空气源热泵降湿防结霜方法分析

陆心怡 徐佳琦

摘要：对空气源热泵结霜现象及其危害进行了分析，分析了目前空气源热泵除霜方法存在的问题，并提出通过降低空气含湿量除霜的思路，从根本上解决空气源热泵冬季供热时的结霜问题，提高空气源热泵冬季运行的稳定性和可靠性。

关键词：空气源热泵；结霜；降湿除霜

热泵是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置，也是全世界倍受关注的能源节约技术。空气源热泵利用空气中的热量作为低温热源，空气取之不尽用之不竭，因此空气源热泵运行成本较低。利用少量的电能，将空气中大量的低温热能，通过压缩机的压缩成为高温热能，无需复杂的配置，不需复杂的冷却水系统，节能效果突出。空气源热泵的运行过程无任何燃烧物外排，没有因为使用锅炉带来的污染，解决了利用能源与环境保护之间的矛盾，顺应了现代社会节能减排、科学用能的要求。同时，空气源热泵还因为适用范围广、性能稳定，不受天气影响、占地空间小、维护费用低等优点而得到了广泛的应用。

对空气源热泵来说，目前技术最薄弱的环节就是冬季运行时的除霜问题。蒸发器结霜导致空气源热泵运行性能恶化，换热能力下降。而除霜过程则增加了空气源热泵机组运行的不稳定性，导致室内的舒适性降低。

1 空气源热泵结霜现象及其机理

当空气中的水蒸气接触到温度低于空气露点温度的管及翅片表面时，外界空气换热器就会发生相变结霜现象。结霜现象并不只有温度这一个影响因素，温度越低，空气中的含湿量越低，结霜现象不一定越严重。数据显示，当空气温度低于5 ℃时，即使相对湿度很高，空气中的含湿量也不过2～3g/kg，这样的含湿量不会导致严重的结霜现象。[1]

成霜初期，独立分散的霜晶类似于肋片，增加了传热表面的粗糙度及表面积，可以起到强化传热的作用。但随着时间的推移，换热器表面逐渐被霜晶覆盖，形成连续的霜层，并且霜层逐渐增厚。霜层作为多孔介质，其导热系数小，造成导热热阻增大且成为影响传热系数的主要因素。导致总传热系数降低，系统的传热性能下降，增加能耗。此外，霜层增大了空气流过翅片表面的阻力，降低了空气流量，严重时甚至会造成系统堵塞，引发非常严重的后果。根据国外科学家的研究，结霜引起了板翅式换热器上50%～75%传热的降低和压力的增加。[2]由于这些原因，当外界空气换热器结霜且霜层增厚时，热泵系统的蒸发温度下降，能效比降低，换热器换热能力下降，运行性能恶化。制热量、风量、COP及压缩机耗功也均下降，大大影响了空气源热泵机组的可靠性和稳定性。[3]因此，找到合适的方法除霜十分重要。

2 目前空气源热泵除霜的常用方法及存在的问题

2.1 逆循环除霜

即为市面上最常用的四通阀换向逆向除霜，在需要化霜的时候，热泵的制热工况将转变为制冷工况，改变运行工况方式后，室外换热器温度升高，融化所结的霜层。逆循环除霜系统除霜的时候排气压力较小，经过四通阀换向后，易对系统造成冲击，引发“油奔”的问题。除霜过程中，室内机的风机通常关闭，会导致室内温度降低，除霜时间延长，大大影响室内的舒适度。化霜过程不仅不能制热水，同时还需要消耗原有的热水的能耗，除霜过程降低了室内盘管的温度，从而室内再次供热的时间推迟，造成舒适感较差。

2.2 热气旁通法除霜

热气旁通法除霜通过控制电磁阀的开关来控制制冷剂流路的导通和断开，从而实现除霜和制热模式的切换。由于热气旁通系统除霜时所需功耗全来自压缩机的输入功率，导致其除霜时间较长。与逆循环除霜方式相比，热气旁通法在除霜性能上有所改进，对室内舒适度的影响不大，不会有四通阀换向造成的噪声问题。但其除霜时间较长，除霜过程耗费的能量较多，在节能方面略有欠缺，不符合当今社会节能减排的发展要求。

