摘要： 对风冷热泵在制热运行时结霜的因素进行了分析，并就结霜对机组冬季工况的影响进行了研究，提出了机组在冬季工况下性能提高的几条途径
关键词： 风冷热泵 冷热水机组 蒸发器 除霜
1 引言
风冷热泵冷热水机组作为中央空调的冷热源，自90年代在我国得到了广泛的应用以来，使用地域由南向北迅速推广。这类机组的优点是一机二用，提高了机组的利用率。制冷时，冷凝器采用风冷，省去了水冷冷水机组所需的冷却水系统；制热时采用热泵运行方式，节能且无使用锅炉造成的对环境的污染；机组安装、布置方便，可置于屋顶而无需专门设置机房等。但从风冷热泵冷热水机组实际运行的效果看这类机组在气温偏低且相对湿度较高的地区如长江流域制热运行时还不太理想。其主要原因是蒸发器结霜及除霜造成机组供热能力下降。
2 结霜原因
风冷热泵机组在冬季制热运行时，其肋片盘管换热器起蒸发器的作用，由于蒸发温度较低，盘管表面的温度也随之下降，甚至低于0℃。当室外空气在风机驱动下流经盘管时，其所含的水分就会析出并附着于盘管表面形成霜层。随着霜层的形成，机组的性能下降，工况恶化，制热量也将下降。霜层的形成和影响因素比较复杂，我认为其主要影响因素有冷却面、室外气候条件及时间。
2.1 冷却面因素
冷却面因素是指的是肋片换热器的温度和形状结构情况。
①温度因素
当盘管表面温度低于0℃，且低于入口处空气的露点温度时，空气分就会析出并在蒸发器表面形成霜层。盘管表面与入口空气之间的温差越大，结霜速度越快，结霜也越严重。
②换热器的结构因素；包括(a)肋片边缘效应；(b)肋片间距；(c)沿气流方向管排数；(d)肋片表面粗糙度。
2.2 气候条件
①温度和湿度:空气相对湿度越大，盘管结霜就越严重。在长江流域的气候条件下，当室外空气的相对湿度小于50%时，肋片盘管则很少会结霜。当室外空气温度低于-5℃时，随着温度进一步下降，空气就趋于干燥，结霜减少。实际运行表明，当室外空气温度在-2～7℃，而相对湿度大于50%时，肋片盘管的结霜情况最严重。从图1湿度对蒸发温度的影响可看出，一段时间内湿度较大时(<=80%)的蒸发温度比湿度较低时的蒸发温度高，然而在某一时刻后，蒸发温度下降至比湿度较低时的蒸发温度更低。这是因为在前一个时段湿度较大造成蒸发器负荷大，因而蒸发温度高；随着结霜不断加剧，霜层厚度将超过湿度较小时的结霜厚度，故蒸发温度便更低。而结霜后霜层也更厚，所以风量一直比湿度较小时的风量小。
②气流速度:在强制对流的情况下，气流的流速对霜的形成有较大影响。迎面风速很小时，盘管结霜较快，且霜层厚度增加较快；当迎面风速较大时，则结霜状况明显改善。这主要是因为风速降低，使负荷减小，造成蒸发温度快速下降，使结霜速度加快；而风速增大，使负荷增大，蒸发温度上升，温差减小，降低了结霜的倾向。不同迎面风速下的实验曲线(见图2)便证明了这点。
另外机组运行的时间越长，结霜的可能性就会越大；且上一次开停周期中停机时间越短，越可能会加剧结霜的倾向。
3 结霜对风冷热泵机组的危害
蒸发器结霜对风冷热泵机组的运行产生的负面影响主要在两个方面:
3.1 影响导热热阻 霜层增加了导热热阻，降低了蒸发器的传热系数。在结霜的早期，由于霜层增加了传热表面的粗糙度及表面积，使总传热系数有所增加，而随着霜层增厚，导热热阻的影响逐渐成为影响传热系数的主要方面时，总传热系数又开始下降。
3.2影响空气流量 霜层的增加加大了空气流过翅片管蒸发器的阻力，降低了空气流量，对蒸发器性能的这一影响是结霜负面影响的主要方面。由于这些负面影响，风冷热泵在结霜工况下工作时，随着霜层的增厚，将出现蒸发温度下降、制热量下降、风机性能衰减，电流加大等现象而使风冷热泵机组不能正常工作。
