8-针对寒冷的热泵系统设计方法

中间补气的涡旋压缩机
喷气增焓准二级压缩系统原理图
喷气增焓准二级压缩循环过程的 lg P-h 关系
对制冷（制热）能力的改善
对（制冷）能效比的改善
对排气温度的改善对比
气体喷射(闪蒸器) 数码涡旋＋喷气 增焓
完全中间冷却的二级压缩热泵循环
不完全中间冷却的二级压缩热泵循环
直接耦合式二级热泵循环
• 只要是冷库在夏天可以达到的低温，就 是空气源热泵热水器可以适应的环境低 温 • 因为他们做着几乎相同的工作，都是将 低温处的热量“搬运”到高温处，当前 普通的冷库也可以达到零下24℃（家用 的冰箱也可以），说明冷库工况下，制 冷装置可以把零下24℃环境下的热量， 搬运至热端（库外），也就是说，空气 源热泵应该能够不费力的适应零下24℃ 的低温环境。
雨或雪的产生
• 在一定的温度和压力下，湿空气中水蒸气 的含量(即水蒸气密度)是有一定限度的； • 当潮湿且温度较高的气流遇到冷空气被冷 却后，也会使它不能再容纳原有的水蒸汽， 水便析出成为雨或雪。 • 露点温度，是指对于某一状态的空气，在 它的水蒸汽含量和气压都不改变、仅降低 其温度的情况下，冷却到饱和状态时的温 度。
蒸发器的“容霜”能力
• 由于空气能热泵热水器的蒸发换热 器翅片的片矩，一般都比较小，仅 为1.8mm左右，（甚至≤1.6mm）， 霜层的增厚也使空气流通的通道变 得狭窄，空气流量迅速降低甚至停 滞，降低了蒸发器获得热量的能力。
用于低温环境的翅片
• 提高蒸发器翅片容霜 能力的最好方法，是 适当增大翅片的片距； • 在采用冷风机作为冷 却器的冷库中，冷风 机的翅片间距却经常 在6-8mm甚至更大，在 采用冷排管作为蒸发 器的冷库中，霜层也 经常超过10mm。
影响冬季工作能力的六个因素
• • • • • • 蒸发器的参数 风速 蒸发器翅片片矩 蒸发器表面的洁净程度 控制器 循环方式
热泵的除霜方式
压缩机热气旁通除霜
旁通阀除霜+电加热制冷剂方法
热泵的防冻
• 一：冷凝器冻裂，由于热泵主机多数放置在室外， 和环境温度一致，在低温条件下放置时间过久， 就会造成冷凝器内的水被冻结，水冻结后体积膨 胀力极其强大，足以将钢管撑裂，所以必需做好 防护工作； • 二：压缩机烧毁，冬季工作时，热泵系统面临着 两个极端，一是排气温度升高给压缩机带来的威 胁，二是环境和蒸发器的低温，使机油的流动性 变差，压缩机得不到良好的润滑，磨损加剧，压 缩机发生液击的机会也增大。 • 三：循环加热型热泵系统的水泵，是最容易造成 被冻结的部件。
湿空气的温度-湿度关系
根据焓湿图查露点温度
• 根据焓湿图，查在101325 Pa 的大气压力下，相对湿 度RH=60%，温度t1=30℃空 气的露点温度： • 根据空气焓湿图查得该空 气的露点温度约为20.5℃。 也就是说，该空气接触到 温度低于20.5℃的物体时 将会结露。 • 零下时空气中也是含有水 分的。
小型家用分体热泵热水器的结霜图 片（广州）
风速对结霜的影响
• 通过翅片的风速对结霜过程的影响十分显 著：在极端的情况下（例如风扇损坏）， 热泵在20℃的环境下同样有结霜的可能； • 在针对结霜速度的实验中，当风速从2m/s 提高到4m/s时（环境温度为5℃-0℃之间）， 结霜的情况有明显的改善，结霜区域减少 近一半，相近结霜速度的温度降低了2℃左 右。
针对寒冷环境的热泵设计方法
第八课
热泵蒸发器结霜的外部条件
• 冬季热泵结霜，是空气源热泵最大的问题 之一； • 结霜有两个必要条件：1、蒸发器翅片的温 度低于当时环境空气的露点温度；2、该温 度低于0摄氏度；两个条件缺一不可； • 在空气接近饱和状态时，水分会从空气中 析出，在冬季，结霜不可避免，需要做的 是，使其结的慢，抗的时间长，化的准。
结霜过程分析
• 空气源热泵在冬季运行时，受环境空气的温度和 湿度的影响，理论上可能出现干冷却、结露和结 霜三种工况； • 如果盘管表面温度高于空气露点温度，蒸发器是 在干工况下被冷却，此时在蒸发器上翅片不会有 冷凝水出现，更不会出现结霜； • 当蒸发器表面温度低于空气露点温度但是高于0℃ 时，蒸发器将在有冷凝水出现的情况下被冷却， 翅片上的凝结水将在自身重力的作用下排至凝水 管并排出；假如此时蒸发器的表面即温度低于空 气露点温度同时又低于0℃，蒸发器翅片上将出现 结霜现象。
• 在充分考虑了热泵在冬季工作的种 种问题之后，就对各种可能出现的 问题有了充分的应对方法，空气源 热泵是完全可以在北方正常工作的。 • 如果适当降低热端的工作温度，使 其应用于地板采暖，空气源热泵将 会走的更远。
