关于风冷热泵除霜的综述

吴庆武

摘要：文章分析了空气源热泵普及的现状，并指出了其受欢迎的原因及其优缺点，分析了霜层形成的机理和常用的除霜方法，并对我国常见的除霜方法做了介绍，最后提出了空气源热泵除霜中正待解决的问题和展望。

关键词：空气源热泵；除霜；风冷热泵机组

中图分类号：TUB31

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)14-0036-03

风冷热泵式空调机组是一种节能的空气调节设备，不污染环境，可以制冷也可以制热，而且能效比高，不需要独立机房，占地面积小。目前，很多发达国家都根据自己的实际国情大力发展热泵技术，并形成了各自的特色，自20世纪90年代在我国得到了广泛的应用以来，使用地域由南向北迅速推广。但是在寒冷高湿度地区冬季制热时，除霜问题一直是热泵用户的一件头痛的事。

风冷热泵机组在冬季运行中，当室外换热器盘管温度低于露点温度时，其表面产生冷凝水，冷凝水一旦低于0℃就结霜。如果换热盘管表面因温度过低而结霜，势必降低热交换的效率。虽然结霜时冷凝水结成了冰，潜热的交换总量还是相等的，但结在盘管上的冰层不仅会减小换热面积，而且会降低可通过的风量。随着结霜的增厚，空气和盘管的热交换效率，也就是空气和制冷剂的热交换效率会越来越差。霜层还增加了空气通过翅片的阻力，改变了盘管的几何形状，最终降低了机组的风量。这是一个恶性循环，一旦盘管上结霜，换热面积减小，风量降低，而系统的蒸发在继续，所以需要的热交换只能靠降低蒸发温度来维持。而降低了蒸发温度，会进一步降低盘管表面温度，加大空气进出口之间的温度值，最终增加了霜层的厚度，严重时导致盘管冻结，使机组无法运行。

一、除霜方法及其原理

除霜过程通常包括三个阶段：第一阶段风扇停转，以便使冷凝温度尽快升高去融霜；第二阶段霜逐渐融化，风扇也不要开。以免热量散失到换热器周围的空气中；第三阶段风扇打开，主要是为了使已经融化成水的霜全部蒸发变干。

孙玉清等对于结霜这一非定常、有相变、移动边界的复杂的传热传质问题，引进成核理论、晶体动力学理论和气象学有关理论，建立了较为精确的物理与数学模型，进行了抑制结霜方面的研究。理论研究和实验均表明，对换热器表面喷镀高疏水性镀层，降低其与水蒸气之间表面能，增大接触角，对抑制结霜是有效的。此外，为抑制结霜，可对流入换热器的湿空气进行净化处理，有条件时可增大风速，使气相中形成的冰晶或过冷水滴尽快地通过换热器壁面。综合国内外一些研究成果，除霜其实不外乎电加热法、热气除霜法、换向法及热水除霜法几种。

(一)电加热除霜

电加热法是最简单的除霜方法。它的思路是在室外换热器上安装适当功率的电阻，当室外换热器上积霜严重时，开启电气开关。电热丝通电发热融霜。常见的电加热除霜电路控制图如图1所示。CT为融霜时间控制器，有一个单刀双掷开关和一个电动马达，马达带动传动齿轮进行记时。在制热运行工况下，触点2、3接通，供液电磁阀线圈YV得电。从压缩机出来的高温高压蒸汽进入室内冷凝器，液化为中温高压液体，通过膨胀阀(或者毛细管)节流，转化为低压低温的汽液二相混合物，再经供液电磁阀进入热泵的表面式换热器中蒸发吸热，最后转化为低压低温的汽体而被压缩机抽回，从而完成一个制热循环。当除霜时间到达时，触点2、3断开，2、4接通。供液电磁阀线圈YV失电断开，压缩机吸汽压力下降，当降至压力控制器的下限时。压力控制器触点跳开，交流接触器线圈IKM失电，制冷循环停止运行。而由于交流接触器线圈2KM的得电，使其触点闭合电加热丝通电加热化霜。当融霜结束时，触点2、4断开，2、3接通，制热循环重新开始运行制热。

