空氣能熱泵：抑霜、除霜、控霜

2022年10月14日11:12:12 家居 1386

空氣源熱泵用於供熱時，當室外換熱器表面溫度同時低於0℃和濕空氣對應露點溫度時，翅片表面很有可能結霜。為了防止室外換熱器傳熱惡化，並保證空氣能夠順利流過換熱器翅片，應當及時清除翅片表面的積霜。因此，研發高效的抑霜除霜技術對於空氣源熱泵非常重要。

（僅為示意圖，不對應文中任何產品）

1、抑霜技術

濕度是影響霜形成的關鍵因素，因此，通過固體或液體除濕的抑霜技術得到了充分的發展。就固體除濕劑而言，主要包括硅膠、硅酸鹽和活性炭；而液體除濕劑主要包括氯化鋰、溴化鋰、氯化鈣和乙二醇，液體除濕劑可以直接噴到空氣進口或室外換熱器表面上。除濕不僅降低了空氣的濕度，由於吸附或吸收過程會釋放熱量、空氣溫度還會升高。

然而，固體/液體除濕抑霜技術主要缺點是需要再生。固體和液體除濕劑都需要再生才能連續運行，這限制了其在空氣源熱泵中的應用。其中，相比於固體除濕劑，液體除濕劑的再生溫度明顯要低。

另一種重要的抑霜技術是改變室外換熱器表面特性的表面處理技術。如下圖所示，根據接觸角的不同，材料表面可以被分為親水性、疏水性和超疏水性。親水性表面通過干擾冰晶形成和水分子固定來抑制結霜過程。

相比於光滑表面，疏水性表面冷凝液滴分布更為稀疏，可以延遲液滴的凍結並延緩結霜。而超疏水表面可以通過在霜形成前“彈出”微小的水滴，這樣能更為有效的抑制結霜。表面處理技術高效、廉價且環保，但唯一需要解決的問題就是表面塗層的長期有效性。

親水、疏水和超疏水表面的接觸角

此外，相關研究也提出了超聲波振動、空氣射流、外加交流或直流電場和外加磁場的方法，用於防止或延緩結霜。然而，由於這些技術都需要昂貴的設備和較大的能耗，因此很大程度上限制了它們在實際工程上的應用。

2、除霜方法

相比於抑霜技術，除霜技術主要是嘗試及時有效的清除換熱器表面的霜層。通常來講，有下圖所示的五種基礎的除霜方式，包括：

（1）壓縮機停機除霜；

（2）電熱除霜；

（3）熱水噴淋除霜；

（4）熱氣旁通除霜以及

（5）逆循環除霜。

其中，逆循環除霜和熱氣旁通除霜是空氣源熱泵最常見的除霜方式。

在壓縮機停機除霜模式中，壓縮機停機、室外機風扇持續運轉，使室外空氣持續經過室外換熱器以進行除霜。這種方法只有在室外溫度高於0℃時才能工作，並且除霜時間長，但是其成本低廉。此外，可以在室外換熱器上安裝電熱器以加速霜的融化。值得注意的是，由於電是一種高品質能源，這限制了電熱除霜在家用空氣源熱泵的應用。對於熱水噴淋除霜，需要在室外熱交換器上噴淋熱水、並同時關閉室外機的風扇。熱水除霜方法僅適用於特定場合，而非所有的空氣源熱泵。

逆循環除霜法是最傳統的空氣源熱泵除霜方法。在除霜過程中，四通閥換向，室外換熱器作為冷凝器、室內換熱器作為蒸發器，高溫製冷劑流入室外盤管使霜融化。同時，為了避免除霜過程產生不舒適感，室內機的風扇也會停止運轉。

對於熱氣旁通除霜，壓縮機排出的製冷劑一部分將進入室外換熱器融霜，另一部分進入室內換熱器制熱，這是工業用空氣源熱泵機組普遍採用的方法。該方法避免了逆循環除霜中出現的反向衝擊和“跑油”問題，並且能夠在除霜過程中使室內保持良好的舒適性。

如前所述，逆循環除霜和熱氣旁通除霜是應用最廣泛、最基礎的除霜方法。在此基礎上，還有一些發展改進逆循環除霜和熱氣旁通除霜的技術。

利用蓄熱是一種典型的基於逆循環除霜發展的新型除霜方法。在這項技術中，相變材料在熱泵制熱階段蓄存壓縮機殼體的散熱或多餘制熱，其作為熱源用於除霜。這種方式可以有效縮短除霜時間，提升除霜過程中的室內舒適性，並降低壓縮機濕壓縮風險。此外，在熱氣旁通除霜的基礎上，還提出了顯熱除霜方法，這種方法將壓縮機排出部分製冷劑先通過膨脹閥節流、再進入室外換熱器除霜，適用於大容量空氣源熱泵機組。

3、除霜控制策略

除了除霜技術，除霜開始和終止的控制方法是影響空氣源熱泵除霜性能的另一個關鍵因素。“無霜除霜、有霜不除”將導致糟糕的除霜效果，這在實際產品中非常常見。

為了獲得合適的除霜開始時間，現有研究提出了時間控制法、時間-溫度控制法、時間-溫差控制法和過熱度控制法。時間控制法是目前應用最廣泛的控制方法，它以固定的時間周期自動除霜。相比之下，時間-溫度控制法則還需要測量室外換熱器的表面溫度，時間-溫差控制法則需要得到室外空氣與蒸發器表面的溫差。然而，時間、溫度並不是導致結霜的唯一因素，環境溫度、相對濕度和部分負荷率也會影響制熱性能和霜的形成。

更智能的除霜方法側重於“按需除霜”，這些智能除霜啟動方法包括：

（1）利用全息干涉技術測量霜層的厚度；

（2）使用紅外溫度計測量霜層表面溫度；

（3）測量製冷劑流動的穩定性；

（4）使用光耦、光電系統或光纖傳感器測量霜層厚度；

（5）神經網絡模擬結霜量；

（6）分析翅片表面溫度獲得有效質量流量分數；

（7）測量室外機風路壓降或室外機風機電流。以上提到的這些技術還不成熟，仍需進一步測試和開發。

目前，除霜終止的控制方法主要基於室外換熱器管翅表面的溫度、製冷劑壓降以及除霜時間。翅片管表面溫度是最常用來判斷的方法。當其表面溫度達到設定的終止溫度時，空氣源熱泵將退出除霜進入制熱模式。設置的終止溫度取決於室外工況和不同的要求，對於室外機多迴路的空氣源熱泵機組，檢測最下面盤管出口表面的溫度是最常用的方法。