空气―水热泵系统研究

当翅片换热器表面结霜时往往引起换热能力降低，热泵系统性能下降，严重时甚至造成无效耗功。因此掌握空气―水热泵空调系统在不同空气温湿度条件下的运行特性及结霜对热泵系统工作性能的影响，对提高空气―水热泵系统的设计和运行管理水平、进一步推广热泵技术有重要意义。

1空气―水热泵系统的动态模拟研究

空气―水热泵系统的动态模拟作为对其工作特性研究的一种理论支持，同时也要接受相应的实验研究的检验。整个动态模拟数学模型以下述假设为基础：（1）热交换器内、外侧的介质为均匀分布；（2）制冷剂在管内为一维流动，各部件间接管无压降；（3）凝露和结霜不同时在翅片表面出现；霜层的形成为渐进式，每一霜层的密度与导热率因其凝结时空气―霜交界面温度不同而存在差异；（4）节流机构能提供与压缩机吸气量相平衡的制冷剂量；（5）系统中过冷与过热段对传热的影响忽略不计，制冷剂侧换热系数按两相区换热关系式考虑；在此前提下结合热泵循环的特点，通过对工质热物性计算以及建立压缩机、水热交换器、节流机构、空气热交换器、风机等设备工作过程的数学模型，编制出空气―水热泵系统工作特性动态模拟软件（软件略）。运行该软件，我们取得了与实验研究吻合的结果，其误差值均在6.5以下。误差产生的原因在于假设条件下修正系数取值偏差和因系统结构方面的原因造成的测量精度误差所致，对研究结果无实质性影响。

2动态模拟及实验研究结果

实验研究的目的在于：（1）测试环境空气温度变化对热泵系统性能的影响。（2）测试环境空气湿度变化对热泵系统性能的影响。（3）测试结霜过程对热泵系统性能的影响。

空气翅片式换热器空气流量变化率及制热量随霜层厚度增加而降低的特性，如所示；热泵系统在结霜条件下输入功率、制热量随结霜时间增长而减少以及霜层厚度随结霜时间增长而增厚的特性。

3对研究结果的讨论

3.1环境空气干球温度变化的影响

环境空气干球温度上升实际上是空气热交换器（即热泵循环时的蒸发器）进风温度上升，因此其管内侧制冷剂蒸发温度升高、汽化量增大随之引起压缩机吸气压力和温度升高，导致排气压力和温度相应上升，冷凝负荷（制热量）增加，COP值提高，使热泵技术性能得以充分发挥，对热泵循环十分有利。

而当空气干球温度下降时，结果与上述情况相反。当达到-5℃以下时，其COP值已非常低，系统难以维持正常工作性能。

3.2环境空气湿球温度变化的影响

在环境空气干球温度一定的条件下，其相对湿度与湿球温度呈一一对应关系，表现为一定干球温度下的空气其湿球温度高则相对湿度大。因而当空气热交换器表面温度在0℃以上、空气露点温度以下（凝露期）时，由空气中的水蒸汽凝结放出潜热使换热器效率提高，系统制热量增大，COP值提高，即：处于凝露期时，相同干球温度下空气湿球温度越高（相对湿度越大）则热泵循环各项性能越好。

但是当空气热交换器表面温度处于0℃以下的结霜期时，其结论与之相反，热泵循环性能恶化甚至丧失。

3.3空气热交换器结霜造成的影响

霜层的形成是一个复杂的传热传质过程。霜层的厚度、密度、导热率以及空气热交换器的空气流量、翅片效率等均随时间而变的特性对热泵系统各设备性能参数的动态耦合性和系统工作性能具有决定性的影响。主要表现为以下几个方面：（1）霜形成的过程中有一定的潜热排放。空气―霜交界面随时间的增长而逐渐外移，界面温度ts随霜层厚度增加（即时间延长）而改变。结霜初期由于水蒸汽凝结为霜，其潜热排放量较大，ts有一个短暂的上升，随后由于霜层的增厚，空气流量相应减少，潜热排放减少，ts下降。从总的效果看，结霜潜热对系统性能的影响很小，可以忽略。

（2）霜的形成增加了翅片式换热器(换热器设计对散热体积的影响)表面的粗糙度，虽可以增大一些空气侧换热系数，但由于霜的导热率很低，传热热阻增大，最终使空气热交换器换热能力下降，引起热泵循环效率降低。

（3）霜层的存在和不断增厚使空气流经空气热交换器时阻力增大、流量减少、迎面风速降低、空气侧换热系数减小。其具体表现为：当霜层厚度<0.1mm时空气流量无明显变化，此后随霜层厚度增加，流量急剧下降，对空气热交换器传热恶化起主导作用。

综合热泵空气热交换器结霜的动态模拟和实验研究结果可以发现，结霜厚度在0.1mm以下的霜形成期，结霜不会对热泵性能产生不良影响，有时甚至会有利于系统性能的改善。一般在结霜开始5分钟左右最为有利，然后这一影响逐渐减弱。同时这种有利影响受空气相对湿度大小的制约，空气相对湿度越大，对其影响力越弱，相对湿度达70时该影响为零。

在形成期后的霜成长期，空气相对湿度越大霜层厚度随时间增加越快，热泵循环的蒸发温度、冷凝温度、输入功率、制热量和COP值均下降。可见对结霜过程的有效控制将成为提高热泵循环性能的关键。

（4）在干球温度相同的条件下，不同相对湿度的空气在热泵系统运行中存在一个蒸发温度、冷凝温度、输入功率、制热量等项指标基本相同的时间点。该点表现了一定干球温度下热泵系统工作性能的平均水平，同时反映了结霜过程对循环性能影响的平均水平。例如本研究中空气干球温度为3℃时，该点处于结霜后约40分钟的时间点上，而6℃时，该点则处于结霜后约45分钟时间点处。

如果根据该特性点控制霜层形成和成长周期，就可以促进热泵系统始终保持良好工作状态和最佳性能。

4结束语

本课题研究发现，热泵空调系统各设备运行在环境空气干球温度5℃左右时耦合达到最好。因为此时空气热交换器表面正处于凝露期，大量的凝露潜热改善了热交换器的工作条件，使循环工作性能大为提高。

而当环境空气干球温度为-5℃左右时，空气热交换器表面正处于后结霜期，霜层达到了相当厚度，循环性能急剧衰退。

在这种情况下，热泵系统工作性能的平均水平是对其结霜过程进行控制、充分发挥热泵系统技术性能的关键，而如何得到最佳的工作特性平均水平点，得到尽可能短的除霜周期和最佳工作效率的问题，可通过热泵系统设计中对各设备性能和循环参数的最佳耦合得到。