小型分體式空氣源熱泵除霜能耗來源分析與計(jì)算★

秦冰月 韓志濤 徐萌 相貝 劉昱 吳京京

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

1 概述

空氣源熱泵屬于環(huán)保節(jié)能型供熱設(shè)備，其熱量來源于室外空氣，無(wú)污染物排放，符合生態(tài)供暖的理想模式。當(dāng)前，我國(guó)空氣源熱泵應(yīng)用日趨廣泛，在建筑節(jié)能，替代燃煤供熱等重大民生工程中發(fā)揮著越來越重要的作用。但是，空氣源熱泵在室外低溫高濕環(huán)境運(yùn)行時(shí)，室外換熱器會(huì)結(jié)霜，導(dǎo)致其供熱性能下降，需要周期性除霜來保證熱泵的正常運(yùn)行。除霜的可靠性與穩(wěn)定性是保證空氣源熱泵在各地區(qū)、各種氣象條件高效運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵問題。

從近些年來空氣源熱泵應(yīng)用的實(shí)踐過程來看，其結(jié)霜、除霜問題遠(yuǎn)沒有得到很好的解決，尤其在中重度結(jié)霜時(shí)的惡劣工況下，除霜時(shí)往往除不干凈，主要表現(xiàn)為室外側(cè)換熱器往往滯留一部分化霜水分，再次供熱時(shí)在室外側(cè)換熱器底部還會(huì)結(jié)成不易融化的冰層，增加了室外換熱器的換熱熱阻，對(duì)空氣源熱泵的供熱質(zhì)量構(gòu)成嚴(yán)重影響。目前空氣源熱源的結(jié)霜、除霜已成為業(yè)內(nèi)研究的一個(gè)熱點(diǎn)［1-3］。空氣源熱泵從容量大小來看主要可以分為兩大類，一類是大中的空氣源熱泵熱水機(jī)組，另一類是小型的分體式空氣源熱泵。因?yàn)榘惭b方便靈活、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，近年來小型的空氣源熱泵得到了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)樾⌒涂諝庠礋岜霉釙r(shí)室內(nèi)側(cè)換熱器作為空冷型冷凝器，直接與供熱環(huán)境的空氣進(jìn)行熱交換方能制取熱量，其除霜時(shí)換熱器作為蒸發(fā)器時(shí)的蒸發(fā)特性對(duì)供熱環(huán)境的影響更加直接、快速。在小型分體式空氣源熱泵(制熱量在5 kW以下)實(shí)際運(yùn)行中，除霜結(jié)束時(shí)往往有“冷風(fēng)”吹出，影響室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性。從空氣源熱泵除霜運(yùn)行實(shí)踐來看，有必要對(duì)其除霜時(shí)能量的來源進(jìn)行深入的探討。除霜的能量是由熱泵系統(tǒng)哪些部件提供，各部件供能的品質(zhì)如何，數(shù)量是多少。只有在準(zhǔn)確分析除霜能量特性的基礎(chǔ)上，才能有針對(duì)性地解決除霜系統(tǒng)存在的除霜不凈，室內(nèi)機(jī)吹冷風(fēng)等問題。

2 熱泵除霜能量來源分析

從壓焓圖上蒸汽壓縮式熱泵理論循環(huán)過程可以看到，空氣源熱泵逆循環(huán)熱氣除霜時(shí)，節(jié)流后的制冷劑依次流經(jīng)蒸發(fā)器(室內(nèi)側(cè)換熱器)和壓縮機(jī)，其比焓的增加主要來自于蒸發(fā)吸熱和壓縮機(jī)對(duì)制冷劑作功兩大部分。為了便于采用實(shí)驗(yàn)參數(shù)輔助計(jì)算，制冷劑蒸發(fā)過程中獲得的熱量又可以細(xì)分為兩部分:室內(nèi)換熱器翅片管及管路部件蓄存的熱量和從室內(nèi)空氣中吸收的熱量。這樣，分體式空氣源熱泵的能量來源可以分為以下3個(gè)方面:

