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1、 喷淋溶液喷淋溶液对对空气源热泵空气源热泵系统特性影响的系统特性影响的实验研究实验研究 姜益强 姚杨 高强 付慧颖 （哈尔滨工业大学） 摘摘 要要：本文基于对空气源热泵结霜机理的研究，从抑制结霜的两个条件出发，提出了无霜空气源热泵新系统。选取适用于该系统的喷淋溶液，搭建了实验台。通过实验验证，证明此系统具有可行性。 “防霜”模式运行时，送风温差比常规系统高 1.5，供热量高 6%，且送风参数稳定，运行过程中，压缩比基本保持不变，压缩机和系统稳定性高。选用甘油水溶液作为喷淋溶液时， 为保证防霜效果， 浓度应在31-65%； 单位迎风面积喷淋流量应在0.53-0.64t/(hm2)。 关键词：关键
2、词：空气源热泵 溶液喷淋 无霜 实验研究 我国夏热冬冷地区要求夏季供冷，冬季供暖，气候特点非常适合采用空气源热泵，但是在运行中愈来愈暴露出其因结霜导致运行效果不够理想的问题。尽管针对结霜和除霜问题，国内外作了大量的研究工作，但是该问题仍然没有得到圆满解决，而现有的常规除霜方法存在着效率低、系统稳定性差等致命缺点1,2。新的蓄能除霜系统尽管能减少除霜时间、改善系统的稳定性，但结霜时系统制热量衰减、除霜时不能供热的缺点仍然存在3。 国内外关于防止和延缓结霜的研究较少，主要集中在改变室外换热器周围环境参数、改变机组系统流程或蒸发器结构参数、改变蒸发器表面特性这三方面。研究发现，只有同时满足两个条，空
3、气源热泵室外换热器翅片表面才可能结霜：其一为翅片管表面温度低于凝结水的凝固温度，即 0；其二是翅片表面温度低于室外空气所对应的露点温度。 基于以上结霜机理，提出无霜空气源热泵新系统。该系统针对结霜机理而提出，其可靠性高；在室外侧换热器位置附加了溶液喷淋装置，没有介入到制冷剂循环，在常规模式和防霜模式之间切换时对系统冲击小；在防霜模式运行时，不影响室内送回风温差，保障了热舒适性；以较小代价换得空气源热泵的高效运行，具有较高的经济性。 1.无霜空气源热泵原理和喷淋溶液的选取 图 1 无霜空气源热泵实验台原理及测点布置图 1.压缩机；2.四通阀；3.气液分离器；4.室内换热器；5.储液罐；6.毛细管
4、；7.室外换热器；8.室外风机；9.喷头；10.霜水收集孔；11.溶液泵；12.储液桶；13.再生盘管；14.泄流孔 无霜空气源热泵新系统，是一种以向室外换热器翅片表面喷淋低凝固点溶液来防止结霜的新型空气源热泵系统。其相对于传统的空气源热泵，主要特征是在室外机空气进口侧增添了溶液喷淋装置，如图 1 所示。当室外空气状态处于传统空气源热泵非结霜区时，关闭溶液喷淋装置，按传统热泵机组运行。当室外环境处于结霜区时，开启溶液喷淋装置，向室外机翅片管喷洒低凝固点的具有吸水性的雾状防冻溶液，室外空气先与液滴接触换热除湿，降低空气露点温度；溶液喷淋到室外侧换热器表面上，翅片表面温度高于溶液的凝固点（即结冰温
5、度） ，破坏了结霜的必要条件，不会结霜。 根据系统特点，适用于该系统的喷淋溶液特性确定为： （1）能和水互溶，其水溶液在较大的浓度范围内有较低的冰点； （2）腐蚀性小，不会对换热器表面产生腐蚀作用，特别杜绝电化学腐蚀； （3）具有相对较高的蒸汽压，以削弱防霜过程的吸湿作用，同时利于再生； （4）单价相对较低。 本文经过比较和论证，选择甘油（丙三醇）水溶液作为喷淋溶液。甘油能以任何比例与水互溶，在 085%浓度范围内，冰点低于 0，最低为-43（浓度为 65%时） ；对金属无腐蚀性；其水溶液的蒸汽压相对较高，利于再生，削弱了吸湿作用；单价相对较低，一般在￥500900 元/吨。喷淋溶液的冰点和粘
