空氣源熱泵系統(tǒng)無霜化及除霜方法概述

(1 江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003； 2 西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 西安 710049； 3 南通華信中央空調(diào)有限公司 南通 226014)

熱泵裝置因能回收低品位熱能來滿足供熱需求，已成為一種全球廣泛關(guān)注和應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)。根據(jù)低品位熱能形式的不同，可分為空氣源熱泵、地源熱泵、水源熱泵等。其中，空氣源熱泵因具有獲取能源方便、性能穩(wěn)定、安裝使用便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛使用，如家用空調(diào)和熱泵熱水器等。

空氣源熱泵系統(tǒng)冬季運(yùn)行時(shí)，受環(huán)境空氣溫濕度的影響，室外換熱器表面會(huì)結(jié)霜，不斷積聚的霜層會(huì)阻礙盤管間的空氣流動(dòng)，削弱換熱性能，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)和制熱量減小[1-2]。為保障空氣源熱泵系統(tǒng)的冬季運(yùn)行效率，尤其房間空調(diào)器的舒適性與穩(wěn)定性，需要采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄒ种茡Q熱器表面結(jié)霜，或進(jìn)行周期性除霜。本文對換熱器表面結(jié)霜條件及其融霜過程進(jìn)行闡述，并結(jié)合國內(nèi)外科研人員對空氣源熱泵無霜及除霜技術(shù)的研究結(jié)果，概述不同方法原理與特點(diǎn)，尤其近年來興起的相變蓄熱在熱泵系統(tǒng)除霜技術(shù)中的應(yīng)用。

1 結(jié)霜條件

空氣源熱泵系統(tǒng)室外換熱器表面結(jié)霜需同時(shí)滿足兩個(gè)條件：1)換熱器表面溫度低于0 ℃；2)換熱器表面溫度低于環(huán)境空氣的露點(diǎn)溫度。室外換熱器表面溫度取決于環(huán)境溫度影響下的制冷劑蒸發(fā)溫度，而空氣的露點(diǎn)溫度則受相對濕度的影響，所以空氣溫、濕度成為熱泵系統(tǒng)室外換熱器表面結(jié)霜與否的主要判斷依據(jù)。

王劍峰等[3]研究表明：空氣溫度為-5～5 ℃，相對濕度>70%的氣候條件下，室外換熱器表面最易結(jié)霜；當(dāng)空氣溫度<-5 ℃時(shí)，即使相對濕度很高，空氣中的含濕量也僅為2～3 g/(kg干空氣)，不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重結(jié)霜。井上宇市[4]通過實(shí)驗(yàn)研究指出：可能結(jié)霜的氣象參數(shù)范圍為-12.8 ℃≤環(huán)境溫度≤5.8 ℃，相對濕度≥67%，空氣溫度>5.8 ℃時(shí)，可不考慮結(jié)霜對熱泵的影響；空氣溫度<5.8 ℃，但相對濕度<67%時(shí)，由于空氣露點(diǎn)溫度<室外換熱器表面溫度，不會(huì)發(fā)生結(jié)霜；當(dāng)濕球溫度<-12.8 ℃時(shí)，由于空氣含濕量過小，也不會(huì)發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象。當(dāng)結(jié)霜條件得到滿足，會(huì)經(jīng)過：冷凝水滴、冰層、霜晶、霜枝、霜層的結(jié)霜過程，隨著熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行，霜層厚度也隨之增長[5]。

2 空氣源熱泵無霜化方法

空氣源熱泵無霜化的方法，是從破壞上述結(jié)霜條件出發(fā)，調(diào)節(jié)流經(jīng)室外換熱器表面的空氣溫度和濕度。改變空氣濕度主要是為了降低空氣的露點(diǎn)溫度，常用方法有：

1)利用沸石和活性炭構(gòu)成固體干燥劑吸附床[6]，或在傳統(tǒng)翅片管換熱器的表面涂干燥劑(硅膠)[7]。這類方法的主要缺點(diǎn)是：干燥劑吸水能力會(huì)隨時(shí)間逐漸削弱，必須采用有效的方法對干燥劑進(jìn)行再生。

2)利用液體除濕原理，室外環(huán)境溫濕度處于結(jié)霜區(qū)時(shí)，向室外換熱器的翅片管噴灑低凝固點(diǎn)的吸水性防凍溶液；通過調(diào)節(jié)噴淋液溫度，還可提高換熱器表面溫度[8]。由于噴淋系統(tǒng)的附加能耗，根據(jù)該方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其COP略低于常規(guī)系統(tǒng)的COP。

