空氣源熱泵新型除霜技術(shù)及智能除霜策略

胡斌，王如竹?，駱名文，張光鵬，陳文強(qiáng)，楊國忠

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

0 引言

隨著國際節(jié)能減排政策的大力推進(jìn)，空氣源熱泵在我國的應(yīng)用日益廣泛[1]。特別是在北方“煤改電”工程的大力建設(shè)中，以空氣源熱泵為主的供熱方式，其供熱效率高，綠色又節(jié)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(chǔ)生活設(shè)施，而且大大提高了居民的生活質(zhì)量，有顯著的大氣污染物和溫室氣體協(xié)同減排效果[2]，有效解決了因冬季供熱而造成的環(huán)境污染問題，代表了冬季分散式供熱的發(fā)展方向，有著廣闊的發(fā)展前景。

當(dāng)空氣源熱泵中蒸發(fā)器表面溫度低于水的冰點(diǎn)溫度和空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，水蒸氣在蒸發(fā)器表面上凝結(jié)形成霜層，大量堆積的霜層會(huì)堵塞翅片間的空氣流動(dòng)通道，增大空氣側(cè)的換熱熱阻，導(dǎo)致蒸發(fā)器的傳熱性能降低，蒸發(fā)器風(fēng)扇功耗增加[3-4]。要消除這些影響，蒸發(fā)器翅片表面的霜層需及時(shí)除去，在傳統(tǒng)熱泵制冷系統(tǒng)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(huán)除霜是通過四通換向閥的換向，將原來的制熱過程轉(zhuǎn)換為制冷過程，制冷熱泵系統(tǒng)通過從室內(nèi)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(shè)備，除霜時(shí)間短，但在除霜運(yùn)行時(shí)，需要從熱源側(cè)內(nèi)吸熱，降低了室內(nèi)環(huán)境舒適性，換向閥需頻繁換向，易磨損且噪音較大，系統(tǒng)參數(shù)變化較大。黃東等[5]研究了不同節(jié)流機(jī)構(gòu)對(duì)逆循環(huán)除霜時(shí)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(shí)的節(jié)流機(jī)構(gòu)，在一臺(tái)名義制熱量為 55 kW的空氣源熱泵冷熱水機(jī)組上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。張駿等[6]通過理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)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(diǎn)的方法。QU等[7]分析指出，逆向循環(huán)除霜因?yàn)椴僮鞣奖?，不需要其他輔助設(shè)備，除了會(huì)引起室內(nèi)溫度的波動(dòng)和消耗一定功耗外，沒有其他任何問題，是目前空調(diào)系統(tǒng)中廣泛采用的除霜方式。HU等[8]提出了一種改進(jìn)的空氣源熱泵逆循環(huán)除霜方法，并對(duì)該除霜方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的逆向循環(huán)除霜方法相比，改進(jìn)的逆向循環(huán)除霜方法能夠縮短 3分鐘或 38%的除霜時(shí)間。DING等[9]指出在傳統(tǒng)的逆向循環(huán)除霜方法中，吸氣管路儲(chǔ)液和熱力膨脹閥反應(yīng)滯后是除霜結(jié)束后系統(tǒng)不能順利恢復(fù)到加熱模式的兩個(gè)主要原因，如果采用旁通電磁閥則可解決這個(gè)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(tǒng)逆向循環(huán)除霜時(shí)電子膨脹閥開度對(duì)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(huán)除霜效果的關(guān)鍵。DONG等[11]對(duì)逆向循環(huán)除霜過程中的熱量供應(yīng)和能源消耗進(jìn)行了研究，得出了熱泵系統(tǒng)逆向循環(huán)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(jī)排氣通過旁通回路引入室外換熱器進(jìn)行除霜，提高了室內(nèi)舒適性，減小了系統(tǒng)壓力變化，并且除霜結(jié)束后能馬上吹出熱風(fēng)。但除霜的能量還是來源于壓縮機(jī)，除霜過程能量耗損較大，除霜時(shí)間比逆循環(huán)除霜要長(zhǎng)。黃東等[12]采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱氣旁通除霜時(shí)間比逆循環(huán)除霜長(zhǎng)，但不影響房間的舒適性。劉清江等[13]對(duì)熱氣旁通除霜的研究發(fā)現(xiàn)，電磁閥的選取對(duì)除霜時(shí)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(shí)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(huán)式除霜管路系統(tǒng)和控制方法，分析不同除霜系統(tǒng)的特點(diǎn)，指出了選擇合適的自動(dòng)除霜控制閥件重要性。對(duì)氨制冷裝置的設(shè)計(jì)、安裝、節(jié)能運(yùn)行、安全控制和管理有指導(dǎo)作用。

