空氣源熱泵除霜方式比較分析

彭光前，王現(xiàn)林，王喜成，車雯，王銳鋒，于琦

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

我國五大氣候分區(qū)中，嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)冬季都需要采暖［1］。其中尤以“夏熱冬冷地區(qū)”最為特殊，人口達(dá)5.5億，國內(nèi)生產(chǎn)總值約占全國的一半［2］，但屬于非集中供暖區(qū)，空氣源熱泵空調(diào)是該區(qū)域冬季采暖的主要設(shè)備。

然而，夏熱冬冷地區(qū)冬季低溫高濕，有近2.5個月的氣溫低于5℃，平均相對濕度80%左右，處于重霜區(qū)［3-5］。空氣源熱泵空調(diào)制熱期間外機(jī)易結(jié)霜，引起換熱器霜堵，熱阻增大，制熱量衰減，舒適感變差。而傳統(tǒng)的空氣源熱泵空調(diào)除霜方式為制冷逆循環(huán)，從室內(nèi)吸熱，實(shí)測數(shù)據(jù)表明室內(nèi)換熱器管溫最低達(dá)-25℃［6］，又進(jìn)一步加劇了不舒適感。

外機(jī)結(jié)霜已成為空氣源熱泵空調(diào)在夏熱冬冷地區(qū)采暖應(yīng)用的痛點(diǎn)問題，嚴(yán)重影響用戶的使用體驗(yàn)。針對該問題，一些學(xué)者進(jìn)行了深入的研究，并提出了多種除霜方案，本文將對其中具有代表性的幾種方案進(jìn)行介紹，并與傳統(tǒng)的制冷逆循環(huán)除霜方式進(jìn)行比較分析。

1 熱氣旁通除霜

與傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)不同，熱氣旁通除霜空氣源熱泵系統(tǒng)在內(nèi)機(jī)換熱器的兩側(cè)增設(shè)了熱氣旁通管路［6］。除霜期間，壓縮機(jī)排出的部分高溫高壓氣態(tài)冷媒通過熱氣旁通管路直接進(jìn)入外機(jī)換熱器進(jìn)行融霜，主要熱量來源于壓縮機(jī)消耗的電力和制熱期間壓縮機(jī)缸體的蓄熱。

因四通閥不換向，所以熱氣旁通除霜期間內(nèi)機(jī)換熱器溫度較高，不會從室內(nèi)吸熱，且除霜結(jié)束后內(nèi)機(jī)可快速恢復(fù)正常制熱，縮短防冷風(fēng)時長，提高舒適性體驗(yàn)。

但熱氣旁通除霜期間系統(tǒng)高壓高于傳統(tǒng)的制冷逆循環(huán)除霜，所以壓縮機(jī)底部過熱度較小，出現(xiàn)液擊的風(fēng)險變大，需對壓縮機(jī)氣液分離器的儲液量進(jìn)行設(shè)計，并輔以特殊的壓縮機(jī)頻率和膨脹閥開度控制策略，以緩解液擊的危害。

圖1 熱氣旁通除霜系統(tǒng)

2 蓄熱除霜

與傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)不同，蓄熱除霜空氣源熱泵系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有蓄熱器，制熱期間通過壓縮機(jī)缸體或排氣管路蓄積熱量［7］?；陂g，壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣態(tài)冷媒途徑內(nèi)機(jī)換熱器和膨脹閥先進(jìn)入外機(jī)換熱器進(jìn)行融霜，然后再進(jìn)入蓄熱器吸熱蒸發(fā)，最后回到壓縮機(jī)中，完成一次完整的化霜循環(huán)。

與熱氣旁通除霜一樣，蓄熱除霜期間四通閥不換向，所以也不會從室內(nèi)吸熱，具有恢復(fù)正常制熱速度快的優(yōu)點(diǎn)。增設(shè)的蓄熱器在除霜期間為蒸發(fā)端，為外機(jī)除霜提供熱量，因此除霜可靠性優(yōu)于熱氣旁通除霜。

圖2 蓄熱除霜系統(tǒng)

蓄熱除霜本質(zhì)上是在時間維度上對熱泵機(jī)組的制熱量進(jìn)行周期性的調(diào)配，效果的好壞取決于蓄熱器的蓄熱量大小及吸放熱速度的快慢，且蓄熱階段應(yīng)盡可能減小對機(jī)組正常制熱的影響。

3 超聲波除霜

超聲波是頻率在20kHz到1014Hz的聲波，具有高頻、低振幅的振動特點(diǎn)。其“機(jī)械效應(yīng)”、“熱效應(yīng)”和“空化效應(yīng)”可干擾早期的霜晶體生長，將羽毛狀的霜晶體折斷，起到抑制結(jié)霜的效果。

文獻(xiàn)［8］中介紹了超聲波除霜技術(shù)在家用空氣源熱泵空調(diào)上的應(yīng)用嘗試。通過在外機(jī)換熱器表面增設(shè)超聲波換能器，并施加一定頻率的超聲波，驗(yàn)證超聲波對換熱器表面霜層的去除效果。實(shí)測結(jié)果表明，超聲波有效作用區(qū)域內(nèi)霜晶體可以去除，且除霜效率是傳統(tǒng)的制冷逆循環(huán)除霜的7～29倍，同時除霜期間內(nèi)機(jī)制熱不間斷。

