空气源热泵：结霜问题及解决方案

空气源热泵结霜现象降低热泵效率，影响热泵机组性能，而除霜又是一个耗能的过程。因此抑制、延缓结霜技术措施的应用显得十分重要。下面将对抑制结霜方法进行介绍，并结合国内外科研人员对空气源热泵无霜及除霜技术的研究结果，概述不同方法原理与特点，尤其是近年来兴起的相变蓄热在热泵系统除霜技术中的应用。

特灵 空气源热泵

研究发现，只有在以下两个条件同时满足时，空气源热泵室外机换热器表面才会结霜：其一是换热器表面温度低于室外空气所对应的露点温度；其二是换热器表面温度低于凝结水的凝固温度，即0℃。因此有学者从抑制结霜的思路出发，提出了多种抑霜技术方案。目前主要可以归结为提高室外换热器入口空气温度、降低入口空气湿度、提高冷表面温度和换热器表面处理等几种方法。

1.提高入口空气温度

在相对湿度不变的情况下，室外侧换热器入口空气温度的提高可以抑制、延缓结霜。目前提高室外侧换热器表面温度的方法主要是应用太阳能空气复合热源热泵和改变换热器结构，以下分别对两种方法进行介绍。

（1）平板太阳能集热系统与空气源热泵的复合该系统主要由太阳能集热环路与热泵循环系统两部分组成，左侧太阳能集热环路吸收的热量为蒸发器提供热源。蒸发器侧增加的空气-水换热器，将太阳能集热环路与热泵循环系统通过蒸发器串联，如图4-9所示。空气-水换热器相当于一个空气预热器，利用太阳能集热装置中高于室外环境的中温水对室外空气进行预热，因此提高蒸发器入口空气温度，有效抑制、延缓结霜。

图4-9 传统太阳能复合热源热泵原理图

1—平板太阳能集热器；2—压缩机；3—室内侧换热器；4—膨胀阀；5—室外侧换热器；6—水泵；7—空气预热器

（2）改变换热器结构

这里介绍一种采用特殊结构的新型复合热源换热器。它是由管翅式换热器改进而来的，如图4-10所示；主要由三个部分组成：制冷介质蒸发回路、太阳能热介质回路和若干顺次排列的换热翅片。制冷剂流道与太阳能热水流道相互交错排列，并通过共用翅片增强换热，可以实现制冷介质同时与空气和太阳能热介质进行换热，实现复合热源换热的目的。它既可以利用太阳能集取的热量抑制结霜，又可以在空气源热泵正常工作的情况下，有效利用太阳能提供的热量，提高热泵制热能力。

图4-10新型太阳能-空气复合热源换热器

2.降低入口空气湿度

降低蒸发器入口空气湿度可以通过在蒸发器外侧增设吸附床装置实现。图4-11为吸附床和蒸发器示意图。吸附床固定在热泵蒸发器外侧，由加热层和带活性炭涂层的沸石板构成，厚度约10cm。活性炭具有吸附除湿作用，蓄热层可吸收太阳光储存热量。由此进入蒸发器的室外空气先经过活性炭固体吸附剂除湿，而后通过蓄热层被加热，经过除湿加热的空气进入蒸发器可以有效抑制、延缓结霜。但是随着干燥剂中水蒸气分压力的增大，吸附能力会逐渐降低。这时利用两板中间的加热装置板和储存在蓄热层中的热量来为吸附剂解吸，达到吸附剂的多次利用目的。

图4-11吸附床和蒸发器示意图

1—活性炭涂层；2—加热层；3—室外空气；4—沸石板

吸附床的优点是安装简单方便、成本小。但是，吸附剂在多次吸附和解吸之间，利用率必然会降低，吸附效果会受到影响。

3.提高冷表面温度

（1）增大室外侧换热器面积

室外侧换热器面积的增大使空气源热泵的蒸发温度升高，意味着室外蒸发器的表面温度也将随着升高，这样可减少热泵除霜次数和结霜融霜的热损失，有利于延缓空气源热泵机组的结霜。

