吳慶武

摘要：文章分析了空氣源熱泵普及的現(xiàn)狀，并指出了其受歡迎的原因及其優(yōu)缺點(diǎn)，分析了霜層形成的機(jī)理和常用的除霜方法，并對(duì)我國(guó)常見(jiàn)的除霜方法做了介紹，最后提出了空氣源熱泵除霜中正待解決的問(wèn)題和展望。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵；除霜；風(fēng)冷熱泵機(jī)組

中圖分類(lèi)號(hào)：TUB31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-2374(2009)14-0036-03

風(fēng)冷熱泵式空調(diào)機(jī)組是一種節(jié)能的空氣調(diào)節(jié)設(shè)備，不污染環(huán)境，可以制冷也可以制熱，而且能效比高，不需要獨(dú)立機(jī)房，占地面積小。目前，很多發(fā)達(dá)國(guó)家都根據(jù)自己的實(shí)際國(guó)情大力發(fā)展熱泵技術(shù)，并形成了各自的特色，自20世紀(jì)90年代在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用以來(lái)，使用地域由南向北迅速推廣。但是在寒冷高濕度地區(qū)冬季制熱時(shí)，除霜問(wèn)題一直是熱泵用戶的一件頭痛的事。

風(fēng)冷熱泵機(jī)組在冬季運(yùn)行中，當(dāng)室外換熱器盤(pán)管溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，其表面產(chǎn)生冷凝水，冷凝水一旦低于0℃就結(jié)霜。如果換熱盤(pán)管表面因溫度過(guò)低而結(jié)霜，勢(shì)必降低熱交換的效率。雖然結(jié)霜時(shí)冷凝水結(jié)成了冰，潛熱的交換總量還是相等的，但結(jié)在盤(pán)管上的冰層不僅會(huì)減小換熱面積，而且會(huì)降低可通過(guò)的風(fēng)量。隨著結(jié)霜的增厚，空氣和盤(pán)管的熱交換效率，也就是空氣和制冷劑的熱交換效率會(huì)越來(lái)越差。霜層還增加了空氣通過(guò)翅片的阻力，改變了盤(pán)管的幾何形狀，最終降低了機(jī)組的風(fēng)量。這是一個(gè)惡性循環(huán)，一旦盤(pán)管上結(jié)霜，換熱面積減小，風(fēng)量降低，而系統(tǒng)的蒸發(fā)在繼續(xù)，所以需要的熱交換只能靠降低蒸發(fā)溫度來(lái)維持。而降低了蒸發(fā)溫度，會(huì)進(jìn)一步降低盤(pán)管表面溫度，加大空氣進(jìn)出口之間的溫度值，最終增加了霜層的厚度，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致盤(pán)管凍結(jié)，使機(jī)組無(wú)法運(yùn)行。

一、除霜方法及其原理

除霜過(guò)程通常包括三個(gè)階段：第一階段風(fēng)扇停轉(zhuǎn)，以便使冷凝溫度盡快升高去融霜；第二階段霜逐漸融化，風(fēng)扇也不要開(kāi)。以免熱量散失到換熱器周?chē)目諝庵?；第三階段風(fēng)扇打開(kāi)，主要是為了使已經(jīng)融化成水的霜全部蒸發(fā)變干。

孫玉清等對(duì)于結(jié)霜這一非定常、有相變、移動(dòng)邊界的復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)問(wèn)題，引進(jìn)成核理論、晶體動(dòng)力學(xué)理論和氣象學(xué)有關(guān)理論，建立了較為精確的物理與數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了抑制結(jié)霜方面的研究。理論研究和實(shí)驗(yàn)均表明，對(duì)換熱器表面噴鍍高疏水性鍍層，降低其與水蒸氣之間表面能，增大接觸角，對(duì)抑制結(jié)霜是有效的。此外，為抑制結(jié)霜，可對(duì)流入換熱器的濕空氣進(jìn)行凈化處理，有條件時(shí)可增大風(fēng)速，使氣相中形成的冰晶或過(guò)冷水滴盡快地通過(guò)換熱器壁面。綜合國(guó)內(nèi)外一些研究成果，除霜其實(shí)不外乎電加熱法、熱氣除霜法、換向法及熱水除霜法幾種。

