风冷热泵机组冬季运行的可靠性

风冷热泵机组冬季运行的可靠性
陈航
提要分析了造成风冷热泵机组在长江流域地区冬季运行不可靠的原因，提出了对机组除霜控制技术和管路设计方面的改进意见，并就机组布置提出了新的看法。

关键词风冷热泵机组除霜管路设计
Reliability of air-cooling heat pump units running in winter
By Chen Hang★
Abstract Analyses causes for unreliable running of
air-cooling heat pump units in winter in Yangtse river area, proposes an improving method in defrost control and piping design, and makes suggestions of the units arrangement.
Keywords air-cooling heat pump unit, defrost, piping design
近年来，风冷热泵机组在我国城市发展中被越来越广泛地使用着，特别是在长江流域各地区，由于高层民用建筑的大量兴建，受建筑形式的限制和出于对建筑总投资的考虑，也开始在较大规模的中央空调系统中加以采用。

但在使用中热泵机组冬季的运行状况始终不理想，以致大家对冬季使用的可靠性产生了怀疑。

从几年来的设计安装和维修过程中我们发现，影响风冷热泵机组运行的可靠性有多种因素，这其中既有机组自身的原因，也有工程设计上的问题，本文想就此分别进行分析和探讨。

1 机组的除霜控制技术
就目前的使用情况来看，可以说造成风冷热泵机组冬季运行不可靠的主要因素是其除霜控制技术的不完善，风冷热泵机组在冬季运行中，当换热盘管表面温度低于-2 ℃时开始结霜，随着霜层的增厚，盘管的传热效率将降低，空气阻力增加，严重时导致盘管冻结，使机组无法运行。

机组的结霜与空气参数有关，图1为结霜与空气温度、相对湿度的变化关系图。

图1 结霜与空气温湿度的关系
在图中虚线区域为可能结霜区，阴影部分为必然结霜区域，可以看出当相对湿度大于75%时，温度低于5 ℃就开始结霜了。

长江流域地区包括：上海、江苏、安徽、浙江、江西、湖北、湖南、贵州、四川、云南等省市，它们的冬季环境温度在-3～6 ℃之间，相对湿度在75%～83%范围内，大部分是处在结霜区域内，要想保证风冷热泵机组在这种环境下的可靠运转，必须尽量减少结霜的发生。

通过改变机组本身构造来减少结霜是有其可能性的，如在相同换热量下，增大蒸发器的换热面积以及提高风量都可提高蒸发温度，延迟结霜时间，达到减少结霜的目的。

但换热面积增大过多不但不能进一步提高蒸发温度，反而造成换热器体积过于庞大，使初投资无意义地增加。

同样风量增大过多也将导致空气阻力增大，增加了机组的动力消耗，反而造成COP值减小，因此，上述方法都不能从根本上解决问题，据资料介绍日本制造厂商有一种专利即在蒸发器的肋片上嵌入电热管来提高蒸发器的表面温度，从而减小结霜的可能，但受技术和造价等原因的限制，这项专利并未得到推广使用。

因而，关键还是要靠完善热泵机组自身的除霜控制技术来提高机组的除霜功效，保证机组冬季运行的可靠与稳定。

目前各生产厂的除霜办法基本相同，即让机组由冬季运行状态转为夏季运行状态，并关闭排气扇，使压缩机的高压排气经过四通阀进入换热盘管进行融霜，称为热气除霜法。

所不同的是除霜的控制技术的处理。

常见的除霜控制分别为压差控制法、温差控制法和温度时间控制法，其中以温度时间控制法最为普遍。

这种除霜控制技术中除霜参数的正确设定起着决定性的作用。

除霜参数包括三个方面，即除霜温度、除霜间隔、除霜时间。

除霜温度是由通过位于膨胀阀后的感温元件来感应节流后液体的温度，一般设定值为-5 ℃。

除霜间隔是计时器控制的，一般设定值为40 min。

除霜时间也是由计时器控制，一般不超过10 min。

热泵机组在冬季处于制热工况运行时，随着蒸发器上结霜的加重，蒸发温度也相应下降，当液体温度降至-5 ℃，并且上一次除霜时间距本次需除霜的时间相隔够40 min，机组就进入自动除霜工作状态，等节流液体温度升至+5 ℃时，机组就重返制热工况。

如果化霜时间超过10 min，而液温仍未升至+5 ℃，机组也将停止化霜恢复制热。

在三个除霜参数中，除霜时间间隔是直接受气候环境的影响的。

现在，大多数生产厂的风冷热泵机组还是采用着统一固定值，由此带来的问题也较多。

由于长江流域各使用地区之间的气候条件也有差异，有些
地区如湖南省冬季雨加雪的天气持续较长，气温维持在-2～4 ℃，相对湿度在80%～83%，这种情况下热泵机组蒸发器表面挂霜极快，蒸发温度迅速降低，使节流后的液体温度很快就降低到-5 ℃，但因时间间隔尚未达到40 min的设定值，造成机组无法进行除霜工作而继续维持着制热运行。

