空气源热泵系统结霜及除霜实验研究

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2020.12科学技术创新

空气源热泵系统结霜及除霜实验研究

李刚田小亮

(青岛大学机电工程学院,山东青岛266071)

近年来,空气源热泵因其节能环保、能源利用率高,具备制

冷制热双重功能等优势在暖通空调领域得以广泛应用。然而空

气源热泵极易出现蒸发器结霜现象,空气源热泵的结霜过程极

其复杂,涉及到进风温湿度、空气流量、换热器翅片类型及间

距、翅片表面特性以及霜层结构等众多影响因素[1]。更重要的

是,结霜会导致换热器传热热阻增大、空气流量减少、换热能力

降低等问题,因此换热器表面结霜到一定程度时需要转换为除

霜模式[2]。目前空气源热泵常用的除霜方式有电热法、逆循环法

等,然而在实际工程运用中,采用这类除霜方式时往往存在化

霜水清除不彻底的情况,当机组重启制热模式时,换热器表面

的滞留水会使得结霜状况更加严重,甚至会对换热器造成破

坏。这不仅大大降低了空气源热泵系统工作效率及用户的热舒

适度,也造成了巨大的能量损失[3]。

本文从空气源热泵系统在暖通空调领域的实际工程运用

出发,搭建了空气源热泵系统结霜化霜可视化实验平台。实验

研究了空气源热泵系统在低温环境运行时霜层的形成、发展过

程及其随换热器性能的影响。并采用对低温空气除霜方法,对

化霜过程及化霜效果进行了验证和探究。同时分析了不同化霜

时间下,换热器恢复制热模式时翅片表面残留的滞留水对系统

性能以及换热器再结霜过程的影响。最大限度缩短了系统化霜

时间、减少了翅片表面滞留水量,降低了结霜、化霜过程对系统

性能的影响,保证机组能够连续、高效、稳定地运行,降低了能

耗。1实验简介

空气源热泵空调结霜化霜实验平台如图1所示,系统由过

滤网、电加热器、并联复合式变频压缩制冷机组、挡水板、引风

机、集水装置、保温材料等构成。空气在引风机作用下依次经过

滤网、电加热器、并联复合式1#-4#变频压缩制冷机组和挡水

板。

图1实验平台系统图表1为1#-4#换热器的主要参数。通过控制1#-4#制冷机

组和电加热器的工作台数或频率实验平台能够调节空气露点

温度,可以将其降至-20℃甚至更低来实现模拟不同温度湿度

环境下的结霜化霜工况。Kestrel3000便携式风速仪、蒸发器前

后测温点布置的Pt100Ω铂电阻温度传感器用以测量系统运行

时的风速、温度、湿度。可视化窗口能够保证相机对结霜化霜全

过程进行记录,数据采集采用Agilent34970A实现。表1换热器主要参数

2实验过程及分析

2.1热泵结霜实验

为探究在空气源热泵空调实际工程应用中蒸发器结霜问

题对系统运行的影响,在实验中以1#机组为研究对象来模拟

蒸发器长时间运行时霜层的生长过程。如图2所示,随着蒸发

器翅片表面温度降低,换热器表面结霜过程与单一翅片结霜过

程相同,同样分为霜核形成阶段(a),霜层生长阶段(b)和霜层完

成形成阶段(c)[4]。空气中水分首先在换热器冷表面凝结后形成摘要:针对空气源热泵空调在低温工况下的蒸发器结霜化霜问题,搭建了空气源热泵空调结霜化霜实验平台。实验以空气

源热泵实际工程应用中使用的换热器为研究对象,分析出环境温度、相对湿度以及结霜时间对蒸发器结霜过程和换热器性能的

影响程度。并采用节能式低温空气法进行化霜实验,通过对不同空气温度、相对湿度、化霜时间以及滞留水滴落时间下的霜层融

化过程和化霜水流动过程的分析,缩短了霜层融化时间,降低了化霜滞留水在空气源热泵空调连续结霜、化霜过程中出现冰点这

一实际工程问题,为空气源热泵空调在低温工况下联系正常运行奠定了基础。关键词:空气源热泵;结霜;化霜;冰点

中图分类号:TU831文献标识码:A文章编号:2096-4390(2020)12-0007-03迎风面积 管长数 管列数 管排数 翅片间距 翅片厚度

680mm×600mm 200mm 4 24 2mm 0.1mm

(a)

