顆粒物污染室外換熱器對(duì)家用空調(diào)系統(tǒng)性能影響研究

施駿業(yè) 陳曉寧 陸冰清 蔡博偉 徐博 陳江平（上海交通大學(xué)制冷及低溫工程研究所 上海 200240）

顆粒物污染室外換熱器對(duì)家用空調(diào)系統(tǒng)性能影響研究

施駿業(yè) 陳曉寧 陸冰清 蔡博偉 徐博 陳江平
（上海交通大學(xué)制冷及低溫工程研究所 上海 200240）

分別配置了采用傳統(tǒng)銅管鋁翅片換熱器與采用全鋁微通道換熱器的1.5匹分體式家用空調(diào)，將其置于相同的大氣環(huán)境中長期連續(xù)運(yùn)行，測(cè)試了大氣顆粒物污染的兩臺(tái)家用空調(diào)換熱器的堵塞率和空調(diào)系統(tǒng)的長效性能。測(cè)試結(jié)果表明:換熱器的堵塞率呈指數(shù)性增長趨勢(shì)，采用管片式換熱器的原機(jī)被大氣顆粒物污染后制冷量衰減2.1%，功耗上升了6.2%，能效比下降了7.8%；采用微通道換熱器的機(jī)組性能衰減明顯高于原機(jī)，制冷量衰減了23.2%，功耗增加了34.6%，能效衰減了43.1%。相比之下微通道換熱器更易受顆粒物污染的影響。

空調(diào)換熱器；長效性能；大氣顆粒物；堵塞

近年來，大氣顆粒物污染越來越引起人們的關(guān)注。2010年9月美國國家航空航天局（NASA）公布了一張由加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)的兩位研究人員制作的全球空氣質(zhì)量地圖，結(jié)果顯示全球大氣顆粒物污染最嚴(yán)重的地區(qū)在北非和中國的華北、華東、華中［1］。大氣顆粒物污染不僅對(duì)人體健康產(chǎn)生影響，對(duì)所有暴露在其中的設(shè)備均有一定的影響。Said SA M等［2］、Kaiser S等［3］和Yang Huadong等［4］分別研究了顆粒物污染對(duì)光伏組件、烘干機(jī)和壓縮機(jī)的性能影響。特別是太陽能光伏組件，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅經(jīng)過六周的室外放置，光伏組件的輸出功率就能有10%～17%的顯著減少。除此之外，家用/商用空調(diào)系統(tǒng)室外換熱器受顆粒物污染影響也尤其嚴(yán)重。國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)此也進(jìn)行了相關(guān)的研究。Ahn Y C等［5］收集了現(xiàn)場(chǎng)安裝的有顆粒物污染污垢的換熱器并進(jìn)行了性能測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于安裝在現(xiàn)場(chǎng)長達(dá)7年的換熱器，空氣側(cè)壓降增加高達(dá)45%，換熱性能下降達(dá)14%。Krafthefer B C等［6］發(fā)現(xiàn)在大氣顆粒物污染下，換熱器經(jīng)過5～7年長期使用后空氣側(cè)壓降增加2倍，同時(shí)熱泵系統(tǒng)能效降低18%。詹飛龍等［7］研究表明粉塵污垢等大氣顆粒物污染是影響空調(diào)換熱器長效性最典型的因素。徐志明等［8］建立了空氣側(cè)污垢熱阻實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)管式換熱器微粒污垢的積聚特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。此外，研究人員在實(shí)驗(yàn)室采用各種標(biāo)準(zhǔn)灰對(duì)換熱器沉積問題進(jìn)行了研究，這種實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性，更有參考意義和研究價(jià)值。Mason D J等［9］、Haghighi-Khoshkhoo R等［10］均采用木屑顆粒對(duì)大氣顆粒物污染換熱器問題進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)根據(jù)換熱器的幾何尺寸，某種直徑的顆?？偰芡ㄟ^換熱器，管壁溫度和顆粒注入量對(duì)顆粒表面沉積量都沒有影響。