3 空气源热泵降湿除霜方法分析

通过研究发现，结霜是在一定的温度湿度条件下出现的，因此降低室外换热器处的空气含湿量，破坏结霜的条件，直接避免霜层的形成，可从根本上解决热泵因结霜而导致的运行可靠性和稳定性差的问题。

现分析几种常用的空气除湿方法。

3.1 压缩除湿方式

对空气进行压缩再冷却，可将空气中的水分凝结成液态水。将凝结出的水排出并对其进行加热，即可获得较低含湿量的空气。但压缩除湿方法存在一个较大的问題就是压缩时动力消耗过大，且无法达成大规模除湿。这些缺点限制了压缩除湿方法的使用范围，也因为不符合目前社会对技术发展节能环保的要求，发展前景不是很好。

3.2 冷却除湿方法

根据空气中的水分含量随着空气温度的降低而减小的原理，将室外空气通过表冷器，空气经过表冷盘管冷却降温。随着空气温度的降低，空气中的水蒸汽逐渐达到饱和状态。当空气被冷却至露点温度以下时，空气中的水蒸汽凝结成水并析出，将凝结水排出即可降低空气中的绝对含水量，实现除湿的过程。

冷却除湿最大的缺点就是它的适用范围较小，只能用于露点温度0℃ 以上。当冷却盘管的表面温度降低到0℃ 以下时，水蒸汽凝结成的水会冻结在表冷盘管表面，固态水会降低表冷盘管的冷却效率，也会使除湿效果变差，无法获得需要的空气湿度。

3.3 溶液除湿

溶液除湿技术利用了溴化锂溶液等盐溶液吸湿量大的特性，使用盐溶液作为吸收剂吸收空气中的水蒸气，从而达到空气除湿的目的。溶液除湿系统的主要部件为除湿机、再生器以及循环泵，除湿机内进行吸收剂的喷淋并通入空气，空气中的水分被吸收而达到除湿效果。吸收了水分的盐溶液被循环泵打入再生器，由加热盘管加热的再生空气与之接触，盐溶液中的水分因受热而蒸发析出，并随同再生空气一同排出。再生器内的盐溶液浓度因此提高恢复为浓溶液，经由循环泵进入除湿机继续工作。[4]

溶液除湿技术虽然可连续除湿，获得稳定的除湿空气。但除湿机内喷淋的盐溶液为雾状，与空气接触时需要处理好溶液飞溅的问题，减少溶液被空气带出的可能。且盐溶液作为循环利用的工质，需要定期补充更换，由此带来维护费用较高的问题，运行时比较麻烦。

4 结语

（1）对空气源热泵来说，目前技术最薄弱的环节就是冬季运行时的除霜问题。霜层会堵塞肋片间通道，增加空气流动阻力，同时增加换热器热阻，使换热能力下降；霜层还使蒸发温度下降，能效比降低，致使热泵运行性能恶化，直到不能正常工作。

（2）目前逆循环除霜、热气旁通除霜等方法不仅会影响制冷设备的正常运行，还会消耗大量的能量，降低系统运行效率，而且除霜效果也并不十分理想。

（3）利用可以降低流过空气源热泵蒸发器换热器表面空气湿度的除湿装置，使换热器表面空气的湿度降低至结霜湿度以下，以防止在空气源热泵系统中，由于空气湿度过大，在换热器表面结霜影响热泵性能。虽然目前市面上空气除湿的方法都存在或大或小的问题，但随着这些方法的进一步研究与完善，必将解决空气源热泵供热结霜问题，并促进空气源热泵更加广泛的应用。

参考文献：

[1]高瑞琦.空氣源热泵降湿除霜分析[J].机电信息，2014，25（3）：7273.

[2]Emery A F， Siegel B L. Experimental measurements of theeffects of frost formation on heat exchanger performance[C]. Proceedings of AIAA/ASME Thermonphysics and Heat Transfer Conference，1990，139：17.

[3]郭宪民.空气源热泵结霜问题的研究现状及进展（Ⅱ）[J].制冷与空调，2009，3（9）：814.

[4]唐亮，祖述程.空气的除湿处理技术[J].中国新技术新产品，2010，7.

作者简介：陆心怡（1996），女，江苏南通人，研究方向：制冷与空调工程；徐佳琦（1996），女，云南昆明人，研究方向：新能源科学与工程。