空氣源熱泵降濕防結(jié)霜方法分析

陸心怡 徐佳琦

摘要：對(duì)空氣源熱泵結(jié)霜現(xiàn)象及其危害進(jìn)行了分析，分析了目前空氣源熱泵除霜方法存在的問(wèn)題，并提出通過(guò)降低空氣含濕量除霜的思路，從根本上解決空氣源熱泵冬季供熱時(shí)的結(jié)霜問(wèn)題，提高空氣源熱泵冬季運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；結(jié)霜；降濕除霜

熱泵是一種將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的裝置，也是全世界倍受關(guān)注的能源節(jié)約技術(shù)?？諝庠礋岜美每諝庵械臒崃孔鳛榈蜏?zé)嵩矗諝馊≈槐M用之不竭，因此空氣源熱泵運(yùn)行成本較低。利用少量的電能，將空氣中大量的低溫?zé)崮?，通過(guò)壓縮機(jī)的壓縮成為高溫?zé)崮?，無(wú)需復(fù)雜的配置，不需復(fù)雜的冷卻水系統(tǒng)，節(jié)能效果突出?？諝庠礋岜玫倪\(yùn)行過(guò)程無(wú)任何燃燒物外排，沒(méi)有因?yàn)槭褂缅仩t帶來(lái)的污染，解決了利用能源與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，順應(yīng)了現(xiàn)代社會(huì)節(jié)能減排、科學(xué)用能的要求。同時(shí)，空氣源熱泵還因?yàn)檫m用范圍廣、性能穩(wěn)定，不受天氣影響、占地空間小、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。

對(duì)空氣源熱泵來(lái)說(shuō)，目前技術(shù)最薄弱的環(huán)節(jié)就是冬季運(yùn)行時(shí)的除霜問(wèn)題。蒸發(fā)器結(jié)霜導(dǎo)致空氣源熱泵運(yùn)行性能惡化，換熱能力下降。而除霜過(guò)程則增加了空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致室內(nèi)的舒適性降低。

1 空氣源熱泵結(jié)霜現(xiàn)象及其機(jī)理

當(dāng)空氣中的水蒸氣接觸到溫度低于空氣露點(diǎn)溫度的管及翅片表面時(shí)，外界空氣換熱器就會(huì)發(fā)生相變結(jié)霜現(xiàn)象。結(jié)霜現(xiàn)象并不只有溫度這一個(gè)影響因素，溫度越低，空氣中的含濕量越低，結(jié)霜現(xiàn)象不一定越嚴(yán)重。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)空氣溫度低于5 ℃時(shí)，即使相對(duì)濕度很高，空氣中的含濕量也不過(guò)2～3g/kg，這樣的含濕量不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)霜現(xiàn)象。[1]

成霜初期，獨(dú)立分散的霜晶類(lèi)似于肋片，增加了傳熱表面的粗糙度及表面積，可以起到強(qiáng)化傳熱的作用。但隨著時(shí)間的推移，換熱器表面逐漸被霜晶覆蓋，形成連續(xù)的霜層，并且霜層逐漸增厚。霜層作為多孔介質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)小，造成導(dǎo)熱熱阻增大且成為影響傳熱系數(shù)的主要因素。導(dǎo)致總傳熱系數(shù)降低，系統(tǒng)的傳熱性能下降，增加能耗。此外，霜層增大了空氣流過(guò)翅片表面的阻力，降低了空氣流量，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐上到y(tǒng)堵塞，引發(fā)非常嚴(yán)重的后果。根據(jù)國(guó)外科學(xué)家的研究，結(jié)霜引起了板翅式換熱器上50%～75%傳熱的降低和壓力的增加。[2]由于這些原因，當(dāng)外界空氣換熱器結(jié)霜且霜層增厚時(shí)，熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度下降，能效比降低，換熱器換熱能力下降，運(yùn)行性能惡化。制熱量、風(fēng)量、COP及壓縮機(jī)耗功也均下降，大大影響了空氣源熱泵機(jī)組的可靠性和穩(wěn)定性。[3]因此，找到合適的方法除霜十分重要。