目前大量的研究集中在顆粒物污染對(duì)換熱器壓降及換熱效率的影響上，關(guān)于換熱器防顆粒物污染措施的應(yīng)用研究較少。郭春子等［11］對(duì)熱管換熱器的顆粒物污染問題進(jìn)行了研究，提出在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，增加翅片間距等措施防止顆粒物污染；同時(shí)提出增加煙氣流速，使顆粒物污染難以形成。崔明賢等［12］對(duì)換熱器顆粒物污染機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出了防止顆粒物污染的措施及對(duì)策。

本文研究對(duì)象為1.5匹分體式家用空調(diào)系統(tǒng)，主要關(guān)注大氣顆粒物污染室外換熱器表面后對(duì)系統(tǒng)性能的影響，將對(duì)傳統(tǒng)銅管鋁翅片換熱器與全鋁微通道換熱器進(jìn)行比較分析，首先兩臺(tái)配置了不同室外換熱器的空調(diào)被放置在相同的大氣環(huán)境中長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，定期采用高清CCD攝像頭觀察并記錄室外換熱器表面顆粒物沉積情況，分析顆粒物對(duì)空氣流通區(qū)域的影響；并定期在焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試空調(diào)系統(tǒng)換熱量、功耗、排氣溫度、冷凝溫度等性能參數(shù)，分析大氣顆粒物污染對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)長效性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在空調(diào)系統(tǒng)中，室外換熱器的作用是促使制冷工質(zhì)與室外空氣進(jìn)行熱交換，通常工質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)，換熱系數(shù)可達(dá)103～105W/（m2·K）數(shù)量級(jí)；而空氣管外換熱表面間流動(dòng)，換熱系數(shù)通常在10～102W/（m2·K）數(shù)量級(jí)?？梢娭饕獰嶙柙诳諝鈧?cè)，因此，研究者們不斷開發(fā)新型強(qiáng)化換熱表面，以期提高空氣側(cè)換熱系數(shù)，降低熱阻［13-16］。在空調(diào)換熱器領(lǐng)域，常用的空氣側(cè)強(qiáng)化換熱表面包括連續(xù)翅片（平直翅片，波紋翅片），間斷翅片表面（鋸齒翅片、百葉窗翅片、針狀翅片、條縫翅片等，但強(qiáng)化換熱表面為了破壞空氣流動(dòng)邊界層及熱邊界層，往往采用紊流結(jié)構(gòu)，使強(qiáng)化換熱表面具有更多流體遲滯區(qū)域（如凸點(diǎn)，百葉窗等），更容易產(chǎn)生顆粒物沉積污垢，影響空氣流動(dòng)及傳熱，導(dǎo)致強(qiáng)化換熱表面性能大幅衰減。

本文實(shí)驗(yàn)采用兩臺(tái)某型號(hào)1.5匹分體式家用空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，其中一臺(tái)室外機(jī)采用原裝銅管鋁片式換熱器，另一臺(tái)采用全鋁微通道換熱器（見圖1）。兩種換熱器的翅片參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)中兩臺(tái)家用空調(diào)系統(tǒng)放置得地區(qū)、高度以及空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間均高度保持一致。

圖1　1.5匹分體家用空調(diào)室外機(jī)組Fig.1 1.5 HP residential split-type air conditioner

表1　兩種換熱器翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 M easuring accuracy of the param eters of the test

典型的微通道換熱器空氣側(cè)結(jié)構(gòu)如圖2所示，百葉窗翅片通過釬焊與上下扁管連接。圖3所示為百葉窗間空氣流動(dòng)示意圖，由圖3（a）可見正常使用的百葉窗翅片能對(duì)空氣流產(chǎn)生導(dǎo)向作用，增加空氣流的擾動(dòng)和流動(dòng)距離，而當(dāng)百葉窗翅片內(nèi)部沉積顆粒物后，導(dǎo)向作用消失，換熱效率下降，同時(shí)顆粒物沉積將影響空氣流通面積，換熱器空氣側(cè)壓降增加，風(fēng)量減少，換熱能力降低。

