空氣源熱泵結霜及除霜問題探討

桂 超

(新鄉(xiāng)學院土木工程與建筑學院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

近些年來，我國北方霧霾天氣嚴重，冬季采暖期更是霧霾天氣頻繁的時期，化石燃料的燃燒是導致霧霾的主要原因?？諝庠礋岜梦廴疚锱欧泡^少且能耗較低，符合我國節(jié)能減排的發(fā)展方向，對改善空氣質(zhì)量緩解霧霾天氣有重要的意義。

空氣源熱泵在冬季工況下運行時，室外蒸發(fā)器外表面溫度低于0 ℃，且低于空氣的露點溫度時，室外換熱器表面會結霜。霜層減弱了空氣與制冷劑之間的流動傳熱，隨著換熱的不斷進行且傳熱能力的不斷惡化，蒸發(fā)溫度持續(xù)降低，嚴重影響著系統(tǒng)的制熱量及能效比。尤其是在長江中下游等冬季高濕地區(qū)，外換熱器結霜問題尤為明顯，因此緩解結霜以及快速融霜對空氣源熱泵的推廣應用有重要的意義。

1 空氣源熱泵抑制結霜問題研究

空氣源熱泵結霜的主要問題在于空氣的露點溫度高于蒸發(fā)器表面的溫度，降低露點溫度可在一定程度上抑制結霜，露點溫度隨著空氣含濕量的降低亦有所下降，因此可通過對蒸發(fā)器進風空氣除濕的方法來緩解蒸發(fā)器結霜問題。

冷卻除濕的方法直接有效，利用除濕機的原理在空氣進入蒸發(fā)器前進行冷卻除濕再升溫，其最大缺點是表冷器的表面溫度只能在0 ℃以上，否則表冷器會因結霜而降低除濕效果。另外還可采用溶液除濕方法，利用噴淋的鹽溶液作為吸收劑吸收空氣中的水蒸氣，吸收水分后進入再生器與加熱后的再生空氣接觸，鹽溶液的水分因受熱蒸發(fā)析出一部分而恢復為原來的濃溶液，可繼續(xù)進行除濕工作。李永存等提出了一種無霜型空氣源熱泵系統(tǒng)，帶有溶液吸熱系統(tǒng)和溶液再生系統(tǒng)，冬季工況下COP高于傳統(tǒng)空氣源熱泵，且能保證長時間無霜連續(xù)運行，系統(tǒng)COP隨空氣濕度增大還略有增加，彌補了傳統(tǒng)空氣源熱泵在冬季高濕地區(qū)可靠性差的問題[1,2]。郝鵬飛等研究一種無霜型空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)，該系統(tǒng)增加了除濕裝置和蓄熱裝置，系統(tǒng)COP高于傳統(tǒng)空氣源熱泵，但低溫環(huán)境下除濕干燥劑的再生效率降低，有待進一步研究[3]。

另外有專家研究對換熱器表面進行涂層處理來改善換熱器除霜的問題。孫玉清等采用噴鍍高疏水性鍍層材料的換熱器應用于低溫工況，并與普通換熱器比較，噴鍍后未發(fā)生凍堵的時間大大延長，且傳熱效率提高約5%[4]。劉清江等在自然對流條件下對疏水表面和普通金屬表面結霜進行對比研究，證明疏水表面霜層疏松，有利于延緩初始結霜時間[5]。王洪燕等將研制的強吸水性材料用在換熱器表面，并進行結霜研究。研究結果顯示，涂層材料具有明顯的抑制結霜的效果，在延長初始結霜的時間，霜層厚度也大大減少，且霜層疏松，極易在外力作用下除去[6]。

還可以通過施加外力場的方法抑制結霜，水分子具有很強的極性，結霜是一個傳熱傳質(zhì)過程，適度的電場磁場力或超聲波會影響結霜速度，且同時影響霜晶的強度。Tudor等通過實驗研究直流電場對霜層的生長的影響，在電場作用下，會形成細長的針狀霜晶，而突然撤去電場時，霜晶會脫落[7]。勾昱君等在磁場條件下對結霜進行實驗研究，無磁性冷表面首先發(fā)生液滴凍結，在結霜初期，具有磁性表面的霜層厚度較小，表面磁場對結霜具有一定的抑制效果[8]。李棟等在自然對流條件下施加頻率為20 kHz的超聲波，觀察平板表面結霜現(xiàn)象，并與未施加超聲波的冷表面進行比較，發(fā)現(xiàn)在超聲波的作用下，霜層厚度僅為無超聲波作用的28%，超聲波在一定頻率下能夠抑制結霜[9]。

