风冷热泵结霜与除霜问题的研究

风冷热泵结霜与除霜问题的研究

张洪全

天士力医药集团股份有限公司 天津 300410

摘要：本文对风冷热泵机组冬季制热运行时换热器表面结霜的问题进行了研究，分析了风冷热泵霜层形成的机理，介绍了空气相对湿度、温度、风速及换热器的结构对风冷热泵蒸发器结霜的影响，同时还对常见的除霜方法做了简要介绍，最后提出了除霜问题的研究方向。

关键词：风冷热泵；除霜；结霜；蒸发器

0. 引言

风冷热泵冷热水机组作为中央空调系统的冷热源，自20世纪90年代初进入我国。由于其安装方便、运行操作简单，节能及易于模块化集成等特点，十几年来得到了长足的进展。随着制冷技术的不断进步，其使用范围不断拓宽，已经从原来的华南及长江流域迅速扩展到黄河流域及广阔的大西北地区。但冬季南方地区相对湿度较高，这正是风冷热泵蒸发器最容易结霜的温度和湿度范围，所以冬季风冷热泵室外侧蒸发器易结霜，使得风冷热泵机组在运行中出现一些问题，如制热量不足，系统COP降低等，严重时还会造成设备损坏。因此有必要对风冷热泵结霜与除霜问题进行仔细的研究。

0. 风冷热泵结霜的影响因素

1.1 蒸发器表面结霜与空气参数的关系

结霜的机理及结霜对传热的影响涉及因素很多，一般认为空气源热泵机组室外蒸发器结霜时，其表面温度t_fe和空气露点温度t_dew需满足下式：

且

式中空气露点温度t_dew取决于空气的干球温度t_w和相对湿度φ，因此室外空气的干球温度和相对湿度是影响热泵结霜的重要参数。结霜的气象参数范围为-12.8℃～5.8℃,在该区域内如何减缓结霜过程和如何提高除霜效率就称为空气源热泵冷热水机组的主要研究方向。

浙江大学低温工程研究所利用自己所开发的热泵机组全年性气候运行模拟软件，模拟的结霜速率随室外气象参数的变化图。等结霜速率线，由于霜层密度较小, 所以一般在外表面上的结霜量Wm 大于等于0. 625 ×10-5kg/ ( m²·s) 时盘管表面结霜已很严重。共划分了5个结霜速度区。从中可以看出, 当室外干球温度在- 5℃

1.2 蒸发器表面结霜与换热器结构的关系

换热器结构对霜层的影响包括翅片盘管的翅片形式，翅片盘管的间距，翅片盘管的管排数，翅片表面的粗糙度以及翅片盘管的表面处理对蒸发器表面结霜的影响。

1.2.1 翅片形式对结霜速率的影响

换热器形状对结霜速率有较大的影响。换热器的形状不同，对霜生长速率的影响也不一样，当换热面积相同时，简单形状换热器(如平板、圆管、平行板、圆形管等)的结霜速率要大大低于复杂形状换热器(如翅片管)的结霜速率。对同一种换热器而言，沿气流方向的不同位置，其结霜速率也不一样，一般在入口气流处霜生长速率明显高于出口气流处结霜速率，另外，不同翅片形状的换热器的结霜速率也不一样，换热强的表面明显高于换热弱的。风侧换热器翅片型式一般有平片、波纹片及开窗翅片三类。开窗翅片有利于提高同侧换热系数，但在结霜工况下，开窗翅片结霜后的气流阻力要大于平片和波纹片。同时，对于在结霜工况下运行的风冷热泵的风侧换热器建议不用开窗翅片。

1.2.2 翅片间距对结霜速率的影响

换热器翅片间距对结霜速率也有较大的影响。宽间距翅片盘管的结霜速率低于窄间距翅片盘管的结霜速率。而变间距翅片的结霜速率明显低于等间距翅片的结霜速率，这是由于当气流通过翅片盘管蒸发器时，由于空气中的水蒸气不断地在翅片管表而沉积，空气由于除湿作用相对湿度降低，因此，沿气流方向翅片盘管表而结霜量是递减的，由于前排片距较大结霜后不易堵塞，压降下降较小。空气经过前几排管后湿度下降，再经过后排的密片距时结霜量也不会很多。即结霜主要发生在翅片管的前几排。

