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抑霜、除霜、控霜技术对于空气源热泵的作用

发布于:2025-09-05 10:25:05 来自:暖通空调/热泵工程

来源:制冷世界

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作者:小冷

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空气源热泵供热时,若室外换热器翅片表面温度同时低于0℃和空气露点温度,表面易结霜,导致传热恶化、空气流通受阻。因此,高效抑霜除霜技术尤为关键。当前技术通过表面疏水/亲水改性(如疏水涂层降低霜层生长速率30%-40%)、增大换热面积或结合太阳能预热(减少全年除霜次数60%以上)等方式延缓结霜;同时,蓄能除霜(利用相变材料储热,缩短除霜时间至270秒)和复合喷淋技术(热水喷淋与热气旁通结合,提升融霜速度50%)等方案,在减少室内温度波动的同时降低能耗,有效解决结霜问题。


        



1、抑霜技术

湿度是霜层形成的核心诱因,通过吸附或吸收机制降低空气湿度的抑霜技术因此成为研究重点。固体类除湿剂(如硅胶、活性炭)通过多孔结构捕获水分子,液体类除湿剂(如氯化钙、溴化锂)则通过化学吸收实现除湿,其中液态除湿剂可直接喷洒于换热器表面。除湿过程伴随的吸附热效应可使空气温度提升2-5℃,这种温升特性在延缓结霜方面具有双重优势:既降低结霜速率,又通过改善换热效率抑制霜层生长。       


空气源热泵结霜的核心诱因是空气湿度与温度的协同作用。当室外换热器表面温度同时低于0℃和空气露点温度时,水蒸气会凝结并冻结形成霜层。为应对这一问题,科研人员开发了基于湿度调控的复合抑霜技术:一方面通过吸附材料(如硅胶、活性炭)或吸湿溶液(如氯化锂、溴化锂)主动降低空气湿度,其吸附过程释放的吸附热可使空气温度提升2-5℃,形成抑制结霜的温升效应;另一方面通过表面改性技术重构换热器润湿性,例如超疏水表面(接触角>150°)可使冷凝液滴呈现Cassie-Baxter态,在霜层形成前实现微米级水滴的弹性弹跳脱离,实验数据显示该技术可使霜层覆盖率降低60%以上。当前技术突破体现在将疏水纳米涂层与相变蓄热材料结合,利用太阳能预热空气的同时实现涂层自修复,使夏热冬冷地区全年除霜次数减少60%,且系统能耗降低33%。


        


此外,相关研究也提出了超声波振动、空气射流、外加交流或直流电场和外加磁场的方法,用于防止或延缓结霜。然而,由于这些技术都需要昂贵的设备和较大的能耗,因此很大程度上限制了它们在实际工程上的应用。


            


2、除霜方法

相比于抑霜技术,除霜技术主要是尝试及时有效的清除换热器表面的霜层。通常来讲,有下图所示的五种基础的除霜方式,包括:

(1)压缩机停机除霜;

(2)电热除霜;

(3)热水喷淋除霜;

(4)热气旁通除霜以及

(5)逆循环除霜。

其中,逆循环除霜和热气旁通除霜是空气源热泵最常见的除霜方式。


空气源热泵的除霜技术根据运行模式可分为以下类型:        
停机除霜通过关闭压缩机并保持室外风扇运转,利用空气流动自然融霜,其运行受限于环境温度(需高于0℃),且除霜效率较低,但系统结构简单、成本低廉。部分方案通过增设电热元件加速融霜,但电能直接加热导致能耗高,仅适用于特定场景。        

       
逆循环除霜作为基础方案,通过四通阀切换制冷剂流向,使室外换热器转为冷凝器,利用压缩机高温排气融霜。此方法无需额外设备,但除霜时需暂停供热,室内温度波动显著,且频繁换向易导致压缩机磨损。        

       
热气旁通除霜则通过旁通管路将部分压缩机排气直接引入室外换热器,同时维持室内制热功能。该技术避免了逆循环的剧烈压力波动和“跑油”问题,工业机组中广泛应用,其融霜过程对室内温度影响较小,但能耗仍高于蓄能型方案。        


        


        


        


        


        


        


如前所述,逆循环除霜和热气旁通除霜是应用最广泛、最基础的除霜方法。在此基础上,还有一些发展改进逆循环除霜和热气旁通除霜的技术。


利用蓄热是一种典型的基于逆循环除霜发展的新型除霜方法。在这项技术中,相变材料在热泵制热阶段蓄存压缩机壳体的散热或多余制热,其作为热源用于除霜。这种方式可以有效缩短除霜时间,提升除霜过程中的室内舒适性,并降低压缩机湿压缩风险。此外,在热气旁通除霜的基础上,还提出了显热除霜方法,这种方法将压缩机排出部分制冷剂先通过膨胀阀节流、再进入室外换热器除霜,适用于大容量空气源热泵机组。


            


3、除霜控制策略

除了除霜技术,除霜开始和终止的控制方法是影响空气源热泵除霜性能的另一个关键因素。“无霜除霜、有霜不除”将导致糟糕的除霜效果,这在实际产品中非常常见。


    为了获得合适的除霜开始时间,现有研究提出了时间控制法、时间-温度控制法、时间-温差控制法和过热度控制法。时间控制法是目前应用最广泛的控制方法,它以固定的时间周期自动除霜。相比之下,时间-温度控制法则还需要测量室外换热器的表面温度,时间-温差控制法则需要得到室外空气与蒸发器表面的温差。然而,时间、温度并不是导致结霜的唯一因素,环境温度、相对湿度和部分负荷率也会影响制热性能和霜的形成。


更智能的除霜方法侧重于“按需除霜”,这些智能除霜启动方法包括:

(1)利用全息干涉技术测量霜层的厚度;

(2)使用红外温度计测量霜层表面温度;

(3)测量制冷剂流动的稳定性;

(4)使用光耦、光电系统或光纤传感器测量霜层厚度;

(5)神经网络模拟结霜量;

(6)分析翅片表面温度获得有效质量流量分数;

(7)测量室外机风路压降或室外机风机电流。以上提到的这些技术还不成熟,仍需进一步测试和开发。


    目前,除霜终止的控制方法主要基于室外换热器管翅表面的温度、制冷剂压降以及除霜时间。翅片管表面温度是最常用来判断的方法。当其表面温度达到设定的终止温度时,空气源热泵将退出除霜进入制热模式。设置的终止温度取决于室外工况和不同的要求,对于室外机多回路的空气源热泵机组,检测最下面盘管出口表面的温度是最常用的方法。


            


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  • shilaoqi
    shilaoqi 沙发

    谢谢楼主的分享!

    2025-09-12 22:15:12

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这个家伙什么也没有留下。。。

热泵工程

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