空气源热泵机组除霜问题分析

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一、单模式除霜方法

单模式除霜方法指运行设备只采用一种除霜手段或者单一热源进行除霜。这种方法根据使用除霜能量的类型大致可以分为两种：热力型除霜和非热力型除霜。

（一）热力型除霜

霜层形成之后，通过提高蒸发器表面或者周围空气温度，融化霜层。依据能量来源的不同方式，分成内部能源除霜和外部能源除霜，内部能量除霜。除霜能量来源于压缩机，如逆循环除霜，热气旁通除霜，过冷蓄热除霜等。逆循环除霜是较为普遍的一种除霜模式，但它存在以下问题：①逆向运行过程蒸发器与冷凝器相互转换，与正向运行工况相差较大，压缩机与逆向循环匹配度较低，导致系统运行效率低；②逆向运行导致制冷剂流量降低，增加除霜时间；③机组除霜后期，室外侧常出现无法完成冷凝的情况，可能会造成压缩机停机保护；④逆循环除霜期间，会降低室内的热舒适性。热气旁通除霜方法是随着控制技术和制造技术的不断精进而出现。相比逆循环除霜，该除霜方法不会对室内热舒适产生影响，其运行系统也较为稳定，原因是其除霜运行和制热运行是并列运行，但热气旁通法需要除霜时间较多，在并行过程中吸气过热度为0℃左右，会使排气温度和过热度不断降低，可能危及压缩机的安全。从设计角度考虑，室内负荷相同情况下，热气旁通除霜法需要的机组要大于逆循环机组，会增加设备初期投资。此外，热气旁通除霜的效果还受到控制机制、电子膨胀阀的开度和旁通阀的影响。研究证明合理的配置电子膨胀阀和旁通阀可以缩短除霜时间和降低除霜能耗，以及采用结霜拐点控制法可以进一步完善热气旁通除霜控制逻辑。

（二）非热力型除霜

非热力除霜，利用物化手段直接干预霜层成形和生长，使霜层更加容易去除。当下研究手段包括外加超声波场、电场、磁场和疏水涂层除霜法。这种类型的除霜方式在除霜工况下，均不会对室内热舒适性产生影响。超声波除霜手段主要是会影响冷壁面液滴的形状和大小。超声波会明显减小水滴、霜晶体的体积，特定的超声波频率可以增加约70%的液滴脱除率，间断性使用超声波可以降低除霜耗能。外加电场除霜，利用了电场会影响水分子扩散，电场会让水分子有规律地进行排布，电场的不间断和间断施加可以使冷壁面形成针形霜晶并自行掉落。电场种类有很多，但有一定除霜效果的不多，其中有高压静电场和扫频高压电场；且各有优势。外加磁场除霜采用磁场会对霜层成形、生成过程以及霜晶形态产生影响，使其液滴更加均匀、结构更加松散，便于去除。疏水涂层除霜主要研究特征是其表面接触角。疏水涂层表面的水珠分布比较疏散，霜晶核生成时间相对一般平面较晚。随着研究的不断深入，疏水涂层应用仿生学，将涂层表面接触角度[54-55]从90°突破到了162°。非热力除霜相对热力除霜在大规模应用方面还不成熟，成本造价也相对较高。

二、抑霜方法

霜层在风冷机组蒸发器壁面上形成时，除了湿度和温度，还有其他很多的影响因素影响，例如成核因子、风速、气压等。一些学者从结霜源头进行研究，意图抑制或者减缓霜层的生长。现阶段研究思路有：①改变供热流体物理状态；②优化室外换热器结构。供热流体大多数情况下为室外空气，冷壁面霜层实际上是室外空气中水分子析出到冷壁面，然后受到管内制冷剂和空气共同影响而形成霜晶。在这个过程中有两个关键因子：水蒸气和成核因子。霜晶形成需要水蒸气和成核因子。可溶性微粒就是良好的成核因子之一，采用净化空气和增大风速来减小可溶性微粒的影响。对于降低水蒸气比例，常见手段有进口气体通过吸附床来降低相对湿度和采用亲水涂层等。采用吸附床除湿技术的关键是吸附床可再生，有采用太阳能-电加热再生系统，也有采用储存于相变材料中的冷凝热。除此除霜手段，还存在一种盐溶液换热系统。这种系统在空气和蒸发器中增加了一种盐溶液换热介质，盐溶液介质将空气中热量传递给制冷剂，并且有系统使用过冷热再生溶液。这2 种方法虽然可以有效抑制霜层的形成，但是与太阳能除霜方法一样需要增加额外的系统，造成系统体积臃肿、控制复杂。亲水涂层直接附着于蒸发器表面，与吸附床相比，系统体积大幅降低。亲水涂层可以吸附水蒸气和成核因子来抑制霜层形成，其吸附大量水分的同时也储存了部分潜冷量，这样可以提高在涂层内水的冰点温度。把亲水涂层的冰点温度做到-20℃。此外，亲水涂层的耐久性和稳定性随着研究不断深入得以提高。当涂层吸水量饱和时，对比亲水涂层与疏水涂层对霜层的影响，可以发现亲水涂层结霜时间和厚度比疏水涂层程度轻，然而其霜层密度要大于疏水涂层。通过分析，亲水涂层在一定程度内可以有效地抑制霜层，但在相对湿度较大的地区其除霜效果还不理想。此外还存在针对太阳能涂层的研究，在蒸发器外壁面附着选择吸收性太阳能亲水涂层可有效提高蒸发器表面温度，抑制霜层生成。抑霜方法在一定程度上可以缓解蒸发器表面结霜情况，也可以稳定机组运行工况。此外霜层也受到迎面风速和气压的影响，风速越大霜层生成速度越慢，气压越低霜层越稀薄，需要注意的是采用该方法到达除霜效果会致成本和噪声的增加。室外换热器结构优化是为了延缓霜层生长或者降低霜层对管翅片换热器的影响。结构的优化会受到不同地区、不同气候类型的影响。研究表明，蒸发器面积增加一倍时，各个地区的平均蒸发温度约上升2.5℃，结霜时间减少5.21%～82.96%，不同地区应该有相应的翅片设计间距，以减缓霜层对换热的影响。抑霜方法造价较高，对系统造成影响较小，且在结霜初期有较好的抑霜效果。

三、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。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。

四、结束语

结霜是影响空气源热泵性能的关键问题之一，本文重点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。