空氣源熱泵機組除霜問題分析

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一、單模式除霜方法

單模式除霜方法指運行設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，通過提高蒸發器表面或者周圍空氣溫度，融化霜層。依據能量來源的不同方式，分成內部能源除霜和外部能源除霜，內部能量除霜。除霜能量來源于壓縮機，如逆循環除霜，熱氣旁通除霜，過冷蓄熱除霜等。逆循環除霜是較為普遍的一種除霜模式，但它存在以下問題：①逆向運行過程蒸發器與冷凝器相互轉換，與正向運行工況相差較大，壓縮機與逆向循環匹配度較低，導致系統運行效率低；②逆向運行導致制冷劑流量降低，增加除霜時間；③機組除霜后期，室外側常出現無法完成冷凝的情況，可能會造成壓縮機停機保護；④逆循環除霜期間，會降低室內的熱舒適性。熱氣旁通除霜方法是隨著控制技術和制造技術的不斷精進而出現。相比逆循環除霜，該除霜方法不會對室內熱舒適產生影響，其運行系統也較為穩定，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。從設計角度考慮，室內負荷相同情況下，熱氣旁通除霜法需要的機組要大于逆循環機組，會增加設備初期投資。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，均不會對室內熱舒適性產生影響。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產生影響，使其液滴更加均勻、結構更加松散，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，疏水涂層應用仿生學，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模應用方面還不成熟，成本造價也相對較高。

二、抑霜方法

霜層在風冷機組蒸發器壁面上形成時，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、風速、氣壓等。一些學者從結霜源頭進行研究，意圖抑制或者減緩霜層的生長。現階段研究思路有：①改變供熱流體物理狀態；②優化室外換熱器結構。供熱流體大多數情況下為室外空氣，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的關鍵是吸附床可再生，有采用太陽能-電加熱再生系統，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。這種系統在空氣和蒸發器中增加了一種鹽溶液換熱介質，鹽溶液介質將空氣中熱量傳遞給制冷劑，并且有系統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，造成系統體積臃腫、控制復雜。親水涂層直接附著于蒸發器表面，與吸附床相比，系統體積大幅降低。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，可以發現親水涂層結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可以有效地抑制霜層，但在相對濕度較大的地區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器表面結霜情況，也可以穩定機組運行工況。此外霜層也受到迎面風速和氣壓的影響，風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。室外換熱器結構優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。結構的優化會受到不同地區、不同氣候類型的影響。研究表明，蒸發器面積增加一倍時，各個地區的平均蒸發溫度約上升2.5℃，結霜時間減少5.21%～82.96%，不同地區應該有相應的翅片設計間距，以減緩霜層對換熱的影響。抑霜方法造價較高，對系統造成影響較小，且在結霜初期有較好的抑霜效果。

三、逆循環除霜

逆循環除霜是目前使用范圍較為廣泛的一種除霜技術。當ASHP 機組在逆循環除霜模式下運行時，其室外換熱器作為冷凝器，室內換熱器作為蒸發器，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，直接進入室外側換熱器進行冷凝放熱，而非進入室內側換熱器，將放出的熱量用于除霜。除了四通換向閥，逆循環除霜不需要其他復雜部件，具有系統簡單、技術成熟及成本低等優點。但該除霜方式也存在一些問題，如室內舒適度差、除霜時間長、能耗較高以及除霜能量來源不足等問題。

四、結束語

結霜是影響空氣源熱泵性能的關鍵問題之一，本文重點分析了各除霜技術存在的問題，以期為除霜技術的改進提供指導。