冰水源熱泵核心技術研究

張雁秋　尚德敏

摘? 要：水的凝固熱是水溫降1度放熱量的80多倍，為提取水的凝固熱，通過研究分析現有技術，總結其不足之處，經過分析和實驗，研制了一種微變形除冰提熱技術，該技術實現了利用較少的能量消耗可以連續獲得水的凝固熱。該技術具有經濟性，為冰水源熱泵的應用創造了條件，因此有廣闊的應用前景。

關鍵詞：凝固熱;冰點提熱;冰水源熱泵;熱泵系統微變形除冰

中圖分類號：TU83? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）08-0155-03

Abstract： The solidification heat of water is more than 80 times of the heat released by 1 degree drop of water temperature. In order to extract the solidification heat of water， the existing technologies are studied and analyzed， and its shortcomings are summarized. Through analysis and experiments， a micro-deformation deicing heat extraction technology is developed. this technology realizes that the solidification heat of water can be obtained continuously with less energy consumption. This technology is economical and creates conditions for the application of ice source heat pump， so it has a broad application prospect.

Keywords： solidification heat; freezing point heating; ice source heat pump; micro-deformation deicing of heat pump system

1 概述

根據熱泵所用低溫熱源不同，可分為土壤源熱泵、空氣源熱泵、水源熱泵等幾種。在嚴寒的冬天，許多地區因氣溫低，水資源緊張使得熱泵技術無法應用，不得不直接用電熱取暖。那么，有沒有理想的低溫熱源呢？人們發現水結冰釋放的凝固熱，可作為熱泵的低溫熱源[1]。

水的凝固熱為336kJ/kg，即1kg、0℃水凝固成0℃冰時釋放336kJ的熱量，而1kg的水降低1℃所釋放的熱量是4.2kJ，即水的凝固熱大約是水比熱容的80倍，水的凝固熱大，凝固時的溫度又不很低，因此水凝固放熱具有很高的利用價值。有效提取水凝固熱，并作為熱泵的低溫熱源，將會有良好的應用價值。

2 國內冰點提熱的研究現狀

利用水結冰的凝固熱作為熱泵低溫熱源的熱泵稱為冰水源熱泵或凝固熱熱泵，近幾年來，國內高校多位學者對此進行了卓有成效的研究。其中，有錢劍鋒，孫德興[2]、青島大學的鄭記莘，吳榮華[3]。他們從凝固熱利用機理上給出了深入分析，也有一些實驗研究成果。

在冰水源熱泵蒸發器內，通過制冷劑吸熱將水凝固成冰，提取凝固熱是很容易做到的，而水結冰后凍結在換熱壁面上，如何將冰剝落并且被帶走，除冰的方式盡可能節能而有效，是冰點提熱重點要解決的核心問題。

當前研究的除冰方法有機械刮冰、撞擊除冰和熱熔冰三種除冰方式[4]。

機械刮冰采取的方法有旋轉式刮刀或往復式刮刀，但刮刀會磨損，同時刮刀與換熱壁面存在一定間隙，除冰效果較差;撞擊除冰法采用固液流化床和旋流除砂工藝，但砂的撞擊在冰層達到一定厚度時很難及時將冰除掉，而且會有局部撞擊不到的死角;熱熔冰的方式為定時加熱壁面除冰，采用一種高溫熱源，瞬時加熱換熱壁面，使與壁面接觸的冰融化，這樣冰層便整體剝落，但對于熱源的需熱量相對較大，運行成本變高。

3 冰點提熱實驗研究

我們在研究冰點提熱時，探討并實驗過兩種方案，一種是壁面熱熔法除冰，一種是螺旋滾刀擠壓切冰法除冰。在研究過程中搭建了試驗臺，并取得了關鍵試驗數據。

（1）壁面熱熔法，除冰裝置的熱源水在管內流動，乙二醇溶液在殼程內流動。當乙二醇溶液提熱，熱源水逐漸放熱凝固后，管內形成冰柱。融冰時采用制冰機組的冷凝器側熱量融冰，管外轉換成乙二醇熱溶液，管內靠壁面處冰溶解，受密度影響，所成形的冰柱便從管內浮出水面。整個裝置運行參數為：設備運轉21min，結冰20min，融冰1min。熱水側循環水量為2m3/h，供暖水得熱量4.72kW，平均耗電量2.15kW，經統計，運行平均能效比為2.19。凝固熱占熱源側總放熱量的65%。

（2）螺旋滾刀擠壓切冰法除冰，以一臺片冰機為冰源熱泵的主體設備，其采用8℃自來水制冰，小時制冰量為25kg，冰的凝固放熱量為2.32kW，機組及泵的耗電量為2.196kW，將120kg的8℃冷水加熱到40℃，得熱量為4.46kW，熱水循環管及熱水箱有熱量損失，約0.22kW，占總制熱量4.7%。總制熱量為4.68kW，系統運行平均能效比為2.13。

通過上述兩組試驗，驗證了凝固熱的可利用性，但為了得到冷凝器側較高的出水溫度，壓縮機耗電量較大，融冰、除冰裝置的耗熱量占比也較大。

4 冰點提熱除冰新技術

冰點提熱的核心技術是除冰技術，鑒于現有的幾種除冰技術都不太理想，我們以提取自然環境中水的凝固熱的角度研究除冰技術，而非獲得冰，也就是當水剛剛達到結冰即可。自然環境中的水大多含有雜質，雜質的存在會促使水在較低過冷度時結冰[6]，也就是獲得凝固熱的時間較短，符合水流經換熱器的短暫時間內放出凝固熱并被除冰。

