蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組與風(fēng)冷熱泵機(jī)組制熱性能對(duì)比分析

張勇，李志明，張結(jié)良，黃銳堅(jiān)

（廣州市華德工業(yè)有限公司，廣東廣州 510663）

蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組與風(fēng)冷熱泵機(jī)組制熱性能對(duì)比分析

張勇*，李志明，張結(jié)良，黃銳堅(jiān)

（廣州市華德工業(yè)有限公司，廣東廣州 510663）

本文介紹了一種新的熱泵技術(shù)應(yīng)用形式——蒸發(fā)冷卻式熱泵，可以克服傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵在結(jié)霜、融霜情況下熱量的損失。試驗(yàn)結(jié)果表明：在低環(huán)境溫度下，風(fēng)冷熱泵機(jī)組的平均制熱量衰減較為嚴(yán)重；在環(huán)境溫度-2℃時(shí)，風(fēng)冷熱泵的平均制熱量只有名義制熱工況熱量的約53%；在環(huán)境溫度低于3℃時(shí)，蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組提供的平均制熱量高于風(fēng)冷熱泵的平均制熱量。

蒸發(fā)式冷卻式；熱泵；融霜；平均制熱量；峰值制熱量

0 引言

風(fēng)冷熱泵以空氣作為低位熱源，具有節(jié)能性及環(huán)保性等特點(diǎn)，擁有大量的市場(chǎng)和發(fā)展前景，因此受到了廣泛關(guān)注。風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)南方、長(zhǎng)江流域甚至黃河流域，但在使用空氣源熱泵冬季供暖時(shí)的運(yùn)行狀況始終不理想[1-2]。以南京地區(qū)采用空氣源熱泵作為中央空調(diào)冷熱源的工程為例，運(yùn)行效果差的占15%，70%的機(jī)組運(yùn)行效果居中，而運(yùn)行效果良好的僅占15%。其它地區(qū)（如杭州、成都、長(zhǎng)沙等）的情況與此類似。造成這一現(xiàn)象的主要原因是風(fēng)冷熱泵的熱源側(cè)換熱器在冬季運(yùn)行時(shí)存在結(jié)霜問(wèn)題[3-4]。當(dāng)室外環(huán)境溫度和相對(duì)濕度處在-5℃～5℃和65%以上時(shí)，風(fēng)冷熱泵室外換熱器表面最易結(jié)霜。一旦風(fēng)冷熱泵結(jié)霜，熱泵機(jī)組的性能就會(huì)大大衰減[5-6]。

蒸發(fā)冷卻式空調(diào)機(jī)組以其優(yōu)良的制冷性能特點(diǎn)，得到廣泛的認(rèn)可[3]；蒸發(fā)冷卻式熱泵作為一種新型的熱泵技術(shù)應(yīng)用，避免了風(fēng)冷熱泵結(jié)霜、融霜的問(wèn)題，有其穩(wěn)定、可靠、連續(xù)供熱的特點(diǎn)，有較大的發(fā)展空間。蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組的特點(diǎn)以及與風(fēng)冷熱泵的性能差異，尚未被廣泛認(rèn)知。本文通過(guò)蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組與風(fēng)冷熱泵機(jī)組制熱性能對(duì)比，分析蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組的優(yōu)勢(shì)和存在的意義，以便引起更廣泛關(guān)注和技術(shù)研究。

1 風(fēng)冷熱泵和蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組運(yùn)行機(jī)理

1） 風(fēng)冷熱泵運(yùn)行機(jī)理

風(fēng)冷熱泵在低溫環(huán)境運(yùn)行時(shí)，室外換熱器壁面存在結(jié)霜現(xiàn)象。霜層的生長(zhǎng)導(dǎo)致了機(jī)組供熱性能的下降。為保證空氣源熱泵機(jī)組的高效運(yùn)行，需要周期性除霜。目前，逆循環(huán)除霜是應(yīng)用最廣泛的除霜方法之一[7-8]。

2） 蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)理

蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組在運(yùn)行制熱工況時(shí)，也屬于一種空氣源熱泵，是以原蒸發(fā)式冷凝器作為熱源端，使用端換熱器為使用提供熱水，通過(guò)改變制冷劑流向來(lái)實(shí)現(xiàn)制熱功能（如圖1）。

