空气源热泵结霜及除霜问题探讨

桂 超

(新乡学院土木工程与建筑学院，河南 新乡 453003)

0 引言

近些年来，我国北方雾霾天气严重，冬季采暖期更是雾霾天气频繁的时期，化石燃料的燃烧是导致雾霾的主要原因。空气源热泵污染物排放较少且能耗较低，符合我国节能减排的发展方向，对改善空气质量缓解雾霾天气有重要的意义。

空气源热泵在冬季工况下运行时，室外蒸发器外表面温度低于0 ℃，且低于空气的露点温度时，室外换热器表面会结霜。霜层减弱了空气与制冷剂之间的流动传热，随着换热的不断进行且传热能力的不断恶化，蒸发温度持续降低，严重影响着系统的制热量及能效比。尤其是在长江中下游等冬季高湿地区，外换热器结霜问题尤为明显，因此缓解结霜以及快速融霜对空气源热泵的推广应用有重要的意义。

1 空气源热泵抑制结霜问题研究

空气源热泵结霜的主要问题在于空气的露点温度高于蒸发器表面的温度，降低露点温度可在一定程度上抑制结霜，露点温度随着空气含湿量的降低亦有所下降，因此可通过对蒸发器进风空气除湿的方法来缓解蒸发器结霜问题。

冷却除湿的方法直接有效，利用除湿机的原理在空气进入蒸发器前进行冷却除湿再升温，其最大缺点是表冷器的表面温度只能在0 ℃以上，否则表冷器会因结霜而降低除湿效果。另外还可采用溶液除湿方法，利用喷淋的盐溶液作为吸收剂吸收空气中的水蒸气，吸收水分后进入再生器与加热后的再生空气接触，盐溶液的水分因受热蒸发析出一部分而恢复为原来的浓溶液，可继续进行除湿工作。李永存等提出了一种无霜型空气源热泵系统，带有溶液吸热系统和溶液再生系统，冬季工况下COP高于传统空气源热泵，且能保证长时间无霜连续运行，系统COP随空气湿度增大还略有增加，弥补了传统空气源热泵在冬季高湿地区可靠性差的问题[1,2]。郝鹏飞等研究一种无霜型空气源热泵热水器系统，该系统增加了除湿装置和蓄热装置，系统COP高于传统空气源热泵，但低温环境下除湿干燥剂的再生效率降低，有待进一步研究[3]。

另外有专家研究对换热器表面进行涂层处理来改善换热器除霜的问题。孙玉清等采用喷镀高疏水性镀层材料的换热器应用于低温工况，并与普通换热器比较，喷镀后未发生冻堵的时间大大延长，且传热效率提高约5%[4]。刘清江等在自然对流条件下对疏水表面和普通金属表面结霜进行对比研究，证明疏水表面霜层疏松，有利于延缓初始结霜时间[5]。王洪燕等将研制的强吸水性材料用在换热器表面，并进行结霜研究。研究结果显示，涂层材料具有明显的抑制结霜的效果，在延长初始结霜的时间，霜层厚度也大大减少，且霜层疏松，极易在外力作用下除去[6]。

还可以通过施加外力场的方法抑制结霜，水分子具有很强的极性，结霜是一个传热传质过程，适度的电场磁场力或超声波会影响结霜速度，且同时影响霜晶的强度。Tudor等通过实验研究直流电场对霜层的生长的影响，在电场作用下，会形成细长的针状霜晶，而突然撤去电场时，霜晶会脱落[7]。勾昱君等在磁场条件下对结霜进行实验研究，无磁性冷表面首先发生液滴冻结，在结霜初期，具有磁性表面的霜层厚度较小，表面磁场对结霜具有一定的抑制效果[8]。李栋等在自然对流条件下施加频率为20 kHz的超声波，观察平板表面结霜现象，并与未施加超声波的冷表面进行比较，发现在超声波的作用下，霜层厚度仅为无超声波作用的28%，超声波在一定频率下能够抑制结霜[9]。

