冰水源热泵核心技术研究
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摘 要：水的凝固热是水温降1度放热量的80多倍，为提取水的凝固热，通过研究分析现有技术，总结其不足之处，经过分析和实验，研制了一种微变形除冰提热技术，该技术实现了利用较少的能量消耗可以连续获得水的凝固热。该技术具有经济性，为冰水源热泵的应用创造了条件，因此有广阔的应用前景。
关键词：凝固热;冰点提热;冰水源热泵;热泵系统微变形除冰
中图分类号：TU83 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）08-0155-03
Abstract： The solidification heat of water is more than 80 times of the heat released by 1 degree drop of water temperature. In order to extract the solidification heat of water， the existing technologies are studied and analyzed， and its shortcomings are summarized. Through analysis and experiments， a micro-deformation deicing heat extraction technology is developed. this technology realizes that the solidification heat of water can be obtained continuously with less energy consumption. This technology is economical and creates conditions for the application of ice source heat pump， so it has a broad application prospect.
Keywords： solidification heat; freezing point heating; ice source heat pump; micro-deformation deicing of heat pump system
1 概述
根据热泵所用低温热源不同，可分为土壤源热泵、空气源热泵、水源热泵等几种。在严寒的冬天，许多地区因气温低，水资源紧张使得热泵技术无法应用，不得不直接用电热取暖。那么，有没有理想的低温热源呢？人们发现水结冰释放的凝固热，可作为热泵的低温热源[1]。
水的凝固热为336kJ/kg，即1kg、0℃水凝固成0℃冰时释放336kJ的热量，而1kg的水降低1℃所释放的热量是4.2kJ，即水的凝固热大约是水比热容的80倍，水的凝固热大，凝固时的温度又不很低，因此水凝固放热具有很高的利用价值。有效提取水凝固热，并作为热泵的低温热源，将会有良好的应用价值。
2 国内冰点提热的研究现状
利用水结冰的凝固热作为热泵低温热源的热泵称为冰水源热泵或凝固热热泵，近几年来，国内高校多位学者对此进行了卓有成效的研究。其中，有钱剑锋，孙德兴[2]、青岛大学的郑记莘，吴荣华[3]。他们从凝固热利用机理上给出了深入分析，也有一些实验研究成果。
在冰水源热泵蒸发器内，通过制冷剂吸热将水凝固成冰，提取凝固热是很容易做到的，而水结冰后冻结在换热壁面上，如何将冰剥落并且被带走，除冰的方式尽可能节能而有效，是冰点提热重点要解决的核心问题。
当前研究的除冰方法有机械刮冰、撞击除冰和热熔冰三种除冰方式[4]。
机械刮冰采取的方法有旋转式刮刀或往复式刮刀，但刮刀会磨损，同时刮刀与换热壁面存在一定间隙，除冰效果较差;撞击除冰法采用固液流化床和旋流除砂工艺，但砂的撞击在冰层达到一定厚度时很难及时将冰除掉，而且会有局部撞击不到的死角;热熔冰的方式为定时加热壁面除冰，采用一种高温热源，瞬时加热换热壁面，使与壁面接触的冰融化，这样冰层便整体剥落，但对于热源的需热量相对较大，运行成本变高。
3 冰点提热实验研究
我们在研究冰点提热时，探讨并实验过两种方案，一种是壁面热熔法除冰，一种是螺旋滚刀挤压切冰法除冰。在研究过程中搭建了试验台，并取得了关键试验数据。
（1）壁面热熔法，除冰装置的热源水在管内流动，乙二醇溶液在壳程內流动。当乙二醇溶液提热，热源水逐渐放热凝固后，管内形成冰柱。融冰时采用制冰机组的冷凝器侧热量融冰，管外转换成乙二醇热溶液，管内靠壁面处冰溶解，受密度影响，所成形的冰柱便从管内浮出水面。整个装置运行参数为：设备运转21min，结冰20min，融冰1min。热水侧循环水量为2m3/h，供暖水得热量4.72kW，平均耗电量2.15kW，经统计，运行平均能效比为2.19。凝固热占热源侧总放热量的65%。
（2）螺旋滚刀挤压切冰法除冰，以一台片冰机为冰源热泵的主体设备，其采用8℃自来水制冰，小时制冰量为25kg，冰的凝固放热量为2.32kW，机组及泵的耗电量为2.196kW，将120kg的8℃冷水加热到40℃，得热量为4.46kW，热水循环管及热水箱有热量损失，约0.22kW，占总制热量4.7%。总制热量为4.68kW，系统运行平均能效比为2.13。
