目前, 空氣源制冷空調器已進入千家萬戶, 遠遠超過了太陽能和地熱能產品的應用。但空氣源熱泵產品的應用受氣候條件的限制, 在長江以北地區的應用極其有限。筆者在空氣源熱泵產品的研制開發中, 針對低溫結霜問題, 找到了一些解決方法。

 

  1 空氣能應用優缺點分析

 

  空氣能是目前應用最廣的可再生能源之一, 在制冷空調器和熱泵熱水器中應用尤其廣泛。由于空氣能產品受環境溫度影響, 其應用范圍受到很大限制, 特別是空氣源熱泵產品, 幾乎不能在長江以北地區使用。空氣能的應用存在如下問題。

 

  1.1 空氣比焓隨溫度降低而降低

 

  濕空氣的比焓與環境溫度和含濕量有關。從圖1 可以看出, 處于0 ℃等濕球溫度線下方區域的空氣比焓都小于0 。從表1可以看出, 在標準大氣壓下, 飽和濕空氣0 ℃時的含濕量為3 .78 g/kg ,比焓為9 .42 kJ/kg ;-10 ℃時的含濕量為1 .60 g/kg , 比焓為-6 .07 kJ/kg ;-20 ℃時的含濕量為0 .63 g/kg , 比焓為-18 .55 kJ/kg 。空氣的比焓隨溫度的降低而降低。這是空氣源熱泵產品難以進入北方寒冷地區的主要原因之一。

 

  圖1 濕空氣焓濕圖

 

  1.2 空氣比焓隨相對濕度的減小而降低

 

  表2 給出了干球溫度為27 ℃時空氣比焓隨相對濕度的變化情況。可見, 相對濕度越低, 濕空氣的比焓越低。北方地區冬季不僅干球溫度低, 而且空氣中的含濕量低, 即相對濕度低, 故冬季北方地區空氣的比焓相對南方地區低許多, 這是空氣源熱泵產品難以進入北方地區的原因之二。

 

  1.3 熱泵機組換熱器結霜對傳熱效果的影響

 

  當蒸發器表面溫度低于水的凝固溫度時, 從濕空氣中析出的水會凝固在蒸發器表面形成霜層, 附著在管道和散熱肋片上, 增加肋片導熱熱阻;同時,霜層還使肋片間的空氣流通截面變窄, 在風機功率一定的情況下, 阻力增大, 風量減小, 空氣與霜層表面間的對流換熱減弱。肋片管式蒸發器霜層厚度δ可用下式估算:

 

  δ=1 .14(ρumax)0 .1 φ3C-3t τ0 .5 (1)

 

  式中 ρ為空氣密度, kg/m3 ;umax 為空氣最大流速, m/ s ;φ為空氣相對濕度;Ct 為溫度系數,0 .94 ～ 0 .97 ;τ為結霜時間, h 。

 

  從式(1)可知, 霜層厚度與空氣流速、空氣相對濕度和結霜時間有關。生成的霜層成為散熱器的絕熱層, 管內熱量通過銅管、鋁箔傳給霜層, 再由霜層以自然對流方式傳給空氣, 使強迫空氣對流換熱變成自然對流和導熱傳熱方式。銅管的導熱系數為109 W/(m ·K), 霜的導熱系數為0 .106 W/(m ·K), 空氣的導熱系數為0 .024 W/(m ·K)。顯然, 霜的傳熱量只有銅的0 .097 %, 大大降低了傳熱效果。

 

  根據空氣流速的不同, 強迫對流傳熱方式的傳熱量是自然對流傳熱方式的幾倍、幾十倍甚至幾百倍。

 

  由于北方冬季空氣溫度平均低于0 ℃, 結霜是空氣源熱泵產品難以進入北方地區的原因之三。

 

  1.4  空氣能獲取容易, 取之不盡

 

