显热除霜技术分析

娄彦亮（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

1 引言

目前风冷热泵机组常用的除霜方法是通过系统逆向循环来实现。这种传统的四通阀换向除霜方法存在一系列弊端：由于四通阀换向，制冷系统原来的高低压部分切换，这使制冷系统出现“奔油”现象，降低系统的可靠性和使用寿命；除霜时制冷剂要从供热系统中吸取热量用于除霜，造成供热水的温度急剧波动，影响空调系统的舒适性；同时从除霜开始到除霜结束，四通阀要动作两次，在动作过程中，系统的压力分布和温度分布分别被破坏，四通阀切换两次再重新建立平衡，使系统不仅造成能量损失而且除霜过程总的时间加长。因此，研究除霜方法、除霜控制策略、开发出新型除霜方法成为热泵空调系统的研究重点之一。为解决四通阀换向除霜方式给风冷热泵系统所带来的诸多弊端，提高机组综合性能，研制开发出新的除霜方式具有重大意义。为此提出一种新型除霜方式——显热除霜。

2 技术现状以及最新进展

2.1 显热除霜原理

显热除霜循环在系统流程图（图1）上表示的过程为：（1）制冷剂经过压缩机压缩后排出，经过热气电磁阀到达电子膨胀阀前；（2）高温高压的制冷剂通过电子膨胀阀节流降压，这时系统电磁阀是关闭的；（3）节流后高温低压的制冷剂经过单向阀后，进入空气侧换热器，同时放热降温，并且将换热器翅片上霜层除掉；（4）制冷剂从空气侧换热器出来，经过四通阀、气液分离器进入压缩机并冷却压缩机电机；（5）压缩机吸取低温低压气体进行压缩并排出。

随着除霜过程的进行，空气换热器翅片表面的霜层不断融化，空气换热器出口制冷剂的温度逐渐上升，压缩机排气温度也随之上升，化霜效果得到加强。但同时换热盘管温度的升高，将使一部分排气热量释放给空气，减少了除霜热量。

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面的旁通回路，将压缩机的高温高压排气直接引到电子膨胀阀前，再经过电子膨胀阀节流将压缩机排气引入翅片管式换热器中，利用压缩机排气热量将翅片管式换热器翅片外侧的霜层除掉，同时保证制冷剂在翅片管式换热器中只进行显热交换而不进行冷凝。

2.2 显热除霜技术系统性能分析

显热除霜与热气旁通的区别主要是在热气旁通除霜方式中加入一个膨胀阀，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，最后变为过热蒸气。这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都低于环境温度。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，这时制冷剂是否会因为放出潜热而冷凝呢？从压焓图（图2）上可以看到，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。因为这时制冷剂没有办法将它的冷凝潜热排放，最多制冷剂只能冷却到和霜层温度相等。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的条件是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。

而热气旁通容易造成除霜过程中压缩机吸气带液，也就是说控制不住除霜过程中制冷剂在室外换热器进行换热的时候冷凝成液体，造成制冷剂冷凝以后进入压缩机，对压缩机伤害过大。而显热除霜则能够很好的避免了这个问题的出现。

2.3 显热除霜技术的能量分析

显热除霜的能量来源为压缩机对制冷剂所做的功和压缩机壳体蓄热量两部分，热气旁通的能量来源也是压缩机对制冷剂所做的功和压缩机壳体蓄热量两部分，但是逆向循环除霜的能量来源除了压缩机对制冷剂所做的功和压缩机壳体蓄热量两部分外，还有从室内环境或者说是目标环境中吸收的一部分热量。

图1 样机系统流程图

图2 显热除霜系统压焓图

图3 显热除霜时电子膨胀阀控制框图

显热除霜和热气旁通相比，制冷剂在通过节流机构的时候压力下降，温度也下降，进行等焓节流，能量损失为与管壁的摩擦，但是节流后的温降使得显热除霜在除霜时间上面应该较热气旁通稍微长一些，不过从总体能量守恒方面理解，显热除霜和热气旁通除霜的来源和消耗相比，差别只有节流机构的摩擦耗能，其他的都相等。

