低温气候空气源热泵系统设计研究

吴卫平+窦秀华+魏忠鑫

摘 要：本文主要是对在低温气候下空气源热泵的工作进行设计跟研究，以此来解决在寒冷的环境里能够正常的工作，从而扩大空气源热泵的使用范围，首先热泵是一种冷热复用的设备可以通过控制系统来切换到制热制冷状态，空气源热泵的原理是以电能作为动力再从空气中提取低品味的热能然后通过一定的转换之后就变成了高热能，在这个形成的过程中其中电能只是提供了推动的作用，所以说相对于其他产热的方式热泵显得更加节能。

关键词：低温条件下对空气源热泵性能的影响分析；在低温条件下热泵性能的设计；除霜方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.232

0 引言

从目前国内低温气候空气源热泵的发展来看，对于圧缩过程的改进发展跟是放在重点位置的，为了提高压缩机能够保持足够的稳定性使得可以再低温的环境下运行，但是热泵作为一个系统来说能够对其造成影响的因素有很多比如其中的冷凝器跟蒸发器能直接影响其工作但是就目前的情况来看对于其改进是远远不够的，还有除霜问题的解决方法，这就要求我们从空气源热泵系统的个个方面进行分析讨论得出改善的结果。

1 低溫条件下对空气源热泵性能的影响

（1）对于蒸发器问题的影响。首先蒸发器是热泵系统中最重要的组成部分之一，蒸发器能够直接影响到整个热泵系统的运行而低温对于蒸发器的主要影响分为第一点：翅片设计的不合理导致结霜频繁；第二点：制冷剂流向设计、风扇位置引起的换热不均导致的结霜；第三点：分液不均导致制冷剂流量分布不均匀这三个方面的问题。首先是对于翅片的问题一般常用的蒸发器为了减少整个系统的大小体积，往往会把翅片间距离设计比较小，虽然这样做可以有效地增加单位换热的面积，但是同时也会使得蒸发器的结霜速度会加快，而且还会产生积水性而导致结冰，从而对蒸发器的运行造成影响。对于制冷剂流向的设计在通常情况下制冷剂是跟空气流动的方向相反，而且不同的流向产生的性能差异也是有所不同的，当处于制热工作的时候制冷剂会在换热器气出口的地方温差特别大，使得翅片结霜更加的严重还会造成结冰的情况，所以在设计的同时要充分的考虑到怎么处理结霜严重跟怎么有效除霜的问题，而且对于一般的蒸发器往往以最大换热量来考虑，往往会采用多路供液，然而在低温的情况下容易造成分液不均匀容易导致程序的正常运行。

（2）冷凝器问题的分析。当系统工作的适合压缩机排气的温度变得更高使得进入到冷凝器的气体高出了预计的温度，而且由于冷凝器的工作原理跟一般的设计存在很多不同从而限制了冷凝器作用使得换热的状态大大降低从而限制了系统的能力。

2 在低温条件下热泵性能的设计

（1）蒸发器结构的设计。对于蒸发器在低温下存在的情况跟考虑的因素有翅片的间距跟形状、迎风管的排数跟风速、空气的湿度、制冷剂流向这几个方面的问题设计因素。首先翅片的间距上面已经提到通常的系统内翅片间距的设计是偏小的因此提高了结霜的速度，使得空气交换流动产生了阻碍使得蒸发器难以正常的运行，因此通过实验数据运算可以得到在一定的低温条件下运行，翅片的间距不宜小于1.8mm，而且对于翅片表面的处理也很重要可以通过外加电场的方法来减小水分的移动速度从而达到效果可以喷疏水亲水的颜料来控制结霜的时间，而且通过调查得知利用亲水的涂料能有效地抑制霜晶的生长，对于制冷剂的设计可在底盘设置加热装置，逆流换热方式是不推荐使用的。

（2）低温下冷凝器的设计。通常对于工作量大的工况来说，如果没有采用变频的设施来说一般情况下是不需要对冷凝器进行特别的设计而且在低温的情况下工作产生的热量要比平时下降很多所以说一般是不会出现冷凝器能力不足的情况，但是如果采用了变频或者多级压缩等方式就需要根据实际运行的情况来计算改变冷凝器的面积，而计算所需要考虑的因素有蒸汽区的气体换热、湿蒸汽区的冷凝换热等需要详细计算每个部分所需要的面积。

（3）节流机构的设计。因为在通常热泵运行的过程中其变化的范围很大，然而普通的热力膨胀阀根本不能够对其进行很有效地调节，所以我们建议对于低温热泵来说最好使用电子膨胀阀当工况达到一定程度的时候可以采用双电子膨胀阀来控制，所以再对于节流机构的设计上建议采用电子膨胀阀来进行精确的调节。

（4）气流分离器、储液罐的设计。在处于低温条件下的长期停机导致制冷剂会局部的往蒸发器内发生转移，当在下次开启的过程当中会使得大量的液体流进压缩机内部，所以有必要在压缩机前设置一个气液分离器来进行一定的处理，对于储液罐，建议适量的增大冷凝器的容积使之能够跟蒸发器的体积想接近从而取消储液器的设计。

3 除霜方法

（1）热气旁通除霜。对于热气旁通除霜来说是在系统内部的压缩机出口处增加一个旁通的阀门，这个旁通阀会与蒸发器的进口相连接，当霜的量达到了一定的数值我们就可以开启旁通阀然后关闭蒸发器的风机，这样就会使压缩机的排气通过旁通阀进入蒸发器使蒸发器的温度升高，也就达到了除霜的效果。

（2）电除霜。电除霜的利用主要是在蒸发器的内部设计添加除霜盘管，同时当霜量达到了一定程度直接停止各个机组的运行，然后开启电加热装置从而使蒸发器的温度升高，达到除霜的效果。

（3）四通阀门反向除霜。通常我们所了解到的热泵系统能够同时兼备制冷与制热双功能，所以一般会在系统中设置四通阀门以此来切换工作状态，所以四通阀反向除霜的应用相当的广泛，通过四通阀门来改变其工作状态可以将蒸发器转换为冷凝器，从而增高蒸发器温度达到除霜的效果。

从以上的几种除霜方法的描述来看电除霜无疑是最好的选择，它既结合了蒸发器的实际要求而且对外界的影响比较小，所以在除霜方面的设计电除霜是最好的选择。

4 总结

本文通过对低温空气源热泵技术的研究，对于在低温环境下热泵系统运行存在的问题及解决的设计方法，首先我们对蒸发器冷凝器的设计进行了研究并且得出了在低温的环境下应该通过什么方法对其进行改进，提出了电除霜跟四通阀门反向除霜可以解决在低温下成霜严重的方法，通过对整个热泵系统的设计可以使得能够更好的适应低温环境下的工况。

参考文献：

[1]金旭. 双级压缩空气源热泵采暖系统实验研究[D].大连理工大学，2011.

作者简介：吴卫平（1959-），男，山东青岛人，硕士研究生，主要从事企业管理和超低温空气源热泵恒温系统的研究与开发工作。endprint