空氣源熱泵結(jié)霜及除霜問題探討

桂 超

(新鄉(xiāng)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

近些年來，我國北方霧霾天氣嚴(yán)重，冬季采暖期更是霧霾天氣頻繁的時(shí)期，化石燃料的燃燒是導(dǎo)致霧霾的主要原因。空氣源熱泵污染物排放較少且能耗較低，符合我國節(jié)能減排的發(fā)展方向，對(duì)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(yùn)行時(shí)，室外蒸發(fā)器外表面溫度低于0 ℃，且低于空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，室外換熱器表面會(huì)結(jié)霜。霜層減弱了空氣與制冷劑之間的流動(dòng)傳熱，隨著換熱的不斷進(jìn)行且傳熱能力的不斷惡化，蒸發(fā)溫度持續(xù)降低，嚴(yán)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(jié)霜問題尤為明顯，因此緩解結(jié)霜以及快速融霜對(duì)空氣源熱泵的推廣應(yīng)用有重要的意義。

1 空氣源熱泵抑制結(jié)霜問題研究

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

冷卻除濕的方法直接有效，利用除濕機(jī)的原理在空氣進(jìn)入蒸發(fā)器前進(jìn)行冷卻除濕再升溫，其最大缺點(diǎn)是表冷器的表面溫度只能在0 ℃以上，否則表冷器會(huì)因結(jié)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(jìn)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(fù)為原來的濃溶液，可繼續(xù)進(jìn)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(shí)間無霜連續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)COP隨空氣濕度增大還略有增加，彌補(bǔ)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(jìn)一步研究[3]。

另外有專家研究對(duì)換熱器表面進(jìn)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(yīng)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(shí)間大大延長，且傳熱效率提高約5%[4]。劉清江等在自然對(duì)流條件下對(duì)疏水表面和普通金屬表面結(jié)霜進(jìn)行對(duì)比研究，證明疏水表面霜層疏松，有利于延緩初始結(jié)霜時(shí)間[5]。王洪燕等將研制的強(qiáng)吸水性材料用在換熱器表面，并進(jìn)行結(jié)霜研究。研究結(jié)果顯示，涂層材料具有明顯的抑制結(jié)霜的效果，在延長初始結(jié)霜的時(shí)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(jié)霜，水分子具有很強(qiáng)的極性，結(jié)霜是一個(gè)傳熱傳質(zhì)過程，適度的電場磁場力或超聲波會(huì)影響結(jié)霜速度，且同時(shí)影響霜晶的強(qiáng)度。Tudor等通過實(shí)驗(yàn)研究直流電場對(duì)霜層的生長的影響，在電場作用下，會(huì)形成細(xì)長的針狀霜晶，而突然撤去電場時(shí)，霜晶會(huì)脫落[7]。勾昱君等在磁場條件下對(duì)結(jié)霜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，無磁性冷表面首先發(fā)生液滴凍結(jié)，在結(jié)霜初期，具有磁性表面的霜層厚度較小，表面磁場對(duì)結(jié)霜具有一定的抑制效果[8]。李棟等在自然對(duì)流條件下施加頻率為20 kHz的超聲波，觀察平板表面結(jié)霜現(xiàn)象，并與未施加超聲波的冷表面進(jìn)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(jié)霜[9]。

還可通過其他方法緩解空氣源熱泵結(jié)霜。王洋等通過增大蒸發(fā)器的面積來緩解結(jié)霜，并在我國西北、東北、華北、華東、華中等地區(qū)進(jìn)行測(cè)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(jié)霜時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)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(duì)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(jié)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(duì)于空氣源熱泵來說，結(jié)霜在一定程度上是不可避免的，為了保證機(jī)組的正常運(yùn)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(jī)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(jì)，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(jī)排出的高溫制冷劑，由旁通回路引入室外換熱器進(jìn)行除霜。蓄能除霜法是空氣源熱泵工作時(shí)，在為高溫側(cè)提供熱量的基礎(chǔ)上同時(shí)為蓄熱裝置儲(chǔ)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(shí)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(yùn)行的問題，提高系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的運(yùn)行效率。

馬素霞等對(duì)相變蓄熱蒸發(fā)型空氣源熱泵進(jìn)行試驗(yàn)研究，在-25 ℃和-30 ℃的低溫下運(yùn)行，COP分別達(dá)到了2.00和1.94，壓縮機(jī)排氣溫度也顯著降低[11]。張杰等對(duì)逆循環(huán)除霜、熱氣旁通除霜及蓄能除霜三種除霜方式進(jìn)行比較，研究結(jié)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(fù)正常供熱。逆循環(huán)除霜法的排氣壓力相對(duì)最低且室內(nèi)溫度變化最大，但除霜時(shí)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(gè)四通閥、兩個(gè)室外換熱器、兩個(gè)節(jié)流設(shè)備，其中一臺(tái)換熱器需要除霜時(shí)，另一臺(tái)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(tái)換熱器的除霜，這樣會(huì)加快其本身的結(jié)霜速度，且工作效率會(huì)比正常情況下更低。因此改進(jìn)后的系統(tǒng)擁有兩臺(tái)壓縮機(jī)，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(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)，除霜模式下利用低級(jí)壓縮循環(huán)進(jìn)行除霜，同時(shí)高級(jí)壓縮側(cè)依然進(jìn)行制熱，在-30 ℃的蒸發(fā)溫度下除霜時(shí)，系統(tǒng)的COP比傳統(tǒng)的逆向除霜技術(shù)高28%，除霜的可靠性也有所增加。雙級(jí)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(jié)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(duì)房間舒適性影響較小，但除霜時(shí)間較長。涂層材料在一定程度上可以達(dá)到抑制結(jié)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(jìn)一步研究。蓄能法除霜在一定程度上取得了不錯(cuò)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(jí)壓縮系統(tǒng)可很大程度提高除霜效果，但設(shè)備成本投入較大，限制了其大范圍推廣應(yīng)用。因此更加簡單、可靠、高效的除霜方法還有待進(jìn)一步研究。