顯熱除霜技術(shù)分析

婁彥亮（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

1 引言

目前風(fēng)冷熱泵機組常用的除霜方法是通過系統(tǒng)逆向循環(huán)來實現(xiàn)。這種傳統(tǒng)的四通閥換向除霜方法存在一系列弊端：由于四通閥換向，制冷系統(tǒng)原來的高低壓部分切換，這使制冷系統(tǒng)出現(xiàn)“奔油”現(xiàn)象，降低系統(tǒng)的可靠性和使用壽命；除霜時制冷劑要從供熱系統(tǒng)中吸取熱量用于除霜，造成供熱水的溫度急劇波動，影響空調(diào)系統(tǒng)的舒適性；同時從除霜開始到除霜結(jié)束，四通閥要動作兩次，在動作過程中，系統(tǒng)的壓力分布和溫度分布分別被破壞，四通閥切換兩次再重新建立平衡，使系統(tǒng)不僅造成能量損失而且除霜過程總的時間加長。因此，研究除霜方法、除霜控制策略、開發(fā)出新型除霜方法成為熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究重點之一。為解決四通閥換向除霜方式給風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)所帶來的諸多弊端，提高機組綜合性能，研制開發(fā)出新的除霜方式具有重大意義。為此提出一種新型除霜方式——顯熱除霜。

2 技術(shù)現(xiàn)狀以及最新進展

2.1 顯熱除霜原理

顯熱除霜循環(huán)在系統(tǒng)流程圖（圖1）上表示的過程為：（1）制冷劑經(jīng)過壓縮機壓縮后排出，經(jīng)過熱氣電磁閥到達電子膨脹閥前；（2）高溫高壓的制冷劑通過電子膨脹閥節(jié)流降壓，這時系統(tǒng)電磁閥是關(guān)閉的；（3）節(jié)流后高溫低壓的制冷劑經(jīng)過單向閥后，進入空氣側(cè)換熱器，同時放熱降溫，并且將換熱器翅片上霜層除掉；（4）制冷劑從空氣側(cè)換熱器出來，經(jīng)過四通閥、氣液分離器進入壓縮機并冷卻壓縮機電機；（5）壓縮機吸取低溫低壓氣體進行壓縮并排出。

隨著除霜過程的進行，空氣換熱器翅片表面的霜層不斷融化，空氣換熱器出口制冷劑的溫度逐漸上升，壓縮機排氣溫度也隨之上升，化霜效果得到加強。但同時換熱盤管溫度的升高，將使一部分排氣熱量釋放給空氣，減少了除霜熱量。

顯熱除霜是指利用制冷系統(tǒng)壓縮機排氣管至電子膨脹閥前面的旁通回路，將壓縮機的高溫高壓排氣直接引到電子膨脹閥前，再經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流將壓縮機排氣引入翅片管式換熱器中，利用壓縮機排氣熱量將翅片管式換熱器翅片外側(cè)的霜層除掉，同時保證制冷劑在翅片管式換熱器中只進行顯熱交換而不進行冷凝。

2.2 顯熱除霜技術(shù)系統(tǒng)性能分析

顯熱除霜與熱氣旁通的區(qū)別主要是在熱氣旁通除霜方式中加入一個膨脹閥，在正常制熱時，空氣換熱器是作為系統(tǒng)的蒸發(fā)器，制冷劑經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流后在其中蒸發(fā)，最后變?yōu)檫^熱蒸氣。這過程制冷劑從空氣中吸取熱量，這時蒸發(fā)器表面的霜層溫度近似等于蒸發(fā)溫度但都低于環(huán)境溫度。當(dāng)除霜時，制冷劑在空氣換熱器中開始被冷卻，制冷劑降溫同時將熱量經(jīng)過管壁傳給霜層和空氣，這時霜層開始吸熱融化。隨著制冷劑的繼續(xù)流動，制冷劑進一步降溫，這時制冷劑是否會因為放出潛熱而冷凝呢？從壓焓圖（圖2）上可以看到，制冷劑不冷凝的條件是空氣換熱器中制冷劑壓力所對應(yīng)的飽和溫度低于管外的霜層溫度。因為這時制冷劑沒有辦法將它的冷凝潛熱排放，最多制冷劑只能冷卻到和霜層溫度相等。正常制熱時，空氣換熱器表面霜層的溫度最低也只是近似等于這時換熱器中壓力所對應(yīng)的蒸發(fā)溫度。因此除霜時空氣換熱器中制冷劑不冷凝的條件是控制空氣換熱器中制冷劑壓力低于正常制熱運行時其制冷劑壓力即可。