6、度是关键参数，经过实验测定，如图 2 所示。 0200400600800100012001400-50-40-30-20-10010200%20%40%60%80%100%黏度/mPa.s温度/浓度冰 黏图 2 甘油水溶液冰点和黏度（20） 随浓度变化 2.实验台的搭建 无霜空气源热泵实验台主要由以下几部分组成：空气源热泵系统、溶液喷淋系统、人工环境小室以及数据测量及采集系统，如图 1 所示。 （1）空气源热泵系统额定制冷量 3620W，室外换热器选用两块同样规格的翅片管式换热器，呈“V”字型布置，在顶部布置额定风量 1800m3/h 的三相风机。室外换热器空气出口连接直径 250mm5mm
7、的 PP 塑料风管，用以测量风速和出口风温。 （2）喷淋装置主要包括溶液泵、溶液管路、喷头和溶液罐四部分。其中溶液泵大扬程小流量，以适应较高的溶液黏度。每一侧喷淋装置的喷头有两个方向，分别向外和向内，能独立控制开启或关闭。 （3）人工环境小室能提供一定温度和相对湿度的室外环境，主要由一台额定制冷量2500W，额定制热量 3500W 的空气源热泵实现温度的粗调节；一台红外线加热器微调温度；加湿由 3 台加湿量各 350g/h 的超声波加湿器实现。 （4）数据采集系统主要完成对温度、湿度、风速、压力、电流和电压的检测和存储，同时自动采集数字图像和视频。本实验台采用的数据采集仪器是 Agilent
8、34980A，数据转换模块是 34924A/T，测温采用 Pt1000，误差为 0.1（含数据采集器误差，下同） ，湿度传感器量程 0100%RH，精度 1%RH，风速采用 EE65 传感器，误差为（0.3 米/秒+测量值的 3%） ，电流和电压的相对误差分别为 0.2%和 1%。 本文实验中，溶液喷淋装置启用时，该实验台为无霜空气源热泵系统运行模式；溶液喷淋装置关闭时，为常规空气源热泵系统运行模式。 3.实验结果的分析及讨论 无霜空气源热泵系统在结霜区运行时，溶液喷淋装置开启，甘油溶液均匀喷淋到室外侧换热器表面，防止结霜，实现“无霜”运行。 3.1 无霜空气源热泵系统与常规系统性能比较 无霜
9、空气源热泵系统运行时，没有传统意义上的“结霜除霜”周期，现分别与传统形式空气源热泵的结霜和逆循环除霜对比。 15161718192021020406080100 120 140 160 时间/分钟送风温差/常规结霜工况 溶液喷淋工况图 3 常规结霜和溶液喷淋防霜室内 送风温差的比较 2.02.22.42.62.83.03.23.4020406080100 120 140 160时间/分钟COP常规结霜工况 溶液喷淋工况图 4 常规结霜和溶液喷淋 COP 的比较 图 5 常规结霜和溶液喷淋防霜 压缩比的比较 设置典型工况：室外干球温度 1，相对湿度 85%，室内干球温度 20。热泵制热 30s后
10、开始喷淋甘油溶液，溶液的浓度为 64%。测定开机后 170 分钟内的各参数，制成图表如图3图 5 所示。 由图 3图 5 可知： （1）常规空气源热泵在结霜区运行时，系统稳定运行后，室内送风温差为 18.0 18.8，并且随着结霜的增多，送风温度逐渐降低到 16.5。而溶液喷淋工况下，室内送风温差为19.720.3，比常规系统高 1.5左右，提高了舒适性；同时，送风温度基本保持恒定，稳定性好。相对应地，无霜空气源热泵系统的室内供热量比常规系统高 6%以上，并且随着后者结霜量的增多，两者供热量的差值增大，最大相差 19%。 （2）由于无霜空气源热泵系统的溶液喷淋装置额外消耗能量，使得无霜空气源热
11、泵系统的 COP 为 2.72.8，低于常规系统的 3.03.2。 （3）分析图 5 中的数据可知，常规空气源热泵系统结霜时，压缩比逐渐升高，而无霜空气源热泵系统的压缩比基本恒定。这说明后者的机组运行更稳定，波动小，有助于延长压缩机寿命。 常规空气源热泵系统运行 170 分钟后，逆循环除霜。各项数据：除霜时间 810s，化霜水量 1156mL， 除霜能耗 0.635MJ， “结霜-除霜”周期内 （即从开机到除霜完毕） 平均 COP 为 2.78。同时，除霜过程中吸排气温度、压缩比等参数剧烈波动，这与前人实验结果相符。 4.04.24.44.64.85.05.25.4020406080100 1
