贵阳地区空气源热泵结霜规律及抑霜策略研究

杨雅鑫,毛瑞勇,赵 麒,胡 澄,田茂军

(1.贵州大学 土木工程学院,贵州 贵阳 550025; 2.长春工程学院 能源动力工程学院,吉林 长春 130012)

0 引言

贵阳冬季采暖使用空气源热泵的覆盖率占总采暖形式的45%，而该地区冬季湿度普遍偏高，致使空气源热泵运行极易结霜，频繁化霜对室内舒适度、机组能效及使用寿命均产生不利影响，由此引发众多学者对空气源热泵结霜及除霜问题的研究探讨。

关于空气源热泵结霜问题，前人通过实验测试、建立结霜模型及理论分析等方面已有许多突破。刘业凤[1]指出霜层密度与霜层导热系数是研究霜层形成的主要参数，但其影响因素较为复杂，故该研究方向较少。董文刚[2]通过引入热电阻、热动势建立新的能量流模型，用以对蒸发冷却系统分析及优化设计。姚杨[3]考虑了制冷剂两相流对模型的影响，分别对空气源热泵室外蒸发器和室外空气侧建立分布参数模型并求解，得出压缩机的轴功率和空气侧换热量随着相对湿度的增加而减少；期间又根据理想气体状态方程和Clapeyron- Clausius方程推导出用于计算霜密度变化的结霜量变化率，为后来模型的建立提供依据。霜层密度与霜层厚度均是时间函数,在结霜量计算中认为霜层密度不变，会导致机组因霜量计算不准确而判断误除霜。龚光彩[4]建立霜层、蒸发器内部制冷剂侧及外部空气侧模型，利用Cyclepad软件进行空气源热泵结霜过程仿真模拟；利用柏金汉定理，推导出5个无量纲准则，得出结霜量计算公式。但是建模是定量分析，其中的各项系数因地而异，不能统一而定。近些年，通过相关的热力学软件，建立新的结霜模型，并辅以理论分析的科研成就增多。Huee-Youl Ye[5]考虑霜量增加引起翅片堵塞导致的换热量下降的影响因素，提出新的结霜模型，证实有霜工况下，压力损失系数与阻塞率呈相关关系。随后提出应及时排出冷凝水或者增大风扇功率用以提高空气侧换热效率。Yoon Chung[6]通过改进的ε-NTU法建立了不同结霜工况下的霜层生长速率模型，并给出相应的性能变化情况。国外学者大多针对纯理论分析的研究，并没有实验佐以验证模型，故模型在实际结霜过程的可靠性有待考究。

近几年关于空气源热泵除霜的探讨层出不穷。Jin Woo Yoo[7]通过实验及图像处理提出了一种霜量计算方法，从而确定最佳除霜时间，但该法对观测设备要求较高，工程中难以应用。宋孟杰[8]量化金属储能对除霜性能的影响，通过增大室外线圈，发现金属储能效能由正变负，使得除霜效率提升，虽然该种除霜方法易行，但提升除霜效能并不显著，可以用作辅助除霜的手段。董建锴[9]提出一种由癸酸-月桂酸新型相变蓄能介质，加入相变蓄能装置的逆循环除霜方法与传统逆循环除霜方法相比，除霜时间缩短60%，蓄能介质除霜研究的较为成熟，新型蓄能介质开发应从减小蓄能装置体积考虑。

由于贵州特殊的地理气候环境造成的结霜规律与以往的成果存在差异，且目前针对空气源热泵结霜工况的实测研究较少，因此有必要对以贵州为代表的双高地区(高含湿量，高相对湿度)开展空气源热泵在冬季实际工况下结霜对机组性能影响研究，并提出相应的抑霜方法以解决频繁除霜带给室内人员的不舒适感问题。

1 试验简介

1.1 试验概况

目前贵阳地区空气源热泵使用场合多为公共建筑，使用时段多为早9:00-晚7:00。本实验对一台制热量为3 400 W的空调机组进行为期一个冬季时段的结霜测试。

1.2 测试对象

测试对象为贵阳某高校某学院一间办公室，设有空气源热泵一台，利用传统的空气源热泵供热系统供热。空气源热泵室内外侧换热器的结构参数如表1所示，热泵性能如表2所示。

表1 换热器结构参数表

换热器换热面积/m2管排数/排管间距/mm管径/mm分液路数/路长度/mm管径/mm翅片间距/mm冷凝器3.9922171251571.5蒸发器4.7712171270071.3

