空氣源熱泵技術(shù)的研究進(jìn)展

李慶金，王 輝

(際華(蕪湖)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241080)

0 引言

我國(guó)大多數(shù)家用空調(diào)器是空氣源熱泵型空調(diào)器，它的節(jié)能和環(huán)保性符合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，故空氣源熱泵技術(shù)的相關(guān)研究也越來(lái)越多?？諝庠礋岜眠\(yùn)行狀況不佳，影響其運(yùn)行效果最主要的因素是空氣源熱泵的結(jié)霜、除霜和低溫適應(yīng)性問(wèn)題。研究數(shù)據(jù)表明，在-6℃～5℃且相對(duì)濕度基本穩(wěn)定的氣象條件下，空氣源熱泵正常工作過(guò)程中最容易結(jié)霜的部位是室外換熱器。室外換熱器暴露在室外，由于氣候條件變化，其低溫適應(yīng)性不強(qiáng)，導(dǎo)致無(wú)法正常工作，低溫條件下，結(jié)霜嚴(yán)重，無(wú)法高效平穩(wěn)運(yùn)行。尤其是在我國(guó)長(zhǎng)江流域以南地區(qū)，雖然與北方相比，冬季溫度相對(duì)較高，但空氣源熱泵的結(jié)霜現(xiàn)象更為嚴(yán)重，無(wú)法保證空氣源熱泵的穩(wěn)定性、可靠性、實(shí)用性，不利于市場(chǎng)推廣和應(yīng)用。

1 空氣源熱泵結(jié)霜與除霜研究現(xiàn)狀

空氣源熱泵結(jié)霜問(wèn)題如果不能有效地解決，將在一定程度上影響其正常運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者都對(duì)空氣源熱泵的結(jié)霜和除霜問(wèn)題進(jìn)行了對(duì)比分析。

1.1 空氣源熱泵結(jié)霜研究

1.1.1 結(jié)霜理論研究

結(jié)霜過(guò)程是非常復(fù)雜的，分析影響結(jié)霜的因素可促進(jìn)空氣源熱泵的推廣應(yīng)用，為除霜和減少結(jié)霜現(xiàn)象提供科學(xué)理論基礎(chǔ)。孫玉清[1]等人建立的結(jié)霜數(shù)據(jù)物理模型主要基于三大理論，即氣象學(xué)理論、晶體動(dòng)力學(xué)理論、成核理論。該模型在一定程度上對(duì)結(jié)霜現(xiàn)象起到了抑制作用。姚楊[2]則采用分步參數(shù)法，在充分利用熱質(zhì)平衡與壓力平衡原理的基礎(chǔ)上，建立了空氣-空氣熱泵蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型。清華大學(xué)電機(jī)系夏清[3]等人仔細(xì)觀察了結(jié)霜的整個(gè)過(guò)程，建立了著名的翅片管式蒸發(fā)器結(jié)霜工況下的數(shù)學(xué)模型。國(guó)外專(zhuān)家學(xué)者也從不同角度分析和研究結(jié)霜理論，并將理論與實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)結(jié)霜與換熱器傳熱熱性之間的聯(lián)系進(jìn)行了深層次研究。Kondepudi S.N.[4]等人就傳熱特性和結(jié)霜模型進(jìn)行了詳細(xì)分析，翅片管換熱器結(jié)霜模型由此建立。

1.1.2 結(jié)霜實(shí)驗(yàn)研究

翅片管式換熱器形狀呈集合圖案，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，許多因素都會(huì)加劇霜層增長(zhǎng)速度和結(jié)霜的穩(wěn)定性。從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，換熱器復(fù)雜程度較高，因此換熱器結(jié)霜過(guò)程以實(shí)驗(yàn)性研究為主。Kondepudi S.N.[4]對(duì)不同翅片結(jié)構(gòu)對(duì)換熱器結(jié)霜狀態(tài)性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了更深層次研究。吳曉敏[5]認(rèn)為結(jié)霜速度與空氣流速有關(guān)，即空氣流速越大，冷水珠存續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，凍結(jié)粒直徑就越大，這就加速了結(jié)霜現(xiàn)象的發(fā)生。