(二)换向法

当室外换热器有霜产生，影响正常的换热效果时，利用热泵双向制冷制热，可以通过四通换向阀将制热过程转换成制冷过程。这样热泵从室内吸热排到室外换热器，以融化室外换热器上的积霜。这种方法不需要附加任何设备，只需在需要除霜时让四通换向阀动作即可。但是也带来了问题：(1)在除霜这段时间内，室内温度下降，影响舒适性；(2)四通换向阀动作频繁，噪音大且容易磨损；(3)对于功率较大的机组，由于其管径较大，不能配备四通阀，还要专门设计带有8个阀门的转换管路。

袁秀玲等从理论和实验上证明，在采用换向法除霜的时候。用热力膨胀阀比用毛细管节流更高效。而旁通铜管比热力膨胀阀效果又要好。她为了研究不同节流机构对逆循环除霜时间的影响，用一根外径为22mm的旁通铜管及热力膨胀阀分别作为除霜时的节流机构，在一台名义制热量为55kW的风冷热泵冷热水机组上进行了实验研究。结果表明：旁通铜管系统比热力膨胀阀系统的除霜时间缩短1.5min，其中融霜时间缩短1.3min，排水时间缩短0.2min。

(三)热氟除霜法

如果在制冷系统中从压缩机的排气口至冷凝器的管子间与供液电磁阀至冷风机的管子间接上一个双稳态电磁阀，则可以利用压缩机内高温高压的制冷剂(以氟化物为主)除霜，如图2所示。双稳态电磁阀有一个信号输入端和一个信号输出端。它具有“通”和“断”二个工作状态。当正向脉冲信号输入后，双稳态电磁阀呈“断”的状态。相反，当反向脉冲信号输入后，它呈“通”的状态。当CT的感温元件测定的温度到达融霜温度时，室外风机停转，供液电磁阀关闭。同时，温控器给其施加一个反向脉冲电信号，双稳态电磁阀打开，将制冷系统的高压气体旁路并送给室外换热器，进行融霜。高温高压气体在冷风机中放热冷却后被压缩机吸回。此时，凝结在室外换热器表面的霜层，由于受到来自表面换热器内部的高温高压气体放出的热量加热，在与金属表面的接触处融化为水，其粘附力下降。霜层靠自身重量而掉入接水盘中，从接水盘的排水管排出。实现除霜目的。待融霜结束后，温控器发出信号，双稳态电磁阀关闭，融霜回路断开，系统又回到制冷工况，完成一个融霜循环。这样一来压缩机就避免了开停频繁的弊病，并且降低了能耗，整个系统自控元件少，故障率也低，且冷风机的结构简单，易加工制造，在外形尺寸上亦可缩小，降低了成本，提高了产品的质量，工作安全可靠。另外，为避免融霜完成后，压缩机吸入高温高压气体导致机体过热，可在吸汽回路中加装一个回热器。

(四)热氟除霜的改进——热气除霜法

热气旁通除霜是通过旁通回路，将压缩机的高温排气直接引入室外换热器来除霜的。在除霜过程中，室内外换热器风扇停止运行，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。其基本原理和上面的热氟除霜相似，如图3所示。只是其控制机构更加精确和复杂，能够做到按需除霜，避免了过于频繁的从压缩机中抽气，降低了压缩机的效率。

这里使用了一个气液分离器，分离出的液体就保存在分离器中，气体经过压缩机再加热后用来融霜。这样随着除霜的进

行，液态制冷剂连续不断地返回到气液分离器中，贮存在室外换热器盘管内的制冷剂质量逐渐减少，使制冷剂的温度逐渐上升。强化了除霜效果。

(五)氟利昂辅助加热器

在室外空气温度低的地方，由于热泵冬季供热量不足，需设辅助加热器。常用方法是在室内机出风口处设加热器，这种方法不仅传热效率低。安全性能差而且化霜时间长，室内温度下降大，采用氟里昂加热器可以明显克服以上缺陷，这种方法就是把室内侧换热器分前后两部分，在中间增加一个氟利昂辅助加热器，即热泵在冬天运行时，压缩机排出的高温氯利昂气体进入室内换热器前部分时已有部分气体被冷凝成液体。此时经氟利昂加热器的加热，使该部分液体再次蒸发成气体，然后再进入室内换热器的后半部分。这样，整个室内换热器，将热泵室外换热器所吸收的热量，连同氟利昂加热器所产生的热量一并传给空调房间内，补足了由于室外环境温度低而引起的供热量不足。相关文献介绍在KFRd-70LW热泵空调器上试验，得到了很好的辅助加热效果，而且化霜时间由3min减少到1min(室外温度-1℃时)；由10min减少到3min(室外温度-7℃时)。

