张子秀
山西三水能源股份有限公司 041000
摘要：空气源热泵是以空气作为低温热源来进行供热的装置，因其以空气作为低品位热源，可以无偿获取，且具有一机两用、高效节能、不污染环境及安装方便的特点，在我国得到了 迅速地推广。但是，空气源热泵在运行中也存在着低温环境下易结霜的问题，从而导致制热量效率降低，提高除霜技术或者抑制结霜，是目前推进空气源热泵发展的必要条件。本文将围绕结霜、除霜及抑制霜层的形成展开讨论。
关键词：结霜、除霜、抑制结霜
1.结霜原因
空气源热泵在冬季运行时，由于室外机一直在吸收空气中的热量，导致室外机换热器表面温度变低，当室外机换热器翅片表面温度低于0℃时，室外周围空气中的水蒸气就会在换热器表面结霜甚至结冰。随着霜层的增厚将会导致蒸发温度下降、制热量下降、风量衰减等现象，最终使热泵机组不能正常工作，所以热泵在冬季运行时，除霜成为一项必不可少的工作。
根据换热器结霜过程研究表明，影响换热器上霜层形成速度的因素主要有换热器结构、结霜位置、空气流速、壁面温度和空气参数。
空气源热泵机组在结霜工况运行时，热泵的供热量和性能系数下降的幅度与室外气象参数有关。
研究表明：
①发生结霜现象的室外温度范围是:-12.8℃≤t≤5.8℃且φ≥67%；
②当温度高于5.8℃时，换热器表面只会结露；
③当气温低于-12.8℃时，空气绝对含湿量太小，无严重结霜现象；
④当气温在-12.8℃≤t≤5.8℃范围，相对湿度φ ≤67%时，由于室外换热器表面温度一般会高于空气露点温度，不会发生结霜现象；
⑤当φ≥67%，实验发现在0~3 ℃的温度范围结霜最为严重；
⑥空气相对湿度变化对结霜的影响远远大于温度变化对其影响。
2.除霜方法
①换向除霜法
换向除霜法，其基本原理是通过四通阀切换方向，从室内吸收热量，把热量输送到室外换热器，从而达到除霜的目的。这是目前普遍采用的一种除霜方式，因为这种除霜方式不增加成本，实现起来比较简单方便。
这种除霜方式的主要实现方式为：热泵制热运行→判断需要除霜→压缩机停→四通阀换向→压缩机开→除霜完成→压缩机停→四通阀换向→压缩机开→正常制热。
但是这种除霜方式存在的问题也比较多，当机组除霜结束恢复制热时，有可能出现启动困难甚至发生压缩机电机烧毁的现象，并且通过切换四通阀来进行除霜，用户会明显有吹冷风的感觉。
②热气旁通除霜法
热气旁通除霜法，其基本原理是通过一个旁通管将压缩机排气输送到室外换热器，从而实现除霜。
这种除霜方式的主要实现方式为：热泵制热运行→判断需要除霜→室内风机超低速运转→二通阀1、2开→电子膨胀阀开大→除霜完成→正常制热。
这种除霜方式可以克服换向除霜的部分缺点，不会让用户有明显吹冷风的感觉，但是由于在进行热气旁通除霜时，仍有一部分排气通入室内换热器，使得室内换热器的温度保持在较高水平，可以通过自然对流的方式向室内散热。有时甚至可以在除霜时开启内风机，实现在除霜的同时向室内供热，对于室内舒适性具有较大的贡献。
另外，由于除霜时四通阀不换向，压缩机不停机，室内换热器在除霜时保持较高温度，除霜完成后室内可以立即送热风。
但是这种除霜方式应用于家用仍然具有下列问题：（1）除霜时压缩机高负荷运行，（2）压缩机可靠性运行问题。
③加热除霜法
加热除霜法是将热气旁通除霜与冷媒直接加热技术相结合，基本解决了逆循环除霜和热气旁通除霜无法克服的问题。
这种除霜方式的主要实现方式为：制热运行→判断需要除霜→室内风机超低速运转、二通阀开、加热器开→电子膨胀阀开大→除霜完成→正常制热。
加热除霜方式最关键的技术就是在压缩机吸气端增加了一个加热器。化霜时，四通阀不换向，压缩机不停机，室内可以实现持续供热。其具有如下优点：除霜时房间的舒适性好、化霜时间短以及压缩机运行可靠。虽然这种除霜方式克服了换向除霜和热气旁通除霜方式的一系列缺陷，但是也带来了一些新的问题：耗电量高且成本较高。
④相变蓄能除霜法
相变蓄能除霜法是在热气旁通除霜方式的基础上增加一个相变蓄热器作为空气源热泵除霜时的低位热源，采用供热时相变材料蓄热，除霜时相变材料释热除霜的方式。
相变蓄能除霜（串联蓄热模式）的实现方式：制热运行、相变蓄热器串联蓄热→判断需要除霜→室内风机超低速运转→相变蓄热器释热除霜→除霜完成→正常制热。
采用相变蓄能除霜方式化霜时，四通阀不换向，压缩机无需停机，并且室内仍然可以持续供热。由于增加了相变蓄热器作为低位热源，克服了传统热气旁通除霜法的诸多缺点，具有除霜时房间舒适性好、化霜时间短、压缩机运行可靠等优点，且节能效果明显优于加热除霜法，但是其压缩机输入功率要高。
3.抑制结霜
①对室外机表面进行处理
对空气源热泵室外机表面进行处理可以抑制霜层生长，例如，对室外换热器表面添加疏水层，可以促进水滴从室外机壁面脱落，减缓霜层的生长速度。有休斯敦大学的科学家研发了一种称为磁性光滑表面（MAGSS）的材料，当冰晶接触到磁流体中时，磁流体会形成一层屏障，致使冰晶无法附着在物体表面，或许也可为空调室外机除霜开辟新思路。
②无霜空气源热泵
无霜空气源热泵安装溶液喷淋装置，其原理是通过改变室外空气的露点温度使其低于翅片表面温度或者保证凝结在翅片上的液体在低于0℃时仍以液相状态存在，这样就可以从根本上防止结霜或者抑制除霜的形成。喷淋溶液选取甘油水溶液，且研究表明，溶液浓度过高或过低，都会导致系统性能下降，为保证防霜效果，应该保证溶液浓度在31% -65%之间。但是由于甘油水溶液在室外，容易导致沾染灰尘难清理。
结束语：本文通过讨论空气源热泵的结霜原因、现有的除霜方式以及抑制结霜的方法，可以在实际选择系统的时候作为参考，充分考虑各种因素从而选择恰当的除霜系统。
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