引言模块式风冷热泵机组安装方便、布置灵活，可置于屋顶或地面，无须机房设施和冷却水塔系统，广泛应用于小型集中空调工程。其特点是以空气为冷却介质，通过空气的对流换热，带走冷凝器上的热量。由于空气的换热强度较低，空调的换热性能受到影响，制冷能效比低下。目前，国内关于热泵的蒸发冷却技术的研究较多。文献[1]利用分布参数法进行数学模型建立，对蒸发式冷凝器进行了数值计算。文献[2]建立传递过程的微分方程组，得到冷却水温和冷却空气焓值沿冷凝器高度方向分布的解析表达式。文献[3]利用计算流体动力学(CFD)，模拟空气温度及喷淋水温度对蒸发冷却效率的影响，得到整个通道的温度分布及水雾气相分布。对于蒸发冷却效果的影响因素，有学者建立、测试了喷淋密度和迎面风速对管外水膜传热性能的影响，通过对实验数据回归得到管外水膜传热系数计算关联式[4]。我国各地区气候条件多变，蒸发冷却在不同地区有不同的适用效果。国内有以湿球温度作为分区界限，分析蒸发冷却的适用范围；也有建立六区模型，分析直接蒸发与间接蒸发技术在各区域中的应用方式的研究[5]。文章主要对加装喷雾设备的风冷热泵机组进行测试，分析蒸发冷却技术对机组的影响。在原有基础上进一步优化，提出新型风冷热泵喷雾系统，对其运行过程进行仿真计算，并讨论研究其适用性。1喷雾系统实验结果及分析为研究喷雾蒸发冷却技术对风冷热泵换热效率的实际影响，在原设备基础上加装喷雾冷却装置进行测试。现场测试照片如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.001.F001图1现场测试照片选取机组型号为YCAE61RMC-B的模块式风冷冷水（热泵）机组。夏季制冷量为60 kW，制冷输入功率为18.5 kW，额定COP为3.24。在室外机V型换热器外侧装设喷雾装置，水管连接外部水源，利用水泵提供动力。通过测量冷冻水侧进出水温度及冷冻水流量，可得到机组的制冷量，测量压缩机功率可计算出机组能效比COP值。在夏季室外干球温度32.7 ℃条件下，空调平稳运行的30 min内测试了压缩机功率、冷冻水出水、回水温度、水流量。通过计算得出，该工况下制冷量为49.7 kW，制冷性能系数为2.78。在此基础上增设喷雾装置强化冷凝器换热，在室外干球温度不变的情况下，再次测试湿工况下的水温、水流量、功率，测试数据如表1所示。通过计算得：加装喷雾装置后制冷量提升1.8 kW，压缩机功率下降1.5 kW，机组COP上升至3.15。加装喷雾装置后机组空气侧换热性能增强，机组制冷量有明显提升，COP较干工况提高了13.3%。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.001.T001表1喷雾实验数据结果对比项目干工况湿工况冷冻水进水温度/℃14.3212.36冷冻水出水温度/℃10.137.97冷冻水流量/（m3/h）10.1610.08压缩机功率/kW17.916.4制冷量/kW49.851.6机组COP2.783.152新型风冷热泵喷雾系统2.1机组结构及原理通过对喷雾装置实验可知，加装喷雾装置后可有效通过潜热换热的形式带走热量，提高冷凝器侧的换热效率。在不改变原系统的主要结构的基础上，对喷雾装置进一步优化，提出一种针对风冷热泵的新型喷雾系统。在原有喷雾设备的基础上，增设过冷设备，利用喷雾水对冷凝器出口处的制冷剂进行过冷，进一步提高机组的制冷性能。新型装置的实物模型如图2所示。系统运行原理如图3所示。在喷雾管路上前增设壳管式换热器，使喷雾水在喷出前先对冷凝器出口处与制冷剂进行热交换，提高过冷度，提升制冷量。同时将顶部风机转向，改为向下送风，提升送风筒高度，使雾滴与空气掺混均匀，更好地润湿翅片。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.001.F002图2新型风冷热泵喷雾系统模型10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.001.F003图3新型风冷热泵喷雾系统原理以水泵为动力源，将水箱中水由下而上输送，经过壳管换热器时与管壁内制冷剂进行热交换，对制冷剂进一步过冷，提高蒸发器的单位制冷量。为避免水温高于出口处制冷剂温度，增设了旁通管路，通过温度传感器信号控制电磁阀启闭。当水温过高时，关闭主管路并开启旁通管路，保证喷雾不中断。