導(dǎo)語(yǔ)：空氣水熱泵冬季管理論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要本文提出計(jì)算空氣-水熱泵干濕工況轉(zhuǎn)變臨界濕度和結(jié)霜臨界濕度的方法；建立了求解這兩個(gè)臨界相對(duì)濕度的風(fēng)冷熱泵模型；求解出不同的出水溫度和不同的空氣溫度下的這兩個(gè)臨界濕度值；繪制出使用空氣-水熱泵時(shí)的結(jié)霜區(qū)域和干工況區(qū)域。

關(guān)鍵詞風(fēng)冷熱泵臨界溫度結(jié)霜區(qū)域

1引言

風(fēng)冷熱泵冬季運(yùn)行時(shí)受氣象條件的影響，理論上可能出現(xiàn)干、結(jié)露和結(jié)霜三種工況，出現(xiàn)這三種工況是空氣干濕球溫度作用的結(jié)果。風(fēng)冷熱泵運(yùn)行工況判定的理論依據(jù)是室外盤管表面溫度和空氣露點(diǎn)溫度的大小關(guān)系。當(dāng)盤管表面溫度高于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，機(jī)組在干工況下運(yùn)行；當(dāng)盤管表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度但高于0℃時(shí)，機(jī)組運(yùn)行在結(jié)露工況；如果盤管表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度同時(shí)低于0℃，機(jī)組在結(jié)霜工況下運(yùn)行。

如能根據(jù)各地的資料很快判斷風(fēng)冷熱泵機(jī)組的冬季所處的運(yùn)行工況，無(wú)疑能為熱泵的正確選用提供理論指導(dǎo)。本文根據(jù)熱泵盤管與空氣的換熱過(guò)程提出了求解熱泵干濕轉(zhuǎn)換臨界濕度和結(jié)霜臨界濕度的方法；通過(guò)建立風(fēng)冷熱泵數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出風(fēng)冷熱泵在不同的出水濕度和不同的室外干球溫度下這兩個(gè)臨界濕度；根據(jù)計(jì)算結(jié)果認(rèn)識(shí)到我國(guó)各主要城市在冬季設(shè)計(jì)工況下結(jié)露工況基本上不會(huì)出現(xiàn)，從而兩個(gè)臨界相對(duì)溫度基本上是同一的；根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出冬季熱泵使用時(shí)，結(jié)霜工況和干工況在我國(guó)的地理分區(qū)。

2臨界濕度求解方法

圖1是冬季熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)，室外盤管空氣處理過(guò)程。盤管的處理過(guò)程有兩種形式，一是干工況，如過(guò)程A1-P1，另一種是除濕工況，如A2-P2所示。圖中Φ1是100%的相對(duì)濕度線。熱泵干工況運(yùn)行，應(yīng)保持壁面W的溫度大于空氣露點(diǎn)D的溫度，機(jī)組干工況運(yùn)行的極限情況是W的溫度和空氣的露點(diǎn)D溫度相等，即圖中D1和W1重合，此時(shí)處理過(guò)程為A1-P1。當(dāng)A沿著等溫線向相對(duì)濕度小的方向移動(dòng)時(shí)，盤管壁面溫度大于空氣的露點(diǎn)溫度，熱泵在干工況下運(yùn)行；而當(dāng)A沿著等溫線向濕度高的方向移動(dòng)時(shí)，盤管壁面溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度，如W2的溫度小于D2的溫度，機(jī)組將在濕工況下運(yùn)行。如果機(jī)組在W2點(diǎn)的溫度低于0℃，盤管表面將結(jié)霜。可見沿著等溫線相對(duì)溫度增高的方向移動(dòng)時(shí)，機(jī)組有可能依次進(jìn)入干工況、結(jié)霜工況和結(jié)霜工況。從上述分析也可得知，當(dāng)空氣干球溫度一定時(shí)，不能認(rèn)為濕度越高，則越容易結(jié)霜。

