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空氣能熱泵除霜方法

作者: 點擊:51 發表時間:2021-07-30

霜凍的產生和露的形成機制類似,都是當空氣遇到冷面時,冷表層周圍空氣的飽和蒸氣分壓下降,空氣濕度上升,導致空氣能熱泵水分析出;對于空氣能熱泵,當室外換熱器表面溫度低過周圍空氣露點溫度,高過水的三相溫度時,空氣中的水蒸氣會在其表面層使液體凝固并附在上面,從而產生霜層。風能熱泵工作于結霜狀態時,熱交換溫度差增大,壓縮機排風溫度升高,空氣能熱泵機組能耗增加,從而嚴重影響空氣能熱泵性能。

電加熱除霜法、熱氣除霜法、逆循環除霜法是在蒸發器表面層或翅片上加熱棒,這種除霜方法不僅耗電量大,還會散失熱量,對空氣中造成的安全問題普遍存在。逆循環除霜是將四通閥換向,在空氣源熱泵工作條件下,由制熱條件改變為制冷條件,將蒸發器表面結霜,但會造成室內溫度差、能耗大、除霜不均勻等問題。熱氣旁通是將壓縮機排出的氣體通過旁通閥流入室外蒸發器除霜,嚴重影響壓縮機的使用壽命。熱風旁通除霜時間比逆循環除霜法長,后者的除霜熱量來自室內換熱器表面的余熱和壓縮機的功,而前者的除霜熱量僅來自壓縮機作功,這取決于除霜機理,但在整個工作周期中系統的COP要高于逆循環除霜,而且壓縮機的吸、排氣壓力波動范圍小。另外,當采用這兩種除霜方式時,房間內熱交換器必須停止工作,除霜結束后房間換熱器表面溫度達到一定值后才能開啟風機采暖,從而影響房間的舒適程度。

用數值分析方法,研究了空氣溫度和濕度對逆循環除霜的影響,結果表明:當空氣濕度大于80%時,COP月均下降17%,而在0~6℃地區則下降17%。而逆循環和熱空氣旁通的除霜效果并不理想,而格尚研究表明,熱空氣旁通逆循環法COP分別提高了5.7%和8.5%,在改善室內舒適度、降低能耗方面略有優勢。格尚研究發現,熱空氣旁通除霜方法的室內舒適度比逆循環法高25%以上。為了解決熱氣旁通除霜方式延長除霜時間,格尚提出了顯熱除霜法,但標準較高;四通在四通室外換熱器之間增設了制冷劑補償器,借助于除霜模式下壓縮氣體的放熱,以提高除霜模式下壓縮氣體的放熱量,提高了除霜模式下壓縮氣體的放熱量,提高了反循環效率和除霜時間。針對低溫條件下的空氣能熱泵系統,格尚提出在兩級壓縮的基礎上增加兩個除霜支路和補熱支路,在經濟器內加入一個電熱絲,使制熱在低溫下保持高效除霜(<-10℃)。

應用相變蓄熱法,由于傳統除霜方式具有除霜時間長、能耗大等缺點,采用相變蓄熱法可有效緩解室外溫度對系統制熱量的影響,平衡系統制熱與用戶對用熱量的需求,調節電力負荷。曲明璐提出一種蓄能重疊式空氣能熱泵除霜系統,對比分析表明,間歇蓄能除霜效果穩定,能耗降低85.2%,結霜時間減少77.6%。利用相變蒸發式空氣能熱泵系統,考慮了制熱和除霜等因素,在-25℃和-30℃的條件下,對空氣能熱泵系統的COP分別為2.0和1.94,并且在較短的時間內消耗了較少的能量,具有良好的節能效果。對相變蓄熱式除霜技術進行了試驗比

對比了相變蓄熱式除霜技術在除霜耗時、能耗、室內舒適度恢復時間等方面的優勢。
格尚對空氣源CO2熱泵除霜的研究結果表明,其除霜率較低(35%),原因在于它主要用于加熱水中,而除霜率隨相對濕度和干球溫度的升高而增加。格尚提出串聯供熱和連通、不連通供熱3種供熱方式的蓄熱除霜系統,結果表明串聯供熱的性能系數,連通方式比串聯方式好。格子蓄熱除霜系統的蓄熱式和并聯蓄熱式兩種蓄熱式,雖然排風溫度達到122.5℃,但串并蓄熱方式的壓力、溫度特性穩定、蓄熱時間短,對室內舒適度的影響小。比較了雙熱風和逆循環除霜技術在同一工況下的除霜效果,結果表明:雙熱氣旁通除霜法比逆循環除霜時間和效率提高15%,解決了雙熱旁通除霜時間和效率的不足。

選用相變材料,具有良好的除霜時間,節約能源,提高了低溫制熱能力,但在低溫下空氣能熱泵機組的運行效率并未得到明顯改善,而新型無霜空氣能熱泵熱水器,則從空氣能熱泵機組形式上進行改進,徹底解決了空氣能熱泵低溫運行問題。格尚明確提出了一種新型無雙風能熱泵熱水器,它的基本原理是利用固體干燥劑的吸附力達到無霜運行,利用相變蓄熱設備將冷凝余熱回收作為再生方式的低溫熱源,對干燥劑再生再生系統進行再生,在工況為0℃和80%時,與熱氣旁通法和電加熱除霜相比,系統COP分別提高了7.25%和46.3%。

高電壓電場除霜,超聲除霜,還有熱水除霜。兩者的基本原理類似,都是利用外電場抑制霜層膨脹而使其脫落,高壓電場除霜法是利用電場破壞霜晶來實現除霜;超聲波除霜是根據共振原理,運用霜晶與超聲波之間的共振效應,實現除霜效果。在室外熱交換器上安裝除霜裝置(內部裝有電加熱棒、水泵、抽水管、電子水位計、電子水溫計和電磁);在制熱模式下,用電加熱棒將除霜設備內的水加熱至設定溫度,除霜時打開電磁閥,使設備內的熱水流過室外換熱器表面除霜,用電加熱棒將除霜裝置內的水加熱至設定溫度,除霜時打開電磁閥,除霜后再進行除霜。通過高電壓電場和超聲波除霜的試驗,結果表明,高壓電場的除霜時間短,節能效果明顯,且優于逆周期除霜。

上述兩種除霜方法仍在研究中,且存在一定的不足,如高壓電場除霜時電極材料的選擇問題,超聲除霜對基礎冰層的影響。
綜上所述,研究者們在低溫條件下對空氣能熱泵系統進行了大量研究,其中補氣增焓系統、雙級壓縮系統熱泵系統、空氣能熱泵機組的制熱量和穩定性均有較大提高;逆循環除霜、熱氣旁通和蓄熱除霜方式是寒冷地區空氣能熱泵系統的推動,各種方法仍有其不足之處。比如,逆循環除霜操作簡單,效果好,但低壓差值太大,會影響系統的可靠性,而新的除霜方法還在研究中,許多研究是在實驗條件下完成的,其實際應用還需要進行大量的驗證,因此,對空氣能熱泵低溫除霜的研究還有待進一步的研究,而空氣能熱泵低溫除霜的研究、實際的結霜特性的研究、材料實際的結霜特性的研究,以及如何將材料科學結合起來徹底解決結霜問題。

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