表2 测试热泵性能参数表

空气源热泵性能参数额定电流/A5.08(0.92-5.77)额定功率/W1 100(200-1 250)制热量/W3 400(700-3 600)排/吸气侧最高工作压力/MPa4.2/1.5制冷剂/gR410A/830理论SEER值4.5

2 试验过程

2.1 试验方法

测点分布如图1所示，在不同温度湿度工况开启机组，观察结霜状况，记录工况参数，得出空气源热泵在高湿地区实际运行的结霜规律。主要测试压缩机进出口温度、压力，毛细管前后压力，冷凝器进出温湿度，蒸发器进出口温湿度，蒸发器管路数壁面温度，蒸发器之前流量，室外机室内机进出口风速。通过所测数据计算空调机组的制热量，性能系数COP及压缩机压缩比等机组性能评价参数。

图1 测点分布图1-压缩机；2-气液分离器；3-储液器；4-蒸发器；5-毛细管；6-干燥过滤器；7-冷凝器；8-四通换向阀

2.2 结霜堵塞过程试验

综合整个季度结霜工况时间段分析，贵阳冬季温度集中在4～6℃，湿度范围在75%～85%之间。故以t环境≈4～6℃，RH≈75%～85%为基础工况。通过测试不同结霜程度时室外机进风口风速，与未结霜时进风口风速作比，以风速为原初始风速的10%～90%作为堵塞程度标准，即风速的10%对应堵塞程度90%，以此类推。整个实验周期是先开机，记录不同时刻的机组性能参数，直至堵塞至100%，关机化霜。

2.3 结霜量试验

通过测量结霜量，分析霜量与空气中含湿量的关系。霜量测量分为两部分：一是对化霜水的收集；二是计算粘附在翅片表面的化霜水液膜。

2.4 抑霜实验

利用伴热带固定在制冷剂主要分液管道上，用以提升蒸发器壁面温度，进而延长结霜初期时间抑制结霜。

3 结果分析与讨论

本研究通过做以下四组实验，分别得出相同湿度不同温度工况下机组的性能参数变化情况；相同温度不同湿度工况下机组结霜量与室外环境含湿量变化情况；抑霜与正常运行结霜工况性能对比；结霜堵塞过程各管道壁温的变化情况对分阶段结霜的影响及堵塞各个阶段性能参数变化情况。

3.1 结霜影响因素研究试验

3.1.1 相同湿度不同温度工况机组性能研究试验

由于实测实验很难控制外界环境温度，假设在一段温差内进行实验，认为温度在该段时间内不变，含湿量取该时间段内平均值。试验工况如表3所示，对各个工况进行空气源热泵结霜实验，得出结霜对机组性能影响如图2～图7所示：

由图2～图5可知，结霜工况为非正常工况，机组性能变化曲线波动较大，系统较不稳定，但结合结霜工况可以得出：

表3 不同室外温度结霜工况表

工况温度范围/℃相对湿度RH/[%]含湿量d/g/kg-1·干A-1～270～803.505B2～470～804.31C4～670～805.201D6～870～805.31

图2 A工况机组性能曲线图

图3 B工况机组性能曲线图

图4 C工况机组性能曲线图

图5 D工况机组性能曲线图

(1)不论何种温度范围，制热量QK总是在机组开机后先激增，待系统运行稳定后继而衰减，此衰减程度持续至室外侧蒸发器开始结霜，结霜初期，霜层表面不均匀密实，增加了翅片与外界换热的表面积，故结霜初期机组制热量增加。而后随着霜层加厚，导热热阻加大；霜量的增加，使得翅片通道堵塞，阻碍翅片与外界空气换热，故换热量缓慢降低。

