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

 

  1 空氣能應用優(yōu)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(diào)器和熱泵熱水器中應用尤其廣泛。由于空氣能產(chǎn)品受環(huán)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(chǎn)品, 幾乎不能在長江以北地區(qū)使用?？諝饽艿膽么嬖谌缦聠栴}。

 

  1.1 空氣比焓隨溫度降低而降低

 

  濕空氣的比焓與環(huán)境溫度和含濕量有關(guān)。從圖1 可以看出, 處于0 ℃等濕球溫度線下方區(qū)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(chǎn)品難以進入北方寒冷地區(qū)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(qū)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(qū)空氣的比焓相對南方地區(qū)低許多, 這是空氣源熱泵產(chǎn)品難以進入北方地區(qū)的原因之二。

 

  1.3 熱泵機組換熱器結(jié)霜對傳熱效果的影響

 

  當蒸發(fā)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(fā)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(fā)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(shù),0 .94 ～ 0 .97 ;τ為結(jié)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(jié)霜時間有關(guān)。生成的霜層成為散熱器的絕熱層, 管內(nèi)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(shù)為109 W/(m ·K), 霜的導熱系數(shù)為0 .106 W/(m ·K), 空氣的導熱系數(shù)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(jù)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(jié)霜是空氣源熱泵產(chǎn)品難以進入北方地區(qū)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(diào)熱泵熱水器的工作原理。整個空調(diào)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(jié)流系統(tǒng), 1 臺水泵和2 臺風機及所需管路系統(tǒng)組成, 其結(jié)構(gòu)簡單、成本低。

 

  夏季, 空氣源空調(diào)熱泵熱水器吸收空氣中的熱量, 按勞倫茲循環(huán)原理, 一方面利用較少電能將室內(nèi)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(jié)流后流向室內(nèi)機的蒸發(fā)器, 吸收室內(nèi)空氣中的熱量而蒸發(fā), 從而降低室內(nèi)空氣溫度, 達到使房間降溫的目的。該機在夏季使用時,系統(tǒng)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(diào)熱泵熱水器冬季向室內(nèi)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(guān)掉室內(nèi)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(diào)熱泵熱水器熱效應或提供生活用水或?qū)Ψ块g供熱,其“冷效應” 很難同時利用。通常是冬季利用空調(diào)制熱, 春、秋季采用熱泵技術(shù)單獨加熱蓄水箱中的生活用水。在環(huán)境溫度高于7 ℃時, 其制熱性能系數(shù)很高, 在環(huán)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(qū), 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(qū)即使增加熱負荷, 在環(huán)境溫度-5 ℃以下使用時, 其性能系數(shù)已經(jīng)低于1 .9 了, 節(jié)能的效果不明顯。而在東北地區(qū), 當環(huán)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(qū), 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(chǎn)品進入北方市場的探索

 

  空氣源熱泵產(chǎn)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(huán)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(chǎn)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(fā)生變化的表現(xiàn)。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(huán)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(jié)霜后堵塞通風通道, 從而減少通風量在較低環(huán)境溫度下, 蒸發(fā)溫度低于0 ℃時, 通過換熱器的制冷工質(zhì)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(jié)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(fā)器肋片, 以減緩蒸發(fā)器被堵死現(xiàn)象的出現(xiàn),但仍不能完全解決。