淺析空氣源熱泵結(jié)霜方式研究及四種除霜方法優(yōu)缺點(diǎn)

空氣源熱泵是眾多熱泵技術(shù)中的一種，它以電能為驅(qū)動(dòng)。夏季，以室外空氣作為冷源，將冷量由系統(tǒng)輸送至室內(nèi)；冬季，以室外空氣為熱源，將熱量由系統(tǒng)輸送至室內(nèi)。空氣源熱泵作為一種低位熱源其儲(chǔ)量豐富，而且與傳統(tǒng)的供熱方式相比，空氣源熱泵既可以降低能耗，也可以減少對(duì)環(huán)境的污染。并且空氣源熱泵有著既能供熱又可以供冷、占用建筑空間小等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的地方的青睞。

但是，空氣源熱泵運(yùn)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(duì)室內(nèi)進(jìn)行供熱時(shí)，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(diǎn)溫度，空氣源熱泵的室外盤管就會(huì)結(jié)霜。而空氣源熱泵室外換熱器表面的結(jié)霜會(huì)導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行的可靠性差，結(jié)霜對(duì)熱泵運(yùn)行主要有兩個(gè)影響：其一，大量結(jié)霜聚集會(huì)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(dòng)，風(fēng)機(jī)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(jī)組制熱量減少、風(fēng)機(jī)性能衰減、輸入電流增大、供熱性能系數(shù)降低，嚴(yán)重時(shí)壓縮機(jī)會(huì)停止運(yùn)行，以致機(jī)組不能正常工作。

空氣源熱泵在低溫高濕狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的結(jié)霜和除霜問題已成為制約其高效運(yùn)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(shí)現(xiàn)室外換熱器除霜，減小因結(jié)霜和除霜過程對(duì)熱泵機(jī)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(yùn)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(duì)于推廣空氣源熱泵技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。

一、除霜原理及過程研究

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

在成霜初期，獨(dú)立分散的霜類似于肋片，可以起到強(qiáng)化傳熱的作用，但隨著時(shí)間的推移，整個(gè)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(dǎo)熱系數(shù)小，不僅會(huì)降低系統(tǒng)的傳熱性能，增加能耗，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)�造成系統(tǒng)堵塞，引發(fā)非常嚴(yán)重的后果。因此，研究結(jié)霜的機(jī)理以及發(fā)現(xiàn)有效的除霜方法一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。

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(shí)，當(dāng)室外空氣在流經(jīng)蒸發(fā)器被冷卻時(shí)，其所含的水分就會(huì)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(xué)者對(duì)結(jié)霜過程的研究大多是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，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(duì)濕度φ是影響熱泵結(jié)霜的主要因素。當(dāng)溫度和相對(duì)濕度達(dá)到一定條件后就容易出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。KennedyLA做了自然對(duì)流條件下豎直壁面的結(jié)霜實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，霜層形成達(dá)到準(zhǔn)平衡狀態(tài)的時(shí)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(duì)濕度變化而變化：當(dāng)相對(duì)濕度減小時(shí)，震蕩周期變長。郝英立采用對(duì)自然對(duì)流條件下水平表面初始結(jié)霜過程實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，隨著霜層的形成和增長，有效傳熱系數(shù)迅速降低，自然對(duì)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(xué)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(dǎo)出了計(jì)算霜層密度變化的結(jié)霜量變化率的公式，同時(shí)，考慮了結(jié)霜的厚度和密度隨時(shí)間的變化，為選取有效的除霜控制方法提供了依據(jù)。

二、空氣源熱泵除霜方式的研究

目前，針對(duì)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(duì)比來探討空氣源熱泵的除霜方式的特點(diǎn)。

1、逆循環(huán)除霜

空氣源熱泵除霜系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)、節(jié)流機(jī)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。

