空氣源熱泵新型除霜技術及智能除霜策略

胡斌，王如竹?，駱名文，張光鵬，陳文強，楊國忠

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-廣東美的制冷設備有限公司，廣東佛山 528311）

0 引言

隨著國際節能減排政策的大力推進，空氣源熱泵在我國的應用日益廣泛[1]。特別是在北方“煤改電”工程的大力建設中，以空氣源熱泵為主的供熱方式，其供熱效率高，綠色又節能，居民供熱成本大幅降低。不但可以完善我國北方居民基礎生活設施，而且大大提高了居民的生活質量，有顯著的大氣污染物和溫室氣體協同減排效果[2]，有效解決了因冬季供熱而造成的環境污染問題，代表了冬季分散式供熱的發展方向，有著廣闊的發展前景。

當空氣源熱泵中蒸發器表面溫度低于水的冰點溫度和空氣的露點溫度時，水蒸氣在蒸發器表面上凝結形成霜層，大量堆積的霜層會堵塞翅片間的空氣流動通道，增大空氣側的換熱熱阻，導致蒸發器的傳熱性能降低，蒸發器風扇功耗增加[3-4]。要消除這些影響，蒸發器翅片表面的霜層需及時除去，在傳統熱泵制冷系統中，最常用的除霜方法就是逆向除霜和熱氣旁通除霜。

逆向循環除霜是通過四通換向閥的換向，將原來的制熱過程轉換為制冷過程，制冷熱泵系統通過從室內吸收熱量排到室外換熱器上，使換熱器表面的霜層融化。這種方法不需要增加其他設備，除霜時間短，但在除霜運行時，需要從熱源側內吸熱，降低了室內環境舒適性，換向閥需頻繁換向，易磨損且噪音較大，系統參數變化較大。黃東等[5]研究了不同節流機構對逆循環除霜時間的影響；用一根外徑為22 mm的旁通銅管及熱力膨脹閥分別作為除霜時的節流機構，在一臺名義制熱量為 55 kW的空氣源熱泵冷熱水機組上進行了實驗研究。張駿等[6]通過理論分析與實驗研究相結合的方法，提出了利用最大平均制熱量法快速確定最佳除霜起始點的方法。QU等[7]分析指出，逆向循環除霜因為操作方便，不需要其他輔助設備，除了會引起室內溫度的波動和消耗一定功耗外，沒有其他任何問題，是目前空調系統中廣泛采用的除霜方式。HU等[8]提出了一種改進的空氣源熱泵逆循環除霜方法，并對該除霜方法進行了實驗研究，實驗結果表明：與傳統標準的逆向循環除霜方法相比，改進的逆向循環除霜方法能夠縮短 3分鐘或 38%的除霜時間。DING等[9]指出在傳統的逆向循環除霜方法中，吸氣管路儲液和熱力膨脹閥反應滯后是除霜結束后系統不能順利恢復到加熱模式的兩個主要原因，如果采用旁通電磁閥則可解決這個問題。QU等[10]采用電子膨脹閥（EEV）代替了熱力膨脹閥（TXV），研究了空氣源熱泵系統逆向循環除霜時電子膨脹閥開度對除霜性能的影響，指出電子膨脹閥開度是影響空氣源熱泵逆向循環除霜效果的關鍵。DONG等[11]對逆向循環除霜過程中的熱量供應和能源消耗進行了研究，得出了熱泵系統逆向循環除霜的除霜效率范圍。

熱氣旁通除霜不需要切換四通閥，直接將壓縮機排氣通過旁通回路引入室外換熱器進行除霜，提高了室內舒適性，減小了系統壓力變化，并且除霜結束后能馬上吹出熱風。但除霜的能量還是來源于壓縮機，除霜過程能量耗損較大，除霜時間比逆循環除霜要長。黃東等[12]采用對比實驗發現，熱氣旁通除霜時間比逆循環除霜長，但不影響房間的舒適性。劉清江等[13]對熱氣旁通除霜的研究發現，電磁閥的選取對除霜時間和除霜效果有直接的影響；選用阻力小的電磁閥，可以減少除霜時間，提高除霜效果。占文等[14-15]論述了熱氨除霜的基本原理和控制邏輯，介紹了直接膨脹式和液體再循環式除霜管路系統和控制方法，分析不同除霜系統的特點，指出了選擇合適的自動除霜控制閥件重要性。對氨制冷裝置的設計、安裝、節能運行、安全控制和管理有指導作用。

