摘要： 對(duì)風(fēng)冷熱泵在制熱運(yùn)行時(shí)結(jié)霜的因素進(jìn)行了分析，并就結(jié)霜對(duì)機(jī)組冬季工況的影響進(jìn)行了研究，提出了機(jī)組在冬季工況下性能提高的幾條途徑
關(guān)鍵詞： 風(fēng)冷熱泵 冷熱水機(jī)組 蒸發(fā)器 除霜
1 引言
風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組作為中央空調(diào)的冷熱源，自90年代在我國得到了廣泛的應(yīng)用以來，使用地域由南向北迅速推廣。這類機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是一機(jī)二用，提高了機(jī)組的利用率。制冷時(shí)，冷凝器采用風(fēng)冷，省去了水冷冷水機(jī)組所需的冷卻水系統(tǒng)；制熱時(shí)采用熱泵運(yùn)行方式，節(jié)能且無使用鍋爐造成的對(duì)環(huán)境的污染；機(jī)組安裝、布置方便，可置于屋頂而無需專門設(shè)置機(jī)房等。但從風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的效果看這類機(jī)組在氣溫偏低且相對(duì)濕度較高的地區(qū)如長江流域制熱運(yùn)行時(shí)還不太理想。其主要原因是蒸發(fā)器結(jié)霜及除霜造成機(jī)組供熱能力下降。
2 結(jié)霜原因
風(fēng)冷熱泵機(jī)組在冬季制熱運(yùn)行時(shí)，其肋片盤管換熱器起蒸發(fā)器的作用，由于蒸發(fā)溫度較低，盤管表面的溫度也隨之下降，甚至低于0℃。當(dāng)室外空氣在風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下流經(jīng)盤管時(shí)，其所含的水分就會(huì)析出并附著于盤管表面形成霜層。隨著霜層的形成，機(jī)組的性能下降，工況惡化，制熱量也將下降。霜層的形成和影響因素比較復(fù)雜，我認(rèn)為其主要影響因素有冷卻面、室外氣候條件及時(shí)間。
2.1 冷卻面因素
冷卻面因素是指的是肋片換熱器的溫度和形狀結(jié)構(gòu)情況。
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當(dāng)盤管表面溫度低于0℃，且低于入口處空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣分就會(huì)析出并在蒸發(fā)器表面形成霜層。盤管表面與入口空氣之間的溫差越大，結(jié)霜速度越快，結(jié)霜也越嚴(yán)重。
②換熱器的結(jié)構(gòu)因素；包括(a)肋片邊緣效應(yīng)；(b)肋片間距；(c)沿氣流方向管排數(shù)；(d)肋片表面粗糙度。
2.2 氣候條件
①溫度和濕度:空氣相對(duì)濕度越大，盤管結(jié)霜就越嚴(yán)重。在長江流域的氣候條件下，當(dāng)室外空氣的相對(duì)濕度小于50%時(shí)，肋片盤管則很少會(huì)結(jié)霜。當(dāng)室外空氣溫度低于-5℃時(shí)，隨著溫度進(jìn)一步下降，空氣就趨于干燥，結(jié)霜減少。實(shí)際運(yùn)行表明，當(dāng)室外空氣溫度在-2～7℃，而相對(duì)濕度大于50%時(shí)，肋片盤管的結(jié)霜情況最嚴(yán)重。從圖1濕度對(duì)蒸發(fā)溫度的影響可看出，一段時(shí)間內(nèi)濕度較大時(shí)(<=80%)的蒸發(fā)溫度比濕度較低時(shí)的蒸發(fā)溫度高，然而在某一時(shí)刻后，蒸發(fā)溫度下降至比濕度較低時(shí)的蒸發(fā)溫度更低。這是因?yàn)樵谇耙粋€(gè)時(shí)段濕度較大造成蒸發(fā)器負(fù)荷大，因而蒸發(fā)溫度高；隨著結(jié)霜不斷加劇，霜層厚度將超過濕度較小時(shí)的結(jié)霜厚度，故蒸發(fā)溫度便更低。而結(jié)霜后霜層也更厚，所以風(fēng)量一直比濕度較小時(shí)的風(fēng)量小。
