空气源热泵热水系统结霜和除霜研究现状与进展

郭俊杰,吴静怡

1宁波方太厨具有限公司 2上海交通大学

1 前言

空气源热泵热水系统是以空气作为低温热源进行供热的热水装置。相对于其他类型的热泵而言，我国对空气源热泵的研究起步较早，研究的内容也相对较多。由于空气源热泵热水系统以环境空气作为低品位热源，而空气中的能量都是来自太阳源源不断的辐射，取之不尽，用之不竭，因此，空气源热泵热水系统属于一种对可再生能源进行转换的装置，具有节能和环保的双重特征。在能源和环保压力日益增大的今天，空气源热泵热水系统在热水领域正在获得越来越多的关注。

对于空气源热泵热水系统，在制取热水运行时空气侧换热器结霜和除霜是影响机组冬季运行的一个重要问题。尽管少量的结霜会使空气侧换热器表面变得粗糙，在短时间内可以改善热泵热水系统的性能，但这种情况对系统性能的改善是短暂和有限的，当翅片管表面的霜层达到一定厚度时，不仅使霜层增加了从大气向风侧换热器的传热热阻，同时由于霜层的增厚，使风侧阻力增加，空气流量减少，空气侧换热量下降,导致系统的供热量明显降低。文献[1]对一台空气源热泵的实验表明，当室外换热器空气流量由无霜时的74 m3/min降到20m3/min(即下降75%)时，空气侧换热量下降20%。当霜层增长到一定厚度时，风机电流也迅速上升[2]，风机性能衰减，导致机组保护。为此，当空气侧换热器霜层发展到一定程度时必须除霜,。如不及时除霜，有可能使空气侧换热器的空气通道完全堵塞，导致系统完全停止供热。此外，如果除霜时机不恰当，化霜时间过短，也会导致未融化的霜和水珠进一步冻结成更加难以融化的冰块，使得空气侧换热器与空气的换热急剧恶化，影响系统的正常工作。

2 结霜和除霜工况研究

为了改善冬季低温天气下空气源热泵热水系统的运行状况，寻求更佳的除霜效果，目前国内外对结霜和除霜问题展开了广泛的研究，主要集中在以下三个方面：霜层形成机理方面的研究，换热器结霜特性的模拟和除霜控制方法的研究。

2.1 霜层形成机理方面的研究

吴晓敏和王维城[3]从形核的概念出发，分析了水蒸气在冷面上的结霜并非单纯凝华的原因，对结霜前的微细观结露现象给予了理论解释：水蒸气在零度以下冷面上凝结生成液核的活化率远远大于凝华生成霜核的活化率，所以冷面上最先出现的是水珠。另外,通过进一步的分析揭示了疏水面抑制结霜的原因，即增大接触角可以提高成核势垒,使新相变得难以形成，从而降低新相的活化率。吴晓敏等[4]为研究冷表面上结霜的微细观过程以及表面湿润性对该过程的影响，对空气中水蒸气在铜裸面及疏水性涂层上的结霜过程进行了微细观可视化的研究。实验中冷面温度为-10℃，发现结霜过程并非单纯的凝华过程，而是经历了水珠生成、长大、冻结、初始霜晶生成以及霜晶成长（包括部分霜晶的倒伏)过程。与铜裸面相比，疏面上水珠分布较为稀疏，粒径较大，冻结较晚，初始霜晶出现较迟，霜晶高度较低，所有这些都说明疏水性表面可以延缓霜的形成及成长。孙玉清等[5]对于结霜这一非定常、有相变、移动边界的复杂传热传质问题，引进成核理论、晶体动力学理论和气象学的相关理论，建立了较为精确的物理和数学模型，进行了抑制结霜方面的研究。S.W.Wang et al.[6,7]针对影响结霜的关键参数换热面表面温度和湿度提出了利用吸附放热来减缓结霜速度的方法,并建立了换热表面吸附与解析的数学模型,模拟了结霜和化霜的过程,获得了满意的精度。在对结霜机理进行深入研究的基础上也可以从换热器使用材料、表面结构的角度研究对成霜的影响。例如,对换热器表面喷镀高疏水性镀层，降低其与水蒸气之间的表面能，增加接触角，对抑制结霜是有效的。此外，为抑制结霜，可对流入换热器的湿空气进行净化处理，有条件时可以增大风速，使气相中形成的冰晶或过冷水滴尽快地通过换热器壁面。