另外，为了使翅片管上雾滴分配均匀，采用正压式送风并提升送风筒高度。据静压箱有关研究表明[6]：扩张比越大，均压效果越好；长度越长，均压效果越好。提高风筒高度可以将风机送来的风整合为较为稳定的空气流，空气流经风筒后进入换热器所在空间，由小截面突然扩大为大截面，根据连续性方程，当通风截面面积扩大时风速减小，导致动压减小。根据恒定气流能量方程，减小的动压转换为静压，使通过整个V型翅片盘管各部位的风量接近相等，使空气所携带的雾滴更加均匀地润湿翅片表面，达到更好的换热效果，增加制冷量。此外，把部分动压变为静压也可以降低系统噪音。制冷循环过程如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.001.F004图4制冷循环示意图风冷热泵机组原制冷循环过程为1′-2′-3′-4′-1′，加上喷雾装置及过冷度段后的循环过程为1-2-3-4-5-1。采用喷雾蒸发换热，冷凝器由干工况变为湿工况，换热效率大大提升，在制冷剂流量不变的情况下，可以预测冷凝温度tc会降低，单位压缩功降低△w=h2′－h2；并且由于加装了换热器，制冷剂的过冷度增大，系统单位质量制冷量增加△qe=h4′－h5。制冷量增加的同时，压缩功率减少，机组性能COP会有更为显著的提升。2.2系统仿真计算为了探究优化后机组换热性能，对改装后的冷凝器进行仿真计算，冷凝器的传热过程为:（1）制冷剂蒸气在管道内表面上冷却冷凝放热；（2）热量通过管壁及翅片向外传导；（3）热量由管翅外表面通过对流传递给水膜和空气，不湿润表面直接与空气对流换热；（4）通过水膜与空气的热质交换将热量传递给空气。为了简化计算，对模型的简化如下:（1）空气均匀流过换热盘管迎风面，过风断面上空气质量流量相等；（2）淋水均匀分布于过水断面，每个过水断面淋水流量相等；（3）忽略水蒸发所造成的空气和水流量的变化；（4）忽略控制体与界面外的热质传递。冷凝器处空气-水热质交换过程及壳管换热器处显热换热的计算方程如下，结合能量守恒定律，作为仿真计算的控制方程。传热系数中空气侧及制冷剂侧换热系数采用文献[7]、文献[8]中经典公式计算。空气侧能量计算方程：Qa=ma(hao-hai) (1)式(1)中：Qa——空气侧换热量，kW；ma——空气质量流量，kg/s；hao、hai——冷凝器出、入口空气焓值，kJ/kg。制冷剂侧能量计算方程：Qc=mr(h2-h3) (2)式(2)中：mr——制冷剂流量，kg/s；h2、h3——冷凝器制冷剂入口、出口焓值，kJ/kg。传热量计算：QF=KcFctao-tailn[(tc-tai)/(tc-tao)] (3)式(3)中：QF——冷凝器传热量，kW；Kc——冷凝器换热系数，kW/(m2·℃)；Fc——冷凝器换热面积，m2；tai、tao——冷凝器进、出口空气温度，℃；tc——冷凝温度，℃。壳管换热器管内制冷剂过冷量：Qex=mr(h3-h4) (4)式(4)中：Qex——壳管换热量内过冷量，kW；h4——壳管换热器制冷剂出口焓值，kJ/kg。壳管换热器管外水换热量：Qex=Gwcp(tw2-tw1) (5)式(5)中：Gw——壳管内水流量，kg/s；cp——水比热容，kJ/(kg·℃)；tw1、tw2——壳管换热器进、出口水温，℃。壳管换热器管传热量：Qex=K1F1Δt (6)式(6)中：K1——壳管换热器换热系数，kW/(m2·℃)；F1——壳管换热器换热面积，m2；△t——壳管换热器内外温差，℃。为了对比分析改进机组前后系统制冷性能，结合高温名义工况[9]设定改造前原机组正常运行时管内制冷剂运行状态点。压缩机进出口焓值为：h1′=428.6 kJ/kg；h2′=481.3 kJ/kg；冷凝器出口焓值及蒸发器入口焓值为h3′=h4′=257.9 kJ/kg。根据原机组铭牌，制冷量为60 kW，可计算出制冷剂流量mr=0.351 5 kg/s。改造后的冷凝器换热量及系统能效比采用EES软件进行编程，计算流程如图5所示。