空气源热泵技术的研究进展

李庆金，王 辉

(际华(芜湖)农业科技发展有限责任公司，安徽 芜湖 241080)

0 引言

我国大多数家用空调器是空气源热泵型空调器，它的节能和环保性符合社会经济发展需求，故空气源热泵技术的相关研究也越来越多。空气源热泵运行状况不佳，影响其运行效果最主要的因素是空气源热泵的结霜、除霜和低温适应性问题。研究数据表明，在-6℃～5℃且相对湿度基本稳定的气象条件下，空气源热泵正常工作过程中最容易结霜的部位是室外换热器。室外换热器暴露在室外，由于气候条件变化，其低温适应性不强，导致无法正常工作，低温条件下，结霜严重，无法高效平稳运行。尤其是在我国长江流域以南地区，虽然与北方相比，冬季温度相对较高，但空气源热泵的结霜现象更为严重，无法保证空气源热泵的稳定性、可靠性、实用性，不利于市场推广和应用。

1 空气源热泵结霜与除霜研究现状

空气源热泵结霜问题如果不能有效地解决，将在一定程度上影响其正常运行。国内外许多专家学者都对空气源热泵的结霜和除霜问题进行了对比分析。

1.1 空气源热泵结霜研究

1.1.1 结霜理论研究

结霜过程是非常复杂的，分析影响结霜的因素可促进空气源热泵的推广应用，为除霜和减少结霜现象提供科学理论基础。孙玉清[1]等人建立的结霜数据物理模型主要基于三大理论，即气象学理论、晶体动力学理论、成核理论。该模型在一定程度上对结霜现象起到了抑制作用。姚杨[2]则采用分步参数法，在充分利用热质平衡与压力平衡原理的基础上，建立了空气-空气热泵蒸发器的数学模型。清华大学电机系夏清[3]等人仔细观察了结霜的整个过程，建立了著名的翅片管式蒸发器结霜工况下的数学模型。国外专家学者也从不同角度分析和研究结霜理论，并将理论与实践相结合，对结霜与换热器传热热性之间的联系进行了深层次研究。Kondepudi S.N.[4]等人就传热特性和结霜模型进行了详细分析，翅片管换热器结霜模型由此建立。

1.1.2 结霜实验研究

翅片管式换热器形状呈集合图案，结构比较复杂，许多因素都会加剧霜层增长速度和结霜的稳定性。从设计角度来看，换热器复杂程度较高，因此换热器结霜过程以实验性研究为主。Kondepudi S.N.[4]对不同翅片结构对换热器结霜状态性能的影响进行了实验，并对实验结果进行了更深层次研究。吴晓敏[5]认为结霜速度与空气流速有关，即空气流速越大，冷水珠存续时间越长，冻结粒直径就越大，这就加速了结霜现象的发生。

1.1.3 防止和延缓结霜的方法

影响结霜的因素有很多，其中室外换热器周围的空气状态与之有密切关系。部分学者对室外热换器周围环境参数进行了监控和研究，以了解其是否具有防止或延缓结霜现象发生的作用。Kondepudi S.N.[4]分析发现换热器入口处可能影响换热器结霜速度，因此在室外换热器入口处装置固体除湿剂，利用其来最大程度地降低入口处的含湿量，以发挥对结霜的抑制作用，延缓结霜现象的发生。但研究表明，固体除湿剂作用时间较短，随着时间流逝，除湿剂吸收越来越不明显，最终无法起到抑制结霜的作用。Wang S.W.[6]在蒸发器空气入口处安装了一个吸附床来减少入口空气湿度，实现抑制结霜的目的。但吸附床受自然因素限制，在没有阳光照射时，吸附床作用效果不明显，这时就要依靠吸附床内的电加热器来完成。为了防止和延缓结霜，人们从不同角度出发，做了大量研究工作，延缓结霜的技术也得到了优化升级。但影响空气源热泵结霜的因素有很多，不仅受技术条件制约，还受环境影响，因此研究工作进展比较缓慢。

1.2 空气源热泵除霜特性及控制方法研究

19世纪70年代，Sanders[7]建立了蒸发器除霜数学模型，此模型的建立为人们研究除霜问题奠定了模型基础。Krakow K.I.[8]在此基础上建立了霜层融化过程的数学物理模型，这个模型是迄今为止最接近实际的模型。国内也有许多学者进行了研究，黄虎[9]通过简化蒸发器融霜过程，建立了霜层融化数学模型。韩志涛[10]建立了室外换热器表面水蒸发动态模型，认为除霜的能源主要来自于压缩机，压缩机工作会产生一定能量，可利用该能量带动室外换热器工作。另外，常规除霜的能量还来源于供热环境，供热环境吸热产生一定能量，二者占比基本一致。

除霜影响因素。在所有零部件中，能够对融霜产生重要影响的装置主要是高压储液器及相关的节流装置。研究人员对电子膨胀阀及热力膨胀阀的除霜过程进行对比分析发现，与热力膨胀阀相比，电子膨胀阀能够以更快速度进行融霜操作。部分学者认为，因缺少系统制冷剂，热泵机组除霜效果较差，通过分析制冷剂补偿器的优势，提出用其代替高压储液器更能缩短除霜时间，提高除霜效率。

2 空气源热泵低温适用性研究

低温适用性是制约空气源热泵推广应用的重要技术因素，要提升空气源热泵低温适用性，主要有以下几种方法。

2.1 改变蒸发器结构及运行环境温度

为改变蒸发器结构及运行环境温度，王铁军[11]等人提出了可行性措施，即将蒸发器迎风面积调大，增加防霜盘管，利用煤油和加热辅助蒸发器来提高热泵制热量。

2.2 采用新型制冷工质

一些公司研制出了不同类型的空气源热泵系统，工作原理是利用该系统保证循环制冷剂的成分随温度的变化而变化。某家公司提出使用非共沸制冷剂，通过调整制冷剂成分来调节和改善空气源热泵低温环境下的制热性能，但这一工质目前还不成熟，需要技术人员对其进行深层次研发。

3 结语

目前，大部分研究是围绕空气源热泵机组展开的，能够延缓室外换热器结霜的技术仍不完善，实际应用条件还不是很充足。应考虑热泵的低温适应性及结霜、除霜问题，并考虑室外换热器表面结霜问题，确保空气源泵机组可实现全天稳定运行。