風冷熱泵除霜控制模式的選擇

引 言

風冷熱泵以環境空氣為冷熱源.安裝方便、無需專用機房、不污染環境、節約工程總投資，近幾年來在我國受到用戶歡迎，特別是在我國長江流域大中城市得到了廣泛應用。實踐證明，風冷熱泵是我國長江流域空調冷熱源的經濟、合理選擇方式之一。

風冷熱泵機組在冬季使用時普遍會遇到風側換熱器結霜的問題，當換熱盤管表面溫度低于空氣露點溫度時開始結霜，隨著霜層的增厚，盤管的傳熱效率將降低，空氣阻力增加，導致熱泵機組冬季的運行性能下降，嚴重時導致盤管凍結，使機組無法運行，以致大家對冬季使用的可靠性產生了懷疑，所以對風冷熱泵進行除霜控制模式研究具有重要意義。本文從除霜控制模式入手，比較選定較為成熟的除霜判定準則，并提出了熱泵機組的除霜時間應根據機組使用的不同區域進行不同的方案選擇。

一、除霜模式的理論模型

對于除霜模式，目前在業內已經開展了深入研究，目前主要存在以下一些理論模型，詳見下表:

定時除霜法是早期風冷熱泵除霜控制所采用的一種方法，但在設定時間時，往往考慮了最惡劣的工作環境條件，因此必然產生不必要的除霜動作。

時間一溫度(壓力)法是目前風冷熱泵機組用得較為普遍的一種除霜控制方法，在時間量值上考慮了溫度量值，比定時除霜法有進步，部分的考慮了機組工作環境溫度的影響。但仍不能正確反映結霜對機組性能的影響，仍會出現多余的除霜運作，或者也會在需要除霜時而不發出除霜的信號。

霜層傳感器控制除霜法因要用到很穩定的高增益放大器和很高的頻率，以及傳感器價格偏高，在實際機組上難以推廣應用。

聲音振蕩器控制除霜法因安裝在蒸發器內的聲音振蕩器裝置的造價高而不能用于實際的熱泵機組上。

最大平均供熱量控制除霜法在除霜控制指導思想上有一定意義，在實施上卻較困難。

電熱除霜法效果可靠，不受環境溫度的影響，但對電熱元件絕緣要求高，

旁通熱氣除霜法:機器正常運行時，除霜電磁閥關閉。除霜時，除霜電磁閥打開，旁通熱氣直接進入蒸發器化霜，除霜周期由定時間器來定。這兩種方法在工程中應用較多。

二、除霜過程中的系統設計

目前風冷熱泵常用的除霜方法是采用四通換向閥換向逆循環除霜，通過四通閥換向使機組從制熱運行狀態轉變為制冷運行狀態，蒸發器和冷凝器功能互換，從而達到除霜的目的。

該除霜方式存在固有缺陷:除霜時要從房間吸熱，室溫會降低5℃-6℃，影響室內的舒適性;切換制熱和除霜模式時，系統壓力波動劇烈，產生的機械沖擊比較大;除霜時室內換熱器作為蒸發器，表面溫度很低，當恢復制熱后，較長一段時間吹不出熱風。逆向除霜為避免以上情況，常在除霜開始前將壓縮機停止5分鐘左右，除霜結束再停5分鐘，這樣雖避免了壓力波動，但同時也縮短了制熱的有效時間，壓縮機需要頻繁啟動，影響壓縮機的壽命。

故在風冷熱泵反循環除霜運行過程中，為盡量縮短除霜時間以及減少反循環動作對制冷系統(壓縮機)的沖擊，在具體的膨脹閥設計中又有雙向熱力膨脹閥方案、雙熱力膨脹閥系統方案、高低壓旁通方案、電子膨脹閥方案等多種選擇。此處不再贅述。

三、除霜控制模式運行的難點

當室外環境溫度及濕度變化時.如何正確感知結霜狀況、及時除霜、保證制熱的高效率。這是熱泵運行的除霜控制模式設計和運行的難點。

我們期望的除霜控制是:當結霜厚度達到明顯影響傳熱效率時，開始除霜。當霜融化及流走后即結束除霜。在除霜控制中的關鍵和難點在于確定開始除霜的時刻和除霜過程的持續時間即除霜結束時間，這兩個參數與環境條件有關，特別是我國幅員遼闊，不同地域的氣候條件頗為不同，特別是冬季，由于寒潮活動，南北溫差很大，熱泵系統在不同地域運行的情況也相差很大，

在環境溫度長期高于7度的華南地區，冬季供暖期短，需熱量小，機組運行的一般不結霜，制熱性能系數較高，而黃河流域及其以北，冬季氣溫較低，持續時間較長，需熱量大。按照標準制熱工況設計的機組制熱能力很差且不宜在低于-5度的環境條件下進行;據此可將長江流域及其以南地區大部分適合使用熱泵機組的城市和地區分為輕霜環境、重霜環境、一般結霜環境和低溫結霜環境。

輕霜環境:成都、重慶、桂林都處于結霜區域之外，這表明，在一般情況下象這類氣候地區使用的熱泵機組結霜不明顯或不會對供熱造成較大的影響。所以，熱泵機組特別適用于在這類環境地區使用。

重霜環境:長沙是冬季熱泵供熱極不利的城市，主要原因是相對濕度大(>81%)，而且平均溫度低(<5℃)，其次是貴陽市環境也對熱泵供熱不利。

一般結霜環境:我國杭州、武漢、上海，合肥、南昌、南京等城市冬季熱泵機組供熱盤管表面都會結霜，處于結霜區域。

低溫結霜環境:象我國濟南、北京等北方城市雖然氣溫較低，但相對濕度也較低，所以結霜狀況反而不太嚴重，具體表現為起始結霜的環境溫度低，結霜速率較小。

現在，大多數生產廠的風冷熱泵機組的除霜時間還是采用著統一固定值，由此帶來的問題也較多。在輕霜環境、重霜環境、一般結霜環境和低溫結霜環境中熱泵的除霜方案應該是有差異的，選用不同的除霜方案必須根據熱泵機組在不同地域的具體情況進行選擇，針對不同的區域應該使用不同的除霜方案。例如對于較易結霜的區域，除霜的間隔可以小一些，而每次除霜的時間可以較短。對于不易結霜的地域，每次除霜的時間相對長一些。這需要生產廠家和工程技術人員在熱泵使用過程積累相應的數據。

另外當前，受熱泵機型的高額利潤的驅使，生產風冷熱泵機組的廠家日益增多，有些廠家不具備生產風冷熱泵機組所必需的技術和生產條件，不但無法提供真實準確的技術參數，產品的生產質量也沒有保證，這是影響熱泵機組使用可靠性的人為因素。

四、結 論

為實現長江流域地區風冷熱泵機組在冬季可靠安全地工作，除了針對中國的地域差異及實際的氣候狀況，要根據工程實際合理選擇風冷熱泵系統除霜控制模式，能很好的判定除霜的開始時刻并有效的進行除霜，這將有效地提高風冷熱泵系統的經濟性。