空气源热泵新型除霜技术及智能除霜策略

胡斌，王如竹∗，骆名文，张光鹏，陈文强，杨国忠

（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-广东美的制冷设备有限公司，广东佛山 528311）

0 引言

随着国际节能减排政策的大力推进，空气源热泵在我国的应用日益广泛[1]。特别是在北方“煤改电”工程的大力建设中，以空气源热泵为主的供热方式，其供热效率高，绿色又节能，居民供热成本大幅降低。不但可以完善我国北方居民基础生活设施，而且大大提高了居民的生活质量，有显著的大气污染物和温室气体协同减排效果[2]，有效解决了因冬季供热而造成的环境污染问题，代表了冬季分散式供热的发展方向，有着广阔的发展前景。

当空气源热泵中蒸发器表面温度低于水的冰点温度和空气的露点温度时，水蒸气在蒸发器表面上凝结形成霜层，大量堆积的霜层会堵塞翅片间的空气流动通道，增大空气侧的换热热阻，导致蒸发器的传热性能降低，蒸发器风扇功耗增加[3-4]。要消除这些影响，蒸发器翅片表面的霜层需及时除去，在传统热泵制冷系统中，最常用的除霜方法就是逆向除霜和热气旁通除霜。

逆向循环除霜是通过四通换向阀的换向，将原来的制热过程转换为制冷过程，制冷热泵系统通过从室内吸收热量排到室外换热器上，使换热器表面的霜层融化。这种方法不需要增加其他设备，除霜时间短，但在除霜运行时，需要从热源侧内吸热，降低了室内环境舒适性，换向阀需频繁换向，易磨损且噪音较大，系统参数变化较大。黄东等[5]研究了不同节流机构对逆循环除霜时间的影响；用一根外径为22 mm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 55 kW的空气源热泵冷热水机组上进行了实验研究。张骏等[6]通过理论分析与实验研究相结合的方法，提出了利用最大平均制热量法快速确定最佳除霜起始点的方法。QU等[7]分析指出，逆向循环除霜因为操作方便，不需要其他辅助设备，除了会引起室内温度的波动和消耗一定功耗外，没有其他任何问题，是目前空调系统中广泛采用的除霜方式。HU等[8]提出了一种改进的空气源热泵逆循环除霜方法，并对该除霜方法进行了实验研究，实验结果表明：与传统标准的逆向循环除霜方法相比，改进的逆向循环除霜方法能够缩短 3分钟或 38%的除霜时间。DING等[9]指出在传统的逆向循环除霜方法中，吸气管路储液和热力膨胀阀反应滞后是除霜结束后系统不能顺利恢复到加热模式的两个主要原因，如果采用旁通电磁阀则可解决这个问题。QU等[10]采用电子膨胀阀（EEV）代替了热力膨胀阀（TXV），研究了空气源热泵系统逆向循环除霜时电子膨胀阀开度对除霜性能的影响，指出电子膨胀阀开度是影响空气源热泵逆向循环除霜效果的关键。DONG等[11]对逆向循环除霜过程中的热量供应和能源消耗进行了研究，得出了热泵系统逆向循环除霜的除霜效率范围。

热气旁通除霜不需要切换四通阀，直接将压缩机排气通过旁通回路引入室外换热器进行除霜，提高了室内舒适性，减小了系统压力变化，并且除霜结束后能马上吹出热风。但除霜的能量还是来源于压缩机，除霜过程能量耗损较大，除霜时间比逆循环除霜要长。黄东等[12]采用对比实验发现，热气旁通除霜时间比逆循环除霜长，但不影响房间的舒适性。刘清江等[13]对热气旁通除霜的研究发现，电磁阀的选取对除霜时间和除霜效果有直接的影响；选用阻力小的电磁阀，可以减少除霜时间，提高除霜效果。占文等[14-15]论述了热氨除霜的基本原理和控制逻辑，介绍了直接膨胀式和液体再循环式除霜管路系统和控制方法，分析不同除霜系统的特点，指出了选择合适的自动除霜控制阀件重要性。对氨制冷装置的设计、安装、节能运行、安全控制和管理有指导作用。

