空氣源熱泵機組融霜性能研究現狀★

楊雅鑫 毛瑞勇 胡 澄 程麗莉 劉 鵬

(貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

基于逆卡諾循環原理的熱泵技術，實現了低溫熱源向高溫熱源的熱量轉移過程，提高了一次能源的利用效率,是主要的空調節能技術之一。其中，因空氣源熱泵技術具有初投資低、系統形式簡單，運行管理便捷，被廣泛應用于中央空調系統。

但是，冬季空氣源熱泵機組制熱工況下，室外機換熱盤管結霜，導致熱交換效果下降，制熱效率衰減,嚴重時會損壞壓縮機。

因此，許多學者在結霜、抑霜和除霜等方面，開展了大量的研究工作。

1 結霜

1.1 結霜過程

結霜過程分為結晶生長期，霜層生長期，霜層充分生長期三個時期。姚楊[1]根據質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，建立了結霜模型，并推導出結霜量變化率公式如下:

1.2 霜層特性

目前，國內外主要從霜密度、霜層厚度、導熱系數、傳熱系數、熱流密度等方面，開展對霜層特性的分析研究。

Tao[2]和Gall[3]利用半經驗公式建立數學模型，認為霜經歷生長、融化和再生長過程后，會導致霜密度增加。M Kandula[4]建模實驗分析認為，風速越大，霜的致密化情況越嚴重。D Kim[5]建立平板CFD流場模型預測結霜認為，湍流流場下濕度與霜凍的密度成正比。DK Yang[6]建模預測結霜研究認為，無霜比有霜的換熱率增加17%。

在21世紀初期，HL Sang[7]和M Qu[8]開展了蒸發器盤管模型研究，分析認為相對濕度主要影響了霜的厚度，同時沿盤管向下流動的融霜水，對蒸發器表面的除霜有不利影響。這兩種模型由于是在室外換熱器盤管表面建模，更具廣泛適用性。

2 抑霜

目前，抑霜方法除常規方法，如室外換熱器設一用一備[9,10]和蒸發器表面處理[11,12]等，還包括以下幾種。

2.1 壓縮機選擇

20世紀90年代中期，DW Nutter[13]與V Payne[10]都做了關于活塞式壓縮機與渦旋式壓縮機的性能對比試驗，得出活塞式壓縮機的制冷劑質量流量增大，更有利于抑霜。總體上壓縮機形式對抑霜的影響較小。

2.2 翅片結構

通過改變風側換熱器翅片管結構來進行抑霜。張哲[14]通過改變室外換熱器的蒸發器翅片管結構分析認為，選取蒸發器盤管的管排數要適當，過多或者過少的管排數都不利于蒸發器運行。K Kim[15]和F Wang[16]在R Watters[17]的研究基礎上，通過實驗結果，認為改變蒸發器結構對室外側換熱器結霜有所改善，但翅片管形式不是影響蒸發器結霜的主要因素。

2.3 制冷劑流量調節

由于風冷熱泵機組設計參數是在制冷工況下選擇的，而制熱工況時的制冷劑流量低于在制冷工況下所需制冷劑流量，故而從調節制冷劑流量上進行抑霜[18]。Z Yang[19，20]在前人基礎上于2013年對制冷劑的流量分配分別進行實驗研究和建模分析，得出制冷劑的流量不均將更容易導致蒸發器盤管結霜。Y Ding[21]通過加入旁通電磁閥改善管內制冷劑流量分配進行除霜研究之后，Z Gao[22]則通過對電子膨脹閥調節，調節管內制冷劑流量分配，改善結霜問題。

3 除霜

3.1 風量調節除霜

1999年，黃虎等人采用增加空氣流量，即增大室外側蒸發器換熱量，從而大大縮短除霜時間[23,24]。

3.2 蓄能裝置除霜法

韓志濤等人[25]提出在熱氣除霜系統中加設一個蓄能器，用以收集系統正常工作下產生的余熱，使其作為熱泵除霜工況下的低位熱源，從根本上解決了熱氣除霜時能量來源不足的問題。實驗對比表明蓄能除霜效果較好。因蓄能器及蓄熱介質使用存在能耗原因，應用也受到一定限制。

3.3 室內外雙傳感器除霜法

黃虎[26]通過檢測室外(內)的環境內溫度及蒸發器(冷凝器)盤管表面溫度的差值為依據進行除霜。

3.4 模糊智能控制除霜

黃虎[27]建立除霜過程的仿真數學模型，試驗測定結果與數學模擬結果相符，證明該法具有一定可實施性。類似方法還有定時控制法、時間—溫度法、空氣壓差除霜控制法等。

3.5 逆循環除霜

通過調節四通轉向閥，將熱泵機組從制熱模式切換至制冷模式，此時室外側換熱器盤管表面溫度升高，達到融霜的目的；該方法操作方便，可行性較強；除霜期間，需從室內吸收熱量，人體舒適度較差。

3.6 熱氣旁通除霜

黃虎[26,27]在逆循環除霜的基礎上，通過使用短管與熱力膨脹閥的對比實驗，得出使用短管比使用熱力膨脹閥在除霜性能方面更為優越。黃東[28]利用旁通銅管及熱力膨脹閥的對比試驗，得出旁通銅管比熱力膨脹閥除霜及融霜時間短，除霜效果更好。

4 結論

1)數學模型分析與實驗結果存在差異；

2)對換熱盤管的建模和實驗相對較少；

3)現有研究未能從根本上解決除霜問題，有待進一步開展設備研發。