2020年暖通工程师讲义：空气源热泵结霜、化霜

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空气源热泵结霜、化霜问题的研究

由于空气源热泵冬季采用空气作为热源，所以，随着室外温度的降低其蒸发温度也随之降低，蒸发器表面温度随之下降甚至低于0 ℃。此时当室外空气在流经蒸发器被冷却时其所含的水分就会析出并依附于蒸发器表面形成霜层。结霜对热泵是极其不利的。随着霜层的形成蒸发器传热热阻增加蒸发温度下降机组的性能下降工况恶化制热量也将下降这将严重影响压缩机以及热泵整体的性能同时除霜带来的额外费用还将降低空气源热泵的经济性这也就是为什么空气源热泵在寒冷、潮湿地区的应用受到限制的原因。所以说结霜机理、化霜方法一直是空气源热泵研究与应用中要解决的重点与难点。目前有不少关于空气源热泵机组冬季运行状况的研究主要分析供热时不同工况下空气盘管表面湿空气结霜、结露及干冷却特性并结合结霜过程进行试验和模拟分析了迎面风速、环境温湿度、翅片间距、管排数等参数对结霜性能的影响及其所可能产生的一系列后果。了解结霜的机理的主要目的是要解决如何除霜的问题。传统的除霜控制方法主要包括：定时除霜法时间—温度(压力)法空气压差控制除霜法霜层传感器控制除霜法声音震荡器控制除霜法最大平均供热量控制除霜法最佳除霜时间控制法等。这些方法各有利弊有待完善。近年来由于计算机技术的发展将模糊控制技术引入空气源热泵除霜问题的研究作为一项先进可行的新技术逐渐引起了人们的注意。这主要是因为空气源热泵结霜问题的影响是多因素非线性的而模糊控制技术的优势就是处理多维、非线性、时变问题。这样一来将模糊控制技术引入空气源热泵的除霜控制通过对除霜过程的系统响应分析，可以使除霜控制能够自动适应机组工作环境的变化达到智能除霜的控制要求。此外还有考虑环境工况变化的双温度传感器智能化除霜控制方法等。尽管空气源热泵具有很多优点但受室外环境的限制也比较大这也是空气源热泵目前仅在我国黄河以南地区得到了广泛应用的主要原因。而在黄河以北地区应用空气源热泵则根据所处地区不同有其特殊要求。目前关于西安、胶东以及寒冷地区空气源热泵的实际应用情况已有研究并就所遇到的如压缩比过大等具体问题提出了一些相应的改进措施可在相应地区的实际应用中作为参考。此外为了对空气源热泵结霜除霜所带来的损失进行量化的分析有研究提出了不同地区、不同使用情况下的平均结霜除霜损失系数的概念平均结霜除霜损失系数越大的地区应用空气源热泵越不经济。据此将我国空气源热泵使用地区根据平均结霜损失系数分成4 类：低温结霜区：如济南、北京、郑州、西安、兰州等;轻霜区：如成都、桂林、重庆等;重霜区：如长沙;一般结霜区：如杭州、武汉、上海、南京、南昌、宜昌等。这些都可以作为热泵设计选用中重要的参考依据。`

空气源热泵节能问题的研究

火用是对系统能的质与量的综合评价。对系统进行火用分析可以揭示出系统中火用损失的部位、类型和数量以便设法减少这些损失。通过火用计算分析可知压缩功只有20 %被利用而有80 %被损失其中压缩机火用损失占30. 7 % 冷凝器占20.14 % 蒸发器占17.15 % 毛细管占10 %。由此我们可以看出空气源热泵系统节能的主要部件是压缩机提高压缩机本身的技术指标是提高整个系统火用效率的关键而冷凝器和蒸发器火用优化措施主要是设法降低传热温差。当然系统的节能改进与经济性是相互制约的仅从能效进行分析有一定的局限性。从这个角度出发有关研究人员提出供热最佳经济平衡点的概念以期在此最佳经济平衡点温度条件下整个供热系统(热泵+辅助热源)的初投资与运行费最少从而合理实现热泵节能优化。此外通过空气源热泵机组与水冷冷水+锅炉机组、溴化锂吸收式机组(+锅炉)这3 种方案的经济性比较可以得出空气源热泵相对于其它两种形式而言经济性上具有显着的优越性。

空气源热泵有待解决的问题及改进方向：

对于空气源热泵而言除了具有种种优点之外仍存在很多不足及有待解决的问题。空气源热泵的性能受室外气候条件变化影响较大随着室外环境的恶化而恶化。夏季随着室外空气温度的升高制冷负荷增大但热泵系统冷凝温度升高热泵温差增加机组整体效率降低;冬季随着空气温度的降低供热负荷增大而蒸发温度随之降低热泵温差增大导致机组整体效率降低。同时随着室外条件的恶劣热泵的工作性能急剧下降又反过来加剧了室外环境的恶劣程度。进一步研究应考虑采取相应措施来合理改善机组的性能。

空气源热泵另一个突出的问题就是蒸发器冬季结霜问题。这不但导致系统供热性能的急剧下降还将对压缩机等重要部件产生不良影响(如冰堵)严重时将损坏压缩机使系统不能正常运转同时结霜还将使机组运行费用增加。尽管我国在这方面已经做了很多研究工作但关于结霜的控制措施及除霜技术的研究方面还需要进一步进行深入研究和实验论证。另外如何对机组本身进行优化设计减少结霜如何采用更好的除霜方式来提高

空气源热泵的运行效率节约机组的费用这些都仍值得探讨。

由于室外空气一年四季甚至一天当中的温度波动较大这就对实现整个空气源热泵系统的自动控制提出了很大的挑战关于这一方面的研究尚不多见还有待于逐渐探索和完善。

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