空氣源熱泵延緩結(jié)霜及除霜研究現(xiàn)狀與展望

1、空氣源熱泵延緩結(jié)霜和除霜問題研究摘要：針對空氣源熱泵延緩結(jié)霜及除霜問題，對霜層的形成、延緩結(jié)霜技術(shù)、除霜技術(shù)三個方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了評述?？偨Y(jié)了現(xiàn)存延緩結(jié)霜及除霜方法，指出了其中的不足之處?？蔀榭諝庠礋岜醚泳徑Y(jié)霜以及除霜問題提供參考。關(guān)鍵詞：空氣源熱泵 結(jié)霜 除霜1 引言 熱泵是一種節(jié)能環(huán)保的供暖供冷設(shè)備，熱泵可以分為空氣源、水源、土壤源以及太陽能熱泵等。空氣源熱泵是以空氣作為低溫?zé)嵩?，從大氣中獲取熱量，比較方便，換熱設(shè)備和安裝較簡單。因此在我國城市發(fā)展中得到了廣泛的應(yīng)用。但是在使用過程中運(yùn)行狀況始終不理想，特別是在低溫高濕地區(qū)制熱運(yùn)行時。造成這一現(xiàn)象的主要原因是空氣源熱泵室外換熱器表面的結(jié)霜

2、導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行效果差。一方面，表面形成的霜層增加了空氣流動的阻力，導(dǎo)致空氣流量的減小，另一方面霜層的存在增大了室外換熱器的導(dǎo)熱熱阻，降低了機(jī)組的性能系數(shù)?？諝庠礋岜玫慕Y(jié)霜問題成為了制約其發(fā)展的瓶頸。因此，如何有效的延緩空氣源熱泵結(jié)霜以及高效除霜成為了空氣源熱泵發(fā)展的重要問題。2 結(jié)霜問題研究 霜層可以看成是由冰晶和空氣組成的多孔介質(zhì)，其生長過程分為三個時期，即結(jié)晶體生長期、霜層生長期和霜層充分生長期1。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在結(jié)霜初期，由于霜表面極為粗糙，霜層起到了翅片作用，增加了傳熱效率，一定時間后盡管霜仍然繼續(xù)沉積，傳熱效率變得與時間無關(guān)。從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，關(guān)于結(jié)霜問題主要分為兩大類：一是結(jié)

3、霜機(jī)理的理論和實(shí)驗(yàn)研究；二是對結(jié)霜過程的數(shù)值模擬。lee2研究了進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣空氣濕度、氣流速度和冷卻表面溫度，研究表明：空氣相對濕度和冷卻表面溫度是霜層形成的主要因素，高濕度低冷卻表面溫度會形成更厚的霜層。郭憲民等3把室外換熱器的結(jié)霜過程與系統(tǒng)的工作過程作為一個整體考慮，通過實(shí)驗(yàn)研究了進(jìn)風(fēng)空氣溫、濕度對室外換熱器結(jié)霜的影響。如圖1所示為進(jìn)口溫濕度對結(jié)霜量的影響，圖2為運(yùn)行35分鐘后不同工況結(jié)霜量比較。從圖中可以看出存在一個結(jié)霜率最大的進(jìn)風(fēng)溫度范圍。在相對濕度不同的工況下，在0-3范圍內(nèi)結(jié)霜速率最大，且此結(jié)霜溫區(qū)不隨相對濕度的變化而變化。圖1進(jìn)風(fēng)溫度對室外換熱器動態(tài)結(jié)霜量的影響 圖2運(yùn)行35分

4、鐘后不同工況結(jié)霜量比較 王皆騰4以液/固晶體生長的相場法理論為基礎(chǔ)，建立了霜晶體生長的相場法模型，利用該模型對自由空間內(nèi)過冷空氣圍繞晶核的晶體生長過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖3，為更深入地研究冷表面霜層生長的機(jī)理提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。圖3 不同時刻霜晶體生長的模擬結(jié)果3 延緩結(jié)霜問題研究現(xiàn)狀 目前延緩結(jié)霜的方法主要有以下三個方面：改變室外換熱器進(jìn)口處的空氣參數(shù)來延緩結(jié)霜、改變系統(tǒng)流程和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)、改變換熱器表面特性。3.1改變室外換熱器進(jìn)口處的空氣參數(shù)來延緩結(jié)霜 （1）降低進(jìn)口空氣的濕度。wang5等人在蒸發(fā)器入口處放置了固體除濕劑，降低了進(jìn)口空氣的濕度，如圖4所示。但是固體除濕劑存在失效和再生的

