空氣源熱泵除霜研究現(xiàn)狀及展望

孫茹男 羅會龍

空氣源熱泵除霜研究現(xiàn)狀及展望

孫茹男 羅會龍

（昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650000）

空氣源熱泵具有高效節(jié)能、冷暖兩用等特點，被廣泛應用于供熱和空調(diào)等領域，但在低溫工況下的結霜問題制約著空氣源熱泵發(fā)展。通過總結國內(nèi)外學者對空氣源熱泵除霜所做的研究，分析了目前的除霜技術存在的問題，并根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，展望了未來空氣源熱泵除霜研究的發(fā)展動向。

空氣源熱泵；除霜；問題；展望

0 引言

空氣源熱泵因其高效節(jié)能、控制方便、冷暖兩用等優(yōu)點被廣泛應用。但空氣源熱泵在低溫地區(qū)運行時，當室外換熱器表面溫度低于零度，且低于室外空氣露點溫度時，室外換熱器表面就會結霜[1]。隨著霜層厚度的增加，室外換熱器表面的附加熱阻逐漸增大，削弱了制冷劑與室外空氣的流動傳熱；同時，結霜使得換熱翅片間的空氣流動阻力增大，從而大大降低了熱泵制熱功率和制熱系數(shù)，且風機能耗增加，導致空氣源熱泵的運行狀況進一步惡化，嚴重時會引發(fā)事故。因此采取適當?shù)姆椒▽κ彝鈸Q熱器進行周期性除霜，對保障空氣源熱泵在低溫地區(qū)仍然具有良好的運行效率及空氣源熱泵技術的推廣具有重要意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

針對空氣源熱泵在低溫地區(qū)運行時出現(xiàn)的結霜問題，國內(nèi)外學者們在除霜方面做了大量研究。主要包括以下幾個方面：

1.1 加熱除霜

加熱除霜主要包括電加熱除霜和太陽能輔助除霜兩種，利用電能或太陽能作為除霜能量，對室外換熱器入口空氣或制冷劑工質(zhì)進行加熱，以提高蒸發(fā)溫度和壓縮機入口制冷劑溫度，達到除霜或延緩結霜的目的。Kwak和Bai等[2]將電加熱器設置在室外換熱器空氣入口處，當室外環(huán)境達到結霜條件時，開啟電加熱器來提高室外換熱器入口空氣溫度，并通過實驗得出結論：與傳統(tǒng)熱泵相比，供熱量提高了38.0%，COP提高了57.0%，且在整個除霜期間可以持續(xù)穩(wěn)定供熱。Jaehong Kim等[3]通過研究發(fā)現(xiàn)，在儲液器中設置電加熱器來提高壓縮機入口側(cè)的制冷劑溫度，增加熱泵循環(huán)中的制冷劑流量，從而提高蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和換熱器溫度。與逆向循環(huán)除霜相比，在-5℃的低溫條件下，該方法的除霜效率提高15%，除霜時間也縮短15%。Tang等[4]分別在毛細管和室外換熱器，室外換熱器和壓縮機之間設置電加熱器，以提高室外換熱器入口制冷劑溫度，從而提高蒸發(fā)溫度，改善空氣源熱泵系統(tǒng)的整體效率。

相對于電加熱除霜的研究，近年來太陽能輔助除霜發(fā)展較快。陳雁等[5]提出在室外換熱器入口處設置平板式集熱器，利用太陽能預熱入口空氣可以有效提高蒸發(fā)溫度，從而提高空氣源熱泵的性能系數(shù)COP。董旭等[6]對室外換熱器表面進行太陽能吸收涂層處理，太陽能吸收涂層可以提高蒸發(fā)溫度，有效抑制霜層的形成，冬季運行時系統(tǒng)的平均COP提高了6.56%。冉思源等[7]提出了一種新型間聯(lián)式空氣源熱泵，通過太陽能制取熱水為風冷換熱器除霜，該方法在高效除霜的同時能夠降低除霜能耗，滿足熱泵持續(xù)供熱的需求。

