空气-水热泵冬季运行工况的判定

1 引言
　　
　　风冷热泵冬季运行时受气象条件的影响，理论上可能出现干、结露和结霜三种工况，出现这三种工况是空气干湿球温度作用的结果。风冷热泵运行工况判定的理论依据是室外盘管表面温度和空气露点温度的大小关系。当盘管表面温度高于空气露点温度时，机组在干工况下运行；当盘管表面温度低于空气露点温度但高于0℃时，机组运行在结露工况；如果盘管表面温度低于空气露点温度同时低于0℃，机组在结霜工况下运行。
　　如能根据各地的资料很快判断风冷热泵机组的冬季所处的运行工况，无疑能为热泵的正确选用提供理论指导。本文根据热泵盘管与空气的换热过程提出了求解热泵干湿转换临界湿度和结霜临界湿度的方法；通过建立风冷热泵数学模型，计算出风冷热泵在不同的出水湿度和不同的室外干球温度下这两个临界湿度；根据计算结果认识到我国各主要城市在冬季设计工况下结露工况基本上不会出现，从而两个临界相对温度基本上是同一的；根据计算结果绘制出冬季热泵使用时，结霜工况和干工况在我国的地理分区。
　　
2 临界湿度求解方法
　　
　　图1是冬季热泵机组运行时，室外盘管空气处理过程。盘管的处理过程有两种形式，一是干工况，如过程A₁-P₁，另一种是除湿工况，如A₂-P₂所示。图中Φ₁是100%的相对湿度线。热泵干工况运行，应保持壁面W的温度大于空气露点D的温度，机组干工况运行的极限情况是W的温度和空气的露点D温度相等，即图中D₁和W₁重合，此时处理过程为A₁-P₁。当A沿着等温线向相对湿度小的方向移动时，盘管壁面温度大于空气的露点温度，热泵在干工况下运行；而当A沿着等温线向湿度高的方向移动时，盘管壁面温度低于空气的露点温度，如W₂的温度小于D₂的温度，机组将在湿工况下运行。如果机组在W₂点的温度低于0℃，盘管表面将结霜。可见沿着等温线相对温度增高的方向移动时，机组有可能依次进入干工况、结霜工况和结霜工况。从上述分析也可得知，当空气干球温度一定时，不能认为湿度越高，则越容易结霜。
　　　　　　　
　　　　　　　　　　图1 室外盘管空气处理过程
　　　　　　　　　　　T--等温线，℃；D--露点温度，℃；
　　　　　　　　　　　Φ--相对湿度，%；W--壁面温度，℃；
　　　　　　　　　　　A--空气状态点；P--出口空气状态点
　　
　　将干湿转变临界湿度用Φ_c1表示，在图1中Φ_c1=Φ₃，根据上面的叙述，Φ_c1是干工况转变到结霜工况的临界湿度，从而Φ_c1表示的是临界凝华湿度；机组从结霜工况转变到结露工况的临界相对湿度Φ_c2表示，此时盘管表面温度为0℃。
　　从而机组的运行工况可用下述关系描述：
　　Φ&<Φ_c1，机组处于干工况；
　　Φ_c1&<Φ&<Φ_c2，机组处于凝华结霜工况；
　　Φ&>Φ_c2，机组处于凝结结露工况。
　　对于任意干球温度T，由于空气中水分总是存在的，从而Φ_c1总是存在的；但是对于Φ_c2，是否存在则要视空气温度而定，当空气温度较小或者本向就小于0℃时，那么当机组处于湿工况时，就必定是处在结霜工况，此时结霜工况不可能出现，从下文计算中可以看到这一点。可见寻找Φ_c1和Φ_c2的关键就是要建立风冷热泵冬季运行的数学模型，计算出盘管表面温度，并与空气的露点温度以及0℃进行比较，从而确定这两个临界值的存在性和数值。由于热泵机组在干工况和结霜工况下运行时，都可认为处于稳态工况，故本文建立了风冷热泵的稳态数学模型。
　　
3 空气-水热泵模型
　　
　　描述热泵运行的数学模型较多。考虑到本文需要计算多个空气温度和多个出水温度下机组的临界湿度，故采用了集中参数模型对热泵机组有压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器进行模拟。在模型中，将冷凝器分解成过热段、冷凝段和过冷段三个部分；将蒸发器分解成两相区和过热泵区，对各个区分别建立质量能量守恒。模型详见文献[2～4]。
　　
4 计算结果及分析
　　
　　根据上述建立的数学模型，本文计算了风冷热泵机组在满负荷下运行时，空气温度在7～-25℃温度范围内变动，出水温度选择了25℃，30℃，40℃，45℃，50℃ 和55℃时机组的干湿工况转变湿度，如图2所示。
　　图中当出水温度为25℃和30℃时，只计算了-25～-10℃的临界湿度Φ_c1，因为当空气温度度高于此温度限时，一般不会出现这样低的出水温度；而当温度处于-20～-25℃时而出水温度为55℃时，程序无法计算，对应的实际工况即为在低温下，机组不能在较低的蒸发压力和较高的冷凝压力下运行。
　　从图2可明显看出热泵机组出水温度和空气温度对的Φ_c1影响。出水温度越高，Φ_c1越大，产生这一结果的原因是在相同的干球温度下，出水温度越高，机组的制热量越小，从而空气侧盘管与空气的热交换量减少，空气的焓降减小，从而可以在干工况下运行。空气温度T对Φ_c1的影响也是非常明显的。从图2可知，空气温度越低，Φ_c1反而越高。这是由湿空气的性质决定的。温度越低，空气的含湿量越小，空气饱和曲线越陡，盘管与空气换热时，温度较难降到空气的露点温度以下。当空气温度小于0℃时，临界干湿转化温度Φ_c1实际上就是临界结霜温度Φ_c2，因为此时空气的露点温度肯定小于0℃。而当空气温度大于0℃时，干湿临界湿度Φ_c1和临界湿度Φ_c2就可能不是同一条曲线.但是从程序计算过程来看，当空气温度低于7℃时，只要机组处于湿工况，则机组必定运行在结霜工况。当空气温度为7℃时，相对湿度大于临界干湿转化温度Φ_c1而小于75%的相对温度时，机组处于结霜工况，相对湿度大于75%时，机组将处于结露工况。
　　　　　
　　　　　　　　　　　　图2 干湿工况转化图
　　
　　根据我国部分主要城市冬季空调设计室外参数来看（见图3），几乎所有城市的设计温度都低于7℃，所以在设计工况下热泵机组基本上不会出现结露工况。但是这一结论不排除某些时候气温较高，而相对温度也较高时，机组出现结露工况的可能。
　　

空气温度（℃）

7

4

0

-5

-10

-15

-20

-25

制热量kW 　　　

203.78

185.16

165.05

138.78

112.84

89.86

67.44

47.15

EER　　　

3.11

2.98

2.85

2.68

2.52

2.38

2.24

2.13