空氣源熱泵除霜技術研究進展

范來富 戴晶晶 曹先齊

摘要：空氣源熱泵作為一種節能、高效、簡單的環保裝置，具有較為廣泛的應用前景。但其在低溫、高濕環境下容易結霜，性能下降，限制了空氣源熱泵的進一步推廣應用。現總結了國內外學者對空氣源熱泵除霜技術的研究成果，指出了各種除霜技術存在的弊端，并對空氣源熱泵除霜技術的研究方向進行了展望。

關鍵詞：空氣源熱泵;逆循環除霜;熱氣旁通除霜;相變蓄能除霜

1 除霜技術研究的重要性

作為一種可利用大氣中低品位能源的節能型供熱空調設備，空氣源熱泵（air-source heat pump，ASHP）因具有節能、兼顧供冷供熱功能、使用靈活、所占空間小、利用效率高、環境友好等優點，在我國長江中下游地區、西南地區以及華南地區得到了廣泛應用[1]。然而，空氣源熱泵在冬季低溫、高濕工況下運行時，室外蒸發器表面容易結霜，霜層會增加傳熱熱阻，導致空氣流通截面積減小、流動阻力增加，使得空氣流量減少、增發溫度降低，機組制熱性能惡化，嚴重制約了空氣源熱泵的推廣應用[2]。目前，針對空氣源熱泵的結霜特性以及抑霜、除霜等問題，國內外學者開展了大量研究工作。Byuna等[3]對空氣源熱泵運行時的結霜狀況進行了監測，研究了最佳除霜時間。郭憲民等[4]重點研究了空氣源熱泵的結霜過程，提出了結霜三階段理論。范晨等[5]建立了熱泵系統結霜動態模型和顯熱除霜模型。本文在分析各除霜技術特點的基礎上，總結了逆循環除霜、熱氣旁通除霜和相變蓄能除霜等除霜技術的研究進展，旨在指出各除霜技術存在的問題，并給出進一步的研究建議。

2 除霜技術研究

逆循環除霜、熱氣旁通除霜、相變蓄能除霜是常見的3種除霜技術，其原理和存在問題各不相同。本節將重點介紹上述除霜技術，分析其優缺點，以期為各種除霜技術改進提供指導。

2.1? ? 逆循環除霜

逆循環除霜是目前使用范圍較為廣泛的一種除霜技術。當ASHP機組在逆循環除霜模式下運行時，其室外換熱器作為冷凝器，室內換熱器作為蒸發器，利用四通換向閥改變制冷劑的流向，即壓縮機出口的高溫高壓制冷劑氣體，直接進入室外側換熱器進行冷凝放熱，而非進入室內側換熱器，將放出的熱量用于除霜[6]。除了四通換向閥，逆循環除霜不需要其他復雜部件，具有系統簡單、技術成熟及成本低等優點。但該除霜方式也存在一些問題，如室內舒適度差、除霜時間長、能耗較高以及除霜能量來源不足等問題[7-8]。針對上述問題，國內外學者已開展了相關研究。Chen等[9]研究了室外空氣參數對逆循環除霜特性的影響，研究發現，隨著相對濕度的增加，系統能耗、除霜耗時、從室內攜帶的熱量呈下降趨勢。Song等[10]通過實驗研究了多回路盤管表面的融霜水流動對逆循環除霜性能的影響，發現相比熱力膨脹閥，采用電子膨脹閥作為節流裝置更容易縮短逆循環除霜時間[11]。

2.2? ? 熱氣旁通除霜

針對逆循環除霜導致的室內舒適性不足的問題，學者們提出了一種新型除霜技術——熱氣旁通除霜，即壓縮機與室外換熱器之間設置旁通管，通過開啟旁通電磁閥，使壓縮機排氣直接進入室外換熱器進行除霜。采用熱氣旁通除霜技術除霜時，室內換熱器側風機關閉，熱氣旁通除霜的熱量來源于壓縮機的耗功[12]，而非吸取室內的熱量。因此，相比于逆循環除霜，熱氣旁通除霜可保證室內的舒適性[13]。在熱氣旁路除霜的基礎上，付文成等[14]將室外換熱器分為前、后兩部分，分別作為除霜時的蒸發器和冷凝器。研究發現，與逆循環除霜相比，熱氣旁通除霜的能量利用效率高，除霜損失小。但Huang等[15]發現熱氣旁通除霜的時間較長，為逆循環除霜的2倍以上。為解決除霜時間長的問題，Kim等[16]提出了一種新型的雙熱氣旁通除霜法，在熱泵系統中加入了一個蓄熱裝置，雙熱氣旁通除霜系統壓縮機排氣溫度較高，除霜時間大幅縮短。

2.3? ? 相變蓄能除霜

上述逆循環除霜和熱氣旁通除霜都存在熱量來源不足的問題，有學者提出了一種蓄能除霜技術[17]，即在制熱模式下，將部分熱量蓄存起來，需要除霜時再將熱量釋放出來。曲明璐等[18]通過實驗研究了蓄能除霜模式對機組運行特性的影響，發現蓄能除霜有利于提高除霜過程中室內的熱舒適度及系統穩定性。為解決寒冷地區的機組除霜問題，唐雍博等[19]提出了一種復疊式空氣源熱泵相變蓄能除霜技術，可使機組在-9～-18 ℃低溫范圍內正常運行，并實現有效除霜，給室內側供熱。盡管帶蓄熱裝置的熱泵系統解決了除霜時的低位熱源問題，但并未解決除霜時系統仍需逆循環運行，室內換熱器無法持續供熱的問題[20]。因此，Zhang等提出了一種包裹壓縮機的蓄熱器，壓縮機工作時放出的熱量先由蓄熱器存儲起來，等需要除霜時再將熱量釋放出來。但該系統在夏季運行時，會影響壓縮機的散熱性能，導致排氣溫度過高，不利于機組安全運行。針對該問題，Liu等提出了一種壓縮機散熱蓄熱及冷卻系統。該系統的冬季模式與Zhang研究的系統類似，不同之處在于夏季制冷模式。其在制冷模式運行時，需同時運行熱水模式，再采用冷水將壓縮機蓄熱器儲存的熱量帶走。此外，還有學者提出利用蓄熱裝置儲存太陽能等多熱源的熱量，并用其加熱壓縮機，達到多熱源輔助除霜的效果。

3 結語

結霜是影響空氣源熱泵性能的關鍵問題之一，本文重點介紹了逆循環除霜、熱氣旁通除霜、相變蓄能除霜等除霜技術的研究進展，分析了各除霜技術存在的問題，以期為除霜技術的改進提供指導。（1）逆循環除霜裝置結構簡單、技術成熟，但除霜過程中存在室內舒適性較差、除霜能量來源不足等問題，建議配合使用蓄能除霜技術。（2）與逆循環除霜相比，熱氣旁通除霜可改善除霜過程的室內舒適度，但熱氣旁通除霜存在低位熱量不足的問題，并且其除霜的熱量來自壓縮機，除霜時間較長，需優化熱氣旁通除霜方式以縮短除霜時間。（3）蓄能除霜系統的除霜效果優于逆循環除霜和熱氣旁通除霜，但目前蓄熱器的蓄熱量較少，影響其進一步應用。因此，開發體積小、蓄熱能力強的蓄熱器，研究輔助熱源蓄熱技術對蓄能除霜技術的推廣至關重要。

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收稿日期：2020-09-17

作者簡介：范來富（1973—），男，江蘇淮安人，高級工程師，研究方向：電力營銷、綜合能源。