从而出现了蒸发器霜层过厚甚至冻结，机组低压保护而停机的现象。

如果管理人员不能及时处理并重新复位启动压缩机的话，机组将一直维持停机状态，导致总制热量的下降。

这种情况在湖南省的各风冷热泵机组的使用单位经常发生，即使厂方调试人员可以进行现场的参数调整，但由于受调试时间和调试人员经验的限制，加上缺乏当地的详细气象参数，根本无法保证及时性和数据的准确性。

对此，笔者建议应由有关部门进行风冷热泵在长江流域各地区的详细的工况分析和运行参数统计，会同各生产厂制定出相应的除霜控制参数。

这样不但对生产厂有利也能保证广大用户的利益。

3 压缩机的问题
除了除霜控制上的问题，压缩机烧坏的情况也时有发生，成为影响风冷热泵机组冬季运行可靠性的直接因素。

压缩机是决定热泵系统的热力性能和机械性能的主要部件，一般在中小型热泵机组中采用全密闭活塞式压缩机，大型机组则基本上都是采用半密闭的往复式或螺杆式压缩机。

烧压缩机的原因与压缩机的自身质量有关。

压缩机不但要有高的运转效率，还要尽量少受吸气质量和短期内工作压力迅速变化的影响，同时压缩机的电机要设置有良好的热保护装置。

这样，才能保证压缩机有稳定的工作效果，降低故障率。

另一方面，发生压缩机烧坏情况，与热泵机组的压缩机吸气回路的设计也有关，图2为热泵机组的管路图，其中粗线部分即为吸气回路。

这里，储液器同时起气液分离器的作用，防止液体被带回压缩机造成液击。

图2 热泵机组管路图
1 排气扇
2 空气换热器
3 水换热器
4 四通阀
5 压缩机
6 储液器
我们知道热泵机组冬季的运行工况为制热工况，而融霜时则是处于制冷工况，在长江流域湿度较大地区，机组经常在制热及制冷两种工况之间频繁转换，而系统内制冷剂在这两种工况下的流量也是大不相同，在制热工况下的流量要远小于制冷工况的流量，当机组除霜完毕恢复制热工况时，在化霜过程中进入冷凝器的制冷剂气液混合物以及润滑油在经过吸气回路上的气液分离器后被抽回到压缩机，随着机组制热工况下流量的剧减，压缩机的吸气回路内的流速也相应降低，一旦出现流速低于最小带油速度，油将留存在气液分离器内不能被带回到压缩机内，就造成了压缩机的缺油运行，导致压缩机的轴高温损坏和电机的烧坏。

由此可见，要保证风冷热泵机组在长江流域地区制热运行，除了提高除霜控制技术外，对机组的管路设计也要进行改进，才能适应气候条件的要求。

4 机组的布置
在进行机组自身改造的同时，我们也不能忽略工程设计上的失误对热泵机组正常工作的不利影响，这里我们重点谈谈机组布置上的问题。

通常情况下风冷热泵机组都是设置在室外的，以设置在主体建筑的屋顶或裙楼屋面的情况为多，机组的布置中，距离大小的设定存在问题。

这些距离包括：①机组与四周建筑物的距离；②机组之间的距离；
③挡雨棚的设置问题。

一般厂家所提供的数据如图3括号内所示。

图3 机组布置图
但从几个实际使用的情况来看，机组与建筑物之间的距离采用这样的数据还是出现了排气气流受阻形成回流的问题，特别是在冬季，风冷热泵机组除霜时排出的湿气需及时扩散，更应留有足够的距离。

同时，多台机组之间的距离也对机组的运行环境有直接影响，如果距离不足的话，一台正在除霜的热泵机组排出的湿气会被相邻的机组吸进，从而加剧其结霜的程度。

从实践中看，现在生产厂所提供的距离参数只适用于105 kW(30 rt)以下的机型，对于105 kW以上的机型应随之相应增大，见图3。

关于挡雨(雪)棚问题，有些设计者认为机组上方不应有遮挡物以避免出现气流受阻反弹形成短路的情况。

但如果不设挡雨棚，长江流域冬
季阴雨天气持续时间长，雨(雪)水将使机组蒸发器本身已结霜严重的情况更加恶化。

对此，笔者建议采用图4所示的雨棚搭设办法，这样既不影响机组的排热也能防止雨雪对蒸发器的威胁。

图4 挡雨棚布置
5 小结
综上所述，要想保证长江流域地区风冷热泵机组在冬季可靠安全地工作，除了针对实际的气候状况对现有机型加以改进，提高热泵技术和除霜控制技术，还需在工程设计上予以重视，来保证热泵机组有较好的工作环境。

当前，受热泵机型的高额利润的驱使，生产风冷热泵机组的厂家日益增多，有些厂家不具备生产风冷热泵机组所必需的技术和生产条件，不但无法提供真实准确的技术参数，产品的生产质量也没有保证，这是影响热泵机组使用可靠性的人为因素。

对此，笔者建议，风冷热泵机组的生产也应像风机盘管等空调设备一样，必须接受国家有关机构的检验和抽查，以确保用户的利益。

★Changsha Fanhua Air Condition ing Design Co., Ld
作者简介：陈航，女，1968年3月生，大学，在读硕士研究生，工程师，所长（0713）5119966
作者单位：长沙泛华中央空调设计研究所。