空气源热泵降湿除霜分析

2014-06-12高瑞琦

机电信息 2014年25期

关键词：霜层除霜结霜

高瑞琦

（扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225002 ）

空气源热泵降湿除霜分析

高瑞琦

（扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225002 ）

对空气源热泵结霜特性进行了分析，讨论了空气源热泵换向除霜存在的问题，并提出了一种空气源热泵降湿除霜新系统，从根本上解决了冬季供热时的结霜问题，从而解决了因结霜而导致的运行可靠性和稳定性差的根本问题。

空气源热泵；结霜；除霜；换向除霜热泵；降湿除霜系统

0 引言

热泵技术是利用低温可再生能源的有效技术之一，利用高位能使热量从低位热源流向高位热源，并将消耗的高位热能与吸取的低位热能的总和供给用户，很好地解决能源消费与环境保护之间的矛盾，顺应了现代社会科学用能的要求。其中，空气源热泵更因利用空气作为低位热源取之不尽用之不竭，不污染空气且可以实现一机两用，不需要冷却水系统，也没有因为使用锅炉带来的环境污染，安装方便等诸多优点，而得到了广泛的应用。但从目前空气源热泵的实际运行效果来看，供热运行时的效果并不十分理想，究其原因，主要是因为蒸发器结霜及除霜导致机组运行的不稳定和可靠性差。

1 空气源热泵结霜特性

当空气中有一定大小的含湿量，并且管及翅片上的温度低于0 ℃时，外界空气换热器会发生结霜。具体分析可知，当室外空气温度低于7 ℃且相对湿度大于70%时，露点温度低于0 ℃换热器表面会出现结霜。但并不是室外温度越低结霜越严重，因为空气中的含湿量会随着空气温度的下降而下降。所以当空气温度低于-5 ℃时，即使相对湿度高达90%～100%，空气中的含湿量也不过2～3 g/kg，即使结霜也不足为患。

由上述分析可得，室外温度在7～-5 ℃之间时会发生结霜问题。随着霜层的形成增加了导热热阻，降低了蒸发器的传热系数。尽管在结霜的早期，由于霜层增加了传热表面的粗糙度及表面积，使总传热系数有所增加，但随着霜层增厚，导热热阻的影响逐渐成为影响传热系数的主要方面，总传热系数开始下降。此外，霜层的存在加大了空气流过翅片管蒸发器的阻力，降低了空气流量。正是由于这些问题，当空气侧换热器结霜并随着霜层厚度的增加会出现蒸发温度下降、制热量下降、风机性能衰减、电流加大等诸多不良现象而使空气源热泵机组的可靠性和稳定性大大下降，因此必须通过除霜来解决这些问题。

2 空气源热泵换向除霜存在的问题

目前国内常用的空气源热泵除霜手段多为换向除霜。

换向除霜，即需要化霜时，使热泵的制热工况转变为制冷工况运行，以便室外换热器温度升高，达到除霜的目的。

根据控制方法不同，换向除霜主要分为定时除霜和按需除霜。

（1）定时除霜是指当表征结霜特性的某一参数达到额定值时（如室外温度达到7 ℃以下，蒸发器表面温度达到某一设定值等），时间继电器开始动作，按确定的时间间隔进行化霜。定时除霜的特点是控制线路简单、操作方便，但易发生不当除霜而引起不必要的能量损耗。

（2）按需除霜是指当表征结霜特性的某些参数（如空气通过室外盘管的压力降、盘管与空气之间的湿差、室外风机风量减少或功耗增加量等）达到给定值时，开始化霜，2次除霜之间的时间间隔根据结霜情况而定。按需除霜的特点是能及时恰当地消除室外换热器表面结霜，并无多余能量消耗，其缺点是控制较复杂，对控制系统的灵敏度要求较高。

换向除霜的特点是对室外侧换热器进行周期性除霜。除霜过程中为了避免向室内空间吹冷风而影响室内舒适度，室内机的风机通常是关闭的，从而导致除霜过程中从室内机取热量不足并引发一系列问题。这些问题包括除霜时间延长，由于室内无供热而使室内空气温度降低，影响室内热舒适。而且由于除霜后室内盘管温度非常低，提供有效供热的时间推迟，从而进一步延长室内无供热的时间，影响热舒适感。

3 空气源热泵降湿除霜分析

由上述分析可得，空气源热泵的结霜温度范围在7～-5 ℃。只要当室外空气温度进入此范围时，将空气相对湿度处理到60%以上，其含湿量便低于3 g/kg，即使结霜也不足畏惧。比较几种空气除湿方法：压缩除湿方式，压缩动力消耗太大；固体型吸附剂除湿，再生温度高，再生消耗大；液体型吸附剂除湿，需定期补充或更换溶液，且设置、维护费用高；冷却除湿，若冷却盘管的表面温度在0 ℃以下，凝结水即在盘管表面冻结，使冷却效率降低，除湿效果也降低，因此无法获得稳定湿度。

由于上述方法诸多不合理之处所以选择转盘除湿。转盘除湿以蜂巢结构组成圆筒状转盘，再由特殊结晶加工法附着吸湿剂（氯化锂、矽胶、沸石等）原料制成除湿转盘。此除湿转盘在箱体内回转，该箱体分隔成除湿区和再生区。除湿用的空气通过除湿区，由转盘吸收空气中的水分，而得到干燥空气。吸收水分后的除湿区依转盘回转移动至再生区，由再生加热空气带出转盘内水分排出至室外，转盘在再生区放出水分后回转至除湿区，如此除湿及再生同时连续进行，可获得稳定的除湿空气。降湿除霜系统及控制流程如图1、图2所示。