圖1 蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組系統(tǒng)原理圖

在制熱模式下，使用端換熱器的工作原理同傳統(tǒng)風(fēng)冷熱泵的工作原理，在熱源端換熱器（蒸發(fā)式冷凝器）通過(guò)外表面的水與內(nèi)側(cè)的制冷劑換熱，將蒸發(fā)式冷凝器的循環(huán)水的熱量傳遞給內(nèi)側(cè)的制冷劑，外側(cè)通過(guò)循環(huán)水與空氣換熱，將空氣的熱量傳遞給循環(huán)水，包括空氣中部分凝結(jié)水的熱量傳遞給循環(huán)水。

蒸發(fā)式冷凝器，在制冷工況下，由于水的蒸發(fā)導(dǎo)致整體的換熱器系數(shù)較高，在制熱工況下，可換熱面積偏少，因此，必須要使用循環(huán)水進(jìn)行擴(kuò)大換熱面積，一般還會(huì)在蒸發(fā)式冷凝器側(cè)增加填料，擴(kuò)大循環(huán)水與空氣的換熱面積，強(qiáng)化換熱。在制熱模式下，如果作為熱源側(cè)的蒸發(fā)式冷凝器不運(yùn)行循環(huán)水（也就是不噴水），空氣直接與蒸發(fā)式冷凝器的制冷劑管道或管板換熱，由于空氣的換熱系數(shù)較低，會(huì)致使換熱性能非常差，機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行；在蒸發(fā)式冷凝器外表側(cè)噴水后，由于循環(huán)水與蒸發(fā)式冷凝器的制冷劑管道或管板換熱的換熱系數(shù)較高，可以在當(dāng)前換熱面積下循環(huán)水釋放熱量給蒸發(fā)式冷凝器內(nèi)側(cè)的制冷劑，再通過(guò)擴(kuò)充換熱面積的填料，使空氣與循環(huán)水有足夠的熱交換面積，從而使得循環(huán)水從空氣中吸收足夠的熱量。

在低環(huán)境溫度下，如果水位進(jìn)一步降低，達(dá)到水的冰點(diǎn)，會(huì)致使水結(jié)冰，使得蒸發(fā)式冷凝熱泵無(wú)法正常運(yùn)行，因此，需要在蒸發(fā)式冷凝器的循環(huán)水中添加防凍劑，這樣才能使機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行（由于防凍劑的稀釋而產(chǎn)生的防凍劑再生問(wèn)題不在本文討論范圍內(nèi)）。添加防凍劑后，機(jī)組可以不需要融霜，一直穩(wěn)定、持續(xù)給使用者提供熱源。

2 熱泵運(yùn)行性能分析

無(wú)論是風(fēng)冷熱泵機(jī)組還是蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組，都是從空氣中吸收熱量，通過(guò)逆卡諾循環(huán)，把熱量傳遞給使用側(cè)?？諝庵械臒崮苡址譃轱@熱和潛熱，風(fēng)冷熱泵機(jī)組和蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組在吸收空氣的顯熱方面是一致的，但對(duì)潛熱的處理存在差異。

由于風(fēng)冷熱泵機(jī)組熱源側(cè)換熱器處于低溫高濕工況下運(yùn)行，當(dāng)翅片表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，換熱器表面便會(huì)有凝結(jié)水產(chǎn)生，當(dāng)翅片表面溫度繼續(xù)降至低于0 ℃時(shí)，凝結(jié)水便會(huì)形成霜晶體，覆蓋在翅片及銅管周圍。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，換熱器翅片及銅管表面的霜層迅速生長(zhǎng)，進(jìn)一步惡化換熱性能[5-6,9]。隨著風(fēng)冷翅片表面霜層增加，影響性能，風(fēng)冷熱泵機(jī)組必須要進(jìn)行融霜。在風(fēng)冷熱泵機(jī)組融霜時(shí)，目標(biāo)是將風(fēng)冷翅片表面固態(tài)形式霜層變成液態(tài)的水流走，實(shí)際過(guò)程中，為了徹底融霜和排水（避免出現(xiàn)再次制熱時(shí)形成嚴(yán)重的冰團(tuán)）往往會(huì)有部分水分變成氣態(tài)水分飄走，而且這些液態(tài)水和氣態(tài)水大多是高溫形式流走和飄走。因此風(fēng)冷熱泵吸收空氣中的潛熱部分很少[10-11]（如圖2所示）。

圖2 風(fēng)冷熱泵吸收潛熱情況

在低環(huán)境溫度下，蒸發(fā)冷卻式熱泵吸收空氣中的潛熱后，空氣中水分冷凝混合在蒸發(fā)式冷凝器外側(cè)的循環(huán)水內(nèi)。由于蒸發(fā)式冷凝器外側(cè)循環(huán)水內(nèi)添加了防凍劑后，不需要融霜。這樣蒸發(fā)冷卻時(shí)熱泵可以吸收空氣中大部分的潛熱。