此外，還有壓縮除濕、冷卻除濕、熱管除濕和轉(zhuǎn)輪除濕等技術(shù)[9]，但因各自的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用限制，未能有效用于實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵系統(tǒng)的無霜化。如空氣壓縮-冷卻析水-再加熱的壓縮除濕，除濕過程有較高的能耗，不僅會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)龐大復(fù)雜、增加初投資，還會(huì)降低系統(tǒng)的COP。

針對固體干燥劑的再生，可用的方法有：1)室外設(shè)置雙換熱器，其中一個(gè)主要對空氣預(yù)除濕，另一個(gè)對吸附劑進(jìn)行再生[10]；2)將蓄熱裝置引入雙室外換熱器的熱泵系統(tǒng)[11]，如圖1所示，熱水箱放熱后的氣、液兩相制冷劑進(jìn)入蓄熱裝置繼續(xù)釋放熱量變?yōu)檫^冷液體，一次節(jié)流后進(jìn)入除濕換熱器，二次節(jié)流后進(jìn)入室外換熱器吸熱蒸發(fā)；當(dāng)干燥劑需再生時(shí)，熱水箱流出的氣、液兩相制冷劑則直接進(jìn)入除濕換熱器和室外換熱器內(nèi)冷凝放熱，對固體干燥劑進(jìn)行再生，隨后制冷劑液體經(jīng)膨脹閥進(jìn)入蓄熱裝置吸熱蒸發(fā)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的COP，但干燥劑再生率僅為72.7%。

圖1 新型無霜空氣源熱泵熱水器原理Fig.1 The principle of a new frost-free air source heat pump water heater

為提高流經(jīng)換熱器表面的空氣溫度，K. Kwak等[12]將原用于室內(nèi)機(jī)的輔助電加熱器置于室外換熱器進(jìn)風(fēng)口。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法可避免換熱器表面結(jié)霜，并能改善系統(tǒng)制熱量及性能。此外，還可通過換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)置(圖2)讓制冷劑周期性流入各換熱管內(nèi)，利用由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)破壞霜層的形成過程，進(jìn)而避免換熱器表面結(jié)霜[13]。

圖2 無霜型空氣源熱泵室外換熱器Fig.2 The frost-free air source heat pump outdoor heat exchanger

3 空氣源熱泵除霜方法

對于常規(guī)空氣源熱泵，為保障在低溫、高濕度環(huán)境下的工作性能，必須進(jìn)行周期性除霜。根據(jù)除霜能量的來源，可將除霜方法分為：利用熱能使霜層融化的熱力除霜，以及采用非加熱手段完成除霜的非熱力除霜。

目前各類空氣源熱泵產(chǎn)品中普遍應(yīng)用的是熱力除霜方法，除霜過程中，熱量除了用于霜層融化，還需將換熱器表面殘留的霜層融化蒸發(fā)，且不可避免的會(huì)向環(huán)境空氣中散失。K. I. Krakow等[14-16]對除霜過程中的熱力分配進(jìn)行了研究，結(jié)果均表明：因換熱器結(jié)構(gòu)的不同，除霜過程中熱量利用率約為25%～59%，大量的熱量會(huì)散失到環(huán)境空氣中。Liu Zhongliang等[17-20]從室外換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及表面涂層角度出發(fā)，提出了不同優(yōu)化除霜效率的方法，但均無法完全克服熱量散失的問題，便嘗試?yán)酶郊油鈭鲞M(jìn)行抑霜或除霜，即非熱力除霜技術(shù)的開發(fā)。下文將重點(diǎn)對非熱力除霜方法以及從熱力循環(huán)角度對熱力除霜方法進(jìn)行概括。

3.1 非熱力除霜方法

非熱力除霜方法主要包括高壓電場除霜和超聲波除霜[5]。高壓電場除霜法是利用外加電場破壞霜晶的成長實(shí)現(xiàn)除霜。在電場作用下，電極間的氣體會(huì)發(fā)生微放電現(xiàn)象并產(chǎn)生電荷，電荷會(huì)在霜晶上積聚，建立一個(gè)與外加電場方向相反的電場，使霜晶受到由換熱器表面向外的電場力，進(jìn)而破壞已形成的霜晶。霜晶的破碎存在固有頻率，當(dāng)施加的交流電場頻率等于或接近霜晶破碎的固有頻率時(shí)，會(huì)發(fā)生共振，霜晶就會(huì)從換熱器表面脫落，達(dá)到除霜的目的[21]。

超聲波除霜法也是依據(jù)共振原理，利用霜晶和超聲波之間的共振效應(yīng)，達(dá)到除霜的目的[22]。國外研究人員從力學(xué)角度對超聲波除霜法進(jìn)行了解釋：翅片管換熱器在高頻受迫振動(dòng)下，其結(jié)霜部位激發(fā)的剪切應(yīng)力值遠(yuǎn)大于結(jié)霜的黏附應(yīng)力，且在霜晶根部激發(fā)的彎矩可將部分霜晶體從根部折斷[23]。