5、問題。jain6等設(shè)計了空氣源熱泵液體除濕系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)工作，取得了良好的抑制結(jié)霜的效果，如圖5所示。但是對于此系統(tǒng)比較復(fù)雜，安裝較為困難，因此在實(shí)際中沒有得到廣泛應(yīng)用。 圖4吸附床和蒸發(fā)器示意圖 圖5液體除濕系統(tǒng)與傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)結(jié)合示意圖 （2）提高空氣溫度。增加輔助室外換熱器，在供熱工況，輔助換熱器提高了周圍空氣的溫度，延緩了霜層的增長。通過電加熱也可以實(shí)現(xiàn)對進(jìn)口溫度的提高，但是電能屬于高品位能源，不能達(dá)到節(jié)能的目的。3.2改變系統(tǒng)流程和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù) （1）改變系統(tǒng)流程。byun7等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在壓縮機(jī)出口與蒸發(fā)器入口處增加旁通管之后抑制結(jié)霜的效果。增大旁通管內(nèi)的制冷劑流量，可以有效

6、抑制室外機(jī)霜層生長，但同時造成系統(tǒng)供熱量下降。 （2）改變蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。張哲8通過實(shí)驗(yàn)研究了蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)對其結(jié)霜特性影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對蒸發(fā)器結(jié)霜速度的影響很大，管排數(shù)越多、肋片間距越小，蒸發(fā)器結(jié)霜越嚴(yán)重，而且換熱器壓降增加迅速，不利于熱泵運(yùn)行。王洋等9研究了增大蒸發(fā)器面積對地區(qū)延緩結(jié)霜效果分析，可將我國應(yīng)用空氣源熱泵分為效果一般地區(qū)、效果良好地區(qū)和效果顯著地區(qū)。增大室外蒸發(fā)器的面積，就會增加成本和初投資，所以在效果一般地區(qū)不宜采用。3.3改變換熱器表面特性 對室外側(cè)換熱器表面進(jìn)行處理也可以抑制霜層生長。親水涂料的抑霜機(jī)理目前仍處于探索之中，但普遍認(rèn)為是由于親水涂料含有強(qiáng)吸水性物質(zhì)，

7、能夠在結(jié)霜初期把凝結(jié)在冷板表面上的水珠吸附到由涂料制成的親水涂層內(nèi)部，同時涂層內(nèi)含有能降低水冰點(diǎn)的物質(zhì)，使吸附到內(nèi)部的水珠不發(fā)生凍結(jié)，因而延緩了初始霜晶的形成。對于疏水性材料，費(fèi)千等10對一般疏水層上摻雜了疏水性固體顆粒，較好的抑制了霜層生長。王賢林等11對室外換熱器表面添加了疏水層，促進(jìn)了水滴從室外機(jī)壁面脫落，延緩了霜層的生長。3.4其他 董建鍇12提出了一種簡單的延緩結(jié)霜的方法。在正常供熱時，通過變換風(fēng)機(jī)風(fēng)向，使室外換熱器由原來的負(fù)壓區(qū)變?yōu)槲闪髡龎簠^(qū)。加強(qiáng)空氣與室外換熱器之間的換熱，促使形成的水滴和霜層加速脫離室外換熱器壁面，從而達(dá)到延緩結(jié)霜的目的。一些學(xué)者還研究了外加電場或者磁場來達(dá)到抑

8、制結(jié)霜的目的。4 除霜問題研究現(xiàn)狀 目前應(yīng)用最廣泛的除霜方式有逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜。4.1逆循環(huán)除霜逆循環(huán)除霜是在需要除霜時通過四通換向閥的切換改變制冷劑的流向，使蒸發(fā)器和冷凝器的作用交換，同時風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，利用管內(nèi)制冷劑的熱量除去霜層。但是這種方式存在很多弊端。除霜時會從室內(nèi)吸收熱量，造成室內(nèi)的溫度波動較大，舒適性比較差。圖6空氣源熱泵蓄能熱氣除霜新系統(tǒng)原理圖為了解決這一問題，韓志濤13提出了蓄能除霜。圖6為空氣源熱泵蓄能熱氣除霜新系統(tǒng)原理圖。制熱運(yùn)行工況，由壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)首先進(jìn)入蓄熱器的盤管開始蓄熱，蓄熱結(jié)束后關(guān)閉相應(yīng)閥門，系統(tǒng)恢復(fù)到原有熱泵模式供熱。除霜時，四通換向閥換向，