而熱氣旁通容易造成除霜過程中壓縮機吸氣帶液，也就是說控制不住除霜過程中制冷劑在室外換熱器進行換熱的時候冷凝成液體，造成制冷劑冷凝以后進入壓縮機，對壓縮機傷害過大。而顯熱除霜則能夠很好的避免了這個問題的出現(xiàn)。

2.3 顯熱除霜技術(shù)的能量分析

顯熱除霜的能量來源為壓縮機對制冷劑所做的功和壓縮機殼體蓄熱量兩部分，熱氣旁通的能量來源也是壓縮機對制冷劑所做的功和壓縮機殼體蓄熱量兩部分，但是逆向循環(huán)除霜的能量來源除了壓縮機對制冷劑所做的功和壓縮機殼體蓄熱量兩部分外，還有從室內(nèi)環(huán)境或者說是目標(biāo)環(huán)境中吸收的一部分熱量。

圖1 樣機系統(tǒng)流程圖

圖2 顯熱除霜系統(tǒng)壓焓圖

圖3 顯熱除霜時電子膨脹閥控制框圖

顯熱除霜和熱氣旁通相比，制冷劑在通過節(jié)流機構(gòu)的時候壓力下降，溫度也下降，進行等焓節(jié)流，能量損失為與管壁的摩擦，但是節(jié)流后的溫降使得顯熱除霜在除霜時間上面應(yīng)該較熱氣旁通稍微長一些，不過從總體能量守恒方面理解，顯熱除霜和熱氣旁通除霜的來源和消耗相比，差別只有節(jié)流機構(gòu)的摩擦耗能，其他的都相等。

顯熱除霜和逆向除霜相比，除霜過程能量來源較逆向除霜要少，因為顯熱除霜的能量來源沒有室內(nèi)環(huán)境或者說是目標(biāo)環(huán)境中的熱量，但是逆向除霜就有，所以逆向除霜的能量來源較多，除霜速度較快，是這三種除霜方式中最快的一種。但是從總體來說，逆向除霜雖然速度快，但是吸收了室內(nèi)環(huán)境的熱量，這部分熱量還是要補充回來的。所以說，從整體上面來看，逆向除霜在時間方面的優(yōu)勢被打折扣了。特別是對于熱水機組，水的比熱大，除霜的時候放出的熱量多，除霜過后把熱水加熱到所需要的溫度的時候可能時間就會更長。

從整體的除霜過程的能量來源來看，顯熱除霜和熱氣旁通除霜的熱量來源都是壓縮機提供，但是循環(huán)除霜的能量來源不僅僅是壓縮機，長時間的話還有室外空氣中的部分能量。所以，從整體的能量來源來說，逆向除霜還是較顯熱除霜和熱氣旁通除霜的效率高的。但是其帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定性和室內(nèi)環(huán)境或者說是目標(biāo)環(huán)境的溫度波動是不可避免的。

從整個能效比方面來看，顯熱除霜過程和熱氣旁通除霜過程的能量來源追蹤到底還是電能，而逆向除霜的能量來源則有可能有室外環(huán)境中的一部分。要想提高能效比，除霜方面還是從抑制結(jié)霜和其他方法除霜效果來入手，如超聲波除霜。但是單單從這三個除霜方式來考慮，顯熱除霜還是有一定的優(yōu)越性的。