空氣源熱泵常用的除霜方式在除霜時(shí)存在以下問題：底盤產(chǎn)生的積冰影響融霜水正常排出；除霜時(shí)蒸發(fā)器換熱效率低，除霜時(shí)間長(zhǎng)；啟動(dòng)時(shí)，待機(jī)機(jī)組上的積雪易損壞風(fēng)機(jī)；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的除霜間隔和除霜時(shí)間與實(shí)際環(huán)境不符，導(dǎo)致化霜頻繁和無霜化霜的現(xiàn)象。

本文集合蒸發(fā)器防積冰技術(shù)、大流量除霜技術(shù)、防積雪技術(shù)和智能除霜控制技術(shù)，有效解決了機(jī)組除霜時(shí)底盤結(jié)冰、除霜時(shí)間長(zhǎng)、積雪損壞風(fēng)機(jī)的問題。根據(jù)機(jī)組運(yùn)行環(huán)境的溫度和濕度變化，控制系統(tǒng)智能化選擇合適的除霜方案，實(shí)現(xiàn)機(jī)組高效除霜和正常運(yùn)行。

1 除霜關(guān)鍵技術(shù)

1.1 防積冰除霜技術(shù)

空氣源熱泵在除霜過程中底盤會(huì)產(chǎn)生積冰，影響融霜水排除。為此，利用防積冰技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)蒸發(fā)器流路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(yùn)行時(shí)，最下方支路無冷媒通過；除霜運(yùn)行時(shí)，熱態(tài)冷媒流經(jīng)此支路。將此技術(shù)在GB/T 25127.1-2010《低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組》[16]的超高濕度除霜工況下進(jìn)行有效性驗(yàn)證。

連續(xù)高濕度除霜實(shí)驗(yàn)效果如圖2所示。由圖可知，采用防積冰技術(shù)的蒸發(fā)器在制熱運(yùn)行時(shí)，即使上部出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)霜，最下部流路翅片也無結(jié)霜現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谥茻徇\(yùn)行時(shí)，冷媒無法通過蒸發(fā)器最后一路，此路蒸發(fā)器翅片不會(huì)因?yàn)槔涿秸舭l(fā)吸熱而降溫，防止了結(jié)霜現(xiàn)象的發(fā)生。除霜運(yùn)行時(shí)，熱態(tài)冷媒流經(jīng)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(yīng)用確保了底盤無結(jié)冰，以及融霜水的順利排出。

圖1 防積冰技術(shù)結(jié)構(gòu)

圖2 防積冰技術(shù)實(shí)施效果

1.2 大流量技術(shù)

采用定頻壓縮機(jī)的空氣源熱泵在除霜過程中會(huì)產(chǎn)生高低壓差小、冷媒循環(huán)量低等問題。為此，大流量技術(shù)增加了節(jié)流部件。如圖3所示，將電子膨脹閥（EXV）、毛細(xì)管與單向閥進(jìn)行并聯(lián)。制熱運(yùn)行時(shí)，單向閥處于截止?fàn)顟B(tài)。除霜運(yùn)行時(shí)，若循環(huán)水溫較低，系統(tǒng)關(guān)閉除霜電磁閥，避免除霜時(shí)套管蒸發(fā)器內(nèi)的水無法提供足夠的熱量而造成系統(tǒng)回液或循環(huán)水凍結(jié)；若水溫較高，系統(tǒng)開啟除霜電磁閥，冷媒可同時(shí)通過單向閥、主回路電子膨脹閥（EXV）和毛細(xì)管進(jìn)入套管蒸發(fā)器，此時(shí)系統(tǒng)冷媒循環(huán)量增加，蒸發(fā)器換熱效率提高。

