第25卷第4期 刘 康，等：空气源热泵除霜研究 ·421· 文章编号：1671-6612（2011）04-421-04空气源热泵除霜研究刘 康 吕 静（上海理工大学环境与建筑学院 上海 200093）【摘 要】 空气源热泵的结霜问题已经成为影响空气源热泵机组可靠性的关键，提出了解决问题的三个方法：延缓结霜、除霜方法改进和除霜控制技术。

增加风量、改进换热器形式等可以有效延缓结霜，并降低结霜的程度；采用蓄能除霜法可以减少除霜时间，室内恢复供热更快；模糊控制等控制方式可以使除霜更加智能化，从而达到良好的除霜效果。

【关键词】 空气源热泵；延缓结霜；除霜 中图分类号 TB61 文献标识码 AStudy of Air-source Heat Pump DefrostingLiu Kang Lv Jing( School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093 )【Abstract 】 Air source heat pump frost has become the key of air-source heat pump. There are three ways to solve the problems. First, we can delay frost. Second, we can improve the methods of defrosting. Finally, we can use a better defrosting control. Increasing ventilation and changing the form of heat exchangers can effectively slow down the process of frosting. Energy storage defrosting can reduce the defrost time and make the heating recovery faster. Fuzzy control method makes the control of defrosting more intelligent, so as to achieve a good result.【Keywords 】 air-source heat pump; Delaying Frost; Defrosting作者简介：刘康（1987-），男，在读硕士。

收稿日期：2010-10-260 引言空气源热泵利用空气做低温热源，不需要水系统，安装灵活，空气源热泵机组规格齐全，能够满足不同用户的需求，在中小型建筑中得到广泛的应用。

但是，空气源热泵也存在着低温环境下制热量衰减和结霜问题。

当室外换热器表面温度低于0℃且低于空气的露点温度时，空气中的水蒸气就在换热器表面凝结成霜。

结霜不仅增大了空气的流动阻力，还降低了热泵的制热能力，结霜严重时还会使机组停机。

除霜时，需要消耗大量的热量，且影响供热，及机组的稳定运行。

结霜问题成为影响空气源热泵机组使用稳定性的主要影响因素。

20世纪50年代以来，国内外学者在结霜的机理及霜层的增长、翅片管换热器的结霜问题、热泵机组的除霜及其控制方法等方面做了大量的研究工作。

通过研究人员对霜层的理论研究得到了霜层内部密度、温度、热导率分布情况，为除霜的其他方面研究奠定了理论基础。

近年来的除霜研究主要集中在三个方面：延缓结霜技术、除霜方法改进和除霜控制技术。

这三个方面既可以独立做研究又对机组的性能共同起作用，在实际应用中可以采用新型的换热器形式及涂层延缓结霜，应用改进的除霜方法和新的优化的控制技术，使得空气源热泵的整体性能有一个较大的提高。

1 延缓结霜技术对换热器的结霜研究表明，影响换热器上霜层形成速度的主要因素空气参数、换热器结构、空气第25卷第4期 2011年8月 制冷与空调 Refrigeration and Air Conditioning V ol.25 No.4 Aug. 2011.421～424·422·制冷与空调2011年流速等。

图1是根据研究人员对不同空气源热泵机组的试验结果拟合的曲线[1]。

图1 空气源热泵热水机组结霜的室外空气参数范围Fig.1 The range of outside air frost of air source heatpump water heaters从图中可以看出，相对湿度Φ和室外干球温度t是影响空气源热泵热水机组结霜的重要因素。

发生结霜现象的可能范围为：-12.8℃≤t≤5.8℃。

实验表明：当Φ≥67%时，温度在0～3℃时结霜最为严重，在相同干球温度下，相对湿度越大，结霜越严重。

空气参数影响结霜的情况，还影响了空气源热泵的使用区域。

通过改变其他影响因素如增大风量和改变换热器形式等，则可以达到延缓结霜的目的。

（1）增大风量通过理论分析可知：在其他条件不变的情况下，增大风量可以减少空气的换热温差，从而降低结霜的程度。

增大风量通常的做法是提高风机的转速和增大风扇的直径，研究表明[2]：风机噪声的声功率与风扇圆周速度的6次幂成正比，或与风扇直径的2次幂成正比，故两种方法都会较大程度的增加风机的噪声，而不改变风机的直径和转速，增加风机的数量，总噪声的增加不会产生数学叠加，只增加1～3dB。

由上述分析可知，将一个较大的风扇变为两个较小的风扇，即可以增加风量，又可以减小噪声，只是机组的造价会有所提高。

（2）改进换热器设计影响室外换热器结霜特性的换热器结构包括翅片间距、分路数、沿气流方向的管排数及肋片边缘效应等[3]。

应尽可能加大迎风面积和肋片间距，因为实验研究表明，在翅片管的不同部位结霜程度是不同的，饶伟，陆亚俊做了变片距换热器与等片距室外换热器空气源热泵冷热水机组的性能的实验[4]，结果表明：变片距换热器热泵机组各项参数受室外换热器结霜影响较等片距换热器热泵机组小，变片距换热器热泵机组的蒸发温度、冷凝温度、制冷剂流量、水侧换热量、出水温度、压缩机轴功率、机组供热性能系数均大于等片距换热器热泵,且变片距机组有效延长了结霜周期。

