空气源热泵机组除霜技术探讨.pdf

暖通空调H V A C2 0 1 0 年第4 0 卷第1 期 1 2 3 空气源热泵机组除霜 技术探讨 荆楚理工学院王平 华中科技大学董敬字 武汉友信空调设备装饰工程有限公司董际鼎 摘要分析了空气源热泵产品在北方地区应用受限制的原因 研究了空气源热泵产品的 结霜条件 制热效率和性能系数等 提出了改进措施 研制了低环温型空气源热泵空调机组 测试数据表明 该机组在北方地区具有较好的制热效果 关键词空气源热泵空调热泵热水器低环境温度 D i s c u s s i o no nd e f r o s t i n gt e c h n i q u ef o ra i r s o u r c eh e a tp u m pu n i t s B yW a n gP i n g D o n gJ f n g y ua n dD o n gJ 1 d t n g A b s t r a c t A n a l y s e st h ec a u s e sf o rl i m i t e da p p l i c a t i o no fa i r s o u r c eh e a tp u m pu n i t si nn o r t h e r nC h i n a S t u d i e st h ef r o s t i n gc o n d i t i o n s h e a t i n ge f f i c i e n c ya n dc o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c ea n dp r o p o s e si m p r o v i n g m e a s u r e s D e v e l o p sa na i r s o u r c eh e a tp u m pu n i tf o rl o we n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e a n dt h et e s tr e s u l t s s h o wt h a tt h eu n i th a sg o o dh e a t i n ge f f e c t si nt h en o r t hr e g i o n K e y w o r d s a i r s o u r c eh e a tp u m p a i rc o n d i t i o n i n gh e a tp u m pw a t e rh e a t e r l o we n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r e d i n g c h uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y J i n g m e n H u b e iP r o v i n c e C h i n a 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l 可以看出 在标准大气 表1 不同温度下饱和湿空气的含湿量和比焓 压下 饱和湿空气0 时的含湿量为3 7 8g k g 比焓为9 4 2k J k g 一1 0 时的含湿量为1 6 0g k g 比焓为一6 0 7k J k g 一2 0 时的含湿量为 0 6 3g k g 比焓为一1 8 5 5k J k g 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 王平 女 1 9 6 3 年1 月生 大学 学士 高级工程师 副教授 4 4 8 0 0 0 湖北省荆门市长宁大道8 号阳光家园岚光阁1 单元 1 0 2 窀 O 1 3 9 7 2 8 6 1 7 0 4 E m a i l w a n 9 1 4 6 3 马1 6 3 o o m 收稿 期 2 0 0 9 0 4 2 8 一次修 c q 2 0 0 9 0 7 1 3 二次修回 2 0 0 9 1 2 0 8 万方数据 1 2 4 设备开发暖通空调H V A C2 0 1 0 年第4 0 卷第1 期 入北方寒冷地区的主要原因之一 图1 湿空气始一湿图 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2 7 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 表2 千球温度为2 7 时空气比焓随相对湿度的变化 塑 堡垦 兰 1 0 09 08 07 0 6 0 j 04 0 3 0 2 01 0 空气比焙j k j 7 l g 8 4 67 9 17 3 26 7 36 I 4 5 5 7 4 9 9 4 4 2 