空氣源熱泵機(jī)組除霜問(wèn)題分析

宋藝早 威海環(huán)眾新能源有限公司

一、單模式除霜方法

單模式除霜方法指運(yùn)行設(shè)備只采用一種除霜手段或者單一熱源進(jìn)行除霜。這種方法根據(jù)使用除霜能量的類型大致可以分為兩種：熱力型除霜和非熱力型除霜。

（一）熱力型除霜

霜層形成之后，通過(guò)提高蒸發(fā)器表面或者周圍空氣溫度，融化霜層。依據(jù)能量來(lái)源的不同方式，分成內(nèi)部能源除霜和外部能源除霜，內(nèi)部能量除霜。除霜能量來(lái)源于壓縮機(jī)，如逆循環(huán)除霜，熱氣旁通除霜，過(guò)冷蓄熱除霜等。逆循環(huán)除霜是較為普遍的一種除霜模式，但它存在以下問(wèn)題：①逆向運(yùn)行過(guò)程蒸發(fā)器與冷凝器相互轉(zhuǎn)換，與正向運(yùn)行工況相差較大，壓縮機(jī)與逆向循環(huán)匹配度較低，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率低；②逆向運(yùn)行導(dǎo)致制冷劑流量降低，增加除霜時(shí)間；③機(jī)組除霜后期，室外側(cè)常出現(xiàn)無(wú)法完成冷凝的情況，可能會(huì)造成壓縮機(jī)停機(jī)保護(hù)；④逆循環(huán)除霜期間，會(huì)降低室內(nèi)的熱舒適性。熱氣旁通除霜方法是隨著控制技術(shù)和制造技術(shù)的不斷精進(jìn)而出現(xiàn)。相比逆循環(huán)除霜，該除霜方法不會(huì)對(duì)室內(nèi)熱舒適產(chǎn)生影響，其運(yùn)行系統(tǒng)也較為穩(wěn)定，原因是其除霜運(yùn)行和制熱運(yùn)行是并列運(yùn)行，但熱氣旁通法需要除霜時(shí)間較多，在并行過(guò)程中吸氣過(guò)熱度為0℃左右，會(huì)使排氣溫度和過(guò)熱度不斷降低，可能危及壓縮機(jī)的安全。從設(shè)計(jì)角度考慮，室內(nèi)負(fù)荷相同情況下，熱氣旁通除霜法需要的機(jī)組要大于逆循環(huán)機(jī)組，會(huì)增加設(shè)備初期投資。此外，熱氣旁通除霜的效果還受到控制機(jī)制、電子膨脹閥的開(kāi)度和旁通閥的影響。研究證明合理的配置電子膨脹閥和旁通閥可以縮短除霜時(shí)間和降低除霜能耗，以及采用結(jié)霜拐點(diǎn)控制法可以進(jìn)一步完善熱氣旁通除霜控制邏輯。

（二）非熱力型除霜

非熱力除霜，利用物化手段直接干預(yù)霜層成形和生長(zhǎng)，使霜層更加容易去除。當(dāng)下研究手段包括外加超聲波場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和疏水涂層除霜法。這種類型的除霜方式在除霜工況下，均不會(huì)對(duì)室內(nèi)熱舒適性產(chǎn)生影響。超聲波除霜手段主要是會(huì)影響冷壁面液滴的形狀和大小。超聲波會(huì)明顯減小水滴、霜晶體的體積，特定的超聲波頻率可以增加約70%的液滴脫除率，間斷性使用超聲波可以降低除霜耗能。外加電場(chǎng)除霜，利用了電場(chǎng)會(huì)影響水分子擴(kuò)散，電場(chǎng)會(huì)讓水分子有規(guī)律地進(jìn)行排布，電場(chǎng)的不間斷和間斷施加可以使冷壁面形成針形霜晶并自行掉落。電場(chǎng)種類有很多，但有一定除霜效果的不多，其中有高壓靜電場(chǎng)和掃頻高壓電場(chǎng)；且各有優(yōu)勢(shì)。外加磁場(chǎng)除霜采用磁場(chǎng)會(huì)對(duì)霜層成形、生成過(guò)程以及霜晶形態(tài)產(chǎn)生影響，使其液滴更加均勻、結(jié)構(gòu)更加松散，便于去除。疏水涂層除霜主要研究特征是其表面接觸角。疏水涂層表面的水珠分布比較疏散，霜晶核生成時(shí)間相對(duì)一般平面較晚。隨著研究的不斷深入，疏水涂層應(yīng)用仿生學(xué)，將涂層表面接觸角度[54-55]從90°突破到了162°。非熱力除霜相對(duì)熱力除霜在大規(guī)模應(yīng)用方面還不成熟，成本造價(jià)也相對(duì)較高。