空氣源熱泵常用的除霜方式在除霜時存在以下問題：底盤產生的積冰影響融霜水正常排出；除霜時蒸發器換熱效率低，除霜時間長；啟動時，待機機組上的積雪易損壞風機；根據經驗設定的除霜間隔和除霜時間與實際環境不符，導致化霜頻繁和無霜化霜的現象。

本文集合蒸發器防積冰技術、大流量除霜技術、防積雪技術和智能除霜控制技術，有效解決了機組除霜時底盤結冰、除霜時間長、積雪損壞風機的問題。根據機組運行環境的溫度和濕度變化，控制系統智能化選擇合適的除霜方案，實現機組高效除霜和正常運行。

1 除霜關鍵技術

1.1 防積冰除霜技術

空氣源熱泵在除霜過程中底盤會產生積冰，影響融霜水排除。為此，利用防積冰技術對傳統蒸發器流路進行了優化設計。如圖1所示，在冷媒分配器輸出管最下方流路增加單向閥。制熱運行時，最下方支路無冷媒通過；除霜運行時，熱態冷媒流經此支路。將此技術在GB/T 25127.1-2010《低環境溫度空氣源熱泵（冷水）機組》[16]的超高濕度除霜工況下進行有效性驗證。

連續高濕度除霜實驗效果如圖2所示。由圖可知，采用防積冰技術的蒸發器在制熱運行時，即使上部出現嚴重結霜，最下部流路翅片也無結霜現象。這是因為在制熱運行時，冷媒無法通過蒸發器最后一路，此路蒸發器翅片不會因為冷媒蒸發吸熱而降溫，防止了結霜現象的發生。除霜運行時，熱態冷媒流經此支路，增加了換熱面積，加快除霜速度。因此，防積冰單向閥的應用確保了底盤無結冰，以及融霜水的順利排出。

圖1 防積冰技術結構

圖2 防積冰技術實施效果

1.2 大流量技術

采用定頻壓縮機的空氣源熱泵在除霜過程中會產生高低壓差小、冷媒循環量低等問題。為此，大流量技術增加了節流部件。如圖3所示，將電子膨脹閥（EXV）、毛細管與單向閥進行并聯。制熱運行時，單向閥處于截止狀態。除霜運行時，若循環水溫較低，系統關閉除霜電磁閥，避免除霜時套管蒸發器內的水無法提供足夠的熱量而造成系統回液或循環水凍結；若水溫較高，系統開啟除霜電磁閥，冷媒可同時通過單向閥、主回路電子膨脹閥（EXV）和毛細管進入套管蒸發器，此時系統冷媒循環量增加，蒸發器換熱效率提高。

圖3 大流量除霜節流部件示意圖

圖4 為大流量除霜與常規除霜系統除霜時套管換熱器冷媒進出口溫度對比。由圖可見，采用常規除霜和大流量除霜的套管換熱器冷媒溫度分別在t=120 s和t=80 s時快速升高。與常規除霜方式相比，大流量技術的除霜時間約縮短了 1/3。這是因為，采用大流量除霜技術時，隨著系統冷媒流量的增加，系統冷媒的循環動力增加，循環阻力減小，從而蒸發器的換熱效率和系統除霜速率得到顯著提高。

1.3 防積雪控制技術

空氣源熱泵與環境直接接觸的主要部件有翅片換熱器和室外機的風機。若機組在冰雪天氣長時間處于待機狀態，電機和風葉會被積雪覆蓋甚至被凍結，再次啟動時風機可能會被損壞。為提升機組運行可靠性，采用了防積雪控制技術，根據環境參數選擇不同方案斷續運行風機，及時清除低溫環境下待機機組風機上的積雪。

圖4 大流量除霜與常規除霜套管換熱器冷媒進出口溫度

2 智能化的除霜控制邏輯

空氣源熱泵除霜還需要精準合適的除霜控制邏輯；針對使用過程中存在的除霜工況，本文設計了智能的除霜控制邏輯，確保在任何使用場景中都能準確化霜。

機組結霜主要與環境參數和翅片表面溫度（蒸發溫度）有關，除霜過程供熱能力下降會影響末端供熱效果。回水溫度是反映當前末端熱負荷的重要參數，本智能除霜控制邏輯將環境溫度Ta、蒸發溫度Te、回水溫度Th作為輸入參數。根據輸入參數智能選擇除霜方案，保證除霜效果的同時最大程度降低除霜對末端舒適性的影響。

需要除霜的工況包括運行時除霜、初次開機除霜和長時間待機后重啟的預除霜。對于后兩種情況，機組表面或有冰雪覆蓋，通過Ta和Te判斷是否需要預除霜，確保機組運行時無積雪或積冰。