2.4 顯熱除霜的控制策略分析

關(guān)于顯熱除霜的控制方面，東南大學(xué)梁彩華老師給出了一個控制策略[1]。采取的是單輸入單輸出控制方案?？刂平Y(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3中：ST為機組狀態(tài)，Ps為顯熱除霜過程中蒸發(fā)器控制目標(biāo)設(shè)定的壓力差值，Tch為蒸發(fā)器出口翅片溫度，Po為蒸發(fā)器出口壓力，Pe為蒸發(fā)器翅片溫度所對應(yīng)的制冷劑飽和壓力與蒸發(fā)器實際壓力的差值，n’為控制系統(tǒng)輸出脈沖數(shù)，N’為電子膨脹閥的實際開度。具體的控制方案為:控制系統(tǒng)首先判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)ST，即是否啟動或停止顯熱除霜運行；確定系統(tǒng)設(shè)定的控制壓力差值Ps；同時采樣蒸發(fā)器出口的壓力Po和翅片溫度Tch，并計算出蒸發(fā)器翅片溫度所對應(yīng)的制冷劑飽和壓力與蒸發(fā)器實際壓力的差值Pe。根據(jù)制冷系統(tǒng)運行狀態(tài)推理出控制系統(tǒng)采用相應(yīng)的控制策略，同時根據(jù)Pe與Ps的偏差計算決策出電子膨脹閥的開度變化值n’傳送給驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊驅(qū)動電子膨脹閥將閥門打開到相應(yīng)的開度N’。

2.5 高校研究情況

國內(nèi)研究情況總體來說起步還是較早的，從05年就有人進行這方面的研究，06年就有部分研究成果，但是后續(xù)研究較少，并且應(yīng)用也不是很好。研究的延續(xù)性較差，近幾年很少有人進行這方面的研究，并且目前也沒有見到上市的顯熱除霜功能的產(chǎn)品。

2)缺陷來源統(tǒng)計：是按系統(tǒng)軟件使用時機進行統(tǒng)計，該統(tǒng)計分析主要反映軟件缺陷的來源分布，發(fā)現(xiàn)一些分布規(guī)律，進一步挖掘軟件測試深層次的問題。

（1）東南大學(xué)

東南大學(xué)是進入這個領(lǐng)域較早的教育科研機構(gòu)，主要是梁彩華副教授和張小松教授等人帶頭研究顯熱除霜[1-4]，2005年就有發(fā)表關(guān)于顯熱除霜的論文，并且申請專利，專利名稱為：空氣源熱泵冷熱水機組的除霜裝置，專利號：ZL200620072350.X。

梁彩華和張小松對顯熱除霜進行了理論分析[2]，并且做了實驗，該實驗的樣機為風(fēng)冷熱水機組，系統(tǒng)原理圖見圖1。結(jié)果（圖4、5）表明：顯熱除霜從理論和試驗都證明了顯熱除霜方式在節(jié)能、除霜時間和舒適性上優(yōu)越于逆向除霜方式。

（2）天津商業(yè)大學(xué)

天津商業(yè)大學(xué)、郭憲民、陶祥成等人在2009年提出了一種新的分組除霜方式[5]，該除霜方式和梁彩華、張小松的顯熱除霜原理相近，只不過是在雙排換熱器中間加入一個節(jié)流機構(gòu)，第一排為熱氣旁通除霜，第二排為顯熱除霜，這樣也就保證了除霜的時候制冷劑經(jīng)過第二排進入壓縮機之前不會冷凝成液體，從而保證壓縮機不會吸液。其原理圖如圖6。

郭憲民等人對這個技術(shù)進行了理論分析和實驗測試[5]，并得出以下結(jié)論：

（1）新型分組節(jié)流除霜方式的除霜時間，除霜耗功略小于逆循環(huán)除霜方式，而且除霜過程中不從空調(diào)空間吸收熱量，恢復(fù)制熱運行時供熱恢復(fù)速度快，因此對一空調(diào)房間溫度波動的影響較小。