通过上述两组试验，验证了凝固热的可利用性，但为了得到冷凝器侧较高的出水温度，压缩机耗电量较大，融冰、除冰装置的耗热量占比也较大。
4 冰点提热除冰新技术
冰点提热的核心技术是除冰技术，鉴于现有的几种除冰技术都不太理想，我们以提取自然环境中水的凝固热的角度研究除冰技术，而非获得冰，也就是当水刚刚达到结冰即可。自然环境中的水大多含有杂质，杂质的存在会促使水在较低过冷度时结冰[6]，也就是获得凝固热的时间较短，符合水流经换热器的短暂时间内放出凝固热并被除冰。 基于这一技术路线，我们发现换热壁面微形变的除冰方法相对经济并且容易实现。当结冰的换热壁面产生形变时，较薄冰层会产生脆裂并自动脱落。因此只要换热面能缓慢、有规律的连续形变，就可以保证从水中提取凝固热，同时有效除冰。
我们当前研究的具体的微变形除冰结构是采用弹力结构设计，令换热器内的每一块换热壁面均在一定的时间规律下变形、复位，在这一过程中壁面所结的薄冰被碎裂并脱落，然后被尚未结冰的低温水冲出换热器。
实验显示，当冰层只有2mm时，换热壁面只要有0.5mm的微小变形，换热壁面上的冰就会裂开，冰层与壁面获得分离，而加在形变上的力远小于刮冰的机械力，这种方式可以消耗较少的能量达到除冰的目的。
换热器的换热壁面采用厚度为0.5mm的不锈钢，两片换热板组成一个换热单元，并压制出特殊波纹，换热单元竖直安装，在换热器的上下两端各安装一个轴，横向穿透。两根轴由连杆连接，并由电机带动缓慢地做往复运动，换热单元的面与轴固定，随着轴的推拉，壁面发生微小变形。
乙二醇溶液按体积浓度30%配比，进出换热器温度为-20～-15℃;当5℃的低温水进入换热器后，贴近换热壁面的水迅速降温，形成2mm厚的冰层时间约2min，水在换热器内的流速需要控制，才能使水充分放热，同时还要兼顾冰浆的流动性，因此应在流速设计和结构设计时充分考虑。电机往复运动的时间间隔设定为1min。分离的薄冰在未结冰的低温水带动下以冰浆的形式流出换热器，换热器的水出口大于入口尺寸，方便冰水混合液的排出。冰点提热换热器的结构示意图如图1所示。
5 冰水源热泵推广意义
为了提高冰水源热泵供热出水温度，我们设计了冰水源热泵串联提热系统。按解决1万平米建筑的供热需求配置了系统（拟定热负荷450kW），供热环境可以在山东、江浙一带有供热需求而且冬季湖水不结冰的地区，湖水温度平均约5℃，比较适合应用冰点提热技术。系统设置两级热泵，第一级冰水源热泵冷凝器的进、出水温度设定成较低值，即23～17℃，并作為第二级高温热泵蒸发器的低位热源，第二级热泵冷凝器出水温度为45～50℃。系统流程图如图2所示。
第一级热泵运行能效为5.16，热泵出水温度为23℃;第二级热泵运行能效为5.41，热泵出水温度为50℃;冰点提热换热器的电机功率为1.5kW。江水的结冰率为20%，江水的取用流量为12.48m3/h，结冰量即为2496kg/h，水凝固放热量为336kJ/kg。
系统的主要运行数据见表1所示，为保证冰点提热的连续，取水点与退水点之间应保证一定的距离，确保进入冰点提热换热器的是低温的江水，而非冰水混合物。
一种供热形式节能与否可以用一次能源利用率来分析，锅炉、电加热的一次能源利用率均小于1，一次能源利用率的公式为：Er=Qr/Qp
式中：Er-一次能源利用率;Qr-制热的能量;Qp-消耗一次性能源的能量。
系统运行总耗电量为156.8kW、电力折标系数为0.1229kgce/（kW·h）[7]，计算耗标煤19.27kg，目前我国火力发电效率及电力输送效率总和平均为35%，实际耗标煤55.06kg;热泵制热量为452kW，标准煤低位发热值为29.3076MJ/kgce，计算折合燃烧标煤55.52kg。冰水源热泵系统的一次能源利用率为1.008，即：Er=Qr/Qp=55.5/55.06=1.008。由此可以确定冰水源热泵只要采取了有效的提热除冰方式，就能够获得良好的应用价值。
6 结论
通过上述微变形除冰方式和合理的系统设计，利用12.48m3/h的低温水源水就可以为1万平米建筑供暖。实现了采用微变形除冰冰点提热技术，在水源水量少、温度低的情况下，仍可以发挥水源热泵的功能，消耗少量能耗，实现供暖。因此此项除冰技术具有良好的经济性及市场应用前景。
参考文献：
[1]韩宗伟，王一茹，杨军，等.严寒地区热泵供暖空调系统的研究现状及展望[J].建筑科学，2013，29（12）：124-133.
[2]钱剑峰.孙德兴.含内热源相变介质在圆管中的凝固分析[N].太阳能学报，2007，28（8）：897-900.
[3]郑记莘，吴荣华.提取冷水凝固热的热泵系统技术方案[J].暖通空调，2016，46（10）：140-142，111.
[4]师云涛.提取冷水凝固热的热泵系统技术方案[J].现代制造技术与装备，2018（5）：140-141.
[5]何国庚，吴锐，柳飞.过冷水法冰浆制取的实验设计与分析[J].低温与超导，2006，34（4）：303-307.
[6]GB/T2589-2008.综合能耗计算通则[S].
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