空气源热泵延缓结霜及除霜研究现状与展望.docx

空气源热泵延缓结霜和除霜问题研究

摘要：针对空气源热泵延缓结霜及除霜问题，对霜层的形成、延缓结霜技术、除霜技术三个方面的研究现状进行了评述。总结了现存延缓结霜及除霜方法，指出了其中的不足之处。可为空气源热泵延缓结霜以及除霜问题提供参考。
关键词：空气源热泵结霜除霜
1引言
热泵是一种节能环保的供暖供冷设备，热泵可以分为空气源、水源、土壤源以及太阳能热泵等。空气源热泵是以空气作为低温热源，从大气中获取热量，比较方便，换热设备和安装较简单。因此在我国城市发展中得到了广泛的应用。但是在使用过程中运行状况始终不理想，特别是在低温高湿地区制热运行时。造成这一现象的主要原因是空气源热泵室外换热器表面的结霜导致机组运行效果差。一方面，表面形成的霜层增加了空气流动的阻力，导致空气流量的减小，另一方面霜层的存在增大了室外换热器的导热热阻，降低了机组的性能系数。空气源热泵的结霜问题成为了制约其发展的瓶颈。因此，如何有效的延缓空气源热泵结霜以及高效除霜成为了空气源热泵发展的重要问题。
2结霜问题研究
霜层可以看成是由冰晶和空气组成的多孔介质，其生长过程分为三个时期，即结晶体生长期、霜层生长期和霜层充分生长期[1]。大量的实验数据表明在结霜初期，由于霜表面极为粗糙，霜层起到了翅片作用，增加了传热效率，一定时间后尽管霜仍然继续沉积，传热效率变得与时间无关。从现有的研究结果来看，关于结霜问题主要分为两大类：一是结霜机理的理论和实验研究；二是对结霜过程的数值模拟。Lee[2]研究了进气温度、进气空气湿度、气流速度和冷却表面温度，研究表明：空气相对湿度和冷却表面温度是霜层形成的主要因素，高湿度低冷却表面温度会形成更厚的霜层。郭宪民等[3]把室外换热器的结霜过程与系统的工作过程作为一个整体考虑，通过实验研究了进风空气温、湿度对室外换热器结霜的影响。如图1所示为进口温湿度对结霜量的影响，图2为运行35分钟后不同工况结霜量比较。从图中可以看出存在一个结霜率最大的进风温度范围。在相对湿度不同的工况下，在0-3℃范围内结霜速率最大，且此结霜温区不随相对湿度的变化而变化。

图1进风温度对室外换热器动态结霜量的影响图2运行35分钟后不同工况结霜量比较
王皆腾[4]以液/固晶体生长的相场法理论为基础，建立了霜晶体生长的相场法模型，利用该模型对自由空间内过冷空气围绕晶核的晶体生长过程进行了模拟，结果如图3，为更深入地研究冷表面霜层生长的机理提供了坚实的基础。

图3不同时刻霜晶体生长的模拟结果
3延缓结霜问题研究现状
目前延缓结霜的方法主要有以下三个方面：改变室外换热器进口处的空气参数来延缓结霜、改变系统流程和蒸发器结构参数、改变换热器表面特性。
3.1改变室外换热器进口处的空气参数来延缓结霜
（1）降低进口空气的湿度。Wang[5]等人在蒸发器入口处放置了固体除湿剂，降低了进口空气的湿度，如图4所示。但是固体除湿剂存在失效和再生的问题。Jain[6]等设计了空气源热泵液体除湿系统，实现了连续工作，取得了良好的抑制结霜的效果，如图5所示。但是对于此系统比较复杂，安装较为困难，因此在实际中没有得到广泛应用。

图4吸附床和蒸发器示意图图5液体除湿系统与传统空气源热泵系统结合示意图
（2）提高空气温度。增加辅助室外换热器，在供热工况，辅助换热器提高了周围空气的温度，延缓了霜层的增长。通过电加热也可以实现对进口温度的提高，但是电能属于高品位能源，不能达到节能的目的。
3.2改变系统流程和蒸发器结构参数
（1）改变系统流程。Byun[7]等实验验证了在压缩机出口与蒸发器入口处增加旁通管之后抑制结霜的效果。增大旁通管内的制冷剂流量，可以有效抑制室外机霜层生长，但同时造成系统供热量下降。
（2）改变蒸发器结构。张哲[8]通过实验研究了蒸发器结构对其结霜特性影响。实验结果表明蒸发器结构参数对蒸发器结霜速度的影响很大，管排数越多、肋片间距越小，蒸发器结霜越严重，而且换热器压降增加迅速，不利于热泵运行。王洋等[9]研究了增大蒸发器面积对地区延缓结霜效果分析，可将我国应用空气源热泵分为效果一般地区、效果良好地区和效果显著地区。增大室外蒸发器的面积，就会增加成本和初投资，所以在效果一般地区不宜采用。
3.3改变换热器表面特性
对室外侧换热器表面进行处理也可以抑制霜层生长。亲水涂料的抑霜机理目前仍处于探索之中，但普遍认为是由于亲水涂料含有强吸水性物质，能够在结霜初期把凝结在冷板表面上的水珠吸附到由涂料制成的亲水涂层内部，同时涂层内含有能降低水冰点的物质，使吸附到内部的水珠不发生冻结，因而延缓了初始霜晶的形成。对于疏水性材料，费千等[10]对一般疏水层上掺杂了疏水性固体颗粒，较好的抑制了霜层生长。王贤林等[11]对室外换热器表面添加了疏水层，促进了水滴从室外机壁面脱落，延缓了霜层的生长。
3.4其