空氣源熱泵延緩結(jié)霜及除霜研究現(xiàn)狀與展望

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1、空氣源熱泵延緩結(jié)霜和除霜問(wèn)題研究摘要：針對(duì)空氣源熱泵延緩結(jié)霜及除霜問(wèn)題，對(duì)霜層的形成、延緩結(jié)霜技術(shù)、除霜技術(shù)三個(gè)方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)述。總結(jié)了現(xiàn)存延緩結(jié)霜及除霜方法，指出了其中的不足之處?？蔀榭諝庠礋岜醚泳徑Y(jié)霜以及除霜問(wèn)題提供參考。關(guān)鍵詞：空氣源熱泵結(jié)霜除霜1引言熱泵是一種節(jié)能環(huán)保的供暖供冷設(shè)備，熱泵可以分為空氣源、水源、土壤源以及太陽(yáng)能熱泵等?？諝庠礋岜檬且钥諝庾鳛榈蜏?zé)嵩矗瑥拇髿庵蝎@取熱量，比較方便，換熱設(shè)備和安裝較簡(jiǎn)單。因此在我國(guó)城市發(fā)展中得到了廣泛的應(yīng)用。但是在使用過(guò)程中運(yùn)行狀況始終不理想，特別是在低溫高濕地區(qū)制熱運(yùn)行時(shí)。造成這一現(xiàn)象的主要原因是空氣源熱泵室外換熱器表面的結(jié)霜

2、導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行效果差。一方面，表面形成的霜層增加了空氣流動(dòng)的阻力，導(dǎo)致空氣流量的減小，另一方面霜層的存在增大了室外換熱器的導(dǎo)熱熱阻，降低了機(jī)組的性能系數(shù)?？諝庠礋岜玫慕Y(jié)霜問(wèn)題成為了制約其發(fā)展的瓶頸。因此，如何有效的延緩空氣源熱泵結(jié)霜以及高效除霜成為了空氣源熱泵發(fā)展的重要問(wèn)題。2結(jié)霜問(wèn)題研究霜層可以看成是由冰晶和空氣組成的多孔介質(zhì)，其生長(zhǎng)過(guò)程分為三個(gè)時(shí)期，即結(jié)晶體生長(zhǎng)期、霜層生長(zhǎng)期和霜層充分生長(zhǎng)期[1]。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在結(jié)霜初期，由于霜表面極為粗糙，霜層起到了翅片作用，增加了傳熱效率，一定時(shí)間后盡管霜仍然繼續(xù)沉積，傳熱效率變得與時(shí)間無(wú)關(guān)。從現(xiàn)有的研究結(jié)果來(lái)看，關(guān)于結(jié)霜問(wèn)題主要分為兩大類(lèi)

3、：一是結(jié)霜機(jī)理的理論和實(shí)驗(yàn)研究；二是對(duì)結(jié)霜過(guò)程的數(shù)值模擬。Lee[2]研究了進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣空氣濕度、氣流速度和冷卻表面溫度，研究表明：空氣相對(duì)濕度和冷卻表面溫度是霜層形成的主要因素，高濕度低冷卻表面溫度會(huì)形成更厚的霜層。郭憲民等[3]把室外換熱器的結(jié)霜過(guò)程與系統(tǒng)的工作過(guò)程作為一個(gè)整體考慮，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了進(jìn)風(fēng)空氣溫、濕度對(duì)室外換熱器結(jié)霜的影響。如圖1所示為進(jìn)口溫濕度對(duì)結(jié)霜量的影響，圖2為運(yùn)行35分鐘后不同工況結(jié)霜量比較。從圖中可以看出存在一個(gè)結(jié)霜率最大的進(jìn)風(fēng)溫度范圍。在相對(duì)濕度不同的工況下，在0-3℃范圍內(nèi)結(jié)霜速率最大，且此結(jié)霜溫區(qū)不隨相對(duì)濕度的變化而變化。圖1進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)室外換熱器動(dòng)態(tài)結(jié)