機組運行時會頻繁除霜，因此需要設計精確的除霜控制邏輯。控制邏輯的重點在于何時進入和退出除霜，其中進入除霜的判定條件更為重要。根據Ta、Te、Th的狀態和變化特點精確分區，設計了12種除霜方案供程序自動選擇，確保徹底除霜的同時也避免無霜化霜、有霜不除的問題，整個除霜邏輯如圖5所示。

圖5 智能除霜控制邏輯

蒸發溫度Te是影響結霜的直接因素，因此機組先對Te低于除霜判定溫度TDefrost的時間進行統計，判斷是否超過結霜判定時間tDefrost。超過tDefrost時，對Te的下降速率Te_V進行判斷，防止出現無霜化霜的情況，如果Te_V大于判定值D_V，說明此時翅片表面已經結了較厚的霜，且還在持續結霜，即可進入除霜。當Te_V＜D_V時，說明此時翅片結了一定的霜，但是否需要除霜要根據末端的供熱情況以及環境溫度的變化情況進行判定，確保末端的穩定供熱。針對此情況，先根據回水溫度進行分區，當回水溫度Th>Th-1（55 ℃），進入分區 1；當回水溫度Th-1（55 ℃）≥Th>Th-2（45 ℃），進入分區 2；當回水溫度Th-2（45℃）≥Th，則進入分區3。再選擇相應的分區方案，每個分區有4種進入除霜的具體判定方案，總計 12個除霜方案，通過這種方式準確定位當前工況的除霜方式，實現復雜運行工況的精準除霜。

在分區方案中，以環境溫度Ta的變化趨勢和所處的區間選擇相應方案，以分區1方案為例，4種具體的除霜方案選擇方式如圖6所示。

退出除霜的判定同樣要考慮除霜的效果以及對末端供熱的影響，當除霜時間達到10 min即退出除霜；當除霜時間低于10 min時，以回水溫度和蒸發溫度的變化情況作為判定條件，滿足條件即可退出除霜。

圖6 智能除霜方案分區

表1 除霜4種方案的判定條件

為驗證除霜邏輯的準確性，本文開展了大量實驗研究。濕度是影響除霜的重要因素，低濕度除霜是為了模擬機組在環境溫度相對較高但相對濕度較低時的除霜狀況，此工況下回水溫度最高，除霜時機組處于高蒸發溫度、低冷凝溫度、低壓縮比、高冷媒流量的大負載運轉狀態，必須保證系統的壓力、溫度、電流等參數在合理的范圍內。

超高濕度噴霧除霜是為了模擬機組在環境溫度接近冰點、相對濕度最高（100%）、下凍雨（雨凇）時的除霜狀況。此工況下機組處于關機狀態也會在蒸發器翅片上結冰。同時設置最低出水溫度，制造最惡劣的結霜工況。在這種工況下，除霜控制邏輯必須要能保證機組除霜徹底，運行參數在合理范圍內。超高濕度噴霧除霜實驗通過霧化裝置向蒸發器噴射低于 2 ℃的水霧，模擬雨夾雪天氣過程，實驗參數如表2所示。

表2 超高濕度除霜實驗工況

實驗結果表明，在最惡劣的除霜工況下，機組仍能夠徹底除霜且保持正常運行，驗證了智能除霜邏輯的準確性。與普通空氣源熱泵相比，使用智能除霜控制邏輯的空氣源熱泵可縮短除霜時間20%～50%，極大提升了空氣源熱泵的制熱能效。

3 結論

為了改善空氣源熱泵在不同溫濕度工況下結霜情況，本文提出防結冰技術、大流量技術、防積雪控制技術與智能化除霜控制邏輯來進行系統優化。研究表明，采用以上技術能有效改善空氣源熱泵采暖機組的除霜性能，提高室內環境的舒適度。

1）采用防結冰技術，通過優化蒸發器流路，確保系統在除霜過程中底盤無結冰現象產生，保證了除霜水的快速排出。

2）采用大流量技術，通過增加系統冷媒循環量，提高了蒸發器的換熱效率，使除霜時間縮短了約1/3。

3）采用防積雪技術，通過選擇風機不同的斷續運行方案，確保待機過程中風機不出現積雪，保障機組的正常運行。

4）采用智能除霜技術，通過分析環境溫度、蒸發溫度、回水溫度的變化特點，智能分區，精確選擇合適的除霜方案，確保除霜效果的同時最大程度減小對末端供熱的影響。