1.2.3 管排数对结霜速率的影响

翅片盘管的管排数对结霜速率也有影响。管排数多可以减小翅片盘管的迎风面尺寸，从而减小机组的占地面积。但是管排数多会增大翅片盘管的风侧阻力，从而减小风机的风量，较容易形成霜层。同时与翅片盘管间距情况相似，单管排数较多时，一方面在没有结霜的上况下背风而的换热效果较差，另一方而当迎风而开始结霜时，也降低了背风面的换热效果较差。

1.2.4 表面租糙度对结霜速率的影响

翅片盘管的表面租糙度对结霜速率也有影响。冰晶在壁面上是以球冠状与壁面粘着的，能够形成冰核的最低条件是壁面温度低于湿空气水蒸气分压力所对应的饱和温度，并要使壁而温度低于0℃，冰核对壁而粘着力的大小与接触而积和表而粗糙度有关，由于水分子为极性，冷壁金属表面也为极性，因而水分子极易吸附到冷壁表面结霜，换热表面越粗糙，越易形成霜生长初期所要的冰核，从而也就加剧了霜的形成。

1. 3. 蒸发器表面结霜与迎面风速的关系

在强制对流情况下，迎面风速对于霜、冰的形成有很大影响。主要因为迎面风速低时，负荷减小，蒸发温度下降快，导致空调器结霜速度加快，从而加快结冰倾向。反之，迎面风速增大，使负荷增大，蒸发温度上升，温差减小，减少了结霜的倾向，从而降低结冰的倾向。

0. 风冷热泵除霜的手段

空气源热泵机组在冬季运行时, 其肋片盘管换热器起蒸发器的作用, 由于蒸发温度较低, 盘管表面温度也随之下降。当室外空气在风机驱动下流经盘管时, 其所含水分就会析出并附着于盘管表面形成霜层。随着霜层的形成, 机组的性能下降, 工况恶化, 制热量也下降。结霜会造成肋片间通道堵塞, 空气流动阻力大大增加, 空气量大大减少, 换热量下降; 增加了蒸发器的换热热阻, 使换热器的换热性能下降； 使蒸发温度下降, 造成压缩机的制热能力和效率急剧下降, 运行工况变差； 结霜使整个系统性能随之下降, 盘管表面温度和吸气压力下降, 严重时霜会逐渐延伸至压缩机缸头。因此, 必须适时进行除霜, 以保持系统高效率运行。目前用到的一些除霜方法有：四通换向除霜、交叉除霜、热气旁通除霜、电热除霜、变频空调快速除霜和蓄能除霜等。

2.1 四通阀换向除霜

目前常用的除霜方法是采用四通换向阀换向逆循环除霜，通过四通阀换向使机组从制热运行状态转变为制冷运行状态，蒸发器和冷凝器功能互换，从而达到除霜的目的。这种除霜方式存在一些缺点：如除霜时要从房间吸热，室温会降低5℃～6℃，影响室内的舒适性；切换制热和除霜模式时，系统压力波动剧烈，产生的机械冲击比较大；除霜时室内换热器作为蒸发器，表面温度低达-20℃～-25℃，当恢复制热后，较长一段时间吹不出热风。逆向除霜为避免以上情况，常在除霜开始前将压缩机停止5分钟左右，除霜结束再停5分钟，这样虽避免了压力波动，但同时也缩短了制热的有效时间，加剧了水温波动，压缩机需要频繁启动，影响压缩机的寿命。

2.2 交叉除霜

对需要除霜的一组空气侧换热器通过切换对应的四通换向阀，使高温高压的制冷剂气体进入空气侧换热器，从而达到除霜的目的。通过轮流切换四通换向阀，对空气侧换热器进行分组除霜。除霜时其余的空气侧换热器和水侧换热器的功能没有变化，因此在除霜的同时机组仍然能够具有制热的功能。除霜时系统的压力波动小，系统高压和低压均能保持在安全的范围之内，保证机组除霜时机组的可靠性和稳定性。这种除霜方法的缺点主要是：一个系统除霜结束时要等待其他系统除霜结束，造成除霜时间浪费，制热运行时间的减少。