(2)压缩机功率变化趋势相较于制热量而言较为稳定，起势平缓，但总体趋势仍由开机的逐渐升高，随着霜量的增加而缓慢下降。

(3)性能系数COP变化趋势与制热量有类似变化趋势，其中图5在机组运行后期出现COP性能升高现象可能是由于机组在起始至运行97 min并没有结霜，此后开始结霜，结霜初期有助于换热，故COP性能增加，而运行至104 min后，霜量影响机组的运行效能，故COP下降。除C工况外，结霜初期COP值均有所升高，C工况可能原因是制热量QK在当次实验换热很少，机组运行功率偏低，故而COP值偏低且无起伏变化。

图6 不同结霜工况制热量随时间变化曲线图

图7 不同结霜工况COP随时间变化曲线图

为得出贵阳地区最适宜结霜温度范围，对各结霜温度进行单性能参数对比，如图6～图7所示，压缩机在6～8℃温度范围内，制热效果最好，性能系数最高，压缩比最小。实测实验中，6～8℃为不稳定结霜范围，有不结霜的可能性，这与当次实测实验所处风速有关。当室外温度高于8℃，不论湿度为何种范围，室外侧换热器绝不会结霜。

3.1.2 相同温度不同湿度工况结霜量与含湿量关系试验

为得到空气中含湿量对应结霜量的关系，测试了结霜温度范围下不同相对湿度对应的含湿量与结霜量，如图8所示。

图8 不同工况下含湿量与实测霜量的关系

实验结果显示-1～2℃温度最低，其空气中的含湿量较小，即适当的降温可以干燥空气，使得霜量减少；4～6℃含湿量最大，且结霜量最多；其次为2～4℃。由实测得知6～8℃为结霜温度不明朗区，尽管含湿量较大，但结霜之前先生成冷凝水，由于洗脱作用，霜还未粘附在翅片表面就被空气带走，故霜量并不大。

3.2 结霜堵塞程度影响实验

结合图9～图10可以得出，蒸发器表面温度上部第2排进口蒸发温度最高，中部第4排进口蒸发温度最低。由于风扇正吹蒸发器中间第四排，温度分布呈现两侧高中间低，故中部第四排先结霜；上部第二排与第四排周围空气温度略高于中部第四排，故后结霜。

图9 蒸发温度随堵塞程度变化曲线图

图10 结霜堵塞过程的热温度场

初始壁面温度与外界环境温度相差不大，说明结霜初期，室外机蒸发器侧制冷效果良好，使得蒸发温度骤降。堵塞20%～70%，温度梯度较小，仍呈下降趋势，直至堵塞90%霜层基本将感温探头覆盖，温度骤降。翅片通道被霜阻塞，不能与外界进行换热，室内机制热效率急剧下降，停机除霜。

图11 中部4th管道蒸发温度随堵塞程度变化曲线图

图12 上部4th管道蒸发温度随堵塞程度变化曲线图

图11～图12分别给出最低、最高蒸发温度通道在各个温度工况下随着堵塞程度变化情况。未结霜至堵塞10%温度下降即为迅速，原因同上。中部第四排蒸发温度在堵塞20%～40%较为平缓，上部第四排蒸发温度在堵塞20%～60%相对平缓,故可考虑分阶段抑霜，先结霜管段先抑霜，后结霜管段后抑霜，使得机组性能提升。

通过堵塞实验，得出机组性能参数随堵塞程度变化如图13所示。实验结果显示机组运行开始至堵塞程度为10%时，制热量、压缩比略有升高，一方面结霜初期是先结露后结霜，从无露到结露，从结露到结霜的过程都是相变过程，相变过程强化传热；另一方面霜层初始形成以后，不均匀的霜层会增大翅片表面积，使得换热量增加。霜层表面温度、制热量在堵塞至40%之后有所上升，这是由于机组自我保护装置发出信号，自动变为高频，高频持续运行至堵塞程度为60%，性能系数COP与制热量骤降。随着机组运行时间延长，压缩机性能急剧下降，当堵塞程度为100%时，此时需进行除霜。压缩机功率随着霜量的增加而匀速下降。COP随着堵塞程度的增加，其变化趋势与制热量有所相似。

