(jié)霜實(shí)驗(yàn)依據(jù)，三種工況的結(jié)霜時(shí)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(duì)濕度的升高，空氣源熱泵結(jié)霜越嚴(yán)重，而且相對(duì)濕度對(duì)結(jié)霜的影響要高于時(shí)間和溫度對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)

針對(duì)結(jié)霜實(shí)驗(yàn)三種工況下1#換熱器的結(jié)霜狀況，進(jìn)行空氣法化霜實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持3#機(jī)組開啟，關(guān)閉1#機(jī)組，在引風(fēng)機(jī)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(jìn)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(jìn)行化霜時(shí)，兩者霜層均在3min 時(shí)開始融化，在5min時(shí)出現(xiàn)化霜水流動(dòng)現(xiàn)象。在Ta=2.5℃，RH=45%化霜工況下翅片完全干燥的時(shí)間為45min，在Ta=2.5℃，RH=45%化霜工況下翅片完全干燥的時(shí)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(guò)程可以得出，在采用相對(duì)濕度一定的低溫空氣化霜時(shí)，溫度對(duì)化霜時(shí)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(shí)間。

而對(duì)于采用Ta=4℃，RH=60%空氣進(jìn)行結(jié)霜化霜時(shí)，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(duì)減少狀況，導(dǎo)致化霜10min 時(shí)后表面霜層已經(jīng)融化完畢，而前表面60min 時(shí)過(guò)程才結(jié)束化霜過(guò)程。而且因工況下結(jié)霜量較多，導(dǎo)致化霜過(guò)程存在較長(zhǎng)時(shí)間的融霜水流動(dòng)過(guò)程。

2.3 化霜滯留水對(duì)結(jié)霜過(guò)程的影響

由熱泵空調(diào)結(jié)霜化霜實(shí)驗(yàn)可知，熱泵空調(diào)在低溫工況下運(yùn)行時(shí)結(jié)霜嚴(yán)重，而化霜過(guò)程是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)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(shí)間。而化霜時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器表面融霜水不能完全流盡，必然會(huì)對(duì)結(jié)霜過(guò)程產(chǎn)生影響。

為探究化霜滯留水對(duì)結(jié)霜過(guò)程的影響，在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)開啟1#、2#、3#、4#機(jī)組，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間為30min，以1#機(jī)組換熱器表面作為研究對(duì)象，其表面結(jié)霜狀況圖圖4（a）所示。然后將1#、2#、3#機(jī)組關(guān)閉，通過(guò)控制4#機(jī)組工作頻率，將化霜空氣溫濕度控制在Ta=14℃，RH=45%?；?0min 后重新將1#、2#、3#、4#機(jī)組開啟至初始結(jié)霜運(yùn)行工況，此時(shí)翅片表面已無(wú)霜層和化霜水流動(dòng)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(jī)組重新運(yùn)行時(shí)間為30min，1#機(jī)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(duì)比

在干燥翅片表面結(jié)霜過(guò)程中，120s 時(shí)換熱器表面出現(xiàn)霜層，40min 后翅片表面霜層生長(zhǎng)均勻。在有滯留水翅片表面結(jié)霜過(guò)程中，70s 時(shí)換熱器表面即出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，而且在霜層生長(zhǎng)過(guò)程中，翅片表面殘存的滯留水會(huì)慢慢結(jié)冰，在翅片間形成冰點(diǎn)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(guò)程中形成冰點(diǎn)，導(dǎo)致?lián)Q熱器上部和中部霜層融化時(shí)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(guò)程中換熱器底部形成冰層，隨著空氣源熱泵低溫下運(yùn)行工作的增長(zhǎng)，換熱器表面結(jié)霜情況更加惡劣。

通過(guò)上述分析，化霜滯留水會(huì)使得換熱器表面二次結(jié)霜過(guò)程中出現(xiàn)冰點(diǎn)，因此控制合理的化霜水滴水時(shí)間尤為重要。實(shí)驗(yàn)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(guò)控制化霜水滴落時(shí)間，分析二次結(jié)霜冰點(diǎn)狀況，結(jié)果如表2（a）、（b）所示。

表2 化霜水滴落時(shí)間對(duì)換熱器二次結(jié)霜冰點(diǎn)的影響

由以上幾組實(shí)驗(yàn)可知，在Ta=14℃，RH=45%工況下化霜時(shí)，霜層融化后需要預(yù)留15min 左右的時(shí)間讓滯留水充分滴落才會(huì)避免二次結(jié)霜時(shí)產(chǎn)生冰點(diǎn)，而Ta=14℃，RH=45%工況下化霜時(shí)滯留水充分滴落時(shí)間則延長(zhǎng)至20min 左右。其原因在于換熱器除霜過(guò)程主要分為霜層融化過(guò)程和化霜水流動(dòng)滴落過(guò)程。在采用空氣化霜法除霜時(shí)，兩個(gè)過(guò)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(diǎn)控制除霜時(shí)間。

3 結(jié)論與討論

本文將空氣源熱泵空調(diào)在實(shí)際工程應(yīng)用的中采用的換熱器作為研究對(duì)象，通過(guò)進(jìn)行低溫工況下的結(jié)霜、化霜實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）空氣源熱泵空調(diào)低溫工況運(yùn)行過(guò)程中，霜核形成階段時(shí)間較短，霜層生長(zhǎng)階段和霜層完成形成階段占據(jù)結(jié)霜過(guò)程的大部分時(shí)間。但熱泵空調(diào)換熱器翅片表面霜層厚度達(dá)到翅片間距1/2 時(shí)，就會(huì)完全堵塞換熱器空氣通道，導(dǎo)致結(jié)霜時(shí)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(shí)間。

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

（3）空氣源熱泵空調(diào)化霜過(guò)程中，翅片化霜水流動(dòng)時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于霜層融化時(shí)間。而且翅片表面的滯留水會(huì)導(dǎo)致機(jī)組二次結(jié)霜時(shí)間變短并在結(jié)霜過(guò)程中形成冰點(diǎn)附著在翅片表面，繼而使化霜時(shí)間增長(zhǎng)，機(jī)組正常工作狀態(tài)下的連續(xù)運(yùn)行長(zhǎng)時(shí)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(lái)的不利體驗(yàn)，降低了能耗，其能耗僅為風(fēng)機(jī)帶來(lái)的能量損失。提高化霜空氣溫度、降低化霜空氣相對(duì)濕度能夠縮短化霜時(shí)間，同時(shí)加速翅片表面滯留水蒸發(fā)過(guò)程和流動(dòng)過(guò)程。