郭俊杰,吳靜怡

1寧波方太廚具有限公司 2上海交通大學(xué)

1 前言

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是以空氣作為低溫?zé)嵩催M(jìn)行供熱的熱水裝置。相對(duì)于其他類型的熱泵而言，我國對(duì)空氣源熱泵的研究起步較早，研究的內(nèi)容也相對(duì)較多。由于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)以環(huán)境空氣作為低品位熱源，而空氣中的能量都是來自太陽源源不斷的輻射，取之不盡，用之不竭，因此，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)屬于一種對(duì)可再生能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換的裝置，具有節(jié)能和環(huán)保的雙重特征。在能源和環(huán)保壓力日益增大的今天，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在熱水領(lǐng)域正在獲得越來越多的關(guān)注。

對(duì)于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，在制取熱水運(yùn)行時(shí)空氣側(cè)換熱器結(jié)霜和除霜是影響機(jī)組冬季運(yùn)行的一個(gè)重要問題。盡管少量的結(jié)霜會(huì)使空氣側(cè)換熱器表面變得粗糙，在短時(shí)間內(nèi)可以改善熱泵熱水系統(tǒng)的性能，但這種情況對(duì)系統(tǒng)性能的改善是短暫和有限的，當(dāng)翅片管表面的霜層達(dá)到一定厚度時(shí)，不僅使霜層增加了從大氣向風(fēng)側(cè)換熱器的傳熱熱阻，同時(shí)由于霜層的增厚，使風(fēng)側(cè)阻力增加，空氣流量減少，空氣側(cè)換熱量下降,導(dǎo)致系統(tǒng)的供熱量明顯降低。文獻(xiàn)[1]對(duì)一臺(tái)空氣源熱泵的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)室外換熱器空氣流量由無霜時(shí)的74 m3/min降到20m3/min(即下降75%)時(shí)，空氣側(cè)換熱量下降20%。當(dāng)霜層增長到一定厚度時(shí)，風(fēng)機(jī)電流也迅速上升[2]，風(fēng)機(jī)性能衰減，導(dǎo)致機(jī)組保護(hù)。為此，當(dāng)空氣側(cè)換熱器霜層發(fā)展到一定程度時(shí)必須除霜,。如不及時(shí)除霜，有可能使空氣側(cè)換熱器的空氣通道完全堵塞，導(dǎo)致系統(tǒng)完全停止供熱。此外，如果除霜時(shí)機(jī)不恰當(dāng)，化霜時(shí)間過短，也會(huì)導(dǎo)致未融化的霜和水珠進(jìn)一步凍結(jié)成更加難以融化的冰塊，使得空氣側(cè)換熱器與空氣的換熱急劇惡化，影響系統(tǒng)的正常工作。

2 結(jié)霜和除霜工況研究

為了改善冬季低溫天氣下空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，尋求更佳的除霜效果，目前國內(nèi)外對(duì)結(jié)霜和除霜問題展開了廣泛的研究，主要集中在以下三個(gè)方面：霜層形成機(jī)理方面的研究，換熱器結(jié)霜特性的模擬和除霜控制方法的研究。