綜上所述，采用電加熱除霜具有系統(tǒng)簡單、除霜徹底、易于控制等優(yōu)點，比較適用于小型熱泵系統(tǒng)；采用太陽能輔助除霜其除霜能源清潔、可再生，易于實現(xiàn)熱能能級的合理配置[5]，適用于太陽能資源豐富的地區(qū)。

1.2 逆循環(huán)除霜

逆循環(huán)除霜是利用四通換向閥換向?qū)岜脧闹茻崮Ｊ角袚Q為制冷模式，此時室內(nèi)換熱器與室外換熱器的作用互換，通過制冷劑放熱來融化室外換熱器上的霜層，除霜結束后恢復制熱模式。采用逆循環(huán)除霜時只需切換四通換向閥，不用增加額外的裝置和輔助熱源，所以該方法操作簡單，成本較低，適用性好，被廣泛用于大、中、小型熱泵除霜中，是目前使用最廣泛的除霜方法之一。

目前，國內(nèi)外研究者在逆循環(huán)除霜能耗和改善系統(tǒng)性能方面做出了大量研究，通過分析除霜能耗，改善逆循環(huán)除霜的系統(tǒng)性能來提高除霜效率，縮短除霜時間，減少對熱泵機組和室內(nèi)環(huán)境的影響。Jiankai等[8]研究了逆循環(huán)除霜過程中的能量來源及能耗，實驗結果表明：逆循環(huán)除霜的能量來源主要是室內(nèi)空氣的熱能、室內(nèi)換熱器盤管余熱和壓縮機做功這個三方面，室內(nèi)空氣熱能占除霜總能量的71.8%，但打開室內(nèi)風機，低溫制冷劑從室內(nèi)空氣中吸收熱量會導致室內(nèi)環(huán)境惡化，降低室內(nèi)熱舒適度。在改善系統(tǒng) 性能方面：黃東等[9]對風機提前啟動對逆循環(huán)除霜的影響進行了研究，通過實驗得出除霜時采取風機提前啟動的方式可以避免因高壓保護導致的停機問題。Qu等[10]提出在節(jié)流機構方面做出改進，通過在除霜過程中采用制冷劑過熱（DS）控制器調(diào)節(jié)電子膨脹閥來替代熱力膨脹閥，可以有效提高除霜效率，減少熱量損失。Wang等[11]提出制冷劑補償?shù)姆椒?，在室外換熱器與四通換向閥之間增設制冷劑補償器，通過增加制冷劑循環(huán)流量來增大制冷劑放熱量，提高壓縮機吸氣和排氣壓力，從而改善熱泵除霜性能，縮短除霜時間。此外，Song等[12]提出通過調(diào)節(jié)室外換熱器中的制冷劑分布來改善空氣源熱泵機組的逆循環(huán)除霜性能，通過實驗得出結論：當室外換熱器中的制冷劑分布均勻時，系統(tǒng)除霜效率提高了7.4%。

1.3 熱氣旁通除霜

熱氣旁通除霜是在壓縮機出口與室外換熱器入口之間設置旁通管路，直接將來自壓縮機的高溫高壓排氣引入室外換熱器中，利用高溫氣體自身的熱量使霜層融化。由于熱氣旁通除霜時，四通換向閥無需換向，所以系統(tǒng)壓力變化平穩(wěn)，不會產(chǎn)生氣流噪音，對機組沖擊較小。同時，熱氣旁通法在整個除霜過程中所需的能量全部來自于壓縮機殼體蓄熱和壓縮機做功，除霜時無需向室內(nèi)吸熱還能給室內(nèi)提供少量熱，室內(nèi)溫度波動較小，舒適性良好，同樣適用于大、中、小型熱泵除霜中，是目前廣泛使用的除霜方法之一。