4 提高风冷热泵机组在结霜工况下工作特性的途径
应从三个方面进行工作:①在风侧换热器的设计上，针对其运行条件，延缓结霜和尽量降低结霜对热泵机组性能影响的速度；②提高风冷热泵机组的除霜性能，缩短除霜时间以及减少除霜对系统行动的冲击；③采用智能除霜控制，使除霜控制能适应不同地区及不同使用条件的变化。
4.1 风冷换热器结构设计要注意的问题
当空气露点温度高于蒸发器翅片表面温度且翅片表面温度低于0℃时，翅片表面即会结霜。所以，在一定的大气条件下，蒸发器翅片表面是否结霜、霜层的发展速度以及对蒸发器性能的影响程度在一定程度上与蒸发器上翅片结构、形式有关。在大气条件不变时，若蒸发温度相对较高，蒸发器表面的结霜情况会相对好一些，但这要以加大换热器面积为代价，对于结构尺寸原本较大的风冷换热器，由于迎面风速不均匀，加大的换热器部分并非能发挥出相应的效果，同时，增加了制造成本。为此，存在着在一定的风冷换热器结构尺寸下，如何改进其换热性能的问题。在结构形式上影响风冷换热器结霜的因素主要有换热器的回路数、翅片间距与翅片形式等。
由于结霜引起气流受阻是影响蒸发器性能的主要因素，为此，翅片间距的选择对于结霜工况下运行的风侧换热器的设计十分重要。过去，为在一定的风侧换热器外形尺寸下增加换热面积，翅片间距往往取得较小，而对于结霜工况下运行的换热器，较小的翅片间距由于霜层厚度的增加导致换热器性能恶化。建议不同的地区所采用的翅片间距为:长江流域(不低于-5℃)为25～3mm，黄河流域(不低于-15℃)为2mm。对于结霜地区的风冷热泵应适当加大翅片间距，而需多大要同时考虑使用地区大气温度与相对湿度条件，以及机组在不同工况下制冷、制热)运行的时间等因素，以使风冷热泵的全年运行效果最优。风冷换热器翅片形式一般有平片、波纹片及开窗翅片三类。开窗翅片有利于提高同侧换热系数，但在结霜工况下，开窗翅片结霜后的气流阻力要大于平片和波纹片。同时，对于在结霜工况下运行的风冷热泵的风冷换热器建议不用开窗翅片，而采用平片。
4.2 风侧换热器的表面处理
国内外就抑制换热器表面结霜的问题进行了大量研究，有许多实验结果表明:随着翅片表面憎水性的提高，连续运转的时间延长，经亲水表面处理和经超憎水表面处理的换组连续运行时间，对提高热泵制热能力有很大作用，如图3所示。
4.3 风机与风冷换热器的匹配
翅片表面的气流速度对换热器表面结霜也有一定影响。风速偏小(0.6～1m/s)，不能吹走霜晶，使霜层增厚；风速较高(3m/s)对抑制结霜较有利，因为风速高时一方面加大了换热器的传热系数，在相同的大气条件下，可使蒸发温度有所提高，从而提高翅片表面温度，另一方面，高风速可以吹走霜晶。对表面积较大的换热，由于迎风速度不均匀，在低风速最先出现结霜现象。此时为了避免结霜，可适当提高风机转速，加大空气流量，提高风速，可抑制结霜，同时提高了热泵在此工况下的制热能力。
4.4 除霜控制技术的改进
为了防止盘管上结霜和机组停机，需要一个化霜循环。一个除霜过程通常需要3分钟(某些进口设备的除霜时间必需1分钟左右)在此期间:第一分钟风扇不转，以便使冷凝温度尽快升高去融霜，第二和第三分钟风扇才开始转动，主要是为了带走被融化的水分。如果没有这个程序而直接停止化霜循环，则盘管上没干的水会重新结成霜，降低了除霜的效果。在机组化霜过程中，热泵不仅不能给系统提供热量，反而会吸收热量。当机组盘管结霜时，机组效率迅速下降，直到一定限度时机组开始化霜。