【HETA】室外换热器迎面风速对空气源热泵结霜特性的影响

2016年，北方“煤改电”空气能热泵熬过了第一个冬天，虽说距离2017年供暖季还有好几个月，但北方大规模的“煤改电”，我们更需要提前来关注空气能热泵冬季供暖情况。

我们都知道，空气源热泵在冬季运行时在室外换热器表面会产生结霜现象，导致其性能下降，严重时会导致热泵不能正常工作。本篇内容我们就来研究室外换热器结霜规律，室外换热器迎面风速对空气源热泵结霜特性的影响。

一：国内外研究现状及本文研究方法

在诸多影响空气源热泵结霜特性的因素中，室外换热器迎面风速是重要的参数之一，国内外的研究者对此进行了大量的研究，但结论并不一致，甚至趋势是相反的：

有的研究者实验结果表明，空气流量越大，其表面结霜越严重；

但另外又有学者得出的结论与上述作者却是完全相反的，即通过换热器流量越小，其表面结霜越严重。

究其原因，是上述研究者大多把换热器作为一个孤立的部件进行研究，即不考虑结霜后热泵系统参数，如蒸发∕冷凝压力的变化及风机工作点的偏移，或只考虑其中一个因素的影响。

因此，本文在考虑了室外换热器的结霜过程与空气源热泵系统的循环参数及风机流量之间的相互影响，对无霜工况下室外换热器迎面风速为1.6 m/s 的空气源热泵样机进行了系列实验研究。

二：实验装置及实验样机

实验在焓差法空调器性能实验台上进行，热泵系统及环境室如图1所示。室外换热器风量由均匀布置在其进口的风速传感器测量，结霜量采用分别布置在室外换热器进口及出口的温度／相对湿度传感器测量、计算。采用显微照相法测量翅片表面霜层厚度，显微镜放大倍数为90倍。空气源热泵样机额定制冷量为12.1kW，使用R22制冷剂及平翅片管换热器。采用减小热泵系统室外机组出风面积的方法，以改变室外换热器迎面风速。

室外环境实验工况选取在严重结霜温区，即环境温度分别为0℃、3℃，而相对湿度则分别为65%、 75%和85%，共对6个室外环境工况进行了变更迎面风速实验；对每一个室外环境工况，无霜情况下的室外换热器迎面风速分别取为1.6 m/s、1.3 m/s 和1.1 m/s。

三：实验结果及分析

1、霜层厚度比较 

实验发现，迎面风速对室外环境温度为0℃和3℃的两组工况下结霜性能的影响趋势是相同的，因此选择其中的一组实验数据进行比较。

图2 给出了在室外环境温度为0℃、相对湿度为75%工况下换热器迎面风速分别为1.6m/s、1.3 m/s 和1.1 m/s 时的霜层厚度动态增长曲线。

从图2 可以看出，随着室外换热器迎面风速的减小，翅片表面霜层厚度的增长速度加快，对于迎面风速为1.1 m/s 的工况，在霜层厚度曲线上减速生长段已经不太明显。霜层厚度增长速度的加快减小了结霜循环周期。

图3 给出了在室外环境温度为0℃、相对湿度分别为65%、75%和85%时不同室外换热器迎面风速工况下翅片表面霜层厚度达到0.8 mm 时所需的结霜时间，用以表示整个结霜过程中的平均霜层厚度增长速度。

选择霜层厚度为0.8mm 来作为比较的标准是基于以下的考虑：当霜层厚度大于0.8mm 以后，两翅片间霜晶在局部开始出现交错现象，而且在结霜循环后期霜层厚度增长非常快，因此造成总结霜时间的测量可能出现误差。选择霜层厚度为0.8mm 时的结霜时间作为基准进行比较避免了这种误差，同时，保证了不同工况条件下的霜层均处于加速生长段，其反映的是霜层厚度增长的平均速度。

图3 的实验结果表明，在某一室外环境工况条件下翅片表面结满霜所需的时间随换热器迎面风速的降低近乎呈线性地减小，也就是说在整个结霜过程中平均霜层增长速度随迎面风速的降低而呈线性增大趋势。

之前有学者的研究结果表明，空气源热泵机组在结霜工况下的平均COP 与结霜循环周期的大小近似成线性关系，因此，迎面风速的减小所引起结霜周期缩短，这对空气源热泵机组在结霜工况下的性能是非常不利的。

同时，从图中还可以看出，对于相对湿度为65%的低湿度工况，结霜时间随换热器迎面风速的减小而下降的速度比其他两个高湿度工况更快，而且相对湿度越低，结霜周期下降的速度越快。也就是说，在低湿度工况条件下迎面风速对霜层生长速度及空气源热泵机组在结霜工况下的平均COP 的影响更大。

2、结霜量比较  

图4 给出了在室外环境温度为0℃、相对湿度为75%工况下换热器迎面风速分别为1.6m/s、1.3 m/s 和1.1 m/s 时的换热器结霜量动态增长曲线，其斜率表示结霜量增长速度。