圖2　微通道換熱器空氣側(cè)結(jié)構(gòu)Fig.2 Air side structure ofm icro-channel heat exchanger

圖3　百葉窗間空氣流動(dòng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of air flow between louvers

2　實(shí)驗(yàn)裝置

空調(diào)系統(tǒng)定期測(cè)試根據(jù)國標(biāo)GB/T7725的要求，在標(biāo)準(zhǔn)工況下進(jìn)行測(cè)試（室內(nèi)溫度27℃DB/19℃WB，室外溫度35℃DB/24℃WB），實(shí)驗(yàn)在焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)中進(jìn)行（見圖4）。實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括蒸發(fā)器室和冷凝器室兩個(gè)房間，每個(gè)房間各有一套環(huán)境控制機(jī)組，用于控制房間的空氣溫濕度。室外機(jī)組放置在冷凝器室內(nèi)，根據(jù)測(cè)試工況控制環(huán)境溫濕度；室內(nèi)機(jī)組放置在蒸發(fā)器室內(nèi)，根據(jù)測(cè)試工況控制環(huán)境空氣溫濕度。蒸發(fā)器室內(nèi)的風(fēng)洞可測(cè)試家用空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)機(jī)的風(fēng)量和進(jìn)出口空氣焓值，用于計(jì)算被測(cè)空調(diào)的制冷能力。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的各個(gè)被測(cè)參數(shù)的測(cè)試精度如表2所示。基于Moffat R J［17］所提出的不確定度計(jì)算方法，空調(diào)系統(tǒng)制冷能力的測(cè)量不確定度為3%。

表2　實(shí)驗(yàn)臺(tái)各參數(shù)測(cè)試精度Tab.2 M easuring accuracy of the parameters of the test bench

圖4　焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.4 The enthalpy difference test bench

3　結(jié)果及分析

3.1大氣顆粒物污染可視化研究

采用CCD攝像頭觀察并記錄大氣顆粒物在室外換熱器表面的沉積情況，如圖5所示。通過可視化研究發(fā)現(xiàn)百葉窗翅片的開窗處由于開縫間隙較小最先被顆粒物污染堵塞，不僅阻礙了風(fēng)的流通，而且失去了原有的強(qiáng)化換熱的效果；同時(shí)，微通道扁管和翅片形成的密排格柵狀結(jié)構(gòu)，容易捕捉絮狀顆粒物，長期連續(xù)運(yùn)行后，表面捕捉的絮狀顆粒物加速了顆粒物堆積。管片式換熱器僅在翅片前端有少量顆粒物沉積，絮狀顆粒物可以穿透換熱器空氣側(cè)，沒有在換熱表面堆積，因此對(duì)于換熱器的風(fēng)量和換熱效果影響不大。

圖5　銅管鋁片式和微通道翅片表面積灰情況對(duì)比Fig.5 Fouling pictures of cooper tube-alum inum fin and alum inousm icrochannel heat exchanger

圖6　翅片表面顆粒物沉積的圖像處理Fig.6 Image processing of particulates deposition on the fin surface

