空氣源熱泵降濕防結霜方法分析

陸心怡 徐佳琦

摘要：對空氣源熱泵結霜現象及其危害進行了分析，分析了目前空氣源熱泵除霜方法存在的問題，并提出通過降低空氣含濕量除霜的思路，從根本上解決空氣源熱泵冬季供熱時的結霜問題，提高空氣源熱泵冬季運行的穩定性和可靠性。

關鍵詞：空氣源熱泵；結霜；降濕除霜

熱泵是一種將低位熱源的熱能轉移到高位熱源的裝置，也是全世界倍受關注的能源節約技術。空氣源熱泵利用空氣中的熱量作為低溫熱源，空氣取之不盡用之不竭，因此空氣源熱泵運行成本較低。利用少量的電能，將空氣中大量的低溫熱能，通過壓縮機的壓縮成為高溫熱能，無需復雜的配置，不需復雜的冷卻水系統，節能效果突出。空氣源熱泵的運行過程無任何燃燒物外排，沒有因為使用鍋爐帶來的污染，解決了利用能源與環境保護之間的矛盾，順應了現代社會節能減排、科學用能的要求。同時，空氣源熱泵還因為適用范圍廣、性能穩定，不受天氣影響、占地空間小、維護費用低等優點而得到了廣泛的應用。

對空氣源熱泵來說，目前技術最薄弱的環節就是冬季運行時的除霜問題。蒸發器結霜導致空氣源熱泵運行性能惡化，換熱能力下降。而除霜過程則增加了空氣源熱泵機組運行的不穩定性，導致室內的舒適性降低。

1 空氣源熱泵結霜現象及其機理

當空氣中的水蒸氣接觸到溫度低于空氣露點溫度的管及翅片表面時，外界空氣換熱器就會發生相變結霜現象。結霜現象并不只有溫度這一個影響因素，溫度越低，空氣中的含濕量越低，結霜現象不一定越嚴重。數據顯示，當空氣溫度低于5 ℃時，即使相對濕度很高，空氣中的含濕量也不過2～3g/kg，這樣的含濕量不會導致嚴重的結霜現象。[1]

成霜初期，獨立分散的霜晶類似于肋片，增加了傳熱表面的粗糙度及表面積，可以起到強化傳熱的作用。但隨著時間的推移，換熱器表面逐漸被霜晶覆蓋，形成連續的霜層，并且霜層逐漸增厚。霜層作為多孔介質，其導熱系數小，造成導熱熱阻增大且成為影響傳熱系數的主要因素。導致總傳熱系數降低，系統的傳熱性能下降，增加能耗。此外，霜層增大了空氣流過翅片表面的阻力，降低了空氣流量，嚴重時甚至會造成系統堵塞，引發非常嚴重的后果。根據國外科學家的研究，結霜引起了板翅式換熱器上50%～75%傳熱的降低和壓力的增加。[2]由于這些原因，當外界空氣換熱器結霜且霜層增厚時，熱泵系統的蒸發溫度下降，能效比降低，換熱器換熱能力下降，運行性能惡化。制熱量、風量、COP及壓縮機耗功也均下降，大大影響了空氣源熱泵機組的可靠性和穩定性。[3]因此，找到合適的方法除霜十分重要。

2 目前空氣源熱泵除霜的常用方法及存在的問題

2.1 逆循環除霜

即為市面上最常用的四通閥換向逆向除霜，在需要化霜的時候，熱泵的制熱工況將轉變為制冷工況，改變運行工況方式后，室外換熱器溫度升高，融化所結的霜層。逆循環除霜系統除霜的時候排氣壓力較小，經過四通閥換向后，易對系統造成沖擊，引發“油奔”的問題。除霜過程中，室內機的風機通常關閉，會導致室內溫度降低，除霜時間延長，大大影響室內的舒適度。化霜過程不僅不能制熱水，同時還需要消耗原有的熱水的能耗，除霜過程降低了室內盤管的溫度，從而室內再次供熱的時間推遲，造成舒適感較差。

2.2 熱氣旁通法除霜

熱氣旁通法除霜通過控制電磁閥的開關來控制制冷劑流路的導通和斷開，從而實現除霜和制熱模式的切換。由于熱氣旁通系統除霜時所需功耗全來自壓縮機的輸入功率，導致其除霜時間較長。與逆循環除霜方式相比，熱氣旁通法在除霜性能上有所改進，對室內舒適度的影響不大，不會有四通閥換向造成的噪聲問題。但其除霜時間較長，除霜過程耗費的能量較多，在節能方面略有欠缺，不符合當今社會節能減排的發展要求。