假定入口空气及制冷剂侧参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.001.F005图5新型风冷热泵喷雾系统计算流程10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.001.T002表2机组入口空气参数参数干球温度tai/℃干球温度twi/℃相对湿度φ/%含湿量dai/（kg/kg）冷凝风量ma/（m3/h）焓值hai/(kJ/kg）数值352440.270.014 213 000*271.75利用程序计算出加装设备后的冷凝温度、冷凝器出口处制冷剂焓值、冷凝换热量。保持压缩机进口处焓值不变，压缩过程为近似绝热过程[10]，结合冷凝压力可求出压缩机出口焓值，进而得到压缩机功率。通过功能关系计算得到系统制冷量，进而得到系统制冷能效比COP值。改进前后系统主要参数对比如表3所示。由此可以看出，安装改进设备后系统冷凝温度下降7.3 ℃，冷凝换热量提升3.67%，制冷量提升8.02%，压缩机功率下降10.37%，机组COP上升20.4%。经过计算，壳管换热器处为管内制冷剂提供的过冷量Qex为598 W，喷雾水与管内制冷剂换热后管内过冷度增大了1.3 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.001.T003表3新型机组计算结果及对比项目原机组改进后机组冷凝温度/℃54.447.1冷凝压力/MPa2.1461.817冷凝换热量/kW78.5381.41压缩机出口焓值/（kJ/kg）481.3475.8压缩机功率/kW18.5216.60制冷量/kW60.0164.82COP3.243.903地区适应性分析我国幅员辽阔，各地区气候类型多变，温湿度条件变化显著，在不同地区蒸发冷却技术有不同的应用效果。有研究认为，湿球温度是影响蒸发冷却效果的最主要气候要素，可作为划分区域的单一指标来分析蒸发冷却在全国范围内的适应性[11]。因此，以室外空气湿球温度为标准，根据不同地区的湿球温度将全国划分为四大区域，代入上述模型计算制冷量、消耗功率和能效比，分析系统在不同地区的适用性。根据现有研究文献确定地区的划分界限[12-13]，分区指标的临界值为20 ℃、23 ℃、28 ℃。把室外湿球温度小于20 ℃的地区定义为通风区，20 ℃～23 ℃的地区定义为高适应区，23 ℃～28 ℃的地区定义为适应区，大于28 ℃的地区定义为非适应区。现根据各城市室外气象资料，选择乌鲁木齐、敦煌、石家庄、南京作为各分区的代表，代入设计标准中夏季空调室外计算干球温度和室外计算湿球温度进行计算，得到数据如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.04.001.T004表4典型城市夏季时新型机组的计算结果参数非适应区适应区高适应区通风区典型城市南京石家庄敦煌乌鲁木齐干球温度ta/℃35.035.134.134.1湿球温度tw/℃28.326.620.018.5相对湿度φ/%60.6451.7826.4620.72冷凝温度tc/℃47.246.044.242.1冷凝压力Pc/MPa1.8471.7711.6971.614制冷量Qe/kW64.5065.2966.5969.07冷凝换热量Qc/kW80.6981.0381.8783.81壳管换热量Qex/W597.6562.4544.8506.2输入功率W/kW16.7916.3115.8215.25系统COP3.844.004.214.53提升值ΔCOP/%18.4423.4529.9439.814结语在现有设备的基础上增设喷雾冷却装置，通过测试，喷雾设备使风冷热泵机组制冷量提升1.8 kW，制冷能效比COP提升13.3%，针对风冷形式换热效率低的缺陷有较好地改善作用。在原有基础上，提出新型喷雾系统，并对系统的运行过程进行了仿真计算与分析。（1）喷雾冷却装置对换热器具有高效、强化换热和节能的优点，雾滴接触表面积大，换热效果好，水利用程度高，节省水量。（2）新型喷雾系统可使冷凝温度下降7.3 ℃、冷凝换热量提升3.67%、压缩机功率下降10.37%、机组COP上升20.4%。（3）水在喷雾前可对冷剂提供部分的过冷作用。经过计算该部分过冷量Qex为598 W，喷雾水与管内制冷剂换热后管内过冷度增大了1.3 ℃。（4）空气湿球温度是影响本系统性能的最重要参数，通过对不同典型城市计算发现，本系统适用于低湿度地区，对于湿度较大地区也有一定的改善。（5）本系统改造简单，初投资小，适合在低湿度地区，如甘肃、新疆、内蒙古、宁夏等省区进行推广，以较低的运行费用和环保效益体现系统的优势。