蒸发冷却式热泵机组与风冷热泵机组制热性能对比分析

张勇，李志明，张结良，黄锐坚

（广州市华德工业有限公司，广东广州 510663）

蒸发冷却式热泵机组与风冷热泵机组制热性能对比分析

张勇*，李志明，张结良，黄锐坚

（广州市华德工业有限公司，广东广州 510663）

本文介绍了一种新的热泵技术应用形式——蒸发冷却式热泵，可以克服传统风冷热泵在结霜、融霜情况下热量的损失。试验结果表明：在低环境温度下，风冷热泵机组的平均制热量衰减较为严重；在环境温度-2℃时，风冷热泵的平均制热量只有名义制热工况热量的约53%；在环境温度低于3℃时，蒸发冷却式热泵机组提供的平均制热量高于风冷热泵的平均制热量。

蒸发式冷却式；热泵；融霜；平均制热量；峰值制热量

0 引言

风冷热泵以空气作为低位热源，具有节能性及环保性等特点，拥有大量的市场和发展前景，因此受到了广泛关注。风冷热泵系统广泛应用于我国南方、长江流域甚至黄河流域，但在使用空气源热泵冬季供暖时的运行状况始终不理想[1-2]。以南京地区采用空气源热泵作为中央空调冷热源的工程为例，运行效果差的占15%，70%的机组运行效果居中，而运行效果良好的仅占15%。其它地区（如杭州、成都、长沙等）的情况与此类似。造成这一现象的主要原因是风冷热泵的热源侧换热器在冬季运行时存在结霜问题[3-4]。当室外环境温度和相对湿度处在-5℃～5℃和65%以上时，风冷热泵室外换热器表面最易结霜。一旦风冷热泵结霜，热泵机组的性能就会大大衰减[5-6]。

蒸发冷却式空调机组以其优良的制冷性能特点，得到广泛的认可[3]；蒸发冷却式热泵作为一种新型的热泵技术应用，避免了风冷热泵结霜、融霜的问题，有其稳定、可靠、连续供热的特点，有较大的发展空间。蒸发冷却式热泵机组的特点以及与风冷热泵的性能差异，尚未被广泛认知。本文通过蒸发冷却式热泵机组与风冷热泵机组制热性能对比，分析蒸发冷却式热泵机组的优势和存在的意义，以便引起更广泛关注和技术研究。

1 风冷热泵和蒸发冷却式热泵机组运行机理

1） 风冷热泵运行机理

风冷热泵在低温环境运行时，室外换热器壁面存在结霜现象。霜层的生长导致了机组供热性能的下降。为保证空气源热泵机组的高效运行，需要周期性除霜。目前，逆循环除霜是应用最广泛的除霜方法之一[7-8]。

2） 蒸发冷却式热泵机理

蒸发冷却式热泵机组在运行制热工况时，也属于一种空气源热泵，是以原蒸发式冷凝器作为热源端，使用端换热器为使用提供热水，通过改变制冷剂流向来实现制热功能（如图1）。

图1 蒸发冷却式热泵机组系统原理图

在制热模式下，使用端换热器的工作原理同传统风冷热泵的工作原理，在热源端换热器（蒸发式冷凝器）通过外表面的水与内侧的制冷剂换热，将蒸发式冷凝器的循环水的热量传递给内侧的制冷剂，外侧通过循环水与空气换热，将空气的热量传递给循环水，包括空气中部分凝结水的热量传递给循环水。

蒸发式冷凝器，在制冷工况下，由于水的蒸发导致整体的换热器系数较高，在制热工况下，可换热面积偏少，因此，必须要使用循环水进行扩大换热面积，一般还会在蒸发式冷凝器侧增加填料，扩大循环水与空气的换热面积，强化换热。在制热模式下，如果作为热源侧的蒸发式冷凝器不运行循环水（也就是不喷水），空气直接与蒸发式冷凝器的制冷剂管道或管板换热，由于空气的换热系数较低，会致使换热性能非常差，机组无法正常运行；在蒸发式冷凝器外表侧喷水后，由于循环水与蒸发式冷凝器的制冷剂管道或管板换热的换热系数较高，可以在当前换热面积下循环水释放热量给蒸发式冷凝器内侧的制冷剂，再通过扩充换热面积的填料，使空气与循环水有足够的热交换面积，从而使得循环水从空气中吸收足够的热量。