2.3 热气旁通除霜

热气旁通除霜时四通换向阀不需切换动作，开启热气旁通电磁阀，关闭风机，压缩机的排气从旁通电磁阀直接到达分液器，然后进入风冷换热器除霜，融霜后的制冷剂通过四通换向阀进入气液分离器，最后被压缩机吸入。热气旁通法除霜在除霜过程中不需要从房间内取热，对改善室内舒适性有利，比较适合于家用空调。商用空调由于换热器较大，需要较多的热量才能实现完全除霜，单靠压缩机所消耗的电力和压缩机壳体的蓄热量是不足以实现完全除霜的，效果比较差。

2.4 电热除霜

电热除霜就是在在翅片管换热器上嵌入电热丝或在翅片上穿入电热管。此种除霜方法效果可靠，不受环境温度影响，但对电热元件绝缘要求高，一般用于低温空调及冰柜。

2.5 变频空调器快速除霜

当系统开始除霜时，电子膨胀阀开度从制热运转时的位置迅速打开，压缩机以最高频率运转，增加供给除霜所需要的热量，四通阀维持制热时的状态，室外风机停止运转，室内风机则以开停方式工作，将一部分热量供给室内，使吹出的风温不致过低。当接到除霜结束信号后，膨胀阀恢复到所设定的开度，室内外风机按所设定的风速正常运转，压缩机的运转频率恢复到正常制热时的频率。

0. 风冷热泵除霜的控制模式

除霜控制技术的重点是除霜切入点和结束点的选择。当轻度结霜时，除霜时间过长将不仅造成能源浪费还影响室内的热舒适度。对一台风冷热泵进行了长期测试，其结果表明除霜能耗占总能耗的10.2%，而由于除霜控制方法的问题，大约27%的除霜是在翅片表面结霜不严重、不需要除霜的情况下进行的，这样既造成了能源的浪费，又降低了供热效率。当重度结霜时，60%～70%的化霜水仍滞留在翅片管表面，且多集中在换热器的下部，如何选择恰当的除霜结束点，既可以除去化霜水又避免出现十热状态时控制技术的关键。总结目前国内外产品所使用的判定除霜的条件，主要有以下几种最佳除霜时刻控制的方法：有定时除霜法、时间-温度控制法、温差控制法、空气微压差除霜控制法、吸-排气压力变化控制法、进-出换热器空气状态法、最大平均供热量控制法、基于模糊控制的智能控制法、换热器出口风速控制法、霜层厚度检测控制法。

3.1 定时除霜控制模式

定时除霜控制模式是根据经验确定化霜周期和持续时间。这种除霜方法比较适用于室外空气相对湿度较大的地区，但在室外相对湿度较低的地区不适应，造成浪费能源并影响室内空气舒适度。

3.2 时间-温度控制模式

时间-温度控制模式是根据设定的化霜时间和蒸发器表面温度控制除霜过程。这是目前普通采用的一种方法，在低温低湿的情况下，这种除霜方式也会产生不必要的除霜动作，也会在高温高湿的情况下需要除霜时却不发出除霜信号。

3.3 温差控制模式

温差控制法模式分为两种：1、利用室外盘管温度与环境温度的差值进行除霜控制，一般可以这样认为：如果环境温度不变时在未结霜的情况下，室外盘管温度与环境温度的差值基本不变，而当换热器表面开始结霜时，传热显著变差，两者之间的温差变大。所以只要设定一个合适的温差值，就能很好地控制判断是否结霜并控制合适的化霜时间；2、通过检测室内盘管温度和室内环境温度之差，再配合时间控制。这种方法的通用性较差，因为不同的机组可能需要设置不同的温差值，而且对热泵的负荷变化较为敏感，而且商用空调通过检测室内管温的方法来判断室外换热器是否结霜存在一定的局限性，所以这种方法不太适合于商用空调。

3.4 空气微压差除霜控制模式

由于换热器表面结霜，会增大换热器两侧的空气压差，这样可以用微压差控制器感应蒸发器进、出口的压力差，发出化霜开始信号。空气微压差除霜控制模式是用微压差控制器感应蒸发器进、出口的压力差，发出化霜开始信号 。这种微压差控制器成本较高，所以不适宜推广使用。

