空氣源熱泵機組除霜問題分析

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行設(shè)備只采用一種除霜手段或者單一熱源進行除霜。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。除霜能量來源于壓縮機，如逆循環(huán)除霜，熱氣旁通除霜，過冷蓄熱除霜等。逆循環(huán)除霜是較為普遍的一種除霜模式，但它存在以下問題：①逆向運行過程蒸發(fā)器與冷凝器相互轉(zhuǎn)換，與正向運行工況相差較大，壓縮機與逆向循環(huán)匹配度較低，導(dǎo)致系統(tǒng)運行效率低；②逆向運行導(dǎo)致制冷劑流量降低，增加除霜時間；③機組除霜后期，室外側(cè)常出現(xiàn)無法完成冷凝的情況，可能會造成壓縮機停機保護；④逆循環(huán)除霜期間，會降低室內(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)的不斷精進而出現(xiàn)。相比逆循環(huán)除霜，該除霜方法不會對室內(nèi)熱舒適產(chǎn)生影響，其運行系統(tǒng)也較為穩(wěn)定，原因是其除霜運行和制熱運行是并列運行，但熱氣旁通法需要除霜時間較多，在并行過程中吸氣過熱度為0℃左右，會使排氣溫度和過熱度不斷降低，可能危及壓縮機的安全。從設(shè)計角度考慮，室內(nèi)負荷相同情況下，熱氣旁通除霜法需要的機組要大于逆循環(huán)機組，會增加設(shè)備初期投資。此外，熱氣旁通除霜的效果還受到控制機制、電子膨脹閥的開度和旁通閥的影響。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間和降低除霜能耗，以及采用結(jié)霜拐點控制法可以進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，使霜層更加容易去除。當下研究手段包括外加超聲波場、電場、磁場和疏水涂層除霜法。這種類型的除霜方式在除霜工況下，均不會對室內(nèi)熱舒適性產(chǎn)生影響。超聲波除霜手段主要是會影響冷壁面液滴的形狀和大小。超聲波會明顯減小水滴、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。外加電場除霜，利用了電場會影響水分子擴散，電場會讓水分子有規(guī)律地進行排布，電場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。電場種類有很多，但有一定除霜效果的不多，其中有高壓靜電場和掃頻高壓電場；且各有優(yōu)勢。外加磁場除霜采用磁場會對霜層成形、生成過程以及霜晶形態(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，霜晶核生成時間相對一般平面較晚。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°。非熱力除霜相對熱力除霜在大規(guī)模應(yīng)用方面還不成熟，成本造價也相對較高。

二、抑霜方法

霜層在風(fēng)冷機組蒸發(fā)器壁面上形成時，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)霜源頭進行研究，意圖抑制或者減緩霜層的生長?，F(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。在這個過程中有兩個關(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)速來減小可溶性微粒的影響。對于降低水蒸氣比例，常見手段有進口氣體通過吸附床來降低相對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，有采用太陽能-電加熱再生系統(tǒng)，也有采用儲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抑制霜層形成，其吸附大量水分的同時也儲存了部分潛冷量，這樣可以提高在涂層內(nèi)水的冰點溫度。把親水涂層的冰點溫度做到-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。當涂層吸水量飽和時，對比親水涂層與疏水涂層對霜層的影響，可以發(fā)現(xiàn)親水涂層結(jié)霜時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，但在相對濕度較大的地區(qū)其除霜效果還不理想。此外還存在針對太陽能涂層的研究，在蒸發(fā)器外壁面附著選擇吸收性太陽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)定機組運行工況。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除霜效果會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或者降低霜層對管翅片換熱器的影響。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化會受到不同地區(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，各個地區(qū)的平均蒸發(fā)溫度約上升2.5℃，結(jié)霜時間減少5.21%～82.96%，不同地區(qū)應(yīng)該有相應(yīng)的翅片設(shè)計間距，以減緩霜層對換熱的影響。抑霜方法造價較高，對系統(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。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。

四、結(jié)束語

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)。