试验分析得出这项抑制、延缓结霜的措施应用在不同地区效果相差甚远，根据效果的差异可将我国应用空气源热泵的地区分为以下三类：

①效果显著地区：主要是华东、中南和西南的大部分地区，代表城市有上海、南昌、杭州、桂林、长沙和成都等。这些地区冬季气候比较温暖又有供暖需要，相对湿度很高，空气源热泵运行结霜时间较长。蒸发器面积增大1倍后，结霜时间可减少约57.77%～82.96%。上述地区采用增大蒸发器面积的方法来延缓空气源热泵结霜，效果显著，应积极采用，以改善机组的结霜特性。

②效果良好地区：主要是华北、华东和华中的部分地区，代表城市有济南、南京、武汉等。这些地区冬季空气温度较高，相对湿度较大，蒸发器面积增大1倍，空气源热泵的结霜时间可减少约20.04%～40.59%。在这些地区用增大室外蒸发器面积的方法来延缓空气源热泵的结霜，效果较好。

③效果一般地区：主要指东北、西北和华北的部分地区。这些地区冬季气候寒冷，温度较低，相对湿度也比较低，结霜现象本来就不太严重，增大蒸发器面积对机组的结霜时间影响不大；蒸发器面积增大1倍，结霜时间可减少约5.21%～17.23%。在这些地区，用增大蒸发器面积的方法来减少空气源热泵的除霜热损失、提高机组的制热性能效果一般，是否值得采用需作进一步的经济分析。当然，增大室外蒸发器的面积，意味着空气源热泵机组成本和用户初投资增加，是否采用此措施还应综合权衡。

（2）在空气源热泵机组上增设旁通管

在热泵机组压缩机出口与蒸发器入口之间加一旁通管，如图4-12所示；室外换热器为普通翅片圆管换热器，由四排制冷剂分配管路组成，每一个管路都有一个针型阀控制制冷剂流量；通过注入一部分从压缩机出来的高温制冷剂到蒸发器的入口，提高蒸发器冷表面温度。

具体试验条件如下：根据ISO 1994除霜试验条件将室外设定为干球温度2℃和湿球温度1℃，室内侧设置为干球温度20℃和湿球温度12℃。在人工环境下，使用R22做制冷剂，采用针型阀调节旁通管中制冷剂的流速，通过试验了解不同流速（0.0kg/min、0.2kg/min、0.3kg/min、0.4kg/min）条件下霜层的形成、增长以及热泵COP值。试验时间为210min，每过20min向室外盘管持续注入5min由压缩机流出的高温制冷剂，相应传感器每隔2s做一次记录，依据热泵COP瞬时值和霜层形成生长的情况选出最佳流速。结果表明增加旁通管内的制冷剂流量可以抑制结霜，旁通管最佳制冷剂流速为0.2kg/min，与不旁通制冷剂相比，可以延缓结霜110min。

图4-12带旁通管的空气源热泵示意图

1—膨胀阀；2—阀门；3—针型阀；4—旁通管；5—压缩机；6—四通换向阀；7—室外侧换热器；8—室内侧换热器

4.换热器表面特性处理

换热器表面特性处理的途径主要分为亲水化处理和疏水化处理，下面分别介绍。

（1）亲水化处理

亲水化处理是一种普遍应用的换热器表面特性处理方式，即在换热器表面加亲水涂层。亲水性涂料以高分子羧酸盐负离子作亲水基团效果为佳，或用氢氧化钾作中和剂并将中和度控制在90%左右。此外，有学者通过向紫铜表面上喷涂一定质量的亲水涂料自制强吸水低能表面，即超亲水表面；试验证明在低于冰点的一定温度范围内，室外换热器翅片具有保持不结霜的能力，涂层越厚，吸水能力越强，抑霜功能越明显。

还有学者通过试验证明普通铝箔表面发生的是珠状凝结，而亲水铝箔是膜状凝结；亲水铝箔表面的凝结水略早于普通铝箔开始冻结；两种表面霜层初期的生长速率基本相同，但霜层生长后期，亲水铝箔表面霜层的生长速率略低于普通铝箔；普通铝箔表面的霜层以液态脱落；亲水铝箔表面的霜层则以液固混合状态脱落；亲水铝箔表面残留化霜水的“蒸干率”明显快于普通铝箔，即使出现结霜现象，亲水换热器表面的霜层也更容易在除霜过程中被完全除掉，而普通铝箔表面的残留水珠进入相邻结霜循环时将“二次成霜”，并且在之后的结霜过程中一直高于周围霜层的高度。

