太陽能耦合空氣源熱泵結霜、除霜研究進展

滿學鵬 顧煒莉 易小芳

南華大學土木工程學院

0 引言

目前，我國的建筑能耗在社會總能耗中占比達到了33%，其中采暖空調能耗是建筑能耗的主要組成部分。傳統燃煤供暖方式增加了二氧化碳排放量，自1978年到2012年，我國的二氧化碳排放量增長了近10倍，達到1003萬噸。采用熱泵供暖可以有效減少二氧化碳排放量，實現節能減排。

空氣源熱泵從空氣中獲得低位熱源，通過部分電能將低位熱源轉化用于建筑供暖，但其對室外環境溫濕度要求較高，在低溫高濕工況下，室外換熱器表面易產生結霜現象，從而導致空氣源熱泵機組制熱效率降低，增大能源損耗。空氣源熱泵結霜時間越長，機組制熱效率越低，嚴重時壓縮機將停止工作。而將空氣源熱泵和儲量豐富的太陽能進行有機結合，優勢互補，在空氣源熱泵結霜和除霜方面會有很好的效果。

1 太陽能耦合空氣源熱泵機組結霜、除霜研究及應用

太陽能空氣源熱泵機組主要由太陽能集熱系統，蓄熱系統，空氣源熱泵加熱系統和采暖末端構成[1-3]，圖1為并聯供暖系統原理圖[2]。國內外學者為解決室外換熱器在低溫高濕條件下易結霜等問題提出各類太陽能耦合空氣源熱泵的形式，從而達到提高機組制熱效率等目的。

圖1 并聯供暖系統原理圖

1.1 直膨式太陽能耦合空氣源熱泵延緩結霜和除霜效果

直膨式太陽能耦合空氣源熱泵是將太陽能集熱器和蒸發器合并起來，實現制冷劑直接進入太陽能集熱蒸發器中，吸收的太陽能直接用于加熱制冷劑[4-7]。工作原理如圖2所示[8]。

圖2 直膨式太陽能/空氣能熱泵原理圖

馬坤如[8]等通過搭建空氣源熱泵和新型太陽能/空氣能直膨式熱泵實驗臺，根據當地的環境溫濕度，研究表明：這種新型熱泵的室外換熱器結霜有所緩解，在太陽輻射達到峰值 571.5 W/m2時，熱泵制熱量較空氣源熱泵提高 70%，全天制熱量提高 12%，在低溫0～8℃工況下，C OP值可達3.46。方雷[9]搭建直膨式太陽能空氣源熱泵實驗臺，建立數學模型并對實驗結果通過模擬進行驗證，結果顯示，當室外溫度越高、太陽輻射強度越大時，系統加熱時間短、耗電量少。當水溫逐漸升高時，冷凝壓力同樣增加，C OP 瞬時值因壓縮機做功增加而減少。

Kara[10]等提出了一種直膨式太陽能空氣源熱泵，與空氣源熱泵相比，通過太陽能的輔助作用，使空氣獲得了更高的蒸發溫度，有效延緩了機組的結霜問題。H uang[11]等設計了一款帶裸露集熱器的直膨式太陽能輔助熱泵系統，在環境溫度7～-3℃，相對濕度 50%、70%、90%，太陽輻射照度 0 W/m2、100 W/m2、200 W/ m2、300 W/m2的工況下記性結霜測試，研究表明：在結霜條件下，相對濕度越高，結霜越嚴重。當相對濕度高于50%至70%，環境溫度低于7℃至6℃時，機組開始結霜，環境溫度高于-3 ℃，太陽照度100 W/m2可完全防止結霜，相對濕度不高于 90%時，可以通過增加太陽照度延緩或防止結霜。

