2020年暖通工程師講義：空氣源熱泵結霜、化霜

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空氣源熱泵結霜、化霜問題的研究

由于空氣源熱泵冬季采用空氣作為熱源，所以，隨著室外溫度的降低其蒸發(fā)溫度也隨之降低，蒸發(fā)器表面溫度隨之下降甚至低于0 ℃。此時當室外空氣在流經(jīng)蒸發(fā)器被冷卻時其所含的水分就會析出并依附于蒸發(fā)器表面形成霜層。結霜對熱泵是極其不利的。隨著霜層的形成蒸發(fā)器傳熱熱阻增加蒸發(fā)溫度下降機組的性能下降工況惡化制熱量也將下降這將嚴重影響壓縮機以及熱泵整體的性能同時除霜帶來的額外費用還將降低空氣源熱泵的經(jīng)濟性這也就是為什么空氣源熱泵在寒冷、潮濕地區(qū)的應用受到限制的原因。所以說結霜機理、化霜方法一直是空氣源熱泵研究與應用中要解決的重點與難點。目前有不少關于空氣源熱泵機組冬季運行狀況的研究主要分析供熱時不同工況下空氣盤管表面濕空氣結霜、結露及干冷卻特性并結合結霜過程進行試驗和模擬分析了迎面風速、環(huán)境溫濕度、翅片間距、管排數(shù)等參數(shù)對結霜性能的影響及其所可能產(chǎn)生的一系列后果。了解結霜的機理的主要目的是要解決如何除霜的問題。傳統(tǒng)的除霜控制方法主要包括：定時除霜法時間—溫度(壓力)法空氣壓差控制除霜法霜層傳感器控制除霜法聲音震蕩器控制除霜法最大平均供熱量控制除霜法最佳除霜時間控制法等。這些方法各有利弊有待完善。近年來由于計算機技術的發(fā)展將模糊控制技術引入空氣源熱泵除霜問題的研究作為一項先進可行的新技術逐漸引起了人們的注意。這主要是因為空氣源熱泵結霜問題的影響是多因素非線性的而模糊控制技術的優(yōu)勢就是處理多維、非線性、時變問題。這樣一來將模糊控制技術引入空氣源熱泵的除霜控制通過對除霜過程的系統(tǒng)響應分析，可以使除霜控制能夠自動適應機組工作環(huán)境的變化達到智能除霜的控制要求。此外還有考慮環(huán)境工況變化的雙溫度傳感器智能化除霜控制方法等。盡管空氣源熱泵具有很多優(yōu)點但受室外環(huán)境的限制也比較大這也是空氣源熱泵目前僅在我國黃河以南地區(qū)得到了廣泛應用的主要原因。而在黃河以北地區(qū)應用空氣源熱泵則根據(jù)所處地區(qū)不同有其特殊要求。目前關于西安、膠東以及寒冷地區(qū)空氣源熱泵的實際應用情況已有研究并就所遇到的如壓縮比過大等具體問題提出了一些相應的改進措施可在相應地區(qū)的實際應用中作為參考。此外為了對空氣源熱泵結霜除霜所帶來的損失進行量化的分析有研究提出了不同地區(qū)、不同使用情況下的平均結霜除霜損失系數(shù)的概念平均結霜除霜損失系數(shù)越大的地區(qū)應用空氣源熱泵越不經(jīng)濟。據(jù)此將我國空氣源熱泵使用地區(qū)根據(jù)平均結霜損失系數(shù)分成4 類：低溫結霜區(qū)：如濟南、北京、鄭州、西安、蘭州等;輕霜區(qū)：如成都、桂林、重慶等;重霜區(qū)：如長沙;一般結霜區(qū)：如杭州、武漢、上海、南京、南昌、宜昌等。這些都可以作為熱泵設計選用中重要的參考依據(jù)。`

空氣源熱泵節(jié)能問題的研究

火用是對系統(tǒng)能的質(zhì)與量的綜合評價。對系統(tǒng)進行火用分析可以揭示出系統(tǒng)中火用損失的部位、類型和數(shù)量以便設法減少這些損失。通過火用計算分析可知壓縮功只有20 %被利用而有80 %被損失其中壓縮機火用損失占30. 7 % 冷凝器占20.14 % 蒸發(fā)器占17.15 % 毛細管占10 %。由此我們可以看出空氣源熱泵系統(tǒng)節(jié)能的主要部件是壓縮機提高壓縮機本身的技術指標是提高整個系統(tǒng)火用效率的關鍵而冷凝器和蒸發(fā)器火用優(yōu)化措施主要是設法降低傳熱溫差。當然系統(tǒng)的節(jié)能改進與經(jīng)濟性是相互制約的僅從能效進行分析有一定的局限性。從這個角度出發(fā)有關研究人員提出供熱最佳經(jīng)濟平衡點的概念以期在此最佳經(jīng)濟平衡點溫度條件下整個供熱系統(tǒng)(熱泵+輔助熱源)的初投資與運行費最少從而合理實現(xiàn)熱泵節(jié)能優(yōu)化。此外通過空氣源熱泵機組與水冷冷水+鍋爐機組、溴化鋰吸收式機組(+鍋爐)這3 種方案的經(jīng)濟性比較可以得出空氣源熱泵相對于其它兩種形式而言經(jīng)濟性上具有顯著的優(yōu)越性。

空氣源熱泵有待解決的問題及改進方向：

對于空氣源熱泵而言除了具有種種優(yōu)點之外仍存在很多不足及有待解決的問題?？諝庠礋岜玫男阅苁苁彝鈿夂驐l件變化影響較大隨著室外環(huán)境的惡化而惡化。夏季隨著室外空氣溫度的升高制冷負荷增大但熱泵系統(tǒng)冷凝溫度升高熱泵溫差增加機組整體效率降低;冬季隨著空氣溫度的降低供熱負荷增大而蒸發(fā)溫度隨之降低熱泵溫差增大導致機組整體效率降低。同時隨著室外條件的惡劣熱泵的工作性能急劇下降又反過來加劇了室外環(huán)境的惡劣程度。進一步研究應考慮采取相應措施來合理改善機組的性能。

空氣源熱泵另一個突出的問題就是蒸發(fā)器冬季結霜問題。這不但導致系統(tǒng)供熱性能的急劇下降還將對壓縮機等重要部件產(chǎn)生不良影響(如冰堵)嚴重時將損壞壓縮機使系統(tǒng)不能正常運轉同時結霜還將使機組運行費用增加。盡管我國在這方面已經(jīng)做了很多研究工作但關于結霜的控制措施及除霜技術的研究方面還需要進一步進行深入研究和實驗論證。另外如何對機組本身進行優(yōu)化設計減少結霜如何采用更好的除霜方式來提高

空氣源熱泵的運行效率節(jié)約機組的費用這些都仍值得探討。

由于室外空氣一年四季甚至一天當中的溫度波動較大這就對實現(xiàn)整個空氣源熱泵系統(tǒng)的自動控制提出了很大的挑戰(zhàn)關于這一方面的研究尚不多見還有待于逐漸探索和完善。

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