（2）疏水化处理

疏水化处理即在换热器表面加疏水涂层。目前普遍采用的疏水涂层材料为硅油或硅脂、四氯乙烯（TPEF）、车蜡、改性SiO2等，此外含有氟元素的材料也是抑制、延缓结霜的很好选择。目前，有学者通过磁控溅射镀膜系统沉积薄膜并经等离子氟化获得类似荷叶表面形貌的超疏水表面，接触角可高达162°。这种仿生超疏水表面初始霜晶的出现要比普通紫铜表面晚55min以上，并且在国内外首次观测到了菊花状和麦穗状的霜晶团。

试验证明，疏水表面上即使出现结霜现象，也要比普通蒸发器壁面霜层稀疏、霜厚增长慢，风阻和热阻增大速度显著降低，融霜间隔时间可以大幅度延长。试验证明，有疏水涂层的蒸发器其不融霜的时间比平均普通蒸发器高30%～40%。两种表面处理途径相比而言，亲水涂层较疏水涂层的抑霜效果更为明显。这是因为亲水表面能够降低空气压力，形成的霜晶分布均匀，霜晶融化后形成的水膜分布均匀；而疏水面上霜晶融化后呈大水滴状，抑霜效果仅限于结霜初始阶段，对霜层生长期的影响不大。且疏水性表面制备过程烦琐，未能批量生产。对紧凑型换热器等表面复杂的换热器来讲，在多次缓霜后亲水面上水滴的残留率明显少于疏水面。以上原因造成疏水表面的应用不如亲水表面范围广。

空气源热泵无霜化的方法

空气源热泵无霜化的方法，是从破坏上述结霜条件出发，调节流经室外换热器表面的空气温度和湿度。改变空气湿度主要是为了降低空气的露点温度，常用方法有：

1、固体干燥剂

利用沸石和活性炭构成固体干燥剂吸附床，或在传统翅片管换热器的表面涂干燥剂（硅胶）。这类方法的主要缺点是：干燥剂吸水能力会随时间逐渐削弱，必须采用有效的方法对干燥剂进行再生。

2.溶液除霜

利用液体除湿原理，室外环境温湿度处于结霜区时，向室外换热器的翅片管喷洒低凝固点的吸水性防冻溶液；通过调节喷淋液温度，还可提高换热器表面温度。由于喷淋系统的附加能耗，根据该方法的实验结果，其COP略低于常规系统的COP。

此外，还有压缩除湿、冷却除湿、热管除湿和转轮除湿等技术，但因各自的技术特点和应用限制，未能有效用于实现空气源热泵系统的无霜化。如空气压缩-冷却析水-再加热的压缩除湿，除湿过程有较高的能耗，不仅会导致系统庞大复杂、增加初投资，还会降低系统的COP。

针对固体干燥剂的再生，可用的方法有：

①室外设置双换热器，其中一个主要对空气预除湿，另一个对吸附剂进行再生。

②将蓄热装置引入双室外换热器的热泵系统，如图4-13所示。热水箱放热后的气、液两相制冷剂进入蓄热装置继续释放热量变为过冷液体，一次节流后进入除湿换热器，二次节流后进入室外换热器吸热蒸发；当干燥剂需再生时，热水箱流出的气、液两相制冷剂则直接进入除湿换热器和室外换热器内冷凝放热，对固体干燥剂进行再生，随后制冷剂液体经膨胀阀进入蓄热装置吸热蒸发。结果表明，该系统具有较高的COP，但干燥剂再生率仅为72.7%。

图4-13新型无霜空气源热泵热水器原理

为提高流经换热器表面的空气温度，K.Kwak等将原用于室内机的辅助电加热器置于室外换热器进风口。实验结果表明：该方法可避免换热器表面结霜，并能改善系统制热量及性能。此外，还可通过换热器结构设置（图4-14）让制冷剂周期性流入各换热管内，利用由风机产生的风破坏霜层的形成过程，进而避免换热器表面结霜。

图4-14无霜型空气源热泵室外换热器