3.5 吸、排气压力变化控制模式

换热器表面结霜后，吸、排气压力（尤其是吸气压力）会发生较为明显的变化，只要通过压力传感器记录到这种变化以后在适当的时候进行除霜控制即可。吸、排气压力变化控制模式是通过压力传感器记录到吸、排气压力变化以后在适当的时候进行除霜控制。有学者经过理论计算和实验验证，得出：如果系统的冷凝压力与蒸发压力的比值大于4.3时就开始除霜，这时换热器表面的霜层面积已经达到了换热器总面积的75%以上。但因为压力传感器成本较高，使用起来困难较大。

3.6 进、出换热器空气状态控制模式

进、出换热器空气状态控制模式是通过计算进、出换热器湿空气的状态来判定换热器是否结霜。 这种方法在理论计算上有较好的精度，但是如何测得进、出换热器湿空气的相对湿度是一个难题，所以实施起来难度较大。

3.7 最大平均供热量法控制模式

最大平均供热量法控制模式是以热泵机组能产生最大供热效果为目标来进行除霜控制。 这种方法虽然具有理论意义，但实施有一定的困难。

3.8 基于模糊控制的智能除霜模式

基于模糊控制的智能除霜模式是通过建立多层多规则结构模型设计的智能除霜模糊控制器 。对电冰箱蒸发器的霜层厚度进行模糊推理，取得了较好的效果，但是能否在空调器除霜时使用尚无定论 。

3.9 换热器出口风速控制模式

换热器出口风速控制模式是通过风速传感器测得出口风速，然后用拟合出来的数学表达式推出蒸发温度，达到设定值以后就开始除霜。这种方法需要在换热器的风扇出风口安装一个风速传感器，将风速输入化霜控制器来控制化霜，成本较高，而且在季风季节测出的出风口风速可能会受季风的影响，产生误动作。

3.10 霜层厚度检测控制模式

霜层厚度检测控制模式是使用霜层厚度检测仪来检测霜层的厚度，从而在霜层厚度达到一定程度的情况下开始除霜 。这种装置的造价高而不能用于实际的热泵机组上。

0. 结语

随着空气源热泵的应用越来越普遍，如何提高机组在低温高湿环境下运行的可靠性以及除霜效率是空气源热泵设计开发中的重要课题。近年来的除霜研究主要集中在三个方面:延缓结霜技术、除霜方法改进和除霜控制技术。这三个方面既可以独立做研究又对机组的性能共同起作用。空气源热泵除霜问题是影响机组稳定性、可靠性的关键问题，该问题可以从以下几个方面入手:

（1）除霜方式及除霜系统进一步优化可以提高机组除霜时的可靠性和除霜的效率。目前，空气源热泵中的除霜方式较多使用逆循环除霜方式，由于除霜初期节流元件两端的压力差与系统阻力相比较小，致使制冷剂的循环量很小，无法满足除霜所需的热量。因此，采用合适的方法对除霜系统进行改进以增加除霜时制冷剂的流量将会有效缩短除霜时间。随着电了膨胀阀的使用和变频技术的不断发展，除霜系统定会得到进一步的优化；

（2）选择正确的除霜时机可以有效提高机组的工作性能。由于换热器表面结霜的初期阶段对换热器的换热效果起到了一定的强化作用，而霜层的进一步累积则恶化传热效果。因此，除霜时机的正确选择对机组工作性能的提高至关重要；

（3）霜层形成机理的深入研究可有效延缓或避免霜层形成。由于影响结霜的因素较多，霜层的形成过程是一个复杂的传热传质过程。目前对结霜机理的研究主要于相对宏观的角度，对霜层形成的微观过程的研究相对薄弱。对霜层形成过程的微观基础性研究可总结出结霜的规律，进而利用规律改变水结晶的形状和速度，改变霜层的形态结构，有效延缓或避免霜层的形成；

（4）抑制结霜技术可以从根本上解决目前机组除霜所产生的问题，它将成为空气源热泵除霜研究的一个重要方向；

（5）结霜/除霜工况下机组的动态特性尚待进一步研究。结霜滁霜工况下，系统参数随时间不断变化，尤其是通常采用的逆循环除霜方式，系统存在制热与制冷循环的两次切换，系统在短时间内剧烈变化，制冷剂也相应迁移两次且迁移量较大。结霜与除霜是一个复杂的非稳态过程。此外，由于缺乏适用于中大型风冷热泵的人工环境实验室，使大中型风冷热泵的实验研究在一定程度上受到制约。