直膨式太陽能耦合空氣源熱泵環境溫度和相對濕度在一定范圍內時，通過加強太陽輻射照度可延緩或抑制除霜，明顯提升了機組的制熱效率，機組在運行過程中更加穩定。

1.2 蒸發器模型修正延緩結霜和除霜效果

針對于其中的蒸發器模型，尹麗媛[12]對一種太陽能 -空氣能蒸發集熱器熱泵供暖裝置在室外溫度4.5℃，室內溫度20 ℃、相對濕度72%的工況下進行結霜、除霜性能研究，結果表明，機組正面結霜少，上面比下面結霜少，背面某些區域未結霜。當瞬時照度大于150 W/m2時，機組可延緩結霜，高于 500 W/m2時，受到照射區域基本不結霜。田琦等[13]在蒸發器模型中增加了空間輻射修正，落塵修正和冬季結霜工況修正，分別對夏季、冬季機組結霜、除霜效果分析，研究表明：太陽能涂層可吸收太陽能輻射能量，冬季太陽輻照度增大可以有效提高蒸發器表面溫度，從而達到抑制結霜的效果。季杰[14-15]等將蒸發器替換為表面涂有吸收性涂層的蒸發器，在不同輻射照度和不同環境溫度下對此系統與傳統直膨式太陽能熱泵系統分別進行制熱性能的研究。當太陽輻射照度與蒸發器進口溫度呈正比，當輻射照度超過 200 W/m2時，可完全避免蒸發器結霜。在輻射照度為100和200 W/m2，C OP值與無照度相比分別提高11.7%和 23.7%，系統啟動除霜延遲23 min，還對太陽能/空氣能直膨變頻翅片的結霜問題做出了分析。

董旭[16]提出了一種在常規空氣源熱泵表面電噴太陽能選擇性吸收涂層的模式，太陽能吸收率為0.92-0.96，透射率為 0.92-0.94，反射率約為0.039，采用逆循環除霜方式，與常規空氣源熱泵相比，可有效預防初期結霜，太陽能 -空氣源熱泵逆除霜性能系數為0.29，相比于空氣源熱泵提高了26.1%。黎珍[17]等提出一種太陽能/ 空氣能蒸發集熱器，建立 TRNSYS 模型，通過電化學方法在銅鋁翅片管外表面電解著色一層鋁陽極氧化太陽能選擇性吸收涂層，通過模擬分析得出此種蒸發集熱器可有效緩解冬季室外側換熱器結霜問題，系統 COP值在冬季和夏季比空氣源熱泵分別提高44.16%和6.56%，耗電量也相應減少。

通過不同方式對蒸發器表面增加太陽能吸收涂層可加倍吸收太陽能，提高蒸發器溫度，延緩機組結霜，縮短除霜時間。

1.3 預熱冷空氣延緩結霜和除霜效果

對冷空氣提前進行預熱，圖3為預熱冷空氣的太陽能耦合空氣源熱泵原理圖[19]。

圖3 預熱冷空氣的太陽能耦合空氣源熱泵原理圖

Jia[18]等采用空氣源熱泵蒸發器前安裝太陽能空氣預熱器方式，經熱泵蒸發器從室外空氣獲取熱量和通過滲透式空氣收集器吸收預熱空氣中的熱量對比發現，對室外空氣進行預熱后，使室外空氣性能參數提高了25.5%左右，在提高性能系數和太陽能利用率的同時，有效抑制了結霜層，使系統在無霜條件下運行。Z hang[19]等設計了一款在熱泵蒸發器前串聯空氣預熱器的太陽能耦合空氣源熱泵系統，該系統可獨立供暖，使得供暖可靠性有所提高。系統將白天太陽能集熱器吸收的熱量儲存起來，供夜晚使用，可實現制熱兼蓄熱、串聯聯合供熱、蓄熱供熱三種工況之間的相互轉化，通過對單一空氣源熱泵和次熱泵系統在不同工況下對其性能記性比較。當入口冷空氣從 -16 ℃升溫到 7 ℃以后，經過空氣預熱器預熱后熱泵系統在7 ℃以上可以有效抑制結霜，使空氣源熱泵在無霜效果下運行。陳儉[20]等提出一種中間安裝有制冷劑蒸發管的太陽能為輔助熱源的空氣源熱泵系統，該系統可以全天候制熱，在寒冷高濕地區也能夠完成除霜，此系統的弊端是在除霜過程中需要熱泵提供大量熱水。

王文君[21]在一款太陽能空氣源熱泵系統中設計了一款新型除霜換熱器，即在原有的翅片管式換熱器上增加一個熱水的進口和出口，使空氣經過時被加熱到一定溫度再與工質進行換熱，使工質得到提高，在工況為-10℃環境溫度下，提高了壓縮機的吸氣溫度，使機組運行更加穩定，與傳統換熱器相比，此種換熱器可有效延緩結霜。張迎迎[22]提出了一種太陽能耦合空氣源熱泵的方式，使空氣先后經過介質為太陽能熱水和制冷劑的兩排管，前者提高空氣的溫度，后者提高了蒸發溫度，使室外換熱器在冬季運行中頻繁結霜、除霜的問題得以有效解決。