3 8 53 2 9 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 艿可用下式估算 艿 1 1 4 p u o 1 矿C r 0 5 1 式中 D 为空气密度 k g m s M 为空气最大流 速 m s 为空气相对湿度 C 为温度系数 0 9 4 0 9 7 r 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 1 0 9w m K 霜的导热系数为0 1 0 6w m K 空气的导热系数为0 0 2 4w m K 显然 霜 的传热量只有铜的0 0 9 7 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 图2 空气源空调热泵热水器的工作原理 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 图3 冬季供热水和向室内供暖示意 万方数据 所以有的时候结霜也并不一 定是坏事 暖通空调H V A C2 0 1 0 年第4 0 卷第1 期 设备开发 1 2 5 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 低于一5 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 在环境温度一5 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 当环境温度低于一1 5 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 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1 5 到5 温差为1 0 比 焓差为2 3 2 7u k g 即空气的失热量为2 3 2 7k J k g 从一1 0 降到一2 0 温差为1 0 比焓差 为1 2 4 8k J k g 即空气的失热量为1 2 4 8k J k g 在环境温度从1 5 降低到 1 0 后 空气的失热 量减少了 2 3 2 7 蚰 k g 一1 2 4 8k J k g 2 3 2 7 l d k g 4 6 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 2m n l 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 2 1 3 空气源热泵机组蒸发温度低 表3 为某公司涡旋式S M 0 8 4 压缩机的性能 在空气温度较低的情况下 空气源热泵产品从 参数表 从表中可以看出 该压缩机的制冷量 性 表3 某公司涡旋式S M 0 8 4 压缩机性能表 5 0H z R 2 2 83 0 0 77 0 0 7l O O l O5 0 0 99 0 0 93 0 0 85 0 0 1 32 0 0 1 25 0 0 1 18 0 0 1 1o o o l O2 0 0 冷凝温度 C O P 苤壅塑室 羔 一2 0一1 5 1 0一7 5 5 2 5 o 2 557 5 1 01 2 51 5 l l 9 7 4 9 4 8 3 2 0 9 8 6 5 3 3 3 3 2 2 2 2 2 0 O 0 O O O O 0 O 0 O 0 0 0 O 0 5 5 5 3 O 7 2 7 O 9 8 7 6 4 3 l 3 2 2 2 2 2 2 2 O 0 O O O O 0 0 0 O 0 O 0 O O O l 2 1 O 8 5 l 6 8 7 6 6 3 2 1 9 2 2 2 2 2 2 2 l 0 O O O O O O 0 O O O 0 O O O O 8 9 9 8 7 5 l 7 5 4 3 2 l O 9 7 2 2 2 2 2 2 1 l O O O O O O O 0 O 0 O 0 O O O O 6 8 8 8 7 5 9 8 3 2 1 O 9 8 7 5 2 2 2 2 1 l 1 l O O O 0 0 O O O O O 0 O O O O 0 6 8 9 9 9 7 5 2 1 O 9 8 7 6 5 4 o 2 1 1 i l O O 0 0 O O O O 0 0 O 0 O O 0 0 7 9 O 1 l O 9 7 9 8 8 7 6 5 3 2 l l O O O O 0 O O O O O O O O O 9 1 3 4 5 5 4 7 7 6 5 4 3 2i 1 O O O 0 O 0 O 0 O O O 0 2 5 7 9 9 O 6 5 4 3 2 2 O 0 0 0 O O O O O O 0 0 6 9 2 4 5 6 4 3 3 2 1 O 弘 帖 弱 舒 万方数据 1 2 6 设备开发暖通空调H