空氣源熱泵除霜原理及除霜方式研究

但是，空氣源熱泵運行受周圍環(huán)境的溫濕度影響較大，在低溫環(huán)境下也存在著制熱量衰減和結(jié)霜的問題。在冬季，空氣源熱泵對室內(nèi)進行供熱時，如果室外盤管的表面溫度低于0℃并且低于室外空氣的露點溫度，空氣源熱泵的室外盤管就會結(jié)霜。而空氣源熱泵室外換熱器表面的結(jié)霜會導致機組運行的可靠性差，結(jié)霜對熱泵運行主要有兩個影響：其一，大量結(jié)霜聚集會使蒸發(fā)器傳熱性能減弱，其二，結(jié)霜阻礙了室外盤管間的氣體流動，風機能量損耗增加。因此，隨著室外換熱器壁面霜層的增多，室外換熱器蒸發(fā)溫度下降、機組制熱量減少、風機性能衰減、輸入電流增大、供熱性能系數(shù)降低，嚴重時壓縮機會停止運行，以致機組不能正常工作。

空氣源熱泵在低溫高濕狀態(tài)下運行時的結(jié)霜和除霜問題已成為制約其高效運行的瓶頸，如何能夠有效的延緩空氣源熱泵結(jié)霜和高效快速的實現(xiàn)室外換熱器除霜，減小因結(jié)霜和除霜過程對熱泵機組和室內(nèi)環(huán)境造成的不利影響，是關(guān)系到空氣源熱泵能否更廣泛和高效運行的關(guān)鍵問題。因此，研究和有效解決空氣源熱泵結(jié)霜問題，對于推廣空氣源熱泵技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。

在供熱、制冷系統(tǒng)中，結(jié)霜是一種非常普遍的現(xiàn)象。當空氣中的水蒸氣接觸到溫度低于空氣露點溫度的表面時，就會發(fā)生相變結(jié)霜現(xiàn)象。

在成霜初期，獨立分散的霜類似于肋片，可以起到強化傳熱的作用，但隨著時間的推移，整個冷表面逐漸被霜所覆蓋，形成連續(xù)的霜層。作為多孔介質(zhì)的霜層由于導熱系數(shù)小，不僅會降低系統(tǒng)的傳熱性能，增加能耗，嚴重時甚至會造成系統(tǒng)堵塞，引發(fā)非常嚴重的后果。因此，研究結(jié)霜的機理以及發(fā)現(xiàn)有效的除霜方法一直是國內(nèi)外學者研究的重點。

由于空氣源熱泵冬季采用空氣作為熱源，所以，隨著室外溫度的降低其蒸發(fā)溫度也隨之降低，蒸發(fā)器表面溫度隨之下降甚至低于0℃。此時，當室外空氣在流經(jīng)蒸發(fā)器被冷卻時，其所含的水分就會析出并依附于蒸發(fā)器表面形成霜層。

一直以來，國內(nèi)外學者對結(jié)霜過程的研究大多是以實驗為基礎，到后來才涉及到數(shù)值模擬。研究顯示，結(jié)霜現(xiàn)象發(fā)生的可能范圍是-12.8℃到5.8℃，室外干球溫度t和相對濕度φ是影響熱泵結(jié)霜的主要因素。當溫度和相對濕度達到一定條件后就容易出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。KennedyLA做了自然對流條件下豎直壁面的結(jié)霜實驗，結(jié)果表明，霜層形成達到準平衡狀態(tài)的時間大約需要3h，霜層表面溫度接近0℃，其后在0℃上下振蕩，并且振蕩周期，隨著環(huán)境相對濕度變化而變化：當相對濕度減小時，震蕩周期變長。郝英立采用對自然對流條件下水平表面初始結(jié)霜過程實驗的研究方法中發(fā)現(xiàn)，霜層在初始成長階段與充分成長階段有著不同的特點，隨著霜層的形成和增長，有效傳熱系數(shù)迅速降低，自然對流傳熱系數(shù)減小，霜層厚度加速率變緩，霜層表面溫度逐漸升高。學者姚楊根據(jù)Clapcyron-Clausius方程和理想氣體狀態(tài)方程，用理論推導出了計算霜層密度變化的結(jié)霜量變化率的公式，同時，考慮了結(jié)霜的厚度和密度隨時間的變化，為選取有效的除霜控制方法提供了依據(jù)。

目前，針對空氣源熱泵除霜的問題，種類方法有許多，本文主要通過逆循環(huán)除霜、熱氣旁通除霜、蓄能除霜以及電加熱除霜四種除霜方法的介紹以及對比來探討空氣源熱泵的除霜方式的特點。

1、逆循環(huán)除霜

空氣源熱泵除霜系統(tǒng)主要由壓縮機、室內(nèi)機、室外機、節(jié)流機構(gòu)、四通換向閥、氣液分離器、蓄能換熱器、過濾器、電磁閥等組成。其系統(tǒng)的原理圖見圖1。

逆循環(huán)除霜技術(shù)中，利用四通換向閥改變制冷劑流向，機組逆向運行，除霜能量來自于壓縮機耗功和從室內(nèi)吸收的熱量，使制熱狀態(tài)變?yōu)橹评錉顟B(tài)，室外機變?yōu)槔淠�器進行除霜。在除霜期間，壓縮機排出的過熱狀態(tài)制冷劑蒸汽被送到室外機盤管進行融霜。當融霜完成后，熱泵運行再次逆轉(zhuǎn)，重新開始供熱，從而達成除霜的目的。

