空气源热泵除霜技术研究进展

范来富 戴晶晶 曹先齐

摘要：空气源热泵作为一种节能、高效、简单的环保装置，具有较为广泛的应用前景。但其在低温、高湿环境下容易结霜，性能下降，限制了空气源热泵的进一步推广应用。现总结了国内外学者对空气源热泵除霜技术的研究成果，指出了各种除霜技术存在的弊端，并对空气源热泵除霜技术的研究方向进行了展望。

关键词：空气源热泵;逆循环除霜;热气旁通除霜;相变蓄能除霜

1 除霜技术研究的重要性

作为一种可利用大气中低品位能源的节能型供热空调设备，空气源热泵（air-source heat pump，ASHP）因具有节能、兼顾供冷供热功能、使用灵活、所占空间小、利用效率高、环境友好等优点，在我国长江中下游地区、西南地区以及华南地区得到了广泛应用[1]。然而，空气源热泵在冬季低温、高湿工况下运行时，室外蒸发器表面容易结霜，霜层会增加传热热阻，导致空气流通截面积减小、流动阻力增加，使得空气流量减少、增发温度降低，机组制热性能恶化，严重制约了空气源热泵的推广应用[2]。目前，针对空气源热泵的结霜特性以及抑霜、除霜等问题，国内外学者开展了大量研究工作。Byuna等[3]对空气源热泵运行时的结霜状况进行了监测，研究了最佳除霜時间。郭宪民等[4]重点研究了空气源热泵的结霜过程，提出了结霜三阶段理论。范晨等[5]建立了热泵系统结霜动态模型和显热除霜模型。本文在分析各除霜技术特点的基础上，总结了逆循环除霜、热气旁通除霜和相变蓄能除霜等除霜技术的研究进展，旨在指出各除霜技术存在的问题，并给出进一步的研究建议。

2 除霜技术研究

逆循环除霜、热气旁通除霜、相变蓄能除霜是常见的3种除霜技术，其原理和存在问题各不相同。本节将重点介绍上述除霜技术，分析其优缺点，以期为各种除霜技术改进提供指导。

2.1    逆循环除霜

逆循环除霜是目前使用范围较为广泛的一种除霜技术。当ASHP机组在逆循环除霜模式下运行时，其室外换热器作为冷凝器，室内换热器作为蒸发器，利用四通换向阀改变制冷剂的流向，即压缩机出口的高温高压制冷剂气体，直接进入室外侧换热器进行冷凝放热，而非进入室内侧换热器，将放出的热量用于除霜[6]。除了四通换向阀，逆循环除霜不需要其他复杂部件，具有系统简单、技术成熟及成本低等优点。但该除霜方式也存在一些问题，如室内舒适度差、除霜时间长、能耗较高以及除霜能量来源不足等问题[7-8]。针对上述问题，国内外学者已开展了相关研究。Chen等[9]研究了室外空气参数对逆循环除霜特性的影响，研究发现，随着相对湿度的增加，系统能耗、除霜耗时、从室内携带的热量呈下降趋势。Song等[10]通过实验研究了多回路盘管表面的融霜水流动对逆循环除霜性能的影响，发现相比热力膨胀阀，采用电子膨胀阀作为节流装置更容易缩短逆循环除霜时间[11]。

2.2    热气旁通除霜

针对逆循环除霜导致的室内舒适性不足的问题，学者们提出了一种新型除霜技术——热气旁通除霜，即压缩机与室外换热器之间设置旁通管，通过开启旁通电磁阀，使压缩机排气直接进入室外换热器进行除霜。采用热气旁通除霜技术除霜时，室内换热器侧风机关闭，热气旁通除霜的热量来源于压缩机的耗功[12]，而非吸取室内的热量。因此，相比于逆循环除霜，热气旁通除霜可保证室内的舒适性[13]。在热气旁路除霜的基础上，付文成等[14]将室外换热器分为前、后两部分，分别作为除霜时的蒸发器和冷凝器。研究发现，与逆循环除霜相比，热气旁通除霜的能量利用效率高，除霜损失小。但Huang等[15]发现热气旁通除霜的时间较长，为逆循环除霜的2倍以上。为解决除霜时间长的问题，Kim等[16]提出了一种新型的双热气旁通除霜法，在热泵系统中加入了一个蓄热装置，双热气旁通除霜系统压缩机排气温度较高，除霜时间大幅缩短。

2.3    相变蓄能除霜

上述逆循环除霜和热气旁通除霜都存在热量来源不足的问题，有学者提出了一种蓄能除霜技术[17]，即在制热模式下，将部分热量蓄存起来，需要除霜时再将热量释放出来。曲明璐等[18]通过实验研究了蓄能除霜模式对机组运行特性的影响，发现蓄能除霜有利于提高除霜过程中室内的热舒适度及系统稳定性。为解决寒冷地区的机组除霜问题，唐雍博等[19]提出了一种复叠式空气源热泵相变蓄能除霜技术，可使机组在-9～-18 ℃低温范围内正常运行，并实现有效除霜，给室内侧供热。尽管带蓄热装置的热泵系统解决了除霜时的低位热源问题，但并未解决除霜时系统仍需逆循环运行，室内换热器无法持续供热的问题[20]。因此，Zhang等提出了一种包裹压缩机的蓄热器，压缩机工作时放出的热量先由蓄热器存储起来，等需要除霜时再将热量释放出来。但该系统在夏季运行时，会影响压缩机的散热性能，导致排气温度过高，不利于机组安全运行。针对该问题，Liu等提出了一种压缩机散热蓄热及冷却系统。该系统的冬季模式与Zhang研究的系统类似，不同之处在于夏季制冷模式。其在制冷模式运行时，需同时运行热水模式，再采用冷水将压缩机蓄热器储存的热量带走。此外，还有学者提出利用蓄热装置储存太阳能等多热源的热量，并用其加热压缩机，达到多热源辅助除霜的效果。

3 结语

结霜是影响空气源热泵性能的关键问题之一，本文重点介绍了逆循环除霜、热气旁通除霜、相变蓄能除霜等除霜技术的研究进展，分析了各除霜技术存在的问题，以期为除霜技术的改进提供指导。（1）逆循环除霜装置结构简单、技术成熟，但除霜过程中存在室内舒适性较差、除霜能量来源不足等问题，建议配合使用蓄能除霜技术。（2）与逆循环除霜相比，热气旁通除霜可改善除霜过程的室内舒适度，但热气旁通除霜存在低位热量不足的问题，并且其除霜的热量来自压缩机，除霜时间较长，需优化热气旁通除霜方式以缩短除霜时间。（3）蓄能除霜系统的除霜效果优于逆循环除霜和热气旁通除霜，但目前蓄热器的蓄热量较少，影响其进一步应用。因此，开发体积小、蓄热能力强的蓄热器，研究辅助热源蓄热技术对蓄能除霜技术的推广至关重要。

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收稿日期：2020-09-17

作者简介：范来富（1973—），男，江苏淮安人，高级工程师，研究方向：电力营销、综合能源。