機(jī)組在運(yùn)行熱泵工況時(shí)，一般會(huì)有如下幾個(gè)因素導(dǎo)致制熱性能衰減：

1） 環(huán)境溫度下降引起壓縮機(jī)性能衰減影響；

2） 融霜時(shí)間影響；

3） 融霜熱量影響。

2.1 環(huán)境溫度下降壓縮機(jī)性能衰減影響

在環(huán)境溫度下降時(shí)，熱源側(cè)的蒸發(fā)溫度會(huì)下降，根據(jù)壓縮機(jī)的性能特性，在熱源測(cè)吸收的熱量也會(huì)下降，導(dǎo)致機(jī)組為使用側(cè)提供的制熱量也會(huì)下降（影響關(guān)系見(jiàn)圖3）。該性能衰減的影響，是換熱器和壓縮機(jī)的基本特性，因此，風(fēng)冷熱泵和蒸發(fā)冷卻式熱泵的影響是一致的。

圖3 峰值制熱量與環(huán)境溫度的關(guān)系

2.2 融霜時(shí)間影響

在低環(huán)境溫度下，風(fēng)冷熱泵機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間制熱，熱源測(cè)翅片結(jié)霜后，需要進(jìn)行融霜，在一個(gè)周期內(nèi)，風(fēng)冷熱泵在融霜時(shí)間內(nèi)無(wú)法為使用側(cè)提供熱量，因此，存在融霜時(shí)間影響（影響關(guān)系見(jiàn)圖4）。而對(duì)于蒸發(fā)式冷卻式熱泵機(jī)組不存在該影響。

定義融霜時(shí)間比例：

式中：

t1——一個(gè)周期內(nèi)融霜時(shí)間；

t2——一個(gè)周期內(nèi)正常制熱時(shí)間

根據(jù)風(fēng)冷熱泵在不同環(huán)境溫度下測(cè)試數(shù)據(jù)分析，其融霜融霜比例η與環(huán)境溫度的影響如圖4。

圖4 融霜損失時(shí)間與環(huán)境溫度的關(guān)系

2.3 融霜熱量影響

在國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)制熱工況（環(huán)境溫度干濕球7/6 ℃）下，一般風(fēng)冷熱泵機(jī)組熱源側(cè)的翅片換熱器不結(jié)霜，在低于7 ℃環(huán)境溫度下會(huì)逐漸開(kāi)始結(jié)霜。在結(jié)霜初期，由于換熱面積加大以及結(jié)霜相變的原因，換熱性能略微提高，達(dá)到峰值制熱量，很快隨著霜層厚度增加，換熱熱阻迅速增加，換熱性能迅速惡化[11-13]。一般在結(jié)霜后性能惡化至一定程度后，風(fēng)冷熱泵機(jī)組開(kāi)始融霜。融霜過(guò)程需要吸熱，在整個(gè)制熱、融霜運(yùn)行周期內(nèi)，其平均制熱量遠(yuǎn)小于制熱量峰值，一般風(fēng)冷熱泵機(jī)組僅標(biāo)稱制熱量峰值，而使用者更關(guān)心整個(gè)周期內(nèi)能提供平均制熱量。隨著環(huán)境溫度的下降，風(fēng)冷制熱周期內(nèi)的平均制熱量與峰值制熱量比值會(huì)所下降。

圖5為某風(fēng)冷熱泵在0 ℃環(huán)境溫度下制熱周期內(nèi)的熱量關(guān)系，經(jīng)過(guò)核算，其制熱周期內(nèi)的平均制熱量只有峰值制熱量的72%。由于蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組在制熱運(yùn)行時(shí)，一直處于穩(wěn)定工況（不需要進(jìn)行融霜），為用戶提供穩(wěn)定的熱量，因此，蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組的平均制熱量就是其峰值制熱量。

圖5 某風(fēng)冷熱泵在0 ℃環(huán)境溫度下制熱周期內(nèi)的熱量關(guān)系

3 差異對(duì)比

由于上述分析制熱性能影響因素，風(fēng)冷熱泵與蒸發(fā)冷卻時(shí)熱泵在不同環(huán)境溫度下的性能對(duì)比如圖6。

1） 由于蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組制冷方面的優(yōu)勢(shì)以及在制熱方面換熱面積、風(fēng)量的劣勢(shì)，在標(biāo)準(zhǔn)制熱工況，蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組制熱量會(huì)低于風(fēng)冷熱泵的制熱量。