基于這一技術路線，我們發現換熱壁面微形變的除冰方法相對經濟并且容易實現。當結冰的換熱壁面產生形變時，較薄冰層會產生脆裂并自動脫落。因此只要換熱面能緩慢、有規律的連續形變，就可以保證從水中提取凝固熱，同時有效除冰。

我們當前研究的具體的微變形除冰結構是采用彈力結構設計，令換熱器內的每一塊換熱壁面均在一定的時間規律下變形、復位，在這一過程中壁面所結的薄冰被碎裂并脫落，然后被尚未結冰的低溫水沖出換熱器。

實驗顯示，當冰層只有2mm時，換熱壁面只要有0.5mm的微小變形，換熱壁面上的冰就會裂開，冰層與壁面獲得分離，而加在形變上的力遠小于刮冰的機械力，這種方式可以消耗較少的能量達到除冰的目的。

換熱器的換熱壁面采用厚度為0.5mm的不銹鋼，兩片換熱板組成一個換熱單元，并壓制出特殊波紋，換熱單元豎直安裝，在換熱器的上下兩端各安裝一個軸，橫向穿透。兩根軸由連桿連接，并由電機帶動緩慢地做往復運動，換熱單元的面與軸固定，隨著軸的推拉，壁面發生微小變形。

乙二醇溶液按體積濃度30%配比，進出換熱器溫度為-20～-15℃;當5℃的低溫水進入換熱器后，貼近換熱壁面的水迅速降溫，形成2mm厚的冰層時間約2min，水在換熱器內的流速需要控制，才能使水充分放熱，同時還要兼顧冰漿的流動性，因此應在流速設計和結構設計時充分考慮。電機往復運動的時間間隔設定為1min。分離的薄冰在未結冰的低溫水帶動下以冰漿的形式流出換熱器，換熱器的水出口大于入口尺寸，方便冰水混合液的排出。冰點提熱換熱器的結構示意圖如圖1所示。

5 冰水源熱泵推廣意義

為了提高冰水源熱泵供熱出水溫度，我們設計了冰水源熱泵串聯提熱系統。按解決1萬平米建筑的供熱需求配置了系統（擬定熱負荷450kW），供熱環境可以在山東、江浙一帶有供熱需求而且冬季湖水不結冰的地區，湖水溫度平均約5℃，比較適合應用冰點提熱技術。系統設置兩級熱泵，第一級冰水源熱泵冷凝器的進、出水溫度設定成較低值，即23～17℃，并作為第二級高溫熱泵蒸發器的低位熱源，第二級熱泵冷凝器出水溫度為45～50℃。系統流程圖如圖2所示。

第一級熱泵運行能效為5.16，熱泵出水溫度為23℃;第二級熱泵運行能效為5.41，熱泵出水溫度為50℃;冰點提熱換熱器的電機功率為1.5kW。江水的結冰率為20%，江水的取用流量為12.48m3/h，結冰量即為2496kg/h，水凝固放熱量為336kJ/kg。

系統的主要運行數據見表1所示，為保證冰點提熱的連續，取水點與退水點之間應保證一定的距離，確保進入冰點提熱換熱器的是低溫的江水，而非冰水混合物。

一種供熱形式節能與否可以用一次能源利用率來分析，鍋爐、電加熱的一次能源利用率均小于1，一次能源利用率的公式為：Er=Qr/Qp

式中：Er-一次能源利用率;Qr-制熱的能量;Qp-消耗一次性能源的能量。

系統運行總耗電量為156.8kW、電力折標系數為0.1229kgce/（kW·h）[7]，計算耗標煤19.27kg，目前我國火力發電效率及電力輸送效率總和平均為35%，實際耗標煤55.06kg;熱泵制熱量為452kW，標準煤低位發熱值為29.3076MJ/kgce，計算折合燃燒標煤55.52kg。冰水源熱泵系統的一次能源利用率為1.008，即：Er=Qr/Qp=55.5/55.06=1.008。由此可以確定冰水源熱泵只要采取了有效的提熱除冰方式，就能夠獲得良好的應用價值。

6 結論

通過上述微變形除冰方式和合理的系統設計，利用12.48m3/h的低溫水源水就可以為1萬平米建筑供暖。實現了采用微變形除冰冰點提熱技術，在水源水量少、溫度低的情況下，仍可以發揮水源熱泵的功能，消耗少量能耗，實現供暖。因此此項除冰技術具有良好的經濟性及市場應用前景。

參考文獻：

[1]韓宗偉，王一茹，楊軍，等.嚴寒地區熱泵供暖空調系統的研究現狀及展望[J].建筑科學，2013，29（12）：124-133.

[2]錢劍峰.孫德興.含內熱源相變介質在圓管中的凝固分析[N].太陽能學報，2007，28（8）：897-900.

[3]鄭記莘，吳榮華.提取冷水凝固熱的熱泵系統技術方案[J].暖通空調，2016，46（10）：140-142，111.

[4]師云濤.提取冷水凝固熱的熱泵系統技術方案[J].現代制造技術與裝備，2018（5）：140-141.

[5]何國庚，吳銳，柳飛.過冷水法冰漿制取的實驗設計與分析[J].低溫與超導，2006，34（4）：303-307.

[6]GB/T2589-2008.綜合能耗計算通則[S].