  空氣能獲取方便, 且獲取成本低。圖2 為空氣源空調熱泵熱水器的工作原理。整個空調熱泵熱水器由1 臺壓縮機, 2 個空氣換熱器, 1 個殼管式、板式或套管式換熱器, 1 個節流系統, 1 臺水泵和2 臺風機及所需管路系統組成, 其結構簡單、成本低。

 

  夏季, 空氣源空調熱泵熱水器吸收空氣中的熱量, 按勞倫茲循環原理, 一方面利用較少電能將室內熱空氣熱量“搬”到具有蓄熱功能的水箱中加熱水, 滿足提供日常生活熱水的需要;另一方面, 被冷卻液化的制冷劑節流后流向室內機的蒸發器, 吸收室內空氣中的熱量而蒸發, 從而降低室內空氣溫度, 達到使房間降溫的目的。該機在夏季使用時,系統中吸熱和放熱即“冷熱雙效應”都得到應用, 綜合能效比極高。

 

  圖3 為空氣源空調熱泵熱水器冬季向室內供暖及供熱水的示意圖。春、秋兩季也可采用冬季模式, 不需要供暖時, 關掉室內風機, 換熱器處于自然對流傳熱方式。

 

  春、秋、冬三季一般只能利用空氣源空調熱泵熱水器熱效應或提供生活用水或對房間供熱,其“冷效應” 很難同時利用。通常是冬季利用空調制熱, 春、秋季采用熱泵技術單獨加熱蓄水箱中的生活用水。在環境溫度高于7 ℃時, 其制熱性能系數很高, 在環境溫度低于7 ℃時制熱效果較差, 低于-5 ℃時制熱效果極差, 甚至不能正常運行。雖然只是單向效應, 但空氣能源成本很低, 目前已有將春、秋、冬三季的“冷效應” 用于食品冷藏的實例。

 

  通過上述分析可知, 在黃河以南地區, 空氣源熱泵機組可以采取增加熱負荷的方法使用, 但在黃河以北地區即使增加熱負荷, 在環境溫度-5 ℃以下使用時, 其性能系數已經低于1 .9 了, 節能的效果不明顯。而在東北地區, 當環境溫度低于-15℃時, 空氣源熱泵機組已不能正常工作。因此在北方地區, 若不采取措施, 空氣源熱泵機組冬季無法正常使用。

 

  2 空氣源熱泵產品進入北方市場的探索

 

  空氣源熱泵產品要進入北方市場必須解決以下問題。

 

  2.1 制熱量不足

 

  2.1.1 空氣的比焓隨環境溫度的降低而降低在空氣溫度較低的情況下, 空氣源熱泵產品從空氣中獲得的熱能自然少, 這是空氣源熱泵機組的最大缺陷。從表1 可以看出, 空氣的失熱是溫度發生變化的表現。從15 ℃到5 ℃, 溫差為10 ℃, 比焓差為23 .27 kJ/kg , 即空氣的失熱量為23 .27 kJ/kg ;從-10 ℃降到-20 ℃, 溫差為10 ℃, 比焓差為12 .48 kJ/kg , 即空氣的失熱量為12 .48 kJ/kg 。

 

  在環境溫度從15 ℃降低到-10 ℃后, 空氣的失熱量減少了(23 .27 kJ/kg -12 .48 kJ/kg )/23 .27kJ/kg =46 .4 %。

 

  2.1 .2 換熱器結霜后堵塞通風通道, 從而減少通風量在較低環境溫度下, 蒸發溫度低于0 ℃時, 通過換熱器的制冷工質溫度低于0 ℃, 通過換熱器的空氣溫度也低于0 ℃, 空氣中的水蒸氣凝結成霜附在換熱器外表面的肋片上;通常熱泵機組的空氣換熱器肋片間距只有1 .3 ～ 2 .2 mm , 而水珠的直徑恰在此范圍, 極易形成冰橋, 堵死通風通道, 大大減少通風量。

 

  目前多采用親水膜或斥水膜鋁箔制作熱泵機組蒸發器肋片, 以減緩蒸發器被堵死現象的出現,但仍不能完全解決。