结霜工况下部分负荷运行时风冷热泵机组特性的研究分析

摘要：本文对风冷热泵在结霜工况下的运行性能进行理论研究，建立了热泵空调器制冷系统稳态分布参数模型和结霜过程分布参数模型，编制了适于计算机上运行的matlab模拟程序。模型中换热器模型采用按制冷剂流态分布计算模型；节流机构模型采用电子膨胀阀模型；压缩机模型采用涡旋式压缩机拟合性能曲线；在系统动态模型建立过程中把结霜过程视为准稳态过程，考虑了室外换热器结霜引起风机流量下降及结霜过程中与制冷循环参数的相互影响。此外，以压缩机的台数为调节参数，改变机组输出，研究了热泵空调器部分负荷时结霜工况下机组的性能，并对比了一种优化方案与常规方案结霜工况的性能。通过对结霜工况下机组满负荷和部分负荷时性能的数值模拟，为热泵空调器的除霜研究和系统的优化设计奠定了基础。

关键词： 热泵，结霜，部分负荷，性能

Abstract: in this paper, the air cooled heat pump under frosting conditions on the performance of the theory study to establish the heat pump air conditioner refrigeration system steady distributed parameter model and frost process of distributed parameter model, compiled the suitable for computer running on matlab simulation program. The heat exchanger model on the refrigerant flow model of normal distribution calculation model. The throttle body model using electronic expansion valves model; The scroll compressor model type compressor performance curve fitting; In the process of system dynamic model is established in the frost process as the flight quasi-steady state process, considering the outdoor heat exchanger frost cause fan flow down and frost process and refrigeration cycle parameters influence each other. In addition, with the compressor sets for adjustable parameters, change the unit output, the heat pump air conditioner in partial load under frosting performance of the unit, and compared with conventional an optimum solution scheme of frosting performance. Through to the under frosting unit full load and load of the performance of numerical simulation for heat pump air conditioner defrost research and the optimization of system design to lay the foundation.

Keywords: heat pump, frost, part load, performance

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

1 前言

风冷热泵冷热水机组可以冬夏两用，提高了机组的全年使用率；夏季制冷时采用风冷，省去了水冷冷水机组所需的冷却塔及冷却水系统；冬季制热时，制热效率远高于电加热。对于我国原先冬季不采暖的地区，如长江流域，采用热泵比直接使用电加热器有明显的节能意义[1]。

大型集中空调的热泵机组在部分负荷运行时，一般采用多台分级调节的控制方案（例如美国某公司及其上海分公司完成的上千个大型集中空调项目中，有86%的项目采用了两台或两台以上的热泵机组组合运行方案），受传统调节控制模式的制约，制冷系统配件(如热力膨胀阀)存在缺陷，机组运行的安全要求(回油)不到满足等等。因此为了使机组具备调节能力，常常由多台压缩机组成一台机组，每个压缩机构成一个相对独立的制冷回路，运行时保持机组的冷凝压力恒定(或在一个较小的范围内变化,根据负荷情况启停压缩机，启动后的压缩机都满负荷运行。这种多台分级调节方法虽然能满足部分负荷的使用要求，但冷量的调节不是连续的，而且还造成了部分机组闲置，设备的潜能不能得到充分发挥。众所周知，机组实际运行性能系数COP是由机组内部(制冷循环、压缩机效率、传热效果等)因素和外部条件共同影响的，而通常冬季部分负荷运行时，外部条件较满负荷时优越,环境温度相对较高。在不考虑传热性能变化影响的情况下，可充分利用环境温度的升高来增加蒸发温度温度、缩小压缩机的高低压力差以改善系统性能系数。本文提出一种新的优化运行方案，该方案从制冷系统入手，利用已有设备,通过增大实际运行机组的传热面积来提高热泵机组部分负荷运行时的COP值以实现节能，且可以实现能量的连续调节。

2 空气源热泵空调器系统结霜数学模型

2.1压缩机模型、冷凝器模型、电子膨胀阀模型

压缩机模型、冷凝器模型、电子膨胀阀模型详见[2].