自20世紀70年代中期，人們提出熱氣旁通除霜法以來，國內(nèi)外學者對此作出了大量研究。Buyn等[13]研究表明：采用熱氣旁通除霜時，旁路熱氣流量為制冷劑總流量的20%時系統(tǒng)性能最好，與其他除霜方式相比，平均COP提高了85%，供熱能力提高了5.7%，而且采用熱氣旁通法還能有效延緩結霜。相較與對熱氣旁通除霜性能的研究，近年來多集中于系統(tǒng)性能優(yōu)化方面的研究。梁彩華等[14]對傳統(tǒng)的熱氣旁通除霜進行了改進，提出了顯熱除霜法，該方法直接將壓縮機的高溫高壓排氣引至電子膨脹閥之前，利用壓縮機排氣的顯熱量除霜。該方法能夠縮短除霜時間，提高供熱效率和系統(tǒng)可靠性，但該方法對系統(tǒng)控制的要求較高。Choi等[15]提出了一種雙熱氣旁通除霜法，通過在傳統(tǒng)熱氣旁通的基礎上增加一條連接壓縮機排氣口和室外換熱器出口的旁通管路來提高壓縮機排氣壓力，在保持持續(xù)高效供熱的同時縮短除霜時間。Jang等[16]提出了一種新的高溫低壓熱氣旁通除霜方法，系統(tǒng)供熱能力提高17%，與逆循環(huán)除霜和電加熱除霜相比，節(jié)能效率分別提高了8%和27%。雖然該方法在較低的技術成本下就能實現(xiàn)連續(xù)供熱和節(jié)能，但該方法在實際應用中會受到一定限制。

1.4 蓄能除霜

蓄能除霜法是在逆循環(huán)除霜的基礎上提出來的，將蓄熱裝置與空氣源熱泵結合起來，在系統(tǒng)制熱運行時部分熱量儲存到蓄熱裝置中，除霜時再釋放出熱量。蓄能除霜法從根本上解決了傳統(tǒng)熱力除霜法能量來源不足的問題，在一定程度上提高了空氣源熱泵運行的可靠性和穩(wěn)定性，是目前研究較多的一種除霜方法。

目前，對蓄能除霜的研究，主要停留在實驗和模擬研究上。韓志濤等[17]將相變蓄能裝置引入熱泵系統(tǒng)中，提出空氣源熱泵蓄能熱氣除霜新系統(tǒng)，該系統(tǒng)有效解決了除霜能量來源不足的問題，同時與傳統(tǒng)熱氣除霜相比，除霜時間和室內(nèi)恢復供熱時間均有效減少。曲明璐等[18]通過實驗對不同蓄能模式進行比較得到，并聯(lián)蓄能模式可以在部分負荷工況下使用，串聯(lián)蓄能模式可以在全負荷工況下使用。張杰等[19]通過實驗發(fā)現(xiàn)，與換向除霜和熱氣旁通除霜相比蓄能除霜有效解決了室外換熱器殘留融水問題，除霜時間大大縮短，能量消耗降低，節(jié)能效果達到31.3%。郭浩增等[20]通過模擬研究，提出一種利用蓄熱裝置儲存谷電期和太陽能等多種輔助熱源除霜的新型空氣源熱泵除霜方法，以提高除霜速度和盤管壁溫回升速度。Liu等[21]提出了一種用蓄熱器包裹壓縮機與熱氣旁通相結合的方法，冬季運行時，通過儲存壓縮機工作時的熱量進行除霜，在夏季運行時，利用蓄熱量來制熱水。曲明璐等[22]將復疊式空氣源熱泵與蓄能除霜結合起來，以解決復疊式空氣源熱泵在寒冷地區(qū)運行時出現(xiàn)的除霜問題，并通過實驗證明了復疊式空氣源熱泵采用蓄能除霜，除霜時間減少71.4%～77.6%，除霜能耗降低65.1%～85.2%。

1.5 增加外力場

除了上述除霜方法外，還可以通過增加外力場來除霜。增加外力場包括外加電場、磁場和超聲波，其中，外加電場和磁場主要通過電場力或磁場力來影響霜晶的生長，霜晶在生長過程中受外力作用拉伸變得細長、易碎，同時在室外換熱器表面的附著力降低，極易脫落；超聲波除霜主要是通過施加適當頻率的超聲波與霜層產(chǎn)生共振效應，利用共振作用破壞霜層，達到除霜目的。

