高湿地区空气源热泵除霜技术

摘要：简述了空气源热泵的结霜机理，同时对我国高湿地区的气候条件作了分析，分析了不同的除霜方式和控制方法的特点。

1 空气源热泵结霜机理与除霜的必要性

空气源热泵冬季运行时受气象条件的影响，理论上可能出现干、结露和结霜3种工况，出现这3种工况是空气干湿球温度综合作用的结果。空气源热泵运行工况判定的理论依据是室外盘管表面温度和空气露点温度的大小关系。当盘管表面温度高于空气露点温度时，机组在干工况下运行；当盘管表面温度低于空气露点温度但高于0 ℃时，机组运行在结露工况；如果盘管表面温度低于空气露点温度同时低于0 ℃时，机组在结霜工况下运行。但是，结霜的机理很复杂，影响结霜的因素很多。根据日本学者对不同空气源热泵机组的试验结果拟合的曲线[1]看出，发生结霜现象的可能范围为-12.8 ℃＜ta＜5.8 ℃。

对于空气源热泵来说，结霜一方面增加了蒸发器的导热热阻，增大了空气的流通阻力，使得压强增大，空气流量降低，从而增大了空气侧对流换热热阻，降低了蒸发器的平均换热系数；另一方面，降低了蒸发温度，使系统功耗增大，热泵系数降低；如果霜层过厚，换热量将急剧减少，风机状态点发生变化，热泵甚至将难以正常运行[2]。因此，在研究影响蒸发器结霜因素，减少、抑制蒸发器结霜的基础上[3]，进行风冷热泵蒸发器除霜控制研究，对于空气源热泵蒸发器的换热，提高热泵效率具有重要意义（图1）。

2 高湿地区气候特点

我国幅员辽阔，属于大陆性季风气候，同时又有气候多样性的特点，季节交替规律明显，冬夏温差大，北方地区冬季寒冷干燥，而长江流域等地区则终年潮湿。

由于相对湿度的增加，空气的露点温度升高，这样，在潮湿地区空气源热泵结霜的可能性及结霜的时间都要大于较为干燥的地区。因此，高湿地区的空气源热泵除霜问题需要特别注意。

3 空气源热泵除霜的基本方式[5]

3.1 空气除霜

除霜时中断压缩机的运转，使空气继续流过室外侧换热器，待换热器表面温度回升，使霜融化。这种除霜方式有一定的局限性，一般要求室外空气温度高于2～3 ℃时才用。除霜的时间取决于结霜量、空气温度和风量。当室外空气温度接近0 ℃时，除霜时间将显著增长。

3.2 电热除霜

通常把电加热器放置在蒸发器上，其布置方式一般分为3种：（1）把电加热器直接放置在换热器的表面端部；（2）把电加热器与换热器做成一体；（3）把电热管放在工质的管中。近年来第一种布置方式用得最多。该方式的优点是初投资少、安装简单、控制简单，大小热泵系统均可采用。但就耗电这一点来看，所消耗的是纯火用，而不是由周围介质吸取的热量，因此这种除霜方法是昂贵的。

3.3 热气除霜

此法又可分2种方式：（1）把压缩机的高温热气部分经过旁通管路直接送入蒸发器进行除霜；（2）利用四通阀换向，将热泵由供热工况运行变为制冷工况运行。这是一种快速的除霜方式，效率高，对大小热泵均适用，但该法对热泵的可靠性有所影响，系统一般比较复杂。为了防止液体冲入压缩机，必须设有集液器。

3.4 水力除霜

对于大型热泵系统，常采用水力除霜的措施，即用水冲淋蒸发器，来融化霜层。这种除霜方式设备简单，除霜时间短。但湿气太大，还要有水系统。

4 四通阀换向逆向除霜

目前普遍采用的除霜方式是四通阀换向逆向除霜，国内外的各种研究，大多也是围绕逆向除霜方式进行的[6～9]。

四通阀换向这种除霜方式，将制冷系统原来的高低压部分切换，当四通阀动作后，系统由正常制热循环方式切换到除霜循环，系统中各点的制冷剂状态是一个动态变化过程。与制冷系统在平衡状态下启动的动态变化过程不同，制冷系统正常启动时，系统从压缩机排气口到节流阀进口（包括冷凝器和高压储液器）的高压侧压力是均衡的；从节流阀出口到压缩机吸气口（包括蒸发器和气液分离器）的低压侧压力也是均衡的。当热泵系统启动后，在压缩机的驱动下，系统高压侧和低压侧的压力分别向不同的方向一致变化。而对于除霜循环，当四通阀动作后，风侧换热器的原低压与四通阀到压缩机排气口的高压管路接通，室内换热器的高压系统与四通阀到压缩机进气口的低压管路接通，所以在除霜循环开始后，系统高压侧与低压侧有一个自身的压力平衡。从压缩机的吸、排气管上测量的压力变化来看，由于制热时风侧蒸发器的蒸发压力较低，且原属低压系统的风侧换热器内容积远大于压缩机的排气管路的内容积，因此在除霜开始时，压缩机的排气压力有一个短时间的迅速下降过程：吸气压力也有一个冲高的过程，这是因为制热时的室内换热器的冷凝压力较高所致，但是由于室内换热器的内容积与吸气管路（含气液分离器）的内容积的差别没有前者大，因此相比之下，吸气压力的冲高幅度较小。