12、20 140 160 时间/分钟压缩比常规结霜工况 溶液喷淋工况相同的运行时间内，无霜空气源热泵的平均 COP 为 2.72，略低于常规系统。但是，该系统在运行时向室内不间断供热，且室内送风温度基本无变化，保证了较高的舒适性。 3.2 无霜空气源热泵系统不同喷淋流量的影响 保持其它参数不变，改变单位迎风面积的溶液喷淋流量，结果如表 1 所示。控制室外温度为 1，相对湿度 85%，室内温度 20，甘油水溶液浓度为 44%。采集的数据为系统稳定运行并保持 30 分钟后，各参数的数值。 本组实验中，共有 4 种喷淋流量，当流量过小（0.44 t/(h.m2)）时，喷头余压不足，溶液不能覆盖换热器全部
13、面积，没有接触到溶液的死角位置会结霜。 喷淋流量减小时，压缩比并没有显著变化，但是室内供热量和室外风机风量都有较为显著的升高。工况 3 和工况 1 相比，供热量升高了 93W，升高幅度为 2.4%；室外风机风量增加 59m3/h，增加幅度为 3.8%，COP 略微升高。由于本实验中溶液流量的调节是用阀门节流方式实现的，降低流量后，并没有使溶液泵的输入功率降低。在实际应用中，设定较小的流量能降低溶液泵的能耗。当流量调节方式不采用节流而应用溶液泵变频等其它方式时，溶液泵能耗会随着流量的降低而降低，使得 COP 会随着溶液流量的减小而有更加显著的升高。 喷淋溶液的流量对机组运行有一定影响。液膜会影响
14、湿冷空气流经换热器翅片时的传热传质过程，流量越大，空气的流动越不通畅，增大了对流热阻；同时，液膜覆盖在翅片表面，增大了导热热阻。从另一角度讲，溶液对翅片间隙的阻碍作用，使空气流量减小，其携带的热量也相对减小。受以上两个因素，以及尚不可知的传质机理的共同作用，相对较小的溶液流量对机组的整体性能是有利的，但流量存在最小值，以保障溶液顺利喷淋到翅片表面。本实验中能实现防霜功能的单位迎风面积流量最小值是 0.53t/(h.m2)。 3.3 无霜空气源热泵系统不同溶液浓度的影响 保持其它参数不变，改变甘油水溶液浓度，结果如表 2 所示。控制室外温度为 1，相对湿度 85%，室内温度 20。由于实际应用时
15、，由于溶液泵的运行特性曲线是确定的，对应不同的甘油溶液浓度，其流量必定是不同的，因此本组实验中，控制不变的量是阀门开度，溶液流量略有不同。 采集的数据为系统稳定运行并保持 30 分钟后各参数的数值， 如表 2 所示。 当管路中阀门开度不变时，甘油溶液浓度升高会使流量降低，这和甘油溶液黏度随浓度升高有关。溶液黏度较高的后果还有，一方面溶液在翅片上形成的液膜更厚，增大热阻。甘油溶液浓度还会对溶液喷出的形态受到影响，即溶液浓度越高，喷淋角度越小。喷淋角度过小时，溶液不能布满室外换热器翅片全部面积，局部会结霜。 表 1 改变流量喷淋溶液实验数据 工况 溶液浓度 % 单位迎风面积 溶液流量 t/(h.m
16、2) 室外风机 风量 m3/h 室内供热 量 W 输入 功率 W COP 压缩比 1 44 0.67 1534 3838 1409 2.72 4.97 2 44 0.63 1570 3895 1415 2.75 4.99 3 44 0.53 1593 3931 1423 2.76 5.01 4 44 0.44 本组实验中，工况 5 采用 25%的溶液喷淋，运行 1 小时后，可见室外换热器翅片局部有白色固体生成，采集样本进行物理分析发现为甘油水溶液的结冰，没有达到预定防霜效果。为保障系统安全稳定运行，溶液浓度不宜过低。 溶液浓度过高或过低，都会使系统性能下降，溶液浓度在 31%65%时，该系统能达到预定的防霜效果。 4.结论 （1） 本文提出的无霜空气源热泵系统能够在易于结霜的室外条件下实现“无霜”运行， 具有较强的可行性； （2）在所选取典型室内外条件下，无霜空气源热泵系统的室内送回风温差较常规系统高 1.5，提高了热舒适性，供热量前
