空气源热泵延缓结霜及除霜研究现状与展望

1、空气源热泵延缓结霜和除霜问题研究摘要：针对空气源热泵延缓结霜及除霜问题，对霜层的形成、延缓结霜技术、除霜技术三个方面的研究现状进行了评述。总结了现存延缓结霜及除霜方法，指出了其中的不足之处。可为空气源热泵延缓结霜以及除霜问题提供参考。关键词：空气源热泵 结霜 除霜1 引言 热泵是一种节能环保的供暖供冷设备，热泵可以分为空气源、水源、土壤源以及太阳能热泵等。空气源热泵是以空气作为低温热源，从大气中获取热量，比较方便，换热设备和安装较简单。因此在我国城市发展中得到了广泛的应用。但是在使用过程中运行状况始终不理想，特别是在低温高湿地区制热运行时。造成这一现象的主要原因是空气源热泵室外换热器表面的结霜

2、导致机组运行效果差。一方面，表面形成的霜层增加了空气流动的阻力，导致空气流量的减小，另一方面霜层的存在增大了室外换热器的导热热阻，降低了机组的性能系数。空气源热泵的结霜问题成为了制约其发展的瓶颈。因此，如何有效的延缓空气源热泵结霜以及高效除霜成为了空气源热泵发展的重要问题。2 结霜问题研究 霜层可以看成是由冰晶和空气组成的多孔介质，其生长过程分为三个时期，即结晶体生长期、霜层生长期和霜层充分生长期1。大量的实验数据表明在结霜初期，由于霜表面极为粗糙，霜层起到了翅片作用，增加了传热效率，一定时间后尽管霜仍然继续沉积，传热效率变得与时间无关。从现有的研究结果来看，关于结霜问题主要分为两大类：一是结

3、霜机理的理论和实验研究；二是对结霜过程的数值模拟。Lee2研究了进气温度、进气空气湿度、气流速度和冷却表面温度，研究表明：空气相对湿度和冷却表面温度是霜层形成的主要因素，高湿度低冷却表面温度会形成更厚的霜层。郭宪民等3把室外换热器的结霜过程与系统的工作过程作为一个整体考虑，通过实验研究了进风空气温、湿度对室外换热器结霜的影响。如图1所示为进口温湿度对结霜量的影响，图2为运行35分钟后不同工况结霜量比较。从图中可以看出存在一个结霜率最大的进风温度范围。在相对湿度不同的工况下，在0-3范围内结霜速率最大，且此结霜温区不随相对湿度的变化而变化。图1进风温度对室外换热器动态结霜量的影响 图2运行35分

4、钟后不同工况结霜量比较 王皆腾4以液/固晶体生长的相场法理论为基础，建立了霜晶体生长的相场法模型，利用该模型对自由空间内过冷空气围绕晶核的晶体生长过程进行了模拟，结果如图3，为更深入地研究冷表面霜层生长的机理提供了坚实的基础。图3 不同时刻霜晶体生长的模拟结果3 延缓结霜问题研究现状 目前延缓结霜的方法主要有以下三个方面：改变室外换热器进口处的空气参数来延缓结霜、改变系统流程和蒸发器结构参数、改变换热器表面特性。3.1改变室外换热器进口处的空气参数来延缓结霜 （1）降低进口空气的湿度。Wang5等人在蒸发器入口处放置了固体除湿剂，降低了进口空气的湿度，如图4所示。但是固体除湿剂存在失效和再生的

5、问题。Jain6等设计了空气源热泵液体除湿系统，实现了连续工作，取得了良好的抑制结霜的效果，如图5所示。但是对于此系统比较复杂，安装较为困难，因此在实际中没有得到广泛应用。 图4吸附床和蒸发器示意图 图5液体除湿系统与传统空气源热泵系统结合示意图 （2）提高空气温度。增加辅助室外换热器，在供热工况，辅助换热器提高了周围空气的温度，延缓了霜层的增长。通过电加热也可以实现对进口温度的提高，但是电能属于高品位能源，不能达到节能的目的。3.2改变系统流程和蒸发器结构参数 （1）改变系统流程。Byun7等实验验证了在压缩机出口与蒸发器入口处增加旁通管之后抑制结霜的效果。增大旁通管内的制冷剂流量，可以有效

6、抑制室外机霜层生长，但同时造成系统供热量下降。 （2）改变蒸发器结构。张哲8通过实验研究了蒸发器结构对其结霜特性影响。实验结果表明蒸发器结构参数对蒸发器结霜速度的影响很大，管排数越多、肋片间距越小，蒸发器结霜越严重，而且换热器压降增加迅速，不利于热泵运行。王洋等9研究了增大蒸发器面积对地区延缓结霜效果分析，可将我国应用空气源热泵分为效果一般地区、效果良好地区和效果显著地区。增大室外蒸发器的面积，就会增加成本和初投资，所以在效果一般地区不宜采用。3.3改变换热器表面特性 对室外侧换热器表面进行处理也可以抑制霜层生长。亲水涂料的抑霜机理目前仍处于探索之中，但普遍认为是由于亲水涂料含有强吸水性物质，

