高瑞琦

（揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225002 ）

空氣源熱泵降濕除霜分析

高瑞琦

（揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225002 ）

對(duì)空氣源熱泵結(jié)霜特性進(jìn)行了分析，討論了空氣源熱泵換向除霜存在的問(wèn)題，并提出了一種空氣源熱泵降濕除霜新系統(tǒng)，從根本上解決了冬季供熱時(shí)的結(jié)霜問(wèn)題，從而解決了因結(jié)霜而導(dǎo)致的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性差的根本問(wèn)題。

空氣源熱泵；結(jié)霜；除霜；換向除霜熱泵；降濕除霜系統(tǒng)

0 引言

熱泵技術(shù)是利用低溫可再生能源的有效技術(shù)之一，利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源，并將消耗的高位熱能與吸取的低位熱能的總和供給用戶，很好地解決能源消費(fèi)與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，順應(yīng)了現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)用能的要求。其中，空氣源熱泵更因利用空氣作為低位熱源取之不盡用之不竭，不污染空氣且可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用，不需要冷卻水系統(tǒng)，也沒有因?yàn)槭褂缅仩t帶來(lái)的環(huán)境污染，安裝方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，而得到了廣泛的應(yīng)用。但從目前空氣源熱泵的實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)看，供熱運(yùn)行時(shí)的效果并不十分理想，究其原因，主要是因?yàn)檎舭l(fā)器結(jié)霜及除霜導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行的不穩(wěn)定和可靠性差。

1 空氣源熱泵結(jié)霜特性

當(dāng)空氣中有一定大小的含濕量，并且管及翅片上的溫度低于0 ℃時(shí)，外界空氣換熱器會(huì)發(fā)生結(jié)霜。具體分析可知，當(dāng)室外空氣溫度低于7 ℃且相對(duì)濕度大于70%時(shí)，露點(diǎn)溫度低于0 ℃換熱器表面會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜。但并不是室外溫度越低結(jié)霜越嚴(yán)重，因?yàn)榭諝庵械暮瑵窳繒?huì)隨著空氣溫度的下降而下降。所以當(dāng)空氣溫度低于-5 ℃時(shí)，即使相對(duì)濕度高達(dá)90%～100%，空氣中的含濕量也不過(guò)2～3 g/kg，即使結(jié)霜也不足為患。

由上述分析可得，室外溫度在7～-5 ℃之間時(shí)會(huì)發(fā)生結(jié)霜問(wèn)題。隨著霜層的形成增加了導(dǎo)熱熱阻，降低了蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)。盡管在結(jié)霜的早期，由于霜層增加了傳熱表面的粗糙度及表面積，使總傳熱系數(shù)有所增加，但隨著霜層增厚，導(dǎo)熱熱阻的影響逐漸成為影響傳熱系數(shù)的主要方面，總傳熱系數(shù)開始下降。此外，霜層的存在加大了空氣流過(guò)翅片管蒸發(fā)器的阻力，降低了空氣流量。正是由于這些問(wèn)題，當(dāng)空氣側(cè)換熱器結(jié)霜并隨著霜層厚度的增加會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)溫度下降、制熱量下降、風(fēng)機(jī)性能衰減、電流加大等諸多不良現(xiàn)象而使空氣源熱泵機(jī)組的可靠性和穩(wěn)定性大大下降，因此必須通過(guò)除霜來(lái)解決這些問(wèn)題。

2 空氣源熱泵換向除霜存在的問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)常用的空氣源熱泵除霜手段多為換向除霜。

換向除霜，即需要化霜時(shí)，使熱泵的制熱工況轉(zhuǎn)變?yōu)橹评涔r運(yùn)行，以便室外換熱器溫度升高，達(dá)到除霜的目的。

根據(jù)控制方法不同，換向除霜主要分為定時(shí)除霜和按需除霜。

（1）定時(shí)除霜是指當(dāng)表征結(jié)霜特性的某一參數(shù)達(dá)到額定值時(shí)（如室外溫度達(dá)到7 ℃以下，蒸發(fā)器表面溫度達(dá)到某一設(shè)定值等），時(shí)間繼電器開始動(dòng)作，按確定的時(shí)間間隔進(jìn)行化霜。定時(shí)除霜的特點(diǎn)是控制線路簡(jiǎn)單、操作方便，但易發(fā)生不當(dāng)除霜而引起不必要的能量損耗。

（2）按需除霜是指當(dāng)表征結(jié)霜特性的某些參數(shù)（如空氣通過(guò)室外盤管的壓力降、盤管與空氣之間的濕差、室外風(fēng)機(jī)風(fēng)量減少或功耗增加量等）達(dá)到給定值時(shí)，開始化霜，2次除霜之間的時(shí)間間隔根據(jù)結(jié)霜情況而定。按需除霜的特點(diǎn)是能及時(shí)恰當(dāng)?shù)叵彝鈸Q熱器表面結(jié)霜，并無(wú)多余能量消耗，其缺點(diǎn)是控制較復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)的靈敏度要求較高。