(b)7--科学技术创新2020.12

冰晶,冰晶进入生长阶段后翅片表面结霜量不断增长直至翅片

表面被明显的霜层覆盖。随着结霜时间的增长,换热器相邻翅

片间隙完全被霜层堵塞,此时换热器换热量、空气流量、系统性

能急剧下降。

为探究温度、相对湿度对空气源热泵蒸发器结霜过程的影

响程度,在实验过程中将引风机开启后空气以2.0m/s的速度进

入系统,开启1#和4#机组并关闭2#和3#机组,通过4#变频

机组调整进入1#机组的空气的温度(Ta)和相对湿度(RH)分别

为Ta=4℃,RH=45%;Ta=2.5℃,RH=45%;Ta=2.5℃,RH=60%三

种不同工况。1#换热器前后表面的结霜状况。

在三种工况下,换热器后表面测温点所测温度均远低于空

气露点温度,其换热器后表面结霜状况如图3(a)所示,其区别

在于随着环境温度的降低,换热器表面开始出现霜层的时间变

短。而RH=45%;Ta=2.5℃,4℃情况下,因换热器前表面测温点

所测温度高于环境空气露点温度,故两种工况下换热器前表面

如图3(b)所示均无结霜现象。而Ta=2.5℃,RH=60%工况下,蒸

发器前表面结霜量如图3(c)所示明显增多,其原因在于该工况

下换热器前表面温度已经低于空气露点温度,而且空气相对湿

度较高,导致换热器前表面越容易结霜。

(a)换热器后表面

(b)换热器前表面无霜(c)换热器前表面结霜

图3换热器表面结霜状况

在3组结霜对比实验中,以霜层不再随时间出现明显变化

作为结霜实验依据,三种工况的结霜时间分别为60分钟、50分

钟、30分钟,由此可见随着温度的降低和相对湿度的升高,空气

源热泵结霜越严重,而且相对湿度对结霜的影响要高于时间和

温度对结霜的影响。另外由于受换热器管排布置方式影响,换

热器后表面结霜状况出现带状分布,实现表明换热器换热管处

越容易出现霜层堆积,结霜状况越严重。

2.2空气法化霜实验

针对结霜实验三种工况下1#换热器的结霜状况,进行空气

法化霜实验研究。实验过程中保持3#机组开启,关闭1#机组,

在引风机作用下,分别采用风速均为2.0m/s,温湿度分别为

Ta=3.5℃,RH=45%;Ta=2.5℃,RH=45%;Ta=4℃,RH=60%三种

状态的空气进行化霜。

在采用Ta=3.5℃,RH=45%;Ta=2.5℃,RH=45%两种工况的

低温空气进行化霜时,两者霜层均在3min时开始融化,在5min

时出现化霜水流动现象。在Ta=2.5℃,RH=45%化霜工况下翅片

完全干燥的时间为45min,在Ta=2.5℃,RH=45%化霜工况下翅

片完全干燥的时间为36min,分析其原因在于Ta=3.5℃,

RH=45%结霜工况下换热器表面结霜量少于Ta=2.5℃,RH=45%

结霜工况。而且由化霜过程可以得出,在采用相对湿度一定的

低温空气化霜时,温度对化霜时间后期阶段的影响要明显高于

化霜初始阶段,提高化霜温度能够大大于缩短化霜时间。

而对于采用Ta=4℃,RH=60%空气进行结霜化霜时,由于换

取器前表现结霜量严重,后表面结霜量相对减少状况,导致化

霜10min时后表面霜层已经融化完毕,而前表面60min时过程

才结束化霜过程。而且因工况下结霜量较多,导致化霜过程存

在较长时间的融霜水流动过程。

2.3化霜滞留水对结霜过程的影响

由热泵空调结霜化霜实验可知,热泵空调在低温工况下运

行时结霜严重,而化霜过程是一个漫长的过程,为提高系统整

体性能的关键必须尽可能缩短化霜时间。而化霜时间过短会导

致换热器表面融霜水不能完全流尽,必然会对结霜过程产生影

响。

为探究化霜滞留水对结霜过程的影响,在实验中同时开启

1#、2#、3#、4#机组,机组运行时间为30min,以1#机组换热器表

面作为研究对象,其表面结霜状况图图4(a)所示。然后将1#、

2#、3#机组关闭,通过控制4#机组工作频率,将化霜空气温湿

度控制在Ta=14℃,RH=45%。化霜10min后重新将1#、2#、3#、

4#机组开启至初始结霜运行工况,此时翅片表面已无霜层和化

霜水流动现象,但换热器上部和中部翅片表面存在少量化霜滞

留水,换热器底部滞留水较多。机组重新运行时间为30min,

1#(c)