3 空氣源熱泵降濕除霜方法分析

通過研究發現，結霜是在一定的溫度濕度條件下出現的，因此降低室外換熱器處的空氣含濕量，破壞結霜的條件，直接避免霜層的形成，可從根本上解決熱泵因結霜而導致的運行可靠性和穩定性差的問題。

現分析幾種常用的空氣除濕方法。

3.1 壓縮除濕方式

對空氣進行壓縮再冷卻，可將空氣中的水分凝結成液態水。將凝結出的水排出并對其進行加熱，即可獲得較低含濕量的空氣。但壓縮除濕方法存在一個較大的問題就是壓縮時動力消耗過大，且無法達成大規模除濕。這些缺點限制了壓縮除濕方法的使用范圍，也因為不符合目前社會對技術發展節能環保的要求，發展前景不是很好。

3.2 冷卻除濕方法

根據空氣中的水分含量隨著空氣溫度的降低而減小的原理，將室外空氣通過表冷器，空氣經過表冷盤管冷卻降溫。隨著空氣溫度的降低，空氣中的水蒸汽逐漸達到飽和狀態。當空氣被冷卻至露點溫度以下時，空氣中的水蒸汽凝結成水并析出，將凝結水排出即可降低空氣中的絕對含水量，實現除濕的過程。

冷卻除濕最大的缺點就是它的適用范圍較小，只能用于露點溫度0℃ 以上。當冷卻盤管的表面溫度降低到0℃ 以下時，水蒸汽凝結成的水會凍結在表冷盤管表面，固態水會降低表冷盤管的冷卻效率，也會使除濕效果變差，無法獲得需要的空氣濕度。

3.3 溶液除濕

溶液除濕技術利用了溴化鋰溶液等鹽溶液吸濕量大的特性，使用鹽溶液作為吸收劑吸收空氣中的水蒸氣，從而達到空氣除濕的目的。溶液除濕系統的主要部件為除濕機、再生器以及循環泵，除濕機內進行吸收劑的噴淋并通入空氣，空氣中的水分被吸收而達到除濕效果。吸收了水分的鹽溶液被循環泵打入再生器，由加熱盤管加熱的再生空氣與之接觸，鹽溶液中的水分因受熱而蒸發析出，并隨同再生空氣一同排出。再生器內的鹽溶液濃度因此提高恢復為濃溶液，經由循環泵進入除濕機繼續工作。[4]

溶液除濕技術雖然可連續除濕，獲得穩定的除濕空氣。但除濕機內噴淋的鹽溶液為霧狀，與空氣接觸時需要處理好溶液飛濺的問題，減少溶液被空氣帶出的可能。且鹽溶液作為循環利用的工質，需要定期補充更換，由此帶來維護費用較高的問題，運行時比較麻煩。

4 結語

（1）對空氣源熱泵來說，目前技術最薄弱的環節就是冬季運行時的除霜問題。霜層會堵塞肋片間通道，增加空氣流動阻力，同時增加換熱器熱阻，使換熱能力下降；霜層還使蒸發溫度下降，能效比降低，致使熱泵運行性能惡化，直到不能正常工作。

（2）目前逆循環除霜、熱氣旁通除霜等方法不僅會影響制冷設備的正常運行，還會消耗大量的能量，降低系統運行效率，而且除霜效果也并不十分理想。

（3）利用可以降低流過空氣源熱泵蒸發器換熱器表面空氣濕度的除濕裝置，使換熱器表面空氣的濕度降低至結霜濕度以下，以防止在空氣源熱泵系統中，由于空氣濕度過大，在換熱器表面結霜影響熱泵性能。雖然目前市面上空氣除濕的方法都存在或大或小的問題，但隨著這些方法的進一步研究與完善，必將解決空氣源熱泵供熱結霜問題，并促進空氣源熱泵更加廣泛的應用。

參考文獻：

[1]高瑞琦.空氣源熱泵降濕除霜分析[J].機電信息，2014，25（3）：7273.

[2]Emery A F， Siegel B L. Experimental measurements of theeffects of frost formation on heat exchanger performance[C]. Proceedings of AIAA/ASME Thermonphysics and Heat Transfer Conference，1990，139：17.

[3]郭憲民.空氣源熱泵結霜問題的研究現狀及進展（Ⅱ）[J].制冷與空調，2009，3（9）：814.

[4]唐亮，祖述程.空氣的除濕處理技術[J].中國新技術新產品，2010，7.

作者簡介：陸心怡（1996），女，江蘇南通人，研究方向：制冷與空調工程；徐佳琦（1996），女，云南昆明人，研究方向：新能源科學與工程。