空氣源熱泵除霜技術(shù)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(jié)能、高效、簡單的環(huán)保裝置，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。但其在低溫、高濕環(huán)境下容易結(jié)霜，性能下降，限制了空氣源熱泵的進一步推廣應(yīng)用?，F(xiàn)總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者對空氣源熱泵除霜技術(shù)的研究成果，指出了各種除霜技術(shù)存在的弊端，并對空氣源熱泵除霜技術(shù)的研究方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵;逆循環(huán)除霜;熱氣旁通除霜;相變蓄能除霜

1 除霜技術(shù)研究的重要性

作為一種可利用大氣中低品位能源的節(jié)能型供熱空調(diào)設(shè)備，空氣源熱泵（air-source heat pump，ASHP）因具有節(jié)能、兼顧供冷供熱功能、使用靈活、所占空間小、利用效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點，在我國長江中下游地區(qū)、西南地區(qū)以及華南地區(qū)得到了廣泛應(yīng)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(fā)器表面容易結(jié)霜，霜層會增加傳熱熱阻，導(dǎo)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(fā)溫度降低，機組制熱性能惡化，嚴(yán)重制約了空氣源熱泵的推廣應(yīng)用[2]。目前，針對空氣源熱泵的結(jié)霜特性以及抑霜、除霜等問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作。Byuna等[3]對空氣源熱泵運行時的結(jié)霜狀況進行了監(jiān)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(jié)霜過程，提出了結(jié)霜三階段理論。范晨等[5]建立了熱泵系統(tǒng)結(jié)霜動態(tài)模型和顯熱除霜模型。本文在分析各除霜技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，總結(jié)了逆循環(huán)除霜、熱氣旁通除霜和相變蓄能除霜等除霜技術(shù)的研究進展，旨在指出各除霜技術(shù)存在的問題，并給出進一步的研究建議。

2 除霜技術(shù)研究

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

2.1? ? 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機組在逆循環(huán)除霜模式下運行時，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，即壓縮機出口的高溫高壓制冷劑氣體，直接進入室外側(cè)換熱器進行冷凝放熱，而非進入室內(nèi)側(cè)換熱器，將放出的熱量用于除霜[6]。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)簡單、技術(shù)成熟及成本低等優(yōu)點。但該除霜方式也存在一些問題，如室內(nèi)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(nèi)外學(xué)者已開展了相關(guān)研究。Chen等[9]研究了室外空氣參數(shù)對逆循環(huán)除霜特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著相對濕度的增加，系統(tǒng)能耗、除霜耗時、從室內(nèi)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(huán)除霜性能的影響，發(fā)現(xiàn)相比熱力膨脹閥，采用電子膨脹閥作為節(jié)流裝置更容易縮短逆循環(huán)除霜時間[11]。

2.2? ? 熱氣旁通除霜

針對逆循環(huán)除霜導(dǎo)致的室內(nèi)舒適性不足的問題，學(xué)者們提出了一種新型除霜技術(shù)——熱氣旁通除霜，即壓縮機與室外換熱器之間設(shè)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(shù)除霜時，室內(nèi)換熱器側(cè)風(fēng)機關(guān)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(nèi)的熱量。因此，相比于逆循環(huán)除霜，熱氣旁通除霜可保證室內(nèi)的舒適性[13]。在熱氣旁路除霜的基礎(chǔ)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(fā)器和冷凝器。研究發(fā)現(xiàn)，與逆循環(huán)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(fā)現(xiàn)熱氣旁通除霜的時間較長，為逆循環(huán)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(tǒng)中加入了一個蓄熱裝置，雙熱氣旁通除霜系統(tǒng)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(huán)除霜和熱氣旁通除霜都存在熱量來源不足的問題，有學(xué)者提出了一種蓄能除霜技術(shù)[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(fā)現(xiàn)蓄能除霜有利于提高除霜過程中室內(nèi)的熱舒適度及系統(tǒng)穩(wěn)定性。為解決寒冷地區(qū)的機組除霜問題，唐雍博等[19]提出了一種復(fù)疊式空氣源熱泵相變蓄能除霜技術(shù)，可使機組在-9～-18 ℃低溫范圍內(nèi)正常運行，并實現(xiàn)有效除霜，給室內(nèi)側(cè)供熱。盡管帶蓄熱裝置的熱泵系統(tǒng)解決了除霜時的低位熱源問題，但并未解決除霜時系統(tǒng)仍需逆循環(huán)運行，室內(nèi)換熱器無法持續(xù)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(tǒng)在夏季運行時，會影響壓縮機的散熱性能，導(dǎo)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(tǒng)。該系統(tǒng)的冬季模式與Zhang研究的系統(tǒng)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(xué)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(jié)語

結(jié)霜是影響空氣源熱泵性能的關(guān)鍵問題之一，本文重點介紹了逆循環(huán)除霜、熱氣旁通除霜、相變蓄能除霜等除霜技術(shù)的研究進展，分析了各除霜技術(shù)存在的問題，以期為除霜技術(shù)的改進提供指導(dǎo)。（1）逆循環(huán)除霜裝置結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，但除霜過程中存在室內(nèi)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(shù)。（2）與逆循環(huán)除霜相比，熱氣旁通除霜可改善除霜過程的室內(nèi)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(yōu)化熱氣旁通除霜方式以縮短除霜時間。（3）蓄能除霜系統(tǒng)的除霜效果優(yōu)于逆循環(huán)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(yīng)用。因此，開發(fā)體積小、蓄熱能力強的蓄熱器，研究輔助熱源蓄熱技術(shù)對蓄能除霜技術(shù)的推廣至關(guān)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。