空气源热泵常用的除霜方式在除霜时存在以下问题：底盘产生的积冰影响融霜水正常排出；除霜时蒸发器换热效率低，除霜时间长；启动时，待机机组上的积雪易损坏风机；根据经验设定的除霜间隔和除霜时间与实际环境不符，导致化霜频繁和无霜化霜的现象。

本文集合蒸发器防积冰技术、大流量除霜技术、防积雪技术和智能除霜控制技术，有效解决了机组除霜时底盘结冰、除霜时间长、积雪损坏风机的问题。根据机组运行环境的温度和湿度变化，控制系统智能化选择合适的除霜方案，实现机组高效除霜和正常运行。

1 除霜关键技术

1.1 防积冰除霜技术

空气源热泵在除霜过程中底盘会产生积冰，影响融霜水排除。为此，利用防积冰技术对传统蒸发器流路进行了优化设计。如图1所示，在冷媒分配器输出管最下方流路增加单向阀。制热运行时，最下方支路无冷媒通过；除霜运行时，热态冷媒流经此支路。将此技术在GB/T 25127.1-2010《低环境温度空气源热泵（冷水）机组》[16]的超高湿度除霜工况下进行有效性验证。

连续高湿度除霜实验效果如图2所示。由图可知，采用防积冰技术的蒸发器在制热运行时，即使上部出现严重结霜，最下部流路翅片也无结霜现象。这是因为在制热运行时，冷媒无法通过蒸发器最后一路，此路蒸发器翅片不会因为冷媒蒸发吸热而降温，防止了结霜现象的发生。除霜运行时，热态冷媒流经此支路，增加了换热面积，加快除霜速度。因此，防积冰单向阀的应用确保了底盘无结冰，以及融霜水的顺利排出。

图1 防积冰技术结构

图2 防积冰技术实施效果

1.2 大流量技术

采用定频压缩机的空气源热泵在除霜过程中会产生高低压差小、冷媒循环量低等问题。为此，大流量技术增加了节流部件。如图3所示，将电子膨胀阀（EXV）、毛细管与单向阀进行并联。制热运行时，单向阀处于截止状态。除霜运行时，若循环水温较低，系统关闭除霜电磁阀，避免除霜时套管蒸发器内的水无法提供足够的热量而造成系统回液或循环水冻结；若水温较高，系统开启除霜电磁阀，冷媒可同时通过单向阀、主回路电子膨胀阀（EXV）和毛细管进入套管蒸发器，此时系统冷媒循环量增加，蒸发器换热效率提高。

图3 大流量除霜节流部件示意图

图4 为大流量除霜与常规除霜系统除霜时套管换热器冷媒进出口温度对比。由图可见，采用常规除霜和大流量除霜的套管换热器冷媒温度分别在t=120 s和t=80 s时快速升高。与常规除霜方式相比，大流量技术的除霜时间约缩短了 1/3。这是因为，采用大流量除霜技术时，随着系统冷媒流量的增加，系统冷媒的循环动力增加，循环阻力减小，从而蒸发器的换热效率和系统除霜速率得到显著提高。

1.3 防积雪控制技术

空气源热泵与环境直接接触的主要部件有翅片换热器和室外机的风机。若机组在冰雪天气长时间处于待机状态，电机和风叶会被积雪覆盖甚至被冻结，再次启动时风机可能会被损坏。为提升机组运行可靠性，采用了防积雪控制技术，根据环境参数选择不同方案断续运行风机，及时清除低温环境下待机机组风机上的积雪。

图4 大流量除霜与常规除霜套管换热器冷媒进出口温度

2 智能化的除霜控制逻辑

空气源热泵除霜还需要精准合适的除霜控制逻辑；针对使用过程中存在的除霜工况，本文设计了智能的除霜控制逻辑，确保在任何使用场景中都能准确化霜。

机组结霜主要与环境参数和翅片表面温度（蒸发温度）有关，除霜过程供热能力下降会影响末端供热效果。回水温度是反映当前末端热负荷的重要参数，本智能除霜控制逻辑将环境温度Ta、蒸发温度Te、回水温度Th作为输入参数。根据输入参数智能选择除霜方案，保证除霜效果的同时最大程度降低除霜对末端舒适性的影响。

需要除霜的工况包括运行时除霜、初次开机除霜和长时间待机后重启的预除霜。对于后两种情况，机组表面或有冰雪覆盖，通过Ta和Te判断是否需要预除霜，确保机组运行时无积雪或积冰。