(一)電加熱除霜

電加熱法是最簡(jiǎn)單的除霜方法。它的思路是在室外換熱器上安裝適當(dāng)功率的電阻，當(dāng)室外換熱器上積霜嚴(yán)重時(shí)，開(kāi)啟電氣開(kāi)關(guān)。電熱絲通電發(fā)熱融霜。常見(jiàn)的電加熱除霜電路控制圖如圖1所示。CT為融霜時(shí)間控制器，有一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)和一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)，馬達(dá)帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪進(jìn)行記時(shí)。在制熱運(yùn)行工況下，觸點(diǎn)2、3接通，供液電磁閥線圈YV得電。從壓縮機(jī)出來(lái)的高溫高壓蒸汽進(jìn)入室內(nèi)冷凝器，液化為中溫高壓液體，通過(guò)膨脹閥(或者毛細(xì)管)節(jié)流，轉(zhuǎn)化為低壓低溫的汽液二相混合物，再經(jīng)供液電磁閥進(jìn)入熱泵的表面式換熱器中蒸發(fā)吸熱，最后轉(zhuǎn)化為低壓低溫的汽體而被壓縮機(jī)抽回，從而完成一個(gè)制熱循環(huán)。當(dāng)除霜時(shí)間到達(dá)時(shí)，觸點(diǎn)2、3斷開(kāi)，2、4接通。供液電磁閥線圈YV失電斷開(kāi)，壓縮機(jī)吸汽壓力下降，當(dāng)降至壓力控制器的下限時(shí)。壓力控制器觸點(diǎn)跳開(kāi)，交流接觸器線圈IKM失電，制冷循環(huán)停止運(yùn)行。而由于交流接觸器線圈2KM的得電，使其觸點(diǎn)閉合電加熱絲通電加熱化霜。當(dāng)融霜結(jié)束時(shí)，觸點(diǎn)2、4斷開(kāi)，2、3接通，制熱循環(huán)重新開(kāi)始運(yùn)行制熱。

(二)換向法

當(dāng)室外換熱器有霜產(chǎn)生，影響正常的換熱效果時(shí)，利用熱泵雙向制冷制熱，可以通過(guò)四通換向閥將制熱過(guò)程轉(zhuǎn)換成制冷過(guò)程。這樣熱泵從室內(nèi)吸熱排到室外換熱器，以融化室外換熱器上的積霜。這種方法不需要附加任何設(shè)備，只需在需要除霜時(shí)讓四通換向閥動(dòng)作即可。但是也帶來(lái)了問(wèn)題：(1)在除霜這段時(shí)間內(nèi)，室內(nèi)溫度下降，影響舒適性；(2)四通換向閥動(dòng)作頻繁，噪音大且容易磨損；(3)對(duì)于功率較大的機(jī)組，由于其管徑較大，不能配備四通閥，還要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)帶有8個(gè)閥門(mén)的轉(zhuǎn)換管路。

袁秀玲等從理論和實(shí)驗(yàn)上證明，在采用換向法除霜的時(shí)候。用熱力膨脹閥比用毛細(xì)管節(jié)流更高效。而旁通銅管比熱力膨脹閥效果又要好。她為了研究不同節(jié)流機(jī)構(gòu)對(duì)逆循環(huán)除霜時(shí)間的影響，用一根外徑為22mm的旁通銅管及熱力膨脹閥分別作為除霜時(shí)的節(jié)流機(jī)構(gòu)，在一臺(tái)名義制熱量為55kW的風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：旁通銅管系統(tǒng)比熱力膨脹閥系統(tǒng)的除霜時(shí)間縮短1.5min，其中融霜時(shí)間縮短1.3min，排水時(shí)間縮短0.2min。

(三)熱氟除霜法

如果在制冷系統(tǒng)中從壓縮機(jī)的排氣口至冷凝器的管子間與供液電磁閥至冷風(fēng)機(jī)的管子間接上一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，則可以利用壓縮機(jī)內(nèi)高溫高壓的制冷劑(以氟化物為主)除霜，如圖2所示。雙穩(wěn)態(tài)電磁閥有一個(gè)信號(hào)輸入端和一個(gè)信號(hào)輸出端。它具有“通”和“斷”二個(gè)工作狀態(tài)。當(dāng)正向脈沖信號(hào)輸入后，雙穩(wěn)態(tài)電磁閥呈“斷”的狀態(tài)。相反，當(dāng)反向脈沖信號(hào)輸入后，它呈“通”的狀態(tài)。當(dāng)CT的感溫元件測(cè)定的溫度到達(dá)融霜溫度時(shí)，室外風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，供液電磁閥關(guān)閉。同時(shí)，溫控器給其施加一個(gè)反向脈沖電信號(hào)，雙穩(wěn)態(tài)電磁閥打開(kāi)，將制冷系統(tǒng)的高壓氣體旁路并送給室外換熱器，進(jìn)行融霜。高溫高壓氣體在冷風(fēng)機(jī)中放熱冷卻后被壓縮機(jī)吸回。此時(shí)，凝結(jié)在室外換熱器表面的霜層，由于受到來(lái)自表面換熱器內(nèi)部的高溫高壓氣體放出的熱量加熱，在與金屬表面的接觸處融化為水，其粘附力下降。霜層靠自身重量而掉入接水盤(pán)中，從接水盤(pán)的排水管排出。實(shí)現(xiàn)除霜目的。待融霜結(jié)束后，溫控器發(fā)出信號(hào)，雙穩(wěn)態(tài)電磁閥關(guān)閉，融霜回路斷開(kāi)，系統(tǒng)又回到制冷工況，完成一個(gè)融霜循環(huán)。這樣一來(lái)壓縮機(jī)就避免了開(kāi)停頻繁的弊病，并且降低了能耗，整個(gè)系統(tǒng)自控元件少，故障率也低，且冷風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工制造，在外形尺寸上亦可縮小，降低了成本，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，工作安全可靠。另外，為避免融霜完成后，壓縮機(jī)吸入高溫高壓氣體導(dǎo)致機(jī)體過(guò)熱，可在吸汽回路中加裝一個(gè)回?zé)崞鳌?/p>

