空气源热泵除霜问题研究现状与展望

　　1 前言

　　随着人们生活水平的不断提高,空气源热泵的使用已经相当普遍。但是在温度较低及湿度较高时空气源热泵的结霜问题制约着它的有效运行。当热泵在制热工况下运行时,如果室外换热器盘管的温度低于露点温度,其表面会产生冷凝水,当冷凝水温度低于0e(1个大气压下)时就会结霜。结霜初期,换热器表面少量冰晶体的生成使传热表面变得粗糙,增大了传热面积并一定程度上破坏了流过空气的边界层,从而增强了换热。但换热器表面结霜严重时,霜层会增加室外侧空气与制冷剂之间的传热热阻,同时,由于霜层占据了翅片间的局部甚至全部空间,通过换热器的空气流量减少,使室外换热器的换热性能恶化,直接影响其换热效率,影响机组的正常运行。因此,空气源热泵的除霜问题是其研究和设计过程中的重要课题,也是判断其运行节能与否的重要依据。

　　2 国内外研究现状

　　由于空气源热泵在较低温度(特别是高湿度环境)下制热运行时存在的问题,如何提高除霜时机组的可靠性和除霜效率引起了国内外学者的广泛关注。目前,对空气源热泵的除霜问题的研究主要集中在以下几个方面:

　　2. 1 除霜方式和除霜系统优化的研究

　　随着换热器表面霜层的不断累积,蒸发压力,冷凝压力,制热量不断减小,耗电量则不断增加,从而导致系统COP下降,甚至使机组出现运行故障,因此霜层需要及时地清除以保证系统高效安全的运行。常用的除霜方式有停机自然除霜、电热除霜、逆向热气除霜和热气旁通除霜。由于自然除霜和电热除霜应用场合有限,本文主要介绍逆循环除霜和热气旁通除霜2种方式。

　　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。这是目前应用较为广泛的一种除霜方式,这种方式的优点是加热从霜层根部开始,霜层容易脱落。但这种除霜方式存在以下不足:除霜时从室内吸取热量,并且在除霜完毕切换回制热模式时长时间吹不出热风,造成室内环境温度波动比较大,舒适性比较差;从除霜模式切换回制热模式时,系统的稳定需要一段时间,且四通换向阀切换时毛细管噪音较大,对系统存在一定的冲击。为了使系统在采用逆向除霜方式除霜时具有较好的性能,许多学者对系统的优化改进进行了研究。Kuwahra等提出了一系列的措施来缩短热泵空调的除霜时间,并进行了实验研究,使结霜时间从原来的4min减少到1min55s[1]。DrinNutter等通过实验研究了气液分离器对使用涡旋压缩机的空气源热泵结霜、除霜性能的影响,认为涡旋压缩机热泵系统不装气液分离器可以缩短除霜时间[2]。O.Neal等研究了不同孔径短管节流器对空气源热泵除霜性能的影响,提出在除霜过程中采用大孔径短管节流器可以改善循环性能[3]。但短管节流器的优化需要技术上支持且比较耗时,而且短管节流器在空气源热泵机组中的应用不及热力膨胀阀广泛。V. Payne和D. L. O.Neal对同一空气源热泵系统按相同负荷分别匹配了涡旋式压缩机和往复式压缩机,并对两者在除霜过程中的性能做了对比研究,指出与涡旋式压缩机系统相比往复式压缩机系统的除霜时间较短,但COP略低[4]。丁艳军等指出制冷剂液体在气液分离器中的积存会延长除霜时间,为了减少或避免这一问题,作者在应用热力膨胀阀的系统中加入旁通电磁阀,在机组除霜运行时用电磁阀旁通热力膨胀阀并与常规逆循环除霜的系统进行了对比试验,实验表明除霜时旁通电磁阀的开启会提高除霜效果,而且全过程旁通是逆循环除霜的理想模式[5]。黄东等分析对比了逆循环除霜时风机预先启动和正常启动对机组性能的影响,实验表明,风机的预先启动可以有效避免压缩机因高压保护而出现停机的现象[6]。董云达等对采用不同节流机构(热力膨胀阀、电子膨胀阀)对空气源热泵机组除霜性能的影响进行了对比实验,实验表明,采用电子膨胀阀的除霜时间比采用热力膨胀阀的除霜时间缩短11%[7]。王志毅等分析了热泵机组化霜差的主要原因是压缩机吸、排气压力较低导致制冷剂流量减小,提出用制冷剂补偿器代替气液分离器的方法来提高机组的除霜性能,并进行了实验验证,得到了较为理想的结果,但压缩机耗电量增大[8]。