2 目前空氣源熱泵除霜的常用方法及存在的問(wèn)題

2.1 逆循環(huán)除霜

即為市面上最常用的四通閥換向逆向除霜，在需要化霜的時(shí)候，熱泵的制熱工況將轉(zhuǎn)變?yōu)橹评涔r，改變運(yùn)行工況方式后，室外換熱器溫度升高，融化所結(jié)的霜層。逆循環(huán)除霜系統(tǒng)除霜的時(shí)候排氣壓力較小，經(jīng)過(guò)四通閥換向后，易對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，引發(fā)“油奔”的問(wèn)題。除霜過(guò)程中，室內(nèi)機(jī)的風(fēng)機(jī)通常關(guān)閉，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)溫度降低，除霜時(shí)間延長(zhǎng)，大大影響室內(nèi)的舒適度?；^(guò)程不僅不能制熱水，同時(shí)還需要消耗原有的熱水的能耗，除霜過(guò)程降低了室內(nèi)盤(pán)管的溫度，從而室內(nèi)再次供熱的時(shí)間推遲，造成舒適感較差。

2.2 熱氣旁通法除霜

熱氣旁通法除霜通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)來(lái)控制制冷劑流路的導(dǎo)通和斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)除霜和制熱模式的切換。由于熱氣旁通系統(tǒng)除霜時(shí)所需功耗全來(lái)自壓縮機(jī)的輸入功率，導(dǎo)致其除霜時(shí)間較長(zhǎng)。與逆循環(huán)除霜方式相比，熱氣旁通法在除霜性能上有所改進(jìn)，對(duì)室內(nèi)舒適度的影響不大，不會(huì)有四通閥換向造成的噪聲問(wèn)題。但其除霜時(shí)間較長(zhǎng)，除霜過(guò)程耗費(fèi)的能量較多，在節(jié)能方面略有欠缺，不符合當(dāng)今社會(huì)節(jié)能減排的發(fā)展要求。

3 空氣源熱泵降濕除霜方法分析

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)霜是在一定的溫度濕度條件下出現(xiàn)的，因此降低室外換熱器處的空氣含濕量，破壞結(jié)霜的條件，直接避免霜層的形成，可從根本上解決熱泵因結(jié)霜而導(dǎo)致的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

現(xiàn)分析幾種常用的空氣除濕方法。

3.1 壓縮除濕方式

對(duì)空氣進(jìn)行壓縮再冷卻，可將空氣中的水分凝結(jié)成液態(tài)水。將凝結(jié)出的水排出并對(duì)其進(jìn)行加熱，即可獲得較低含濕量的空氣。但壓縮除濕方法存在一個(gè)較大的問(wèn)題就是壓縮時(shí)動(dòng)力消耗過(guò)大，且無(wú)法達(dá)成大規(guī)模除濕。這些缺點(diǎn)限制了壓縮除濕方法的使用范圍，也因?yàn)椴环夏壳吧鐣?huì)對(duì)技術(shù)發(fā)展節(jié)能環(huán)保的要求，發(fā)展前景不是很好。

3.2 冷卻除濕方法

根據(jù)空氣中的水分含量隨著空氣溫度的降低而減小的原理，將室外空氣通過(guò)表冷器，空氣經(jīng)過(guò)表冷盤(pán)管冷卻降溫。隨著空氣溫度的降低，空氣中的水蒸汽逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)。當(dāng)空氣被冷卻至露點(diǎn)溫度以下時(shí)，空氣中的水蒸汽凝結(jié)成水并析出，將凝結(jié)水排出即可降低空氣中的絕對(duì)含水量，實(shí)現(xiàn)除濕的過(guò)程。

