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空气源热泵除霜方法和除霜技术

   

空气源热泵因具有获取能源方便、性能稳定、安装使用便捷等诸多优点而得到广泛使用,如家用空调和热泵热水器等。空气源热泵系统冬季运行时,受环境空气温湿度的影响,室外换热器表面会结霜,不断积聚的霜层会阻碍盘管间的空气流动,削弱换热性能,进而导致系统性能系数( COP) 和制热量减小。那么,该如何解决空气源热泵的结霜、化霜问题?


空气源热泵系统结霜问题

   

为保障空气源热泵系统的冬季运行效率,尤其房间空调器的舒适性与稳定性,需要采用适当的方法抑制换热器表面结霜,或进行周期性除霜。空气源热泵系统室外换热器表面结霜需同时满足两个条件: 

1) 换热器表面温度低于0 ℃; 

2) 换热器表面温度低于环境空气的露点温度。室外换热器表面温度取决于环境温度影响下的制冷剂蒸发温度,而空气的露点温度则受相对湿度的影响,所以空气温、湿度成为热泵系统室外换热器表面结霜与否的主要判断依据。


研究表明: 

空气温度为-5 ~ 5 ℃,相对湿度>70%的气候条件下,室外换热器表面最易结霜; 

当空气温度<-5 ℃时,即使相对湿度很高,空气中的含湿量也仅为2~ 3 g/( kg 干空气) ,不会导致严重结霜。


也有研究指出: 

可能结霜的气象参数范围为-12.8 ℃≤环境温度≤5. 8 ℃,相对湿度≥67%,空气温度>5. 8℃时,可不考虑结霜对热泵的影响; 

空气温度<5. 8℃,但相对湿度<67%时,由于空气露点温度<室外换热器表面温度,不会发生结霜; 当湿球温度<-12.8 ℃时,由于空气含湿量过小,也不会发生结霜现象。


当结霜条件得到满足,会经过: 冷凝水滴、冰层、霜晶、霜枝、霜层的结霜过程,随着热泵系统的运行,霜层厚度也随之增长。


为解决室外机结霜问题,常用的除霜方法有:1)逆循环除霜法,2)热气旁通除霜法,3)加热除霜法,4)相变蓄能除霜法。

   

空气源热泵除霜方法

   

1、逆循环除霜法

逆循环除霜法也叫换向除霜法,是目前国内家用空调在系统上普遍采用的一种除霜方式,其基本原理是通过四通换向阀换向,从室内机吸热,把热量输送到室外机融霜。

主要实现方式为:空调器制热运行→判断需要除霜→压缩机停→四通阀换向→压缩机开→除霜完成→压缩机停→四通阀换向→压缩机开→正常制热。

这种除霜方式不增加空调器成本,实现起来最简单,所以得到广泛应用。换向除霜法主要存在下列缺点:1)除霜时房间的舒适性差,2)除霜时间长,3)系统运行可靠性差。


2、热气旁通除霜法

热气旁通除霜法也叫显热除霜法,是一种比较普遍的除霜方式,通过从压缩机排气口引出一支旁通回路将压缩机排气引到室外换热器内实现除霜。

热气旁通除霜的实现方式为:空调器制热运行→判断需要除霜→室内风机超低速运转→二通阀1、2开→电子膨胀阀开大→除霜完成→正常制热。

热气旁通除霜可以克服逆向循环除霜的部分缺点:由于在进行热气旁通除霜时,仍有一部分排气通入室内机,室内换热器的温度保持在较高水平,可以通过自然对流的方式向室内散热。有时甚至可以在除霜时开启内风机,实现在除霜的同时向室内供热,对于室内舒适性具有较大的贡献。另外,由于除霜时四通阀不换向,压缩机不停机,室内换热器在除霜时保持较高温度,除霜完成后室内可以立即送热风。

但是这种除霜方式应用于家用空调器仍然具有下列问题:1)除霜时间长,2)除霜时压缩机高负荷运行,3)压缩机可靠性运行问题。


3、加热除霜法

加热除霜法是将热气旁通除霜与冷媒直接加热技术相结合,基本解决了逆循环除霜和热气旁通除霜无法克服的问题。

加热除霜的实现方式为:空调器制热运行→判断需要除霜→室内风机超低速运转、二通阀开、加热器开→电子膨胀阀开大→除霜完成→正常制热。

加热除霜方式最关键的技术就是在压缩机吸气端增加了一个加热器。化霜时,四通阀不换向,压缩机不停机,室内可以实现持续供热。加热除霜方式具有如下优点:1)除霜时房间的舒适性好,2)化霜时间短,3)压缩机运行可靠。

加热除霜方式克服了逆循环除霜和热气旁通除霜方式的一系列缺陷,但是也带来了一些新的问题:1)耗电量高,2)成本较高。


4、相变蓄能除霜法

相变蓄能除霜法是在热气旁通除霜方式的基础上增加一个相变蓄热器作为空气源热泵除霜时的低位热源,采用供热时相变材料蓄热,除霜时相变材料释热除霜的方式。

相变蓄能除霜(串联蓄热模式)的实现方式:空调器制热运行、相变蓄热器串联蓄热→判断需要除霜→室内风机超低速运转→相变蓄热器释热除霜→除霜完成→正常制热。


采用相变蓄能除霜方式化霜时,四通阀不换向,压缩机无需停机,并且室内仍然可以持续供热。由于增加了相变蓄热器作为低位热源,克服了传统热气旁通除霜法的诸多缺点,具有除霜是房间舒适性好、化霜时间短、压缩机运行可靠等优点,且节能效果明显优于加热除霜法。