7、能够在结霜初期把凝结在冷板表面上的水珠吸附到由涂料制成的亲水涂层内部，同时涂层内含有能降低水冰点的物质，使吸附到内部的水珠不发生冻结，因而延缓了初始霜晶的形成。对于疏水性材料，费千等10对一般疏水层上掺杂了疏水性固体颗粒，较好的抑制了霜层生长。王贤林等11对室外换热器表面添加了疏水层，促进了水滴从室外机壁面脱落，延缓了霜层的生长。3.4其他 董建锴12提出了一种简单的延缓结霜的方法。在正常供热时，通过变换风机风向，使室外换热器由原来的负压区变为紊流正压区。加强空气与室外换热器之间的换热，促使形成的水滴和霜层加速脱离室外换热器壁面，从而达到延缓结霜的目的。一些学者还研究了外加电场或者磁场来达到抑

8、制结霜的目的。4 除霜问题研究现状 目前应用最广泛的除霜方式有逆循环除霜和热气旁通除霜。4.1逆循环除霜逆循环除霜是在需要除霜时通过四通换向阀的切换改变制冷剂的流向，使蒸发器和冷凝器的作用交换，同时风机停转，利用管内制冷剂的热量除去霜层。但是这种方式存在很多弊端。除霜时会从室内吸收热量，造成室内的温度波动较大，舒适性比较差。图6空气源热泵蓄能热气除霜新系统原理图为了解决这一问题，韩志涛13提出了蓄能除霜。图6为空气源热泵蓄能热气除霜新系统原理图。制热运行工况，由压缩机排出的高温高压气态工质首先进入蓄热器的盘管开始蓄热，蓄热结束后关闭相应阀门，系统恢复到原有热泵模式供热。除霜时，四通换向阀换向，

9、压缩机排出的高温工质如实线箭头所示的方向，首先进入室外侧换热器，融化霜层。彻底解决了常规除霜时低位热源供给热量不足的问题。董建锴12提出了过冷蓄能除霜，在常规的空气源热泵机组中增加了一个相变蓄热器，实现了系统的过冷蓄热和蓄能除霜，一方面充分利用了制冷剂的过冷热完成了相变蓄热，保证了系统的安全运行，另一方面有效的解决了空气源热泵除霜过程中能量来源不足的问题，改善了除霜时的系统性能，提高了除霜效率。如图7所示，为空气源热泵过冷蓄能除霜系统原理图。图7空气源热泵过冷蓄能除霜系统原理图4.2热气旁通除霜 热气旁通除霜时四通换向阀不需切换动作，开启热气旁通电磁阀，关闭风机，压缩机的排气从旁通电磁阀直接到

10、达分液器，然后进入风冷换热器除霜，融霜后的制冷剂通过四通换向阀进入气液分离器，最后被压缩机吸入。 黄东14对风冷热泵冷热水机组热气旁通除霜与逆循环除霜性能进行了对比。逆循环除霜的能量来源包括压缩机以及从循环水和房间的吸热量，除霜时间较短，舒适性较差。热气旁通除霜时间比逆循环长，但舒适性较好，启动和终止除霜时，不会产生四通阀换向的气流噪声等。5 结语 空气源热泵的应用越来越普遍，因此如何提高系统运行的可靠性以及除霜的效率至关重要。通过对空气源热泵结霜、除霜研究的文献分析，可以得到以下结论： （1）对于霜层形成的机理的深入研究是至关重要的。霜层的形成是一个微观而且复杂的过程，影响霜层形成的因素较多

11、。对霜层形成的研究可以总结出规律，利用规律对延缓结霜以及除霜提供参考。 （2）对于延缓结霜的研究可以从三个方面考虑：一是改变室外换热器进口处的空气参数；二是改变系统流程和蒸发器结构参数；三是改变换热器表面特性。外加电场和磁场等方法来延缓结霜也提供了新的思路。 （3）目前，空气源热泵中的除霜方式较多使用逆循环除霜方式，但是逆循环除霜可能会使室内的温度降低，房间温度波动过大，舒适性较差。并且正确选择除霜的时期也是至关重要的。为了降低除霜时的能耗和减少过程对室内环境的影响，控制除霜开始和终止的方法也应该尽可能精确。热气旁通除霜舒适性较好，不会产生四通阀换向的气流噪声等，但是除霜时间较长，热气旁通法除

12、霜仍需要进一步研究。参考文献：1 赵兰萍.冷壁面上结霜机理研究中的几个问题J.制冷学报, 2000(2):45-48.2 Lee Y. Frost formation on a vertical plate in simultaneously developing flowJ. Experimental Thermal and Fluid Science, 2002(26):939-945.3 郭宪民.室外换热器迎面风速对空气源热泵 结霜特性的影响J.化工学报,2012, 63(S2):32-37.4 王皆腾.冷表面上结霜现象的理论与实验研究D. 北京工业大学:北京工业大学,2008.5 Wa

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