2.2 蒸发器结霜模型

在结霜模型的建立中做了如下假设：

(1) 制冷剂在管路中作一维轴向流动；

(2) 只考虑制冷剂与管壁之间，管壁与空气之间的径向热量交换，不计轴向的热传递；

(3) 管壁的导热热容忽略不计；

(4) 在两相区制冷剂气体与液体均匀混合；

(5) 忽略不凝性气体，制冷剂侧液膜及空气侧灰尘对传热的影响；

(6) 假设霜层厚度在整个微元段上均匀

(7) 翅片顶部绝热；

(8) 不考当霜层表面温度大于0℃时霜层融化及温度降低后又重新结霜的复杂过程；

2.2.1 蒸发器模型空气侧控制方程

没有结霜现象时，空气侧的控制方程为：

（2.1）

式中：

——空气定压比热,

——水蒸气汽化潜热,

——空气质量流量,

——空气侧换热系数,

——析湿系数

——每米管长翅片表面积,

——空气温度，

——翅片表面温度，

——空气湿度,

——翅片效率

结霜后，霜层在翅片表面沉积,增加了换热热阻,空气侧的换热方程变为：（2.2）

式中：——霜层表面的换热系数，

结霜后空气与管壁之间的总换热系数

（2.3）

式中：

——空气侧换热系数,

——每米管长结霜的翅片的外表面积,

——霜的厚度，

——霜层的导热系数，

2.2.2 霜层参数的计算

2.2.2.1. 霜的密度与导热系数

霜的密度与导热系数采用Hosuda和Uznhashi[3]的经验公式，公式中将霜的特性与外界空气的参数连系起来：

（2.4）

式中：

——霜层密度,

——肋片表面温度,

——空气比容,

（2.5）

2.2.2.2.霜的厚度

在时间 内增加的霜层的厚度： （2.6）

2.2.2.3. 翅片效率

翅片表面结霜时，由于霜的绝热效应，使其表面温度趋于一致，翅片效率有所提高。本文采用Sanders[4](1974)的结霜工况下的翅片效率模型：

（2.7）

式中：

：结霜量；

：当量肋高

：常数,是拟合直线关系式 的斜率，由湿空气物性插值求出。

2.2.2.4.结霜后蒸发器进口风速的变化

换热器翅片表面结霜后其空气阻力增加，进而影风机的工作特性。

a. 空气流动阻力

在结霜工况下工作的蒸发器，由于霜层的阻塞使得空气的流通面积减小，雷诺数增大及通道表面粗造度增大引起摩擦因子改变等原因，空气侧压降比干工况下空气侧的压降大得多。这种压降的增加使得风机流量减小，这对蒸发器换热是极其不利的。

本文采用Hosada及Uzahashi给出的结霜工况下阻力经验公式[5]。 （2.8）

b. 风机的流量与空气流动阻力之间的关系

风机的性能曲线如图2.1所示

图2.1 风机的性能曲线

将上面曲线拟合成 和 的关系,表达式为：

（2.9）

根据公式(2.8)计算出空气流经换热器的过程中产生的压降 ，将其作为风机性能曲线(图2.1)中工作点的纵坐标之值，从而确定风机的工作点，其所对应的横坐标之值为风机的流量。

3．模型求解：

以 、 为判据，以 、 为独立的输入参数，以压缩机的开机台数为调节够段，运用显式差分格式对结霜数学模型进行离散并用matlab编制程序迭代求解。

模拟结果如下：

3.1.1 结霜量随运行时间的变化

3.1.3 2蒸发器结霜厚度随运行时间的变化

3.1.3 蒸发器制热量随运行时间的变化

3.1.4 COP随运行时间的变化

4．结论：

（1）图4.3和图4.4反映了霜在换热器表面的沉积厚度和沉积量跟时间基本上成比例增加。开始时，霜厚度的增长速度相对小于在结霜一段时间后增长速度，这是由于系统蒸发压力下降所致。

（2）图4.5、4.6反映了霜的沉积在很长的一段的时间内对系统的影响不大，只有当霜的沉积到达一定厚度时才会对系统的性能产生较大影响。

(3) 随着结霜过程的延续，热流密度和COP是逐渐减小的，而且其变化率是递增的，这也就说明存在一个比较合理的时间除霜可以使系统更好的运行。

参考文献

[1] 黄虎等.中央空调系统的节能与能源合理利用.节能，1998，NO.8, pp18～20

[2] 王芬芬.结霜工况下风冷热泵机组运行特性的研究.同济大学硕士论文，2008

[3] Kondepudi S.N .The effects of frost growth on extended surface heat exchanger Performance. A review. ASHRAE Trans, 1987, Vol.93

[4] Sanders C.The Influence of Frost Formation and Defrosting on the Performance of Air Coolers.[ph.D.Dissertation].Delft,Netherlands,Technische Hogeschool,1974.

[5] 郭宪民,游立新,沈增友.结霜工况下直接蒸发式空气冷却器的计算机辅助设计.流体工程，1993 , V61.2 1, No.1

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。