寒冷地区空气源热泵结霜情况测试研究

陈忠海　刘宏宝　洪　静

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)



寒冷地区空气源热泵结霜情况测试研究

陈忠海刘宏宝洪静

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

针对寒冷地区空气源热泵结霜问题，对一种新型空气源热泵进行实验测试和数据分析，结果表明在结霜较少时有助于提高热泵的制热量和cop，但随着霜层的不断增加，空气源热泵的COP和制热效果不断恶化.

空气源热泵；结霜；寒冷地区；测试

0　前　言

随着建筑节能及环境保护工作的日益推进，传统的供暖模式将会被逐渐取代.而空气源热泵是一种节能、环保的制热制冷设备.其在我国的长江流域、黄河流域等地区的应用十分广泛，被广泛应用在公寓、酒店、餐厅、购物商场、影剧院、厂房、医院、办公大楼等空调工程中.但是由于空气源热泵按照“逆卡诺循环”工作，当室外温度较低，相对湿度较大时，压缩机压比偏大、蒸发器表面容易结霜，系统制热率下降，系统性能降低等问题，成为空气源热泵在寒冷地区应用的直接阻力.因此，在张家口地区通过对一种新型空气源热泵进行了结霜情况的测试研究，来验证该系统在寒冷地区应用的可行性.为后续改进机组提供运行测试数据.

1　新型空气源热泵系统

一方面，在热泵系统中加气液分离器和单向阀，是离开室内换热器的制冷剂以气态的形式进入压缩机，避免夹杂含液体的制冷剂被压缩机吸入和压缩；另一方面在热泵系统中加一条分流循环回路，经分流制冷剂调压后，分流循环回路中的制冷剂能够调节压缩机吸入制冷剂状态，使压缩机吸入更多密度较大的气态制冷剂.从而使系统能够在较低的室外温度下正常工作，为室内提供舒适的室内环境，降低系统除霜开始和结束的响应时间[1].

2　实验系统及测试方法

图1　 实验测试系统布置

图一为新型空气源热泵系统的实验测试系统.实验系统分三部分：1、室外测试部分.主要包括：室外空气的温度、相对湿度和室外换热器空气侧入口、出口温度的测量.2、室内测试部分.主要包括：室内空气的温度、送风量及机组总耗电量的测试.3、数据采集和记录装置.主要包括：电脑和数据自动采集器.

2.1测量装置

此空气源热泵的所有测点所测得温度、湿度均由Agilent34970A数据采集器进行采集记录.各温度测点采用0.2 mm的铜-康铜热电偶温度计进行测量，同时，为保证各测点温度的准确性，如室外环境温度、室内送、回风温度等部分数据采用了清华同方股份有限公司生产的测量精度为：±0.3 ℃，测量频率为1 s～9 h，存储量为6536个数据，测温范围为-20 ℃～55 ℃的RHLOG-Ⅱ型智能温度自记仪进行采集和记录，并与热电偶进行了交叉和对比测量.相对湿度采用RHLOG-HI型湿度自计议进行测量，其精度为±3%～±5%.室内外风速采用型号为8383-M-GB多参数风速仪进行测量，仪器的风速测量范围0～50 m/s，测量误差±0.015 m/s.热泵机组的耗电量直接由三相电度表读取.

2.2测试方法

本实验主要测试此空气源热泵系统在张家口地区的结霜情况及结霜工况下系统的实际运行情况，为样机在寒冷地区高效节能的的运行提供参考和依据，对实际使用时所出现的问题作出分析和讨论.因此测试采用连续运行方式，通过大量连续的测量，获得此空气源热泵不同室外环境下的运行结霜情况.测试阶段，将室内温度设定在21-23 ℃，当室外相对湿度小于70%时，每隔半小时采样一次；当室外相对湿度大于70%时，每隔10 min采样一次.

3　实验结果分析

3.1测试期室外环境

图2室外日平均温度 图3室外日平均湿度

实验期间室外日平均温度在-16 ℃～0 ℃之间波动，测试期间的平均温度为-5.93 ℃，由于2月6号下雪，7号到9号连续三天张家口地区持续低温，室外日平均温度分别为-12.22 ℃，-13.65 ℃，-11.56 ℃，在2月3号张家口达到室外最低温度-20.73 ℃.室外日平均湿度在32%-68%之间波动，测试期间的平均湿度为51.79%.张家口地区冬季空调室外设计温度为-16.2 ℃，相对湿度41%，所以这样的室外环境完全可以验证此空气源热泵实验样机在张家口地区的结霜运行情况.

