热泵除霜技术的研究论文

霜和冰是怎样形成的呢？1、0℃以下结霜。2、0℃以上化作水。3、水流淌下来，汽化，而在化霜过程中，翅片上的水还有没有完全汽化干净,机组又进入了下一轮制热程序，机组又开始结霜，而霜就成冰了。空气中残留下来的是霜，而翅片上残留下来的水在低于0℃时就形成冰了.翅片上的水还没来得及汽化一旦结冰，除也除不掉了，这时机组高、低压都没有了，此时对压缩机损坏最大。如果是螺杆式压缩机那就更惨了，因为螺杆式压缩机是压力供油，高低压一旦没有，就像心脏缺血一样，后果严重.在5℃时空气能热泵热水器效率就比较低，加上化霜耗能20％，再碰上融不掉的霜，那机组的寿命危险了，能效比也就的大打折扣了.空气能热泵热水器在冬季产霜是必然的，我们在使用空调的时候会发现外机结霜，化霜，而室内机主要靠电辅助加热室内温度。同样热泵热水器结霜就要除霜，化霜。换热器设计系统的配置，可以延缓结霜，降低结霜对空气能热泵热水器性能的影响，可以使机组结霜慢一点，结霜后对机组性能影响也慢一些。干工况下不可能结霜，零度工况下是可以结霜的。当蒸发器温度通过蒸发器的空气降到空气温度时，空气中的水分子就存留在翅片上。而零度工况对机组换热是有利的，具备显热和潜热，干工况交换时是显热交换，零度工况时就是潜热交换了，如果零度工况时蒸发器的表面温度低于0℃时就会结霜。蒸发器表面开始有微霜时，对换热器的效果是有所提高的，它能强化排热，蒸发器表面呈现毛刺状，但是随着霜层的加厚，空气流通的阻力增大，势必阻碍空气的流通，蒸发器是通过空气吸热，而空气流量减少，吸热量也同样减少，这时机组性能就开始削减。那么怎样在设计中使空气能热泵热水器克服这一难关呢？通过豪瓦特多年的实践发现1、可以增加风机转速，使排风量加大，结霜过程是先钢管结霜，后蒸发器翅片结霜，再蒸发器内侧结霜。2、换热面积增大，蒸发温度与环境温度的温差就比较小，这时就不容易结霜，3、应用小循环系统使机组得到休息。缩减其化霜的时间，同时能保证蓄热水箱有足够温度的热水，并且确保能效比的提高。这样做肯定要增加成本。这与空调热泵冷热水机组外侧换热器相比是有区别的。空调热泵冷热水机组冬天制热,夏天制冷，其机组室外侧换热器是以冷凝器为目标设计的，因此冷凝的负荷大小决定蒸发面积。还可以加大翅片的间距和表面处理，翅片距离越小，越紧凑，风扇阻力就大，而换热效果，空间利用率都很好。但是冬季效果不好，结霜时容易将空气流通道堵起来。翅片间距越小，堵得越快。(冷库的翅片就的起码6mm以上)而一般的空气能热泵热水器翅片在2mm左右，有的甚至 mm，因此翅片间距增大可延缓结霜,那么如何选择翅片距离呢?这就是一个值得推搞的问题了,怎样除霜呢？1、四通阀转向，把制冷变成制热，蒸发器上有霜，让系统反过来工作，蒸发器变成冷凝器，让加热的水把霜化去，这是一种常用的方法。空调化霜也是采用这种方法。2、热气旁通除霜、即将蒸发器上的热量转换到化霜上来。四通阀化霜要优于热气旁通阀除霜。四通阀除霜是将已产热水转换过来除霜，除霜力度强可以让霜体结得厚一点再去除。热气旁通除霜对系统冲击小，但力度比四通阀除霜弱，可以让热气旁通除霜的次数多一些，结霜体薄一点，化霜时间长一些,。无论采取哪一种除霜方式，除霜的控制方式很重要，如果用热气旁通的方法做四通阀降霜系统，霜体可能除不掉，因此每个方法都有利有弊。除霜的方法不同。注定控制除霜的方式也就不同。最简单最原始控制除霜的方式是定时除霜,大约40左右分钟，机组就进入除霜阶段，无论有霜无霜，照常工作，这种除霜控制简单而且成本低。.定时除霜加温度除霜，当温度和时间到设定值时就开始化霜。这要求做到何时除霜，那个温度下除霜，什么情况退出除霜？早不行，晚也不行，没除干净更不行。因为除霜的时间越长，制热的时间就越短，而多次除霜使机组冷凝温度飑上去对机组也不利。定时除霜加温度除霜加湿度除霜，当温度和时间及湿度都到达设定值时才开始化霜。而且必须湿度先决。此方法可靠性比较高，但是技术配合和成本也比较高。 在采用除霜时还应当注意机组容量和水箱容量之间的关系，一般而言，空气能热泵热水器结霜时间大约在40分钟左右，如果你在这40分钟左右就把水做好，就是机组要结霜那也不怕了，因此这里特别强调小循环系统对化霜是有很大的好处的。并且还可以节约大部分耗能，提高COP值。故此对于大循环或者是小马拉大车式的用一台小机组对着一个大水箱拼命工作，后果谁都清楚。机组的运行方式，控制方式，以及配置方式都是直接影响化霜以及设备寿命的重要因素。可靠性和效率是矛盾的，可靠性要高，效率也要求高这是比较难设计的。这就必须对不利工况点进行处理，要使机组在高温状况和低温状况下处置得当，这完全可以办到 。但让R22制冷剂做55℃热水是很困难的，在冷凝温度57--58℃时，蒸发温度就超界限工作。2010年，R22将被限量生产直至淘汰。因此新制冷剂的广泛使用势在必行。