机组运行时会频繁除霜，因此需要设计精确的除霜控制逻辑。控制逻辑的重点在于何时进入和退出除霜，其中进入除霜的判定条件更为重要。根据Ta、Te、Th的状态和变化特点精确分区，设计了12种除霜方案供程序自动选择，确保彻底除霜的同时也避免无霜化霜、有霜不除的问题，整个除霜逻辑如图5所示。

图5 智能除霜控制逻辑

蒸发温度Te是影响结霜的直接因素，因此机组先对Te低于除霜判定温度TDefrost的时间进行统计，判断是否超过结霜判定时间tDefrost。超过tDefrost时，对Te的下降速率Te_V进行判断，防止出现无霜化霜的情况，如果Te_V大于判定值D_V，说明此时翅片表面已经结了较厚的霜，且还在持续结霜，即可进入除霜。当Te_V＜D_V时，说明此时翅片结了一定的霜，但是否需要除霜要根据末端的供热情况以及环境温度的变化情况进行判定，确保末端的稳定供热。针对此情况，先根据回水温度进行分区，当回水温度Th>Th-1（55 ℃），进入分区 1；当回水温度Th-1（55 ℃）≥Th>Th-2（45 ℃），进入分区 2；当回水温度Th-2（45℃）≥Th，则进入分区3。再选择相应的分区方案，每个分区有4种进入除霜的具体判定方案，总计 12个除霜方案，通过这种方式准确定位当前工况的除霜方式，实现复杂运行工况的精准除霜。

在分区方案中，以环境温度Ta的变化趋势和所处的区间选择相应方案，以分区1方案为例，4种具体的除霜方案选择方式如图6所示。

退出除霜的判定同样要考虑除霜的效果以及对末端供热的影响，当除霜时间达到10 min即退出除霜；当除霜时间低于10 min时，以回水温度和蒸发温度的变化情况作为判定条件，满足条件即可退出除霜。

图6 智能除霜方案分区

表1 除霜4种方案的判定条件

为验证除霜逻辑的准确性，本文开展了大量实验研究。湿度是影响除霜的重要因素，低湿度除霜是为了模拟机组在环境温度相对较高但相对湿度较低时的除霜状况，此工况下回水温度最高，除霜时机组处于高蒸发温度、低冷凝温度、低压缩比、高冷媒流量的大负载运转状态，必须保证系统的压力、温度、电流等参数在合理的范围内。

超高湿度喷雾除霜是为了模拟机组在环境温度接近冰点、相对湿度最高（100%）、下冻雨（雨凇）时的除霜状况。此工况下机组处于关机状态也会在蒸发器翅片上结冰。同时设置最低出水温度，制造最恶劣的结霜工况。在这种工况下，除霜控制逻辑必须要能保证机组除霜彻底，运行参数在合理范围内。超高湿度喷雾除霜实验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，实验参数如表2所示。

表2 超高湿度除霜实验工况

实验结果表明，在最恶劣的除霜工况下，机组仍能够彻底除霜且保持正常运行，验证了智能除霜逻辑的准确性。与普通空气源热泵相比，使用智能除霜控制逻辑的空气源热泵可缩短除霜时间20%～50%，极大提升了空气源热泵的制热能效。

3 结论

为了改善空气源热泵在不同温湿度工况下结霜情况，本文提出防结冰技术、大流量技术、防积雪控制技术与智能化除霜控制逻辑来进行系统优化。研究表明，采用以上技术能有效改善空气源热泵采暖机组的除霜性能，提高室内环境的舒适度。

1）采用防结冰技术，通过优化蒸发器流路，确保系统在除霜过程中底盘无结冰现象产生，保证了除霜水的快速排出。

2）采用大流量技术，通过增加系统冷媒循环量，提高了蒸发器的换热效率，使除霜时间缩短了约1/3。

3）采用防积雪技术，通过选择风机不同的断续运行方案，确保待机过程中风机不出现积雪，保障机组的正常运行。

4）采用智能除霜技术，通过分析环境温度、蒸发温度、回水温度的变化特点，智能分区，精确选择合适的除霜方案，确保除霜效果的同时最大程度减小对末端供热的影响。