空氣源熱泵熱水系統(tǒng)結霜和除霜研究現(xiàn)狀與進展

郭俊杰,吳靜怡

1寧波方太廚具有限公司 2上海交通大學

1 前言

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是以空氣作為低溫熱源進行供熱的熱水裝置。相對于其他類型的熱泵而言，我國對空氣源熱泵的研究起步較早，研究的內容也相對較多。由于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)以環(huán)境空氣作為低品位熱源，而空氣中的能量都是來自太陽源源不斷的輻射，取之不盡，用之不竭，因此，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)屬于一種對可再生能源進行轉換的裝置，具有節(jié)能和環(huán)保的雙重特征。在能源和環(huán)保壓力日益增大的今天，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在熱水領域正在獲得越來越多的關注。

對于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，在制取熱水運行時空氣側換熱器結霜和除霜是影響機組冬季運行的一個重要問題。盡管少量的結霜會使空氣側換熱器表面變得粗糙，在短時間內可以改善熱泵熱水系統(tǒng)的性能，但這種情況對系統(tǒng)性能的改善是短暫和有限的，當翅片管表面的霜層達到一定厚度時，不僅使霜層增加了從大氣向風側換熱器的傳熱熱阻，同時由于霜層的增厚，使風側阻力增加，空氣流量減少，空氣側換熱量下降,導致系統(tǒng)的供熱量明顯降低。文獻[1]對一臺空氣源熱泵的實驗表明，當室外換熱器空氣流量由無霜時的74 m3/min降到20m3/min(即下降75%)時，空氣側換熱量下降20%。當霜層增長到一定厚度時，風機電流也迅速上升[2]，風機性能衰減，導致機組保護。為此，當空氣側換熱器霜層發(fā)展到一定程度時必須除霜,。如不及時除霜，有可能使空氣側換熱器的空氣通道完全堵塞，導致系統(tǒng)完全停止供熱。此外，如果除霜時機不恰當，化霜時間過短，也會導致未融化的霜和水珠進一步凍結成更加難以融化的冰塊，使得空氣側換熱器與空氣的換熱急劇惡化，影響系統(tǒng)的正常工作。

2 結霜和除霜工況研究

為了改善冬季低溫天氣下空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的運行狀況，尋求更佳的除霜效果，目前國內外對結霜和除霜問題展開了廣泛的研究，主要集中在以下三個方面：霜層形成機理方面的研究，換熱器結霜特性的模擬和除霜控制方法的研究。

2.1 霜層形成機理方面的研究

吳曉敏和王維城[3]從形核的概念出發(fā)，分析了水蒸氣在冷面上的結霜并非單純凝華的原因，對結霜前的微細觀結露現(xiàn)象給予了理論解釋：水蒸氣在零度以下冷面上凝結生成液核的活化率遠遠大于凝華生成霜核的活化率，所以冷面上最先出現(xiàn)的是水珠。另外,通過進一步的分析揭示了疏水面抑制結霜的原因，即增大接觸角可以提高成核勢壘,使新相變得難以形成，從而降低新相的活化率。吳曉敏等[4]為研究冷表面上結霜的微細觀過程以及表面濕潤性對該過程的影響，對空氣中水蒸氣在銅裸面及疏水性涂層上的結霜過程進行了微細觀可視化的研究。實驗中冷面溫度為-10℃，發(fā)現(xiàn)結霜過程并非單純的凝華過程，而是經歷了水珠生成、長大、凍結、初始霜晶生成以及霜晶成長（包括部分霜晶的倒伏)過程。與銅裸面相比，疏面上水珠分布較為稀疏，粒徑較大，凍結較晚，初始霜晶出現(xiàn)較遲，霜晶高度較低，所有這些都說明疏水性表面可以延緩霜的形成及成長。孫玉清等[5]對于結霜這一非定常、有相變、移動邊界的復雜傳熱傳質問題，引進成核理論、晶體動力學理論和氣象學的相關理論，建立了較為精確的物理和數(shù)學模型，進行了抑制結霜方面的研究。S.W.Wang et al.[6,7]針對影響結霜的關鍵參數(shù)換熱面表面溫度和濕度提出了利用吸附放熱來減緩結霜速度的方法,并建立了換熱表面吸附與解析的數(shù)學模型,模擬了結霜和化霜的過程,獲得了滿意的精度。在對結霜機理進行深入研究的基礎上也可以從換熱器使用材料、表面結構的角度研究對成霜的影響。例如,對換熱器表面噴鍍高疏水性鍍層，降低其與水蒸氣之間的表面能，增加接觸角，對抑制結霜是有效的。此外，為抑制結霜，可對流入換熱器的濕空氣進行凈化處理，有條件時可以增大風速，使氣相中形成的冰晶或過冷水滴盡快地通過換熱器壁面。

