冰水源熱泵核心技術(shù)研究

張雁秋　尚德敏

摘? 要：水的凝固熱是水溫降1度放熱量的80多倍，為提取水的凝固熱，通過(guò)研究分析現(xiàn)有技術(shù)，總結(jié)其不足之處，經(jīng)過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)，研制了一種微變形除冰提熱技術(shù)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了利用較少的能量消耗可以連續(xù)獲得水的凝固熱。該技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)性，為冰水源熱泵的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，因此有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：凝固熱;冰點(diǎn)提熱;冰水源熱泵;熱泵系統(tǒng)微變形除冰

中圖分類號(hào)：TU83? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）08-0155-03

Abstract： The solidification heat of water is more than 80 times of the heat released by 1 degree drop of water temperature. In order to extract the solidification heat of water， the existing technologies are studied and analyzed， and its shortcomings are summarized. Through analysis and experiments， a micro-deformation deicing heat extraction technology is developed. this technology realizes that the solidification heat of water can be obtained continuously with less energy consumption. This technology is economical and creates conditions for the application of ice source heat pump， so it has a broad application prospect.

Keywords： solidification heat; freezing point heating; ice source heat pump; micro-deformation deicing of heat pump system

1 概述

根據(jù)熱泵所用低溫?zé)嵩床煌?，可分為土壤源熱泵、空氣源熱泵、水源熱泵等幾種。在嚴(yán)寒的冬天，許多地區(qū)因氣溫低，水資源緊張使得熱泵技術(shù)無(wú)法應(yīng)用，不得不直接用電熱取暖。那么，有沒(méi)有理想的低溫?zé)嵩茨?？人們發(fā)現(xiàn)水結(jié)冰釋放的凝固熱，可作為熱泵的低溫?zé)嵩碵1]。

水的凝固熱為336kJ/kg，即1kg、0℃水凝固成0℃冰時(shí)釋放336kJ的熱量，而1kg的水降低1℃所釋放的熱量是4.2kJ，即水的凝固熱大約是水比熱容的80倍，水的凝固熱大，凝固時(shí)的溫度又不很低，因此水凝固放熱具有很高的利用價(jià)值。有效提取水凝固熱，并作為熱泵的低溫?zé)嵩?，將?huì)有良好的應(yīng)用價(jià)值。

2 國(guó)內(nèi)冰點(diǎn)提熱的研究現(xiàn)狀

利用水結(jié)冰的凝固熱作為熱泵低溫?zé)嵩吹臒岜梅Q為冰水源熱泵或凝固熱熱泵，近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)高校多位學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了卓有成效的研究。其中，有錢劍鋒，孫德興[2]、青島大學(xué)的鄭記莘，吳榮華[3]。他們從凝固熱利用機(jī)理上給出了深入分析，也有一些實(shí)驗(yàn)研究成果。

在冰水源熱泵蒸發(fā)器內(nèi)，通過(guò)制冷劑吸熱將水凝固成冰，提取凝固熱是很容易做到的，而水結(jié)冰后凍結(jié)在換熱壁面上，如何將冰剝落并且被帶走，除冰的方式盡可能節(jié)能而有效，是冰點(diǎn)提熱重點(diǎn)要解決的核心問(wèn)題。

當(dāng)前研究的除冰方法有機(jī)械刮冰、撞擊除冰和熱熔冰三種除冰方式[4]。

機(jī)械刮冰采取的方法有旋轉(zhuǎn)式刮刀或往復(fù)式刮刀，但刮刀會(huì)磨損，同時(shí)刮刀與換熱壁面存在一定間隙，除冰效果較差;撞擊除冰法采用固液流化床和旋流除砂工藝，但砂的撞擊在冰層達(dá)到一定厚度時(shí)很難及時(shí)將冰除掉，而且會(huì)有局部撞擊不到的死角;熱熔冰的方式為定時(shí)加熱壁面除冰，采用一種高溫?zé)嵩?，瞬時(shí)加熱換熱壁面，使與壁面接觸的冰融化，這樣冰層便整體剝落，但對(duì)于熱源的需熱量相對(duì)較大，運(yùn)行成本變高。