2.2 换热器结霜特性的模拟

F.R.Ameen[8]从理论和实验方面研究了结霜对换热器传热特性及热泵性能的影响,但该模型只是模拟了一个特定换热器在结霜条件下的特性。S.N.Kondepudi等[9]将结霜模型和传热特性相结合进行了讨论，建立了较为详细的翅片管换热器结霜模型，利用该模型分析了相对湿度、翅片密度、迎面风速等对霜生长、能量传递系数以及空气侧压降的影响。另外，对平翅片盘管进行了实验研究，并将实验数据与模拟结果进行了比较。比较显示模拟结果比实验数据低15%～20%，主要原因是模型中没有考虑湿工况下空气侧的热传递系数的增加使得整个传热量增加以及结霜增加了换热器表面的粗糙度使得空气侧的传热量增加。T.Senshu和H.Yasuda等[10]对结霜状况下热泵的循环特性进行了模拟，该模型由压缩机模型、霜形成模拟模型和风机特性模拟模型组成。通过对某一热泵的实验研究，证明了模拟结果的可靠性,但该研究忽略了霜层对空气侧换热系数的影响，认为结霜只是增加了霜的厚度，没有考虑结霜引起的霜层密度的变化。K.A.R.Ismail等[11]建立了在平的冷却盘管上结霜的数学模型，并进行了模拟分析，得到了霜的密度、厚度随时间的变化，并与实验数据进行了比较。

在热泵热水系统结霜研究方面，上海交通大学制冷与低温工程研究所做出了卓有成效的工作，旷玉辉[12]建立了空气侧换热器结霜的数学模型，研究结果表明，空气侧换热器表面结霜特性主要受换热表面温度、环境温度、大气相对湿度以及室外风速的影响。换热器表面温度和环境温度越低、相对湿度和室外风速越大，则换热器的结霜现象越明显，表面结霜速度越快，霜层厚度越大，对系统性能的影响也就越大。姚杨、马最良等[13]采用计算机模拟的方法建立了空气源热泵冷热水系统室外换热器结霜工况下的数学模型，将结霜模型与换热器传热特性模型有机地结合起来，并考虑了室外换热器中制冷剂两相流的影响。吴清前、龙惟定等[14]建立了空气源热泵冬季运行状态下基于气液分相的集中参数模型，在模型中不仅对蒸发器干工况和结露工况作了数学描述，同时还分析了结霜过程中霜层密度和厚度变化对机组性能的影响。基于这一模型，选择某种热泵进行了计算，得到了这类机组在不同温湿度和进出水温度下机组的能效比和结霜性能。这些模型从理论的角度探讨了结霜的特性对系统运行的影响。

2.3 除霜控制方法的研究

空气源热泵热水系统在冬季供热运行中存在着空气侧换热器结霜，导致换热恶化的问题。因此，在冬季适于结霜的条件下，热泵机组需要周期性地除霜。目前常用的除霜控制方法有：定时除霜法、时间－温度(压力)法、空气压差控制法、霜层传感器控制法、声音振荡器控制法、最大平均供热量法、最佳除霜时间控制法等。

陈汝东等[15]在研究常用除霜方法的基础上，提出了一种判定除霜起始时刻的方法，引入平均供暖能力的概念，指出平均供暖能力存在一个最大值，在平均供暖能力最大值时刻进行除霜，得到的单位时间供热量一定会比其他时刻大。但实际中还应考虑除霜消耗的能量以及结霜与除霜周期工作的稳定性等因素。该方法在理论上有一定的意义，但实际实现较为困难。

陈云水[16]在研究了一般除霜控制的基础上，提出了智能除霜控制系统，利用机组的计算机控制判断盘管上是否结霜或结霜多少。这种控制系统的优点在于可根据实际需要进行除霜，且不受人为因素的干扰，压缩机损耗较小，因此，系统设备的寿命较长。

黄虎等[17]在分析各种除霜控制方法的基础上，提出了自组织模糊控制法。根据热泵系统运行参数对结霜的影响，结合热泵系统的工作环境条件采用模糊控制算法，给出除霜循环的触发信号，通过对除霜过程中热泵系统状态的监测，对上一次的控制量进行修正，这样可使除霜控制自动适应环境参数的变化，提高除霜控制水平。

3 结论

(1)空气源热泵热水系统属于一种对可再生能源进行转换的装置，具有节能和环保的双重特征。为了进一步提高空气源热泵热水系统的运行效率，改善冬季低温天气下系统的运行状况，进行结霜和除霜的相关研究，是实现系统优化配置的一个重要环节。

(2)空气源热泵热水系统的结霜和除霜研究主要集中在以下三个方面：霜层形成机理的研究，换热器结霜特性的模拟和除霜控制方法的研究。

(3)在深入了解空气源热泵热水系统结霜机理的基础上，开发新型换热材料，对空气侧换热器表面进行处理，是获得优良换热性能的基本条件，在此基础上，借助先进的控制理论和算法，提出合理的除霜方案，是保证系统安全和高效运行的重要途径。

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