南方恶劣气候条件下热泵与电采暖的合理性比较.docx

南方恶劣气候条件下热泵与电采暖的合理性比较摘 要：简要论述了在南方使用的热泵遇到恶劣气候条件时的问题，与使用电采暖进行了优缺点方面的比较，得出了在目前在南方使用的热泵蒸发器结霜问题尚未得到较好解决的情况下，使用电采暖的合理性，并对解决热泵的蒸发器结霜问题提出了一些看法。关键词：恶劣气候；热泵结霜；电采暖；合理性abstract: briefly discuss the problems when heat pump used in south of china encounter atrocious weather in this paper and compare with the electric heating method. using the electric heating is reasonable because the frost problem of evaporator in heat pump which be used in south of china. some views of solving the frost problems also are put forward.keywords: atrocious weather；heat pump frost；electric heating；reasonable0 引言热泵在近些年得到了快速的发展，大量的实际工程中采用了这一经济节能的供热技术，特别是没有集中供热的南方城市。热泵的类型也发展的多种多样，如空气源热泵、土壤源热泵、污水源热泵等等，但是应用最为广泛的还是空气源热泵。使用空气源热泵供热的技术中最大的问题就是蒸发器的结霜问题，这一问题至今尚未出现有效而经济合理的解决办法，特别是对我国南方，空气湿度大，气温低，对热泵的使用更为不利。本文试图通过一些简单的比较来说明在极端恶劣的气候下使用电采暖的合理性。1结霜对热泵机组的影响a.堵塞翅片间通道，增加空气流动阻力；b.增加换热器热阻，换热能力下降；c.频繁化霜，化霜不尽，化霜过程是一个空调运行过程，不仅不能制热水，同时还需要消耗原有的热水的能耗，排出的冻水返冲到保温水箱中，造成水温进一步下降；d.蒸发温度下降，能效比降低，热泵运行性能恶化，直到不能正常工作。e.由于机组不能正常工作给客户直接造成经济损失，直至产生对热泵产品的后怕情绪，影响其消费选择。2 结霜除霜损失系数的概念由此可见，冬季热泵结霜对热泵使用效果的影响还很大的。我国南方的冬季空气湿度大，热泵使用时更易结霜，文献1对空气源热泵结霜除霜损失系数进行了详细的介绍与计算，结霜除霜对热泵稳态性能影响大小可以用结霜除霜损失系数的概念来衡量。定义 (1)式中 结霜除霜损失系数; 有结霜时的性能系数，室外换热器为干盘管时的热泵稳态性能系数。根据文献1所述可知，在我国南方地区一般属于一般或中度结霜地区，一般平均结霜除霜损失系数在0.8左右，即有20%的供热量需要用来除霜，初选空气源热泵冷热水机组时 ,除了将铭牌上的标准工况下的制热量变为使用工况下的制热量外 ,还应按上述提供的结果 充分考虑使用工况下的结霜除霜的热量损失。3 恶劣气候条件下的热泵效率通过工程热力学可以知道，热泵处于逆卡诺循环时的效率最高，定义为制热系数则有式中 制热系数；热泵机组高温侧热源的温度，k；热泵机组低温侧热源的温度，k；对这个公式进行分析可以知道，当外界环境的温度降低时，将会变小。对目前使用的热泵，当环境温度为0时，一般的cop值为2.5左右2，考虑到前面提到的结霜除霜热量损失，那么实际的制热系数会在2.2左右，再考虑上结霜对蒸发器换热效果的不利影响，制热系数甚至会进一步降低。对于目前使用较多的使用四通换向阀将蒸发器与冷凝器交换除霜的办法，在除霜过程中，热泵暂停供热，并且在除霜结束恢复供热的开始阶段温度上升慢，有吹冷风的感觉，这两方面对于供热效果都是很不利的。通过以上的分析，可以大致了解，在环境温度为0的情况下，对于一般的热泵，其制热系数大约会维持在2.0左右，即输入1kw的电能，供热对象可以得到2.0kw左右的热量，与电采暖相比的确是有一些优势的，但是也应看到，使用热泵采暖的舒适性是值得考虑的，这包括温度的均匀性，即房间内人员对房间内温度梯度的满意程度，制热效果的连续性，维护结构及室内其他物体的热辐射对人体感觉的影响等方面。