还可通过其他方法缓解空气源热泵结霜。王洋等通过增大蒸发器的面积来缓解结霜，并在我国西北、东北、华北、华东、华中等地区进行测试。研究发现，蒸发器面积增大一倍后系统蒸发温度平均升高2.5 ℃，结霜时间占总运行时间比例减少了5.21%～82.96%，在东北、西北等低湿低温地区表现不太明显，而在华东、华中等气温相对较高且湿度较大地区变化明显。在一些场合下，可在冬季工况下通过改变蒸发器的面积来缓解结霜问题带来的影响，从而提高系统的性能[10]。

2 空气源热泵除霜问题研究

对于空气源热泵来说，结霜在一定程度上是不可避免的，为了保证机组的正常运行，高效稳定的除霜系统是必要的。常见的除霜方法有逆循环除霜法、热气旁通除霜法以及蓄能除霜法。目前最广泛采用的除霜方式是逆循环除霜，室外换热器作冷凝器使用，利用压缩机为除霜提供热量。逆循环除霜暂停制热工作，降低了房间的舒适性，而且据统计，除霜占据的功耗占空调制热总能耗的10.2%左右。因此高效可靠的除霜方式不仅提高了舒适性，而且利于节能。热气旁通除霜法是利用压缩机排出的高温制冷剂，由旁通回路引入室外换热器进行除霜。蓄能除霜法是空气源热泵工作时，在为高温侧提供热量的基础上同时为蓄热装置储存热量，利用蓄热装置为除霜提供热量，在一定程度上提高了热泵的可靠性，同时减少了除霜能耗，而且带蓄热的空气源热泵还能解决空气源热泵低温运行的问题，提高系统在低温环境下的运行效率。

马素霞等对相变蓄热蒸发型空气源热泵进行试验研究，在-25 ℃和-30 ℃的低温下运行，COP分别达到了2.00和1.94，压缩机排气温度也显著降低[11]。张杰等对逆循环除霜、热气旁通除霜及蓄能除霜三种除霜方式进行比较，研究结果显示，蓄能除霜的排气压力较高且室内温度变化最小，其除霜速度最快且能更快使室内恢复正常供热。逆循环除霜法的排气压力相对最低且室内温度变化最大，但除霜时间少于热气旁通法[12]。

刘雄等提出了一种新型的除霜模式用于空气源热泵热水器，该装置拥有两个四通阀、两个室外换热器、两个节流设备，其中一台换热器需要除霜时，另一台换热器正常工作，吸收的热量一部分用于生产热水，另一部分用于换热器除霜。由于正常工作下的换热器需要兼顾热水加热和另一台换热器的除霜，这样会加快其本身的结霜速度，且工作效率会比正常情况下更低。因此改进后的系统拥有两台压缩机，兼顾热水加热和除霜功能，可靠性大大提高[13]。

孙福涛等提出了一种双级压缩空气源热泵系统，除霜模式下利用低级压缩循环进行除霜，同时高级压缩侧依然进行制热，在-30 ℃的蒸发温度下除霜时，系统的COP比传统的逆向除霜技术高28%，除霜的可靠性也有所增加。双级压缩还可解决传统空气源热泵低温环境下制热量不足或无法制热的问题，系统的节能性和可靠性大幅提高[14]。

3 结语

目前大多数空气器采用逆循环除霜法，其方法简单可靠，但舒适性及节能性较差。热气旁通法除霜对房间舒适性影响较小，但除霜时间较长。涂层材料在一定程度上可以达到抑制结霜的效果，但在恶劣工况下效果并不理想，而且材料的使用寿命及可靠性有待进一步研究。蓄能法除霜在一定程度上取得了不错的效果，且蓄能装置也保证了低温环境下制热量，但蓄热量影响着除霜效果，且初投资有所增加。双换热器系统及双级压缩系统可很大程度提高除霜效果，但设备成本投入较大，限制了其大范围推广应用。因此更加简单、可靠、高效的除霜方法还有待进一步研究。