增加外力場除霜是一種新興的除霜技術，但目前的研究主要集中在對霜層的影響上，且國外學者研究較多，國內(nèi)關于這方面的研究相對較少。1950年，Schaefer首次發(fā)現(xiàn)了外電場對霜層生長有影響，在高壓電場作用下霜層結構變得非常脆弱[23]。Wang等[24]研究了自然對流條件下直流電場對結霜過程的影響，在電場存在的情況下，形成的霜層結構薄弱，在重力作用下容易破碎脫落，同時還發(fā)現(xiàn)，極性對霜層的生長也有重要影響，在負極性條件下，霜層結構更薄，且霜層生長速度和破碎頻率比正極性條件下高出約30%～50%。Tudor等[25]研究了交流電場對冷表面結霜的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在交流電場作用下霜度降低高達46%，交流電場對減少冷表面結霜比直流電場更有效。勾昱君等[26]通過實驗研究得出，外加磁場情況下，冷表面上的凝結液滴體積減小、分布更加均勻、被凍結時間延遲，磁場對霜晶的生長有明顯的影響。Wang等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在適當?shù)某暡ㄗ饔孟拢軌蛴行茐乃獙?，使霜隨著重力脫落，抑制霜層生長，但不能徹底去除基底表面凍結的冰層。Tan等[28]采用了間歇式超聲共振，研究發(fā)現(xiàn)超聲波除霜的主要機理是共振效應，次要機理是超聲剪切應力。此外，譚海輝等[29]研究發(fā)現(xiàn)，與逆除霜法相比，超聲波除霜能夠降低除霜能耗，且除霜效率提高了7倍，但只能除掉室外換熱器表面一定區(qū)域內(nèi)的結霜。

1.6 主動抑霜

除了上述除霜方法以外，研究者們通過對結霜機理的研究發(fā)現(xiàn)，采取主動抑制室外換熱器結霜的方法可以從根本上解決空氣源熱泵結霜問題，目前的研究主要通過改變系統(tǒng)流程來抑制室外換熱器表面結霜?？芎陜S等[30]從提高冷凝器進水溫度的角度出發(fā)，提出在冷凝器冷水進口處設置混水裝置的方法。通過設置混水裝置以提高冷凝器制冷劑出口溫度和壓力，從而提高室外換熱器入口制冷劑的溫度和壓力，壓縮機的吸氣壓力和排氣壓力也隨之提高，達到抑制空氣源熱泵室外換熱器表面結霜，降低除霜頻率，保證熱泵在低溫工況下高效、穩(wěn)定運行的目的。該方法系統(tǒng)結構簡單、易于控制。此外，還可以通過降低入口空氣濕度來抑制結霜，Wang等[31]提出在室外換熱器空氣入口處設置一個帶有活性炭涂層的吸附床，通過吸附床里的固體吸附劑來降低入口空氣的含濕量，同時可以通過吸附床上的活性炭涂層吸收太陽能來提高入口空氣的溫度，從而抑制室外換熱器表面結霜。但研究發(fā)現(xiàn)，該方法最初時吸附劑能夠有效降低入口空氣的含濕量，抑霜效果明顯，但吸附劑的吸附能力隨著時間增長逐漸減弱，抑霜作用也隨之失效，因此該方法在實際中不能廣泛推廣[32]。

2 存在的問題

綜上所述，除霜技術的研究推動了空氣源熱泵在低溫地區(qū)的運用，促進了空氣源熱泵的大力發(fā)展?？v觀國內(nèi)外學者的研究，采用加熱除霜、逆循環(huán)除霜或是熱氣旁通除霜、蓄能除霜、增加外力場等除霜技術都是解決空氣源熱泵在低溫工況下運行時結霜問題的有效途徑，但通過對國內(nèi)外空氣源熱泵除霜的研究現(xiàn)狀分析可知這些除霜技術仍然存在一定的問題。

（1）電加熱除霜最大的缺點是能耗過大，只能用于小型熱泵，不適用于大、中型熱泵，限制了該技術的使用范圍，并且在應用過程中是將高品位熱能降級利用，出現(xiàn)熱能能級匹配不合理的問題[5]。

