空氣源熱泵機組融霜水排放問題初探

程港 張春林 錢志博

中機十院國際工程有限公司

隨著“煤改電”項目的大力推廣，空氣源熱泵技術開始大規模應用于供暖中。相對于其他的供暖形式而言，空氣源熱泵以空氣作為熱源，提取空氣中的熱量，當室外環境處于一定范圍內時，蒸發器便會結霜，這是空氣源熱泵技術研究的重點問題。當前空氣源熱泵除霜方法多種多樣，各有利弊。但是空氣源熱泵除霜后的融霜水問題一直沒能引起足夠的重視?？諝庠礋岜脧S家更多的追求運行效率而忽視這個問題的存在，也不愿因此而增加成本。而且由于空氣源熱泵一般設置在室外，也極少有人關注這個問題。但是融霜水的影響卻不容忽視。融霜水不僅影響空氣源熱泵的運行，也給周邊地區帶來安全隱患，其排放問題需要認真對待并在業內形成共識。

1 融霜水的產生

霜是空氣中的水蒸氣遇冷表面凝結而成。當空氣遇到冷表面時，冷表面附近空氣的飽和蒸氣分壓力降低，相對濕度增大，當相對濕度等于100%時水分開始析出。冷表面的溫度若是低于水的三相點溫度時，水分將成為固態并附著在冷表面，從而形成霜。

空氣源熱泵機組普遍存在著結霜現象，這在相對濕度較高的南方地區更為多見。北方寒冷地區冬季氣溫較低，而氣候干燥。采暖室外計算溫度基本在-5～-15℃，最冷月平均室外相對濕度基本在45%～65%之間。在這些地區選用空氣源熱泵，其結霜現象不太嚴重。

表面結霜對空氣源熱泵運行效率有較大的影響，首先是結霜會堵塞翅片間通道，增加空氣流動阻力，從而流經蒸發器表面的空氣流量減小，導致蒸發器吸熱量不足；其次表面結霜會附著在蒸發器上，增加了蒸發器的熱阻，進一步降低了蒸發器的換熱能力。研究表明，霜層的覆蓋會造成機組COP下降35%～60%，制熱能力下降30%～57%[1]。為了保證供熱量空氣源熱泵需要進行融霜，融霜過程是一個逆向加熱過程，不僅不能從空氣中提取熱量，反而需要消耗現有的熱水的熱量，此時機組一般不再保證供熱效果。

除霜是空氣源熱泵研究的關鍵技術之一，若除霜工作不正常，空氣源熱泵的制熱功率將會增加，嚴重時會導致機組低溫報警甚至停機。除霜技術經過多年研究已經相對成熟，目前的主流的除霜方法有逆循環除霜法、熱氣旁通除霜法、電加熱除霜法、相變蓄能除霜法等[2]。

以上無論哪種除霜方法，其原理均是通過加熱使蒸發器表面的霜層融化并排出。但是熱泵蒸發器表面上的霜層在溫度低濕度大的時候比較厚，除霜過程產生的熱量雖然可以輕易地將霜層與蒸發器的翅片管表面分離，有的霜層以水滴形式滴落，但是更多的霜層是從蒸發器表面以冰晶形態滑落。分離后的霜層一般自行墜落或堆積于蒸發器的下部，由于失去了加熱源，融化后的水或冰晶迅速地再結成冰。在每一個除霜過程中都會有部分水凍結。如此反復循環，最終將使整個蒸發器下方有大量的冰霜堵塞，如果不及時清除將會降低熱泵機組的通風能力，同時也給熱泵站房排水造成影響。有的熱泵站房沒有設置排水措施，積冰在白天氣溫高的時候融化，夜間氣溫低的時候再次凍結，久之會造成站房地面結冰，如果空氣源熱泵位置較高，站房邊緣會掛有冰棱，給周邊帶來安全隱患。所以結霜嚴重的地區務必處理好融霜水的排放問題。