图13 机组运行性能随堵塞程度变化曲线图

3.2 抑霜与未抑霜运行结霜工况性能对比

针对分阶段抑霜方法，对表3工况进行抑霜实验，并与未抑霜工况进行性能对比，其结果如图14～图15所示。为精确控制室外环境温湿度，本实验在人工环境室完成。

经过抑霜的制热量约为未抑霜的制热量1.15倍。机组运行较为稳定，在运行至18 min附近后制热效果达到最佳，此时结霜初期换热效果明显增强，随后进入结霜中后期，其制热量下降坡度逐渐变缓，至结霜末期停机化霜。为防止霜量继续增加，进入结霜初期后开启伴热带，伴热带先后顺序根据翅片管道中部第2排→下部管道→上部第2排。经过抑霜的结霜初期时间较未抑霜的结霜初期时间长约22 min。在抑霜工况中，以温度工况为2～4℃制热量最高，运行时间最长,COP最高；该工况下，抑霜较不抑霜COP高出1.71。未抑霜的工况下，4～6℃换热效果最好，这与实测相差一个温度梯度，其原因是实测时，温度工况不稳定，波动的温度时高时低，结霜不充分会造成结露，加剧换热效果。在人工环境室进行实验，温度、湿度变化幅度范围较小，具备结霜充分的条件，结露较少，换热不明显。图16给出分阶段抑霜实测效果图，可见在主要通道开启伴热带，使要塞通道壁面温度升高，有助于抑制霜的生长。

总结分阶段抑霜实验得出在各温度工况下抑霜换热效果均比不抑霜效果好，抑霜与不抑霜工况总的运行时间基本不变，但抑霜使得结霜初期延长，使室内换热充分，人员舒适度有所提升，故分阶段抑霜方法效果明显，为实现降低频繁除霜不舒适度提供理论支持。

图14 不同温度工况抑霜/未抑霜制热量对比曲线图

图15 不同温度工况抑霜/未抑霜COP对比曲线图

图16 分阶段抑霜实测效果图

3.3 机组的SCOP

通过测试该热泵于整个冬季时段的室内累计制热量及累计供暖耗电量,得出制热季节期间，空调器进行热泵制热运行累计制热量及累计供暖耗电量之比SCOP，如图17所示。经计算，该热泵机组整个冬季时段SCOP平均为2.11，峰谷差达3.4。SCOP在16～18℃最高，由于室内温度较高，故热泵达到设置温度并不需要耗费很多电量，其次为6～8℃，此温度范围为结霜不明朗区，结露会冲刷翅片表面，洗脱作用使得换热量增加，霜形成后，霜层较薄，堵塞情况不至于恶劣，致使机组运行良好。在8～16℃工况里，SCOP略有下降因为制热同时去除环境中空气的湿量，由于贵阳地区特殊的地理气候环境，造成该地区即便在温度不低的情况，依然体感很冷，需通过供热使室内干燥。在2～6℃，结霜情况严重，故SCOP较低。最恶劣温度工况-1～2℃持续时间较短，且每次运行结霜较快，机组运行时间较短导致停机，故SCOP相对较高。

图17 供暖季不同温度工况范围SCOP值

4 结论

针对贵阳地区开展由温度、湿度引起的空气源热泵结霜规律实验，得出以下结论：

(1)温度影响结霜速率快慢，空气中含湿量决定结霜量多少。高湿地区结霜现象是单位时间生成霜量大且结霜迅速造成机组频繁除霜，但随着室外温度降低，空气中含湿量降低，结霜量减少，整个制热周期不会产生过多霜量。

(2)以贵阳为代表的双高地区(高含湿量高相对湿度)结霜工况需同时满足t环境≤6℃，RH≥75%。6～8℃为结霜工况的不明朗温度区，结霜不稳定会过渡成结露工况，冷凝水洗脱作用会使机组换热效率增加，建议高湿地区在8℃以上使用空气源热泵作为热源。

(3)结霜堵塞程度为10%时，机组各方面性能达到最优，结霜初期有助于换热，继续结霜，霜布满翅片管具有时间的不一致性，考虑先结先抑，后结后抑的分段抑霜手段。

(4)针对分阶段抑霜方法，提出一种将伴热带缠绕在室外机蒸发器主要通道处，分时段开启伴热带，延长结霜初期时间约22 min，抑霜效果明显。

(5)实测得知该套热泵机组在贵阳地区供暖季的SCOP达2.11，峰谷差达3.4，即温度低于6℃时应及时抑霜或除霜，使耗电量降低。