9、壓縮機(jī)排出的高溫工質(zhì)如實(shí)線箭頭所示的方向，首先進(jìn)入室外側(cè)換熱器，融化霜層。徹底解決了常規(guī)除霜時低位熱源供給熱量不足的問題。董建鍇12提出了過冷蓄能除霜，在常規(guī)的空氣源熱泵機(jī)組中增加了一個相變蓄熱器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的過冷蓄熱和蓄能除霜，一方面充分利用了制冷劑的過冷熱完成了相變蓄熱，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行，另一方面有效的解決了空氣源熱泵除霜過程中能量來源不足的問題，改善了除霜時的系統(tǒng)性能，提高了除霜效率。如圖7所示，為空氣源熱泵過冷蓄能除霜系統(tǒng)原理圖。圖7空氣源熱泵過冷蓄能除霜系統(tǒng)原理圖4.2熱氣旁通除霜 熱氣旁通除霜時四通換向閥不需切換動作，開啟熱氣旁通電磁閥，關(guān)閉風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)的排氣從旁通電磁閥直接到

10、達(dá)分液器，然后進(jìn)入風(fēng)冷換熱器除霜，融霜后的制冷劑通過四通換向閥進(jìn)入氣液分離器，最后被壓縮機(jī)吸入。 黃東14對風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組熱氣旁通除霜與逆循環(huán)除霜性能進(jìn)行了對比。逆循環(huán)除霜的能量來源包括壓縮機(jī)以及從循環(huán)水和房間的吸熱量，除霜時間較短，舒適性較差。熱氣旁通除霜時間比逆循環(huán)長，但舒適性較好，啟動和終止除霜時，不會產(chǎn)生四通閥換向的氣流噪聲等。5 結(jié)語 空氣源熱泵的應(yīng)用越來越普遍，因此如何提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性以及除霜的效率至關(guān)重要。通過對空氣源熱泵結(jié)霜、除霜研究的文獻(xiàn)分析，可以得到以下結(jié)論： （1）對于霜層形成的機(jī)理的深入研究是至關(guān)重要的。霜層的形成是一個微觀而且復(fù)雜的過程，影響霜層形成的因素較多

11、。對霜層形成的研究可以總結(jié)出規(guī)律，利用規(guī)律對延緩結(jié)霜以及除霜提供參考。 （2）對于延緩結(jié)霜的研究可以從三個方面考慮：一是改變室外換熱器進(jìn)口處的空氣參數(shù)；二是改變系統(tǒng)流程和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)；三是改變換熱器表面特性。外加電場和磁場等方法來延緩結(jié)霜也提供了新的思路。 （3）目前，空氣源熱泵中的除霜方式較多使用逆循環(huán)除霜方式，但是逆循環(huán)除霜可能會使室內(nèi)的溫度降低，房間溫度波動過大，舒適性較差。并且正確選擇除霜的時期也是至關(guān)重要的。為了降低除霜時的能耗和減少過程對室內(nèi)環(huán)境的影響，控制除霜開始和終止的方法也應(yīng)該盡可能精確。熱氣旁通除霜舒適性較好，不會產(chǎn)生四通閥換向的氣流噪聲等，但是除霜時間較長，熱氣旁通法除

12、霜仍需要進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)：1 趙蘭萍.冷壁面上結(jié)霜機(jī)理研究中的幾個問題j.制冷學(xué)報, 2000(2):45-48.2 lee y. frost formation on a vertical plate in simultaneously developing flowj. experimental thermal and fluid science, 2002(26):939-945.3 郭憲民.室外換熱器迎面風(fēng)速對空氣源熱泵 結(jié)霜特性的影響j.化工學(xué)報,2012, 63(s2):32-37.4 王皆騰.冷表面上結(jié)霜現(xiàn)象的理論與實(shí)驗(yàn)研究d. 北京工業(yè)大學(xué):北京工業(yè)大學(xué),2008.5 wa

13、ng s. a new method for preventing hp from frostingj. renewable energy, 2005(30):753-761.6 jain s, bansal p k. performance analysis of liquid desiccant dehumidification systemsj. international journal of refrigeration, 2007(30):861-872.7 byun j, lee j. frost retardation of an air-source heat pump by the hot gas bypass methodj. international journal of refrigeration, 2008(31):328-334.8 張哲.空氣源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)對其結(jié)霜特性影響的實(shí)驗(yàn)研究j.暖通空調(diào),2009, 39(2):90-92.9 王洋,江輝民,馬最良.增大蒸發(fā)器面積對延緩空氣源熱泵冷熱水機(jī)組結(jié)霜的實(shí)驗(yàn)與分析j.暖通空調(diào), 2006, 36(7):83-87.10 費(fèi)千,王寶軍.高疏水性涂層在空氣冷卻器中的應(yīng)用研究j.制冷與空調(diào),