②氣流速度:在強(qiáng)制對(duì)流的情況下，氣流的流速對(duì)霜的形成有較大影響。迎面風(fēng)速很小時(shí)，盤管結(jié)霜較快，且霜層厚度增加較快；當(dāng)迎面風(fēng)速較大時(shí)，則結(jié)霜狀況明顯改善。這主要是因?yàn)轱L(fēng)速降低，使負(fù)荷減小，造成蒸發(fā)溫度快速下降，使結(jié)霜速度加快；而風(fēng)速增大，使負(fù)荷增大，蒸發(fā)溫度上升，溫差減小，降低了結(jié)霜的傾向。不同迎面風(fēng)速下的實(shí)驗(yàn)曲線(見圖2)便證明了這點(diǎn)。
另外機(jī)組運(yùn)行的時(shí)間越長，結(jié)霜的可能性就會(huì)越大；且上一次開停周期中停機(jī)時(shí)間越短，越可能會(huì)加劇結(jié)霜的傾向。
3 結(jié)霜對(duì)風(fēng)冷熱泵機(jī)組的危害
蒸發(fā)器結(jié)霜對(duì)風(fēng)冷熱泵機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)面影響主要在兩個(gè)方面:
3.1 影響導(dǎo)熱熱阻 霜層增加了導(dǎo)熱熱阻，降低了蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)。在結(jié)霜的早期，由于霜層增加了傳熱表面的粗糙度及表面積，使總傳熱系數(shù)有所增加，而隨著霜層增厚，導(dǎo)熱熱阻的影響逐漸成為影響傳熱系數(shù)的主要方面時(shí)，總傳熱系數(shù)又開始下降。
3.2影響空氣流量 霜層的增加加大了空氣流過翅片管蒸發(fā)器的阻力，降低了空氣流量，對(duì)蒸發(fā)器性能的這一影響是結(jié)霜負(fù)面影響的主要方面。由于這些負(fù)面影響，風(fēng)冷熱泵在結(jié)霜工況下工作時(shí)，隨著霜層的增厚，將出現(xiàn)蒸發(fā)溫度下降、制熱量下降、風(fēng)機(jī)性能衰減，電流加大等現(xiàn)象而使風(fēng)冷熱泵機(jī)組不能正常工作。
4 提高風(fēng)冷熱泵機(jī)組在結(jié)霜工況下工作特性的途徑
應(yīng)從三個(gè)方面進(jìn)行工作:①在風(fēng)側(cè)換熱器的設(shè)計(jì)上，針對(duì)其運(yùn)行條件，延緩結(jié)霜和盡量降低結(jié)霜對(duì)熱泵機(jī)組性能影響的速度；②提高風(fēng)冷熱泵機(jī)組的除霜性能，縮短除霜時(shí)間以及減少除霜對(duì)系統(tǒng)行動(dòng)的沖擊；③采用智能除霜控制，使除霜控制能適應(yīng)不同地區(qū)及不同使用條件的變化。
4.1 風(fēng)冷換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要注意的問題
當(dāng)空氣露點(diǎn)溫度高于蒸發(fā)器翅片表面溫度且翅片表面溫度低于0℃時(shí)，翅片表面即會(huì)結(jié)霜。所以，在一定的大氣條件下，蒸發(fā)器翅片表面是否結(jié)霜、霜層的發(fā)展速度以及對(duì)蒸發(fā)器性能的影響程度在一定程度上與蒸發(fā)器上翅片結(jié)構(gòu)、形式有關(guān)。在大氣條件不變時(shí)，若蒸發(fā)溫度相對(duì)較高，蒸發(fā)器表面的結(jié)霜情況會(huì)相對(duì)好一些，但這要以加大換熱器面積為代價(jià)，對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸原本較大的風(fēng)冷換熱器，由于迎面風(fēng)速不均勻，加大的換熱器部分并非能發(fā)揮出相應(yīng)的效果，同時(shí)，增加了制造成本。為此，存在著在一定的風(fēng)冷換熱器結(jié)構(gòu)尺寸下，如何改進(jìn)其換熱性能的問題。在結(jié)構(gòu)形式上影響風(fēng)冷換熱器結(jié)霜的因素主要有換熱器的回路數(shù)、翅片間距與翅片形式等。