V A C2 0 1 0 年第4 0 卷第1 期 能系数等与蒸发温度和冷凝温度有关 在冷凝温度 相同时 蒸发温度越低 制冷量越小 性能系数越 小 由于北方寒冬时空气温度低于一2 0 即使 不结霜 压缩机的能效比也很低 因此不解决空气 源热泵机组冬季蒸发温度低的问题 就无法使空气 源热泵机组在北方寒冷地区使用 2 1 4 空气源热泵机组制热量不足 可通过增加 通风量或蒸发器传热面积加以补充 空气源热泵机组制热量的大小与热泵蒸发器 和冷凝器的吸热和放热效果有关 作为空气吸热器 的蒸发器 其吸热量与通风量的关系为 Q 一 l h 2 F 2 式中Q 为换热器的换热量 k J 为进换热器空 气的比焓 埘 k g h z 为出换热器空气的比焓 k J k g F 为通风量 k g 从式 2 可知 增大进出空气的比焓差或增加 通风量 均可以增大换热器的换热量 实验表明 当环境温度为一1 0 增加1 倍的通风量时 其制 热量可达到7 时的热量 但空气源热泵空调器的 性能系数会有所下降 由于存在结霜问题 制热效 果会差很多 增加通风量和增大蒸发器传热面积 后 结霜情况有所改善 但仍存在较严重的结霜现 象 2 2 低温时的结霜问题 结霜问题不可能彻底解决 但通过一定措施可 以将结霜程度控制在一定范围 下面对此作进一 步分析 2 2 一换热器低温时的结霜速度与温度 相对湿 度和风速有直接关系 在相同的相对湿度和风速下 环境温度越 低 湿空气结霜速度越快 在相同的温度和相对 湿度下 风速越小 湿空气结霜速度越快 在相同 的温度和风速下 相对湿度越高 湿空气结霜速 度越快 2 2 2 换热器的传热系数与霜层厚度有直接关系 空气源热泵换热器的传热系数越大 传热效果 越好 传热系数计算公式为 K 2 耳酉1 写j c 3 口R A T A B 6 f K 式中口R 为制冷剂传热系数 w m 2 断为 传热管的竖直厚度 m a T 为传热管 铜 的导热系 数 3 8 7W m 如为冰霜层的竖直厚度 m A B 为冰霜层的导热系数 2 2 2W m 口K 为 空气传热系数 W m 2 从式 3 可知 在空气源热泵换热器的材料及 厚度 空气的温度 湿度 风速等参数都相同情况 下 换热器的传热系数K 与冰霜层的导热系数A B 和冰霜层厚度如有关 由于冰的导热系数只有铜 的0 5 7 所以冰霜层对换热器的传热效果有很 大的影响 冰霜层厚度越小 换热器的换热效果越 好 2 2 3 减少结霜的方法探讨 上述分析说明了空气源热泵产品制热量不足 可以通过增加通风量得到一定程度的解决 但结霜 问题仍然存在 它无疑是阻碍空气源热泵产品进入 北方市场最突出问题之一 笔者从以下几方面采 取措施改善空气源热泵机组的结霜问题 取得了一 些效果 1 增加热源端通风量 要增加热源端通风量 必然要提高空气的流 速 要提高空气流速 必然要提高风机转速 从而 会增大风机的噪声 提高换热器通风量成本并不 高 也是最有效的方法之一 风机的声功率可用方丹群推导式计算 W c c p s 2 D 27 护 4 式中W 为声功率 e 为正面阻力系数 D 为风扇 直径 u 为圆周速度 f 为声速 风机的声功率也可用尤金公式计算 w 志笋 鼬 2 v 6 L D 5 式中愚为比例系数 愚 0 0 4 s h 为斯脱路哈立 数 取0 1 8 5 l 为叶片长度 从式 4 5 可知 风机噪声的声功率与风扇 圆周速度的6 次幂成正比 或与风扇直径的2 次幂 成正比 增加风机转速或加大风扇直径都会较大 幅度地增大风机噪声 最好的方法是在不改变风扇 直径和转速的情况下增加风扇数量 增加1 个风 扇 风机的总噪声不会产生数学叠加 只增加1 3 d B 由此可知 采用减小风扇直径 变1 个风扇为 2 个风扇 既可增加一定风量 也能有效降低风机 万方数据 暖通空调H V A C2 0 1 0 年第4 0 卷第1 期设备开发 1 2 7 的噪声 2 改进空气换热器设计 在热源端空气换热器的设计中 尽可能加大迎 风面积和肋片的间距 采用阶梯形片距多排设计可 增加空气流量 空气通过温度低于0 的肋片式空气换热器 时 空气中的水蒸气会结成霜附着在管道和肋片 上 流过换热器的空气中的水蒸气减少 空气干度 增大 将空气换热器设计为多排 见图4 按空 图4 三排阶梯片距空气换热器 气流通方向 肋片间距由大逐渐变小 首排设计 为光管 这样即使外层结霜 也不会影响总的通 霜时间 在寒冷的北方地区 空气的含湿量很低 在相 对湿度很低的晴天采用此换热器可以在1 2h 内保 持较稳定的制热量 不需经常除霜 采用此换热器 虽然会增加一定的设备成本 但可以使空气源热泵 产品在寒冷的北方地区得到应用 这也是目前能使 以氢氟烃为制冷剂的空气源热泵产品在寒冷地区 应用的最有效方法之一 3 变速控制热源空气流量 早在1 9 9 9 年 为解决热泵空调器在低环境温 度下的结霜问题 笔者就调节室内进风量进行了试 验 表4 