5、其他除霜法   

(1)室外换热器表面处理

此外,对空气源热泵室外侧换热器表面进行处理也可以抑制霜层生长的作用,例如,对室外换热器表面添加疏水层,可以促进水滴从室外机壁面脱落,减缓霜层的生长速度。有休斯顿大学的科学家研发了一种称为磁性光滑表面(MAGSS)的材料,当冰晶接触到磁流体中时,磁流体会形成一层屏障,致使冰晶无法附着在物体表面,或许也可为空调室外机除霜开辟新思路。


  (2)无霜空气源热泵

目前国内已有学者对无霜型空气源热泵做出初步研究,无霜空气源热泵系统工作原理如图 9 所示,对进入蒸发器的空气先进行除湿,进而实现热泵的无霜运行。

付慧影等人研究发现无霜空气源热泵系统能够在冬季低温条件下实现稳定供热,但系统效率略低于传统系统。梁明坤等人通过实验验证了溶液喷淋板状换热器的无霜方式运用在冬季空气源热泵系统的可行性,但是该系统需要额外的溶液再生装置,系统复杂。目前国内关于无霜空气源热泵技术的相关研究尚未成熟,无霜型空气源热泵除霜过程控制问题较为复杂,缺少适用的一般控制参数。

   

空气源热泵系统除霜实际操作方法

   

1、开机前后,先检查

开机前

1.检查各项电压是否平衡

2.检查机组电压和电气系统接线是否牢固

3.检查机组安全保护装置有无拆装或调整

4.检查氟系统有无泄漏

5.检查主机出风口有无堵塞或通风不畅

6.检查蒸发器是否需要清洗

7.检查主机运行及安全保护设定参数是否有改动

开机后

1.检查主机各部件工作是否正常

2.检查主机系统工作压力是否正常

3.检查主机运转时是否有异常响声和振动

4.检查压缩机是否有不正常噪音和震动

5.检查及记录相关运行数据

6.检查主机控制器是否可正常操作

7.主机启动后,仔细观察压缩机电流是否正常

8.检查主机出水温度与显示数值是否一致

9.开机时先预热

10.试运行过程中勿手动开、停机


2.降温前巡检工地,注意清洗机器

不应该是客户出现问题才上门维修,而是把服务赶在问题发生前。在冬天来临之际,或在平常日子,主动清洗和检查机组,洗重要部件,检查机组线路等,确保机组平时不会出现故障,以保证能顺利过冬。


3.加强管道的保温效果

管道保暖对工程质量来说,非常重要,很多经销商都意识到管道保暖的重要性。因此,应尽早为管路穿上“衣服”


4.保持热泵和系统通电

空气源热泵制热是以水作为中间介质进行热量的传递,如果天气温度比较低,一旦我们出门时给空气能热泵断了电,那么有可能导致管路内的大量水流温度急剧下降,温度过低的话,就有可能冻坏设备,导致设备出现故障。空气源热泵设备都具有防冻功能,在水温低至一定温度时,设备会自动启动,防止设备及管路结冰。

5.不用时应及时放水排空

若空气源热泵在冬季不运行或需要长时间停机,比如长期外出机组不经常使用时,应当将机组、水泵、室外管路内的水全部排空,以防机组冻坏,并切断电源。然后再运行时要对空气源热泵系统进行一次全面的检查,确保没有出现故障。

6.冷凝水应妥善处理

空气源热泵在供暖时有着大量的冷热变化,因此在供热的过程中,无疑会有大量的冷凝水排放。

大家都知道水往低处流的道理,如果在冷凝水的排放上略有疏忽,那么冷凝水通过管道往外排,会流到地面上,气温低于零度的话,冷凝水容易结成冰,有可能将排水管冻住,进而沿着排水管往上攀升,最后导致设备无法正常运行。

而且对“煤改电”的农村用户来说,由于主机都安装在路边或院内,冷凝水无序排放的话,很可能造成路面光滑,进而导致人行走之时摔倒摔伤,导致不必要的经济损失。所以冷凝水的管道位置一定要合理地的设计,自己也要不定期清理冷凝水。

7.热泵周围杂物和积雪及时清理

如果热泵安装位置通风不好,将会影响热泵的制热效果,因此要多清理,还要注意的是主机风扇吹出来的是冷风,如果前面有杂物阻挡,会影响到冷风的排散,这样就会导致空气中热量不足,影响到制热效果。如果雪过大的话,积雪要及时清除。

8.如果主机结霜,需要彻底化霜

冬天主机必须彻底化霜,如果霜未完全化完就启动主机,会使主机结冰,而且会越结越多,进入恶性循环,导致主机无法正常工作。机组结霜,无非有正常和非正常两种状态。

实际化霜过程记录


正常结霜,当冬季室外温度低于0℃时,制热运行时间长,室外机组整个换热器表面均匀结霜,这是正常的现象。原因是:换热器温度低于环境空气的露点瘟度时,整个换热器上散热片表面会产生凝露水,当环境空气温度于0℃,凝露水就会凝结成薄霜。当然结霜严重时会影响机器制热效果。一般热泵产品都有自动化霜功能,确保机组正常运行。


非正常结霜,这是导致空气能运行故障的主要原因,这也是所有经销商必须高度注意的地方。判断步骤及排除方法如下:

首先检查设置是否正确,化霜启动时间、启动温度、化霜时间、化霜结束温度等设置是否合理。一般情况下,化霜出厂设置启动温度是2~4℃,化霜间隔时间为30~45分钟,化霜结束温度一般为10℃左右。先检查这些设置是否合理,然后再进行下一步的判断。



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