圖3 大流量除霜節(jié)流部件示意圖

圖4 為大流量除霜與常規(guī)除霜系統(tǒng)除霜時(shí)套管換熱器冷媒進(jìn)出口溫度對(duì)比。由圖可見，采用常規(guī)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(shí)快速升高。與常規(guī)除霜方式相比，大流量技術(shù)的除霜時(shí)間約縮短了 1/3。這是因?yàn)椋捎么罅髁砍夹g(shù)時(shí)，隨著系統(tǒng)冷媒流量的增加，系統(tǒng)冷媒的循環(huán)動(dòng)力增加，循環(huán)阻力減小，從而蒸發(fā)器的換熱效率和系統(tǒng)除霜速率得到顯著提高。

1.3 防積雪控制技術(shù)

空氣源熱泵與環(huán)境直接接觸的主要部件有翅片換熱器和室外機(jī)的風(fēng)機(jī)。若機(jī)組在冰雪天氣長(zhǎng)時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)，電機(jī)和風(fēng)葉會(huì)被積雪覆蓋甚至被凍結(jié)，再次啟動(dòng)時(shí)風(fēng)機(jī)可能會(huì)被損壞。為提升機(jī)組運(yùn)行可靠性，采用了防積雪控制技術(shù)，根據(jù)環(huán)境參數(shù)選擇不同方案斷續(xù)運(yùn)行風(fēng)機(jī)，及時(shí)清除低溫環(huán)境下待機(jī)機(jī)組風(fēng)機(jī)上的積雪。

圖4 大流量除霜與常規(guī)除霜套管換熱器冷媒進(jìn)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(zhǔn)合適的除霜控制邏輯；針對(duì)使用過程中存在的除霜工況，本文設(shè)計(jì)了智能的除霜控制邏輯，確保在任何使用場(chǎng)景中都能準(zhǔn)確化霜。

機(jī)組結(jié)霜主要與環(huán)境參數(shù)和翅片表面溫度（蒸發(fā)溫度）有關(guān)，除霜過程供熱能力下降會(huì)影響末端供熱效果?；厮疁囟仁欠从钞?dāng)前末端熱負(fù)荷的重要參數(shù)，本智能除霜控制邏輯將環(huán)境溫度Ta、蒸發(fā)溫度Te、回水溫度Th作為輸入?yún)?shù)。根據(jù)輸入?yún)?shù)智能選擇除霜方案，保證除霜效果的同時(shí)最大程度降低除霜對(duì)末端舒適性的影響。

需要除霜的工況包括運(yùn)行時(shí)除霜、初次開機(jī)除霜和長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)后重啟的預(yù)除霜。對(duì)于后兩種情況，機(jī)組表面或有冰雪覆蓋，通過Ta和Te判斷是否需要預(yù)除霜，確保機(jī)組運(yùn)行時(shí)無積雪或積冰。

機(jī)組運(yùn)行時(shí)會(huì)頻繁除霜，因此需要設(shè)計(jì)精確的除霜控制邏輯?？刂七壿嫷闹攸c(diǎn)在于何時(shí)進(jìn)入和退出除霜，其中進(jìn)入除霜的判定條件更為重要。根據(jù)Ta、Te、Th的狀態(tài)和變化特點(diǎn)精確分區(qū)，設(shè)計(jì)了12種除霜方案供程序自動(dòng)選擇，確保徹底除霜的同時(shí)也避免無霜化霜、有霜不除的問題，整個(gè)除霜邏輯如圖5所示。

