長江流域空氣源熱泵除霜技術(shù)研究

任建華

摘 要：為解決空氣源熱泵在各類工況下的結(jié)霜問題，結(jié)合長江流域的的氣候特性，深入研究機(jī)組的結(jié)霜過程，并有針對(duì)性的提出了幾種除霜方法，為進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)組的除霜性能打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：空氣源；熱泵；除霜

1.緒論

我國地域遼闊，根據(jù)GB50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，我國分為5個(gè)氣候地區(qū)，其中，長江流域?qū)儆谙臒岫涞貐^(qū)，該區(qū)域包含了：①輕霜區(qū)，云南大部、成都、重慶等，該地域常年氣溫較高，結(jié)霜不明顯或不會(huì)對(duì)熱泵制熱造成大的影響；②重霜區(qū)，貴州、湖南等，該地域濕度和溫度處于結(jié)霜速率較大區(qū)間，③一般結(jié)霜區(qū)，武漢、上海、南京、宜昌等；④高寒區(qū)，江源區(qū)域年平均氣溫-4℃，最低溫度在-30℃以下[3]?？梢姡L江流域集合了輕霜、重霜、高寒區(qū)域，因而，除霜設(shè)計(jì)是空氣源熱泵所需要重點(diǎn)突破的技術(shù)。

2.技術(shù)路線

近年來，隨著節(jié)能減排政策的大力推進(jìn)，空氣源熱泵在我國城市應(yīng)用越來越廣泛?？諝庠礋岜檬褂脮r(shí)，當(dāng)蒸發(fā)溫度低于0℃[2]，水蒸氣會(huì)在蒸發(fā)器表面凝結(jié)形成霜層，阻擋風(fēng)道，減小系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量并增大熱阻，降低蒸發(fā)器的換熱能力，進(jìn)一步降低蒸發(fā)溫度，使得蒸發(fā)器結(jié)霜速度更快，造成惡性循環(huán)。結(jié)霜會(huì)造成熱泵制熱能力的降低，冷媒蒸發(fā)不完全引起回液，以致系統(tǒng)不能正常工作。

針對(duì)空氣源熱泵的除霜問題，對(duì)低溫型空氣源熱泵進(jìn)行了針對(duì)性的分析、研究，提出了以下技術(shù)方案。

3.除霜技術(shù)方案

3.1 防積冰技術(shù)

針對(duì)空氣源熱泵底盤積冰的現(xiàn)象，低溫型優(yōu)化了蒸發(fā)器流路的設(shè)計(jì)。在蒸發(fā)器最下方支路，即靠近接水盤的一路，在冷媒輸出管段增加單向閥。正常制熱時(shí)，最下方支路無冷媒通過，減少蒸發(fā)器底部結(jié)霜。除霜時(shí)，熱態(tài)冷媒則流經(jīng)此支路，確保蒸發(fā)器底部化霜干凈，接水盤無積冰，同時(shí)確保了融霜水的順利排除。

為驗(yàn)證該防積冰設(shè)計(jì)是否有效，在國標(biāo)[4]的基礎(chǔ)上專門設(shè)計(jì)了超高濕度除霜實(shí)驗(yàn)，如下：

（1）干球溫度/相對(duì)濕度：2℃/100%

（2）樣機(jī)回水溫度：設(shè)定水溫下限20℃

該環(huán)境下機(jī)組最容易結(jié)霜，同時(shí)施以最低水溫，使除霜熱量來源最低，最不利于熱泵除霜吸熱，除霜狀況最惡劣。通過連續(xù)12h高濕度除霜，蒸發(fā)器始終保證即使上部嚴(yán)重結(jié)霜或結(jié)冰時(shí)，最下部流路翅片不結(jié)霜，無冰霜堆積。

3.2 大流量除霜技術(shù)

熱泵通常的除霜過程是四通閥換向后，冷媒反向流過蒸發(fā)器、節(jié)流部件和冷凝器實(shí)現(xiàn)除霜，問題是除霜時(shí)冷凝壓力很低、高低壓差較小、節(jié)流部件阻力較大，造成除霜時(shí)系統(tǒng)冷媒循環(huán)量較低，除霜時(shí)間比較長。變頻壓縮機(jī)系統(tǒng)可提高頻率提高冷媒流量，但定速壓縮機(jī)無法提升運(yùn)轉(zhuǎn)頻率。經(jīng)過分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，專為定速壓縮機(jī)的除霜設(shè)計(jì)了額外部件。

在節(jié)流部件上并聯(lián)一個(gè)單向閥，制熱運(yùn)行時(shí)單向閥處于截止?fàn)顟B(tài)。除霜時(shí)，若循環(huán)水溫較低，則關(guān)閉除霜電磁閥，避免套管內(nèi)的水無法提供足夠熱量而造成回液和循環(huán)水凍結(jié)；若水溫較高，則開啟除霜電磁閥，冷媒同時(shí)通過單向閥、主回路節(jié)流部件進(jìn)入套管，此時(shí)系統(tǒng)冷媒循環(huán)量大大增加，蒸發(fā)器在短時(shí)間內(nèi)獲得更多的熱量，與普通空氣源熱泵相比，更快完成除霜。大流量除霜時(shí)，系統(tǒng)阻力較小，蒸發(fā)溫度提升速度快，除霜時(shí)間縮短1/3左右。