圖1室外盤管空氣處理過(guò)程

T--等溫線，℃；D--露點(diǎn)溫度，℃；

Φ--相對(duì)濕度，%；W--壁面溫度，℃；

A--空氣狀態(tài)點(diǎn)；P--出口空氣狀態(tài)點(diǎn)

將干濕轉(zhuǎn)變臨界濕度用Φc1表示，在圖1中Φc1=Φ3，根據(jù)上面的敘述，Φc1是干工況轉(zhuǎn)變到結(jié)霜工況的臨界濕度，從而Φc1表示的是臨界凝華濕度；機(jī)組從結(jié)霜工況轉(zhuǎn)變到結(jié)露工況的臨界相對(duì)濕度Φc2表示，此時(shí)盤管表面溫度為0℃。

從而機(jī)組的運(yùn)行工況可用下述關(guān)系描述：

Φ<Φc1，機(jī)組處于干工況；

Φc1<Φ<Φc2，機(jī)組處于凝華結(jié)霜工況；

Φ>Φc2，機(jī)組處于凝結(jié)結(jié)露工況。

對(duì)于任意干球溫度T，由于空氣中水分總是存在的，從而Φc1總是存在的；但是對(duì)于Φc2，是否存在則要視空氣溫度而定，當(dāng)空氣溫度較小或者本向就小于0℃時(shí)，那么當(dāng)機(jī)組處于濕工況時(shí)，就必定是處在結(jié)霜工況，此時(shí)結(jié)霜工況不可能出現(xiàn)，從下文計(jì)算中可以看到這一點(diǎn)?？梢妼ふ姚礳1和Φc2的關(guān)鍵就是要建立風(fēng)冷熱泵冬季運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出盤管表面溫度，并與空氣的露點(diǎn)溫度以及0℃進(jìn)行比較，從而確定這兩個(gè)臨界值的存在性和數(shù)值。由于熱泵機(jī)組在干工況和結(jié)霜工況下運(yùn)行時(shí)，都可認(rèn)為處于穩(wěn)態(tài)工況，故本文建立了風(fēng)冷熱泵的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

3空氣-水熱泵模型

描述熱泵運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型較多?？紤]到本文需要計(jì)算多個(gè)空氣溫度和多個(gè)出水溫度下機(jī)組的臨界濕度，故采用了集中參數(shù)模型對(duì)熱泵機(jī)組有壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器進(jìn)行模擬。在模型中，將冷凝器分解成過(guò)熱段、冷凝段和過(guò)冷段三個(gè)部分；將蒸發(fā)器分解成兩相區(qū)和過(guò)熱泵區(qū)，對(duì)各個(gè)區(qū)分別建立質(zhì)量能量守恒。模型詳見文獻(xiàn)[2～4]。

4計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)上述建立的數(shù)學(xué)模型，本文計(jì)算了風(fēng)冷熱泵機(jī)組在滿負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，空氣溫度在7～-25℃溫度范圍內(nèi)變動(dòng)，出水溫度選擇了25℃，30℃，40℃，45℃，50℃和55℃時(shí)機(jī)組的干濕工況轉(zhuǎn)變濕度，如圖2所示。

圖中當(dāng)出水溫度為25℃和30℃時(shí)，只計(jì)算了-25～-10℃的臨界濕度Φc1，因?yàn)楫?dāng)空氣溫度度高于此溫度限時(shí)，一般不會(huì)出現(xiàn)這樣低的出水溫度；而當(dāng)溫度處于-20～-25℃時(shí)而出水溫度為55℃時(shí)，程序無(wú)法計(jì)算，對(duì)應(yīng)的實(shí)際工況即為在低溫下，機(jī)組不能在較低的蒸發(fā)壓力和較高的冷凝壓力下運(yùn)行。

