低溫氣候空氣源熱泵系統設計研究

吳衛平+竇秀華+魏忠鑫

摘 要：本文主要是對在低溫氣候下空氣源熱泵的工作進行設計跟研究，以此來解決在寒冷的環境里能夠正常的工作，從而擴大空氣源熱泵的使用范圍，首先熱泵是一種冷熱復用的設備可以通過控制系統來切換到制熱制冷狀態，空氣源熱泵的原理是以電能作為動力再從空氣中提取低品味的熱能然后通過一定的轉換之后就變成了高熱能，在這個形成的過程中其中電能只是提供了推動的作用，所以說相對于其他產熱的方式熱泵顯得更加節能。

關鍵詞：低溫條件下對空氣源熱泵性能的影響分析；在低溫條件下熱泵性能的設計；除霜方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.232

0 引言

從目前國內低溫氣候空氣源熱泵的發展來看，對于圧縮過程的改進發展跟是放在重點位置的，為了提高壓縮機能夠保持足夠的穩定性使得可以再低溫的環境下運行，但是熱泵作為一個系統來說能夠對其造成影響的因素有很多比如其中的冷凝器跟蒸發器能直接影響其工作但是就目前的情況來看對于其改進是遠遠不夠的，還有除霜問題的解決方法，這就要求我們從空氣源熱泵系統的個個方面進行分析討論得出改善的結果。

1 低溫條件下對空氣源熱泵性能的影響

（1）對于蒸發器問題的影響。首先蒸發器是熱泵系統中最重要的組成部分之一，蒸發器能夠直接影響到整個熱泵系統的運行而低溫對于蒸發器的主要影響分為第一點：翅片設計的不合理導致結霜頻繁；第二點：制冷劑流向設計、風扇位置引起的換熱不均導致的結霜；第三點：分液不均導致制冷劑流量分布不均勻這三個方面的問題。首先是對于翅片的問題一般常用的蒸發器為了減少整個系統的大小體積，往往會把翅片間距離設計比較小，雖然這樣做可以有效地增加單位換熱的面積，但是同時也會使得蒸發器的結霜速度會加快，而且還會產生積水性而導致結冰，從而對蒸發器的運行造成影響。對于制冷劑流向的設計在通常情況下制冷劑是跟空氣流動的方向相反，而且不同的流向產生的性能差異也是有所不同的，當處于制熱工作的時候制冷劑會在換熱器氣出口的地方溫差特別大，使得翅片結霜更加的嚴重還會造成結冰的情況，所以在設計的同時要充分的考慮到怎么處理結霜嚴重跟怎么有效除霜的問題，而且對于一般的蒸發器往往以最大換熱量來考慮，往往會采用多路供液，然而在低溫的情況下容易造成分液不均勻容易導致程序的正常運行。

（2）冷凝器問題的分析。當系統工作的適合壓縮機排氣的溫度變得更高使得進入到冷凝器的氣體高出了預計的溫度，而且由于冷凝器的工作原理跟一般的設計存在很多不同從而限制了冷凝器作用使得換熱的狀態大大降低從而限制了系統的能力。

2 在低溫條件下熱泵性能的設計

（1）蒸發器結構的設計。對于蒸發器在低溫下存在的情況跟考慮的因素有翅片的間距跟形狀、迎風管的排數跟風速、空氣的濕度、制冷劑流向這幾個方面的問題設計因素。首先翅片的間距上面已經提到通常的系統內翅片間距的設計是偏小的因此提高了結霜的速度，使得空氣交換流動產生了阻礙使得蒸發器難以正常的運行，因此通過實驗數據運算可以得到在一定的低溫條件下運行，翅片的間距不宜小于1.8mm，而且對于翅片表面的處理也很重要可以通過外加電場的方法來減小水分的移動速度從而達到效果可以噴疏水親水的顏料來控制結霜的時間，而且通過調查得知利用親水的涂料能有效地抑制霜晶的生長，對于制冷劑的設計可在底盤設置加熱裝置，逆流換熱方式是不推薦使用的。

（2）低溫下冷凝器的設計。通常對于工作量大的工況來說，如果沒有采用變頻的設施來說一般情況下是不需要對冷凝器進行特別的設計而且在低溫的情況下工作產生的熱量要比平時下降很多所以說一般是不會出現冷凝器能力不足的情況，但是如果采用了變頻或者多級壓縮等方式就需要根據實際運行的情況來計算改變冷凝器的面積，而計算所需要考慮的因素有蒸汽區的氣體換熱、濕蒸汽區的冷凝換熱等需要詳細計算每個部分所需要的面積。

（3）節流機構的設計。因為在通常熱泵運行的過程中其變化的范圍很大，然而普通的熱力膨脹閥根本不能夠對其進行很有效地調節，所以我們建議對于低溫熱泵來說最好使用電子膨脹閥當工況達到一定程度的時候可以采用雙電子膨脹閥來控制，所以再對于節流機構的設計上建議采用電子膨脹閥來進行精確的調節。

（4）氣流分離器、儲液罐的設計。在處于低溫條件下的長期停機導致制冷劑會局部的往蒸發器內發生轉移，當在下次開啟的過程當中會使得大量的液體流進壓縮機內部，所以有必要在壓縮機前設置一個氣液分離器來進行一定的處理，對于儲液罐，建議適量的增大冷凝器的容積使之能夠跟蒸發器的體積想接近從而取消儲液器的設計。

3 除霜方法

（1）熱氣旁通除霜。對于熱氣旁通除霜來說是在系統內部的壓縮機出口處增加一個旁通的閥門，這個旁通閥會與蒸發器的進口相連接，當霜的量達到了一定的數值我們就可以開啟旁通閥然后關閉蒸發器的風機，這樣就會使壓縮機的排氣通過旁通閥進入蒸發器使蒸發器的溫度升高，也就達到了除霜的效果。

（2）電除霜。電除霜的利用主要是在蒸發器的內部設計添加除霜盤管，同時當霜量達到了一定程度直接停止各個機組的運行，然后開啟電加熱裝置從而使蒸發器的溫度升高，達到除霜的效果。

（3）四通閥門反向除霜。通常我們所了解到的熱泵系統能夠同時兼備制冷與制熱雙功能，所以一般會在系統中設置四通閥門以此來切換工作狀態，所以四通閥反向除霜的應用相當的廣泛，通過四通閥門來改變其工作狀態可以將蒸發器轉換為冷凝器，從而增高蒸發器溫度達到除霜的效果。

從以上的幾種除霜方法的描述來看電除霜無疑是最好的選擇，它既結合了蒸發器的實際要求而且對外界的影響比較小，所以在除霜方面的設計電除霜是最好的選擇。

4 總結

本文通過對低溫空氣源熱泵技術的研究，對于在低溫環境下熱泵系統運行存在的問題及解決的設計方法，首先我們對蒸發器冷凝器的設計進行了研究并且得出了在低溫的環境下應該通過什么方法對其進行改進，提出了電除霜跟四通閥門反向除霜可以解決在低溫下成霜嚴重的方法，通過對整個熱泵系統的設計可以使得能夠更好的適應低溫環境下的工況。

參考文獻：

[1]金旭. 雙級壓縮空氣源熱泵采暖系統實驗研究[D].大連理工大學，2011.

作者簡介：吳衛平（1959-），男，山東青島人，碩士研究生，主要從事企業管理和超低溫空氣源熱泵恒溫系統的研究與開發工作。endprint