這種方法不需要附加其它設備，除霜時間短，但是在除霜運行時，需要從建筑物內(nèi)吸熱，降低了室內(nèi)環(huán)境舒適性，換向閥需頻繁換向，易磨損且噪音較大，系統(tǒng)參數(shù)變化較大，并且在壓縮機停止供熱后，室內(nèi)溫度降低，對舒適度的影響較大。所以，目前多以實驗研究為主。

2、熱氣旁通除霜

在熱氣旁通除霜技術(shù)中，通過不改變制冷劑流向，使壓縮機排出的高溫氣體通過旁通管路從而直接流向蒸發(fā)器進行除霜。運用該種除霜方法時，四通閥不需要進行換向，融霜電磁閥進行開啟，關(guān)閉風機，壓縮機排氣經(jīng)旁通管路至室外機入口進行放熱除霜，融霜后的制冷劑通過四通換向閥進入氣液分離器，最后被壓縮機吸入。提高了室內(nèi)舒適性，減少了系統(tǒng)壓力的變化，并且除霜結(jié)束后能立刻進行制熱。清華大學石文星等人在一臺變頻空調(diào)器系統(tǒng)中，采用熱氣旁通除霜的方法，通過對不同阻力的旁通電磁閥除霜進行實驗研究，實驗結(jié)果表明，熱氣旁通法除霜，可以較大程度地改善室內(nèi)舒適性，換熱器除霜效果和除霜時間與旁通電磁閥的阻力大小有著密切的關(guān)系。而且得出實驗結(jié)論：旁通除霜電磁閥的質(zhì)量優(yōu)劣直接關(guān)系到除霜時間及除霜效果。采用阻力小的電磁閥可縮短除霜時間；反之，除霜時間增長，耗功增大，且除霜效果不佳。

但是熱氣旁通除霜的能量還是來自于壓縮機，除霜過程能量損耗較大，除霜時間比逆循環(huán)要長，而且在除霜過程中會導致壓縮機吸氣壓力升高，排氣溫度升高，壓縮機的工作狀態(tài)改變，對系統(tǒng)的正常使用不利。

3、蓄能除霜

空氣源熱泵蓄能除霜是將蓄熱技術(shù)和除霜技術(shù)有機結(jié)合的一種新系統(tǒng)。通過在傳統(tǒng)的空氣源熱泵中增設蓄熱器，將熱泵運行時的部分余熱貯存起來，作為熱泵除霜的低位熱源，解決傳統(tǒng)除霜能量主要來源于壓縮機問題，從而提高了機組運行的穩(wěn)定。在蓄能除霜方式，四通閥換向，在系統(tǒng)中增加蓄熱裝置，此時，蓄能換熱器作為蒸發(fā)器，除霜時蓄能裝置為蒸發(fā)器提供能量來化霜。學者胡文舉等人的實驗研究表明，相變蓄能除霜系統(tǒng)可以有效保證除霜過程中壓縮機吸氣壓力在0.35MPa以上，室外溫度一定時，空氣濕度的增大會逐漸增加除霜所需能耗和時間；空氣相對濕度一定時，除霜能耗和除霜時間會隨空氣溫度的降低先增加后減少，其中，-3℃工況可作為設計相變蓄熱器除霜用最不利工況。

相比于傳統(tǒng)的空氣源熱泵除霜的工況，蓄能除霜方式中供水溫度穩(wěn)定，保證了室內(nèi)的熱舒適性，系統(tǒng)的可靠性提高，并且蓄能除霜能夠提供相對較好的除霜熱源，縮短了除霜時間，而且恢復時間比較短，相比其它方法更有優(yōu)越性。但除霜效果受蓄熱量的影響，如果蓄熱量不夠則會導致除霜不徹底。

4、電加熱除霜

該除霜方式中是在室外換熱器表面安裝電熱絲，利用電熱絲通電發(fā)熱除霜。多用在翅片管式冷風機上。電熱元件附在翅片上。化霜時，壓縮機和冷風機風扇停止運行，關(guān)閉電磁閥，電加熱器開始供電加熱化霜。化霜結(jié)束后，壓縮機啟動運行，加熱繼電器停止給電加熱器供電，電磁閥打開，制冷劑進入蒸發(fā)器。

電加熱除霜具有系統(tǒng)簡單、除霜完全、實現(xiàn)控制簡單的優(yōu)點，在小型裝置上廣泛采用，但缺點是耗電多，消耗高品位能源，不宜在大型裝置上采用。而且電加熱除霜的熱量一部分散發(fā)到大氣中，使得能耗大大增加，而且電熱絲的使用壽命有限，存在一定的安全隱患。因此，現(xiàn)在很少使用該方式來進行除霜。

在如今經(jīng)濟迅速發(fā)展、環(huán)境污染嚴重的年代，空氣源熱泵憑借著它的特點將會被廣泛應用，具有廣大的市場前景及應用價值。但是空氣源熱泵的結(jié)霜問題制約著其發(fā)展，對于這些問題，需要我們對設計新的換熱器形式、尋找合適的除霜熱源以及選擇合理的除霜點這三個方面來研究空氣源熱泵的除霜問題，并且對結(jié)霜原理以及除霜方法進行研究，提出新的除霜方式，優(yōu)化機組除霜控制策略。