1)除霜初始階段，制冷劑吸收尚處于高熱狀態(tài)的室內(nèi)換熱器翅片管及管路等部件蓄存的熱量Qsys。2)除霜中后期，室內(nèi)側(cè)換熱器表面溫度降至室溫以下后，制冷劑通過室內(nèi)換熱器翅片管與室內(nèi)空氣在自然對(duì)流換熱工況下，從供熱環(huán)境中吸收熱量Qevr。3)壓縮機(jī)對(duì)制冷劑作功，制冷劑內(nèi)能增加的獲得的除霜熱量Qcom。

2.1 熱泵部件溫降貢獻(xiàn)除霜熱量

熱泵系統(tǒng)正常供熱時(shí)，室內(nèi)換熱器及其進(jìn)氣、出液管路均處于高壓、高熱狀態(tài)，即使結(jié)霜后期，一般情況下系統(tǒng)高壓側(cè)部件的平均溫度也高于30℃。除霜初期，首先是節(jié)流后的氣液混合的制冷劑與這些部件管壁換熱，導(dǎo)致?lián)Q熱器翅片管降溫。當(dāng)系統(tǒng)室內(nèi)換熱器連接管路長(zhǎng)度的增加時(shí)對(duì)除霜是有利的，銅管本身可以貯存一定的熱量，可以在除霜開始階段提供更多的熱量。此部分熱量用Qsys表示，其計(jì)算公式為:

其中，Qfip為制冷劑從室內(nèi)換熱器翅片管吸收的熱量;Qhpg為制冷劑從室內(nèi)換熱器進(jìn)氣管吸收的熱量;Qhpl為制冷劑從室內(nèi)換熱器出液管吸收的熱量。以上三部分熱量折算成熱泵每單位名義制熱功率下室內(nèi)換熱器翅片管提供的熱量，其單位均可表示為kJ/kW。

室內(nèi)側(cè)換熱器翅片管通常由銅管和整體套片式的鋁翅片兩部分構(gòu)成，則Qfip可表示為:

其中，ΔT為除霜開始至終止時(shí)刻，室內(nèi)換熱器翅片管表面與室內(nèi)環(huán)境溫度的平均溫差;m和c則分別為所用材料的質(zhì)量和比熱。

2.2 制冷劑蒸發(fā)從室內(nèi)空氣中吸收的熱量

常規(guī)結(jié)霜(中等霜量)除霜時(shí)，室內(nèi)換熱器平均蒸發(fā)溫度低于－5℃，重度結(jié)霜時(shí)則更低。可見除霜時(shí)室內(nèi)換熱器表面和供熱環(huán)境之間有近25℃的溫差，而且室內(nèi)換熱器翅片管總表面積較大。這樣，即使除霜時(shí)室內(nèi)側(cè)換熱器的風(fēng)機(jī)停機(jī)，室內(nèi)側(cè)換熱器處于自然對(duì)流狀態(tài)，除霜時(shí)制冷劑吸收室內(nèi)供熱環(huán)境的熱量Qevr還是很大。實(shí)驗(yàn)中通過溫度傳感器可以比較精確地測(cè)得除霜各時(shí)刻室內(nèi)換熱器的壁面溫度及進(jìn)出口空氣溫度。將整個(gè)除霜持續(xù)時(shí)間分為n個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)間間隔為Δτ，約為3 s～5 s，在Δτ時(shí)段內(nèi)，可近似認(rèn)為整個(gè)換熱器的壁面平均溫度，自然對(duì)流過程中通過換熱器表面的進(jìn)出口空氣溫度不變。第i個(gè)時(shí)段內(nèi)Qevr－i可由空氣側(cè)對(duì)流換熱基本方程式(3)計(jì)算:

此情況下對(duì)流換熱系數(shù)αi的計(jì)算方法有兩種:

1)把整體套片式室內(nèi)換熱器看成由水平銅管(外套鋁片)和垂直鋁翅片兩部分組成。由自然對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式(4)及式(5)［4］聯(lián)合計(jì)算水平銅管和鋁翅片與空氣的自然對(duì)流換熱系數(shù)。