图2空气源热泵换热器结霜过程8--2020.12科学技术创新

机组换热器表面结霜状况图图4(b)所示。

(a)干燥翅片水表面结霜状况

(b)有滞留水翅片表面结霜状况

图4不同翅片表面结霜状况对比

在干燥翅片表面结霜过程中,120s时换热器表面出现霜

层,40min后翅片表面霜层生长均匀。在有滞留水翅片表面结霜

过程中,70s时换热器表面即出现结霜现象,而且在霜层生长过

程中,翅片表面残存的滞留水会慢慢结冰,在翅片间形成冰点

并不断变大直至完全堵塞翅片间隙。同样,由于滞留水在结霜

过程中形成冰点,导致换热器上部和中部霜层融化时间由原先

的4min增加至6min,而换热器底部间滞留水不断聚集,致使在

下次结霜过程中换热器底部形成冰层,随着空气源热泵低温下

运行工作的增长,换热器表面结霜情况更加恶劣。

通过上述分析,化霜滞留水会使得换热器表面二次结霜过

程中出现冰点,因此控制合理的化霜水滴水时间尤为重要。实

验中采用风速均为2.0m/s,温度均为Ta=14℃,湿度分别为

RH=45%,RH=70%两种环境工况,通过控制化霜水滴落时间,分

析二次结霜冰点状况,结果如表2(a)、(b)所示。表2化霜水滴落时间对换热器二次结霜冰点的影响

(a)

(b)

由以上几组实验可知,在Ta=14℃,RH=45%工况下化霜时,

霜层融化后需要预留15min左右的时间让滞留水充分滴落才会

避免二次结霜时产生冰点,而Ta=14℃,RH=45%工况下化霜时

滞留水充分滴落时间则延长至20min左右。其原因在于换热器除霜过程主要分为霜层融化过程和化霜水流动滴落过程。在采

用空气化霜法除霜时,两个过程都要收到结霜量及化霜空气温

度和湿度的影响,因此需要充分考虑具体工况特点控制除霜时

间。3结论与讨论

本文将空气源热泵空调在实际工程应用的中采用的换热

器作为研究对象,通过进行低温工况下的结霜、化霜实验得出

以下结论:

(1)空气源热泵空调低温工况运行过程中,霜核形成阶段时

间较短,霜层生长阶段和霜层完成形成阶段占据结霜过程的大

部分时间。但热泵空调换热器翅片表面霜层厚度达到翅片间距

1/2时,就会完全堵塞换热器空气通道,导致结霜时间缩短,换热

能力下降。而且蒸发器换热管处,结霜现象更加严重。因此在合

理选择换热器翅片型式和间距能够保证在不降低换热器换热

能力前提下尽量延缓结霜时间。

(2)热器表面结霜过程中,环境温度越低、相对湿度越大换

热器表面越容易结霜,而且相对湿度对结霜的影响要高于时间

和温度对结霜的影响,因此空气源热泵空调低温工况运行时,

预先降低空气湿度对延缓结霜有着积极作用。

(3)空气源热泵空调化霜过程中,翅片化霜水流动时间要远

远大于霜层融化时间。而且翅片表面的滞留水会导致机组二次

结霜时间变短并在结霜过程中形成冰点附着在翅片表面,继而

使化霜时间增长,机组正常工作状态下的连续运行长时间缩

短。

(4)低温空气法化霜相比于逆向除霜方式而言,减少了制冷

制热模式转换给用户侧带来的不利体验,降低了能耗,其能耗

仅为风机带来的能量损失。提高化霜空气温度、降低化霜空气

相对湿度能够缩短化霜时间,同时加速翅片表面滞留水蒸发过

程和流动过程。参考文献[1]高建伟.空气源热泵空调系统在家用中央空调中的应用[J].中

国科技投资,2017(18):300.[2]刘中良,黄玲艳,勾昱君等.结霜现象及抑霜技术的研究进展