由于結(jié)霜引起氣流受阻是影響蒸發(fā)器性能的主要因素，為此，翅片間距的選擇對(duì)于結(jié)霜工況下運(yùn)行的風(fēng)側(cè)換熱器的設(shè)計(jì)十分重要。過去，為在一定的風(fēng)側(cè)換熱器外形尺寸下增加換熱面積，翅片間距往往取得較小，而對(duì)于結(jié)霜工況下運(yùn)行的換熱器，較小的翅片間距由于霜層厚度的增加導(dǎo)致?lián)Q熱器性能惡化。建議不同的地區(qū)所采用的翅片間距為:長江流域(不低于-5℃)為25～3mm，黃河流域(不低于-15℃)為2mm。對(duì)于結(jié)霜地區(qū)的風(fēng)冷熱泵應(yīng)適當(dāng)加大翅片間距，而需多大要同時(shí)考慮使用地區(qū)大氣溫度與相對(duì)濕度條件，以及機(jī)組在不同工況下制冷、制熱)運(yùn)行的時(shí)間等因素，以使風(fēng)冷熱泵的全年運(yùn)行效果最優(yōu)。風(fēng)冷換熱器翅片形式一般有平片、波紋片及開窗翅片三類。開窗翅片有利于提高同側(cè)換熱系數(shù)，但在結(jié)霜工況下，開窗翅片結(jié)霜后的氣流阻力要大于平片和波紋片。同時(shí)，對(duì)于在結(jié)霜工況下運(yùn)行的風(fēng)冷熱泵的風(fēng)冷換熱器建議不用開窗翅片，而采用平片。
4.2 風(fēng)側(cè)換熱器的表面處理
國內(nèi)外就抑制換熱器表面結(jié)霜的問題進(jìn)行了大量研究，有許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著翅片表面憎水性的提高，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間延長，經(jīng)親水表面處理和經(jīng)超憎水表面處理的換組連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，對(duì)提高熱泵制熱能力有很大作用，如圖3所示。
4.3 風(fēng)機(jī)與風(fēng)冷換熱器的匹配
翅片表面的氣流速度對(duì)換熱器表面結(jié)霜也有一定影響。風(fēng)速偏小(0.6～1m/s)，不能吹走霜晶，使霜層增厚；風(fēng)速較高(3m/s)對(duì)抑制結(jié)霜較有利，因?yàn)轱L(fēng)速高時(shí)一方面加大了換熱器的傳熱系數(shù)，在相同的大氣條件下，可使蒸發(fā)溫度有所提高，從而提高翅片表面溫度，另一方面，高風(fēng)速可以吹走霜晶。對(duì)表面積較大的換熱，由于迎風(fēng)速度不均勻，在低風(fēng)速最先出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。此時(shí)為了避免結(jié)霜，可適當(dāng)提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，加大空氣流量，提高風(fēng)速，可抑制結(jié)霜，同時(shí)提高了熱泵在此工況下的制熱能力。
4.4 除霜控制技術(shù)的改進(jìn)
為了防止盤管上結(jié)霜和機(jī)組停機(jī)，需要一個(gè)化霜循環(huán)。一個(gè)除霜過程通常需要3分鐘(某些進(jìn)口設(shè)備的除霜時(shí)間必需1分鐘左右)在此期間:第一分鐘風(fēng)扇不轉(zhuǎn)，以便使冷凝溫度盡快升高去融霜，第二和第三分鐘風(fēng)扇才開始轉(zhuǎn)動(dòng)，主要是為了帶走被融化的水分。如果沒有這個(gè)程序而直接停止化霜循環(huán)，則盤管上沒干的水會(huì)重新結(jié)成霜，降低了除霜的效果。在機(jī)組化霜過程中，熱泵不僅不能給系統(tǒng)提供熱量，反而會(huì)吸收熱量。當(dāng)機(jī)組盤管結(jié)霜時(shí)，機(jī)組效率迅速下降，直到一定限度時(shí)機(jī)組開始化霜。此時(shí)，大約3分鐘的時(shí)間，機(jī)組從水系統(tǒng)中吸收熱量提供到盤管去除霜。實(shí)際上，在這3分鐘的時(shí)間里，機(jī)組產(chǎn)生的能量是負(fù)數(shù)。負(fù)能量的數(shù)量與在同樣時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的正能量的數(shù)量大致相當(dāng)，所以從能量角度講，3分鐘的除霜就好比機(jī)組停機(jī)6分鐘。因此，每一個(gè)化霜循環(huán)就相當(dāng)于效率下降0%。目前較廣泛使用的化霜系統(tǒng)有3類:第一類只簡單控制時(shí)間，第二類根據(jù)空氣溫度來控制時(shí)間，第三類較全面，根據(jù)溫度、壓力雙重參數(shù)來控制時(shí)間。第一種是最老的方法，在機(jī)組使用電子控制之前被普遍使用。用這種方法，化霜完全由時(shí)間控制，例如每30分鐘化霜一次，不管室外溫度高低。其能量消耗可想而知。