3 冰點(diǎn)提熱實(shí)驗(yàn)研究

我們?cè)谘芯勘c(diǎn)提熱時(shí)，探討并實(shí)驗(yàn)過(guò)兩種方案，一種是壁面熱熔法除冰，一種是螺旋滾刀擠壓切冰法除冰。在研究過(guò)程中搭建了試驗(yàn)臺(tái)，并取得了關(guān)鍵試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（1）壁面熱熔法，除冰裝置的熱源水在管內(nèi)流動(dòng)，乙二醇溶液在殼程內(nèi)流動(dòng)。當(dāng)乙二醇溶液提熱，熱源水逐漸放熱凝固后，管內(nèi)形成冰柱。融冰時(shí)采用制冰機(jī)組的冷凝器側(cè)熱量融冰，管外轉(zhuǎn)換成乙二醇熱溶液，管內(nèi)靠壁面處冰溶解，受密度影響，所成形的冰柱便從管內(nèi)浮出水面。整個(gè)裝置運(yùn)行參數(shù)為：設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)21min，結(jié)冰20min，融冰1min。熱水側(cè)循環(huán)水量為2m3/h，供暖水得熱量4.72kW，平均耗電量2.15kW，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)行平均能效比為2.19。凝固熱占熱源側(cè)總放熱量的65%。

（2）螺旋滾刀擠壓切冰法除冰，以一臺(tái)片冰機(jī)為冰源熱泵的主體設(shè)備，其采用8℃自來(lái)水制冰，小時(shí)制冰量為25kg，冰的凝固放熱量為2.32kW，機(jī)組及泵的耗電量為2.196kW，將120kg的8℃冷水加熱到40℃，得熱量為4.46kW，熱水循環(huán)管及熱水箱有熱量損失，約0.22kW，占總制熱量4.7%?？傊茻崃繛?.68kW，系統(tǒng)運(yùn)行平均能效比為2.13。

通過(guò)上述兩組試驗(yàn)，驗(yàn)證了凝固熱的可利用性，但為了得到冷凝器側(cè)較高的出水溫度，壓縮機(jī)耗電量較大，融冰、除冰裝置的耗熱量占比也較大。

4 冰點(diǎn)提熱除冰新技術(shù)

冰點(diǎn)提熱的核心技術(shù)是除冰技術(shù)，鑒于現(xiàn)有的幾種除冰技術(shù)都不太理想，我們以提取自然環(huán)境中水的凝固熱的角度研究除冰技術(shù)，而非獲得冰，也就是當(dāng)水剛剛達(dá)到結(jié)冰即可。自然環(huán)境中的水大多含有雜質(zhì)，雜質(zhì)的存在會(huì)促使水在較低過(guò)冷度時(shí)結(jié)冰[6]，也就是獲得凝固熱的時(shí)間較短，符合水流經(jīng)換熱器的短暫時(shí)間內(nèi)放出凝固熱并被除冰。

基于這一技術(shù)路線，我們發(fā)現(xiàn)換熱壁面微形變的除冰方法相對(duì)經(jīng)濟(jì)并且容易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)結(jié)冰的換熱壁面產(chǎn)生形變時(shí)，較薄冰層會(huì)產(chǎn)生脆裂并自動(dòng)脫落。因此只要換熱面能緩慢、有規(guī)律的連續(xù)形變，就可以保證從水中提取凝固熱，同時(shí)有效除冰。

我們當(dāng)前研究的具體的微變形除冰結(jié)構(gòu)是采用彈力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，令換熱器內(nèi)的每一塊換熱壁面均在一定的時(shí)間規(guī)律下變形、復(fù)位，在這一過(guò)程中壁面所結(jié)的薄冰被碎裂并脫落，然后被尚未結(jié)冰的低溫水沖出換熱器。

實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)冰層只有2mm時(shí)，換熱壁面只要有0.5mm的微小變形，換熱壁面上的冰就會(huì)裂開，冰層與壁面獲得分離，而加在形變上的力遠(yuǎn)小于刮冰的機(jī)械力，這種方式可以消耗較少的能量達(dá)到除冰的目的。

