399 空气源热泵-除霜-能耗

399 空气源热泵-除霜-能耗

背景

热法除霜时消耗的热能主要用于如下几方面：室外换热器的升温、霜的融化、室外换热器中少量热泵工质的汽化、除霜过程中热能向环境的散失等。

空气源热泵室外换热器通常采用翅片管换热器，如下图。

此处以“冷热平台”第397篇中室外空气-20℃，相对湿度90%，空气出室外换热器温度-26℃，结霜量1.987kg为背景，且暂不考虑室外换热器内少量热泵工质汽化消耗的能量。

室外换热器升温能耗

设某室外换热器基本参数为：紫铜换热管10*0.5mm，按正三角形排列，前后管间距21.65mm，上下管间距25.0mm，铝翅片厚度0.2mm，翅片间距2.2mm。

套片后管外径（紫铜管外加翅片翻边）为：

10+0.2*2=10.4mm

每米管长翅片的表面积为（热泵技术手册，第一版，P332）：

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

=0.4148m²/m

每米管长翅片间的管外表面积为：

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

=0.0297 m²/m

每米管长的总外表面积为：

0.4148+0.0297=0.4445 m²/m

空气侧总换热面积30m²时，总管长约需：

30/0.4445=67.5m

室外换热器中紫铜管总重量约为（外直径10mm，内直径9mm，总长度67.5m，铜密度8900kg/m³）：

0.25*3.14*(0.01² - 0.009²)*67.5*8900

=8.96kg

室外换热器中每根铜管周边分布铝翅片重量约为（上下管间距25mm，前后管间距21.65mm，铜管外直径10mm，翅片厚度0.2mm，铝密度2700kg/m³，未考虑翅片穿铜管处翻边部分）：

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

=0.0002499kg

总片数为（翅片间距2.2mm）：

67.5/0.0022=30682

铝翅片总重量约为：

0.0002499*30682=7.67kg

设除霜时室外换热器从-28℃升温至20℃，则室外换热器升温需热量约为（紫铜比热取0.381kJ/(kg.K)，铝的比热取0.896kJ/(kg.K)）：

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

=494kJ

融霜能耗

室外换热器结霜量为1.987kg，这部分霜从-26℃升温到0℃需热能约为（取霜比热2.09 kJ/(kg.K)）：

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

=108kJ

霜融化所需热能约为（取融化热为320kJ/kg）：

1.987*320=636kJ

融霜水平均升温至10℃所需热能约为（取水的比热为4.2 kJ/(kg.K)）：

1.987*4.2*(10-0)

=83kJ

融霜过程所需的总热能约为：

Q₂=108+636+83=827kJ

向环境散热耗能

融霜过程中，室外换热器平均温度通常在10℃以上，且由于水蒸气散发等影响，换热器与环境空气换热系数较大（此处取15W/(m².K)），且除霜时间对该部分耗能影响很大（此处取除霜时间10分钟）。

设室外换热器中单根铜管有效长度（即换热器有效宽度）0.7m，则由于总长度需67.5m，因此需铜管根数约：

67.5/0.7=97根。

设沿空气流动方向管排数4排，则垂直空气流动方向上下管排数应约25排（4*25=100略大于97），则室外换热器高度约（上下管间距25mm）：

25*25=625mm

则室外换热器迎风面积约为：

0.625*0.7=0.4375m²

空气迎面风速约为（总风量3600m³/h=1m³/s，参见“冷热平台”397篇）：

1/0.4375=2.3m/s

风速在合理范围内。

则室外换热器迎风面和背风面总面积约为（暂不考虑其他换热面）：

2*0.4375=0.875m²

则向环境散热耗能约为（设环境温度-20℃，除霜时间10分钟=600s）：

Q₃=15*0.875*(10-(-20))*600

=236000J=236kJ

除霜过程总耗能

除霜过程总耗能约为：

Q=Q₁+Q₂+Q₃

=494+827+236

=1557kJ

除霜时间-功率

环境空气温度、室外换热器材料及参数、结霜量等一定时，除霜时间与除霜加热功率直接相关，本例中如拟在10分钟（600s）内完成除霜，则室外换热器除霜所需的加热功率约为：

1557/600=2.6kW

即对室外换热器提供的加热功率不低于2.6kW时，才能实现10分钟内完成除霜。