空气源热泵除霜方式比较分析

彭光前，王现林，王喜成，车雯，王锐锋，于琦

（珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070）

我国五大气候分区中，严寒地区、寒冷地区和夏热冬冷地区冬季都需要采暖［1］。其中尤以“夏热冬冷地区”最为特殊，人口达5.5亿，国内生产总值约占全国的一半［2］，但属于非集中供暖区，空气源热泵空调是该区域冬季采暖的主要设备。

然而，夏热冬冷地区冬季低温高湿，有近2.5个月的气温低于5℃，平均相对湿度80%左右，处于重霜区［3-5］。空气源热泵空调制热期间外机易结霜，引起换热器霜堵，热阻增大，制热量衰减，舒适感变差。而传统的空气源热泵空调除霜方式为制冷逆循环，从室内吸热，实测数据表明室内换热器管温最低达-25℃［6］，又进一步加剧了不舒适感。

外机结霜已成为空气源热泵空调在夏热冬冷地区采暖应用的痛点问题，严重影响用户的使用体验。针对该问题，一些学者进行了深入的研究，并提出了多种除霜方案，本文将对其中具有代表性的几种方案进行介绍，并与传统的制冷逆循环除霜方式进行比较分析。

1 热气旁通除霜

与传统空气源热泵系统不同，热气旁通除霜空气源热泵系统在内机换热器的两侧增设了热气旁通管路［6］。除霜期间，压缩机排出的部分高温高压气态冷媒通过热气旁通管路直接进入外机换热器进行融霜，主要热量来源于压缩机消耗的电力和制热期间压缩机缸体的蓄热。

因四通阀不换向，所以热气旁通除霜期间内机换热器温度较高，不会从室内吸热，且除霜结束后内机可快速恢复正常制热，缩短防冷风时长，提高舒适性体验。

但热气旁通除霜期间系统高压高于传统的制冷逆循环除霜，所以压缩机底部过热度较小，出现液击的风险变大，需对压缩机气液分离器的储液量进行设计，并辅以特殊的压缩机频率和膨胀阀开度控制策略，以缓解液击的危害。

图1 热气旁通除霜系统

2 蓄热除霜

与传统空气源热泵系统不同，蓄热除霜空气源热泵系统内设有蓄热器，制热期间通过压缩机缸体或排气管路蓄积热量［7］。化霜期间，压缩机排出的高温高压气态冷媒途径内机换热器和膨胀阀先进入外机换热器进行融霜，然后再进入蓄热器吸热蒸发，最后回到压缩机中，完成一次完整的化霜循环。

与热气旁通除霜一样，蓄热除霜期间四通阀不换向，所以也不会从室内吸热，具有恢复正常制热速度快的优点。增设的蓄热器在除霜期间为蒸发端，为外机除霜提供热量，因此除霜可靠性优于热气旁通除霜。

图2 蓄热除霜系统

蓄热除霜本质上是在时间维度上对热泵机组的制热量进行周期性的调配，效果的好坏取决于蓄热器的蓄热量大小及吸放热速度的快慢，且蓄热阶段应尽可能减小对机组正常制热的影响。

3 超声波除霜

超声波是频率在20kHz到1014Hz的声波，具有高频、低振幅的振动特点。其“机械效应”、“热效应”和“空化效应”可干扰早期的霜晶体生长，将羽毛状的霜晶体折断，起到抑制结霜的效果。

文献［8］中介绍了超声波除霜技术在家用空气源热泵空调上的应用尝试。通过在外机换热器表面增设超声波换能器，并施加一定频率的超声波，验证超声波对换热器表面霜层的去除效果。实测结果表明，超声波有效作用区域内霜晶体可以去除，且除霜效率是传统的制冷逆循环除霜的7～29倍，同时除霜期间内机制热不间断。

图3 室外侧实验装置

但超声波去除的霜会沉积在换热器底部，形成霜堆，长期运行会造成外机底盘冻结。需要设置底盘融霜装置，辅助超声波换能器进行除霜，将积霜融化成水排走。亦或设置高压空气发生装置，通过压缩空气将换热器底部的积霜吹走。此外，超声加载模式、布置方式及频率选择需要根据换热器的形状、大小进行优化设计，超声波的“机械效应”引起的震动、噪声影响也需要进行深入的研究。

4 外风机反转除霜

传统的制冷逆循环除霜主要是通过自内向外的热传导实现，在其基础上，文献［9］提出了外风机反转的辅助除霜方式。通过强制对流的形式，将多层换热器内排部分的热量传递给外排换热器除霜。

在结霜运行期间，外机换热器的外排（迎风侧）先结霜，内排换热器后结霜，且霜层很薄。而制冷逆循环除霜时，压缩机排出的高温高压制冷剂气体依次进入换热器的内排和外排进行融霜。因内排换热器的霜层薄，且流经的制冷剂温度高，所以融霜速度很快，表面温度升的较高，此时通过外风机反转，将内排换热器的热量吹给外排换热器，可加速外排换热器的除霜。

图4 外风机反转除霜

空气对流换热的机理决定了内排换热器吹出的热量无法全部用于外排换热器融霜，且损耗会大于传统的自内向外的热传导方式。但对于去除与换热器表面不接触，无法通过传导的方式直接融掉的冰霜，是一条较好的途径。该技术的实际应用过程中，外风机反转的时机及风速大小需进行合理的设定，以降低系统热量的损耗。

5 辅助热源除霜

文献［10］提出了一种辅助热源除霜系统，与传统空气源热泵系统不同，在膨胀阀和冷凝器之间增设了电加热器。除霜期间电加热器开启，可以在四通阀不换向的情况下，同时实现供热和除霜，可靠性较好，有效避免压缩机发生液击。

实测结果表明，辅助热源除霜仍旧可以持续供热，且除霜前后人员活动区域空气干球温度波动不足常规系统的40%，较大程度改善了低温高湿工况下热泵供暖的舒适性。

图5 辅助热源除霜系统

辅助热源的开启会增大能耗，所以在该技术的实际应用过程中，需制定相应的策略以实现在舒适和节能之间寻求平衡，如限定在结霜过于频繁的情况下才允许自动开启，或设计成用户手动选择开启的模式。

6 结论

本文对“热气旁通除霜”、“蓄热除霜”、“超声波除霜”、“外风机反转除霜”和“辅助热源除霜”的原理进行了介绍，并与传统的制冷逆循环除霜方式进行了比较分析。

热气旁通除霜期间不从室内吸热，所以室内热舒适性较好，但压缩机底部过热度较小，出现液击的风险大。蓄热除霜期间同样不从室内吸热，蓄热器的热量可用于除霜，压缩机发生液击的风险小，但蓄热器会占用空间，且蓄热时会对机组的正常制热造成一定的影响。超声波除霜期间可以维持机组正常制热不间断，因此热舒适性最好，且除霜效率高，但会在换热器底部形成霜堆，需要辅助其他除霜方式消除霜堆的影响。外风机反转除霜可以清除与换热器脱离接触的冰霜，但在热舒适性方面没有起到明显的改善作用，同时还会增大系统的热损耗。辅助热源除霜期间可同时兼顾供热和除霜，达到持续制热不停机化霜的效果，但需要对辅助热源的开启时机进行合理的控制。在工程应用中可根据自身的需求、应用环境、经济性等方面综合分析，选择最适宜的除霜方式。