空气源热泵除霜原理及除霜方式研究分析.doc

空气源热泵除霜原理及除霜方式研究分析空气源热泵是众多热泵技术中的一种，它以电能为驱动。夏季，以室外空气作为冷源，将冷量由系统输送至室内；冬季，以室外空气为热源，将热量由系统输送至室内。空气源热泵作为一种低位热源其储量丰富，而且与传统的供热方式相比，空气源热泵既可以降低能耗，也可以减少对环境的污染。并且空气源热泵有着既能供热又可以供冷、占用建筑空间小等优点，受到越来越多的地方的青睐。但是，空气源热泵运行受周围环境的温湿度影响较大，在低温环境下也存在着制热量衰减和结霜的问题。在冬季，空气源热泵对室内进行供热时，如果室外盘管的表面温度低于0℃并且低于室外空气的露点温度，空气源热泵的室外盘管就会结霜。而空气源热泵室外换热器表面的结霜会导致机组运行的可靠性差，结霜对热泵运行主要有两个影响：其一，大量结霜聚集会使蒸发器传热性能减弱，其二，结霜阻碍了室外盘管间的气体流动，风机能量损耗增加。因此，随着室外换热器壁面霜层的增多，室外换热器蒸发温度下降、机组制热量减少、风机性能衰减、输入电流增大、供热性能系数降低，严重时压缩机会停止运行，以致机组不能正常工作。空气源热泵在低温高湿状态下运行时的结霜和除霜问题已成为制约其高效运行的瓶颈，如何能够有效的延缓空气源热泵结霜和高效快速的实现室外换热器除霜，减小因结霜和除霜过程对热泵机组和室内环境造成的不利影响，是关系到空气源热泵能否更广泛和高效运行的关键问题。因此，研究和有效解决空气源热泵结霜问题，对于推广空气源热泵技术起着至关重要的作用。一、除霜原理及过程研究在供热、制冷系统中，结霜是一种非常普遍的现象。当空气中的水蒸气接触到温度低于空气露点温度的表面时，就会发生相变结霜现象。在成霜初期，独立分散的霜类似于肋片，可以起到强化传热的作用，但随着时间的推移，整个冷表面逐渐被霜所覆盖，形成连续的霜层。作为多孔介质的霜层由于导热系数小，不仅会降低系统的传热性能，增加能耗，严重时甚至会造成系统堵塞，引发非常严重的后果。因此，研究结霜的机理以及发现有效的除霜方法一直是国内外学者研究的重点。由于空气源热泵冬季采用空气作为热源，所以，随着室外温度的降低其蒸发温度也随之降低，蒸发器表面温度随之下降甚至低于0℃。此时，当室外空气在流经蒸发器被冷却时，其所含的水分就会析出并依附于蒸发器表面形成霜层。一直以来，国内外学者对结霜过程的研究大多是以实验为基础，到后来才涉及到数值模拟。研究显示，结霜现象发生的可能范围是-12.8℃到5.8℃，室外干球温度t和相对湿度φ是影响热泵结霜的主要因素。当温度和相对湿度达到一定条件后就容易出现结霜现象。KennedyLA做了自然对流条件下竖直壁面的结霜实验，结果表明，霜层形成达到准平衡状态的时间大约需要3h，霜层表面温度接近0℃，其后在0℃上下振荡，并且振荡周期，随着环境相对湿度变化而变化：当相对湿度减小时，震荡周期变长。郝英立采用对自然对流条件下水平表面初始结霜过程实验的研究方法中发现，霜层在初始成长阶段与充分成长阶段有着不同的特点，随着霜层的形成和增长，有效传热系数迅速降低，自然对流传热系数减小，霜层厚度加速率变缓，霜层表面温度逐渐升高。学者姚杨根据Clapcyron-Clausius方程和理想气体状态方程，用理论推导出了计算霜层密度变化的结霜量变化率的公式，同时，考虑了结霜的厚度和密度随时间的变化，为选取有效的除霜控制方法提供了依据。二、空气源热泵除霜方式的研究目前，针对空气源热泵除霜的问题，种类方法有许多，本文主要通过逆循环除霜、热气旁通除霜、蓄能除霜以及电加热除霜四种除霜方法的介绍以及对比来探讨空气源热泵的除霜方式的特点。1、逆循环除霜空气源热泵除霜系统主要由压缩机、室内机、室外机、节流机构、四通换向阀、气液分离器、蓄能换热器、过滤器、电磁阀等组成。逆循环除霜技术中，利用四通换向阀改变制冷剂流向，机组逆向运行，除霜能量来自于压缩机耗功和从室内吸收的热量，使制热状态变为制冷状态，室外机变为冷凝器进行除霜。在除霜期间，压缩机排出的过热状态制冷剂蒸汽被送到室外机盘管进行融霜。当融霜完成后，热泵运行再次逆转，重新开始供热，从而达成除霜的目的。这种方法不需要附加其它设备，除霜时间短，但是在除霜运行时，需要从建筑物内吸热，降低了室内环境舒适性，换向阀需频繁换向，易磨损且噪音较大，系统参数变化较大，并且在压缩机停止供热后，室内温度降低，对舒适度的影响较大。所以，目前多以实验研究为主。2、热气旁通除霜在热气旁通除霜技术中，通过不改变制冷剂流向，使压缩机排出的高温气体通过旁通管路从而直接流向蒸发器进行除霜。运用该种除霜方法时，四通阀不需要进行换向，融霜电磁阀进行开启，关闭风机，压缩机排气经旁通管路至室外机入口进行放热除霜，融霜后的制冷剂通过四通