显热除霜和逆向除霜相比，除霜过程能量来源较逆向除霜要少，因为显热除霜的能量来源没有室内环境或者说是目标环境中的热量，但是逆向除霜就有，所以逆向除霜的能量来源较多，除霜速度较快，是这三种除霜方式中最快的一种。但是从总体来说，逆向除霜虽然速度快，但是吸收了室内环境的热量，这部分热量还是要补充回来的。所以说，从整体上面来看，逆向除霜在时间方面的优势被打折扣了。特别是对于热水机组，水的比热大，除霜的时候放出的热量多，除霜过后把热水加热到所需要的温度的时候可能时间就会更长。

从整体的除霜过程的能量来源来看，显热除霜和热气旁通除霜的热量来源都是压缩机提供，但是循环除霜的能量来源不仅仅是压缩机，长时间的话还有室外空气中的部分能量。所以，从整体的能量来源来说，逆向除霜还是较显热除霜和热气旁通除霜的效率高的。但是其带来的系统不稳定性和室内环境或者说是目标环境的温度波动是不可避免的。

从整个能效比方面来看，显热除霜过程和热气旁通除霜过程的能量来源追踪到底还是电能，而逆向除霜的能量来源则有可能有室外环境中的一部分。要想提高能效比，除霜方面还是从抑制结霜和其他方法除霜效果来入手，如超声波除霜。但是单单从这三个除霜方式来考虑，显热除霜还是有一定的优越性的。

2.4 显热除霜的控制策略分析

关于显热除霜的控制方面，东南大学梁彩华老师给出了一个控制策略[1]。采取的是单输入单输出控制方案。控制结构框图如图3所示。

图3中：ST为机组状态，Ps为显热除霜过程中蒸发器控制目标设定的压力差值，Tch为蒸发器出口翅片温度，Po为蒸发器出口压力，Pe为蒸发器翅片温度所对应的制冷剂饱和压力与蒸发器实际压力的差值，n’为控制系统输出脉冲数，N’为电子膨胀阀的实际开度。具体的控制方案为:控制系统首先判断系统运行状态ST，即是否启动或停止显热除霜运行；确定系统设定的控制压力差值Ps；同时采样蒸发器出口的压力Po和翅片温度Tch，并计算出蒸发器翅片温度所对应的制冷剂饱和压力与蒸发器实际压力的差值Pe。根据制冷系统运行状态推理出控制系统采用相应的控制策略，同时根据Pe与Ps的偏差计算决策出电子膨胀阀的开度变化值n’传送给驱动模块，驱动模块驱动电子膨胀阀将阀门打开到相应的开度N’。

2.5 高校研究情况

国内研究情况总体来说起步还是较早的，从05年就有人进行这方面的研究，06年就有部分研究成果，但是后续研究较少，并且应用也不是很好。研究的延续性较差，近几年很少有人进行这方面的研究，并且目前也没有见到上市的显热除霜功能的产品。

2)缺陷来源统计：是按系统软件使用时机进行统计，该统计分析主要反映软件缺陷的来源分布，发现一些分布规律，进一步挖掘软件测试深层次的问题。

（1）东南大学

东南大学是进入这个领域较早的教育科研机构，主要是梁彩华副教授和张小松教授等人带头研究显热除霜[1-4]，2005年就有发表关于显热除霜的论文，并且申请专利，专利名称为：空气源热泵冷热水机组的除霜装置，专利号：ZL200620072350.X。

梁彩华和张小松对显热除霜进行了理论分析[2]，并且做了实验，该实验的样机为风冷热水机组，系统原理图见图1。结果（图4、5）表明：显热除霜从理论和试验都证明了显热除霜方式在节能、除霜时间和舒适性上优越于逆向除霜方式。