1.1.3 防止和延緩結(jié)霜的方法

影響結(jié)霜的因素有很多，其中室外換熱器周?chē)目諝鉅顟B(tài)與之有密切關(guān)系。部分學(xué)者對(duì)室外熱換器周?chē)h(huán)境參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)控和研究，以了解其是否具有防止或延緩結(jié)霜現(xiàn)象發(fā)生的作用。Kondepudi S.N.[4]分析發(fā)現(xiàn)換熱器入口處可能影響換熱器結(jié)霜速度，因此在室外換熱器入口處裝置固體除濕劑，利用其來(lái)最大程度地降低入口處的含濕量，以發(fā)揮對(duì)結(jié)霜的抑制作用，延緩結(jié)霜現(xiàn)象的發(fā)生。但研究表明，固體除濕劑作用時(shí)間較短，隨著時(shí)間流逝，除濕劑吸收越來(lái)越不明顯，最終無(wú)法起到抑制結(jié)霜的作用。Wang S.W.[6]在蒸發(fā)器空氣入口處安裝了一個(gè)吸附床來(lái)減少入口空氣濕度，實(shí)現(xiàn)抑制結(jié)霜的目的。但吸附床受自然因素限制，在沒(méi)有陽(yáng)光照射時(shí)，吸附床作用效果不明顯，這時(shí)就要依靠吸附床內(nèi)的電加熱器來(lái)完成。為了防止和延緩結(jié)霜，人們從不同角度出發(fā)，做了大量研究工作，延緩結(jié)霜的技術(shù)也得到了優(yōu)化升級(jí)。但影響空氣源熱泵結(jié)霜的因素有很多，不僅受技術(shù)條件制約，還受環(huán)境影響，因此研究工作進(jìn)展比較緩慢。

1.2 空氣源熱泵除霜特性及控制方法研究

19世紀(jì)70年代，Sanders[7]建立了蒸發(fā)器除霜數(shù)學(xué)模型，此模型的建立為人們研究除霜問(wèn)題奠定了模型基礎(chǔ)。Krakow K.I.[8]在此基礎(chǔ)上建立了霜層融化過(guò)程的數(shù)學(xué)物理模型，這個(gè)模型是迄今為止最接近實(shí)際的模型。國(guó)內(nèi)也有許多學(xué)者進(jìn)行了研究，黃虎[9]通過(guò)簡(jiǎn)化蒸發(fā)器融霜過(guò)程，建立了霜層融化數(shù)學(xué)模型。韓志濤[10]建立了室外換熱器表面水蒸發(fā)動(dòng)態(tài)模型，認(rèn)為除霜的能源主要來(lái)自于壓縮機(jī)，壓縮機(jī)工作會(huì)產(chǎn)生一定能量，可利用該能量帶動(dòng)室外換熱器工作。另外，常規(guī)除霜的能量還來(lái)源于供熱環(huán)境，供熱環(huán)境吸熱產(chǎn)生一定能量，二者占比基本一致。

除霜影響因素。在所有零部件中，能夠?qū)θ谒a(chǎn)生重要影響的裝置主要是高壓儲(chǔ)液器及相關(guān)的節(jié)流裝置。研究人員對(duì)電子膨脹閥及熱力膨脹閥的除霜過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，與熱力膨脹閥相比，電子膨脹閥能夠以更快速度進(jìn)行融霜操作。部分學(xué)者認(rèn)為，因缺少系統(tǒng)制冷劑，熱泵機(jī)組除霜效果較差，通過(guò)分析制冷劑補(bǔ)償器的優(yōu)勢(shì)，提出用其代替高壓儲(chǔ)液器更能縮短除霜時(shí)間，提高除霜效率。

2 空氣源熱泵低溫適用性研究

低溫適用性是制約空氣源熱泵推廣應(yīng)用的重要技術(shù)因素，要提升空氣源熱泵低溫適用性，主要有以下幾種方法。

2.1 改變蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行環(huán)境溫度

為改變蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行環(huán)境溫度，王鐵軍[11]等人提出了可行性措施，即將蒸發(fā)器迎風(fēng)面積調(diào)大，增加防霜盤(pán)管，利用煤油和加熱輔助蒸發(fā)器來(lái)提高熱泵制熱量。

2.2 采用新型制冷工質(zhì)

一些公司研制出了不同類(lèi)型的空氣源熱泵系統(tǒng)，工作原理是利用該系統(tǒng)保證循環(huán)制冷劑的成分隨溫度的變化而變化。某家公司提出使用非共沸制冷劑，通過(guò)調(diào)整制冷劑成分來(lái)調(diào)節(jié)和改善空氣源熱泵低溫環(huán)境下的制熱性能，但這一工質(zhì)目前還不成熟，需要技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行深層次研發(fā)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，大部分研究是圍繞空氣源熱泵機(jī)組展開(kāi)的，能夠延緩室外換熱器結(jié)霜的技術(shù)仍不完善，實(shí)際應(yīng)用條件還不是很充足。應(yīng)考慮熱泵的低溫適應(yīng)性及結(jié)霜、除霜問(wèn)題，并考慮室外換熱器表面結(jié)霜問(wèn)題，確?？諝庠幢脵C(jī)組可實(shí)現(xiàn)全天穩(wěn)定運(yùn)行。