2.1 霜層形成機(jī)理方面的研究

吳曉敏和王維城[3]從形核的概念出發(fā)，分析了水蒸氣在冷面上的結(jié)霜并非單純凝華的原因，對(duì)結(jié)霜前的微細(xì)觀結(jié)露現(xiàn)象給予了理論解釋：水蒸氣在零度以下冷面上凝結(jié)生成液核的活化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于凝華生成霜核的活化率，所以冷面上最先出現(xiàn)的是水珠。另外,通過進(jìn)一步的分析揭示了疏水面抑制結(jié)霜的原因，即增大接觸角可以提高成核勢(shì)壘,使新相變得難以形成，從而降低新相的活化率。吳曉敏等[4]為研究冷表面上結(jié)霜的微細(xì)觀過程以及表面濕潤性對(duì)該過程的影響，對(duì)空氣中水蒸氣在銅裸面及疏水性涂層上的結(jié)霜過程進(jìn)行了微細(xì)觀可視化的研究。實(shí)驗(yàn)中冷面溫度為-10℃，發(fā)現(xiàn)結(jié)霜過程并非單純的凝華過程，而是經(jīng)歷了水珠生成、長大、凍結(jié)、初始霜晶生成以及霜晶成長（包括部分霜晶的倒伏)過程。與銅裸面相比，疏面上水珠分布較為稀疏，粒徑較大，凍結(jié)較晚，初始霜晶出現(xiàn)較遲，霜晶高度較低，所有這些都說明疏水性表面可以延緩霜的形成及成長。孫玉清等[5]對(duì)于結(jié)霜這一非定常、有相變、移動(dòng)邊界的復(fù)雜傳熱傳質(zhì)問題，引進(jìn)成核理論、晶體動(dòng)力學(xué)理論和氣象學(xué)的相關(guān)理論，建立了較為精確的物理和數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了抑制結(jié)霜方面的研究。S.W.Wang et al.[6,7]針對(duì)影響結(jié)霜的關(guān)鍵參數(shù)換熱面表面溫度和濕度提出了利用吸附放熱來減緩結(jié)霜速度的方法,并建立了換熱表面吸附與解析的數(shù)學(xué)模型,模擬了結(jié)霜和化霜的過程,獲得了滿意的精度。在對(duì)結(jié)霜機(jī)理進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上也可以從換熱器使用材料、表面結(jié)構(gòu)的角度研究對(duì)成霜的影響。例如,對(duì)換熱器表面噴鍍高疏水性鍍層，降低其與水蒸氣之間的表面能，增加接觸角，對(duì)抑制結(jié)霜是有效的。此外，為抑制結(jié)霜，可對(duì)流入換熱器的濕空氣進(jìn)行凈化處理，有條件時(shí)可以增大風(fēng)速，使氣相中形成的冰晶或過冷水滴盡快地通過換熱器壁面。

2.2 換熱器結(jié)霜特性的模擬

F.R.Ameen[8]從理論和實(shí)驗(yàn)方面研究了結(jié)霜對(duì)換熱器傳熱特性及熱泵性能的影響,但該模型只是模擬了一個(gè)特定換熱器在結(jié)霜條件下的特性。S.N.Kondepudi等[9]將結(jié)霜模型和傳熱特性相結(jié)合進(jìn)行了討論，建立了較為詳細(xì)的翅片管換熱器結(jié)霜模型，利用該模型分析了相對(duì)濕度、翅片密度、迎面風(fēng)速等對(duì)霜生長、能量傳遞系數(shù)以及空氣側(cè)壓降的影響。另外，對(duì)平翅片盤管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。比較顯示模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)低15%～20%，主要原因是模型中沒有考慮濕工況下空氣側(cè)的熱傳遞系數(shù)的增加使得整個(gè)傳熱量增加以及結(jié)霜增加了換熱器表面的粗糙度使得空氣側(cè)的傳熱量增加。T.Senshu和H.Yasuda等[10]對(duì)結(jié)霜狀況下熱泵的循環(huán)特性進(jìn)行了模擬，該模型由壓縮機(jī)模型、霜形成模擬模型和風(fēng)機(jī)特性模擬模型組成。通過對(duì)某一熱泵的實(shí)驗(yàn)研究，證明了模擬結(jié)果的可靠性,但該研究忽略了霜層對(duì)空氣側(cè)換熱系數(shù)的影響，認(rèn)為結(jié)霜只是增加了霜的厚度，沒有考慮結(jié)霜引起的霜層密度的變化。K.A.R.Ismail等[11]建立了在平的冷卻盤管上結(jié)霜的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了模擬分析，得到了霜的密度、厚度隨時(shí)間的變化，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。

