颗粒物污染室外换热器对家用空调系统性能影响研究

施骏业 陈晓宁 陆冰清 蔡博伟 徐博 陈江平（上海交通大学制冷及低温工程研究所 上海 200240）

颗粒物污染室外换热器对家用空调系统性能影响研究

施骏业 陈晓宁 陆冰清 蔡博伟 徐博 陈江平
（上海交通大学制冷及低温工程研究所 上海 200240）

分别配置了采用传统铜管铝翅片换热器与采用全铝微通道换热器的1.5匹分体式家用空调，将其置于相同的大气环境中长期连续运行，测试了大气颗粒物污染的两台家用空调换热器的堵塞率和空调系统的长效性能。测试结果表明:换热器的堵塞率呈指数性增长趋势，采用管片式换热器的原机被大气颗粒物污染后制冷量衰减2.1%，功耗上升了6.2%，能效比下降了7.8%；采用微通道换热器的机组性能衰减明显高于原机，制冷量衰减了23.2%，功耗增加了34.6%，能效衰减了43.1%。相比之下微通道换热器更易受颗粒物污染的影响。

空调换热器；长效性能；大气颗粒物；堵塞

近年来，大气颗粒物污染越来越引起人们的关注。2010年9月美国国家航空航天局（NASA）公布了一张由加拿大达尔豪斯大学的两位研究人员制作的全球空气质量地图，结果显示全球大气颗粒物污染最严重的地区在北非和中国的华北、华东、华中［1］。大气颗粒物污染不仅对人体健康产生影响，对所有暴露在其中的设备均有一定的影响。Said SA M等［2］、Kaiser S等［3］和Yang Huadong等［4］分别研究了颗粒物污染对光伏组件、烘干机和压缩机的性能影响。特别是太阳能光伏组件，实验发现，仅经过六周的室外放置，光伏组件的输出功率就能有10%～17%的显著减少。除此之外，家用/商用空调系统室外换热器受颗粒物污染影响也尤其严重。国内外的学者对此也进行了相关的研究。Ahn Y C等［5］收集了现场安装的有颗粒物污染污垢的换热器并进行了性能测试。结果发现，对于安装在现场长达7年的换热器，空气侧压降增加高达45%，换热性能下降达14%。Krafthefer B C等［6］发现在大气颗粒物污染下，换热器经过5～7年长期使用后空气侧压降增加2倍，同时热泵系统能效降低18%。詹飞龙等［7］研究表明粉尘污垢等大气颗粒物污染是影响空调换热器长效性最典型的因素。徐志明等［8］建立了空气侧污垢热阻实验台，对管式换热器微粒污垢的积聚特性进行了实验研究。此外，研究人员在实验室采用各种标准灰对换热器沉积问题进行了研究，这种实验具有可重复性，更有参考意义和研究价值。Mason D J等［9］、Haghighi-Khoshkhoo R等［10］均采用木屑颗粒对大气颗粒物污染换热器问题进行了研究。研究发现根据换热器的几何尺寸，某种直径的颗粒总能通过换热器，管壁温度和颗粒注入量对颗粒表面沉积量都没有影响。

目前大量的研究集中在颗粒物污染对换热器压降及换热效率的影响上，关于换热器防颗粒物污染措施的应用研究较少。郭春子等［11］对热管换热器的颗粒物污染问题进行了研究，提出在换热器结构设计方面，增加翅片间距等措施防止颗粒物污染；同时提出增加烟气流速，使颗粒物污染难以形成。崔明贤等［12］对换热器颗粒物污染机理进行了分析，并提出了防止颗粒物污染的措施及对策。

本文研究对象为1.5匹分体式家用空调系统，主要关注大气颗粒物污染室外换热器表面后对系统性能的影响，将对传统铜管铝翅片换热器与全铝微通道换热器进行比较分析，首先两台配置了不同室外换热器的空调被放置在相同的大气环境中长时间连续运行，定期采用高清CCD摄像头观察并记录室外换热器表面颗粒物沉积情况，分析颗粒物对空气流通区域的影响；并定期在焓差法实验台上测试空调系统换热量、功耗、排气温度、冷凝温度等性能参数，分析大气颗粒物污染对于空调系统长效性能的影响。

1　实验系统

在空调系统中，室外换热器的作用是促使制冷工质与室外空气进行热交换，通常工质在管内流动，换热系数可达103～105W/（m2·K）数量级；而空气管外换热表面间流动，换热系数通常在10～102W/（m2·K）数量级。可见主要热阻在空气侧，因此，研究者们不断开发新型强化换热表面，以期提高空气侧换热系数，降低热阻［13-16］。在空调换热器领域，常用的空气侧强化换热表面包括连续翅片（平直翅片，波纹翅片），间断翅片表面（锯齿翅片、百叶窗翅片、针状翅片、条缝翅片等，但强化换热表面为了破坏空气流动边界层及热边界层，往往采用紊流结构，使强化换热表面具有更多流体迟滞区域（如凸点，百叶窗等），更容易产生颗粒物沉积污垢，影响空气流动及传热，导致强化换热表面性能大幅衰减。

