空气源热泵热水器除霜性能研究

陈姝，欧炯桦，李金城，陈嘉澍，卓献荣

（仲恺农业工程学院，广州，510025）

相比传统的燃气热水器和电热水器，空气源热泵热水器因其高效节能安全无污染在我国热水设备供应市场呈逐年攀升的趋势，也有益于减少碳排放实现碳中和，但其在中温高湿地区运行时存在的蒸发器结霜问题，是影响热泵机组冬季制热效率的主要因素，严重制约着空气源热泵的发展［1］。因此，提高除霜技术是推进空气源热泵发展的必要条件［2］。针对空气源热泵的除霜问题，国外大量学者已进行了诸多实验方法研究，李刚、田小亮将空气源热泵空调在实际工程应用的中采用的换热器作为研究对象，通过进行低温工况下的结霜、化霜实验，对不同空气温度、相对湿度、化霜时间以及滞留水滴落时间下的霜层融化过程和化霜水流动过程的分析，为空气源热泵空调在低温工况下联系正常运行奠定了基础［3］。沈康伟发现将毛细管节流部件由外机侧移至水箱侧后，系统的能效以及压缩机的安全和可靠性运行都有所改善［4］。Feng Wang，Yuling Zhou等人对空气源热泵室外盘管喷涂超疏水涂料的防结霜性能进行研究，采用在铝表面喷涂SiO2涂层的方法制备了超疏水表面并进行性能测试，说明可喷表面具有优良的防结霜性能［5］。牛建会、马国远等针对大中型空气源热泵系统除霜，提出一种空气源热泵蒸发器并联轮换除霜系统，该系统能够实现除霜时不停止制热［6］。Qu等人则建立了多环路蒸发器除霜模型，研究了融化水流动对除霜过程的负面影响［7］。目前最普遍的除霜方式为逆循环除霜，其存在较大不足且除霜时需要从热水中吸取热量导致水温下降，而分组独立除霜的融霜方式鲜见研究。

本文以蒸发器分组独立除霜方式对空气源热泵热水器除霜性能优化进行探索，通过分组独立除霜实验与逆循环除霜实验进行热泵性能对比，以中部地区典型温度为研究工况，在环境相对湿度为70 %左右，温度在-4 ℃到4 ℃之间每隔2 ℃作为一个实验温度点进行实验对比，最终通过实验数据分别对其除霜性能进行分析比较。

1 实验研究

本文通过控制变量法，在环境室内模拟中部地区典型冬季环境工况，改装现有热泵热水装置，具体流程为在模拟环境下进行实验，分别测量出两种不同除霜方式下冷凝器里水温随着时间变化的数据，并计算性能参数以进行对比分析。

1.1 实验装置

实验装置由广东澳信热泵空调有限公司的AWH-003PV型热泵热水器改造而成，其详细参数如下表：

表热泵主要参数

1.2 实验原理

图1实验装置图，逆循环除霜实验时，阀4关闭，阀2和阀3打开，除霜时四通阀打开，制冷剂经压缩机压缩后，分别流入蒸发器1、2，冷凝放热后由毛细管节流进入蒸发器，经四通阀回到压缩机。其除霜时需要从热水中吸取热量导致水温下降。

图1 分组除霜系统原理图

分组独立除霜实验中，除霜时四通阀和截止阀1均打开，阀2阀3均关闭。制冷剂先经压缩机压缩后，先流入蒸发器1（冷凝放热除霜），经过阀4流入蒸发器2，通过截止阀1到四通阀再回到压缩机，完成对蒸发器1的除霜操作； 而后制冷剂先经压缩机压缩后，由截止阀1流入蒸发器2（冷凝放热除霜），经过阀4流入蒸发器1，通过四通阀回到压缩机，完成对蒸发器2的除霜操作。与逆循环除霜方式相比，分组除霜不需要经过冷凝器吸收热水的热量。

1.3 实验方法

热泵热水装置在环境温度为-4 ℃到4 ℃之间进行实验，每隔2 ℃作为一个实验温度点，比较热泵在不同温度下的两种除霜方式的性能。环境湿度控制在70 %，湿度误差10 %。感温器3个分别用于测量冷凝器出口的水温、蒸发器1和蒸发器2表面的温度。

模拟环境温度设置为-4 ℃，往水箱中加入水箱内128 kg的冷水。启动系统加热水箱中的水，此时热泵热水器正常运行，截止阀1，阀4关闭，阀2和阀3打开。待蒸发器表面结霜时（蒸发器表面结霜，以运行1小时30分钟时长为准）执行除霜操作，设置除霜结束温度为12 ℃，连接四通阀的感温器放在蒸发器1表面上。水温每升高2 ℃记录一次冷凝器中水的温度、时间和除霜对应时间点，以及每运行一个周期结束时的耗电量。除霜期间，水温每变动0.1 ℃记录一次时间。每隔2 ℃进行一个环境温度点实验，直到实验进行到环境温度4 ℃为止。