上述兩種非熱力除霜方法雖然已有了初步的實(shí)研究，并證實(shí)了其可行性與節(jié)能性[24-26]，但仍存在一定的技術(shù)問題。如高壓電場除霜法的放電設(shè)備功率與熱泵系統(tǒng)的匹配控制、電極材料的絕緣性問題[27]；超聲波除霜法的基冰層無法除盡的問題[22]。所以該類除霜方法仍處于研究階段。

3.2 熱力除霜方法

根據(jù)是否設(shè)置蓄熱裝置，本文將所介紹的熱力除霜方法劃分為非蓄熱熱力除霜與蓄熱熱力除霜，重點(diǎn)闡述各自的運(yùn)行原理與特點(diǎn)，同時(shí)對蓄熱裝置采用的蓄熱材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸納。

3.2.1非蓄熱熱力除霜

非蓄熱熱力除霜方法主要包括電加熱除霜、逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜[5]以及一種新型的熱水融霜[28]。電加熱除霜法是在室外換熱器上布置電阻式加熱元器件，直接利用電能進(jìn)行除霜。因?yàn)殡娂訜嵯到y(tǒng)與熱泵系統(tǒng)相對獨(dú)立，除霜能力不受環(huán)境工況和機(jī)組性能影響，具有較高的可靠性，但主要缺點(diǎn)是除霜過程能耗較高。該方法目前只作為現(xiàn)代熱泵產(chǎn)品輔助除霜方法，用于保證惡劣環(huán)境工況下熱泵系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

熱水除霜是一種新型除霜方法，如圖3所示，通過在室外換熱器上方安裝一個(gè)與換熱器形狀相似的化霜裝置，該裝置內(nèi)設(shè)置電加熱棒、水泵、抽水管、電子水位探測計(jì)、電子水溫計(jì)和電磁閥。制熱模式下，利用電加熱棒加熱化霜裝置內(nèi)的水至設(shè)定溫度，除霜時(shí)打開電磁閥使裝置內(nèi)的熱水在重力作用下流過室外換熱器表面進(jìn)行除霜，化霜后的水積存在換熱器底部的水盤內(nèi)，再通過水泵送回化霜裝置內(nèi)進(jìn)行加熱。使用該方法進(jìn)行除霜的優(yōu)勢在于可以實(shí)現(xiàn)熱泵系統(tǒng)的不停機(jī)除霜和持續(xù)制熱。

圖3 熱水融霜的空氣源熱泵系統(tǒng)原理Fig.3 The principle of an air source heat pump system with hot water defrost device

逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜是目前廣泛使用的兩種熱力除霜方法，其中逆循環(huán)除霜法是通過四通換向閥，將系統(tǒng)由制熱模式切換至制冷模式，使壓縮后的制冷劑氣體進(jìn)入室外換熱器釋放熱量用于除霜，冷凝后經(jīng)節(jié)流閥流過室內(nèi)換熱器，再經(jīng)氣液分離器后進(jìn)入壓縮機(jī)；熱氣旁通除霜方法同樣是利用壓縮蒸氣的熱量進(jìn)行除霜，與逆循環(huán)除霜法不同，無需切換四通換向閥，而是在壓縮機(jī)排氣與室外換熱器之間增設(shè)一旁通管路，壓縮氣體流過室外換熱器釋放熱量后直接進(jìn)入氣液分離器。

根據(jù)逆循環(huán)和熱氣旁通除霜方法的原理可知，逆循環(huán)除霜法中除霜熱量來自室內(nèi)換熱器表面余熱和壓縮機(jī)做功，而熱氣旁通除霜方法中除霜熱量僅來自壓縮機(jī)做功，所以其除霜時(shí)間比逆循環(huán)除霜法長，但整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)系統(tǒng)的COP優(yōu)于逆循環(huán)除霜[29]，且壓縮機(jī)的吸、排氣壓力波動(dòng)范圍小[30]。此外，逆循環(huán)除霜還存在四通換向閥切換導(dǎo)致的噪音問題及高低壓部分切換后容易出現(xiàn)“奔油”現(xiàn)象。兩種除霜方法除霜過程中，室內(nèi)換熱器的風(fēng)機(jī)均需停機(jī)，除霜結(jié)束后室內(nèi)換熱器表面溫度達(dá)到一定值后才能開啟風(fēng)機(jī)恢復(fù)供熱。