二、除霜时间

根据有关文献摘录，并经二年的现场跟踪测试，结果发现除霜损失约占热泵总能耗损失的10.2％，而由于除霜控制方法问题。大约27％的除霜功能是在翅片表面结霜不严重，不需要除霜的情况下进入除霜循环的。目前常用的一些方法，或多或少都存在一些问题，如发生多余的除霜动作，或需要除霜时不能及时发出信号等弊病存在。因此，要想真正达到节能的目的，除了选择好的除霜方式外，还要设计出好的控制方法，准确判断除霜时刻，并且及时发出除霜信号。

目前较广泛使用的确定除霜时刻的指标有以下几类：第一类只简单控制时间，如早期的热泵在冬季运行时，硬性规定其除霜周期为30分钟或40分钟。这种方法的缺点是显而易见的，系统不管室外换热器表面是否有霜，时间一到就开始除霜，能源浪费非常大，不符合节能的原则。第二类以盘管的出风温度作为控制指标，通常先设定一个临界温度t，当出风温度低于这个温度时，开始计时，若30分钟后，温度还是没有回升，则认为积霜严重，开始除霜。这种方法可操作性强，但是经验性太重，t的设置比较关键，值太高，除霜频繁，系统波动大，t值较低，则除霜不及时，积霜时间过长，同样降低系统的效率。同时。不同的地区，不同的室外气候条件，t值都要做相应的改动，不容易掌握。第三类以压差作为控制量。当室外换热器积霜严重时，会堵塞盘管，引起管道内压力的增大：可是一般压力仪表的测量精度不足，采用高精度的压力元件则成本会增加很多。第四类以风机电流作为指标。因为当室外换热器积霜严重时。风机的阻力增大，相应的表现在风机电流的波动上，但是，引起电流波动的因素很多，以此作为确定除霜时间的指标，容易引起误报。第五类以盘管内制冷剂的流速来判断。监测盘管内制冷剂的流速并比较其与无霜盘管的差值，当差值大于某一定值后，启动除霜工况。通过Strong(1988)两年的监测，该方法确实可行。第六类，以室外盘管的温度梯度作为判断标准。后两种在很多文献中都得到了认可，比较切实可行。

有关文献还提出最佳除霜时间控制及最大平均供热量控制除霜等方法，从理论上讲很有新意，但实现起来比较困难。个人认为：采用自调整模糊除霜控制的思路及系统的基本结构，确定室内外大气温度、相对湿度之差及翅片温度的变化率等作为输入论域，经对输入量的模糊化和模糊推理方法，在高位机上实现模糊除霜控制的仿真，采用这种方法除霜经与实验数据对比，判别结果与实际情况较吻合。这种方法与常规除霜方法相比，不仅延长了制热工作时间，减少了除霜次数和除霜损失，而且使机组工作性能和可性得到了提高。

三、结语

风冷热泵式空调机组在除霜过程中，还存在许多问题，主要有：吸气、排气压力变化剧烈，对压缩机冲击大，系统制冷剂回液量大，蒸发器和冷凝器频繁转换，破坏机组的正常运行，因此每次除霜时均需一个很长的过程才能使机组恢复到正常的运行；四通换向阀动作频繁，影响其寿命；由于除霜开始阶段有个压力衰减过程，有的系统会因其压力衰减到低压保护值而造成停机；除霜过程中供水温度变化很大等。这些问题严重影响了机组除霜运行的可靠性。因此有必要进一步深入研究除霜机理，提出新的除霜方法。逐步解决上述问题。