空氣源熱泵機(jī)組融霜性能研究現(xiàn)狀★

楊雅鑫 毛瑞勇 胡 澄 程麗莉 劉 鵬

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

基于逆卡諾循環(huán)原理的熱泵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹臒崃哭D(zhuǎn)移過程，提高了一次能源的利用效率,是主要的空調(diào)節(jié)能技術(shù)之一。其中，因空氣源熱泵技術(shù)具有初投資低、系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理便捷，被廣泛應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)。

但是，冬季空氣源熱泵機(jī)組制熱工況下，室外機(jī)換熱盤管結(jié)霜，導(dǎo)致熱交換效果下降，制熱效率衰減,嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞壓縮機(jī)。

因此，許多學(xué)者在結(jié)霜、抑霜和除霜等方面，開展了大量的研究工作。

1 結(jié)霜

1.1 結(jié)霜過程

結(jié)霜過程分為結(jié)晶生長(zhǎng)期，霜層生長(zhǎng)期，霜層充分生長(zhǎng)期三個(gè)時(shí)期。姚楊[1]根據(jù)質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，建立了結(jié)霜模型，并推導(dǎo)出結(jié)霜量變化率公式如下:

1.2 霜層特性

目前，國(guó)內(nèi)外主要從霜密度、霜層厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱系數(shù)、熱流密度等方面，開展對(duì)霜層特性的分析研究。

Tao[2]和Gall[3]利用半經(jīng)驗(yàn)公式建立數(shù)學(xué)模型，認(rèn)為霜經(jīng)歷生長(zhǎng)、融化和再生長(zhǎng)過程后，會(huì)導(dǎo)致霜密度增加。M Kandula[4]建模實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為，風(fēng)速越大，霜的致密化情況越嚴(yán)重。D Kim[5]建立平板CFD流場(chǎng)模型預(yù)測(cè)結(jié)霜認(rèn)為，湍流流場(chǎng)下濕度與霜凍的密度成正比。DK Yang[6]建模預(yù)測(cè)結(jié)霜研究認(rèn)為，無霜比有霜的換熱率增加17%。

在21世紀(jì)初期，HL Sang[7]和M Qu[8]開展了蒸發(fā)器盤管模型研究，分析認(rèn)為相對(duì)濕度主要影響了霜的厚度，同時(shí)沿盤管向下流動(dòng)的融霜水，對(duì)蒸發(fā)器表面的除霜有不利影響。這兩種模型由于是在室外換熱器盤管表面建模，更具廣泛適用性。

2 抑霜

目前，抑霜方法除常規(guī)方法，如室外換熱器設(shè)一用一備[9,10]和蒸發(fā)器表面處理[11,12]等，還包括以下幾種。

2.1 壓縮機(jī)選擇

20世紀(jì)90年代中期，DW Nutter[13]與V Payne[10]都做了關(guān)于活塞式壓縮機(jī)與渦旋式壓縮機(jī)的性能對(duì)比試驗(yàn)，得出活塞式壓縮機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量增大，更有利于抑霜?？傮w上壓縮機(jī)形式對(duì)抑霜的影響較小。

2.2 翅片結(jié)構(gòu)

通過改變風(fēng)側(cè)換熱器翅片管結(jié)構(gòu)來進(jìn)行抑霜。張哲[14]通過改變室外換熱器的蒸發(fā)器翅片管結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為，選取蒸發(fā)器盤管的管排數(shù)要適當(dāng)，過多或者過少的管排數(shù)都不利于蒸發(fā)器運(yùn)行。K Kim[15]和F Wang[16]在R Watters[17]的研究基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為改變蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)對(duì)室外側(cè)換熱器結(jié)霜有所改善，但翅片管形式不是影響蒸發(fā)器結(jié)霜的主要因素。

2.3 制冷劑流量調(diào)節(jié)

由于風(fēng)冷熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)是在制冷工況下選擇的，而制熱工況時(shí)的制冷劑流量低于在制冷工況下所需制冷劑流量，故而從調(diào)節(jié)制冷劑流量上進(jìn)行抑霜[18]。Z Yang[19，20]在前人基礎(chǔ)上于2013年對(duì)制冷劑的流量分配分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和建模分析，得出制冷劑的流量不均將更容易導(dǎo)致蒸發(fā)器盤管結(jié)霜。Y Ding[21]通過加入旁通電磁閥改善管內(nèi)制冷劑流量分配進(jìn)行除霜研究之后，Z Gao[22]則通過對(duì)電子膨脹閥調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)管內(nèi)制冷劑流量分配，改善結(jié)霜問題。

3 除霜

3.1 風(fēng)量調(diào)節(jié)除霜

1999年，黃虎等人采用增加空氣流量，即增大室外側(cè)蒸發(fā)器換熱量，從而大大縮短除霜時(shí)間[23,24]。

3.2 蓄能裝置除霜法

韓志濤等人[25]提出在熱氣除霜系統(tǒng)中加設(shè)一個(gè)蓄能器，用以收集系統(tǒng)正常工作下產(chǎn)生的余熱，使其作為熱泵除霜工況下的低位熱源，從根本上解決了熱氣除霜時(shí)能量來源不足的問題。實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明蓄能除霜效果較好。因蓄能器及蓄熱介質(zhì)使用存在能耗原因，應(yīng)用也受到一定限制。

3.3 室內(nèi)外雙傳感器除霜法

黃虎[26]通過檢測(cè)室外(內(nèi))的環(huán)境內(nèi)溫度及蒸發(fā)器(冷凝器)盤管表面溫度的差值為依據(jù)進(jìn)行除霜。

3.4 模糊智能控制除霜

黃虎[27]建立除霜過程的仿真數(shù)學(xué)模型，試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果與數(shù)學(xué)模擬結(jié)果相符，證明該法具有一定可實(shí)施性。類似方法還有定時(shí)控制法、時(shí)間—溫度法、空氣壓差除霜控制法等。

3.5 逆循環(huán)除霜

通過調(diào)節(jié)四通轉(zhuǎn)向閥，將熱泵機(jī)組從制熱模式切換至制冷模式，此時(shí)室外側(cè)換熱器盤管表面溫度升高，達(dá)到融霜的目的；該方法操作方便，可行性較強(qiáng)；除霜期間，需從室內(nèi)吸收熱量，人體舒適度較差。

3.6 熱氣旁通除霜

黃虎[26,27]在逆循環(huán)除霜的基礎(chǔ)上，通過使用短管與熱力膨脹閥的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出使用短管比使用熱力膨脹閥在除霜性能方面更為優(yōu)越。黃東[28]利用旁通銅管及熱力膨脹閥的對(duì)比試驗(yàn)，得出旁通銅管比熱力膨脹閥除霜及融霜時(shí)間短，除霜效果更好。

4 結(jié)論

1)數(shù)學(xué)模型分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異；

2)對(duì)換熱盤管的建模和實(shí)驗(yàn)相對(duì)較少；

3)現(xiàn)有研究未能從根本上解決除霜問題，有待進(jìn)一步開展設(shè)備研發(fā)。