圖3 室外側(cè)實(shí)驗(yàn)裝置

但超聲波去除的霜會沉積在換熱器底部，形成霜堆，長期運(yùn)行會造成外機(jī)底盤凍結(jié)。需要設(shè)置底盤融霜裝置，輔助超聲波換能器進(jìn)行除霜，將積霜融化成水排走。亦或設(shè)置高壓空氣發(fā)生裝置，通過壓縮空氣將換熱器底部的積霜吹走。此外，超聲加載模式、布置方式及頻率選擇需要根據(jù)換熱器的形狀、大小進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，超聲波的“機(jī)械效應(yīng)”引起的震動、噪聲影響也需要進(jìn)行深入的研究。

4 外風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)除霜

傳統(tǒng)的制冷逆循環(huán)除霜主要是通過自內(nèi)向外的熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)，在其基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［9］提出了外風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)的輔助除霜方式。通過強(qiáng)制對流的形式，將多層換熱器內(nèi)排部分的熱量傳遞給外排換熱器除霜。

在結(jié)霜運(yùn)行期間，外機(jī)換熱器的外排（迎風(fēng)側(cè)）先結(jié)霜，內(nèi)排換熱器后結(jié)霜，且霜層很薄。而制冷逆循環(huán)除霜時，壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體依次進(jìn)入換熱器的內(nèi)排和外排進(jìn)行融霜。因內(nèi)排換熱器的霜層薄，且流經(jīng)的制冷劑溫度高，所以融霜速度很快，表面溫度升的較高，此時通過外風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)，將內(nèi)排換熱器的熱量吹給外排換熱器，可加速外排換熱器的除霜。

圖4 外風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)除霜

空氣對流換熱的機(jī)理決定了內(nèi)排換熱器吹出的熱量無法全部用于外排換熱器融霜，且損耗會大于傳統(tǒng)的自內(nèi)向外的熱傳導(dǎo)方式。但對于去除與換熱器表面不接觸，無法通過傳導(dǎo)的方式直接融掉的冰霜，是一條較好的途徑。該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程中，外風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)的時機(jī)及風(fēng)速大小需進(jìn)行合理的設(shè)定，以降低系統(tǒng)熱量的損耗。

5 輔助熱源除霜

文獻(xiàn)［10］提出了一種輔助熱源除霜系統(tǒng)，與傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)不同，在膨脹閥和冷凝器之間增設(shè)了電加熱器。除霜期間電加熱器開啟，可以在四通閥不換向的情況下，同時實(shí)現(xiàn)供熱和除霜，可靠性較好，有效避免壓縮機(jī)發(fā)生液擊。

實(shí)測結(jié)果表明，輔助熱源除霜仍舊可以持續(xù)供熱，且除霜前后人員活動區(qū)域空氣干球溫度波動不足常規(guī)系統(tǒng)的40%，較大程度改善了低溫高濕工況下熱泵供暖的舒適性。

圖5 輔助熱源除霜系統(tǒng)

輔助熱源的開啟會增大能耗，所以在該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程中，需制定相應(yīng)的策略以實(shí)現(xiàn)在舒適和節(jié)能之間尋求平衡，如限定在結(jié)霜過于頻繁的情況下才允許自動開啟，或設(shè)計成用戶手動選擇開啟的模式。

6 結(jié)論

本文對“熱氣旁通除霜”、“蓄熱除霜”、“超聲波除霜”、“外風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)除霜”和“輔助熱源除霜”的原理進(jìn)行了介紹，并與傳統(tǒng)的制冷逆循環(huán)除霜方式進(jìn)行了比較分析。

熱氣旁通除霜期間不從室內(nèi)吸熱，所以室內(nèi)熱舒適性較好，但壓縮機(jī)底部過熱度較小，出現(xiàn)液擊的風(fēng)險大。蓄熱除霜期間同樣不從室內(nèi)吸熱，蓄熱器的熱量可用于除霜，壓縮機(jī)發(fā)生液擊的風(fēng)險小，但蓄熱器會占用空間，且蓄熱時會對機(jī)組的正常制熱造成一定的影響。超聲波除霜期間可以維持機(jī)組正常制熱不間斷，因此熱舒適性最好，且除霜效率高，但會在換熱器底部形成霜堆，需要輔助其他除霜方式消除霜堆的影響。外風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)除霜可以清除與換熱器脫離接觸的冰霜，但在熱舒適性方面沒有起到明顯的改善作用，同時還會增大系統(tǒng)的熱損耗。輔助熱源除霜期間可同時兼顧供熱和除霜，達(dá)到持續(xù)制熱不停機(jī)化霜的效果，但需要對輔助熱源的開啟時機(jī)進(jìn)行合理的控制。在工程應(yīng)用中可根據(jù)自身的需求、應(yīng)用環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合分析，選擇最適宜的除霜方式。