空氣能熱泵除霜方法

霜層的產(chǎn)生和露的形成機理相似，都是空氣遇到冷表面層時，冷表面層周圍空氣的飽和蒸汽分壓下降，空氣濕度提升，造成 水分從空氣中析出而產(chǎn)生；對于空氣能熱泵，當(dāng)室外換熱器表面溫度低過周圍空氣露點溫度，而高過水的三相溫度時，空氣中的水蒸氣會在其表面層導(dǎo)致液態(tài)凝固并附在上面，這樣就產(chǎn)生了霜層。當(dāng)空氣能熱泵在結(jié)霜工況下工作時，換熱器氣溫差異增大，壓縮機排氣溫度上升，空氣能熱泵機組功耗提升，所以，結(jié)霜會嚴(yán)重影響空氣能熱泵的性能。

比較常見的除霜方法有方法電加熱除霜，熱氣龐通除霜，逆循環(huán)除霜3種，電加熱除霜是在蒸發(fā)器表面層或翅片內(nèi)安裝加熱棒來進(jìn)行除霜，這類除霜方法不但耗費的電量大、熱量散失到空氣中導(dǎo)致效率低，并且電熱絲普遍存在安全性問題。逆循環(huán)除霜是將四通閥換向，空氣源熱泵的工作工況導(dǎo)致轉(zhuǎn)換，由制熱工況變化為制冷工況，將蒸發(fā)器表面層的霜層除掉，但會導(dǎo)致是房間內(nèi)溫度差，浪費能量，除霜不均勻等問題。熱氣旁通是將壓縮機排出的氣體經(jīng)旁通閥流向室外蒸發(fā)器來進(jìn)行除霜，除霜不干凈，會嚴(yán)重影響壓縮機使用壽命。熱氣旁通除霜的時間較逆循環(huán)除霜法長，是由于后者除霜的熱量來自于房間內(nèi)換熱器表面層余熱和壓縮機做功，而前者的除霜熱量僅來自于壓縮機做功，這是由它們的除霜機理決定的，但整個工作周期內(nèi)系統(tǒng)的COP高于逆循環(huán)除霜，且壓縮機的吸、排氣壓力波動范圍小。除此之外，采用這兩種除霜方法時，停止房間內(nèi)換熱器的工作，在完成除霜后房間內(nèi)換熱器表面溫度達(dá)到值后才可以開啟風(fēng)機供暖，所以會影響房間內(nèi)的舒適度。

格尚用數(shù)值分析法研究了空氣溫度和空氣濕度對逆循環(huán)除霜的影響，結(jié)果顯示空氣濕度對結(jié)霜的影響比較大，空氣能熱泵在空氣濕度超過80%且溫度在0～6℃區(qū)域工作時，COP月均下降17%。雖說逆循環(huán)和熱氣旁通法除霜成效不佳，格尚研究表明，熱氣旁通法較逆循環(huán)法系統(tǒng)的供熱量和COP分別提升 5.7%和8.5%，在房間內(nèi)舒適度的改進(jìn)和除霜能耗方面稍有優(yōu)勢。格尚研究發(fā)現(xiàn)，熱氣旁通法較逆循環(huán)法除霜在房間內(nèi)舒適度恢復(fù)時間上高于25%。為了解決熱氣旁通除霜方法除霜時間長的問題，格尚提出了顯熱除霜法，但該方法對控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)較高；格尚在四通換向閥和室外換熱器之間增設(shè)一個制冷劑補償器，借助增大制冷劑流量，從而提升除霜模式下壓縮氣體的放熱量，以提升 逆循環(huán)的效率和縮短除霜時間。針對低溫工況的空氣能熱泵系統(tǒng)，格尚提出了在兩級壓縮的基礎(chǔ)上增加了兩除霜支路和補熱支路，并在經(jīng)濟(jì)器內(nèi)增設(shè)電熱絲，該系統(tǒng)可以保持在低溫工況下（＜-10℃）的制熱量，同時進(jìn)行有效的除霜。

由于傳統(tǒng)除霜方法存在的除霜時間長，能耗較大等問題，相變蓄熱除霜可以改善這一缺陷；而且還能延緩室外環(huán)境溫度對系統(tǒng)制熱量的影響，平衡系統(tǒng)制熱量與用戶對用熱量的需求，調(diào)節(jié)電力負(fù)荷。曲明璐提出了蓄能重疊式空氣能熱泵除霜系統(tǒng)，試驗結(jié)果對比分析，間斷式蓄能除霜比熱氣旁通除霜運行穩(wěn)定，能耗減少85.2%，除霜時間縮短77.6%。格尚設(shè)計的相變蓄熱蒸發(fā)型空氣能熱泵系統(tǒng)，兼顧制熱和除霜等模式，在不同溫度下測試，該系統(tǒng)-25℃和-30℃時的COP分別為2.0和1.94，且除霜時間短、能耗少、效果好。格尚通過試驗比較了相變蓄熱除霜與逆循環(huán)和熱氣旁通除霜，結(jié)果顯示相變蓄熱除霜在除霜耗時和能耗及室內(nèi)舒適度恢復(fù)時間上有明顯的優(yōu)勢。

