低温条件下的空气源热水器防霜性能实测分析

黄海 黄如

【摘 要】空气源热水器在低温环境下不能稳定运行是比较常见的，主要是因为空气源热泵热水器的除霜性能不佳，但随着科学技术的不断发展，这一难题正逐渐得到攻克。文章介绍了新型的具有防霜作用的低温空气源热水器，并意实测对低温条件下的空气源热水器防霜性能进行了测试，最后对结果进行了分析。

【关键词】空气源热水器；防霜性能；实验测试；结果分析

【中图分类号】 TM925.32【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158（2013）07-0009-02

空气源热水器产品在中国推出以来，已有一段时间，并被一部分消费者所认识。普通的空气源热水系统已经在我国多数地区得到较好的应用。但是在冬季空气湿度比较大的湿冷地区，随着室外空气温度的降低，制冷剂吸气比容增大、机组吸气量减小、制热量下降，而此时恰是末端用户需热量最大的时候，机组供热能力无法满足末端用户的供热需求。针对空气源热泵热水器在低温环境下的适用性问题，系列研究工作相继展开。近年来，随着研究的不断深入，具有防霜作用的低温空气源热水器相继出现，那么该技术在低温条件的运行效果如何，其防霜性能是否能达到要求，就成为了业界人士十分关心的问题。

1 防霜低温空气源热泵系统概述

图1给出了防霜低温空气源热泵系统流程图，根据不同室外气象条件，通过电磁阀切换，该系统可以实现空气源热泵防霜循环、低温循环、除霜循环和制冷循环等不同运行模式。各种运行模式如下：

（1）防霜循环：1→2→3→VO1→4→ED3→5→EX2→6→2→4→1，ED2关闭，ED3打开，ED1关闭；

（2）低温循环：1→2→3→VO1→4→ED2→EX2→6→2→4→1，ED3关闭，ED2打开，ED1打开；4→ED1→7→1（喷气增焓循环）

（3）除霜/制冷循环：1→2→6→VO3→5→ED3→4→EX1→3→2→1，ED1关闭，ED2关闭，ED3打开。

1-压缩机；2-四通换向阀；3-室内换热器；4-双向储液器；5-防霜盘管；6-室外换热器；

7-闪蒸器；EX1、EX2-节流阀；VO1、VO2-单向阀；ED1～ED3-电磁阀

该防霜低温空气源热泵新流程具有如下特点：

（1）全年高效运行，区域适应性强。通过喷气增焓技术，可确保机组在较低室外空气温度下正常运行，解决空气源热泵低温下排气温度高、制热量不足的问题。

（2）采用防霜盘管，预热室外空气从而延缓结霜，提高机组运行效率和可靠性。

（3）采用双向储液器，从而使储液器和气液分离器合二为一，不仅简化了系统流程，而且能够实现节流前过冷、吸气过热，进一步提高机组的效率，保证机组的安全运行。

2 实验测试及结果分析

依据系统流程，研制了一台型号为RF14WG的分体式防霜低温热泵样机，额定制热量为14kW。样机选配了一台具有喷气功能的5HP涡旋压缩机，毛细管长度为1.25m，制冷剂为R22。冷凝器单流程长度为0.83m，分7路，12流程，3排布置，风量2800m3/h。蒸发器单流程长度为1.285m，分6路，12流程，2排布置，风量为7600m3/h。通过实验测试，对防霜低温空气源热泵样机在低温环境下的运行特性以及结霜工况下机组的防霜特性进行了相关的实验研究。