為了提高逆循環(huán)及熱氣旁通除霜法的除霜效率、縮短除霜時(shí)間，保障熱泵系統(tǒng)的制熱性能，學(xué)者們提出了不同的改進(jìn)措施。逆循環(huán)除霜法的改進(jìn)是在四通換向閥和室外換熱器之間增設(shè)一個(gè)制冷劑補(bǔ)償器[31]，通過增大除霜模式下循環(huán)制冷劑流量，進(jìn)而增加壓縮氣體的放熱量來實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，制熱循環(huán)時(shí)會(huì)有部分制冷劑液體從室內(nèi)換熱器流入補(bǔ)償器的儲(chǔ)液腔內(nèi)，除霜模式時(shí)，這部分制冷劑將從補(bǔ)償器流入室內(nèi)換熱器。

圖4 制冷劑補(bǔ)償型空氣源熱泵系統(tǒng)原理Fig.4 The principle of a refrigerant compensation type air source heat pump system

熱氣旁通除霜的綜合性能優(yōu)于逆循環(huán)除霜，其研究工作主要集中于如何通過系統(tǒng)改進(jìn)來縮短除霜時(shí)間。圖5所示為一種能持續(xù)供熱的空氣源熱泵系統(tǒng)，將電加熱與熱氣旁通相結(jié)合，除霜時(shí)，使壓縮后的制冷劑氣體一部分經(jīng)旁通管路節(jié)流后進(jìn)入室外換熱器除霜，另一部分繼續(xù)進(jìn)入室內(nèi)換熱器實(shí)現(xiàn)不停機(jī)供暖[32]，同時(shí)開啟電加熱器作為臨時(shí)蒸發(fā)器，提供制冷劑蒸發(fā)的吸熱量。這種方法雖然有效，但僅適用于制熱量<5 kW的系統(tǒng)，否則電加熱設(shè)備尺寸加大，熱氣旁通除霜效果也會(huì)下降。

圖5 一種能持續(xù)供熱的空氣源熱泵系統(tǒng)原理Fig.5 The principle of a non-stop heating air source heat pump

另一種有效的方法是將室外換熱器分段控制使用，結(jié)合熱氣旁通除霜法實(shí)現(xiàn)不停機(jī)制熱循環(huán)[32]，若將圖5中的電加熱器看作室外換熱器其中的一段，便是一個(gè)兩段式室外換熱器的系統(tǒng)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)每次僅一段換熱器處于除霜狀態(tài)，其他部分仍參與制熱循環(huán)，每部分除霜旁通路進(jìn)口由單獨(dú)的電磁閥進(jìn)行控制。為了克服除霜狀態(tài)下參與循環(huán)的制冷劑流量降低、系統(tǒng)制熱量不足的問題，可在除霜模式下通過調(diào)節(jié)室外機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)除霜用氣體壓力或提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。該方法主要缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差。

熱氣旁通除霜方法除霜時(shí)間長的缺點(diǎn)源于除霜后的制冷劑會(huì)積聚在氣液分離器中，除霜中后期，壓縮機(jī)的吸氣只能來源于分離器內(nèi)制冷劑閃蒸得到的飽和蒸氣。為此，梁彩華等[33]提出了圖6所示的顯熱除霜法，壓縮后的氣體經(jīng)熱氣電磁閥后進(jìn)入電子膨脹閥節(jié)流降壓，隨后流入室外換熱器，放熱除霜后流入氣液分離器并最終進(jìn)入壓縮機(jī)。顯熱除霜的關(guān)鍵是通過電子膨脹閥調(diào)節(jié)進(jìn)入室外換熱器的制冷劑氣體壓力，使其達(dá)到不凝結(jié)的條件：制冷劑氣體壓力低于正常制熱運(yùn)行時(shí)的制冷劑壓力(蒸發(fā)壓力)。該方法的主要缺點(diǎn)是對控制系統(tǒng)要求較高。

圖6 制冷劑顯熱除霜型空氣源熱泵除霜原理Fig.6 The principle of a refrigerant sensible heat defrost type air source heat pump

除了上述非蓄熱除霜方法，孫福濤等[34]針對適用于低溫工況的空氣源熱泵系統(tǒng)，提出了相應(yīng)的除霜方法：在兩級壓縮的基礎(chǔ)上增加了兩除霜支路和補(bǔ)熱支路，并在經(jīng)濟(jì)器內(nèi)增設(shè)電熱絲，如圖7所示。該系統(tǒng)的制熱模式即傳統(tǒng)帶經(jīng)濟(jì)器的兩級壓縮熱泵循環(huán)；該除霜模式下，高、低壓壓縮機(jī)各帶一個(gè)循環(huán)，即高壓制熱循環(huán)和低壓除霜循環(huán)。高壓制熱循環(huán)制冷劑的流程為：高壓壓縮機(jī)→四通換向閥→室內(nèi)換熱器→單向閥→高壓儲(chǔ)液器→液體分流器(o端進(jìn)，n端出)→電子膨脹閥→經(jīng)濟(jì)器(f端進(jìn)，e端出)→高壓壓縮機(jī)；低壓除霜循環(huán)的制冷劑流向?yàn)椋旱蛪簤嚎s機(jī)→截止閥→經(jīng)濟(jì)器(g端進(jìn)，h端出)→截止閥→室外換熱器→截止閥→電子膨脹閥→蒸發(fā)盤管→氣液分離器→低壓壓縮機(jī)；當(dāng)補(bǔ)熱傳感器檢測到高壓儲(chǔ)液器內(nèi)溫度下降后，便開啟補(bǔ)熱電磁閥，將高溫蒸氣旁通一路到高壓儲(chǔ)液器的液面下與液相進(jìn)行混合換熱，完成復(fù)溫。該系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是在低溫工況下(<-10 ℃)能保障制熱不衰減，同時(shí)進(jìn)行有效的除霜。