（2）在除霜過程中，新型分組節(jié)流除霜方式的四通閥換向次數(shù)與逆循環(huán)除霜方式相同，但其系統(tǒng)壓力的波動幅度遠遠小于逆循環(huán)除霜方式，因此對系統(tǒng)的機械沖擊要小得多。

但是其缺點在專利上面并沒有提出來，并且從2009年提出以來，市場上面并沒有出現(xiàn)此類除霜方式的空調(diào)機組出來。

3 應(yīng)用于普通空調(diào)上面的技術(shù)難點

綜合考慮，顯熱除霜技術(shù)應(yīng)用到空調(diào)上面的技術(shù)難點是：

（1）結(jié)構(gòu)、控制邏輯較為復(fù)雜，優(yōu)點主要體現(xiàn)在熱水機組上面，在普通的家用空調(diào)上面優(yōu)點體現(xiàn)不是特別突出。

（2）除霜過程室內(nèi)中旁通管內(nèi)壓力大于等于正常制熱時室內(nèi)換熱器中的壓力，室外側(cè)換熱器中的壓力小于等于正常制熱時室外側(cè)換熱器內(nèi)的壓力，這樣對系統(tǒng)的牢固性有了更高的要求。

4 結(jié)論

（1）顯熱除霜是針對四通閥換向除霜方式的缺陷而提出的一種新型的除霜方法。顯熱除霜在保證正常除霜效果的同時，可以較大程度縮短除霜時間，避免四通閥換向除霜給制冷系統(tǒng)帶來的沖擊，消除“奔油”現(xiàn)象。除霜過程中對室內(nèi)環(huán)境影響較小，特別是對于熱水機組，優(yōu)點表現(xiàn)更為突出。

（2）目前顯熱除霜大部分處在理論研究水平，2005年出現(xiàn)有關(guān)顯熱除霜的論文和專利，但是最近兩年沒有相關(guān)的跟蹤研究論文出現(xiàn)。

（3）就目前的除霜方式來看，大部分還是用的四通閥換向除霜方式，沒有見到有顯熱除霜方式的空調(diào)出現(xiàn)，只是一些高校和研究機構(gòu)在進行這方面的研究。

（4）在成本方面，采用顯熱除霜在結(jié)構(gòu)上面就是加一個旁通管，成本稍有增加但增加不大。

（5）該項技術(shù)的難點和其他除霜方式的難點相似，主要為霜層物性參數(shù)的測量與除霜控制方面。結(jié)合環(huán)境的不同，單純的采用每隔一個時間段進行除霜的方式不能夠很好的滿足節(jié)能和舒適的要求。而根據(jù)霜層的厚度和生長規(guī)律來進行除霜控制則需要在硬件和軟件部分增加成本。

圖4 兩種除霜方式下送水溫度變化對比

圖5 兩種除霜方式回水溫度變化對比

圖6 分組除霜方式系統(tǒng)原理圖

[1] 梁彩華,張小松,徐國英. 顯熱除霜方式的過程控制與試驗. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報. 2008.40（12）.

[2] 梁彩華,張小松. 顯熱除霜方式的理論分析與試驗研究. 工程熱物理學(xué)報. 2006.27（4）.

[3] 梁彩華,張小松,徐國英. 顯熱除霜方式的能量分析與試驗研究. 東南大學(xué)學(xué)報. 2006.36（1）.

[4] 梁彩華, 張小松. 顯熱除霜方式與逆向除霜方式的對比試驗研究.制冷學(xué)報. 2005.26（1）.

[5] 付文成,郭憲民,陶祥成. 一種新型空氣源熱泵除霜方式的實驗研究. 制冷學(xué)報. 2009.30（3）.

[6] 郭憲民.空氣源熱泵結(jié)霜問題的研究現(xiàn)狀及進展（Ⅰ）.制冷與空調(diào). 2009.9（2）.

[7] 郭憲民.空氣源熱泵結(jié)霜問題的研究現(xiàn)狀及進展（Ⅱ）.制冷與空調(diào). 2009. 9（3）.