2.2 換熱器結霜特性的模擬

F.R.Ameen[8]從理論和實驗方面研究了結霜對換熱器傳熱特性及熱泵性能的影響,但該模型只是模擬了一個特定換熱器在結霜條件下的特性。S.N.Kondepudi等[9]將結霜模型和傳熱特性相結合進行了討論，建立了較為詳細的翅片管換熱器結霜模型，利用該模型分析了相對濕度、翅片密度、迎面風速等對霜生長、能量傳遞系數(shù)以及空氣側壓降的影響。另外，對平翅片盤管進行了實驗研究，并將實驗數(shù)據(jù)與模擬結果進行了比較。比較顯示模擬結果比實驗數(shù)據(jù)低15%～20%，主要原因是模型中沒有考慮濕工況下空氣側的熱傳遞系數(shù)的增加使得整個傳熱量增加以及結霜增加了換熱器表面的粗糙度使得空氣側的傳熱量增加。T.Senshu和H.Yasuda等[10]對結霜狀況下熱泵的循環(huán)特性進行了模擬，該模型由壓縮機模型、霜形成模擬模型和風機特性模擬模型組成。通過對某一熱泵的實驗研究，證明了模擬結果的可靠性,但該研究忽略了霜層對空氣側換熱系數(shù)的影響，認為結霜只是增加了霜的厚度，沒有考慮結霜引起的霜層密度的變化。K.A.R.Ismail等[11]建立了在平的冷卻盤管上結霜的數(shù)學模型，并進行了模擬分析，得到了霜的密度、厚度隨時間的變化，并與實驗數(shù)據(jù)進行了比較。

在熱泵熱水系統(tǒng)結霜研究方面，上海交通大學制冷與低溫工程研究所做出了卓有成效的工作，曠玉輝[12]建立了空氣側換熱器結霜的數(shù)學模型，研究結果表明，空氣側換熱器表面結霜特性主要受換熱表面溫度、環(huán)境溫度、大氣相對濕度以及室外風速的影響。換熱器表面溫度和環(huán)境溫度越低、相對濕度和室外風速越大，則換熱器的結霜現(xiàn)象越明顯，表面結霜速度越快，霜層厚度越大，對系統(tǒng)性能的影響也就越大。姚楊、馬最良等[13]采用計算機模擬的方法建立了空氣源熱泵冷熱水系統(tǒng)室外換熱器結霜工況下的數(shù)學模型，將結霜模型與換熱器傳熱特性模型有機地結合起來，并考慮了室外換熱器中制冷劑兩相流的影響。吳清前、龍惟定等[14]建立了空氣源熱泵冬季運行狀態(tài)下基于氣液分相的集中參數(shù)模型，在模型中不僅對蒸發(fā)器干工況和結露工況作了數(shù)學描述，同時還分析了結霜過程中霜層密度和厚度變化對機組性能的影響?；谶@一模型，選擇某種熱泵進行了計算，得到了這類機組在不同溫濕度和進出水溫度下機組的能效比和結霜性能。這些模型從理論的角度探討了結霜的特性對系統(tǒng)運行的影響。

2.3 除霜控制方法的研究

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在冬季供熱運行中存在著空氣側換熱器結霜，導致?lián)Q熱惡化的問題。因此，在冬季適于結霜的條件下，熱泵機組需要周期性地除霜。目前常用的除霜控制方法有：定時除霜法、時間－溫度(壓力)法、空氣壓差控制法、霜層傳感器控制法、聲音振蕩器控制法、最大平均供熱量法、最佳除霜時間控制法等。

陳汝東等[15]在研究常用除霜方法的基礎上，提出了一種判定除霜起始時刻的方法，引入平均供暖能力的概念，指出平均供暖能力存在一個最大值，在平均供暖能力最大值時刻進行除霜，得到的單位時間供熱量一定會比其他時刻大。但實際中還應考慮除霜消耗的能量以及結霜與除霜周期工作的穩(wěn)定性等因素。該方法在理論上有一定的意義，但實際實現(xiàn)較為困難。

陳云水[16]在研究了一般除霜控制的基礎上，提出了智能除霜控制系統(tǒng)，利用機組的計算機控制判斷盤管上是否結霜或結霜多少。這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于可根據(jù)實際需要進行除霜，且不受人為因素的干擾，壓縮機損耗較小，因此，系統(tǒng)設備的壽命較長。

黃虎等[17]在分析各種除霜控制方法的基礎上，提出了自組織模糊控制法。根據(jù)熱泵系統(tǒng)運行參數(shù)對結霜的影響，結合熱泵系統(tǒng)的工作環(huán)境條件采用模糊控制算法，給出除霜循環(huán)的觸發(fā)信號，通過對除霜過程中熱泵系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測，對上一次的控制量進行修正，這樣可使除霜控制自動適應環(huán)境參數(shù)的變化，提高除霜控制水平。

3 結論

(1)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)屬于一種對可再生能源進行轉換的裝置，具有節(jié)能和環(huán)保的雙重特征。為了進一步提高空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的運行效率，改善冬季低溫天氣下系統(tǒng)的運行狀況，進行結霜和除霜的相關研究，是實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化配置的一個重要環(huán)節(jié)。

(2)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的結霜和除霜研究主要集中在以下三個方面：霜層形成機理的研究，換熱器結霜特性的模擬和除霜控制方法的研究。

(3)在深入了解空氣源熱泵熱水系統(tǒng)結霜機理的基礎上，開發(fā)新型換熱材料，對空氣側換熱器表面進行處理，是獲得優(yōu)良換熱性能的基本條件，在此基礎上，借助先進的控制理論和算法，提出合理的除霜方案，是保證系統(tǒng)安全和高效運行的重要途徑。

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