圖7 帶經(jīng)濟(jì)器的兩級壓縮空氣源熱泵除霜原理Fig.7 The principle of a two-stage compressed air source heat pump defrosting method

3.2.2蓄熱熱力除霜

蓄熱熱力除霜方法主要是針對逆循環(huán)及熱氣旁通除霜法因除霜熱量不足導(dǎo)致除霜時(shí)間長、制冷劑循環(huán)量小等問題，將蓄熱裝置應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)而提出的改進(jìn)型除霜方法。蓄熱裝置除了用于系統(tǒng)除霜，還能平衡系統(tǒng)制熱量與用戶用熱需求，延緩室外空氣溫度對系統(tǒng)制熱量的影響，且能調(diào)節(jié)電力負(fù)荷[35]，因而不斷得以研究發(fā)展。蓄熱裝置除了與非熱力除霜方法相配合(圖1)，更多是用于改善熱力除霜方法的除霜效率和系統(tǒng)性能。本文就不同的蓄熱熱力除霜方法進(jìn)行概括。

圖8所示為空氣源冷熱水機(jī)組的一種間接蓄熱除霜及供暖系統(tǒng)[36]，冬季制熱時(shí)，閥1關(guān)閉，閥2和閥3開啟，流出機(jī)組的熱水部分經(jīng)閥2到風(fēng)機(jī)盤管給室內(nèi)供熱，部分經(jīng)蓄熱裝置進(jìn)行蓄熱，溫度降低后經(jīng)閥3與風(fēng)機(jī)盤管的回水匯合后繼續(xù)進(jìn)入熱水機(jī)組加熱；除霜時(shí)，閥1開啟，閥2和閥3關(guān)閉，熱水機(jī)組采用逆循環(huán)或熱氣旁通除霜，由機(jī)組流出的水經(jīng)過蓄熱裝置吸熱升溫，用于補(bǔ)償機(jī)組除霜需要的熱量及室內(nèi)所需的供熱量。

圖8 帶有蓄熱裝置的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理Fig.8 The principle of air source heat pump system with phase change thermal storage

蓄熱裝置也可直接接入熱泵系統(tǒng)，根據(jù)其與室內(nèi)換熱器相對位置的不同可以實(shí)現(xiàn)不同功能的蓄熱，如圖1和圖9所示的并聯(lián)至室內(nèi)換熱器與節(jié)流元件之間的管路上，蓄熱的同時(shí)還能增加制冷劑節(jié)流前的過冷度。圖9為典型的過冷蓄熱除霜系統(tǒng)[37]：正常工作時(shí)，F(xiàn)1關(guān)閉，F(xiàn)2和F3開啟，室內(nèi)換熱器流出的制冷劑液體進(jìn)入蓄熱器內(nèi)釋放顯熱并過冷；除霜時(shí)，系統(tǒng)切換至制冷模式，進(jìn)行逆循環(huán)除霜，毛細(xì)管節(jié)流后的制冷劑流經(jīng)蓄熱器吸收儲(chǔ)蓄的熱量蒸發(fā)，然后流經(jīng)室內(nèi)換熱器并最終回到壓縮機(jī)。

