空气源热泵机组除霜技术探讨

  目前, 空气源制冷空调器已进入千家万户, 远远超过了太阳能和地热能产品的应用。但空气源热泵产品的应用受气候条件的限制, 在长江以北地区的应用极其有限。笔者在空气源热泵产品的研制开发中, 针对低温结霜问题, 找到了一些解决方法。

 

  1 空气能应用优缺点分析

 

  空气能是目前应用最广的可再生能源之一, 在制冷空调器和热泵热水器中应用尤其广泛。由于空气能产品受环境温度影响, 其应用范围受到很大限制, 特别是空气源热泵产品, 几乎不能在长江以北地区使用。空气能的应用存在如下问题。

 

  1.1 空气比焓随温度降低而降低

 

  湿空气的比焓与环境温度和含湿量有关。从图1 可以看出, 处于0 ℃等湿球温度线下方区域的空气比焓都小于0 。从表1可以看出, 在标准大气压下, 饱和湿空气0 ℃时的含湿量为3 .78 g/kg ,比焓为9 .42 kJ/kg ;-10 ℃时的含湿量为1 .60 g/kg , 比焓为-6 .07 kJ/kg ;-20 ℃时的含湿量为0 .63 g/kg , 比焓为-18 .55 kJ/kg 。空气的比焓随温度的降低而降低。这是空气源热泵产品难以进入北方寒冷地区的主要原因之一。

 

  图1 湿空气焓湿图

 

  1.2 空气比焓随相对湿度的减小而降低

 

  表2 给出了干球温度为27 ℃时空气比焓随相对湿度的变化情况。可见, 相对湿度越低, 湿空气的比焓越低。北方地区冬季不仅干球温度低, 而且空气中的含湿量低, 即相对湿度低, 故冬季北方地区空气的比焓相对南方地区低许多, 这是空气源热泵产品难以进入北方地区的原因之二。

 

  1.3 热泵机组换热器结霜对传热效果的影响

 

  当蒸发器表面温度低于水的凝固温度时, 从湿空气中析出的水会凝固在蒸发器表面形成霜层, 附着在管道和散热肋片上, 增加肋片导热热阻;同时,霜层还使肋片间的空气流通截面变窄, 在风机功率一定的情况下, 阻力增大, 风量减小, 空气与霜层表面间的对流换热减弱。肋片管式蒸发器霜层厚度δ可用下式估算:

 

  δ=1 .14(ρumax)0 .1 φ3C-3t τ0 .5 (1)

 

  式中 ρ为空气密度, kg/m3 ;umax 为空气最大流速, m/ s ;φ为空气相对湿度;Ct 为温度系数,0 .94 ～ 0 .97 ;τ为结霜时间, h 。

 

  从式(1)可知, 霜层厚度与空气流速、空气相对湿度和结霜时间有关。生成的霜层成为散热器的绝热层, 管内热量通过铜管、铝箔传给霜层, 再由霜层以自然对流方式传给空气, 使强迫空气对流换热变成自然对流和导热传热方式。铜管的导热系数为109 W/(m ·K), 霜的导热系数为0 .106 W/(m ·K), 空气的导热系数为0 .024 W/(m ·K)。显然, 霜的传热量只有铜的0 .097 %, 大大降低了传热效果。

 

  根据空气流速的不同, 强迫对流传热方式的传热量是自然对流传热方式的几倍、几十倍甚至几百倍。

 

  由于北方冬季空气温度平均低于0 ℃, 结霜是空气源热泵产品难以进入北方地区的原因之三。

 

  1.4  空气能获取容易, 取之不尽

 

  空气能获取方便, 且获取成本低。图2 为空气源空调热泵热水器的工作原理。整个空调热泵热水器由1 台压缩机, 2 个空气换热器, 1 个壳管式、板式或套管式换热器, 1 个节流系统, 1 台水泵和2 台风机及所需管路系统组成, 其结构简单、成本低。

 

  夏季, 空气源空调热泵热水器吸收空气中的热量, 按劳伦兹循环原理, 一方面利用较少电能将室内热空气热量“搬”到具有蓄热功能的水箱中加热水, 满足提供日常生活热水的需要;另一方面, 被冷却液化的制冷剂节流后流向室内机的蒸发器, 吸收室内空气中的热量而蒸发, 从而降低室内空气温度, 达到使房间降温的目的。该机在夏季使用时,系统中吸热和放热即“冷热双效应”都得到应用, 综合能效比极高。

 

  图3 为空气源空调热泵热水器冬季向室内供暖及供热水的示意图。春、秋两季也可采用冬季模式, 不需要供暖时, 关掉室内风机, 换热器处于自然对流传热方式。

 

  春、秋、冬三季一般只能利用空气源空调热泵热水器热效应或提供生活用水或对房间供热,其“冷效应” 很难同时利用。通常是冬季利用空调制热, 春、秋季采用热泵技术单独加热蓄水箱中的生活用水。在环境温度高于7 ℃时, 其制热性能系数很高, 在环境温度低于7 ℃时制热效果较差, 低于-5 ℃时制热效果极差, 甚至不能正常运行。虽然只是单向效应, 但空气能源成本很低, 目前已有将春、秋、冬三季的“冷效应” 用于食品冷藏的实例。

 

  通过上述分析可知, 在黄河以南地区, 空气源热泵机组可以采取增加热负荷的方法使用, 但在黄河以北地区即使增加热负荷, 在环境温度-5 ℃以下使用时, 其性能系数已经低于1 .9 了, 节能的效果不明显。而在东北地区, 当环境温度低于-15℃时, 空气源热泵机组已不能正常工作。因此在北方地区, 若不采取措施, 空气源热泵机组冬季无法正常使用。

 

  2 空气源热泵产品进入北方市场的探索

 

  空气源热泵产品要进入北方市场必须解决以下问题。

 

  2.1 制热量不足

 

  2.1.1 空气的比焓随环境温度的降低而降低在空气温度较低的情况下, 空气源热泵产品从空气中获得的热能自然少, 这是空气源热泵机组的最大缺陷。从表1 可以看出, 空气的失热是温度发生变化的表现。从15 ℃到5 ℃, 温差为10 ℃, 比焓差为23 .27 kJ/kg , 即空气的失热量为23 .27 kJ/kg ;从-10 ℃降到-20 ℃, 温差为10 ℃, 比焓差为12 .48 kJ/kg , 即空气的失热量为12 .48 kJ/kg 。

 

  在环境温度从15 ℃降低到-10 ℃后, 空气的失热量减少了(23 .27 kJ/kg -12 .48 kJ/kg )/23 .27kJ/kg =46 .4 %。

 

  2.1 .2 换热器结霜后堵塞通风通道, 从而减少通风量在较低环境温度下, 蒸发温度低于0 ℃时, 通过换热器的制冷工质温度低于0 ℃, 通过换热器的空气温度也低于0 ℃, 空气中的水蒸气凝结成霜附在换热器外表面的肋片上;通常热泵机组的空气换热器肋片间距只有1 .3 ～ 2 .2 mm , 而水珠的直径恰在此范围, 极易形成冰桥, 堵死通风通道, 大大减少通风量。

 

  目前多采用亲水膜或斥水膜铝箔制作热泵机组蒸发器肋片, 以减缓蒸发器被堵死现象的出现,但仍不能完全解决。