张新世

（中原石油勘探局勘察设计研究院）

论文摘要：本文介绍了地源热泵的概念及工作原理，随后详细地论述了地源热泵的特点，和地源热泵在我国发展的限制条件，并介绍了地源热泵在国内使用情况及发展前景，最后鲜明地指出地源热泵技术是目前对人类最友好最有效的供热供冷技术。

1 地源热泵的概念和工作原理

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（包括地下水、土壤和地表水）即可供热又可供冷的高效节能空调系统。利用逆卡诺循环，通过输入少量高品位的电能，实现低品位热能向高品位热能转移。热泵一般有蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀四部分组成。

地源热泵的工作原理是：在夏季，热泵机组将建筑物中的热量取出，转移释放到地层中；在冬季，则从地层中提取热量，向建筑物供热。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。

2 地源热泵的特点

我们知道在地球表面以下一定深度的地温全年相对恒定，地源热泵利用浅层地热作为冷热源，这样就排除了环境因素的影响，与其它供热供冷系统相比，具有以下显著特点。

利用的是可再生能源

地源热泵在夏季吸收建筑物散发的热量并在浅层地下保存起来，一部分热量在冬季供建筑物的采暖，另一部分热量则直接散发到空气中。就全年来说，建筑物利用浅层地热的热量或冷量大体是相等的。所以说，地源热泵利用的是可再生能源。

高效节能

由于地源热泵的热源温度全年一般为10～22℃，冬季供热时，水体温度比环境温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。夏季制冷时，水体温度比环境温度低，冷却效果提高，机组效率也提高。水源热泵的制冷制热系数可达以上，与传统的空气源热泵相比，高出40%左右，其运行费用仅为普通中央空调的50%～60%，与电热锅炉和电热膜供热相比，节约70%左右的电能。

环保效益显著

水源热泵运行时，需要的仅仅是水源水的热量或冷量，水质不发生任何变化，也不产生任何污染，不耗水、排烟，不产生灰尘，仅仅消耗少量的电能。

从耗电方面来说，节能就是环保。使用水源热泵导致的污染物排放，比空气源热泵减少40%，比电锅炉减少70%。虽然地源热泵也使用制冷剂，但比常规空调减少25%的冲灌量。地源热泵在工厂内整装密封完好，不会像分体空调那样安装时易产生泄漏。