本文实验采用两台某型号1.5匹分体式家用空调系统进行对比分析，其中一台室外机采用原装铜管铝片式换热器，另一台采用全铝微通道换热器（见图1）。两种换热器的翅片参数如表1所示。实验中两台家用空调系统放置得地区、高度以及空调的运行时间均高度保持一致。

图1　1.5匹分体家用空调室外机组Fig.1 1.5 HP residential split-type air conditioner

表1　两种换热器翅片结构参数Tab.1 M easuring accuracy of the param eters of the test

典型的微通道换热器空气侧结构如图2所示，百叶窗翅片通过钎焊与上下扁管连接。图3所示为百叶窗间空气流动示意图，由图3（a）可见正常使用的百叶窗翅片能对空气流产生导向作用，增加空气流的扰动和流动距离，而当百叶窗翅片内部沉积颗粒物后，导向作用消失，换热效率下降，同时颗粒物沉积将影响空气流通面积，换热器空气侧压降增加，风量减少，换热能力降低。

图2　微通道换热器空气侧结构Fig.2 Air side structure ofm icro-channel heat exchanger

图3　百叶窗间空气流动示意图Fig.3 Schematic diagram of air flow between louvers

2　实验装置

空调系统定期测试根据国标GB/T7725的要求，在标准工况下进行测试（室内温度27℃DB/19℃WB，室外温度35℃DB/24℃WB），实验在焓差法实验台中进行（见图4）。实验台包括蒸发器室和冷凝器室两个房间，每个房间各有一套环境控制机组，用于控制房间的空气温湿度。室外机组放置在冷凝器室内，根据测试工况控制环境温湿度；室内机组放置在蒸发器室内，根据测试工况控制环境空气温湿度。蒸发器室内的风洞可测试家用空调系统室内机的风量和进出口空气焓值，用于计算被测空调的制冷能力。实验台的各个被测参数的测试精度如表2所示。基于Moffat R J［17］所提出的不确定度计算方法，空调系统制冷能力的测量不确定度为3%。

表2　实验台各参数测试精度Tab.2 M easuring accuracy of the parameters of the test bench

图4　焓差法实验台Fig.4 The enthalpy difference test bench

3　结果及分析

3.1大气颗粒物污染可视化研究

采用CCD摄像头观察并记录大气颗粒物在室外换热器表面的沉积情况，如图5所示。通过可视化研究发现百叶窗翅片的开窗处由于开缝间隙较小最先被颗粒物污染堵塞，不仅阻碍了风的流通，而且失去了原有的强化换热的效果；同时，微通道扁管和翅片形成的密排格栅状结构，容易捕捉絮状颗粒物，长期连续运行后，表面捕捉的絮状颗粒物加速了颗粒物堆积。管片式换热器仅在翅片前端有少量颗粒物沉积，絮状颗粒物可以穿透换热器空气侧，没有在换热表面堆积，因此对于换热器的风量和换热效果影响不大。

图5　铜管铝片式和微通道翅片表面积灰情况对比Fig.5 Fouling pictures of cooper tube-alum inum fin and alum inousm icrochannel heat exchanger

图6　翅片表面颗粒物沉积的图像处理Fig.6 Image processing of particulates deposition on the fin surface

采用图像处理的方法将微通道换热器表面图片处理成二值图（见图6），通过统计二值图上的数值为1的点的数量，来计算换热器空气侧气体流通区域的堵塞率。通过图像处理后的实验结果如图7所示，换热器空气侧气体流通区域堵塞率在运行初期并不严重（第二个月堵塞率为16.1%），随着时间增加，堵塞率增长速度越来越快（堵塞率可达67.8%）。根据Mwaba M G等［18］研究分析认为换热器表面颗粒物沉积存在成核和堆积两个过程，成核过程中，颗粒物逐渐吸附在换热器表面，由于换热器表面较为光滑，这一过程相对缓慢，随着成核完成，表面粗糙度增加，颗粒物沉积速度加快，并且由于絮状颗粒物的存在，和微通道换热器翅片形成的网状结构，进一步加速了颗粒物堆积，此时颗粒物沉积会进入快速堆积阶段。由此可以预见，空调系统在颗粒物沉积成核过程中，性能衰减缓慢；但随着成核完成，颗粒物开始快速堆积，系统性能也随之快速衰减。

图7　气体流通区域堵塞率Fig.7 Blocking ratio of the air flow area

3.2大气颗粒物污染对性能影响研究

在焓差实验台中，定期对被大气颗粒物污染后的两套空调系统进行性能检测，实验结果如下:原机及采用微通道室外换热器的机组被大气颗粒物污染后，制冷量随时间的变化曲线如图8所示；两套机组被大气颗粒物污染后功耗随时间变化曲线如图9所示；两套机组COP随时间变化曲线如图10所示。

如图8～图10所示，经过5个月的连续运行后，采用管片式换热器的原机被大气颗粒物污染后制冷量轻微衰减2.1%，功耗上升了6.2%，能效比下降了7.8%；采用微通道换热器的机组性能衰减明显高于原机，制冷量衰减了23.2%，功耗增加了34.6%，能效衰减了43.1%。原因是由于微通道换热器更易受大气颗粒物污染影响，失去了百叶窗的强化换热器效果，且颗粒物沉积影响了流通风量，造成冷凝器换热效果变差，冷凝压力升高，压缩机功耗增加，进而影响空调能效，如果长期高压运行也会影响压缩机使用寿命。