還可通過其他方法緩解空氣源熱泵結霜。王洋等通過增大蒸發(fā)器的面積來緩解結霜，并在我國西北、東北、華北、華東、華中等地區(qū)進行測試。研究發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)器面積增大一倍后系統(tǒng)蒸發(fā)溫度平均升高2.5 ℃，結霜時間占總運行時間比例減少了5.21%～82.96%，在東北、西北等低濕低溫地區(qū)表現(xiàn)不太明顯，而在華東、華中等氣溫相對較高且濕度較大地區(qū)變化明顯。在一些場合下，可在冬季工況下通過改變蒸發(fā)器的面積來緩解結霜問題帶來的影響，從而提高系統(tǒng)的性能[10]。

2 空氣源熱泵除霜問題研究

對于空氣源熱泵來說，結霜在一定程度上是不可避免的，為了保證機組的正常運行，高效穩(wěn)定的除霜系統(tǒng)是必要的。常見的除霜方法有逆循環(huán)除霜法、熱氣旁通除霜法以及蓄能除霜法。目前最廣泛采用的除霜方式是逆循環(huán)除霜，室外換熱器作冷凝器使用，利用壓縮機為除霜提供熱量。逆循環(huán)除霜暫停制熱工作，降低了房間的舒適性，而且據(jù)統(tǒng)計，除霜占據(jù)的功耗占空調(diào)制熱總能耗的10.2%左右。因此高效可靠的除霜方式不僅提高了舒適性，而且利于節(jié)能。熱氣旁通除霜法是利用壓縮機排出的高溫制冷劑，由旁通回路引入室外換熱器進行除霜。蓄能除霜法是空氣源熱泵工作時，在為高溫側提供熱量的基礎上同時為蓄熱裝置儲存熱量，利用蓄熱裝置為除霜提供熱量，在一定程度上提高了熱泵的可靠性，同時減少了除霜能耗，而且?guī)顭岬目諝庠礋岜眠€能解決空氣源熱泵低溫運行的問題，提高系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的運行效率。

馬素霞等對相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵進行試驗研究，在-25 ℃和-30 ℃的低溫下運行，COP分別達到了2.00和1.94，壓縮機排氣溫度也顯著降低[11]。張杰等對逆循環(huán)除霜、熱氣旁通除霜及蓄能除霜三種除霜方式進行比較，研究結果顯示，蓄能除霜的排氣壓力較高且室內(nèi)溫度變化最小，其除霜速度最快且能更快使室內(nèi)恢復正常供熱。逆循環(huán)除霜法的排氣壓力相對最低且室內(nèi)溫度變化最大，但除霜時間少于熱氣旁通法[12]。

劉雄等提出了一種新型的除霜模式用于空氣源熱泵熱水器，該裝置擁有兩個四通閥、兩個室外換熱器、兩個節(jié)流設備，其中一臺換熱器需要除霜時，另一臺換熱器正常工作，吸收的熱量一部分用于生產(chǎn)熱水，另一部分用于換熱器除霜。由于正常工作下的換熱器需要兼顧熱水加熱和另一臺換熱器的除霜，這樣會加快其本身的結霜速度，且工作效率會比正常情況下更低。因此改進后的系統(tǒng)擁有兩臺壓縮機，兼顧熱水加熱和除霜功能，可靠性大大提高[13]。

孫福濤等提出了一種雙級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)，除霜模式下利用低級壓縮循環(huán)進行除霜，同時高級壓縮側依然進行制熱，在-30 ℃的蒸發(fā)溫度下除霜時，系統(tǒng)的COP比傳統(tǒng)的逆向除霜技術高28%，除霜的可靠性也有所增加。雙級壓縮還可解決傳統(tǒng)空氣源熱泵低溫環(huán)境下制熱量不足或無法制熱的問題，系統(tǒng)的節(jié)能性和可靠性大幅提高[14]。

3 結語

目前大多數(shù)空氣器采用逆循環(huán)除霜法，其方法簡單可靠，但舒適性及節(jié)能性較差。熱氣旁通法除霜對房間舒適性影響較小，但除霜時間較長。涂層材料在一定程度上可以達到抑制結霜的效果，但在惡劣工況下效果并不理想，而且材料的使用壽命及可靠性有待進一步研究。蓄能法除霜在一定程度上取得了不錯的效果，且蓄能裝置也保證了低溫環(huán)境下制熱量，但蓄熱量影響著除霜效果，且初投資有所增加。雙換熱器系統(tǒng)及雙級壓縮系統(tǒng)可很大程度提高除霜效果，但設備成本投入較大，限制了其大范圍推廣應用。因此更加簡單、可靠、高效的除霜方法還有待進一步研究。