二、抑霜方法

霜層在風(fēng)冷機(jī)組蒸發(fā)器壁面上形成時(shí)，除了濕度和溫度，還有其他很多的影響因素影響，例如成核因子、風(fēng)速、氣壓等。一些學(xué)者從結(jié)霜源頭進(jìn)行研究，意圖抑制或者減緩霜層的生長(zhǎng)。現(xiàn)階段研究思路有：①改變供熱流體物理狀態(tài)；②優(yōu)化室外換熱器結(jié)構(gòu)。供熱流體大多數(shù)情況下為室外空氣，冷壁面霜層實(shí)際上是室外空氣中水分子析出到冷壁面，然后受到管內(nèi)制冷劑和空氣共同影響而形成霜晶。在這個(gè)過(guò)程中有兩個(gè)關(guān)鍵因子：水蒸氣和成核因子。霜晶形成需要水蒸氣和成核因子。可溶性微粒就是良好的成核因子之一，采用凈化空氣和增大風(fēng)速來(lái)減小可溶性微粒的影響。對(duì)于降低水蒸氣比例，常見(jiàn)手段有進(jìn)口氣體通過(guò)吸附床來(lái)降低相對(duì)濕度和采用親水涂層等。采用吸附床除濕技術(shù)的關(guān)鍵是吸附床可再生，有采用太陽(yáng)能-電加熱再生系統(tǒng)，也有采用儲(chǔ)存于相變材料中的冷凝熱。除此除霜手段，還存在一種鹽溶液換熱系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在空氣和蒸發(fā)器中增加了一種鹽溶液換熱介質(zhì)，鹽溶液介質(zhì)將空氣中熱量傳遞給制冷劑，并且有系統(tǒng)使用過(guò)冷熱再生溶液。這2 種方法雖然可以有效抑制霜層的形成，但是與太陽(yáng)能除霜方法一樣需要增加額外的系統(tǒng)，造成系統(tǒng)體積臃腫、控制復(fù)雜。親水涂層直接附著于蒸發(fā)器表面，與吸附床相比，系統(tǒng)體積大幅降低。親水涂層可以吸附水蒸氣和成核因子來(lái)抑制霜層形成，其吸附大量水分的同時(shí)也儲(chǔ)存了部分潛冷量，這樣可以提高在涂層內(nèi)水的冰點(diǎn)溫度。把親水涂層的冰點(diǎn)溫度做到-20℃。此外，親水涂層的耐久性和穩(wěn)定性隨著研究不斷深入得以提高。當(dāng)涂層吸水量飽和時(shí)，對(duì)比親水涂層與疏水涂層對(duì)霜層的影響，可以發(fā)現(xiàn)親水涂層結(jié)霜時(shí)間和厚度比疏水涂層程度輕，然而其霜層密度要大于疏水涂層。通過(guò)分析，親水涂層在一定程度內(nèi)可以有效地抑制霜層，但在相對(duì)濕度較大的地區(qū)其除霜效果還不理想。此外還存在針對(duì)太陽(yáng)能涂層的研究，在蒸發(fā)器外壁面附著選擇吸收性太陽(yáng)能親水涂層可有效提高蒸發(fā)器表面溫度，抑制霜層生成。抑霜方法在一定程度上可以緩解蒸發(fā)器表面結(jié)霜情況，也可以穩(wěn)定機(jī)組運(yùn)行工況。此外霜層也受到迎面風(fēng)速和氣壓的影響，風(fēng)速越大霜層生成速度越慢，氣壓越低霜層越稀薄，需要注意的是采用該方法到達(dá)除霜效果會(huì)致成本和噪聲的增加。室外換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化是為了延緩霜層生長(zhǎng)或者降低霜層對(duì)管翅片換熱器的影響。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化會(huì)受到不同地區(qū)、不同氣候類型的影響。研究表明，蒸發(fā)器面積增加一倍時(shí)，各個(gè)地區(qū)的平均蒸發(fā)溫度約上升2.5℃，結(jié)霜時(shí)間減少5.21%～82.96%，不同地區(qū)應(yīng)該有相應(yīng)的翅片設(shè)計(jì)間距，以減緩霜層對(duì)換熱的影響。抑霜方法造價(jià)較高，對(duì)系統(tǒng)造成影響較小，且在結(jié)霜初期有較好的抑霜效果。

三、逆循環(huán)除霜

逆循環(huán)除霜是目前使用范圍較為廣泛的一種除霜技術(shù)。當(dāng)ASHP 機(jī)組在逆循環(huán)除霜模式下運(yùn)行時(shí)，其室外換熱器作為冷凝器，室內(nèi)換熱器作為蒸發(fā)器，利用四通換向閥改變制冷劑的流向，即壓縮機(jī)出口的高溫高壓制冷劑氣體，直接進(jìn)入室外側(cè)換熱器進(jìn)行冷凝放熱，而非進(jìn)入室內(nèi)側(cè)換熱器，將放出的熱量用于除霜。除了四通換向閥，逆循環(huán)除霜不需要其他復(fù)雜部件，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟及成本低等優(yōu)點(diǎn)。但該除霜方式也存在一些問(wèn)題，如室內(nèi)舒適度差、除霜時(shí)間長(zhǎng)、能耗較高以及除霜能量來(lái)源不足等問(wèn)題。

四、結(jié)束語(yǔ)

結(jié)霜是影響空氣源熱泵性能的關(guān)鍵問(wèn)題之一，本文重點(diǎn)分析了各除霜技術(shù)存在的問(wèn)題，以期為除霜技術(shù)的改進(jìn)提供指導(dǎo)。