图8　两套空调系统制冷量随时间变化曲线Fig.8 Change curve of cooling capacity w ith time

图9　两套空调系统功耗随时间变化曲线Fig.9 Change curve of power consum ption w ith time

图10　两套空调系统COP随时间变化曲线Fig.10 Change curve of COP w ith time

3.3大气颗粒物污染对性能影响研究

采用百叶窗翅片的全铝微通道换热器大批量成功应用于汽车热系统中，以汽车热系统为例，水箱、冷凝器、蒸发器、暖风芯体等都采用百叶窗翅片，在车用环境中，换热器迎面风速较高（高速工况可达33 m/ s），颗粒物不易积聚在换热表面；同时汽车前端模块清洗方便，即便颗粒物污染后，也可恢复性能。而在家用空调的使用环境中，室外机组被安装在高楼外墙，无法人工清洗。因此本研究参考 GB/T7725—2004标准对室外机组进行了淋雨实验，以期考察自然降雨对被大气颗粒物污染的强化换热器表面的清洗作用。以微通道换热器机组为研究对象，采用运行一个月的机组进行淋雨前后的对比实验，结果如表3所示。

表3　微通道换热器污染与清洗前后性能对比Tab.3 Performance com parison before and after the polluting and cleaning

以大气颗粒物污染前微通道机组为对比基准，由表3可见，大气颗粒物污染后，制冷量减少，功耗增加；经过淋雨实验，空调系统功耗又回到初始值；观察发现，淋雨可以将微通道换热器翅片外表面的颗粒物清洗干净，但是翅片内部百叶窗堆积的颗粒物则无法清洗到，冷凝器性能可以部分恢复，功耗下降，能效回升，但是与污染前相比制冷性能仍有衰减。

4　结论

本文主要研究了大气颗粒物污染室外换热器表面后对空调系统性能的影响，对两套分别采用传统铜管铝翅片换热器与全铝微通道换热器的机组进行了对比分析，空调系统被放置在相同的大气环境中连续运行5个月，采用高清CCD摄像头观察并记录室外换热器表面颗粒物沉积情况；并定期在焓差法实验台上测试空调系统性能。结果表明:采用管片式换热器的原机被大气颗粒物污染后制冷量轻微衰减2.1%，功耗上升了6.2%，能效比下降了7.8%；采用微通道换热器的机组性能衰减明显高于原机，制冷量衰减了23.2%，功耗增加了34.6%，能效衰减了43.1%，基于以上分析研究可知:微通道换热器表面颗粒物污染过程存在成核和网状快速堆积两大过程，同时由于百叶窗翅片的特殊结构，灰尘也容易最先堵塞开窗等细小缝隙，影响换热效果，也加速灰尘的堆积过程。因此我们可得到微通道换热器改善颗粒物污染性能的两大设计原则:1）尽量避免细小缝隙的存在，防止灰尘在此处快速堆积；2）尽量延长灰尘成核所需要的时间，最大限度减小空调性能衰减。

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Chen Jiangping，male，Ph.D./professor，doctoral tutor，Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，+86 21-34206775，E-mail:jpchen_sjtu@163.com.Research fields:research for refrigeration and cryogenics，application research for automotive air conditioner system.

Research on the Im pact of Particulate Fouling Outdoor Heat Exchanger on the System Performance of the Residential Air Conditioner

Shi Junye Chen Xiaoning Lu Bingqing Cai Bowei Xu Bo Chen Jiangping
（Institute of Refrigeration and Crygenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China）

This paper focused on the impact of outdoor heat exchanger polluted by atmospheric particulates on the system performance with the study objectof1.5 HP residential split-type air conditioner，and the fouling processes of copper tube-aluminum fin and aluminous microchannel heat exchangers were compared.Two sets of units assembled with different outdoor heat exchangers were continuously running in the same atmospheric environment.Capacity，power consumption，discharge temperature，condensing temperature and plugging ratiowere tested to analyze the influence of atmospheric particulate pollution on the long-time performance.The results show that the plugging ratio of outdoor heatexchangers grows exponentially，the refrigerating capacity of the air conditioners assembled with cooper tube-aluminum fin and aluminousmicrochannel heat exchangers is decreased by 2.1%and 23.2%，power consumption is jumped by 6.2%and 34.6%and COP is decreased by 7.8%and 43.1%.Research problems and direction of long-term performance of aluminousmicrochannel heat exchangers in air conditioners are pointed out.

heat exchanger；long-term performance；atmospheric particulates；plugging

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TB657.5；TM925.12；TU831.4

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0253-4339（2016）05-0087-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.087

2016年1月6日

简介

陈江平，男，博士，教授，博士研究生导师，上海交通大学制冷与低温工程研究所，（021）34206775，E-mail:jpchen_sjtu@163. com。研究方向:制冷及低温工程、车用空调技术。