在低环境温度下，如果水位进一步降低，达到水的冰点，会致使水结冰，使得蒸发式冷凝热泵无法正常运行，因此，需要在蒸发式冷凝器的循环水中添加防冻剂，这样才能使机组正常稳定运行（由于防冻剂的稀释而产生的防冻剂再生问题不在本文讨论范围内）。添加防冻剂后，机组可以不需要融霜，一直稳定、持续给使用者提供热源。

2 热泵运行性能分析

无论是风冷热泵机组还是蒸发冷却式热泵机组，都是从空气中吸收热量，通过逆卡诺循环，把热量传递给使用侧。空气中的热能又分为显热和潜热，风冷热泵机组和蒸发冷却式热泵机组在吸收空气的显热方面是一致的，但对潜热的处理存在差异。

由于风冷热泵机组热源侧换热器处于低温高湿工况下运行，当翅片表面温度低于空气露点温度时，换热器表面便会有凝结水产生，当翅片表面温度继续降至低于0 ℃时，凝结水便会形成霜晶体，覆盖在翅片及铜管周围。随着机组运行时间的延长，换热器翅片及铜管表面的霜层迅速生长，进一步恶化换热性能[5-6,9]。随着风冷翅片表面霜层增加，影响性能，风冷热泵机组必须要进行融霜。在风冷热泵机组融霜时，目标是将风冷翅片表面固态形式霜层变成液态的水流走，实际过程中，为了彻底融霜和排水（避免出现再次制热时形成严重的冰团）往往会有部分水分变成气态水分飘走，而且这些液态水和气态水大多是高温形式流走和飘走。因此风冷热泵吸收空气中的潜热部分很少[10-11]（如图2所示）。

图2 风冷热泵吸收潜热情况

在低环境温度下，蒸发冷却式热泵吸收空气中的潜热后，空气中水分冷凝混合在蒸发式冷凝器外侧的循环水内。由于蒸发式冷凝器外侧循环水内添加了防冻剂后，不需要融霜。这样蒸发冷却时热泵可以吸收空气中大部分的潜热。

机组在运行热泵工况时，一般会有如下几个因素导致制热性能衰减：

1） 环境温度下降引起压缩机性能衰减影响；

2） 融霜时间影响；

3） 融霜热量影响。

2.1 环境温度下降压缩机性能衰减影响

在环境温度下降时，热源侧的蒸发温度会下降，根据压缩机的性能特性，在热源测吸收的热量也会下降，导致机组为使用侧提供的制热量也会下降（影响关系见图3）。该性能衰减的影响，是换热器和压缩机的基本特性，因此，风冷热泵和蒸发冷却式热泵的影响是一致的。

图3 峰值制热量与环境温度的关系

2.2 融霜时间影响

在低环境温度下，风冷热泵机组运行一段时间制热，热源测翅片结霜后，需要进行融霜，在一个周期内，风冷热泵在融霜时间内无法为使用侧提供热量，因此，存在融霜时间影响（影响关系见图4）。而对于蒸发式冷却式热泵机组不存在该影响。

定义融霜时间比例：

式中：

t1——一个周期内融霜时间；

t2——一个周期内正常制热时间

根据风冷热泵在不同环境温度下测试数据分析，其融霜融霜比例η与环境温度的影响如图4。

图4 融霜损失时间与环境温度的关系

2.3 融霜热量影响

在国标标准制热工况（环境温度干湿球7/6 ℃）下，一般风冷热泵机组热源侧的翅片换热器不结霜，在低于7 ℃环境温度下会逐渐开始结霜。在结霜初期，由于换热面积加大以及结霜相变的原因，换热性能略微提高，达到峰值制热量，很快随着霜层厚度增加，换热热阻迅速增加，换热性能迅速恶化[11-13]。一般在结霜后性能恶化至一定程度后，风冷热泵机组开始融霜。融霜过程需要吸热，在整个制热、融霜运行周期内，其平均制热量远小于制热量峰值，一般风冷热泵机组仅标称制热量峰值，而使用者更关心整个周期内能提供平均制热量。随着环境温度的下降，风冷制热周期内的平均制热量与峰值制热量比值会所下降。

