空气源热泵机组融霜水排放问题初探

程港 张春林 钱志博

中机十院国际工程有限公司

随着“煤改电”项目的大力推广，空气源热泵技术开始大规模应用于供暖中。相对于其他的供暖形式而言，空气源热泵以空气作为热源，提取空气中的热量，当室外环境处于一定范围内时，蒸发器便会结霜，这是空气源热泵技术研究的重点问题。当前空气源热泵除霜方法多种多样，各有利弊。但是空气源热泵除霜后的融霜水问题一直没能引起足够的重视。空气源热泵厂家更多的追求运行效率而忽视这个问题的存在，也不愿因此而增加成本。而且由于空气源热泵一般设置在室外，也极少有人关注这个问题。但是融霜水的影响却不容忽视。融霜水不仅影响空气源热泵的运行，也给周边地区带来安全隐患，其排放问题需要认真对待并在业内形成共识。

1 融霜水的产生

霜是空气中的水蒸气遇冷表面凝结而成。当空气遇到冷表面时，冷表面附近空气的饱和蒸气分压力降低，相对湿度增大，当相对湿度等于100%时水分开始析出。冷表面的温度若是低于水的三相点温度时，水分将成为固态并附着在冷表面，从而形成霜。

空气源热泵机组普遍存在着结霜现象，这在相对湿度较高的南方地区更为多见。北方寒冷地区冬季气温较低，而气候干燥。采暖室外计算温度基本在-5～-15℃，最冷月平均室外相对湿度基本在45%～65%之间。在这些地区选用空气源热泵，其结霜现象不太严重。

表面结霜对空气源热泵运行效率有较大的影响，首先是结霜会堵塞翅片间通道，增加空气流动阻力，从而流经蒸发器表面的空气流量减小，导致蒸发器吸热量不足；其次表面结霜会附着在蒸发器上，增加了蒸发器的热阻，进一步降低了蒸发器的换热能力。研究表明，霜层的覆盖会造成机组COP下降35%～60%，制热能力下降30%～57%[1]。为了保证供热量空气源热泵需要进行融霜，融霜过程是一个逆向加热过程，不仅不能从空气中提取热量，反而需要消耗现有的热水的热量，此时机组一般不再保证供热效果。

除霜是空气源热泵研究的关键技术之一，若除霜工作不正常，空气源热泵的制热功率将会增加，严重时会导致机组低温报警甚至停机。除霜技术经过多年研究已经相对成熟，目前的主流的除霜方法有逆循环除霜法、热气旁通除霜法、电加热除霜法、相变蓄能除霜法等[2]。

以上无论哪种除霜方法，其原理均是通过加热使蒸发器表面的霜层融化并排出。但是热泵蒸发器表面上的霜层在温度低湿度大的时候比较厚，除霜过程产生的热量虽然可以轻易地将霜层与蒸发器的翅片管表面分离，有的霜层以水滴形式滴落，但是更多的霜层是从蒸发器表面以冰晶形态滑落。分离后的霜层一般自行坠落或堆积于蒸发器的下部，由于失去了加热源，融化后的水或冰晶迅速地再结成冰。在每一个除霜过程中都会有部分水冻结。如此反复循环，最终将使整个蒸发器下方有大量的冰霜堵塞，如果不及时清除将会降低热泵机组的通风能力，同时也给热泵站房排水造成影响。有的热泵站房没有设置排水措施，积冰在白天气温高的时候融化，夜间气温低的时候再次冻结，久之会造成站房地面结冰，如果空气源热泵位置较高，站房边缘会挂有冰棱，给周边带来安全隐患。所以结霜严重的地区务必处理好融霜水的排放问题。

2 排放的建议

考虑融霜水再次结冰对设备及站房的危害，建议对空气源热泵机组设置接水盘，然后将其接入排水系统，并且设置防止二次结冰的有效措施。

接水盘材质优先采用钢板，尺寸需要完全覆盖滴水区域。接水盘底面均坡向泄水口，即最低点设开口接出。由于融霜过程中霜层融化不充分，有的以冰晶形式剥落，大量的冰晶会直接落入接水盘内，融霜水在接水盘内就会再次结冰，堵塞排水口，导致融霜水不能排出。此时需要对接水盘内的冰水混合物进行加热。故需在接水盘内设置自限温电加热带。

空气源热泵安装位置较高，一般基础高出地面300mm以上，融霜水管道可以以重力自流形式排入排水系统。接水盘出口的管道不宜过长、过缓，尽可能使融霜水以最短的距离排往室外。接水盘的排水支管沿水流方向的坡度不应小于0.01，并且融霜水的水平干管不宜过长,其坡度不应小于0.003,且不允许有积水部位。水平干管末端应设便于定期冲洗的清扫口，防止泄水管堵塞。尽可能大的排放坡度、尽可能短的排放距离、尽可能高的温度余量是防止重新结冰的有效途径。

排水管道管径选择根据厂家提供的最大融霜水量和敷设坡度确定。排水管道宜采用排水塑料管或热镀锌钢管，为了防止融霜水停留时间过长再次冻结，管道需要保温，并安装电伴热。

结霜现象在不同的地区情况有较大的差异，根据对不同空气源热泵机组的试验结果，相对湿度RH和室外干球温度Ta是影响热泵结霜的重要因素，发生结霜的可能范围为 -12.8 ℃＜Ta＜5.8 ℃。当气温高于5.8 ℃时，可以不考虑结霜对热泵的影响；当气温低于5.8 ℃，相对湿度小于67%时，由于空气露点温度降低到低于室外换热器表面温度，不发生结霜现象；当气温低于-12.8 ℃时，由于空气绝对含湿量太小，也不发生结霜现象[4]。以上情况因为没有融霜水或融霜水很少，可以不设置接水盘。

3 站房实例

北京市海淀区无煤化空气源热泵集中供暖项目大规模采用低温空气源热泵作为热源，其中对融霜水的排放问题给予了很高的重视。这个项目共涉及到4个镇、7个街道下辖的23个社区，几千户居民100余万平方米供暖面积，共设计40余个集中低温空气源热泵供热站房。此项目于2017年完整运行了一个采暖季，在低温情况下的得到肯定的评价。

其中香山村东红门热源站负责供热面积2.18万m2，热负荷指标为85 W/m2，设计热负荷为1853 kW。该热源站共安装了5台低温空气源热泵，型号为AZ-5340W/DLTDA，制热量443.3 kW。热泵产品在施工现场根据条件配套融霜水排除装置。空气源热泵的蒸发器为V型布置，此种形式融霜水大部分流到V型底部，并冰块剥离现象。故在V型的底部设置了接水盘（图1）。接水盘沿蒸发器底部布置，中间高，两侧最低点设置排水口，接水盘沿蒸发器底部布置电伴热带。排水口用软管接至排水干管（图2）。软管和排水干管均做保温并设置电伴热。这些措施保证了站房的清洁和安全，站房内无积水或积冰现象，地面整洁。

图1 接水盘

图2 排水管

4 结论

空气源热泵技术的快速发展为大气污染防治和清洁空气行动提供了重要助力。在市场经济和政策的双重推动下空气源热泵在供暖领域将发挥更重要的作用。为了更好地保证其效果，设置接水盘和防冻措施是必要的。热泵产品宜根据设备条件配套接水盘，施工时注意做好保温措施，从而避免乱排放、结冰等问题，给用户和周边的居民彻底的清洁能源。