采用圖像處理的方法將微通道換熱器表面圖片處理成二值圖（見圖6），通過統(tǒng)計(jì)二值圖上的數(shù)值為1的點(diǎn)的數(shù)量，來計(jì)算換熱器空氣側(cè)氣體流通區(qū)域的堵塞率。通過圖像處理后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，換熱器空氣側(cè)氣體流通區(qū)域堵塞率在運(yùn)行初期并不嚴(yán)重（第二個(gè)月堵塞率為16.1%），隨著時(shí)間增加，堵塞率增長速度越來越快（堵塞率可達(dá)67.8%）。根據(jù)Mwaba M G等［18］研究分析認(rèn)為換熱器表面顆粒物沉積存在成核和堆積兩個(gè)過程，成核過程中，顆粒物逐漸吸附在換熱器表面，由于換熱器表面較為光滑，這一過程相對(duì)緩慢，隨著成核完成，表面粗糙度增加，顆粒物沉積速度加快，并且由于絮狀顆粒物的存在，和微通道換熱器翅片形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加速了顆粒物堆積，此時(shí)顆粒物沉積會(huì)進(jìn)入快速堆積階段。由此可以預(yù)見，空調(diào)系統(tǒng)在顆粒物沉積成核過程中，性能衰減緩慢；但隨著成核完成，顆粒物開始快速堆積，系統(tǒng)性能也隨之快速衰減。

圖7　氣體流通區(qū)域堵塞率Fig.7 Blocking ratio of the air flow area

3.2大氣顆粒物污染對(duì)性能影響研究

在焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，定期對(duì)被大氣顆粒物污染后的兩套空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行性能檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:原機(jī)及采用微通道室外換熱器的機(jī)組被大氣顆粒物污染后，制冷量隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示；兩套機(jī)組被大氣顆粒物污染后功耗隨時(shí)間變化曲線如圖9所示；兩套機(jī)組COP隨時(shí)間變化曲線如圖10所示。

如圖8～圖10所示，經(jīng)過5個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行后，采用管片式換熱器的原機(jī)被大氣顆粒物污染后制冷量輕微衰減2.1%，功耗上升了6.2%，能效比下降了7.8%；采用微通道換熱器的機(jī)組性能衰減明顯高于原機(jī)，制冷量衰減了23.2%，功耗增加了34.6%，能效衰減了43.1%。原因是由于微通道換熱器更易受大氣顆粒物污染影響，失去了百葉窗的強(qiáng)化換熱器效果，且顆粒物沉積影響了流通風(fēng)量，造成冷凝器換熱效果變差，冷凝壓力升高，壓縮機(jī)功耗增加，進(jìn)而影響空調(diào)能效，如果長期高壓運(yùn)行也會(huì)影響壓縮機(jī)使用壽命。

圖8　兩套空調(diào)系統(tǒng)制冷量隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Change curve of cooling capacity w ith time

圖9　兩套空調(diào)系統(tǒng)功耗隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Change curve of power consum ption w ith time

圖10　兩套空調(diào)系統(tǒng)COP隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Change curve of COP w ith time

3.3大氣顆粒物污染對(duì)性能影響研究

采用百葉窗翅片的全鋁微通道換熱器大批量成功應(yīng)用于汽車熱系統(tǒng)中，以汽車熱系統(tǒng)為例，水箱、冷凝器、蒸發(fā)器、暖風(fēng)芯體等都采用百葉窗翅片，在車用環(huán)境中，換熱器迎面風(fēng)速較高（高速工況可達(dá)33 m/ s），顆粒物不易積聚在換熱表面；同時(shí)汽車前端模塊清洗方便，即便顆粒物污染后，也可恢復(fù)性能。而在家用空調(diào)的使用環(huán)境中，室外機(jī)組被安裝在高樓外墻，無法人工清洗。因此本研究參考 GB/T7725—2004標(biāo)準(zhǔn)對(duì)室外機(jī)組進(jìn)行了淋雨實(shí)驗(yàn)，以期考察自然降雨對(duì)被大氣顆粒物污染的強(qiáng)化換熱器表面的清洗作用。以微通道換熱器機(jī)組為研究對(duì)象，采用運(yùn)行一個(gè)月的機(jī)組進(jìn)行淋雨前后的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3　微通道換熱器污染與清洗前后性能對(duì)比Tab.3 Performance com parison before and after the polluting and cleaning