3.3 智能化的除霜控制邏輯

低溫系列空氣源熱泵針對(duì)各類除霜情況進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：

（1）機(jī)組使用前遇到冰雪天氣，機(jī)組會(huì)被積雪覆蓋，機(jī)組開機(jī)后根據(jù)環(huán)境溫度及蒸發(fā)器溫度判斷是否要進(jìn)行預(yù)除霜，確保機(jī)組開機(jī)時(shí)無積雪或積冰。

（2）低溫型空氣源熱泵為除霜運(yùn)行設(shè)定了12種除霜方案，智能控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)蒸發(fā)溫度及下降趨勢(shì)、進(jìn)水溫度、環(huán)境溫度等狀態(tài)，選擇合適的除霜方案進(jìn)行除霜運(yùn)行。

為研究系統(tǒng)結(jié)霜狀況、結(jié)霜判斷條件、除霜進(jìn)入條件、水溫對(duì)結(jié)霜的影響、除霜變化規(guī)律、水溫對(duì)除霜的影響等問題，設(shè)計(jì)了大量試驗(yàn)進(jìn)行研究。其中最重要的實(shí)驗(yàn)是低濕度除霜和超高濕度噴霧除霜。

低濕度除霜試驗(yàn)方法如下：

（1）環(huán)境干球溫度/相對(duì)濕度：5℃/44%

（2）樣機(jī)回水溫度：設(shè)定水溫上限65℃

低濕度除霜是為了模擬機(jī)組在環(huán)境溫度高、相對(duì)濕度較低時(shí)的除霜狀況，在該工況下，回水溫度達(dá)到最高，系統(tǒng)進(jìn)入除霜會(huì)進(jìn)入高蒸發(fā)溫度、低冷凝溫度的低壓縮比、高冷媒流量的大負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，機(jī)組的控制設(shè)計(jì)必須要能保證系統(tǒng)的壓力、溫度、電流等參數(shù)在合理的范圍內(nèi)，以確保系統(tǒng)能安全可靠地長時(shí)間運(yùn)行。

超高濕度噴霧除霜試驗(yàn)方法如下：

（1）環(huán)境干球溫度/相對(duì)濕度：0℃/100%

（2）樣機(jī)回水溫度：設(shè)定水溫下限20℃

（3）通過霧化裝置向蒸發(fā)器噴射低于2℃的水霧，模擬雨夾雪天氣過程

該實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境溫度接近冰點(diǎn)、相對(duì)濕度最高（100%），且下凍雨時(shí)的除霜狀況，此時(shí)即使熱泵不運(yùn)行，蒸發(fā)器翅片也會(huì)結(jié)冰，是為結(jié)霜最惡劣狀況，同時(shí)施以最低水溫設(shè)置，最不利于除霜吸熱，除霜狀況最惡劣。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，低溫型空氣源熱泵相比普通空氣源熱泵，綜合除霜時(shí)間縮短了20～50%。

3.4 防積雪控制技術(shù)

江源區(qū)域?qū)儆诟吆貐^(qū)，有較多冰雪天氣。如果設(shè)備長時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)且當(dāng)?shù)亟笛┹^大，室外機(jī)風(fēng)葉會(huì)覆蓋厚厚的積雪，甚至凍結(jié)。當(dāng)設(shè)備重新開始運(yùn)行時(shí)，會(huì)損壞電機(jī)或風(fēng)葉，影響用戶的正常供熱。為解決此隱患，利用防積雪控制技術(shù)可解決設(shè)備在下雪情況下長時(shí)間待機(jī)，由于積雪而造成風(fēng)機(jī)或電機(jī)損壞的問題，提升設(shè)備的可靠性。

4.總結(jié)

通過對(duì)空氣源熱泵的結(jié)霜工況進(jìn)行測(cè)試，采集大量數(shù)據(jù)，針對(duì)長江流域不同溫度濕度的工況，機(jī)組采用不同的除霜控制技術(shù)，測(cè)試表明，結(jié)合以上技術(shù)，低溫型空氣源熱泵機(jī)組改善了除霜性能，提高用戶舒適度。

參考文獻(xiàn)

[1] 住建部，GB50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》，2017年4月1日實(shí)施

[2]薛利平，環(huán)境參數(shù)對(duì)翅片管蒸發(fā)器表面結(jié)霜特性影響的實(shí)驗(yàn)研究，低溫與超導(dǎo)，2017年04期

[3]中國天氣網(wǎng)

[4]全國冷凍空調(diào)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，GB/T 25127.1-2010 低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組 第1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的熱泵（冷水）機(jī)組，2011年2月1日實(shí)施

（作者單位：廣東美的暖通設(shè)備有限公司）