399 空氣源熱泵-除霜-能耗

背景

熱法除霜時消耗的熱能主要用于如下幾方面：室外換熱器的升溫、霜的融化、室外換熱器中少量熱泵工質(zhì)的汽化、除霜過程中熱能向環(huán)境的散失等。

空氣源熱泵室外換熱器通常采用翅片管換熱器，如下圖。

此處以“冷熱平臺”第397篇中室外空氣-20℃，相對濕度90%，空氣出室外換熱器溫度-26℃，結(jié)霜量1.987kg為背景，且暫不考慮室外換熱器內(nèi)少量熱泵工質(zhì)汽化消耗的能量。

室外換熱器升溫能耗

設(shè)某室外換熱器基本參數(shù)為：紫銅換熱管10*0.5mm，按正三角形排列，前后管間距21.65mm，上下管間距25.0mm，鋁翅片厚度0.2mm，翅片間距2.2mm。

套片后管外徑（紫銅管外加翅片翻邊）為：

10+0.2*2=10.4mm

每米管長翅片的表面積為（熱泵技術(shù)手冊，第一版，P332）：

2*(1000/2.2)*(25.0*21.65-0.25*3.14*10.4²)*10^-6

=0.4148m²/m

每米管長翅片間的管外表面積為：

(1000/2.2)*3.14*10.4*(2.2-0.2) *10^-6

=0.0297 m²/m

每米管長的總外表面積為：

0.4148+0.0297=0.4445 m²/m

空氣側(cè)總換熱面積30m²時，總管長約需：

30/0.4445=67.5m

室外換熱器中紫銅管總重量約為（外直徑10mm，內(nèi)直徑9mm，總長度67.5m，銅密度8900kg/m³）：

0.25*3.14*(0.01² - 0.009²)*67.5*8900

=8.96kg

室外換熱器中每根銅管周邊分布鋁翅片重量約為（上下管間距25mm，前后管間距21.65mm，銅管外直徑10mm，翅片厚度0.2mm，鋁密度2700kg/m³，未考慮翅片穿銅管處翻邊部分）：

(0.025*0.02165-0.25*3.14*0.01²)*0.0002*2700

=0.0002499kg

總片數(shù)為（翅片間距2.2mm）：

67.5/0.0022=30682

鋁翅片總重量約為：

0.0002499*30682=7.67kg

設(shè)除霜時室外換熱器從-28℃升溫至20℃，則室外換熱器升溫需熱量約為（紫銅比熱取0.381kJ/(kg.K)，鋁的比熱取0.896kJ/(kg.K)）：

Q₁=8.96*0.381*(20-(-28))+7.67*0.896*(20-(-28))

=494kJ

融霜能耗

室外換熱器結(jié)霜量為1.987kg，這部分霜從-26℃升溫到0℃需熱能約為（取霜比熱2.09 kJ/(kg.K)）：

1.987*2.09*(0-(-26))

=108kJ

霜融化所需熱能約為（取融化熱為320kJ/kg）：

1.987*320=636kJ

融霜水平均升溫至10℃所需熱能約為（取水的比熱為4.2 kJ/(kg.K)）：

1.987*4.2*(10-0)

=83kJ

融霜過程所需的總熱能約為：

Q₂=108+636+83=827kJ

向環(huán)境散熱耗能

融霜過程中，室外換熱器平均溫度通常在10℃以上，且由于水蒸氣散發(fā)等影響，換熱器與環(huán)境空氣換熱系數(shù)較大（此處取15W/(m².K)），且除霜時間對該部分耗能影響很大（此處取除霜時間10分鐘）。

設(shè)室外換熱器中單根銅管有效長度（即換熱器有效寬度）0.7m，則由于總長度需67.5m，因此需銅管根數(shù)約：

67.5/0.7=97根。

設(shè)沿空氣流動方向管排數(shù)4排，則垂直空氣流動方向上下管排數(shù)應(yīng)約25排（4*25=100略大于97），則室外換熱器高度約（上下管間距25mm）：

25*25=625mm

則室外換熱器迎風(fēng)面積約為：

0.625*0.7=0.4375m²

空氣迎面風(fēng)速約為（總風(fēng)量3600m³/h=1m³/s，參見“冷熱平臺”397篇）：

1/0.4375=2.3m/s

風(fēng)速在合理范圍內(nèi)。

則室外換熱器迎風(fēng)面和背風(fēng)面總面積約為（暫不考慮其他換熱面）：

2*0.4375=0.875m²

則向環(huán)境散熱耗能約為（設(shè)環(huán)境溫度-20℃，除霜時間10分鐘=600s）：

Q₃=15*0.875*(10-(-20))*600

=236000J=236kJ

除霜過程總耗能

除霜過程總耗能約為：

Q=Q₁+Q₂+Q₃

=494+827+236

=1557kJ

除霜時間-功率

環(huán)境空氣溫度、室外換熱器材料及參數(shù)、結(jié)霜量等一定時，除霜時間與除霜加熱功率直接相關(guān)，本例中如擬在10分鐘（600s）內(nèi)完成除霜，則室外換熱器除霜所需的加熱功率約為：

1557/600=2.6kW

即對室外換熱器提供的加熱功率不低于2.6kW時，才能實(shí)現(xiàn)10分鐘內(nèi)完成除霜。