3.2结霜情况

在为期一个月的测试期间内，当张家口地区室外日平均温度为-8 ℃到-4 ℃，室外相对湿度在50%左右时，室外蒸发器没有出现结霜情况；当室外相对湿度为66%左右时，室外蒸发器表面出现少量的霜雪，对样机的制热量和cop几乎没有造成影响；当室外相对湿度超过70%时，室外蒸发器表面结霜较为严重，样机运行四个小时左右室外换热器翅片布满霜雪.

3.3结霜工况热泵运行情况

图4结霜工况室外温度图5结霜工况室内温度

图6结霜工况制热量变化 图7结霜工况COP值变化

图四到图七所有的数据为2月6号结霜过程所测的数据，室外温度在-5 ℃到-2 ℃之间，室外相对湿度为70%左右.室内温度在刚开始结霜的两个小时内室外温度变化很小只有0.2 ℃的降低，在结霜三个小时后室外温度有所提高但是由于室外换热器结霜导致运行工况恶化温度下降较快，三个小时大致降低1.3 ℃，但室内温度依然能保持在22 ℃之上，能够为人们提供一个舒适的室内环境.

由图六可知，此空气源热泵在结霜开始的一段时间内制热量下降较为平缓，后期由于室外换热器盘管表面霜层的不断增加，盘管热阻不断增大，传热系数不断减小，同时随着结霜厚度的增加，换热器翅片间的空气阻力增加，降低了翅片的通风量，从而导致空气源热泵系统的制热率下降速度较快，但制热量仍然能保持在5.3 KW以上，依旧能为室内提供足够的热量.

由图七可知，在结霜开始的一个小时内，由于室外换热器翅片结霜较少，增大了翅片表面的粗糙度，使换热器的传热系数增大，系统的COP值有所提高，但随着结霜厚度的增加，换热器的热阻增大和通过翅片的空气流量减小，从而导致COP值直线下降，五个小时后降到了1.4以下.

4　结　论

在为期一个月的实验测试期间，张家口地区室外温度在-20 ℃到0 ℃之间，相对湿度在20%到90%之间，平均湿度为51.79%，室内温度为21 ℃～23 ℃，此空气源热泵系统的实验样机能够稳定运行，且能够保证大部分时间为室内提供舒适的室内环境，取得了令人满意的供暖要求.但是由于个别天气原因，室外空气湿度增加，系统出现结霜现象，当室外平均湿度为66.9%时，结霜对样机影响较小，样机仍能高效运行；当室外湿度在73%-94.9%时，样机结霜严重，严重的影响了系统的制热量和COP，使样机的耗能较为严重.

在实验测试过程中发现，此空气源热泵实验样机在除霜过程中，蒸发器上的霜层在一边融化的同时一边结成灰黑色的冰，而且在蒸发器下部有少量水滴下，张家口地区室外温度很低，将会造成蒸发器底部冰层的堆积，从而造成除霜时间延长，系统的能耗增大.因此，在以后对系统的改进时应注意对除霜过程产生的水滴做及时处理.

[1]王瑞祥.空气源热泵及其应用于寒冷地区的建筑采暖研究.家电科技，2004，2～3，P98～101

[2]李腊芳.空气源热泵结霜工况高效能运行研究[D].重庆大学，2013

[3]姚杨，姜益强，马最良.空气源热泵冷热水机组空气侧换热器结霜规律[J].哈尔滨工业大学学报，2002，34(5)

[4]姜益强.延缓空气源热泵机组结霜的研究现状与进展[J].制冷与空调(四川)，2009，23(1)

Research on Test of Heat Pump Frost with Air Source in Cold Areas

CHEN Zhong-hai,LIU Hong-bao,HONG Jing

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000,China)

Aiming at the problem of air source heat pump frosting in cold areas,a new air source heat pump was tested experimentally under frosting conditions.The results show that,with less frost,its heat capacity and COP can be improved,slow speed of frost.However,with the increasing of the frost layer,COP and the heating effect will be influenced greatly.

air source heat pump;frost;cold areas;testing

2016-02-20

陈忠海(1963-)，男，教授，从事建筑节能与新能源利用研究.

TU 83

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