使用热泵采暖，向房间提供的是热空气，由于热空气密度低，会聚集在房顶附近，使供给房间的热量不能得到充分的利用。如果采用加大风速的办法改善气流组织则会产生噪音的问题。人体的脚部对于冷的感觉比较敏感，而使用热泵时，底层空气的温度却最低，影响室内人员的舒适性。即使空气温度足够，房间的维护结构的温度较低，产生的冷辐射也会使人员感到不舒适。在热泵除霜过程中，热泵不能提供热量，房间温度产生波动，同样会影响热舒适性。4 使用电采暖的供暖效果比较使用电采暖虽然在使用成本上看似高，但是可以有更灵活的使用方法，如使用电锅炉配合散热器或地板低温辐射的系统、采用电热膜的辐射供暖提供、采用电热丝敷设于地板构成地板电采暖低温辐射系统，采用低温辐射系统，地板处的温度最高，温度梯度可以很好的满足人体的舒适度要求，如图1、23所示，地板的温度较采用热泵或散热器采暖高，可以减轻由于维护结构温度低产生的冷辐射使人体产生冷感4。同时，电采暖的方法调节方便易于控制，供应热量连续均匀，可以避免使用热泵时的除霜过程停止供热的弊端。图1 人体舒适时室内温度曲线图图2 低温热水辐射采暖系统室内温度高度曲线电采暖从理论上讲是相当不经济的方法，但是这种采暖方式又具有相当大的舒适性的优势，为了减轻能源的浪费情况，可以大力发展节能建筑，或对既有建筑进行维护结构上的保温改造。目前南方建筑的维护结构的保温性能普遍偏差，如果可以使南方建筑特别是大型建筑的维护结构传热系数下降到北方建筑的水平，则不但冬季供暖的能耗会大大降低，对于夏季的用电紧张也是相当有帮助的。如武汉市某酒店工程采用了保温墙体和双层玻璃后，维护结构的传热系数降低到了原来的四分之一，空调系统的装机容量由大大的减小，节能效益非常的显著5。在某些大城市有分时电价的政策，可以利用谷时电价开启电采暖装置配合蓄能装置进行蓄热，在峰时关闭电采暖，使用储蓄的能量供热。也可以取得较好的经济效益。5 热泵的改进建议对于使用在高湿度地区的空气源热泵系统，除霜一直是一个大问题。目前采用的除霜方式有定时控制法、时间温度法、自修正除霜控制法、空气压差除霜控制法、最大平均供热量法、模糊智能控制除霜法、霜层传感器法、室内室外双传感器除霜法6等等，本文不再一一叙述这些方法的原理，这些除霜办法经常会遇到误除霜的问题，这是一个需要解决的重要问题。笔者提出一种改进方法可以从一定程度上缓解误除霜的问题。将室外机的蒸发器盘管数量增加一部分，在平均分成两部分，构成两个独立的蒸发器，在一般工况下使用其中一个蒸发器，采取前面提到的方法中的一种确定除霜时刻，除霜时直接换到另外一个蒸发器使用。对替换下来的结霜的(或机器认为结霜)蒸发器进行除霜措施，与单蒸发器的机器相比，使用双蒸发器的热泵对除霜时间的要求比较低，除霜时间就是另外一个蒸发器的使用时间。除霜时间延长，可以寻求更经济的除霜办法，如果环境达到一定温度，可以让蒸发器表面的霜自行消融。如果环境温度较低，可以让结霜的蒸发器接入系统充当冷凝器，利用热泵的小部分热量进行除霜，当然，除霜过程不应该对室内供暖产生明显影响。空气源热泵使用在潮湿地区，结霜是不可避免的。所以应当发展其他类型热泵，如土壤源热泵、污水源热泵等，或者将空气源热泵与太阳能、蓄能技术结合起来，改善结霜问题。这些领域目前的研究都是比较热门的，相信在不远的将来可以取得较大的突破，使得热泵系统很好的应用在潮湿的南方。6 结语通过以上的分析，可以得到这样的结论：热泵采暖在目前的技术条件下并不一定可以得到很好的供暖效果，电采暖也不一定就是不合理。当在南方使用的热泵遇到恶劣气候时，可以考虑使用电采暖作为一种补充措施，对于气候条件不适合使用空气源热泵的地区，不应盲目上马，需要对各种供暖方式进行可行性、经济性的全面分析后再确定采暖的方式。热泵的效率非常的高，应当努力发展多种形式的热泵系统，减少能源的浪费，改善我们居住的环境。参考文献1 姜益强,姚杨,马最良.空气源热泵结霜除霜损失系数的计算.问题讨论, 2000年第30卷第5期.2 颜浩.空气源热泵在建筑节能中大有作