以大氣顆粒物污染前微通道機(jī)組為對(duì)比基準(zhǔn)，由表3可見，大氣顆粒物污染后，制冷量減少，功耗增加；經(jīng)過淋雨實(shí)驗(yàn)，空調(diào)系統(tǒng)功耗又回到初始值；觀察發(fā)現(xiàn)，淋雨可以將微通道換熱器翅片外表面的顆粒物清洗干凈，但是翅片內(nèi)部百葉窗堆積的顆粒物則無法清洗到，冷凝器性能可以部分恢復(fù)，功耗下降，能效回升，但是與污染前相比制冷性能仍有衰減。

4　結(jié)論

本文主要研究了大氣顆粒物污染室外換熱器表面后對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響，對(duì)兩套分別采用傳統(tǒng)銅管鋁翅片換熱器與全鋁微通道換熱器的機(jī)組進(jìn)行了對(duì)比分析，空調(diào)系統(tǒng)被放置在相同的大氣環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行5個(gè)月，采用高清CCD攝像頭觀察并記錄室外換熱器表面顆粒物沉積情況；并定期在焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試空調(diào)系統(tǒng)性能。結(jié)果表明:采用管片式換熱器的原機(jī)被大氣顆粒物污染后制冷量輕微衰減2.1%，功耗上升了6.2%，能效比下降了7.8%；采用微通道換熱器的機(jī)組性能衰減明顯高于原機(jī)，制冷量衰減了23.2%，功耗增加了34.6%，能效衰減了43.1%，基于以上分析研究可知:微通道換熱器表面顆粒物污染過程存在成核和網(wǎng)狀快速堆積兩大過程，同時(shí)由于百葉窗翅片的特殊結(jié)構(gòu)，灰塵也容易最先堵塞開窗等細(xì)小縫隙，影響換熱效果，也加速灰塵的堆積過程。因此我們可得到微通道換熱器改善顆粒物污染性能的兩大設(shè)計(jì)原則:1）盡量避免細(xì)小縫隙的存在，防止灰塵在此處快速堆積；2）盡量延長灰塵成核所需要的時(shí)間，最大限度減小空調(diào)性能衰減。

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Chen Jiangping，male，Ph.D./professor，doctoral tutor，Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，+86 21-34206775，E-mail:jpchen_sjtu@163.com.Research fields:research for refrigeration and cryogenics，application research for automotive air conditioner system.

Research on the Im pact of Particulate Fouling Outdoor Heat Exchanger on the System Performance of the Residential Air Conditioner

Shi Junye Chen Xiaoning Lu Bingqing Cai Bowei Xu Bo Chen Jiangping
（Institute of Refrigeration and Crygenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China）

This paper focused on the impact of outdoor heat exchanger polluted by atmospheric particulates on the system performance with the study objectof1.5 HP residential split-type air conditioner，and the fouling processes of copper tube-aluminum fin and aluminous microchannel heat exchangers were compared.Two sets of units assembled with different outdoor heat exchangers were continuously running in the same atmospheric environment.Capacity，power consumption，discharge temperature，condensing temperature and plugging ratiowere tested to analyze the influence of atmospheric particulate pollution on the long-time performance.The results show that the plugging ratio of outdoor heatexchangers grows exponentially，the refrigerating capacity of the air conditioners assembled with cooper tube-aluminum fin and aluminousmicrochannel heat exchangers is decreased by 2.1%and 23.2%，power consumption is jumped by 6.2%and 34.6%and COP is decreased by 7.8%and 43.1%.Research problems and direction of long-term performance of aluminousmicrochannel heat exchangers in air conditioners are pointed out.

heat exchanger；long-term performance；atmospheric particulates；plugging

About the

TB657.5；TM925.12；TU831.4

A

0253-4339（2016）05-0087-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.087

2016年1月6日

簡介

陳江平，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，（021）34206775，E-mail:jpchen_sjtu@163. com。研究方向:制冷及低溫工程、車用空調(diào)技術(shù)。