记录-4 ℃～4 ℃之间下热泵运行一周期热水温度变化情况，每隔两分钟记录一次。

2 实验结果及分析

2.1 两种除霜方式对水箱内水温的影响

2.1 两种除霜方式对水箱内水温的影响

图3 -2 ℃下热泵运行一周期热水温度变化情况

图4 0 ℃下热泵运行一周期热水温度变化情况

图5 2 ℃下热泵运行一周期热水温度变化情况

图2至图6为环境温度-4 ℃～4 ℃下系统运行水温的变化情况，当在1∶30∶00开始除霜时，两种除霜方式下的水水温均有所降低，但逆循环除霜方式下的水温下降得较多。从系统原理图上看，进行分组独立除霜时，制冷剂不需要经过冷凝器，因此不需要从热水中吸取热量，所以当进行分组独立除霜时，热水的温度本应该不会下降，在图中应该是呈现水平线，但在实际实验中，在相对低温的环境下因保温问题，由温差产生的传热造成漏热是温度降低的一个原因。另一个造成分组独立除霜时水温降低的主要原因是水箱中热水温度的不均匀性，进行除霜时，水泵依然在运行，把水箱里的水温进一步传热均匀，因此分组独立除霜过程中的后半部分，水温几乎不会再下降了。

图2 -4 ℃下热泵运行一周期热水温度变化

图6 4 ℃下热泵运行一周期热水温度变化情况

图2至图6中无论是逆循环除霜还是分组独立除霜，最后总有0.1 ℃～0.2 ℃回升，造成这种情况主要原因是除霜时温度变动太快导致水温不均匀性。

图7为环境温度-2 ℃下蒸发器表面结霜图，图8为-2 ℃下蒸发器表面除霜效果图，对比可知除霜效果理想。

图7 -2 ℃下1小时30分钟时的蒸发器表面结霜图

图8 -2 ℃下蒸发器表面除霜效果图

2.2 两种除霜方式对装置COP的影响

图9，图10所示为逆循环除霜与分组独立除霜的除霜环境温度与COP、除霜过程温降关系曲线图，图9可以看出，在环境湿度为70 %左右，温度在-4 ℃～4 ℃之间，分组独立除霜模式的COP要比逆循环除霜模式高；由图10可以看出，分组独立除霜过程的水箱温降比逆循环除霜低。从除霜原理分析，逆循环除霜时，制冷剂需要经过冷凝器吸取热量以达到除霜蒸发器的作用，而分组独立除霜时，制冷剂不需要经过冷凝器吸取热量，因此分组独立除霜时水箱温降低，COP比逆循环除霜高。分组独立除霜实验装置两排蒸发器是一上一下叠在一起，蒸发器1在上，蒸发器2在下，当分组独立除霜时，先进行蒸发器1 的除霜，蒸发器1表面的除霜水往下流带走了蒸发器2表面的部分霜以及融化蒸发器2 表面的霜，缩短了蒸发器2的除霜时间。

图9 除霜环境温度与COP关系曲线图

图10 除霜环境温度与除霜水箱温降关系曲线图

由除霜环境温度与COP关系曲线图9还可以看到，在实验范围内，环境温度在-2～4 ℃区间两种除霜模式COP差值较高，分组除霜模式更具优势。而在-2 ℃时，分组独立除霜模式比逆循环除霜模式的COP差值最大为0.09，同时也是实验区间COP差值百分比最大的。而在-4 ℃时，分组独立除霜模式比逆循环除霜模式的COP差值只有0.06，这是因为随着环境温度在-2 ℃往下降低，越难以除霜，导致分组独立除霜所需的时间会更长一点，因此耗电量无疑会更多一点，COP值相对较低。而随着环境温度在-2 ℃越往上升高，分组独立除霜模式比逆循环除霜模式的COP差值会逐渐趋于平缓。因为随着温度高于-2 ℃，蒸发器自身结霜趋于弱化，同时除霜也变得更容易，因此除霜时间相对于低温环境而言则缩短，两种除霜方式除霜时间差别减小。同时随着环境温度升高，热泵制取热量的能力越强，因此环境温度越高，对于初始温度相同的冷水，一定时间内使热水温度升高得越快，进行逆循环除霜，因水温较高增加了与低温制冷剂换热速率，使得相对高温下除霜时间较短，而分组独立除霜COP相同工况下仍略高于逆循环除霜方式。

3 结论

为改善现有空气源热泵热水器在中温高湿地区的除霜问题，提出一种分组独立除霜方式，采用控制变量法将分组独立除霜与逆循环除霜除霜性能进行多组实验，发现在实验温湿度范围内，分组独立除霜性能比COP高于逆循环除霜模式，体现出更节能的特点。主要得出以下结论：

1. 环境湿度为70 %左右，温度在-4 ℃～4 ℃之间时，分组独立除霜模式的COP值比逆循环除霜模式高。在-4 ℃的时候比逆循环除霜模式COP多了4.0 %，在-2 ℃的时候比逆循环除霜模式COP多了5.8 %，在0 ℃的时候比逆循环除霜模式COP多了5.5 %，在2 ℃的时候比逆循环除霜模式COP多了4.7 %，在4 ℃的时候比逆循环除霜模式COP多了5.1 %。

2. 环境湿度为70 %左右，温度在-4 ℃～4 ℃之间，分组独立除霜过程的温降比逆循环除霜少，因其除霜过程不需要耗费热水的热量。

3. 实验设备在环境温度为-2 ℃时分组独立除霜较逆循环除霜优势最为明显。在一定温度范围内，环境温度低于-2 ℃且温度越低，则分组独立除霜优势越不明显；温度高于-2 ℃且温度越高时，分组独立除霜较逆循环除霜优势则趋于平缓。