一机多用

一套地源热泵就可以实现供热、供冷和生活热水供应。即用一套设备可以代替原来的锅炉加空调两套系统，所以一次性投资仅是传统供热制冷的50%～70%。特别是在夏季供冷时，可以利用热泵产生的费热，免费为用户提供生活热水。所以，地源热泵特别适用同时有供热供冷和生活热水供应的建筑。

节省土地资源

水源热泵除主机和循环水泵外，没有其它安装设备。与锅炉房相比，省去了水处理间、风机间、烟囱、煤场和渣土场，节约了土地资源。

运行稳定可靠、使用寿命长

由于地源热泵的水体温度稳定，与空气源热泵相比，免除了结霜和除霜的影响。热泵的运转部件少，基本上不需要维修，运行稳定可靠，使用寿命可达20年左右。

自动化程度高

地源热泵一般是全电脑控制，可根据外部负荷的变化，调整压缩机的工作数量，并设有压缩机超温保护、断水保护等多种保护措施，可实现无人值守。

3 地源热泵供热系统的组成

地源热泵工程一般有地源水系统，热泵机房和末端风机盘管散热系统三部分组成。根据地源换热系统的形式又分为开式环路系统和闭式环路系统。

开式环路系统是将水从水井（包括湖泊和河流）中抽出，送入热交换机组进行热交换，提取热量或冷量后的水再回灌到水井中。开式环路系统用水一般只进行简单的水处理，会引起换热器表面结垢。开式系统是目前地源热泵应用的主要形式。

闭式环路系统又分为立埋式环路系统和平埋式环路系统。它是通过埋在地下的聚乙烯管环路与土壤进行热交换。通常适合安装在别墅等场地较大的建筑物。

4 地源热泵的限制条件

地源热泵被专家们称之为目前可用的对人类最友好最有效的供热供冷形式，近几年在研究和应用上得到了迅速发展，但由于受到以下客观条件的限制，这项技术的应用尚不普遍。

宣传认识不足

地源热泵技术虽然受到热暖专家的推崇，但是要获得在工程中的普遍应用，需要各阶层领导特别是工程主管领导的认可。由于这项技术是近几年随着我国能源战略的调整才发展起来的，甚至部分热暖技术人员，也存在认识不足的现象。所以，要获得社会的认同还需要加大宣传力度。

政策力度不够

我国《节约能源法》中，对热电联产和集中供热技术鼓励和发展，而对综合能源利用率是其2倍的地源热泵技术，至今还没有鼓励发展的明确条文。

水源条件的限制

对于开式环路地源热泵系统是否有充足的水源，以及当地的地质土壤条件是否能保证尾水的回灌顺利实现是地源热泵应用的前提条件。一般来说，用于小区供暖时，建筑容积率要≤1。对于闭式系统，受当地地质条件是否适合埋管和是否有足够的场地埋管等环境条件的限制。

埋管系统换热计算理论不成熟

对于地源热泵机组和末端风机盘管散热系统目前技术已相当成熟。对开式系统，当地水利部门对水源情况也相当了解；而对埋管系统，目前土壤埋管换热计算理论还不成熟，设计落后于工程应用，这就使工程质量难以保证，并使该项技术的广泛应用受到限制。

受当地水利部门政策的限制

我国南方水源充足，而北方大部分地区水源缺乏，为保护有限的水资源，每个地方政府都制定了当地的水资源使用法规。虽然地源热泵系统并不消耗水也不污染地下水，但需要大量的水作热载体。有些地方部门对取水和回灌水进行双重收费，使地源热泵的节能效果不能够充分体现，这就限制了该项技术在这些地区的发展。

5 地源热泵的应用

国外应用情况

地源热泵在日、韩、美和中、北欧应用较为普遍。据1999年的统计，在住宅供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士96%，奥地利38%，丹麦27%。美国1998年地源热泵系统在新建筑中占30%，且以10%的速度稳步增长。其中最著名的地源热泵工程有肯塔基州刘易斯威尔的滨水区办公大楼，服务面积×104m2，每月节省运行费用25000 美元。随着该项技术的应用发展，其组织的研究也迅速发展。据有关资料介绍，日本国研究出的高温水地源热泵，出水温度达到80～150℃，且其制热系数COP高达。