(四)熱氟除霜的改進(jìn)——熱氣除霜法

熱氣旁通除霜是通過(guò)旁通回路，將壓縮機(jī)的高溫排氣直接引入室外換熱器來(lái)除霜的。在除霜過(guò)程中，室內(nèi)外換熱器風(fēng)扇停止運(yùn)行，除霜的熱量來(lái)源為壓縮機(jī)所消耗的電力和壓縮機(jī)殼體的蓄熱量?jī)刹糠?。其基本原理和上面的熱氟除霜相似，如圖3所示。只是其控制機(jī)構(gòu)更加精確和復(fù)雜，能夠做到按需除霜，避免了過(guò)于頻繁的從壓縮機(jī)中抽氣，降低了壓縮機(jī)的效率。

這里使用了一個(gè)氣液分離器，分離出的液體就保存在分離器中，氣體經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)再加熱后用來(lái)融霜。這樣隨著除霜的進(jìn)

行，液態(tài)制冷劑連續(xù)不斷地返回到氣液分離器中，貯存在室外換熱器盤(pán)管內(nèi)的制冷劑質(zhì)量逐漸減少，使制冷劑的溫度逐漸上升。強(qiáng)化了除霜效果。

(五)氟利昂輔助加熱器

在室外空氣溫度低的地方，由于熱泵冬季供熱量不足，需設(shè)輔助加熱器。常用方法是在室內(nèi)機(jī)出風(fēng)口處設(shè)加熱器，這種方法不僅傳熱效率低。安全性能差而且化霜時(shí)間長(zhǎng)，室內(nèi)溫度下降大，采用氟里昂加熱器可以明顯克服以上缺陷，這種方法就是把室內(nèi)側(cè)換熱器分前后兩部分，在中間增加一個(gè)氟利昂輔助加熱器，即熱泵在冬天運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)排出的高溫氯利昂氣體進(jìn)入室內(nèi)換熱器前部分時(shí)已有部分氣體被冷凝成液體。此時(shí)經(jīng)氟利昂加熱器的加熱，使該部分液體再次蒸發(fā)成氣體，然后再進(jìn)入室內(nèi)換熱器的后半部分。這樣，整個(gè)室內(nèi)換熱器，將熱泵室外換熱器所吸收的熱量，連同氟利昂加熱器所產(chǎn)生的熱量一并傳給空調(diào)房間內(nèi)，補(bǔ)足了由于室外環(huán)境溫度低而引起的供熱量不足。相關(guān)文獻(xiàn)介紹在KFRd-70LW熱泵空調(diào)器上試驗(yàn)，得到了很好的輔助加熱效果，而且化霜時(shí)間由3min減少到1min(室外溫度-1℃時(shí))；由10min減少到3min(室外溫度-7℃時(shí))。

二、除霜時(shí)間

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)摘錄，并經(jīng)二年的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除霜損失約占熱泵總能耗損失的10.2％，而由于除霜控制方法問(wèn)題。大約27％的除霜功能是在翅片表面結(jié)霜不嚴(yán)重，不需要除霜的情況下進(jìn)入除霜循環(huán)的。目前常用的一些方法，或多或少都存在一些問(wèn)題，如發(fā)生多余的除霜?jiǎng)幼?，或需要除霜時(shí)不能及時(shí)發(fā)出信號(hào)等弊病存在。因此，要想真正達(dá)到節(jié)能的目的，除了選擇好的除霜方式外，還要設(shè)計(jì)出好的控制方法，準(zhǔn)確判斷除霜時(shí)刻，并且及時(shí)發(fā)出除霜信號(hào)。