除了改变换热器形式外，还有几种方法也可以达到延缓结霜的目的。

例如：在换热器表面涂上憎水材料，使水蒸气难以在换热器表面凝结；或者采用电动流体力学的方法，在换热器周围形成电场、磁场或电磁场，从而增加扰动，强化换热并减轻结霜。

2 除霜方法研究除霜问题的关键是寻找融霜热源，常用的方法有电热法，逆循环法，热气旁通法和蓄能除霜法。

电热融霜即通过电加热的方式融霜，这种方法简单易行，但却是以消耗高品位的电能为代价的，不符合热泵环保节能的理念，已渐渐淡出应用，这里不做详细介绍。

热气旁通法和逆循环法的原理如图2。

图2 热气旁通法原理示意图Fig.2 Schematic diagram of hot gas bypass method（1）逆循环法除霜时，四通换向阀动作，改变制冷剂流向，让机组由制热状态转化为制冷状态，压缩机排出的高温气体直接通到室外换热器中进行融霜。

这种除霜方法，在除霜启动时，制冷剂以液态存在于气液分离器中，压缩机只有将吸气压力拉的很低，才能将制冷剂闪发，造成融霜阶段制冷剂流量很小，延长了除霜时间[5]。

商萍君通过实验方法得到了改变室外风机运行方式对除霜的影响。

结果表明[6]：风机的提前反第25卷第4期刘康，等：空气源热泵除霜研究·423·转启动以更迅速的方式排出翅片间残留的融霜水，并维持排气压力的升高速率不致过快，压差不致过大以减小四通阀切换过程对机组的压力冲击和液体冲击，提高盘管过冷度，增大膨胀阀供液量，缩短稳定制热运行时间，增大平均制热量，提高机组的可靠性和空调舒适性。

（2）热气旁通法除霜时，不改变制冷剂流向，机组保持制热工作状态不变，压缩机排出的高温气体通过旁通管直接旁通一部分至室外换热器，进行融霜。

除霜的热量来源为压缩机所消耗的电力和压缩机壳体的蓄热量两部分。

实验表明[7]：旁通除霜电磁阀的质量优劣直接关系到除霜时间及除霜效果。

采用阻力小的电磁阀可缩短除霜时间；反之，除霜时间增长，耗功增大，且除霜效果不佳。

（3）蓄能除霜法传统的除霜方法，如逆循环和热气旁通法，除霜所用的能量大都来自压缩机的功耗。

由于没有足够的热量，常常导致除霜时间长，除霜能耗增加，室内温差过大，致使人体不舒适等，故改进热源采用蓄能除霜法。

蓄能除霜包括蓄热水和相变材料蓄能等，其基本原理如图3所示[8]。

图3 蓄能除霜原理图Fig.3 Schematic of storage energy defrost method文献[8]的实验表明：蓄水除霜的除霜时间可缩短10min，蓄能除霜可避免向室内吹冷风，提高舒适度，且恢复正常供热时间短。

相变蓄热除霜[9-11]是近年来提出的新的除霜方法。

文献[10]选用CaCl2·6H2O作为相变蓄热材料，做了与普通热气除霜的对比实验，研究表明：除霜时间可减少45%左右；压缩机吸排气压力得到明显提高，可避免传统除霜因吸气压力过低而出现的保护性停机。

排气压力的提高，使冷凝温度提高，增大了除霜时的温差；提高室内送风温度，室内恢复供热的时间缩短20%左右。

由上面的分析对比可知：蓄能除霜能够提供相对较好的除霜热源，缩短除霜时间，且恢复时间短，较之其他方法更有优越性。

3 除霜控制技术除霜控制技术的重点是除霜切入点和结束点的选择。

当重度结霜时，60%～70%的化霜水仍滞留在翅片管表面，且多集中在换热器的下部，如何选择恰当的除霜结束点，既可以除去化霜水又避免出现干热状态时控制技术的关键。

目前常用的控制方法是时间-温度法，通过控制翅片管表面温度、除霜时间和除霜周期来控制除霜的开始和结束。

但是这种方式对传感器的安装位置依赖性较强，常见的中部安装容易造成除霜结束不准确，除霜不净。

其他的控制方法如空气压差除霜控制法，室内、外双传感器除霜法等，都存在控制参数少，难以达到理想的控制效果。

近年来将模糊控制技术引入空气源热泵机组的除霜控制中。

通过对除霜过程的相应分析，对除霜监测及控制规则进行修正，以使除霜控制自动适应机组工作环境的变化，达到智能除霜的要求。

但这种控制的关键在于怎样得到合适的模糊控制规则和采用什么样的标准对控制规则进行修改，根据经验得到的控制规则有局限性和片面性，而根据实验制定控制规则又有工作量大的问题。

理想的除霜控制应该是既能在霜层集聚时及时除霜，又不在无霜时作无效除霜运行。

这就要求较多的控制参数，模糊控制是较接近这一要求的，而又需要不断完善的，必须有大量实验数据统计以得到符合结霜规律的模糊控制规则，才可以达到良好的除霜效果。