蓄熱裝置也可與室內(nèi)換熱器并聯(lián)，如圖10所示[38]，通過閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同的蓄熱模式：1)串聯(lián)蓄熱(F1、F3開，F(xiàn)2、F4關(guān))，蓄熱裝置串聯(lián)至壓縮機(jī)與室內(nèi)換熱器之間；2)并聯(lián)蓄熱(F1、F2、F4開，F(xiàn)3關(guān))，即蓄熱器與室內(nèi)換熱器并聯(lián)；3)余熱蓄熱(F1、F4開，F(xiàn)2、F3關(guān))，室內(nèi)換熱器風(fēng)機(jī)關(guān)閉，流出室內(nèi)機(jī)的制冷劑流入蓄熱進(jìn)行蓄熱。除霜時(shí)，系統(tǒng)逆循環(huán)運(yùn)行，通過閥門的開關(guān)設(shè)置，相應(yīng)的有3種模式：1)蓄熱器除霜(F1、F4 開, F2、F3 關(guān))，除霜熱量來自壓縮機(jī)做功和蓄熱器的蓄熱量；2)串聯(lián)除霜(F1、F3 開, F2、F4 關(guān))，除霜熱量來自壓縮機(jī)做功、蓄熱器的蓄熱量以少量室內(nèi)換熱器的熱量；3)并聯(lián)除霜(F1、F2、F4 開, F3 關(guān))，除霜熱量來源與串聯(lián)除霜熱量來源相同。

圖10 一種空氣源熱泵蓄能熱力除霜系統(tǒng)原理Fig.10 The principle of an air source heat pump system with energy storage heat exchanger

另一種蓄熱除霜系統(tǒng)是將蓄熱裝置設(shè)置為雙換熱管路形式，串聯(lián)在壓縮機(jī)與室內(nèi)換熱器之間，如圖11所示[39]。系統(tǒng)制熱運(yùn)行時(shí)電磁閥F2開啟，F(xiàn)1、F3和F4關(guān)閉，壓縮后的制冷劑氣體在蓄熱器及室內(nèi)換熱器內(nèi)冷凝，隨后經(jīng)毛細(xì)管及室外換熱器后回到壓縮機(jī)。該系統(tǒng)除霜方法有兩種：1)F1、F2開啟，F(xiàn)3、F4關(guān)閉，制冷劑氣體先經(jīng)蓄熱器吸熱，然后流至室外換熱器除霜，并最終回到壓縮機(jī)；2)開啟F3、F4，關(guān)閉F1、F2，壓縮后的制冷劑先經(jīng)室外換熱器，然后進(jìn)入蓄熱器吸熱升溫，再回到壓縮機(jī)。對比兩種除霜方法可知：方法一是用蓄熱量強(qiáng)化除霜，方法二是利用蓄熱量提升壓縮機(jī)吸氣溫度進(jìn)而提升壓縮機(jī)的排氣溫度來強(qiáng)化除霜，方法一可能導(dǎo)致壓縮機(jī)的濕壓縮，但方法二不會(huì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明方法二的除霜效果更優(yōu)。

圖9～圖11所示的帶蓄熱裝置的熱泵系統(tǒng)，雖然解決了除霜時(shí)低位側(cè)熱源問題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了其除霜的高效性和穩(wěn)定性，但除霜時(shí)均需逆循環(huán)運(yùn)行熱泵系統(tǒng)，仍未解決室內(nèi)換熱器無法持續(xù)供熱的問題。

圖11 采用雙換熱管路蓄熱熱力除霜方法原理Fig.11 The principle of a frost-free refrigerator defrosting system

Zhang Long等[40]提出了一種包裹壓縮機(jī)的蓄熱器，如圖12所示，用于存儲(chǔ)壓縮機(jī)工作時(shí)釋放的熱量，除霜時(shí)室內(nèi)換熱器風(fēng)機(jī)不停機(jī)，四通換向閥也不換向。該系統(tǒng)的除霜方法屬于蓄熱裝置和熱氣旁通除霜法的結(jié)合：制熱運(yùn)行時(shí)，電磁閥F1、F3關(guān)閉，F(xiàn)2開啟，蓄熱器進(jìn)行蓄存；除霜時(shí)，電磁閥F2關(guān)閉，F(xiàn)1、F3開啟，壓縮機(jī)排氣分兩路，一路進(jìn)入室內(nèi)換熱器繼續(xù)供熱，然后由毛細(xì)管節(jié)流降壓，另一路則通過F1旁通至室外換熱器進(jìn)行除霜，然后由電子膨脹閥節(jié)流后與毛細(xì)管流出的制冷劑混合，經(jīng)過F3流入包裹壓縮機(jī)的蓄熱器，此時(shí)蓄熱器作為蒸發(fā)器，制冷劑吸收蓄存的熱量蒸發(fā)后經(jīng)過氣液分離器再回到壓縮機(jī)。

圖12 壓縮機(jī)散熱蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)原理Fig.12 The principle of air source heat pump system with a compressor waste heat storage heat exchanger

