风冷热泵除霜控制模式的选择

来源:用户上传      作者: 许 鹏 何海波 曹满清

　　引　言
　　
　　风冷热泵以环境空气为冷热源.安装方便、无需专用机房、不污染环境、节约工程总投资,近几年来在我国受到用户欢迎,特别是在我国长江流域大中城市得到了广泛应用。实践证明,风冷热泵是我国长江流域空调冷热源的经济、合理选择方式之一。
　　风冷热泵机组在冬季使用时普遍会遇到风侧换热器结霜的问题,当换热盘管表面温度低于空气露点温度时开始结霜,随着霜层的增厚,盘管的传热效率将降低,空气阻力增加,导致热泵机组冬季的运行性能下降,严重时导致盘管冻结,使机组无法运行,以致大家对冬季使用的可靠性产生了怀疑,所以对风冷热泵进行除霜控制模式研究具有重要意义。本文从除霜控制模式入手,比较选定较为成熟的除霜判定准则,并提出了热泵机组的除霜时间应根据机组使用的不同区域进行不同的方案选择。
　　
　　一、除霜模式的理论模型
　　
　　对于除霜模式,目前在业内已经开展了深入研究,目前主要存在以下一些理论模型,详见下表:
　　定时除霜法是早期风冷热泵除霜控制所采用的一种方法,但在设定时间时,往往考虑了最恶劣的工作环境条件,因此必然产生不必要的除霜动作。
　　时间一温度(压力)法是目前风冷热泵机组用得较为普遍的一种除霜控制方法,在时间量值上考虑了温度量值,比定时除霜法有进步,部分的考虑了机组工作环境温度的影响。但仍不能正确反映结霜对机组性能的影响,仍会出现多余的除霜运作,或者也会在需要除霜时而不发出除霜的信号。
　　霜层传感器控制除霜法因要用到很稳定的高增益放大器和很高的频率,以及传感器价格偏高,在实际机组上难以推广应用。
　　声音振荡器控制除霜法因安装在蒸发器内的声音振荡器装置的造价高而不能用于实际的热泵机组上。
　　最大平均供热量控制除霜法在除霜控制指导思想上有一定意义,在实施上却较困难。
　　电热除霜法效果可靠,不受环境温度的影响,但对电热元件绝缘要求高,
　　旁通热气除霜法:机器正常运行时,除霜电磁阀关闭。除霜时,除霜电磁阀打开,旁通热气直接进入蒸发器化霜,除霜周期由定时间器来定。这两种方法在工程中应用较多。
　　
　　二、除霜过程中的系统设计
　　
　　目前风冷热泵常用的除霜方法是采用四通换向阀换向逆循环除霜,通过四通阀换向使机组从制热运行状态转变为制冷运行状态,蒸发器和冷凝器功能互换,从而达到除霜的目的。
　　该除霜方式存在固有缺陷:除霜时要从房间吸热,室温会降低5℃-6℃,影响室内的舒适性;切换制热和除霜模式时,系统压力波动剧烈,产生的机械冲击比较大;除霜时室内换热器作为蒸发器,表面温度很低,当恢复制热后,较长一段时间吹不出热风。逆向除霜为避免以上情况,常在除霜开始前将压缩机停止5分钟左右,除霜结束再停5分钟,这样虽避免了压力波动,但同时也缩短了制热的有效时间,压缩机需要频繁启动,影响压缩机的寿命。
　　故在风冷热泵反循环除霜运行过程中,为尽量缩短除霜时间以及减少反循环动作对制冷系统(压缩机)的冲击,在具体的膨胀阀设计中又有双向热力膨胀阀方案、双热力膨胀阀系统方案、高低压旁通方案、电子膨胀阀方案等多种选择。此处不再赘述。
　　
　　三、除霜控制模式运行的难点
　　
　　当室外环境温度及湿度变化时.如何正确感知结霜状况、及时除霜、保证制热的高效率。这是热泵运行的除霜控制模式设计和运行的难点。
　　我们期望的除霜控制是:当结霜厚度达到明显影响传热效率时,开始除霜。当霜融化及流走后即结束除霜。在除霜控制中的关键和难点在于确定开始除霜的时刻和除霜过程的持续时间即除霜结束时间,这两个参数与环境条件有关,特别是我国幅员辽阔,不同地域的气候条件颇为不同,特别是冬季,由于寒潮活动,南北温差很大,热泵系统在不同地域运行的情况也相差很大,
　　在环境温度长期高于7度的华南地区,冬季供暖期短,需热量小,机组运行的一般不结霜,制热性能系数较高,而黄河流域及其以北,冬季气温较低,持续时间较长,需热量大。按照标准制热工况设计的机组制热能力很差且不宜在低于-5度的环境条件下进行;据此可将长江流域及其以南地区大部分适合使用热泵机组的城市和地区分为轻霜环境、重霜环境、一般结霜环境和低温结霜环境。
　　轻霜环境:成都、重庆、桂林都处于结霜区域之外,这表明,在一般情况下象这类气候地区使用的热泵机组结霜不明显或不会对供热造成较大的影响。所以,热泵机组特别适用于在这类环境地区使用。
　　重霜环境:长沙是冬季热泵供热极不利的城市,主要原因是相对湿度大(>81%),而且平均温度低(<5℃),其次是贵阳市环境也对热泵供热不利。
　　一般结霜环境:我国杭州、武汉、上海,合肥、南昌、南京等城市冬季热泵机组供热盘管表面都会结霜,处于结霜区域。
　　低温结霜环境:象我国济南、北京等北方城市虽然气温较低,但相对湿度也较低,所以结霜状况反而不太严重,具体表现为起始结霜的环境温度低,结霜速率较小。
　　现在,大多数生产厂的风冷热泵机组的除霜时间还是采用着统一固定值,由此带来的问题也较多。在轻霜环境、重霜环境、一般结霜环境和低温结霜环境中热泵的除霜方案应该是有差异的,选用不同的除霜方案必须根据热泵机组在不同地域的具体情况进行选择,针对不同的区域应该使用不同的除霜方案。例如对于较易结霜的区域,除霜的间隔可以小一些,而每次除霜的时间可以较短。对于不易结霜的地域,每次除霜的时间相对长一些。这需要生产厂家和工程技术人员在热泵使用过程积累相应的数据。
　　另外当前,受热泵机型的高额利润的驱使,生产风冷热泵机组的厂家日益增多,有些厂家不具备生产风冷热泵机组所必需的技术和生产条件,不但无法提供真实准确的技术参数,产品的生产质量也没有保证,这是影响热泵机组使用可靠性的人为因素。
　　
　　四、结　论
　　
　　为实现长江流域地区风冷热泵机组在冬季可靠安全地工作,除了针对中国的地域差异及实际的气候状况,要根据工程实际合理选择风冷热泵系统除霜控制模式,能很好的判定除霜的开始时刻并有效的进行除霜,这将有效地提高风冷热泵系统的经济性。

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