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(jī)組逆向運(yùn)行，除霜能量來自于壓縮機(jī)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(jī)變?yōu)槔淠�器進(jìn)行除霜。在除霜期間，壓縮機(jī)排出的過熱狀態(tài)制冷劑蒸汽被送到室外機(jī)盤管進(jìn)行融霜。當(dāng)融霜完成后，熱泵運(yùn)行再次逆轉(zhuǎn)，重新開始供熱，從而達(dá)成除霜的目的。

這種方法不需要附加其它設(shè)備，除霜時(shí)間短，但是在除霜運(yùn)行時(shí)，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(jī)停止供熱后，室內(nèi)溫度降低，對(duì)舒適度的影響較大。所以，目前多以實(shí)驗(yàn)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(jī)排出的高溫氣體通過旁通管路從而直接流向蒸發(fā)器進(jìn)行除霜。運(yùn)用該種除霜方法時(shí)，四通閥不需要進(jìn)行換向，融霜電磁閥進(jìn)行開啟，關(guān)閉風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)排氣經(jīng)旁通管路至室外機(jī)入口進(jìn)行放熱除霜，融霜后的制冷劑通過四通換向閥進(jìn)入氣液分離器，最后被壓縮機(jī)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(jìn)行制熱。清華大學(xué)石文星等人在一臺(tái)變頻空調(diào)器系統(tǒng)中，采用熱氣旁通除霜的方法，通過對(duì)不同阻力的旁通電磁閥除霜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)間及除霜效果。采用阻力小的電磁閥可縮短除霜時(shí)間；反之，除霜時(shí)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(jī)，除霜過程能量損耗較大，除霜時(shí)間比逆循環(huán)要長，而且在除霜過程中會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣壓力升高，排氣溫度升高，壓縮機(jī)的工作狀態(tài)改變，對(duì)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(jī)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(shè)蓄熱器，將熱泵運(yùn)行時(shí)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(jī)問題，從而提高了機(jī)組運(yùn)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(shí)，蓄能換熱器作為蒸發(fā)器，除霜時(shí)蓄能裝置為蒸發(fā)器提供能量來化霜。學(xué)者胡文舉等人的實(shí)驗(yàn)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(jī)吸氣壓力在0.35MPa以上，室外溫度一定時(shí)，空氣濕度的增大會(huì)逐漸增加除霜所需能耗和時(shí)間；空氣相對(duì)濕度一定時(shí)，除霜能耗和除霜時(shí)間會(huì)隨空氣溫度的降低先增加后減少，其中，-3℃工況可作為設(shè)計(jì)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(duì)較好的除霜熱源，縮短了除霜時(shí)間，而且恢復(fù)時(shí)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(huì)導(dǎo)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(fēng)機(jī)上。電熱元件附在翅片上。化霜時(shí)，壓縮機(jī)和冷風(fēng)機(jī)風(fēng)扇停止運(yùn)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(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，加熱繼電器停止給電加熱器供電，電磁閥打開，制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器。

電加熱除霜具有系統(tǒng)簡單、除霜完全、實(shí)現(xiàn)控制簡單的優(yōu)點(diǎn)，在小型裝置上廣泛采用，但缺點(diǎn)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(jìn)行除霜。

三、結(jié)論

在如今經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、環(huán)境污染嚴(yán)重的年代，空氣源熱泵憑借著它的特點(diǎn)將會(huì)被廣泛應(yīng)用，具有廣大的市場前景及應(yīng)用價(jià)值。但是空氣源熱泵的結(jié)霜問題制約著其發(fā)展，對(duì)于這些問題，需要我們對(duì)設(shè)計(jì)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(diǎn)這三個(gè)方面來研究空氣源熱泵的除霜問題，并且對(duì)結(jié)霜原理以及除霜方法進(jìn)行研究，提出新的除霜方式，優(yōu)化機(jī)組除霜控制策略。

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原標(biāo)題：空氣源熱泵除霜原理及除霜方式研究

本文來源：土木工程網(wǎng)   文徑網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 方俊 審核

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