圖6 風(fēng)冷熱泵與蒸發(fā)冷卻時(shí)熱泵在不同環(huán)境溫度下的性能對(duì)比

2） 隨著環(huán)境溫度降低，風(fēng)冷熱泵和蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組的峰值制熱量會(huì)逐漸降低，當(dāng)環(huán)境溫度在5℃下，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)制熱工況的峰值制熱量的約70%（蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組的峰值制熱量與平均制熱量相同）。

3） 由于風(fēng)冷熱泵機(jī)組制熱性能受到文中提及的環(huán)境溫度的影響，其平均制熱量會(huì)隨著環(huán)境溫度的降低而更大幅度的降低。

4） 蒸發(fā)冷卻式熱泵在標(biāo)準(zhǔn)制熱工況下的劣勢(shì)，隨著環(huán)境溫度下降，在環(huán)境溫度約3℃時(shí)，蒸發(fā)冷卻式熱泵提供的平均制熱量與風(fēng)冷熱泵提供的平均制熱量相同；隨著環(huán)境的進(jìn)一步降低，蒸發(fā)冷卻式熱泵提供的平均制熱量?jī)?yōu)于風(fēng)冷熱泵提供的平均制熱量。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析風(fēng)冷熱泵和蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組在制熱運(yùn)行的特點(diǎn)分析，主要結(jié)論如下。

1） 由于風(fēng)冷熱泵機(jī)組的平均制熱量與一般標(biāo)稱的峰值制熱量存在較大差異，而用戶獲得的熱量體現(xiàn)在總制熱量，即與平均制熱量相關(guān)，因此，在用戶選擇熱泵機(jī)組時(shí)，應(yīng)以熱泵機(jī)組提供的平均制熱量值為熱量的選型指標(biāo)。

2） 由于風(fēng)冷熱泵和蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組的制熱量會(huì)隨著環(huán)境溫度的下降而降低，因此，空調(diào)熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)考慮實(shí)際考核環(huán)境溫度下熱泵機(jī)組的修正性能進(jìn)行選配熱泵機(jī)組，而不是名義制熱工況。

3） 風(fēng)冷熱泵機(jī)組在一個(gè)制熱、融霜周期內(nèi)，吸收熱源側(cè)空氣的潛熱較少，而蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組幾乎能吸收所有的空氣中潛熱。

4） 風(fēng)冷熱泵機(jī)組性能受到環(huán)境溫度下降壓縮機(jī)性能衰減、融霜時(shí)間和融霜熱量影響，在低環(huán)境溫度下，性能衰減較為嚴(yán)重；在環(huán)境溫度-2℃時(shí)，風(fēng)冷熱泵的平均制熱量只有名義制熱工況制熱量的約53%。

5） 在環(huán)境溫度低于3℃時(shí)，蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組提供的平均制熱量高于風(fēng)冷熱泵的平均制熱量，因此，在華東、華北等地區(qū)，考核溫度低于3℃時(shí)，蒸發(fā)冷卻式熱泵機(jī)組的裝機(jī)容量可以小于風(fēng)冷熱泵的裝機(jī)容量。

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Comparison and Analysis on Heating Performance of Evaporative Cooling Heat Pump Unit and Air Cooled Heat Pump Unit

ZHANG Yong*, LI Zhi-ming, ZHANG Jie-liang, HUANG Rui-jian
(Guangzhou Wide Industrial Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510663, China)

A new application of heat pump technology, evaporative cooling heat pump, was proposed in order to overcome the drawback of the heat losses of conventional air cooled heat pump units during frosting and defrosting. The experimental results show that the average heating capacities of air cooled heat pump unit decrease seriously at low ambient temperatures. At –2 ℃ ambient temperature, the average heating capacity is 53% of the nominal heating capacity. At ambient temperatures lower than 3 ℃, the average heating capacity of the evaporative cooling heat pump unit is higher than that of the air cooled heat pump unit.

Evaporative cooling; Heat pump; Defrost; Average heating capacity; Peak heating capacity

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.104

*張勇（1982-），男，碩士。研究方向：蒸發(fā)式冷凝技術(shù)及其應(yīng)用。聯(lián)系地址：廣東省廣州市蘿崗區(qū)科學(xué)城南翔三路9號(hào)，郵編：510663。聯(lián)系電話：18928738708。E-mail：zhangload@126.com。