從圖2可明顯看出熱泵機(jī)組出水溫度和空氣溫度對(duì)的Φc1影響。出水溫度越高，Φc1越大，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是在相同的干球溫度下，出水溫度越高，機(jī)組的制熱量越小，從而空氣側(cè)盤管與空氣的熱交換量減少，空氣的焓降減小，從而可以在干工況下運(yùn)行?？諝鉁囟萒對(duì)Φc1的影響也是非常明顯的。從圖2可知，空氣溫度越低，Φc1反而越高。這是由濕空氣的性質(zhì)決定的。溫度越低，空氣的含濕量越小，空氣飽和曲線越陡，盤管與空氣換熱時(shí)，溫度較難降到空氣的露點(diǎn)溫度以下。當(dāng)空氣溫度小于0℃時(shí)，臨界干濕轉(zhuǎn)化溫度Φc1實(shí)際上就是臨界結(jié)霜溫度Φc2，因?yàn)榇藭r(shí)空氣的露點(diǎn)溫度肯定小于0℃。而當(dāng)空氣溫度大于0℃時(shí)，干濕臨界濕度Φc1和臨界濕度Φc2就可能不是同一條曲線.但是從程序計(jì)算過(guò)程來(lái)看,當(dāng)空氣溫度低于7℃時(shí)，只要機(jī)組處于濕工況，則機(jī)組必定運(yùn)行在結(jié)霜工況。當(dāng)空氣溫度為7℃時(shí)，相對(duì)濕度大于臨界干濕轉(zhuǎn)化溫度Φc1而小于75%的相對(duì)溫度時(shí)，機(jī)組處于結(jié)霜工況，相對(duì)濕度大于75%時(shí)，機(jī)組將處于結(jié)露工況。

圖2干濕工況轉(zhuǎn)化圖

根據(jù)我國(guó)部分主要城市冬季空調(diào)設(shè)計(jì)室外參數(shù)來(lái)看（見圖3），幾乎所有城市的設(shè)計(jì)溫度都低于7℃，所以在設(shè)計(jì)工況下熱泵機(jī)組基本上不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露工況。但是這一結(jié)論不排除某些時(shí)候氣溫較高，而相對(duì)溫度也較高時(shí)，機(jī)組出現(xiàn)結(jié)露工況的可能。

5計(jì)算結(jié)果的應(yīng)用

我國(guó)幅員遼闊，冬季許多地區(qū)氣溫較低，有采暖要求，圖3是我國(guó)部分主要城市冬季空調(diào)室外設(shè)計(jì)參數(shù)。風(fēng)冷熱泵作為一種供熱方式已經(jīng)在長(zhǎng)江流域得致函廣泛的應(yīng)用，風(fēng)冷熱泵是不是只能在這個(gè)區(qū)域使用，在我國(guó)更靠北的地區(qū)使用時(shí)，會(huì)不會(huì)結(jié)霜，能效比如何，這些都是值得關(guān)注的問(wèn)題。

本文的研究結(jié)果對(duì)這一問(wèn)題作了回答。從圖3可明顯看出，從北到南，冬季空調(diào)設(shè)計(jì)氣溫相關(guān)較大，但各地的設(shè)計(jì)干球溫度都處在7～-25℃的范圍中。從而上述計(jì)算得到的臨界濕度Φc1（即Φc2）與各地冬季設(shè)計(jì)相對(duì)濕度進(jìn)行比較時(shí)，就可判斷當(dāng)?shù)責(zé)岜迷谶\(yùn)行時(shí)否處于結(jié)霜工況。根據(jù)計(jì)算得到的Φc1和各地冬季實(shí)際濕度的關(guān)系，筆者繪出了45℃出水時(shí)，熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)的結(jié)霜區(qū)域和干工況區(qū)域分界線，如圖3示。這條分界線大致沿著拉薩-蘭州太原-石家莊-濟(jì)南。此線以北區(qū)域風(fēng)冷熱泵運(yùn)行時(shí)，不會(huì)結(jié)霜，而在此線以南，機(jī)組都存在不同程度的結(jié)霜。根據(jù)圖2的數(shù)據(jù)，還可以作出其他出水溫度下的結(jié)霜區(qū)域劃分線，當(dāng)出水溫度大于45℃時(shí)，相同干球溫度下的臨界結(jié)霜相對(duì)溫度更高，根據(jù)我國(guó)氣候特點(diǎn)，分界線應(yīng)該向南移動(dòng)；溫度小于45℃時(shí)，分界線位于45℃分界線以北。不同出水溫度下的分界線在地理上差距較小，故意圖中未一一列出。