雖然冬季制熱運(yùn)行時(shí)上述除霜方法能同時(shí)實(shí)現(xiàn)除霜和持續(xù)供熱，但除霜運(yùn)行時(shí)的供熱量也因供熱制冷劑流量的減小而下降。該系統(tǒng)的另一問題是夏季制冷運(yùn)行時(shí)，包裹壓縮機(jī)的蓄熱裝置會(huì)影響壓縮機(jī)的散熱，導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣溫度過高。作為改進(jìn)，Liu Zhongbao等[41]提出了圖13所示的壓縮機(jī)散熱蓄熱及冷卻的系統(tǒng)。制熱模式下，F(xiàn)1、F3、F4關(guān)閉，F(xiàn)2開啟；除霜運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)1、F3開啟，F(xiàn)2、F4關(guān)閉，制冷劑流程如圖13所示，其原理也是將蓄熱器作為蒸發(fā)器使用；制冷運(yùn)行時(shí)，可同時(shí)運(yùn)行熱水模式，即打開F2、F4，關(guān)閉F1、F3，開啟水泵，將冷水泵入蓄熱器，吸收蓄熱器蓄存的熱量升溫后變成熱水回水箱。

圖13 一種壓縮機(jī)散熱蓄熱型空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)Fig.13 An air source heat pump system with a compressor waste heat storage heat exchanger

圖14 帶蓄熱裝置的復(fù)疊型空氣源熱泵系統(tǒng)原理Fig.14 The principle of the cascade air-source heat pump defrost system with thermal storage

此外，寒冷地區(qū)使用的復(fù)疊式空氣源熱泵，當(dāng)室外溫度低于某臨界值(-12～-9 ℃)時(shí)，傳統(tǒng)的低溫級熱氣旁通除霜法將無法除盡其蒸發(fā)器表面的霜，進(jìn)而Qu Minglu等[42]提出了圖14所示的蓄能復(fù)疊空氣源熱泵系統(tǒng)。常規(guī)復(fù)疊制熱模式運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)5、F7～F10 開啟，其余閥門關(guān)閉；運(yùn)行一段時(shí)間后便可開啟蓄熱模式，F(xiàn)2、F4～F6、F11 關(guān)閉，其余閥門開啟，讓低壓壓縮機(jī)出來的制冷劑先經(jīng)過蓄熱器蓄熱，再流入蒸發(fā)冷凝器，蓄熱結(jié)束后系統(tǒng)可切換回常規(guī)制熱模式。除霜運(yùn)行分為間斷供熱除霜和不間斷供熱除霜，間斷供熱除霜是使高溫級機(jī)組停機(jī)，開啟F1、F3、F11，低溫級系統(tǒng)逆循環(huán)運(yùn)行除霜，將蓄熱器作為蒸發(fā)器來提供除霜運(yùn)行時(shí)的低溫?zé)嵩矗徊婚g斷供熱除霜即高溫級機(jī)組持續(xù)供熱的除霜過程，F(xiàn)1～F4、F11 開啟，其余閥門關(guān)閉，使蓄熱器兼做低溫級逆循環(huán)除霜和高溫級制熱運(yùn)行的低位熱源，兩種除霜模型下，蒸發(fā)冷凝器均不發(fā)揮作用。

圖15所示為一種在蓄熱裝置內(nèi)設(shè)蓄/放熱管路的除霜系統(tǒng)[43]。當(dāng)F1、F2開啟，F(xiàn)3、F4關(guān)閉時(shí)，為供熱-蓄熱運(yùn)行模式，制冷劑氣體在冷凝器和蓄熱管路內(nèi)冷凝后經(jīng)膨脹閥2流入室外蒸發(fā)器；當(dāng)室外溫度降低，系統(tǒng)制熱量不足時(shí)，開啟F1～F3，關(guān)閉F4，使系統(tǒng)運(yùn)行供熱-放熱模式，將蓄熱裝置作為經(jīng)濟(jì)器：冷凝器出來的制冷劑一路經(jīng)F2經(jīng)蓄熱管路和膨脹閥2進(jìn)入室外蒸發(fā)器，另一路經(jīng)F3和膨脹閥3進(jìn)入蓄熱器的放熱管路和G2，之后進(jìn)入壓縮機(jī)補(bǔ)氣口；除霜運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)1～F3均關(guān)閉，F(xiàn)4開啟，系統(tǒng)進(jìn)行逆循環(huán)除霜，室外機(jī)冷凝后的制冷劑經(jīng)膨脹閥1進(jìn)入蓄熱管路吸收蓄存的熱量蒸發(fā)，然后回到壓縮機(jī)。

圖15 帶取熱管路的蓄熱器應(yīng)用于空氣源熱泵系統(tǒng)除霜的原理Fig.15 The principle of a heat accumulator with a heat extraction line for defrosting in an air-source heat pump system

3.2.3蓄熱材料及蓄熱器結(jié)構(gòu)