圖5 智能除霜控制邏輯

蒸發(fā)溫度Te是影響結(jié)霜的直接因素，因此機(jī)組先對(duì)Te低于除霜判定溫度TDefrost的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，判斷是否超過結(jié)霜判定時(shí)間tDefrost。超過tDefrost時(shí)，對(duì)Te的下降速率Te_V進(jìn)行判斷，防止出現(xiàn)無霜化霜的情況，如果Te_V大于判定值D_V，說明此時(shí)翅片表面已經(jīng)結(jié)了較厚的霜，且還在持續(xù)結(jié)霜，即可進(jìn)入除霜。當(dāng)Te_V＜D_V時(shí)，說明此時(shí)翅片結(jié)了一定的霜，但是否需要除霜要根據(jù)末端的供熱情況以及環(huán)境溫度的變化情況進(jìn)行判定，確保末端的穩(wěn)定供熱。針對(duì)此情況，先根據(jù)回水溫度進(jìn)行分區(qū)，當(dāng)回水溫度Th>Th-1（55 ℃），進(jìn)入分區(qū) 1；當(dāng)回水溫度Th-1（55 ℃）≥Th>Th-2（45 ℃），進(jìn)入分區(qū) 2；當(dāng)回水溫度Th-2（45℃）≥Th，則進(jìn)入分區(qū)3。再選擇相應(yīng)的分區(qū)方案，每個(gè)分區(qū)有4種進(jìn)入除霜的具體判定方案，總計(jì) 12個(gè)除霜方案，通過這種方式準(zhǔn)確定位當(dāng)前工況的除霜方式，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)行工況的精準(zhǔn)除霜。

在分區(qū)方案中，以環(huán)境溫度Ta的變化趨勢(shì)和所處的區(qū)間選擇相應(yīng)方案，以分區(qū)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(duì)末端供熱的影響，當(dāng)除霜時(shí)間達(dá)到10 min即退出除霜；當(dāng)除霜時(shí)間低于10 min時(shí)，以回水溫度和蒸發(fā)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(qū)

表1 除霜4種方案的判定條件

為驗(yàn)證除霜邏輯的準(zhǔn)確性，本文開展了大量實(shí)驗(yàn)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(jī)組在環(huán)境溫度相對(duì)較高但相對(duì)濕度較低時(shí)的除霜狀況，此工況下回水溫度最高，除霜時(shí)機(jī)組處于高蒸發(fā)溫度、低冷凝溫度、低壓縮比、高冷媒流量的大負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，必須保證系統(tǒng)的壓力、溫度、電流等參數(shù)在合理的范圍內(nèi)。

超高濕度噴霧除霜是為了模擬機(jī)組在環(huán)境溫度接近冰點(diǎn)、相對(duì)濕度最高（100%）、下凍雨（雨?。r(shí)的除霜狀況。此工況下機(jī)組處于關(guān)機(jī)狀態(tài)也會(huì)在蒸發(fā)器翅片上結(jié)冰。同時(shí)設(shè)置最低出水溫度，制造最惡劣的結(jié)霜工況。在這種工況下，除霜控制邏輯必須要能保證機(jī)組除霜徹底，運(yùn)行參數(shù)在合理范圍內(nèi)。超高濕度噴霧除霜實(shí)驗(yàn)通過霧化裝置向蒸發(fā)器噴射低于 2 ℃的水霧，模擬雨夾雪天氣過程，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 超高濕度除霜實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在最惡劣的除霜工況下，機(jī)組仍能夠徹底除霜且保持正常運(yùn)行，驗(yàn)證了智能除霜邏輯的準(zhǔn)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(shí)間20%～50%，極大提升了空氣源熱泵的制熱能效。

3 結(jié)論

為了改善空氣源熱泵在不同溫濕度工況下結(jié)霜情況，本文提出防結(jié)冰技術(shù)、大流量技術(shù)、防積雪控制技術(shù)與智能化除霜控制邏輯來進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。研究表明，采用以上技術(shù)能有效改善空氣源熱泵采暖機(jī)組的除霜性能，提高室內(nèi)環(huán)境的舒適度。

1）采用防結(jié)冰技術(shù)，通過優(yōu)化蒸發(fā)器流路，確保系統(tǒng)在除霜過程中底盤無結(jié)冰現(xiàn)象產(chǎn)生，保證了除霜水的快速排出。

2）采用大流量技術(shù)，通過增加系統(tǒng)冷媒循環(huán)量，提高了蒸發(fā)器的換熱效率，使除霜時(shí)間縮短了約1/3。

3）采用防積雪技術(shù)，通過選擇風(fēng)機(jī)不同的斷續(xù)運(yùn)行方案，確保待機(jī)過程中風(fēng)機(jī)不出現(xiàn)積雪，保障機(jī)組的正常運(yùn)行。

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