式(4)和式(5)中的C，n均是由實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)。

這種計(jì)算方法的缺點(diǎn)是計(jì)算得到的對(duì)流換熱系數(shù)αi的值會(huì)比實(shí)際值偏大。因?yàn)閷?shí)際上各翅片間距很小，每張翅片與空氣的自然對(duì)流會(huì)相互影響而使對(duì)流邊界層的充分發(fā)展受限，導(dǎo)致自然對(duì)流作用減弱，而式(5)是適用于大空間的關(guān)聯(lián)式，并不包含自然對(duì)流間相互影響。

2)可采用受迫流動(dòng)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)，只是采用較低的迎面風(fēng)速。對(duì)于叉排整體式翅片管可按式(6)，式(7)［5］計(jì)算αi:

最后，得到Qevr:

2.3 壓縮機(jī)作功貢獻(xiàn)除霜熱量的分析與計(jì)算

壓縮機(jī)對(duì)制冷劑作功時(shí)要產(chǎn)生各種能量損失，即電動(dòng)熱泵的總耗功只有一部分轉(zhuǎn)換成制冷劑壓縮時(shí)獲得的能量。在除霜實(shí)驗(yàn)中比較容易測(cè)得壓縮機(jī)除霜各時(shí)刻的實(shí)時(shí)功率，還要求出壓縮機(jī)的各種效率之積的總效率，再考慮除霜時(shí)壓縮機(jī)在不同功率下運(yùn)行的時(shí)間，才能近似求出制冷劑從壓縮機(jī)提供的除霜能量。

此類小型全封閉式壓縮機(jī)能量損失主要是電機(jī)損失、摩擦損失、非等熵壓縮損失?？偟哪芰繐p失可用總效率η∑表示，η∑表示為電機(jī)效率ηe、摩擦效率ηm、指示效率ηi之積。近似計(jì)算時(shí)，根據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，常用的小型滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，η∑ 取0.55～0.66 作為總效率值即可［6］。

除霜實(shí)驗(yàn)時(shí)，每間隔時(shí)長(zhǎng)Δτ，采用數(shù)字功率計(jì)自動(dòng)記錄壓縮機(jī)即時(shí)功率，在這微小時(shí)長(zhǎng)內(nèi)可認(rèn)為壓縮機(jī)功率wi不變，則經(jīng)過總的除霜時(shí)長(zhǎng)nΔτ后，壓縮后氣態(tài)制冷劑獲得的能量Qcom可以表示為:

對(duì)于結(jié)霜量較大的常規(guī)除霜，除霜熱量的大小主要和除霜時(shí)壓縮機(jī)的功率成正比，霜層融化時(shí)室外側(cè)的換熱器冷凝溫度比較低，相應(yīng)的冷凝壓力也比較低(約為0.8 MPa)，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸排氣壓力均低(約為0.2 MPa)，壓縮機(jī)功率也會(huì)較低。所以小型熱泵常規(guī)除霜時(shí)壓縮機(jī)的輸入功率較低，為了獲得較好的除霜效果，需要相應(yīng)地增加除霜時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

通過以上對(duì)空氣源熱泵除霜理論分析，對(duì)分體式空氣源熱泵的除霜能耗來源可以分成三部分:1)壓縮機(jī)作功;2)從室內(nèi)供熱環(huán)境吸熱;3)熱泵系統(tǒng)部件制熱工況時(shí)貯存的熱量。一般情況下，熱泵系統(tǒng)部件貯存的熱量較少，則前兩部分構(gòu)成了除霜熱量的主要來源。

［1］N.Hoffenbecker，S.A.Klein，D.T.Reindl.Hot Gas Defrost Model Development and Validation，Int.J.of Refrigeration，2005，28(3):605-615.

［2］韓志濤.空氣源熱泵常規(guī)除霜與蓄能除特性實(shí)驗(yàn)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文，2007.

［3］姬長(zhǎng)發(fā)，黃 東，袁秀玲.風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組結(jié)霜與除霜性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39(5):480-484.

［4］J.P.Holman.Heat Transfer.China Machine Press，2005:321-323.

［5］陸亞俊，馬最良，姚 楊.空調(diào)工程中的制冷技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，1997:111-112.

［6］吳業(yè)正，李紅旗，張 華.制冷壓縮機(jī)［M］.第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:24-26.