蓄熱裝置的引入，能有效解決逆循環(huán)及熱氣旁通除霜的低位熱源問題，上述各類蓄熱型熱力除霜方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了其優(yōu)于傳統(tǒng)熱力除霜方法的性能，具備實(shí)際應(yīng)用的可行性。但該類系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)為：蓄熱材料需保證一定的體積才能存儲(chǔ)足夠的熱量，對蓄熱裝置的安裝空間有一定要求，所以要進(jìn)行實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)，必須對高效的蓄熱材料及蓄熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇與研發(fā)。主要的3種蓄熱方法[44]為：顯熱蓄熱、潛熱(相變)蓄熱和化學(xué)反應(yīng)蓄熱，潛熱蓄熱是一種相對高效且可靠的蓄熱方法。根據(jù)采用的相變材料不同，相應(yīng)的相變過程包含氣液相變和液固相變兩種，考慮到氣相與液相的體積變化，實(shí)際應(yīng)用時(shí)液固兩相相變的蓄熱材料應(yīng)用更為普遍，上述蓄熱熱力除霜系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究采用的也均為該類蓄熱材料。

空氣源熱泵系統(tǒng)用蓄熱材料的選取基本原則為：相變潛熱高，導(dǎo)熱系數(shù)大，體積變化系數(shù)小，相變穩(wěn)定，過冷度小，無腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉，無毒、不易燃、不揮發(fā)，固、液密度大[45]。此外，還需根據(jù)不同的蓄熱溫度要求，確定蓄熱材料的相變溫度范圍，然后進(jìn)一步對相變材料進(jìn)行篩選。通常情況下，相變材料的相變溫度應(yīng)介于蒸發(fā)和冷凝溫度之間且偏上，比冷凝溫度低約10 ℃。根據(jù)目前關(guān)于采用相變蓄熱的空氣源熱泵系統(tǒng)的研究報(bào)導(dǎo)，所使用的蓄熱材料包括：1)DX40[36]；2)物質(zhì)的量濃度為65%癸酸+35%十二酸[40,45]；3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80% Na2SO4·10H2O+20% Na2HPO4·12H2O，解決蓄熱材料的分層與過冷問題[46]；4)CaCl2·6H2O[38,47,48]加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的SrCl2·6H2O和Ba(OH)2·6H2O添加劑解決過冷問題[11,49,50]；5)質(zhì)量分?jǐn)?shù)66%癸酸+34%十四酸混合物[37]；6)石蠟[39,41]。在這些相變材料中，CaCl2·6H2O和石蠟的使用頻率較高，主要因?yàn)镃aCl2·6H2O有較大的相變潛熱和導(dǎo)熱系數(shù)，密度也較大，有利于換熱器的小型化設(shè)計(jì)；石蠟的優(yōu)勢在于：可通過調(diào)節(jié)充注的固態(tài)與液體石蠟比例，適應(yīng)蓄熱系統(tǒng)的不同相變溫度要求。

除選擇合適的相變材料外，相變蓄熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也對蓄熱除霜系統(tǒng)的性能有重要影響，而目前研究較為缺乏，圖16所示為文獻(xiàn)中提及的幾種典型蓄熱器結(jié)構(gòu)。

圖16 蓄熱器結(jié)構(gòu)Fig.16 The structures of heat storage heat exchanger

4 結(jié)論與展望

空氣源熱泵系統(tǒng)的無霜化，或能實(shí)現(xiàn)持續(xù)供暖的高效除霜方法是未來的一種發(fā)展趨勢，相變蓄熱裝置的引入，能較好的改善系統(tǒng)除霜性能，其在空氣源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用會(huì)不斷得到重視。為早日開發(fā)出技術(shù)較為成熟的無霜型空氣源熱泵，或?qū)崿F(xiàn)空氣源熱泵產(chǎn)品除霜的高效化，筆者認(rèn)為需要針對以下幾點(diǎn)問題進(jìn)行重點(diǎn)研究：

1)可靠的吸附材料選擇與再生方法研究，使吸附材料能在較長時(shí)間內(nèi)保持良好的吸附干燥效果，破壞室外換熱器的結(jié)霜條件，并有配套的高效再生方法，使吸濕后的干燥劑盡可能完全再生，保證其使用壽命。

2)解決非熱力除霜法現(xiàn)存的技術(shù)難題：高壓電場除霜的控制和超聲波除霜的基冰層問題，提高除霜的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

3)對同一應(yīng)用場合，采用蓄熱裝置的不同空氣源熱泵系統(tǒng)的性能進(jìn)行對比分析，進(jìn)而優(yōu)化蓄熱型空氣源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

4)進(jìn)一步篩選相變蓄熱材料，研究得出相應(yīng)的物性參數(shù)，為不同應(yīng)用場合下蓄熱材料的選擇提供依據(jù)。此外，還需對蓄熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足較大蓄熱量需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)蓄熱裝置的小型化。