（2）天津商业大学

天津商业大学、郭宪民、陶祥成等人在2009年提出了一种新的分组除霜方式[5]，该除霜方式和梁彩华、张小松的显热除霜原理相近，只不过是在双排换热器中间加入一个节流机构，第一排为热气旁通除霜，第二排为显热除霜，这样也就保证了除霜的时候制冷剂经过第二排进入压缩机之前不会冷凝成液体，从而保证压缩机不会吸液。其原理图如图6。

郭宪民等人对这个技术进行了理论分析和实验测试[5]，并得出以下结论：

（1）新型分组节流除霜方式的除霜时间，除霜耗功略小于逆循环除霜方式，而且除霜过程中不从空调空间吸收热量，恢复制热运行时供热恢复速度快，因此对一空调房间温度波动的影响较小。

（2）在除霜过程中，新型分组节流除霜方式的四通阀换向次数与逆循环除霜方式相同，但其系统压力的波动幅度远远小于逆循环除霜方式，因此对系统的机械冲击要小得多。

但是其缺点在专利上面并没有提出来，并且从2009年提出以来，市场上面并没有出现此类除霜方式的空调机组出来。

3 应用于普通空调上面的技术难点

综合考虑，显热除霜技术应用到空调上面的技术难点是：

（1）结构、控制逻辑较为复杂，优点主要体现在热水机组上面，在普通的家用空调上面优点体现不是特别突出。

（2）除霜过程室内中旁通管内压力大于等于正常制热时室内换热器中的压力，室外侧换热器中的压力小于等于正常制热时室外侧换热器内的压力，这样对系统的牢固性有了更高的要求。

4 结论

（1）显热除霜是针对四通阀换向除霜方式的缺陷而提出的一种新型的除霜方法。显热除霜在保证正常除霜效果的同时，可以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。除霜过程中对室内环境影响较小，特别是对于热水机组，优点表现更为突出。

（2）目前显热除霜大部分处在理论研究水平，2005年出现有关显热除霜的论文和专利，但是最近两年没有相关的跟踪研究论文出现。

（3）就目前的除霜方式来看，大部分还是用的四通阀换向除霜方式，没有见到有显热除霜方式的空调出现，只是一些高校和研究机构在进行这方面的研究。

（4）在成本方面，采用显热除霜在结构上面就是加一个旁通管，成本稍有增加但增加不大。

（5）该项技术的难点和其他除霜方式的难点相似，主要为霜层物性参数的测量与除霜控制方面。结合环境的不同，单纯的采用每隔一个时间段进行除霜的方式不能够很好的满足节能和舒适的要求。而根据霜层的厚度和生长规律来进行除霜控制则需要在硬件和软件部分增加成本。

图4 两种除霜方式下送水温度变化对比

图5 两种除霜方式回水温度变化对比

图6 分组除霜方式系统原理图

[1] 梁彩华,张小松,徐国英. 显热除霜方式的过程控制与试验. 哈尔滨工业大学学报. 2008.40（12）.

[2] 梁彩华,张小松. 显热除霜方式的理论分析与试验研究. 工程热物理学报. 2006.27（4）.

[3] 梁彩华,张小松,徐国英. 显热除霜方式的能量分析与试验研究. 东南大学学报. 2006.36（1）.

[4] 梁彩华, 张小松. 显热除霜方式与逆向除霜方式的对比试验研究.制冷学报. 2005.26（1）.

[5] 付文成,郭宪民,陶祥成. 一种新型空气源热泵除霜方式的实验研究. 制冷学报. 2009.30（3）.

[6] 郭宪民.空气源热泵结霜问题的研究现状及进展（Ⅰ）.制冷与空调. 2009.9（2）.

[7] 郭宪民.空气源热泵结霜问题的研究现状及进展（Ⅱ）.制冷与空调. 2009. 9（3）.