通過對冷空氣預熱器方式，明顯提高了蒸發器表面溫度，減少水蒸氣的凝結，機組初期結霜量減少，提高了供暖可靠性。

2 太陽能耦合空氣源熱泵的其他形式延緩結霜和除霜效果

對于太陽能耦合空氣源熱泵的其他形式，R an[23]等提出一種間聯式太陽能空氣源熱泵系統，在風冷換熱器和熱泵冷凝器之間設置換熱器。當風冷換熱器局部結霜時，結霜的風冷換熱器由與蒸發器相連轉為通過閥門與除霜板式換熱器相連，同時關閉風機。未結霜部分繼續工作，將吸收的空氣熱能通過熱泵制取熱水，為結霜的風冷換熱器提供熱量用于除霜，該模式除霜最大的優點就是確保除霜高效，不會停止制熱，對用戶側沒有影響。

Liu[24]等提出一種將空氣源熱泵的室外翅片管換熱器與太陽能熱水聯合使用的系統，對熱泵系統在正常工況和低溫工況分別進行性能測試，對新型熱泵機組在 -5 ℃的低溫工況下進行測試，空氣源熱泵在-5 ℃除霜比7 ℃除霜時間增加 50%，結霜程度隨環境溫度下降而加劇，結合太陽能熱水后，提高了蒸發器出口的冷媒溫度，機組結霜現象減少，除霜周期得到延長，除霜時間大大減少。

武斌[25]提出一種電耦合直凝式地板輻射采暖的太陽能空氣源熱泵系統，通過安裝電輔助設備對機組的結霜除霜效果進行探究，結果表明，安裝電輔助加熱設備對除霜有很大幫助，在室外側安裝效果更好。此耦合系統除霜周期和時間分別為常規性的 9 倍和 2.3倍，能耗減少22.2%。

Long[26]提出了一種基于相變材料的太陽能空氣源熱泵系統，通過對機組在惡劣環境條件下的測試發現，該系統的系統效率和制冷性能有顯著提升。陳夏輝[27]等對蓄熱型太陽能空氣源熱泵進行探究，借助Trnsys軟件建立模型，通過仿真模擬發現，相變蓄熱水箱可以通過降低集熱器進口水溫來提高集熱效率，而且可以延長熱水使用時間，對換熱器結霜情況有一定改善。閆澤濱[28]提出了一種太陽能—相變蓄熱蒸發型空氣源熱泵，即在傳統機組中增加相變蓄熱器，實現熱量轉換。當室外環境溫度高于-6 ℃時，將多余熱量儲存在蓄熱器中，在低于 -6 ℃時將熱量釋放出來，通過這種方式，很好的解決了低溫狀況下換熱器結霜的問題，減少了除霜時間。

通過對不同形式的太陽能耦合空氣源熱泵系統的提出，找到更快更高效的除霜方式，讓機組減少除霜的過程，不僅有利于機組的提高制熱效率，而且延長了機組的壽命。

太陽能耦合空氣源熱泵系統通過改變機組類型，系統采用雙熱源運行機制，對太陽能有效利用，節約了能源，降低了能源與環境的壓力。目前對太陽能的利用還不充分，日后需要提出更好的結合方式來提高機組的制熱效率，縮短除霜時間，提高系統COP值等。

3 結語與展望

對于空氣源熱泵在低溫高濕工況下易結霜，進而影響熱泵機組性能的特點，太陽能耦合空氣源熱泵可以有效的解決室外側換熱器結霜問題，使太陽能和空氣能得到充分利用。在太陽能耦合空氣源熱泵機組的結霜除霜研究中，太陽能集熱器的效率越高，除霜效果往往更好。因此可以在太陽能集熱器的結構和集熱介質兩個方面來進行改進。在結構上：用槽式太陽能集熱器代替太陽能平板集熱器，通過拋物面聚光得到高熱流密度的輻射量.在介質上：通過使用導熱油、熔融鹽等高導熱系數介質來代替水和空氣，有效提高介質的吸熱量及系統的集熱效率。