从图中可以看出，对于各个工况，结霜量随结霜时间近乎线性增长，迎面风速对结霜量的影响与对霜层厚度的影响不同，随着迎面风速的降低结霜量随之减小，但迎面风速低于1.3 m/s 后结霜量增长速度有回升的趋势。

由于结霜量是结霜过程中的累积量，而对于固定的结霜时间，不同工况条件下结霜过程可能处于不同的阶段，不同工况条件下某一时刻的结霜量比较存在明显的不足。因此，仍然采用霜层厚度达到0.8 mm 时的总结霜量进行比较，图5 给出了在室外环境温度为0℃、相对湿度分别为65%、75%和85%时不同室外换热器迎面风速工况下翅片表面霜层厚度达到0.8 mm 时换热器的总结霜量。

如图5 所示，对某一规定的室外环境工况，，随着换热器迎面风速的降低，其总结霜量呈减小的趋势，而且对于所有工况，在1.6 ~1.3 m/s 范围内总结霜量随迎面风速的减小迅速下降，而当迎面风速低于1.3 m/s 后总结霜量的下降速度大大降低。虽然总结霜量的减少对缩短除霜时间及除霜耗功是有利的，但影响空气源热泵机组在结霜工况下平均COP 的主导因素为结霜周期的大小，因此，总的说来减小迎面风速对结霜工况下空气源热泵机组的性能是不利的。

霜层厚度和结霜量的变化趋势在物理意义上是十分明显的：迎面风速的减小恶化了室外换热器的传热条件，造成空气源热泵系统蒸发压力的降低。

如图6 所示，室外换热器壁面温度相应降低，这使得湿空气中水蒸汽分压力与对应于壁面温度的饱和水蒸汽分压力之差增大，因此其表面霜层厚度增长速度加快；

但由于通过换热器的空气流量的降低（图7），换热器表面的结霜量增长速度呈下降趋势。当壁面温度低于某一数值时，湿空气中凝华水蒸汽传质驱动力的增加占据了主导地位，结霜量增长速度开始呈现回升的趋势。

3、霜晶形态  

霜层增长速度的改变本质上是由于霜晶形态的变化引起的，图8 给出了初始迎面风速为1.1 m/s、室外环境温度为0℃、相对湿度为75%工况下结霜过程中不同时刻的霜层照片，初始迎面风速为1.3 m/s 的工况与其类似。

从图中可以看到，在低迎面风速条件下，由于壁面温度的降低（图6），结霜初始阶段翅片表面生成的薄冰层并不明显，结霜开始后很快形成柱状冰晶，并且始终在高度方向快速生长，柱状冰晶直径较小，这与1.6 m/s 的相应工况下翅片表面霜晶的生长模式有所区别，而与低温工况（环境温度≤-8℃）下翅片表面霜晶的生长模式相似。因此可以说，低迎面风速条件下霜层厚度增长速度提高，其原因是壁面温度降低引起的翅片表面柱状霜晶在高度方向的快速生长模式造成的。

将图8中的霜层照片与迎面风速为1.6 m/s工况下的照片比较可以发现，低迎面风速工况下翅片表面霜层比较疏松，这与图5所示的结霜量变化规律是一致的，低密度霜层的形成对除霜过程是有利的。

如前所述，关于空气流速（或流量）对换热器表面结霜的影响，国内外的研究者得出的结论并不一致，甚至趋势是相反的。这可能是这些研究者均是针对换热器进行的，他们比较迎面风速对结霜过程的影响是基于在结霜过程中壁面温度不变或换热器管内换热条件不变；而本文以上对不同迎面风速条件下换热器表面结霜过程的比较，是对于实际热泵系统中的蒸发器进行的，结霜过程中系统参数、霜层参数及风机工作点之间的相互影响已体现在上述实验结果中。

四：结论

本文对不同迎面风速条件下热泵系统中的蒸发器表面结霜过程进行了系列实验研究，得到如下结论：

1、空气源热泵机组室外换热器表面霜层厚度增长速度随迎面风速的降低而加快，结霜周期随迎面风速近乎呈线性地减小，而且在低湿度工况条件下迎面风速对霜层生长速度的影响更大，相对湿度越低，结霜周期下降的速度越快。迎面风速的减小所引起的结霜周期缩短，对空气源热泵机组在结霜工况下的性能是非常不利的。

2、对于所有实验工况，在迎面风速为1.6 ~1.3 m/s范围内总结霜量随迎面风速的减小迅速下降，霜层平均密度降低。而当迎面风速低于1.3 m/s后总结霜量的下降速度大大降低。

3、对霜晶形态的显微观察发现，由于迎面风速的减小造成空气源热泵蒸发器壁面温度降低，结霜开始后翅片表面很快形成柱状冰晶，并且始终在高度方向快速生长，其形态类似于低温工况下翅片表面霜晶的生长模式。

4、总的来说，室外换热器低迎面风速对结霜工况下空气源热泵机组的平均性能十分不利，设计者应尽量提高室外换热器迎面风速，以降低霜层增长速度，改善热泵性能。