• 在研究翅片管排数的相关实验中，得出的 结论和理论推测有一定的不同：在同样的 空气流速时，由于空气在流过翅片时经历 的距离越长，失去的热量越多，在翅片末 端的空气温度越低，原理论认为管排数的 增加会严重增加翅片的结霜倾向，其结霜 速度关系应该与翅片管排数成直线关系； • 但是实验表明，管排数对结霜速度的影响 在排数大于4之后开始降低，而在2-4排时 的实际影响也低于理论计算。当然，由于 多排数的翅片蒸发器，会使气流产生更大 的压力降，因此，为了保持足够大的空气 流量，必须配备足够功率的风机。
• 实验表明，在干球温度为0±5℃，相对湿度85%以 上时，结霜现象最为严重。而在低于这个温度之 后，蒸发器翅片结霜的速度开始明显降低，其原 因是空气中的绝对含湿量已经较低。 • 在蒸发器翅片表面洁净，换热面积和风量充足的 情况下，热泵系统在环境温度为5.8℃以下，且相 对湿度在67%以上运行时才会出现结霜现象，而在 高于5.8℃的环境温度下，蒸发器仅会出现凝露现 象；在环境温度为0～-3℃、相对湿度大于67%时， 蒸发器的结霜最为严重。 • 实验还表明，在较低的环境温度下，相对湿度的 变化对结霜过程的影响远大于温度变化的影响。
正确认识电辅助加热
• 电辅助加热，也是热泵热水器顺利度冬的 重要手段，在温度过低的时候，热泵系统 的制热效率早已不可与春夏秋时节的效率 相提并论，根据卡诺定律，热泵的热效率 与热泵工作的高低端温度差成反比，也就 是说，高低温度的差越大，效率必然越低， 当COP低于1.8以下时，可以认为此时一定 要启动热泵是有些得不偿失了。
湿空气
• 水蒸气含量的多少决定了空气的干燥和潮湿程 度——热泵的凝露和结霜特性，与空气的湿度密 切相关 ； • 在自然界，空气中总是含有有一定量的水蒸气， 即使在零下二十度也是如此，空气能够“容纳” 的水，在各个温度条件下是不同的，其最大容水 能力随着温度的提高而提高，同样容积的空气， 可以容纳更多的水； • 另外，容纳能力也与压力有关，压力越高，同样 容积的空气，可以容纳的水也更多。
我国部分城市冬季空调设计的室外参数和在 出水温度45℃时，蒸发器结霜与否的分界线
• 从上述冬季结霜的分界线来看，该线以北由于温湿 度较低，影响热泵冬季使用的主要问题并不是机组 结霜的问题，而是机组在低温下的性能系数急剧下 降问题（还有系统和运行保障问题）。 • 而在沿线以南，热泵则存在结霜问题，从下表看可 以出，当热泵出水温度为45℃，环境温度从7℃降 低至-25℃的过程中，热泵机组的制热量显著下降， 在-10℃时的制热量只有7℃时的55%，到-25℃时的 制热量更降低至7℃时制热量的23%。在蒸发器冷却 工况转变分界线以北的地区，尽管机组不会处在结 霜工况，结霜的可能性较小，但是由于环境温度较 低，机组的制热量较小，能效比低，对热泵的应用 还是有很大的障碍。
某大型热泵机组热泵制热能力、COP 与环境的关系
空气温度 7 -5 -15 -25
制热量kW 203.78
138.78
89.86
47.15
COP
3.11
2.68
2.38
当热泵热水器在一定湿度的低温环境下工 作时，将在蒸发器盘管翅片上会出现结霜 现象，霜的形成阻隔了翅片与空气的接触， 霜是热的不量导体，由于霜的微观结构是 蓬松的，其导热性比冰更差，冰的热导率 λ仅为2.22 w / m · k ,而霜的热导率依照 其密度的不同而更低，仅为冰的数十分之 一左右。
系统循环本身的影响及改进
• 在严寒季节，在冷凝温度一定，而蒸发器在较低 温度下运行时，普通压缩机会出现以下问题： • 压缩机吸入气体的密度减小，回气压力和蒸发温 度降低，冷媒的循环量减少，整体制热能力下降； • 冷热端温差增大，压缩机的压缩比增大，系统的 容积效率下降，压缩机输气量减少，能效比出现 显著下降； • 排气温度快速升高，工质过热度过高，在工质过 热的情况下，冷凝器内工质的导热系数急剧降低， 同时润滑油温度升高，黏度下降，影响压缩机正 常润滑。
• 空气源热泵热水器的冬季结霜速度和 结霜起始温度，受空气流过蒸发器翅 片的速度和当地环境温度和湿度的影 响最为严重。翅片管排数也有一定的 影响。 • 如何对已经形成的霜层进行处理，也 是冬季热泵正常工作的保障； • 依蒸发器温度、持续工作时间来确定 结霜一定是不准确的，因为没有加入 湿度的因素 。