此时，大约3分钟的时间，机组从水系统中吸收热量提供到盘管去除霜。实际上，在这3分钟的时间里，机组产生的能量是负数。负能量的数量与在同样时间内产生的正能量的数量大致相当，所以从能量角度讲，3分钟的除霜就好比机组停机6分钟。因此，每一个化霜循环就相当于效率下降0%。目前较广泛使用的化霜系统有3类:第一类只简单控制时间，第二类根据空气温度来控制时间，第三类较全面，根据温度、压力双重参数来控制时间。第一种是最老的方法，在机组使用电子控制之前被普遍使用。用这种方法，化霜完全由时间控制，例如每30分钟化霜一次，不管室外温度高低。其能量消耗可想而知。
第二种方法引入了盘管的出风温度参数:当出风温度低于一个设定值时，通常这个温度为0～3℃，开始计时。通常在30分钟后，如果温度还是低于设定值，则开始化霜。目前大部分中小冷量的热泵采用这种方法控制化霜。乍看起来，这个第二种方法可以避免很多化霜，但如果仔细分析其控制方式就会发现其实不然。为了保证能够化霜效果，温度的最低设置点不能低于1.5℃(出风温度和盘管表面温度的差)。然后可以改变时间设定，但必须考虑到远行中最恶劣的远行条件，尤其是早上启动的时候。因此时间设定应该很短，最长不能超过30分钟，以避免压力过低造成停机。然后还要考虑人为因素。通常是由厂家的人员或系统管理员来设定这些参数，他们并不关心机组的能耗。厂家和管理员关心什么?就是减少设备停机的可能性，使他们连续不断地工作运行。这样，他们通常都留有较大的保险系数，将温度设定为3℃，时间设定为30分钟。对于他们来说，多化一次霜总比盘管上结霜好。第三种方法，能进行一种较连贯性的控制。因为系统利用两个不同的参数，即空气温度和蒸发压力。比如气温是5℃的有雾天气，控制系统的调节逻辑是:如果蒸发压力降到3.8bar以下（对于R22。则蒸发温度为-7℃)，开始计时，如果30分钟过后，盘管出口空气温度低于0℃，化霜开始。从理论上讲是可行的，事实上，这些参数的设定都留有较大余量。例如，一个很有名望的厂家让其热泵以3℃(盘管出口空气温度)的厂家设定值出厂，无论如何，这些值也不会降到0℃以下。所以说，所有这些都不能优化化霜工作，都不能算是自动化的化霜控制。那么如何才能真正达到智能化、对机组进行最有效的除霜呢?
如图4所示，制热开始或除霜后，经数分钟稳定运行，电脑记录当前气象环境下的蒸发压力A，并计算得出一个基准值B。每一次制热运行由于条件不同，就会得到一个不同的A值和一个不同的B基准值。蒸发压力A随机组运行时间延长，换热器表面结霜加厚而下降。当蒸发压力下降至B1时，电脑控制机组进行一次除霜；如果气象环境不好，换热器表面结霜加快，蒸发压力下降也快，除霜开始发生在B2点；如果气象环境较好，换热器表面结霜较慢，蒸发压力下降也慢，除霜开始发生在B3点；在气象环境很好时，换热器表面不结霜，蒸发压力保持不变，机组保持制热运行不除霜，工作如B4。
参考文献
1确高春英。风冷热泵机组冬季的除霜控制大众用电，2000，5
2 蒋能照。空调用热泵技术及应用机械工业出版社，1997
3 郭庆堂。实用制冷工程设计手册建筑工业出版社，1994
4 黄虎，李志浩，束鹏程。提高风冷热泵冷热水机组结霜工况下性能的途径暖通空调2001，1
5 谷波，田树波，孙涛。风冷热泵机组的结霜特性研究。暖通空调，2001，31(1)3.
6 陈汝东，许东晟。风冷热泵空调器除霜控制的研究流体机械，1998，27(2).
7 夏清，周兴禧，振宇。不同参数对肋片管式蒸发器性能影响及热泵化霜周期的优化。上海交通大学学报，1998，32(7).
联系客服
