空氣源熱泵技術的研究進展

李慶金，王 輝

(際華(蕪湖)農業科技發展有限責任公司，安徽 蕪湖 241080)

0 引言

我國大多數家用空調器是空氣源熱泵型空調器，它的節能和環保性符合社會經濟發展需求，故空氣源熱泵技術的相關研究也越來越多。空氣源熱泵運行狀況不佳，影響其運行效果最主要的因素是空氣源熱泵的結霜、除霜和低溫適應性問題。研究數據表明，在-6℃～5℃且相對濕度基本穩定的氣象條件下，空氣源熱泵正常工作過程中最容易結霜的部位是室外換熱器。室外換熱器暴露在室外，由于氣候條件變化，其低溫適應性不強，導致無法正常工作，低溫條件下，結霜嚴重，無法高效平穩運行。尤其是在我國長江流域以南地區，雖然與北方相比，冬季溫度相對較高，但空氣源熱泵的結霜現象更為嚴重，無法保證空氣源熱泵的穩定性、可靠性、實用性，不利于市場推廣和應用。

1 空氣源熱泵結霜與除霜研究現狀

空氣源熱泵結霜問題如果不能有效地解決，將在一定程度上影響其正常運行。國內外許多專家學者都對空氣源熱泵的結霜和除霜問題進行了對比分析。

1.1 空氣源熱泵結霜研究

1.1.1 結霜理論研究

結霜過程是非常復雜的，分析影響結霜的因素可促進空氣源熱泵的推廣應用，為除霜和減少結霜現象提供科學理論基礎。孫玉清[1]等人建立的結霜數據物理模型主要基于三大理論，即氣象學理論、晶體動力學理論、成核理論。該模型在一定程度上對結霜現象起到了抑制作用。姚楊[2]則采用分步參數法，在充分利用熱質平衡與壓力平衡原理的基礎上，建立了空氣-空氣熱泵蒸發器的數學模型。清華大學電機系夏清[3]等人仔細觀察了結霜的整個過程，建立了著名的翅片管式蒸發器結霜工況下的數學模型。國外專家學者也從不同角度分析和研究結霜理論，并將理論與實踐相結合，對結霜與換熱器傳熱熱性之間的聯系進行了深層次研究。Kondepudi S.N.[4]等人就傳熱特性和結霜模型進行了詳細分析，翅片管換熱器結霜模型由此建立。

1.1.2 結霜實驗研究

翅片管式換熱器形狀呈集合圖案，結構比較復雜，許多因素都會加劇霜層增長速度和結霜的穩定性。從設計角度來看，換熱器復雜程度較高，因此換熱器結霜過程以實驗性研究為主。Kondepudi S.N.[4]對不同翅片結構對換熱器結霜狀態性能的影響進行了實驗，并對實驗結果進行了更深層次研究。吳曉敏[5]認為結霜速度與空氣流速有關，即空氣流速越大，冷水珠存續時間越長，凍結粒直徑就越大，這就加速了結霜現象的發生。

1.1.3 防止和延緩結霜的方法

影響結霜的因素有很多，其中室外換熱器周圍的空氣狀態與之有密切關系。部分學者對室外熱換器周圍環境參數進行了監控和研究，以了解其是否具有防止或延緩結霜現象發生的作用。Kondepudi S.N.[4]分析發現換熱器入口處可能影響換熱器結霜速度，因此在室外換熱器入口處裝置固體除濕劑，利用其來最大程度地降低入口處的含濕量，以發揮對結霜的抑制作用，延緩結霜現象的發生。但研究表明，固體除濕劑作用時間較短，隨著時間流逝，除濕劑吸收越來越不明顯，最終無法起到抑制結霜的作用。Wang S.W.[6]在蒸發器空氣入口處安裝了一個吸附床來減少入口空氣濕度，實現抑制結霜的目的。但吸附床受自然因素限制，在沒有陽光照射時，吸附床作用效果不明顯，這時就要依靠吸附床內的電加熱器來完成。為了防止和延緩結霜，人們從不同角度出發，做了大量研究工作，延緩結霜的技術也得到了優化升級。但影響空氣源熱泵結霜的因素有很多，不僅受技術條件制約，還受環境影響，因此研究工作進展比較緩慢。

1.2 空氣源熱泵除霜特性及控制方法研究

19世紀70年代，Sanders[7]建立了蒸發器除霜數學模型，此模型的建立為人們研究除霜問題奠定了模型基礎。Krakow K.I.[8]在此基礎上建立了霜層融化過程的數學物理模型，這個模型是迄今為止最接近實際的模型。國內也有許多學者進行了研究，黃虎[9]通過簡化蒸發器融霜過程，建立了霜層融化數學模型。韓志濤[10]建立了室外換熱器表面水蒸發動態模型，認為除霜的能源主要來自于壓縮機，壓縮機工作會產生一定能量，可利用該能量帶動室外換熱器工作。另外，常規除霜的能量還來源于供熱環境，供熱環境吸熱產生一定能量，二者占比基本一致。

除霜影響因素。在所有零部件中，能夠對融霜產生重要影響的裝置主要是高壓儲液器及相關的節流裝置。研究人員對電子膨脹閥及熱力膨脹閥的除霜過程進行對比分析發現，與熱力膨脹閥相比，電子膨脹閥能夠以更快速度進行融霜操作。部分學者認為，因缺少系統制冷劑，熱泵機組除霜效果較差，通過分析制冷劑補償器的優勢，提出用其代替高壓儲液器更能縮短除霜時間，提高除霜效率。

2 空氣源熱泵低溫適用性研究

低溫適用性是制約空氣源熱泵推廣應用的重要技術因素，要提升空氣源熱泵低溫適用性，主要有以下幾種方法。

2.1 改變蒸發器結構及運行環境溫度

為改變蒸發器結構及運行環境溫度，王鐵軍[11]等人提出了可行性措施，即將蒸發器迎風面積調大，增加防霜盤管，利用煤油和加熱輔助蒸發器來提高熱泵制熱量。

2.2 采用新型制冷工質

一些公司研制出了不同類型的空氣源熱泵系統，工作原理是利用該系統保證循環制冷劑的成分隨溫度的變化而變化。某家公司提出使用非共沸制冷劑，通過調整制冷劑成分來調節和改善空氣源熱泵低溫環境下的制熱性能，但這一工質目前還不成熟，需要技術人員對其進行深層次研發。

3 結語

目前，大部分研究是圍繞空氣源熱泵機組展開的，能夠延緩室外換熱器結霜的技術仍不完善，實際應用條件還不是很充足。應考慮熱泵的低溫適應性及結霜、除霜問題，并考慮室外換熱器表面結霜問題，確保空氣源泵機組可實現全天穩定運行。