摘 要

自空气源热泵热水器出现以来，蒸发器处结霜一直是降低用户体验的一个关键问题，由于翅片处结霜导致蒸发器处换热效率降低，从而影响了整个系统的使用，所以，空气源热泵的除霜问题亟待解决。现在已经有许多种除霜方法，本篇文章旨在设计一种新的除霜装置通过太阳能发电加热电阻丝，电阻丝加热位于翅片处防冻液管内的防冻液来达到除霜目的。本设计采用数值模拟的方法，通过模拟-10℃-0℃时结霜的体积，从而逆推出一次除霜时所需的热量，并进一步逆推出除霜所需的设备参数，进而设计出整套除霜系统。通过本次设计的数值模拟计算，我们依次设计出了长度为275mm阻值为9.5Ω的电阻丝，以紫铜管为材料的环形防冻液管，以乙二醇为母液的防冻液，规格为12V-200Ah的蓄电池以及尺寸规格为1940mm×940mm×50mm的太阳能电池。本设计中的装置结构简单，可用性强，可以有效减少蒸发器在较冷条件下翅片上厚度为0.65mm以下的霜层。

关键词：空气源热泵；蒸发器；翅片；除霜

Abstract

Since the air source heat pump water heater has emerged, the frost at the evaporator has been a key problem in reducing the user experience. As the fins frost at the evaporator, the heat transfer efficiency is reduced, which affects the use of the entire system. Heat pump defrost problem has become a growing problem which is needed to be solved. There are already many kinds of defrost method, this article aims to introduce a new defrost device, the device consists of solar power system and heating system composed of two parts, the heating system consist of the resistance wire, antifreeze and antifreeze tube. The device heat the resistance wire by using the solar power. The resistance wire heats the antifreeze within the antifreeze tube to achieve the purpose of defrosting. This design uses numerical simulation method, by simulating the frost volume at -10 ℃ -0 ℃, so as to reverse the heat required for a defrost, and further reverse the necessary equipment to defrost the equipment parameters, and then design a complete set Defrost system. Through the numerical simulation of this design, we designed the length of 275mm resistance of 9.5Ω resistance wire, a solid antifreeze tube with copper tube as material, antifreeze with ethylene glycol as the mother liquor, specifications for the 12V-200Ah battery and the size of the specifications for the 1940mm × 940mm × 50mm solar cells. The design of the device structure is simple, usability, can effectively reduce the evaporator in the cold conditions on the fin thickness of 0.65mm below the cream layer.

Key Words：air source heat pump; evaporator; fin; defrost

目 录

第1章 绪论 1

1.1空气源热泵除霜研究的现状 1

1.1.1结霜过程的研究 1

1.1.2除霜方法的研究 1

1.1.3本课题设计的除霜方法 2

1.2空气源热泵原理 2

1.2.1空气源热泵相关物理知识 2

1.2.2空气源热泵的工作原理 3

1.2.3空气源热泵的部件 3

1.3太阳能发电原理 4

1.3.1太阳能发电的分类 4

1.3.2太阳能光伏发电装置 5

第2章 除霜设计 7

2.1除霜设备的设计思路 7

2.2一次除霜所需热量的计算 8

2.2.1翅片上的结霜状况 8

2.2.2翅片结霜面积 10

2.2.3一次除霜热量的计算 11

2.3电阻丝的设计 11

2.3.1电阻丝几何参数 11

2.3.2电阻丝材料的选择 12

2.3.3电阻丝实际参数计算 12

2.4环形防冻液管设计 13

2.4.1概况 13

2.4.2特点 13

2.4.3防冻液管参数的确定 14

2.5防冻液 15

2.5.1简介 15

2.5.2防冻液的选择 15

2.5.3防冻液的配制 16

2.5.4防冻液的更换 16

2.6太阳能蓄电池 17

2.6.1简介 17

2.6.2容量选择 17

2.6.3太阳能蓄电池的设计计算 18

2.7太阳能电池设计 18

2.7.1太阳能电池材料的选择 18

2.7.2太阳能电池的工作电压 19

2.7.3太阳能电池参数计算 19

2.8控制器的设计 19

2.8.1除霜控制系统的研究 19

2.8.2控制器设计 20

第3章 计算结果与讨论 21

3.1一次除霜热量的计算 21

3.2电阻丝的数值计算 21

3.3太阳能蓄电池的规格计算 22

3.4太阳能电池的规格计算 22

3.5除霜系统性能报告 23

第4章 结论 24

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

空气源热泵技术是现如今极为环保的热能源利用技术，它充分利用了我们生活中除了光能源之外，非常充分的物质，空气，具有自然搬运工的美称。它的特点包括：1.运行状况十分安全，对环境非常友好，不排放有害气体污染环境；2.空气源热泵能够节省大量电能，不仅减少了电费的开支，也在另一方面对环境的保护做出了贡献；3使用条件宽泛，不受限制，无论是在一天的跨度上还是一年的跨度上，无论是阴天晴天还是夏季或者冬季，空气源热泵都能满足使用。

但是，没有哪个设备是完美的，空气源热泵也不例外，虽然他的优点很多，但不得不承认的是，对于现阶段的应用，空气源热泵仍然存在许多问题。其中最主要的便是在湿度较高温度较低的环境下蒸发器翅片结霜的问题。有研究表明，当室外干球温度位于-12.8℃和5.8℃之间，相对湿度在65%以上时，就会达到结霜的条件，翅片管换热器就会结霜。翅片结霜增大了空气流通的阻力，降低了蒸发器翅片的传热性能，大大降低了换热器的换热效率。不仅可能无法达到用户要求的水温，还可能使热泵为应急满足用户需求而加大风机电流或者用电加热，降低了热泵的寿命。所以，空气源热泵的除霜在整个系统中的地位尤为重要。

本文设计了一个新型的除霜设备，用太阳能供电电阻丝，并通过加热电阻丝升温防冻液从而达到化霜的目的。

1.1空气源热泵除霜研究的现状

1.1.1结霜过程的研究

在加热应用中，空气源热泵（ASHP）的室外单元叫作蒸发器，从空气中吸收热量。当热交换器的表面温度低于露点温度时，来自周围潮湿空气的水蒸气冷凝到冷面上。这种冷凝水可以通过表面张力积聚在翅片之间，形成抵抗空气流动的“水桥”。此外，如果热交换器的表面温度低于凝固点，则冷凝的水变成冰并形成多孔的霜。

1.1.2除霜方法的研究

我们知道结霜的自然条件是低温高湿状态，详细研究表明，温度位于-12.8℃到5.8℃之间，湿度在65%以上时会发生结霜。除此之外，Huee-Youl Ye^[1]等人进行了更为全面的研究，并表明冷表面的霜冻生长主要受操作条件的影响，即冷表面温度，空气温度，绝对湿度和空气流速。