长江流域空气源热泵除霜技术研究

任建华

摘 要：为解决空气源热泵在各类工况下的结霜问题，结合长江流域的的气候特性，深入研究机组的结霜过程，并有针对性的提出了几种除霜方法，为进一步改进机组的除霜性能打下基础。

关键词：空氣源；热泵；除霜

1.绪论

我国地域辽阔，根据GB50176-2016《民用建筑热工设计规范》[1]，我国分为5个气候地区，其中，长江流域属于夏热冬冷地区，该区域包含了：①轻霜区，云南大部、成都、重庆等，该地域常年气温较高，结霜不明显或不会对热泵制热造成大的影响；②重霜区，贵州、湖南等，该地域湿度和温度处于结霜速率较大区间，③一般结霜区，武汉、上海、南京、宜昌等；④高寒区，江源区域年平均气温-4℃，最低温度在-30℃以下[3]。可见，长江流域集合了轻霜、重霜、高寒区域，因而，除霜设计是空气源热泵所需要重点突破的技术。

2.技术路线

近年来，随着节能减排政策的大力推进，空气源热泵在我国城市应用越来越广泛。空气源热泵使用时，当蒸发温度低于0℃[2]，水蒸气会在蒸发器表面凝结形成霜层，阻挡风道，减小系统循环风量并增大热阻，降低蒸发器的换热能力，进一步降低蒸发温度，使得蒸发器结霜速度更快，造成恶性循环。结霜会造成热泵制热能力的降低，冷媒蒸发不完全引起回液，以致系统不能正常工作。

针对空气源热泵的除霜问题，对低温型空气源热泵进行了针对性的分析、研究，提出了以下技术方案。

3.除霜技术方案

3.1 防积冰技术

针对空气源热泵底盘积冰的现象，低温型优化了蒸发器流路的设计。在蒸发器最下方支路，即靠近接水盘的一路，在冷媒输出管段增加单向阀。正常制热时，最下方支路无冷媒通过，减少蒸发器底部结霜。除霜时，热态冷媒则流经此支路，确保蒸发器底部化霜干净，接水盘无积冰，同时确保了融霜水的顺利排除。

为验证该防积冰设计是否有效，在国标[4]的基础上专门设计了超高湿度除霜实验，如下：

（1）干球温度/相对湿度：2℃/100%

（2）样机回水温度：设定水温下限20℃

该环境下机组最容易结霜，同时施以最低水温，使除霜热量来源最低，最不利于热泵除霜吸热，除霜状况最恶劣。通过连续12h高湿度除霜，蒸发器始终保证即使上部严重结霜或结冰时，最下部流路翅片不结霜，无冰霜堆积。

3.2 大流量除霜技术

热泵通常的除霜过程是四通阀换向后，冷媒反向流过蒸发器、节流部件和冷凝器实现除霜，问题是除霜时冷凝压力很低、高低压差较小、节流部件阻力较大，造成除霜时系统冷媒循环量较低，除霜时间比较长。变频压缩机系统可提高频率提高冷媒流量，但定速压缩机无法提升运转频率。经过分析计算和实验，专为定速压缩机的除霜设计了额外部件。

在节流部件上并联一个单向阀，制热运行时单向阀处于截止状态。除霜时，若循环水温较低，则关闭除霜电磁阀，避免套管内的水无法提供足够热量而造成回液和循环水冻结；若水温较高，则开启除霜电磁阀，冷媒同时通过单向阀、主回路节流部件进入套管，此时系统冷媒循环量大大增加，蒸发器在短时间内获得更多的热量，与普通空气源热泵相比，更快完成除霜。大流量除霜时，系统阻力较小，蒸发温度提升速度快，除霜时间缩短1/3左右。

3.3 智能化的除霜控制逻辑

低温系列空气源热泵针对各类除霜情况进行了优化设计：

（1）机组使用前遇到冰雪天气，机组会被积雪覆盖，机组开机后根据环境温度及蒸发器温度判断是否要进行预除霜，确保机组开机时无积雪或积冰。

（2）低温型空气源热泵为除霜运行设定了12种除霜方案，智能控制系统会根据蒸发温度及下降趋势、进水温度、环境温度等状态，选择合适的除霜方案进行除霜运行。

为研究系统结霜状况、结霜判断条件、除霜进入条件、水温对结霜的影响、除霜变化规律、水温对除霜的影响等问题，设计了大量试验进行研究。其中最重要的实验是低湿度除霜和超高湿度喷雾除霜。

低湿度除霜试验方法如下：

（1）环境干球温度/相对湿度：5℃/44%

（2）样机回水温度：设定水温上限65℃

低湿度除霜是为了模拟机组在环境温度高、相对湿度较低时的除霜状况，在该工况下，回水温度达到最高，系统进入除霜会进入高蒸发温度、低冷凝温度的低压缩比、高冷媒流量的大负载运转状态，机组的控制设计必须要能保证系统的压力、温度、电流等参数在合理的范围内，以确保系统能安全可靠地长时间运行。

超高湿度喷雾除霜试验方法如下：

（1）环境干球温度/相对湿度：0℃/100%

（2）样机回水温度：设定水温下限20℃

（3）通过雾化装置向蒸发器喷射低于2℃的水雾，模拟雨夹雪天气过程

该实验模拟环境温度接近冰点、相对湿度最高（100%），且下冻雨时的除霜状况，此时即使热泵不运行，蒸发器翅片也会结冰，是为结霜最恶劣状况，同时施以最低水温设置，最不利于除霜吸热，除霜状况最恶劣。实验测试表明，低温型空气源热泵相比普通空气源热泵，综合除霜时间缩短了20～50%。

3.4 防积雪控制技术

江源区域属于高寒地区，有较多冰雪天气。如果设备长时间处于待机状态且当地降雪较大，室外机风叶会覆盖厚厚的积雪，甚至冻结。当设备重新开始运行时，会损坏电机或风叶，影响用户的正常供热。为解决此隐患，利用防积雪控制技术可解决设备在下雪情况下长时间待机，由于积雪而造成风机或电机损坏的问题，提升设备的可靠性。

4.总结

通过对空气源热泵的结霜工况进行测试，采集大量数据，针对长江流域不同温度湿度的工况，机组采用不同的除霜控制技术，测试表明，结合以上技术，低温型空气源热泵机组改善了除霜性能，提高用户舒适度。

参考文献

[1] 住建部，GB50176-2016《民用建筑热工设计规范》，2017年4月1日实施

[2]薛利平，环境参数对翅片管蒸发器表面结霜特性影响的实验研究，低温与超导，2017年04期

[3]中国天气网

[4]全国冷冻空调设备标准化技术委员会，GB/T 25127.1-2010 低环境温度空气源热泵（冷水）机组 第1部分：工业或商业用及类似用途的热泵（冷水）机组，2011年2月1日实施

（作者单位：广东美的暖通设备有限公司）