目前較廣泛使用的確定除霜時(shí)刻的指標(biāo)有以下幾類(lèi)：第一類(lèi)只簡(jiǎn)單控制時(shí)間，如早期的熱泵在冬季運(yùn)行時(shí)，硬性規(guī)定其除霜周期為30分鐘或40分鐘。這種方法的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，系統(tǒng)不管室外換熱器表面是否有霜，時(shí)間一到就開(kāi)始除霜，能源浪費(fèi)非常大，不符合節(jié)能的原則。第二類(lèi)以盤(pán)管的出風(fēng)溫度作為控制指標(biāo)，通常先設(shè)定一個(gè)臨界溫度t，當(dāng)出風(fēng)溫度低于這個(gè)溫度時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)，若30分鐘后，溫度還是沒(méi)有回升，則認(rèn)為積霜嚴(yán)重，開(kāi)始除霜。這種方法可操作性強(qiáng)，但是經(jīng)驗(yàn)性太重，t的設(shè)置比較關(guān)鍵，值太高，除霜頻繁，系統(tǒng)波動(dòng)大，t值較低，則除霜不及時(shí)，積霜時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，同樣降低系統(tǒng)的效率。同時(shí)。不同的地區(qū)，不同的室外氣候條件，t值都要做相應(yīng)的改動(dòng)，不容易掌握。第三類(lèi)以壓差作為控制量。當(dāng)室外換熱器積霜嚴(yán)重時(shí)，會(huì)堵塞盤(pán)管，引起管道內(nèi)壓力的增大：可是一般壓力儀表的測(cè)量精度不足，采用高精度的壓力元件則成本會(huì)增加很多。第四類(lèi)以風(fēng)機(jī)電流作為指標(biāo)。因?yàn)楫?dāng)室外換熱器積霜嚴(yán)重時(shí)。風(fēng)機(jī)的阻力增大，相應(yīng)的表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)電流的波動(dòng)上，但是，引起電流波動(dòng)的因素很多，以此作為確定除霜時(shí)間的指標(biāo)，容易引起誤報(bào)。第五類(lèi)以盤(pán)管內(nèi)制冷劑的流速來(lái)判斷。監(jiān)測(cè)盤(pán)管內(nèi)制冷劑的流速并比較其與無(wú)霜盤(pán)管的差值，當(dāng)差值大于某一定值后，啟動(dòng)除霜工況。通過(guò)Strong(1988)兩年的監(jiān)測(cè)，該方法確實(shí)可行。第六類(lèi)，以室外盤(pán)管的溫度梯度作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。后兩種在很多文獻(xiàn)中都得到了認(rèn)可，比較切實(shí)可行。

有關(guān)文獻(xiàn)還提出最佳除霜時(shí)間控制及最大平均供熱量控制除霜等方法，從理論上講很有新意，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。個(gè)人認(rèn)為：采用自調(diào)整模糊除霜控制的思路及系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，確定室內(nèi)外大氣溫度、相對(duì)濕度之差及翅片溫度的變化率等作為輸入論域，經(jīng)對(duì)輸入量的模糊化和模糊推理方法，在高位機(jī)上實(shí)現(xiàn)模糊除霜控制的仿真，采用這種方法除霜經(jīng)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，判別結(jié)果與實(shí)際情況較吻合。這種方法與常規(guī)除霜方法相比，不僅延長(zhǎng)了制熱工作時(shí)間，減少了除霜次數(shù)和除霜損失，而且使機(jī)組工作性能和可性得到了提高。

三、結(jié)語(yǔ)

風(fēng)冷熱泵式空調(diào)機(jī)組在除霜過(guò)程中，還存在許多問(wèn)題，主要有：吸氣、排氣壓力變化劇烈，對(duì)壓縮機(jī)沖擊大，系統(tǒng)制冷劑回液量大，蒸發(fā)器和冷凝器頻繁轉(zhuǎn)換，破壞機(jī)組的正常運(yùn)行，因此每次除霜時(shí)均需一個(gè)很長(zhǎng)的過(guò)程才能使機(jī)組恢復(fù)到正常的運(yùn)行；四通換向閥動(dòng)作頻繁，影響其壽命；由于除霜開(kāi)始階段有個(gè)壓力衰減過(guò)程，有的系統(tǒng)會(huì)因其壓力衰減到低壓保護(hù)值而造成停機(jī)；除霜過(guò)程中供水溫度變化很大等。這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了機(jī)組除霜運(yùn)行的可靠性。因此有必要進(jìn)一步深入研究除霜機(jī)理，提出新的除霜方法。逐步解決上述問(wèn)題。