在熱泵熱水系統(tǒng)結(jié)霜研究方面，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所做出了卓有成效的工作，曠玉輝[12]建立了空氣側(cè)換熱器結(jié)霜的數(shù)學(xué)模型，研究結(jié)果表明，空氣側(cè)換熱器表面結(jié)霜特性主要受換熱表面溫度、環(huán)境溫度、大氣相對(duì)濕度以及室外風(fēng)速的影響。換熱器表面溫度和環(huán)境溫度越低、相對(duì)濕度和室外風(fēng)速越大，則換熱器的結(jié)霜現(xiàn)象越明顯，表面結(jié)霜速度越快，霜層厚度越大，對(duì)系統(tǒng)性能的影響也就越大。姚楊、馬最良等[13]采用計(jì)算機(jī)模擬的方法建立了空氣源熱泵冷熱水系統(tǒng)室外換熱器結(jié)霜工況下的數(shù)學(xué)模型，將結(jié)霜模型與換熱器傳熱特性模型有機(jī)地結(jié)合起來，并考慮了室外換熱器中制冷劑兩相流的影響。吳清前、龍惟定等[14]建立了空氣源熱泵冬季運(yùn)行狀態(tài)下基于氣液分相的集中參數(shù)模型，在模型中不僅對(duì)蒸發(fā)器干工況和結(jié)露工況作了數(shù)學(xué)描述，同時(shí)還分析了結(jié)霜過程中霜層密度和厚度變化對(duì)機(jī)組性能的影響?；谶@一模型，選擇某種熱泵進(jìn)行了計(jì)算，得到了這類機(jī)組在不同溫濕度和進(jìn)出水溫度下機(jī)組的能效比和結(jié)霜性能。這些模型從理論的角度探討了結(jié)霜的特性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

2.3 除霜控制方法的研究

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在冬季供熱運(yùn)行中存在著空氣側(cè)換熱器結(jié)霜，導(dǎo)致?lián)Q熱惡化的問題。因此，在冬季適于結(jié)霜的條件下，熱泵機(jī)組需要周期性地除霜。目前常用的除霜控制方法有：定時(shí)除霜法、時(shí)間－溫度(壓力)法、空氣壓差控制法、霜層傳感器控制法、聲音振蕩器控制法、最大平均供熱量法、最佳除霜時(shí)間控制法等。

陳汝東等[15]在研究常用除霜方法的基礎(chǔ)上，提出了一種判定除霜起始時(shí)刻的方法，引入平均供暖能力的概念，指出平均供暖能力存在一個(gè)最大值，在平均供暖能力最大值時(shí)刻進(jìn)行除霜，得到的單位時(shí)間供熱量一定會(huì)比其他時(shí)刻大。但實(shí)際中還應(yīng)考慮除霜消耗的能量以及結(jié)霜與除霜周期工作的穩(wěn)定性等因素。該方法在理論上有一定的意義，但實(shí)際實(shí)現(xiàn)較為困難。

陳云水[16]在研究了一般除霜控制的基礎(chǔ)上，提出了智能除霜控制系統(tǒng)，利用機(jī)組的計(jì)算機(jī)控制判斷盤管上是否結(jié)霜或結(jié)霜多少。這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行除霜，且不受人為因素的干擾，壓縮機(jī)損耗較小，因此，系統(tǒng)設(shè)備的壽命較長。

黃虎等[17]在分析各種除霜控制方法的基礎(chǔ)上，提出了自組織模糊控制法。根據(jù)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)結(jié)霜的影響，結(jié)合熱泵系統(tǒng)的工作環(huán)境條件采用模糊控制算法，給出除霜循環(huán)的觸發(fā)信號(hào)，通過對(duì)除霜過程中熱泵系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，對(duì)上一次的控制量進(jìn)行修正，這樣可使除霜控制自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境參數(shù)的變化，提高除霜控制水平。

3 結(jié)論

(1)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)屬于一種對(duì)可再生能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換的裝置，具有節(jié)能和環(huán)保的雙重特征。為了進(jìn)一步提高空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的運(yùn)行效率，改善冬季低溫天氣下系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，進(jìn)行結(jié)霜和除霜的相關(guān)研究，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化配置的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

(2)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的結(jié)霜和除霜研究主要集中在以下三個(gè)方面：霜層形成機(jī)理的研究，換熱器結(jié)霜特性的模擬和除霜控制方法的研究。

(3)在深入了解空氣源熱泵熱水系統(tǒng)結(jié)霜機(jī)理的基礎(chǔ)上，開發(fā)新型換熱材料，對(duì)空氣側(cè)換熱器表面進(jìn)行處理，是獲得優(yōu)良換熱性能的基本條件，在此基礎(chǔ)上，借助先進(jìn)的控制理論和算法，提出合理的除霜方案，是保證系統(tǒng)安全和高效運(yùn)行的重要途徑。

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