2 排放的建議

考慮融霜水再次結冰對設備及站房的危害，建議對空氣源熱泵機組設置接水盤，然后將其接入排水系統，并且設置防止二次結冰的有效措施。

接水盤材質優先采用鋼板，尺寸需要完全覆蓋滴水區域。接水盤底面均坡向泄水口，即最低點設開口接出。由于融霜過程中霜層融化不充分，有的以冰晶形式剝落，大量的冰晶會直接落入接水盤內，融霜水在接水盤內就會再次結冰，堵塞排水口，導致融霜水不能排出。此時需要對接水盤內的冰水混合物進行加熱。故需在接水盤內設置自限溫電加熱帶。

空氣源熱泵安裝位置較高，一般基礎高出地面300mm以上，融霜水管道可以以重力自流形式排入排水系統。接水盤出口的管道不宜過長、過緩，盡可能使融霜水以最短的距離排往室外。接水盤的排水支管沿水流方向的坡度不應小于0.01，并且融霜水的水平干管不宜過長,其坡度不應小于0.003,且不允許有積水部位。水平干管末端應設便于定期沖洗的清掃口，防止泄水管堵塞。盡可能大的排放坡度、盡可能短的排放距離、盡可能高的溫度余量是防止重新結冰的有效途徑。

排水管道管徑選擇根據廠家提供的最大融霜水量和敷設坡度確定。排水管道宜采用排水塑料管或熱鍍鋅鋼管，為了防止融霜水停留時間過長再次凍結，管道需要保溫，并安裝電伴熱。

結霜現象在不同的地區情況有較大的差異，根據對不同空氣源熱泵機組的試驗結果，相對濕度RH和室外干球溫度Ta是影響熱泵結霜的重要因素，發生結霜的可能范圍為 -12.8 ℃＜Ta＜5.8 ℃。當氣溫高于5.8 ℃時，可以不考慮結霜對熱泵的影響；當氣溫低于5.8 ℃，相對濕度小于67%時，由于空氣露點溫度降低到低于室外換熱器表面溫度，不發生結霜現象；當氣溫低于-12.8 ℃時，由于空氣絕對含濕量太小，也不發生結霜現象[4]。以上情況因為沒有融霜水或融霜水很少，可以不設置接水盤。

3 站房實例

北京市海淀區無煤化空氣源熱泵集中供暖項目大規模采用低溫空氣源熱泵作為熱源，其中對融霜水的排放問題給予了很高的重視。這個項目共涉及到4個鎮、7個街道下轄的23個社區，幾千戶居民100余萬平方米供暖面積，共設計40余個集中低溫空氣源熱泵供熱站房。此項目于2017年完整運行了一個采暖季，在低溫情況下的得到肯定的評價。

其中香山村東紅門熱源站負責供熱面積2.18萬m2，熱負荷指標為85 W/m2，設計熱負荷為1853 kW。該熱源站共安裝了5臺低溫空氣源熱泵，型號為AZ-5340W/DLTDA，制熱量443.3 kW。熱泵產品在施工現場根據條件配套融霜水排除裝置。空氣源熱泵的蒸發器為V型布置，此種形式融霜水大部分流到V型底部，并冰塊剝離現象。故在V型的底部設置了接水盤（圖1）。接水盤沿蒸發器底部布置，中間高，兩側最低點設置排水口，接水盤沿蒸發器底部布置電伴熱帶。排水口用軟管接至排水干管（圖2）。軟管和排水干管均做保溫并設置電伴熱。這些措施保證了站房的清潔和安全，站房內無積水或積冰現象，地面整潔。

圖1 接水盤

圖2 排水管

4 結論

空氣源熱泵技術的快速發展為大氣污染防治和清潔空氣行動提供了重要助力。在市場經濟和政策的雙重推動下空氣源熱泵在供暖領域將發揮更重要的作用。為了更好地保證其效果，設置接水盤和防凍措施是必要的。熱泵產品宜根據設備條件配套接水盤，施工時注意做好保溫措施，從而避免亂排放、結冰等問題，給用戶和周邊的居民徹底的清潔能源。