为试验结果 从表4 可以看出 室外环境温度低于名义制热工况温度 干 球温度7 湿球温度6 后 室内进风量较大 时 室外换热器结霜 适当减少室内进风量 将风量 控制在一定范围内 即使室外环境温度低于0 甚至蒸发温度低于0 时 室外换热器也不会结 霜 但进风量减少太多时 输入功率明显增加 严重 风量 既保证了通风量 又延长了空气换热器的结 时压缩机会停机 表4 控制室内换热器风量试验结果 当室内出风温度高于4 5 时 即使室外环 境温度低于0 时 室外换热器也不结霜 4 室内进风量对制热性能的影响 试验数据表明 采用适当的室内换热器进风 量 可以控制室外换热器不结霜 笔者对不同风量 不同室内进风温度下热泵空调器的制热性能进行 了进一步的试验 具体测试数据见表5 从表5 可以看出 随着室内进风量的增加 冷凝温度和蒸发 温度都逐渐降低 相同风量时 室内进风温度越低 越容易结 霜 风量越小 室内出风温度越高 风量太小时 尽 管不结霜 但制热量和能效比也不高 在室外换热器不结霜的情况下 风量越大 万方数据 1 2 8 设备开发暖通空调H V A C2 0 1 0 年第4 0 卷第1 期 制热量和性能系数越大 但并不是线性增加 而是 不同的室外环境温度对应不同的最佳进风量 最佳 进风量时的制热量和制热系数最佳 2 3 试验结果的应用 笔者将增加热源端通风量技术和控制使用端 换热器风量技术同时应用在K F R 一2 0 0 型低环温 空调器上 取得了很好的效果 表6 列出了低环温 空调器在低温工况时与普通集中空调器在名义工 况时的各项指标 表6 普通集中空调器与低环温空调器性能比较 普通集t J 卒蠲器低虾温审调器 进风干球温度7 湿进风f 球温度一5 进风f 球温度一5 壁避 羔堡堡避二 羔燮避二 制热量 w 2 29 7 0 l l4 8 52 10 0 9 运行功率用 性能系数 蒸发温度 冷凝温度 6 2 7 0 3 6 6 2 5 5 2 5 3 1 7 2 1 6 1 0 4 2 63 6 0 3 3 0 一1 0 4 S 注 普通集中窄调器在一5 一7 丁二况时的制热培和性能系数 不包括除霜时的数据 计算此时的实际制热垣和C O P 应加以修 正 制热墙应为2 29 7 0W 0 2 l l4 8 5W C Y P 3 6 6 X 0 5 9 2 1 6 输人功率为1 l4 8 5W 2 1 6 53 1 7W 表7 为普通集中空调机组与低环温型空调机 组成本及冷量对比 从表7 可知 虽然低环温型空 气源热泵空调器机组成本较普通集中空调机组略 高 但其在低温时的性能指标明显高于普通集中空 调机组 表7 普通集中空调机组与低环温型空调机 组成本及冷量对比 普通集中宅凋机组低环温型窀气源热泵地源热泵窄调系统 K F R 2 0 0e J 空调机组 K F R 2 0 0 型 2 00 0 0W 注 表中地源热泵制热斌和性能系数按集中空调机标准工况 蒸发 温度7 5 冷凝温度5 5 取值 3 结论 3 1 采用增大热源端通风量和控制室内换热器通风 量技术的空气源热泵换热器可用于室外环境最低温 度 1 0 以上的北方地区 具有较好的制热效果 3 2 开发冷热双效应同时利用的空气源热泵产 品 可使制冷产品综合能效比实现成倍增长 是制 冷热泵产品的发展方向之一 参考文献 1 薛殿华 空气调节 M 北京 清华大学出版社 1 9 9 1 2 方丹群 空气动力性噪声与消声器I M 北京 科学出 版社 1 9 7 8 简讯 2 0 0 9 年度 暖通空调 杂志特约通讯员表彰与2 0 1 0 年度聘任 吴延鹏 刘学来 高鹏 燕达同志被评为2 0 0 9 年度 暖 通空调 杂志优秀特约通讯员 给予公开表扬 并对夏卓平 王立峰 刘俊杰 张杰 周传辉同志给予表扬 2 0 1 0 年本刊聘请的特约通讯员名单如下 按姓名笔画 为序 王立峰中国建筑西北设计研究院 王昭俊哈尔滨工业大学 刘汉华江西省建筑设计研究总院 刘学来山东建筑大学 刘俊杰天津大学 吴延鹏北京科技大学 张杰北京市建筑设计研究院 林波荣清华大学 周传辉武汉科技大学 夏卓平江苏省建筑设计研究院有限公司 高鹏住房和城乡建设部标准定额研究所 黄维中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院 燕达清华大学 本刊 万方数据 空气源热泵机组除霜技术探讨空气源热泵机组除霜技术探讨 作者 王平 董敬宇 董际鼎 Wang Ping Dong Jingyu Dong Jiding 作者单位 王平 Wang Ping 荆楚理工学院 董敬宇 Dong Jingyu 华中科技大学 董际鼎 Dong Jiding 武汉友信空调设备装饰工程有限公司 刊名 暖通空调 英文刊名 HEATING VENTILATING AIR CONDITIONING 年 卷 期 2010 40 1 被引用次数 4次 参考文献 2条 参考文献 2条 1 薛殿华 空