冷卻除濕最大的缺點(diǎn)就是它的適用范圍較小，只能用于露點(diǎn)溫度0℃ 以上。當(dāng)冷卻盤(pán)管的表面溫度降低到0℃ 以下時(shí)，水蒸汽凝結(jié)成的水會(huì)凍結(jié)在表冷盤(pán)管表面，固態(tài)水會(huì)降低表冷盤(pán)管的冷卻效率，也會(huì)使除濕效果變差，無(wú)法獲得需要的空氣濕度。

3.3 溶液除濕

溶液除濕技術(shù)利用了溴化鋰溶液等鹽溶液吸濕量大的特性，使用鹽溶液作為吸收劑吸收空氣中的水蒸氣，從而達(dá)到空氣除濕的目的。溶液除濕系統(tǒng)的主要部件為除濕機(jī)、再生器以及循環(huán)泵，除濕機(jī)內(nèi)進(jìn)行吸收劑的噴淋并通入空氣，空氣中的水分被吸收而達(dá)到除濕效果。吸收了水分的鹽溶液被循環(huán)泵打入再生器，由加熱盤(pán)管加熱的再生空氣與之接觸，鹽溶液中的水分因受熱而蒸發(fā)析出，并隨同再生空氣一同排出。再生器內(nèi)的鹽溶液濃度因此提高恢復(fù)為濃溶液，經(jīng)由循環(huán)泵進(jìn)入除濕機(jī)繼續(xù)工作。[4]

溶液除濕技術(shù)雖然可連續(xù)除濕，獲得穩(wěn)定的除濕空氣。但除濕機(jī)內(nèi)噴淋的鹽溶液為霧狀，與空氣接觸時(shí)需要處理好溶液飛濺的問(wèn)題，減少溶液被空氣帶出的可能。且鹽溶液作為循環(huán)利用的工質(zhì)，需要定期補(bǔ)充更換，由此帶來(lái)維護(hù)費(fèi)用較高的問(wèn)題，運(yùn)行時(shí)比較麻煩。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)空氣源熱泵來(lái)說(shuō)，目前技術(shù)最薄弱的環(huán)節(jié)就是冬季運(yùn)行時(shí)的除霜問(wèn)題。霜層會(huì)堵塞肋片間通道，增加空氣流動(dòng)阻力，同時(shí)增加換熱器熱阻，使換熱能力下降；霜層還使蒸發(fā)溫度下降，能效比降低，致使熱泵運(yùn)行性能惡化，直到不能正常工作。

（2）目前逆循環(huán)除霜、熱氣旁通除霜等方法不僅會(huì)影響制冷設(shè)備的正常運(yùn)行，還會(huì)消耗大量的能量，降低系統(tǒng)運(yùn)行效率，而且除霜效果也并不十分理想。

（3）利用可以降低流過(guò)空氣源熱泵蒸發(fā)器換熱器表面空氣濕度的除濕裝置，使換熱器表面空氣的濕度降低至結(jié)霜濕度以下，以防止在空氣源熱泵系統(tǒng)中，由于空氣濕度過(guò)大，在換熱器表面結(jié)霜影響熱泵性能。雖然目前市面上空氣除濕的方法都存在或大或小的問(wèn)題，但隨著這些方法的進(jìn)一步研究與完善，必將解決空氣源熱泵供熱結(jié)霜問(wèn)題，并促進(jìn)空氣源熱泵更加廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]高瑞琦.空氣源熱泵降濕除霜分析[J].機(jī)電信息，2014，25（3）：7273.

[2]Emery A F， Siegel B L. Experimental measurements of theeffects of frost formation on heat exchanger performance[C]. Proceedings of AIAA/ASME Thermonphysics and Heat Transfer Conference，1990，139：17.

[3]郭憲民.空氣源熱泵結(jié)霜問(wèn)題的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展（Ⅱ）[J].制冷與空調(diào)，2009，3（9）：814.

[4]唐亮，祖述程.空氣的除濕處理技術(shù)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010，7.

作者簡(jiǎn)介：陸心怡（1996），女，江蘇南通人，研究方向：制冷與空調(diào)工程；徐佳琦（1996），女，云南昆明人，研究方向：新能源科學(xué)與工程。