換向除霜的特點(diǎn)是對(duì)室外側(cè)換熱器進(jìn)行周期性除霜。除霜過(guò)程中為了避免向室內(nèi)空間吹冷風(fēng)而影響室內(nèi)舒適度，室內(nèi)機(jī)的風(fēng)機(jī)通常是關(guān)閉的，從而導(dǎo)致除霜過(guò)程中從室內(nèi)機(jī)取熱量不足并引發(fā)一系列問(wèn)題。這些問(wèn)題包括除霜時(shí)間延長(zhǎng)，由于室內(nèi)無(wú)供熱而使室內(nèi)空氣溫度降低，影響室內(nèi)熱舒適。而且由于除霜后室內(nèi)盤管溫度非常低，提供有效供熱的時(shí)間推遲，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)室內(nèi)無(wú)供熱的時(shí)間，影響熱舒適感。

3 空氣源熱泵降濕除霜分析

由上述分析可得，空氣源熱泵的結(jié)霜溫度范圍在7～-5 ℃。只要當(dāng)室外空氣溫度進(jìn)入此范圍時(shí)，將空氣相對(duì)濕度處理到60%以上，其含濕量便低于3 g/kg，即使結(jié)霜也不足畏懼。比較幾種空氣除濕方法：壓縮除濕方式，壓縮動(dòng)力消耗太大；固體型吸附劑除濕，再生溫度高，再生消耗大；液體型吸附劑除濕，需定期補(bǔ)充或更換溶液，且設(shè)置、維護(hù)費(fèi)用高；冷卻除濕，若冷卻盤管的表面溫度在0 ℃以下，凝結(jié)水即在盤管表面凍結(jié)，使冷卻效率降低，除濕效果也降低，因此無(wú)法獲得穩(wěn)定濕度。

由于上述方法諸多不合理之處所以選擇轉(zhuǎn)盤除濕。轉(zhuǎn)盤除濕以蜂巢結(jié)構(gòu)組成圓筒狀轉(zhuǎn)盤，再由特殊結(jié)晶加工法附著吸濕劑（氯化鋰、矽膠、沸石等）原料制成除濕轉(zhuǎn)盤。此除濕轉(zhuǎn)盤在箱體內(nèi)回轉(zhuǎn)，該箱體分隔成除濕區(qū)和再生區(qū)。除濕用的空氣通過(guò)除濕區(qū)，由轉(zhuǎn)盤吸收空氣中的水分，而得到干燥空氣。吸收水分后的除濕區(qū)依轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)移動(dòng)至再生區(qū)，由再生加熱空氣帶出轉(zhuǎn)盤內(nèi)水分排出至室外，轉(zhuǎn)盤在再生區(qū)放出水分后回轉(zhuǎn)至除濕區(qū)，如此除濕及再生同時(shí)連續(xù)進(jìn)行，可獲得穩(wěn)定的除濕空氣。降濕除霜系統(tǒng)及控制流程如圖1、圖2所示。

圖1 空氣源熱泵降濕除霜系統(tǒng)

圖2 除霜控制流程圖

此方法與傳統(tǒng)的定期除霜相比直接避免了霜層的形成，使空氣源熱泵運(yùn)行更穩(wěn)定，避免了定期除霜時(shí)的間歇運(yùn)行導(dǎo)致室內(nèi)供熱不足等缺陷，有效地提高了室內(nèi)熱舒適度。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)霜是在一定的氣候條件下出現(xiàn)的，破壞結(jié)霜條件即可達(dá)到除霜的目的。

（2）換向除霜因除霜過(guò)程中從室內(nèi)機(jī)取熱不足會(huì)造成除霜時(shí)間延長(zhǎng)，室內(nèi)空氣溫度降低，室內(nèi)熱舒適感下降等不良影響。

（3）與傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)相比，空氣源降濕除霜系統(tǒng)從根本上解決了冬季供熱時(shí)的結(jié)霜問(wèn)題，從而解決了因結(jié)霜而導(dǎo)致的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性差的根本問(wèn)題。隨著此系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與完善，必將解決空氣源熱泵供熱結(jié)霜問(wèn)題，并促進(jìn)空氣源熱泵更加廣泛的應(yīng)用。

[1] 馬最良，姚楊，姜益強(qiáng)，等.熱泵技術(shù)應(yīng)用理論基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

[2] 陳萬(wàn)仁，王保東等.熱泵與中央空調(diào)節(jié)能技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010

[3]廉樂(lè)明，李力能，吳家正，等.工程熱力學(xué)[M].第5版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007

[4]朱穎心.建筑環(huán)境學(xué)[M].第3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

[5]張建中，龔延風(fēng).空氣源熱泵冷水機(jī)組在南京的應(yīng)用[J].現(xiàn)代空調(diào)，2001，3（3）：141～156

[6] 劉志強(qiáng)，湯廣發(fā)，趙福云.風(fēng)冷熱泵除霜過(guò)程動(dòng)態(tài)特性模擬和實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2003，25（3）：1～5

2014-07-08

高瑞琦（1993—），女，吉林遼源人，研究方向：建筑環(huán)境與設(shè)備工程（暖通空調(diào)）。