格尚對空氣源CO2熱泵的除霜做了研究，得到除霜率（35%）較低，原因是除霜的能量主要用于加熱水，且除霜率隨相對濕度的降低和干球溫度的上升而增加。格尚提出了串聯(lián)供熱和連通、非連通供熱3種供熱模式的蓄熱除霜系統(tǒng)，結(jié)果顯示串聯(lián)供熱模式的性能系數(shù)高，連通模式吸排氣都比串聯(lián)模式高。格尚研究了蓄熱除霜系統(tǒng)的蓄熱特性，結(jié)果表明并聯(lián)和余熱蓄熱模式的吸排氣壓力均降低，但排氣溫度可達(dá)122.5℃，而系統(tǒng)在串聯(lián)蓄熱模式下的壓力和溫度特性穩(wěn)定、蓄熱時間較短，對室內(nèi)舒適度的影響小。格尚將蓄熱器和雙重?zé)釟馀酝ǔ嘟Y(jié)合，在同樣條件下比較了逆循環(huán)和雙重?zé)釟獬Y(jié)果顯示：該方式在除霜時間和效率上比逆循環(huán)除霜提升 15%，也解決了雙重?zé)釟馀酝ǔ跁r間和效率的不足。

選用相變材料蓄熱除霜好時段、節(jié)能，也可以提升 低溫下的制熱量，但低溫下空氣能熱泵機組的運行效率卻沒有明顯改善，而新型無霜空氣能熱泵熱水器，從空氣能熱泵機組形式上進(jìn)行改善以解決空氣能熱泵低溫運行和適用性。格尚明確提出了一種新型空氣能熱泵熱水器，其基本原理是運用固體干燥劑的強吸附性使實現(xiàn)了無霜運行，運用相變蓄熱設(shè)備對冷凝余熱進(jìn)行回收作為再生模式下的低溫?zé)嵩矗瑢Ω稍飫┻M(jìn)行再生以確保系統(tǒng)的不斷運行；并在工況為0℃和80%時與熱氣旁通法和電加熱除霜相比較，系統(tǒng)的COP分別提升 7.25%和46.3%。

新型的除霜方式，高壓電場除霜和超聲波除霜，還有熱水除霜。前兩者的除霜基本原理相似，都是運用外電場抑止霜層的擴(kuò)大以致其脫落，高壓電場除霜法是運用再加上電場破壞霜晶的成長實現(xiàn)了除霜，超聲波除霜是根據(jù)共振原理，運用霜晶和超聲波之間的共振效應(yīng)，實現(xiàn)了除霜的效果。熱水除霜是利用在室外換熱器上面安裝一個除霜設(shè)備（內(nèi)設(shè)有電加熱棒、水泵、抽水管、電子水位探測計、電子水溫計和電磁）；在制熱模式下運用電加熱棒加熱除霜設(shè)備內(nèi)的水至設(shè)置溫度，除霜時開啟電磁閥使設(shè)備內(nèi)的熱水流過室外換熱器表面進(jìn)行除霜，除霜后的水利用水泵送回除霜設(shè)備內(nèi)進(jìn)行加熱，該方式進(jìn)行除霜能夠?qū)崿F(xiàn)了熱泵系統(tǒng)的不停機和不斷制。格尚分別對高壓電場除霜和超聲波除霜做了實驗研究，結(jié)果顯示，高壓電場除霜比電加熱除霜用時少、節(jié)能明顯；超聲波除霜的效率和能耗情況均比逆循環(huán)除霜理想。

上述兩種除霜方式仍在研究中，且都有的不足，如高壓電場除霜時電極材料的選擇問題，超聲波除霜對基冰層效果差。

綜上所述，研究者們對低溫時空氣能熱泵做了大量研究，補氣增焓系統(tǒng)、雙級壓縮系統(tǒng)熱泵系統(tǒng)，空氣能熱泵機組的制熱量和穩(wěn)定性都有了相應(yīng)的提升 ；逆循環(huán)除霜，熱氣旁通和蓄熱除霜方式，都是在寒冷地區(qū)對空氣能熱泵系統(tǒng)的推動，且各種方式仍有自己的缺點。如逆循環(huán)除霜的操作簡單，效果良好，但高低壓差削弱了系統(tǒng)可靠性，而新型的除霜方式還在研究中；上述多數(shù)研究在實驗條件下完成，其實際運用需要大量的驗證，所以，空氣能熱泵低溫的性能還需要進(jìn)一步研究，在空氣能熱泵結(jié)霜的問題上，急需解決的是重視結(jié)霜機理的研究和實際結(jié)霜特性，及其將材料科學(xué)結(jié)合起來研究解決抑止和緩解結(jié)霜問題。