空气源热泵降湿防结霜方法研究

徐斌

摘 要：本文分析了空气源热泵的结霜现象及其对设备造成的伤害，简单总结了空气源热泵除霜方法，以及这些方法存在的问题，提出了降低空气湿度的思想，探讨了解决空气源热泵冬季供热过程中结霜的问题。在冬季运行时，霜的形成问题降低了空气源热泵的稳定性和可靠性。

关键词：空气源热泵；结霜；降湿除霜

1 绪论

空气源热泵是一种将热能从低热量的热源输送到高水平热源的设备，它也是一项引起全世界关注的节能技术。空气源热泵利用空气中的热量作为低温热源，而我们所生活的地球上空气是无穷尽的，所以，气源热泵的运行成本并不是很高。空气源热泵可以利用一点点电力能源，压缩空气中大量的低温热能，并将其变为高温热能，没有复杂的和额外的装置，不存在繁复的冷却水管路，并且能源节约的效果显著。空气源热泵的操作过程没有废水产生，锅炉的使用并没有造成污染，为能源使用和环境保护之间的共处提供了解决方案和思路，符合当今节能减排和能源科学利用的现代社会观念。与此同时，空气源热泵工作范围非常宽泛、有着良好的性能、环境温度湿度等等指标不会对其造成影响、占地面积不大、维护成本也不是很高，种种优点使得空气源热泵得到各个行业广泛应用。

针对空气源热泵来讲，如今在技术上较难解决的是冬季作业中结霜问题。蒸发器的结霜导致了空气源热泵的运行性能下降和热交换容量的降低。除霜工艺增加了空气源热泵机组运行的不确定性，降低了用户的体验感。

2 空气源热泵结霜原因

当空气中的水蒸汽温度低于空气露点的管和导热性较强的金属片接触时，在外部空气热交换器中发生相变冰冻的情况。结霜不只是温度的作用与表现，当温度非常低的时候，空气中的含水率就越低，此时的结霜现象也不一定非常剧烈。根据统计数据可以看到，当气温不高于零下5摄氏度，即便相对湿度不低，空气中的水分含量只有每公斤两到三克，这样水分含量不会导致剧烈的结霜问题。

在冰霜形成之初，分布式的冰晶与翅片相似，这种现象就提高传热表面的不均匀度和表面积，可以提高传热的强度。然而，随着日积月累，热交换器的表面逐渐被冰晶覆盖，形成较厚的一层霜层。霜层内部有着微小空隙，而且可能是互相连通的，具有较小的导热系数，进而导致热导热阻的提升，这是影响传热效果的主要原因。所以，整个空气源热泵系统传热系数减小，系统传热性能下降，对于电能的利用率也是不断减少。

3 降湿防结霜方法

3.1抑制生霜方法

一种提高空气源热泵结霜/除霜周期性能的方法是抑制室外热交换器表面霜的生长，或者延缓霜的形成。根据目前统计的研究数据分析来看，主要从四个方面对蒸发器的霜面进行了改进：

（1）换热器结构设计优化。为了减少导热性较强的金属片前方边缘的霜冻，Ogaw a K等科学家提出了一种通过金属片分割的方法，来提高结霜条件下的换热器性能。有些科学家对变螺距换热器的性能进行了一系列的试验分析，证实了在热交换器前排的大直径金属片的使用对降低压降和增加传热效果十分有用。目前，该方法得到越来越试验证明，在实际中已得到广泛使用。

（2）导热性较强的金属片材表面进行涂层处理。金属片表面涂层可以改变材料表面的吉布斯自由能（free energy），进而改善金属片表面性能，这种材料又可以被分为非极性涂料和极性涂料。

（3）应用电场抑制霜的形成。应用适当的电场强度换热器，由于电场力的影响，霜层的产生和发展受到限制，霜晶体容易折断，电力场一般被分为AC电场和DC电场

3.2压缩和除湿的方法

通过压缩和冷却空气，空气中的水分可以凝结成液态水。冷凝水被排放并加热以获得较低的空气含水率。然而，压缩除湿法的一个主要问题是压缩过程中的功耗過大、能源消耗巨大，不能实现较大范围的除湿。这些不足之处限制了压缩除湿法的应用区间，这种方法并不符合当前节能环保技术发展的社会要求，碳排放量过于巨大，不适合与自然协同的发展前景。

3.3低温降湿法

低温降湿法来抑制空气源热泵结霜主要是通过空气中水分的含量随空气温度的降低而降低的原理，室外空气通过冷却器外壁，然后通过表面冷却盘进行降温。空气温度的越来越低，空气中的水蒸气含量保持动态平衡的状态。在空气冷却到露点温度之下时，空气中的水蒸气凝结成水之后流走，凝结的水被排出之后可以减少空气中水的绝对含量，从而达到除湿的效果。

3.4溶液除湿法

溶液除湿主要是指LiBr溶液等盐溶液，利用这些溶液吸收了大量的水分。盐溶液用于吸收空气中的水蒸气，从而实现空气除湿的效果。除湿系统的主要组成部分是除湿机、蓄热器和循环水泵。除湿器会将吸收剂喷洒在空气中。空气中的水分会被盐溶液吸收，从而以达到除湿目的。最后通过循环水泵将吸收水分的盐溶液注入到蓄热器中，通过加热线圈使加热的再生空气与之接触。盐溶液中的水分由于热量蒸发而蒸发，与再生空气一起排出。

4 结语

（1）反循环除霜、热气体旁路除霜等现有方法不单单会影响暖通设备的正常操作，还会造成能源大规模消耗，使系统运行效率一直处于低位，这种方式除霜效果并不是很好。

（2）使用降低湿度的设备，减少空气源热泵表面空气湿度，又因为露点温度与空气湿度密切相关，所以表面换热器的空气湿度要低于霜点湿度，这样就可以防止空气源热泵系统从空气中吸收大量的水分，使得换热器表面的结霜现象加重，进而使得热泵的性能收到干扰。虽然有不同大小的空气除湿方法活跃在不同领域中，但是随着科技发展、随着可研人员进一步攻关，在空气源热泵供热和结霜的问题上一定会得到妥善解决，空气源热泵的使用范围和领域将进一步扩展，使用空间进一步扩大，使用效率进一步提高。

参考文献：

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[2]梁明坤，陈传宝，刘伟.板片蒸发冷凝式空气源热泵机组无霜制热的试验与验证[J].机械制造与自动化，2016，45（06）：7073.