長江流域空氣源熱泵除霜技術研究

任建華

摘 要：為解決空氣源熱泵在各類工況下的結霜問題，結合長江流域的的氣候特性，深入研究機組的結霜過程，并有針對性的提出了幾種除霜方法，為進一步改進機組的除霜性能打下基礎。

關鍵詞：空氣源；熱泵；除霜

1.緒論

我國地域遼闊，根據GB50176-2016《民用建筑熱工設計規范》[1]，我國分為5個氣候地區，其中，長江流域屬于夏熱冬冷地區，該區域包含了：①輕霜區，云南大部、成都、重慶等，該地域常年氣溫較高，結霜不明顯或不會對熱泵制熱造成大的影響；②重霜區，貴州、湖南等，該地域濕度和溫度處于結霜速率較大區間，③一般結霜區，武漢、上海、南京、宜昌等；④高寒區，江源區域年平均氣溫-4℃，最低溫度在-30℃以下[3]。可見，長江流域集合了輕霜、重霜、高寒區域，因而，除霜設計是空氣源熱泵所需要重點突破的技術。

2.技術路線

近年來，隨著節能減排政策的大力推進，空氣源熱泵在我國城市應用越來越廣泛。空氣源熱泵使用時，當蒸發溫度低于0℃[2]，水蒸氣會在蒸發器表面凝結形成霜層，阻擋風道，減小系統循環風量并增大熱阻，降低蒸發器的換熱能力，進一步降低蒸發溫度，使得蒸發器結霜速度更快，造成惡性循環。結霜會造成熱泵制熱能力的降低，冷媒蒸發不完全引起回液，以致系統不能正常工作。

針對空氣源熱泵的除霜問題，對低溫型空氣源熱泵進行了針對性的分析、研究，提出了以下技術方案。

3.除霜技術方案

3.1 防積冰技術

針對空氣源熱泵底盤積冰的現象，低溫型優化了蒸發器流路的設計。在蒸發器最下方支路，即靠近接水盤的一路，在冷媒輸出管段增加單向閥。正常制熱時，最下方支路無冷媒通過，減少蒸發器底部結霜。除霜時，熱態冷媒則流經此支路，確保蒸發器底部化霜干凈，接水盤無積冰，同時確保了融霜水的順利排除。

為驗證該防積冰設計是否有效，在國標[4]的基礎上專門設計了超高濕度除霜實驗，如下：

（1）干球溫度/相對濕度：2℃/100%

（2）樣機回水溫度：設定水溫下限20℃

該環境下機組最容易結霜，同時施以最低水溫，使除霜熱量來源最低，最不利于熱泵除霜吸熱，除霜狀況最惡劣。通過連續12h高濕度除霜，蒸發器始終保證即使上部嚴重結霜或結冰時，最下部流路翅片不結霜，無冰霜堆積。

3.2 大流量除霜技術

熱泵通常的除霜過程是四通閥換向后，冷媒反向流過蒸發器、節流部件和冷凝器實現除霜，問題是除霜時冷凝壓力很低、高低壓差較小、節流部件阻力較大，造成除霜時系統冷媒循環量較低，除霜時間比較長。變頻壓縮機系統可提高頻率提高冷媒流量，但定速壓縮機無法提升運轉頻率。經過分析計算和實驗，專為定速壓縮機的除霜設計了額外部件。

在節流部件上并聯一個單向閥，制熱運行時單向閥處于截止狀態。除霜時，若循環水溫較低，則關閉除霜電磁閥，避免套管內的水無法提供足夠熱量而造成回液和循環水凍結；若水溫較高，則開啟除霜電磁閥，冷媒同時通過單向閥、主回路節流部件進入套管，此時系統冷媒循環量大大增加，蒸發器在短時間內獲得更多的熱量，與普通空氣源熱泵相比，更快完成除霜。大流量除霜時，系統阻力較小，蒸發溫度提升速度快，除霜時間縮短1/3左右。

3.3 智能化的除霜控制邏輯

低溫系列空氣源熱泵針對各類除霜情況進行了優化設計：

（1）機組使用前遇到冰雪天氣，機組會被積雪覆蓋，機組開機后根據環境溫度及蒸發器溫度判斷是否要進行預除霜，確保機組開機時無積雪或積冰。

（2）低溫型空氣源熱泵為除霜運行設定了12種除霜方案，智能控制系統會根據蒸發溫度及下降趨勢、進水溫度、環境溫度等狀態，選擇合適的除霜方案進行除霜運行。

為研究系統結霜狀況、結霜判斷條件、除霜進入條件、水溫對結霜的影響、除霜變化規律、水溫對除霜的影響等問題，設計了大量試驗進行研究。其中最重要的實驗是低濕度除霜和超高濕度噴霧除霜。

低濕度除霜試驗方法如下：

（1）環境干球溫度/相對濕度：5℃/44%

（2）樣機回水溫度：設定水溫上限65℃

低濕度除霜是為了模擬機組在環境溫度高、相對濕度較低時的除霜狀況，在該工況下，回水溫度達到最高，系統進入除霜會進入高蒸發溫度、低冷凝溫度的低壓縮比、高冷媒流量的大負載運轉狀態，機組的控制設計必須要能保證系統的壓力、溫度、電流等參數在合理的范圍內，以確保系統能安全可靠地長時間運行。

超高濕度噴霧除霜試驗方法如下：

（1）環境干球溫度/相對濕度：0℃/100%

（2）樣機回水溫度：設定水溫下限20℃

（3）通過霧化裝置向蒸發器噴射低于2℃的水霧，模擬雨夾雪天氣過程

該實驗模擬環境溫度接近冰點、相對濕度最高（100%），且下凍雨時的除霜狀況，此時即使熱泵不運行，蒸發器翅片也會結冰，是為結霜最惡劣狀況，同時施以最低水溫設置，最不利于除霜吸熱，除霜狀況最惡劣。實驗測試表明，低溫型空氣源熱泵相比普通空氣源熱泵，綜合除霜時間縮短了20～50%。

3.4 防積雪控制技術

江源區域屬于高寒地區，有較多冰雪天氣。如果設備長時間處于待機狀態且當地降雪較大，室外機風葉會覆蓋厚厚的積雪，甚至凍結。當設備重新開始運行時，會損壞電機或風葉，影響用戶的正常供熱。為解決此隱患，利用防積雪控制技術可解決設備在下雪情況下長時間待機，由于積雪而造成風機或電機損壞的問題，提升設備的可靠性。

4.總結

通過對空氣源熱泵的結霜工況進行測試，采集大量數據，針對長江流域不同溫度濕度的工況，機組采用不同的除霜控制技術，測試表明，結合以上技術，低溫型空氣源熱泵機組改善了除霜性能，提高用戶舒適度。

參考文獻

[1] 住建部，GB50176-2016《民用建筑熱工設計規范》，2017年4月1日實施

[2]薛利平，環境參數對翅片管蒸發器表面結霜特性影響的實驗研究，低溫與超導，2017年04期

[3]中國天氣網

[4]全國冷凍空調設備標準化技術委員會，GB/T 25127.1-2010 低環境溫度空氣源熱泵（冷水）機組 第1部分：工業或商業用及類似用途的熱泵（冷水）機組，2011年2月1日實施

（作者單位：廣東美的暖通設備有限公司）