国内应用情况

天津大学热能研究所的吕灿仁教授在1954年就开展了我国热泵的最早研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵机组。目前多家大学和研究机构都在对水源热泵进行研究。

国内较早生产水源热泵的厂家有清华同方人工环境设备公司和山东海洋富尔达，产品都已系列化。目前热泵机组出水温度已达65℃，制冷系数COP可达。目前国内较典型的用户有沈阳东北电力住宅小区，服务面积8×104m2；北京友谊医院服务面积×104m2，全年节约采暖和供冷运行费用约9元/m2。

中原油田钻井三公司办公楼水源热泵示范工程是我局第一个地源热泵系统。选用钻井综合工程处与清华大学联合研制生产的ZYRB240 型热泵机组2台，服务面积6000m2。该项工程的成功实施必将为地源热泵在中原油田的推广应用起到有力的推动作用。

6 地源热泵的发展前景

符合政府有关部门的要求

地源热泵高效节能，环保效益好，符合我国的能源政策和环境保护政策，热泵技术的综合能源利用率约为120%～180%。所以国家把热、电、冷联产技术作为鼓励发展的通用节能技术促进了地源热泵技术的发展。

符合业主的利益

由于地源热泵即可供热，又可供冷。一套系统可以代替原来的两套系统，投资少。且地源热泵占地少，运行成本低，管理方便，这些都符合业主的根本利益。

符合用户的利益

地源热泵供热费用燃煤集中锅炉房供热费用的一半，夏季供冷费用约为冷水机组的60%，这就减少了用户供热供冷费用的支出，符合用户的切身利益。

适用地区范围广

冷水机组只能用于夏季供冷，风冷机组只适用于长江流域的供热供冷，而地源热泵除即无可利用地下水又不能埋管的极少数地区外，适用于其它绝大多数地区。

应用范围不断扩展

地源热泵不仅在建筑采暖和供冷方面得到迅速发展，目前在化工、食品、造纸、农业、冶金、木材干燥、制药等行业中也得到了｀广泛应用。据预测2000年这些行业应用地源热泵1200多台，且发展势头强劲。

综上所述，地源热泵技术以其独有的优点，近几年在国内得到迅速发展。随着我国能源结构政策的调整，我国以燃煤锅炉采暖和空气源热泵供冷的传统形式会被更加高效的地源热泵所取代。随着地源热泵技术的研究和发展，它比将成为21世纪最普遍最有效的供热供冷技术。

参考文献

［1］刘兴中.水源热泵系统介绍.2001

［2］吴展豪.地源热泵空调系统.2001

注：本文引至全国油区城镇地热开发利用经验交流会论文集，冶金工业出版社，2003

近年来，基于空气源热泵具有环保节能等一系列优点，空气源热泵受到了人们广泛的重视，发展迅速，但这个还远远不如传统空调的知名度与普及度。制约空气源热泵的发展因素有很多，其中一个就是空气源热泵换热器结霜、除霜问题导致机组运行不稳定和可靠性差。空气源热泵在-5℃~5℃之间，相对湿度在70%以上的气象条件（低温高湿状态）下运行时其室外换热器表面是最易结霜的。室外换热器结霜后，霜层不断增厚，导致热阻增大，空气流动阻力也随之增大，使供热能力和机组的COP下降，运行费用增大，制热效果大大打折。空气源热泵室外换热器结霜与除霜牵涉到机组能效及稳定运行等关键要点，当机组结霜无法单靠人为进行干扰时，除霜（化霜）技术就显得尤为重要了，能够有效的延缓空气源热泵结霜和高效快速的实现室外换热器除霜减小因结霜和除霜过程对热泵机组和室内环境造成的不利影响，是关系到空气源热泵能否高效。

现在的空气源带基本上带有自动除霜功能

最理想的方法可以试下电铺助除霜会比较好