制冷剂通过储液器及节流阀的流向由四个单向阀控制，只有当高压侧的压力达到平衡后，高压侧的压力回升且大于储液器压力时，才有制冷剂流入储液器中，热泵系统的制冷剂流动才逐渐趋于正常。对于低压侧，由于室内换热器与低压管路连通，室内换热器内的压力迅速降低，其内的制冷剂液体汽化，当然制冷剂液体完全汽化后，由于压缩机的抽吸作用，低压侧的压力会继续降低，其最低值可接近表压0 Pa，从而低于热泵运行时的低压保护值。吸气压力低使得吸气后热度大，此时节流阀具有最大的开度。与除霜过程中压力变化相对应，热泵系统中制冷剂流量经历了由原来制热运行时的流量值下降到接近0 Pa（该点与吸气压力最低点相对应），再逐渐升高的过程，当制冷剂流量达到最大值后，由于吸、排气压力差的加大而下降。因此为了缩短除霜的时间，必须在除霜的时间内保证系统中有较多的制冷剂循环量。

5 显热除霜[10～11]

为了较大程度缩短除霜时间，避免四通阀换向除霜给制冷系统带来的冲击，消除“奔油”现象，有学者提出了显热除霜技术。

显热除霜是指利用制冷系统压缩机排气管至电子膨胀阀前的旁通回路，将压缩机的高温高压排气直接引到电子膨胀阀前，再经过电子膨胀阀的等焓节流将压缩机排气引入空气换热器中，通过压缩机排气热量将空气换热器翅片外侧的霜层除掉，同时保证制冷剂在空气换热器中只进行显热交换而不进行冷凝，在除霜的过程中四通阀不需换向。除霜的热量来源为压缩机所做出的功和压缩机壳体的蓄热量两部分。

在正常制热时，空气换热器是作为系统的蒸发器，制冷剂经过电子膨胀阀节流后在其中蒸发，最后变为过热蒸汽。这一过程制冷剂从空气中吸取热量，这时蒸发器表面的霜层温度近似等于蒸发温度但低于环境温度。当除霜时，制冷剂在空气换热器中开始被冷却，制冷剂降温同时将热量经过管壁传给霜层和空气，这时霜层开始吸热融化。随着制冷剂的继续流动，制冷剂进一步降温。制冷剂不冷凝的条件是空气换热器中制冷剂压力所对应的饱和温度低于管外的霜层温度。正常制热时，空气换热器表面霜层的温度最低也只是近似等于这时换热器中压力所对应的蒸发温度。因此除霜时空气换热器中制冷剂不冷凝只要控制空气换热器中制冷剂压力低于正常制热运行时其制冷剂压力即可。

因此保证显热除霜运行（制冷剂在空气换热器中只降温不冷凝）的关键是除霜过程中对空气换热器中制冷剂压力进行控制。通过控制电子膨胀阀的不同开度就可以实现对空气换热器制冷剂压力的调节。

为了验证显热除霜的效果，并与四通阀换向除霜进行比较，进行了两种除霜方式的对比试验。试验发现：采用显热除霜方式时，系统的高低压差变化较小，原来由于四通阀换向时系统高低压部分切换导致压缩机产生的“奔油”现象得到避免，对系统冲击小。而采用四通阀换向除霜方式除霜，“奔油”现象无法避免，对系统压缩机的使用寿命造成很大影响。在同样外部环境、同样结霜程度下，图2、图3分别表示：采取四通阀换向除霜和显热除霜时壳管式换热器的进出水温度变化曲线的对比。

两种除霜方式的对比试验结果表明：在同样条件下（结霜程度相同）显热除霜方式与逆向除霜方式相比，除霜时间缩短了26.17%，小时供热率提高了2%，冷媒水温度波动在5 ℃以内。

6 空气源热泵常用的除霜控制方法[12]

（1）定时除霜法：按最不利的环境参数设定机组制热运行时间，时间一到即转入除霜循环。

（2）时间—温度（压力）法：这是目前空气源热泵常用的一种除霜控制方法。设定一个蒸发温度（压力）或蒸发器翅片管的温度与上次除霜的时间间隔值，当温度（压力）和时间均达到设定值时，开始进行除霜。

（3）空气压差控制法：测量通过蒸发器的空气压差，当压差达到设定值时，开始除霜。

（4）霜层传感器控制法：通过光电或电容探测器监测蒸发器的结霜情况，霜层达到一定厚度发出信号进行除霜。

（5）声音振荡器控制法：通过监测安装在蒸发器内的声音振荡器的共鸣频率来推知霜层的厚度，以控制除霜动作。

（6）最大平均供热量法控制除霜：在机组的最大平均供热量时进行除霜。

（7）最佳除霜时间控制法：通过确定霜积累时间的关系，使结霜时间可以动态修正，使实际除霜时间向设定的优化除霜时间逼近。

7 结论

在简述空气源热泵的结霜机理，分析我国高湿地区气候条件的基础上，总结空气源热泵的除霜技术有热气除霜、电热除霜、空气除霜、水力除霜，并分析了常用控制方法。此外还对四通阀换向逆向除霜、显热除霜进行了简介，为行业筛选除霜技术提供了资料支持。