換熱器的換熱壁面采用厚度為0.5mm的不銹鋼，兩片換熱板組成一個(gè)換熱單元，并壓制出特殊波紋，換熱單元豎直安裝，在換熱器的上下兩端各安裝一個(gè)軸，橫向穿透。兩根軸由連桿連接，并由電機(jī)帶動(dòng)緩慢地做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，換熱單元的面與軸固定，隨著軸的推拉，壁面發(fā)生微小變形。

乙二醇溶液按體積濃度30%配比，進(jìn)出換熱器溫度為-20～-15℃;當(dāng)5℃的低溫水進(jìn)入換熱器后，貼近換熱壁面的水迅速降溫，形成2mm厚的冰層時(shí)間約2min，水在換熱器內(nèi)的流速需要控制，才能使水充分放熱，同時(shí)還要兼顧冰漿的流動(dòng)性，因此應(yīng)在流速設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮。電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間間隔設(shè)定為1min。分離的薄冰在未結(jié)冰的低溫水帶動(dòng)下以冰漿的形式流出換熱器，換熱器的水出口大于入口尺寸，方便冰水混合液的排出。冰點(diǎn)提熱換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

5 冰水源熱泵推廣意義

為了提高冰水源熱泵供熱出水溫度，我們?cè)O(shè)計(jì)了冰水源熱泵串聯(lián)提熱系統(tǒng)。按解決1萬(wàn)平米建筑的供熱需求配置了系統(tǒng)（擬定熱負(fù)荷450kW），供熱環(huán)境可以在山東、江浙一帶有供熱需求而且冬季湖水不結(jié)冰的地區(qū)，湖水溫度平均約5℃，比較適合應(yīng)用冰點(diǎn)提熱技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)置兩級(jí)熱泵，第一級(jí)冰水源熱泵冷凝器的進(jìn)、出水溫度設(shè)定成較低值，即23～17℃，并作為第二級(jí)高溫?zé)岜谜舭l(fā)器的低位熱源，第二級(jí)熱泵冷凝器出水溫度為45～50℃。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

第一級(jí)熱泵運(yùn)行能效為5.16，熱泵出水溫度為23℃;第二級(jí)熱泵運(yùn)行能效為5.41，熱泵出水溫度為50℃;冰點(diǎn)提熱換熱器的電機(jī)功率為1.5kW。江水的結(jié)冰率為20%，江水的取用流量為12.48m3/h，結(jié)冰量即為2496kg/h，水凝固放熱量為336kJ/kg。

系統(tǒng)的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1所示，為保證冰點(diǎn)提熱的連續(xù)，取水點(diǎn)與退水點(diǎn)之間應(yīng)保證一定的距離，確保進(jìn)入冰點(diǎn)提熱換熱器的是低溫的江水，而非冰水混合物。

一種供熱形式節(jié)能與否可以用一次能源利用率來(lái)分析，鍋爐、電加熱的一次能源利用率均小于1，一次能源利用率的公式為：Er=Qr/Qp

式中：Er-一次能源利用率;Qr-制熱的能量;Qp-消耗一次性能源的能量。

系統(tǒng)運(yùn)行總耗電量為156.8kW、電力折標(biāo)系數(shù)為0.1229kgce/（kW·h）[7]，計(jì)算耗標(biāo)煤19.27kg，目前我國(guó)火力發(fā)電效率及電力輸送效率總和平均為35%，實(shí)際耗標(biāo)煤55.06kg;熱泵制熱量為452kW，標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱值為29.3076MJ/kgce，計(jì)算折合燃燒標(biāo)煤55.52kg。冰水源熱泵系統(tǒng)的一次能源利用率為1.008，即：Er=Qr/Qp=55.5/55.06=1.008。由此可以確定冰水源熱泵只要采取了有效的提熱除冰方式，就能夠獲得良好的應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)論

通過(guò)上述微變形除冰方式和合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用12.48m3/h的低溫水源水就可以為1萬(wàn)平米建筑供暖。實(shí)現(xiàn)了采用微變形除冰冰點(diǎn)提熱技術(shù)，在水源水量少、溫度低的情況下，仍可以發(fā)揮水源熱泵的功能，消耗少量能耗，實(shí)現(xiàn)供暖。因此此項(xiàng)除冰技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)性及市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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[6]GB/T2589-2008.綜合能耗計(jì)算通則[S].