空氣源熱泵降濕除霜分析

2014-06-12 12:17:31高瑞琦

機電信息 2014年25期

高瑞琦

（揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州 225002 ）

空氣源熱泵降濕除霜分析

高瑞琦

（揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州 225002 ）

對空氣源熱泵結霜特性進行了分析，討論了空氣源熱泵換向除霜存在的問題，并提出了一種空氣源熱泵降濕除霜新系統，從根本上解決了冬季供熱時的結霜問題，從而解決了因結霜而導致的運行可靠性和穩定性差的根本問題。

空氣源熱泵；結霜；除霜；換向除霜熱泵；降濕除霜系統

0 引言

熱泵技術是利用低溫可再生能源的有效技術之一，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與環境保護之間的矛盾，順應了現代社會科學用能的要求。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現一機兩用，不需要冷卻水系統，也沒有因為使用鍋爐帶來的環境污染，安裝方便等諸多優點，而得到了廣泛的應用。但從目前空氣源熱泵的實際運行效果來看，供熱運行時的效果并不十分理想，究其原因，主要是因為蒸發器結霜及除霜導致機組運行的不穩定和可靠性差。

1 空氣源熱泵結霜特性

當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，外界空氣換熱器會發生結霜。具體分析可知，當室外空氣溫度低于7 ℃且相對濕度大于70%時，露點溫度低于0 ℃換熱器表面會出現結霜。但并不是室外溫度越低結霜越嚴重，因為空氣中的含濕量會隨著空氣溫度的下降而下降。所以當空氣溫度低于-5 ℃時，即使相對濕度高達90%～100%，空氣中的含濕量也不過2～3 g/kg，即使結霜也不足為患。

由上述分析可得，室外溫度在7～-5 ℃之間時會發生結霜問題。隨著霜層的形成增加了導熱熱阻，降低了蒸發器的傳熱系數。盡管在結霜的早期，由于霜層增加了傳熱表面的粗糙度及表面積，使總傳熱系數有所增加，但隨著霜層增厚，導熱熱阻的影響逐漸成為影響傳熱系數的主要方面，總傳熱系數開始下降。此外，霜層的存在加大了空氣流過翅片管蒸發器的阻力，降低了空氣流量。正是由于這些問題，當空氣側換熱器結霜并隨著霜層厚度的增加會出現蒸發溫度下降、制熱量下降、風機性能衰減、電流加大等諸多不良現象而使空氣源熱泵機組的可靠性和穩定性大大下降，因此必須通過除霜來解決這些問題。

2 空氣源熱泵換向除霜存在的問題

目前國內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，使熱泵的制熱工況轉變為制冷工況運行，以便室外換熱器溫度升高，達到除霜的目的。

根據控制方法不同，換向除霜主要分為定時除霜和按需除霜。

（1）定時除霜是指當表征結霜特性的某一參數達到額定值時（如室外溫度達到7 ℃以下，蒸發器表面溫度達到某一設定值等），時間繼電器開始動作，按確定的時間間隔進行化霜。定時除霜的特點是控制線路簡單、操作方便，但易發生不當除霜而引起不必要的能量損耗。

（2）按需除霜是指當表征結霜特性的某些參數（如空氣通過室外盤管的壓力降、盤管與空氣之間的濕差、室外風機風量減少或功耗增加量等）達到給定值時，開始化霜，2次除霜之間的時間間隔根據結霜情況而定。按需除霜的特點是能及時恰當地消除室外換熱器表面結霜，并無多余能量消耗，其缺點是控制較復雜，對控制系統的靈敏度要求較高。

換向除霜的特點是對室外側換熱器進行周期性除霜。除霜過程中為了避免向室內空間吹冷風而影響室內舒適度，室內機的風機通常是關閉的，從而導致除霜過程中從室內機取熱量不足并引發一系列問題。這些問題包括除霜時間延長，由于室內無供熱而使室內空氣溫度降低，影響室內熱舒適。而且由于除霜后室內盤管溫度非常低，提供有效供熱的時間推遲，從而進一步延長室內無供熱的時間，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，空氣源熱泵的結霜溫度范圍在7～-5 ℃。只要當室外空氣溫度進入此范圍時，將空氣相對濕度處理到60%以上，其含濕量便低于3 g/kg，即使結霜也不足畏懼。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，需定期補充或更換溶液，且設置、維護費用高；冷卻除濕，若冷卻盤管的表面溫度在0 ℃以下，凝結水即在盤管表面凍結，使冷卻效率降低，除濕效果也降低，因此無法獲得穩定濕度。

由于上述方法諸多不合理之處所以選擇轉盤除濕。轉盤除濕以蜂巢結構組成圓筒狀轉盤，再由特殊結晶加工法附著吸濕劑（氯化鋰、矽膠、沸石等）原料制成除濕轉盤。此除濕轉盤在箱體內回轉，該箱體分隔成除濕區和再生區。除濕用的空氣通過除濕區，由轉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依轉盤回轉移動至再生區，由再生加熱空氣帶出轉盤內水分排出至室外，轉盤在再生區放出水分后回轉至除濕區，如此除濕及再生同時連續進行，可獲得穩定的除濕空氣。降濕除霜系統及控制流程如圖1、圖2所示。