2.1 低温环境喷气增焓运行模式实验结果分析

在低温环境运行时，根据阀门的切换实现三种不同的喷气增焓运行模式：

（1）模式1：阀门ED1开，ED2开，ED3关。

（2）模式2：阀门ED1关，ED2开，ED3关，即传统空气源热泵运行模式。

（3）模式3：阀门ED1开，ED2关，ED3关。

当室外环境温度为-15℃，室内环境温度为20℃时，三种模式下，压缩机吸排气压力对比分析。通过对比可以发现，前两种模式的压缩机吸排气压力基本相当，分别为1.1MPa和0.15MPa。而当采用第三种制热运行模式时，由于闪蒸器前毛细管和之后的节流阀的双重作用，导致系统的吸气压力降低比较明显，较前两种模式，降低了40%，这大大降低了空气源热泵系统的可靠性，因此，在防霜低温热泵机组中，模式1的喷气增焓运行方案比较理想，可保证系统运行的可靠性。

当室外环境温度为-15℃，室内环境温度为20℃时，三种运行模式下，压缩机吸排气温度对比分析。从中可以看出，采用传统的热泵运行模式时，压缩机的排气温度最高，而采用了喷气增焓运行模式时，无论采用模式1还是模式3，系统的排气温度均有所下降，下降幅度分别为13.2%和6.5%，由此可见，采用喷气增焓对于降低压缩机的排气温度效果比较明显。

当室外环境温度为-15℃，室内环境温度为20℃时，三种运行模式下，系统性能系数的对比分析。从中可以看出，传统的热泵运行模式时，系统的性能系数仅为1.42，而采用了喷气增焓运行模式，模式1的系统性能系数约为2.03，而采用模式3非但没有增高反而降低，这是由于系统过度节流导致吸气压力偏低，进而使得系统性能系数降低。

通过对上述三种喷气增焓运行模式的研究发现，采用模式1，系统无论从可靠性、还是降低压缩机排气温度和提高COP方面，相比传统的热泵运行模式，均具有明显的优势。

2.2 防霜运行模式实验结果分析

在防霜运行模式下，来自室内机的制冷剂首先经过防霜盘管，然后再进入室外机蒸发器进行节流。由此可以看出，通过将部分供热量来加热经过室外机的室外低温空气，来达到减少或者延缓结霜的目的。在本次实验中，对室内机的风量进行调节，分别保证其最大额定风量的100%、75%和50%，调节室内和经过防霜盘管的热量，达到延缓结霜的目的。

图2和图3分别为当室外环境温度为2℃，室内环境温度为20℃时，室内机风量分别为50%、75%和100%额定风量时，防霜运行时压缩机吸排气压力和室外机上位于不同位置的三个温度测点的温度随着室内机风量的变化。由图2可知，随着室内机风量的减少，由于散失到室内的热量减少，系统的冷凝压力增幅较大，由1.2MPa升至1.45MPa，而蒸发压力虽然也有所升高，但升高幅度较小。因此，从其冷凝压力和蒸发压力，并没有看出具有明显的防霜效果显现。但是，从图3可以看出，比较其蒸发器表面温度可以发现，随着室内机风量的减少，由于散失到室内的热量减少，系统的蒸发器的表面温度具有一定的温升，如当风量分别有100%降低至50%时，A测点的温度由-3.8℃升高至-0.6℃，B测点的温度由-10.8℃升高至-5.6℃，C测点的温度由-7.6℃升高至-5.4℃，蒸发器表面温度升幅普遍较大。因此，通过降低室内机风量，利用防霜盘管可以有效地提高蒸发器表面壁温，进而可以有效的达到延缓结霜的目的。然而，需要指出的是，延缓室外结霜提高系统的可靠性是通过减少房间供热量为代价的，需要平衡两者之间的关系，进行优化两者之间的能量分配。

3 结束语

研究结果表明，在环境温度为-15℃时，模式1的喷气增焓运行方案，无论是从系统的可靠性、降低压缩机排气温度还是提高COP各方面，均是最优的运行模式，也是一种能够保证低温工况下空气源热泵系统高效运行的有效措施。同时，采用防霜盘管能有效缓解结霜，但是，需要平衡供热量和防霜热量之间的关系，使之达到一个合理的能量分配比例，以实现可靠性和性能的双重保障。

参考文献

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[2] 陈政文；胡文举；倪龙；江辉民.闪发式低温空气源热泵的试验研究[J].低温建筑技术，2012年第1期