（2）逆循環(huán)除霜的首要問題是除霜能量不足和除霜時間長，除霜能量只有壓縮機做功和室內(nèi)換熱器表面余熱，隨著室內(nèi)換熱器表面溫度降低，蒸發(fā)溫度也隨之下降，從而引發(fā)低壓切斷或濕壓縮問題，對壓縮機造成嚴重損害；其次，四通閥換向時噪音較大，會對系統(tǒng)造成一定的沖擊，影響機組性能和使用壽命；而且除霜過程中會中斷供熱，造成室內(nèi)溫度波動較大，室內(nèi)熱舒適性下降。

（3）熱氣旁通除霜存在吸氣過熱度低、除霜時間較長的問題，由于除霜能量來源單一和除霜過程中能量損失較大，導致除霜時間長于逆循環(huán)除霜；同時除霜過程中吸氣過熱度較低導致壓縮機排氣和吸氣溫度較低，除霜時間過長會對壓縮機安全運行造成危害。

（4）蓄能除霜雖然解決了除霜能量來源不足的問題，但仍然存在除霜時供熱中斷的問題。另外，由于增加了蓄熱裝置，導致系統(tǒng)的復雜性和設備成本增加。而且，目前蓄能除霜技術仍處于實驗研究階段，實際產(chǎn)品很少，在真正應用時其運行的穩(wěn)定性和可靠性尚不確定[33]。

（5）增加外力場除霜在目前的研究中有一定的除霜效果，但其除霜機理尚不明確，仍處于理論和實驗研究階段。同時外加電場具有一定危險性、耗能高，而超聲波除霜只能去除一定區(qū)域內(nèi)的結霜，并不能去除翅片上的基層冰。

3 展望

結霜問題嚴重制約著空氣源熱泵的大力發(fā)展，為提高空氣源熱泵在低溫地區(qū)的適應性，國內(nèi)外研究者在熱泵除霜方面做了大量研究，本文通過從加熱除霜、逆循環(huán)除霜、熱氣旁通除霜、蓄能除霜、增加外力場、主動抑霜方面對國內(nèi)外研究進行了總結，分析了目前的除霜技術存在的問題，并對未來空氣源熱泵除霜研究的發(fā)展動向作出展望：

（1）目前，對傳統(tǒng)除霜技術有一定的改善，但仍存在一些不足之處，如何進一步改善傳統(tǒng)除霜技術，提高除霜效率和除霜可靠性還需要進一步研究加以解決。

（2）蓄能技術在除霜方面的應用取得了一定成果，但目前存在的蓄熱材料、蓄熱裝置結構等問題導致的蓄熱裝置占地面積大、蓄熱量少、工程初投資增加，在實際中不能廣泛應用。因此，如何取得蓄熱量大、占地面積小，且經(jīng)濟性較好的蓄熱裝置還需要深入研究。

（3）主動抑霜技術能夠從根本上解決空氣源熱泵結霜問題，它將成為未來研究的一個重要方向。

（4）外加電場、磁場或超聲波是一種新興的除霜技術，從目前的研究來看，它們對室外換熱器除霜有一定的作用，發(fā)展前景良好。但其除霜機理、如何在室外換熱器上施加外力等問題有待于進一步研究，為解決空氣源熱泵結霜問題開辟新渠道。

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Research Status and Prospect of Defrosting of Air Source Heat Pump

Sun Runan Luo Huilong

( Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Kunming University of Science and Technology, Kunming, 650000 )

Air source heat pump has the characteristics of high efficiency, energy saving, dual use of cooling and heating, etc, and it is widely used in the fields of heating and air conditioning. This paper summarizes the research of domestic and foreign scholars on air source heat pump defrosting, analyzes the existing problems of defrosting technology, and according to the research status currently, looks forward to the development trend of air source heat pump defrosting research in the future.

Air source heat pump; Defrosting; Problem; Prospect

TB657.2

A

1671-6612（2020）05-607-06

國家自然科學基金項目（51766005）；云南省煙草專賣局科技項目（2019530000241019）

孫茹男（1995-），女，在讀碩士研究生，主要從事暖通空調(diào)研究，E-mail：2109687272@qq.com

羅會龍（1972-），男，博士，教授，E-mail：huilongkm@126.com

2020-01-07