第二種方法引入了盤管的出風(fēng)溫度參數(shù):當(dāng)出風(fēng)溫度低于一個(gè)設(shè)定值時(shí)，通常這個(gè)溫度為0～3℃，開始計(jì)時(shí)。通常在30分鐘后，如果溫度還是低于設(shè)定值，則開始化霜。目前大部分中小冷量的熱泵采用這種方法控制化霜。乍看起來，這個(gè)第二種方法可以避免很多化霜，但如果仔細(xì)分析其控制方式就會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)不然。為了保證能夠化霜效果，溫度的最低設(shè)置點(diǎn)不能低于1.5℃(出風(fēng)溫度和盤管表面溫度的差)。然后可以改變時(shí)間設(shè)定，但必須考慮到遠(yuǎn)行中最惡劣的遠(yuǎn)行條件，尤其是早上啟動(dòng)的時(shí)候。因此時(shí)間設(shè)定應(yīng)該很短，最長不能超過30分鐘，以避免壓力過低造成停機(jī)。然后還要考慮人為因素。通常是由廠家的人員或系統(tǒng)管理員來設(shè)定這些參數(shù)，他們并不關(guān)心機(jī)組的能耗。廠家和管理員關(guān)心什么?就是減少設(shè)備停機(jī)的可能性，使他們連續(xù)不斷地工作運(yùn)行。這樣，他們通常都留有較大的保險(xiǎn)系數(shù)，將溫度設(shè)定為3℃，時(shí)間設(shè)定為30分鐘。對(duì)于他們來說，多化一次霜總比盤管上結(jié)霜好。第三種方法，能進(jìn)行一種較連貫性的控制。因?yàn)橄到y(tǒng)利用兩個(gè)不同的參數(shù)，即空氣溫度和蒸發(fā)壓力。比如氣溫是5℃的有霧天氣，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)邏輯是:如果蒸發(fā)壓力降到3.8bar以下（對(duì)于R22。則蒸發(fā)溫度為-7℃)，開始計(jì)時(shí)，如果30分鐘過后，盤管出口空氣溫度低于0℃，化霜開始。從理論上講是可行的，事實(shí)上，這些參數(shù)的設(shè)定都留有較大余量。例如，一個(gè)很有名望的廠家讓其熱泵以3℃(盤管出口空氣溫度)的廠家設(shè)定值出廠，無論如何，這些值也不會(huì)降到0℃以下。所以說，所有這些都不能優(yōu)化化霜工作，都不能算是自動(dòng)化的化霜控制。那么如何才能真正達(dá)到智能化、對(duì)機(jī)組進(jìn)行最有效的除霜呢?
如圖4所示，制熱開始或除霜后，經(jīng)數(shù)分鐘穩(wěn)定運(yùn)行，電腦記錄當(dāng)前氣象環(huán)境下的蒸發(fā)壓力A，并計(jì)算得出一個(gè)基準(zhǔn)值B。每一次制熱運(yùn)行由于條件不同，就會(huì)得到一個(gè)不同的A值和一個(gè)不同的B基準(zhǔn)值。蒸發(fā)壓力A隨機(jī)組運(yùn)行時(shí)間延長，換熱器表面結(jié)霜加厚而下降。當(dāng)蒸發(fā)壓力下降至B1時(shí)，電腦控制機(jī)組進(jìn)行一次除霜；如果氣象環(huán)境不好，換熱器表面結(jié)霜加快，蒸發(fā)壓力下降也快，除霜開始發(fā)生在B2點(diǎn)；如果氣象環(huán)境較好，換熱器表面結(jié)霜較慢，蒸發(fā)壓力下降也慢，除霜開始發(fā)生在B3點(diǎn)；在氣象環(huán)境很好時(shí)，換熱器表面不結(jié)霜，蒸發(fā)壓力保持不變，機(jī)組保持制熱運(yùn)行不除霜，工作如B4。
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