图5为某风冷热泵在0 ℃环境温度下制热周期内的热量关系，经过核算，其制热周期内的平均制热量只有峰值制热量的72%。由于蒸发冷却式热泵机组在制热运行时，一直处于稳定工况（不需要进行融霜），为用户提供稳定的热量，因此，蒸发冷却式热泵机组的平均制热量就是其峰值制热量。

图5 某风冷热泵在0 ℃环境温度下制热周期内的热量关系

3 差异对比

由于上述分析制热性能影响因素，风冷热泵与蒸发冷却时热泵在不同环境温度下的性能对比如图6。

1） 由于蒸发冷却式热泵机组制冷方面的优势以及在制热方面换热面积、风量的劣势，在标准制热工况，蒸发冷却式热泵机组制热量会低于风冷热泵的制热量。

图6 风冷热泵与蒸发冷却时热泵在不同环境温度下的性能对比

2） 随着环境温度降低，风冷热泵和蒸发冷却式热泵机组的峰值制热量会逐渐降低，当环境温度在5℃下，达到标准制热工况的峰值制热量的约70%（蒸发冷却式热泵机组的峰值制热量与平均制热量相同）。

3） 由于风冷热泵机组制热性能受到文中提及的环境温度的影响，其平均制热量会随着环境温度的降低而更大幅度的降低。

4） 蒸发冷却式热泵在标准制热工况下的劣势，随着环境温度下降，在环境温度约3℃时，蒸发冷却式热泵提供的平均制热量与风冷热泵提供的平均制热量相同；随着环境的进一步降低，蒸发冷却式热泵提供的平均制热量优于风冷热泵提供的平均制热量。

4 结论

本文通过分析风冷热泵和蒸发冷却式热泵机组在制热运行的特点分析，主要结论如下。

1） 由于风冷热泵机组的平均制热量与一般标称的峰值制热量存在较大差异，而用户获得的热量体现在总制热量，即与平均制热量相关，因此，在用户选择热泵机组时，应以热泵机组提供的平均制热量值为热量的选型指标。

2） 由于风冷热泵和蒸发冷却式热泵机组的制热量会随着环境温度的下降而降低，因此，空调热泵机组设计选型时，应考虑实际考核环境温度下热泵机组的修正性能进行选配热泵机组，而不是名义制热工况。

3） 风冷热泵机组在一个制热、融霜周期内，吸收热源侧空气的潜热较少，而蒸发冷却式热泵机组几乎能吸收所有的空气中潜热。

4） 风冷热泵机组性能受到环境温度下降压缩机性能衰减、融霜时间和融霜热量影响，在低环境温度下，性能衰减较为严重；在环境温度-2℃时，风冷热泵的平均制热量只有名义制热工况制热量的约53%。

5） 在环境温度低于3℃时，蒸发冷却式热泵机组提供的平均制热量高于风冷热泵的平均制热量，因此，在华东、华北等地区，考核温度低于3℃时，蒸发冷却式热泵机组的装机容量可以小于风冷热泵的装机容量。

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Comparison and Analysis on Heating Performance of Evaporative Cooling Heat Pump Unit and Air Cooled Heat Pump Unit

ZHANG Yong*, LI Zhi-ming, ZHANG Jie-liang, HUANG Rui-jian
(Guangzhou Wide Industrial Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510663, China)

A new application of heat pump technology, evaporative cooling heat pump, was proposed in order to overcome the drawback of the heat losses of conventional air cooled heat pump units during frosting and defrosting. The experimental results show that the average heating capacities of air cooled heat pump unit decrease seriously at low ambient temperatures. At –2 ℃ ambient temperature, the average heating capacity is 53% of the nominal heating capacity. At ambient temperatures lower than 3 ℃, the average heating capacity of the evaporative cooling heat pump unit is higher than that of the air cooled heat pump unit.

Evaporative cooling; Heat pump; Defrost; Average heating capacity; Peak heating capacity

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.02.104

*张勇（1982-），男，硕士。研究方向：蒸发式冷凝技术及其应用。联系地址：广东省广州市萝岗区科学城南翔三路9号，邮编：510663。联系电话：18928738708。E-mail：zhangload@126.com。