圖3我國(guó)部分城市冬季空調(diào)設(shè)計(jì)室外參數(shù)

空氣溫度和機(jī)組的制熱量和能效比表1

空氣溫度（℃）740-5-10-15-20-25

制熱量kW203.78185.16165.05138.78112.8489.8667.4447.15

EER3.112.982.852.682.522.382.242.13

據(jù)上述冬季結(jié)霜分界線來(lái)看，此線以北由于溫濕度較低，影響熱泵冬季使用不是機(jī)組結(jié)霜的問(wèn)題，而是機(jī)組在低溫下的性能系數(shù)。而在沿線以南，機(jī)組存在結(jié)霜的問(wèn)題，這時(shí)機(jī)組的能效比和結(jié)霜程度都應(yīng)該研究。本文在計(jì)算結(jié)霜曲線的同時(shí)，得到了機(jī)組在不同臨界溫度下的能效比，表1所示為45℃出水時(shí)臨界濕度下熱泵組的能效比。從7～-25℃，機(jī)組的制熱量迅速下降，-10℃時(shí)的制熱量只有7℃時(shí)的55%，到-25℃時(shí)的制熱量只有7℃時(shí)制熱量的23%。從7～-25℃，能效比也有大幅度的降低。工況轉(zhuǎn)變分區(qū)線以北地區(qū)，雖然機(jī)組不會(huì)處在結(jié)霜工況，但是由于氣溫較低，機(jī)組的制熱量較小，能效比也不高，從而對(duì)于熱泵的使用應(yīng)該謹(jǐn)慎。

6結(jié)論有待繼續(xù)研究的問(wèn)題

1）本文提出計(jì)算熱泵干-濕工況臨界溫度的方法；

2）建立了基于該方法上的求解熱泵臨界濕度的熱泵數(shù)學(xué)模型；求解了在不同干球溫度和不同的出水溫度下的臨界溫度；

3）計(jì)算中采用的熱泵機(jī)組在我國(guó)使用時(shí)，基本上不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露工況；

4）根據(jù)計(jì)算得到的大量數(shù)據(jù)，介到我國(guó)部分主要城市冬季熱泵的運(yùn)行工況。從地理區(qū)域來(lái)看，拉薩-蘭州-太原-石家莊-濟(jì)南一一以北區(qū)域風(fēng)冷熱泵運(yùn)行時(shí)，不會(huì)結(jié)霜，而在此線以南，熱泵將在不同程度上結(jié)霜。

應(yīng)該注意到不同的空氣-水熱泵機(jī)組的物理參數(shù)存在一定的差異，這些差異對(duì)上述計(jì)算結(jié)果是有影響的，從而不同的機(jī)組上述計(jì)算結(jié)果將存在一定的偏差，只要知道熱泵機(jī)組的物理參數(shù)，同樣可以根據(jù)本文提出的方法計(jì)算出熱泵機(jī)組的運(yùn)行工況。本文計(jì)算出熱泵機(jī)組在運(yùn)行時(shí)的臨界結(jié)霜濕度，沒有分析在結(jié)霜區(qū)域的結(jié)霜程度。

參考文獻(xiàn)

1彥啟森等著，空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1985

2薛衛(wèi)華，變頻控制VRV空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行特性與能耗分析研究：[博士學(xué)位論文]。上海：同濟(jì)大學(xué)，2001

3劉東，風(fēng)冷冷水機(jī)組全性能研究：[碩士學(xué)位論文]。上海：同濟(jì)大學(xué)，1995。

4吳清前，龍惟定等，風(fēng)冷熱泵冬季運(yùn)行模擬理理論計(jì)算，上海：能源技術(shù)，2001-10

5中國(guó)地面氣候資料，國(guó)家氣象中心氣候應(yīng)用室：[內(nèi)部資料]，1961-1990。