4、霜量的影響圖2運(yùn)行35分鐘后不同工況結(jié)霜量比較王皆騰[4]以液/固晶體生長(zhǎng)的相場(chǎng)法理論為基礎(chǔ)，建立了霜晶體生長(zhǎng)的相場(chǎng)法模型，利用該模型對(duì)自由空間內(nèi)過(guò)冷空氣圍繞晶核的晶體生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖3，為更深入地研究冷表面霜層生長(zhǎng)的機(jī)理提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。圖3不同時(shí)刻霜晶體生長(zhǎng)的模擬結(jié)果3延緩結(jié)霜問(wèn)題研究現(xiàn)狀目前延緩結(jié)霜的方法主要有以下三個(gè)方面：改變室外換熱器進(jìn)口處的空氣參數(shù)來(lái)延緩結(jié)霜、改變系統(tǒng)流程和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)、改變換熱器表面特性。3.1改變室外換熱器進(jìn)口處的空氣參數(shù)來(lái)延緩結(jié)霜（1）降低進(jìn)口空氣的濕度。Wang[5]等人在蒸發(fā)器入口處放置了固體除濕劑，降低了進(jìn)口空氣的濕度，如圖4所示。

5、但是固體除濕劑存在失效和再生的問(wèn)題。Jain[6]等設(shè)計(jì)了空氣源熱泵液體除濕系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)工作，取得了良好的抑制結(jié)霜的效果，如圖5所示。但是對(duì)于此系統(tǒng)比較復(fù)雜，安裝較為困難，因此在實(shí)際中沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。圖4吸附床和蒸發(fā)器示意圖圖5液體除濕系統(tǒng)與傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)結(jié)合示意圖（2）提高空氣溫度。增加輔助室外換熱器，在供熱工況，輔助換熱器提高了周?chē)諝獾臏囟?，延緩了霜層的增長(zhǎng)。通過(guò)電加熱也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)口溫度的提高，但是電能屬于高品位能源，不能達(dá)到節(jié)能的目的。3.2改變系統(tǒng)流程和蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)（1）改變系統(tǒng)流程。Byun[7]等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在壓縮機(jī)出口與蒸發(fā)器入口處增加旁通管之后抑制結(jié)霜的效

6、果。增大旁通管內(nèi)的制冷劑流量，可以有效抑制室外機(jī)霜層生長(zhǎng)，但同時(shí)造成系統(tǒng)供熱量下降。（2）改變蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。張哲[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)對(duì)其結(jié)霜特性影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)蒸發(fā)器結(jié)霜速度的影響很大，管排數(shù)越多、肋片間距越小，蒸發(fā)器結(jié)霜越嚴(yán)重，而且換熱器壓降增加迅速，不利于熱泵運(yùn)行。王洋等[9]研究了增大蒸發(fā)器面積對(duì)地區(qū)延緩結(jié)霜效果分析，可將我國(guó)應(yīng)用空氣源熱泵分為效果一般地區(qū)、效果良好地區(qū)和效果顯著地區(qū)。增大室外蒸發(fā)器的面積，就會(huì)增加成本和初投資，所以在效果一般地區(qū)不宜采用。3.3改變換熱器表面特性對(duì)室外側(cè)換熱器表面進(jìn)行處理也可以抑制霜層生長(zhǎng)。親水涂料的抑霜機(jī)理目前仍處于探

7、索之中，但普遍認(rèn)為是由于親水涂料含有強(qiáng)吸水性物質(zhì)，能夠在結(jié)霜初期把凝結(jié)在冷板表面上的水珠吸附到由涂料制成的親水涂層內(nèi)部，同時(shí)涂層內(nèi)含有能降低水冰點(diǎn)的物質(zhì)，使吸附到內(nèi)部的水珠不發(fā)生凍結(jié)，因而延緩了初始霜晶的形成。對(duì)于疏水性材料，費(fèi)千等[10]對(duì)一般疏水層上摻雜了疏水性固體顆粒，較好的抑制了霜層生長(zhǎng)。王賢林等[11]對(duì)室外換熱器表面添加了疏水層，促進(jìn)了水滴從室外機(jī)壁面脫落，延緩了霜層的生長(zhǎng)。3.4其他董建鍇[12]提出了一種簡(jiǎn)單的延緩結(jié)霜的方法。在