“结、除霜”对夏热冬冷地区的空气源热泵设计选型的影响分析

“结、除霜”对夏热冬冷地区的空气源
热泵设计选型的影响分析
摘要：在实际工程的设计中，多数空气源热泵（ASHP）的设计选型较为简单，并未完全分析低温及“结、除霜”的影响。

低温及“结、除霜”是影响制热量最
主要的两个参数。

通常可以按产品样本选取使用地区的室外空调计算干球温度的
修正系数（K1），该修正系数通常较为准确。

但由于机组的“结、除霜”过程较
为复杂，因此受“结、除霜”影响的机组结除霜修正系数（K2）生产厂家无法提供。

本文通过对某实际运行的空气源热泵工程项目的现场测试，分析了夏热冬冷
地区的典型工况下，“结、除霜”对空气源热泵设计选型的影响。

分析结果显示，在夏热冬冷地区的典型室外工况下，ASHP机组的推荐除霜时间间隔为30min，结
除霜修正系数（K2）的推荐值为0.75，该结果对生产厂家及实际的工程设计有一
定的参考意义。

关键词：空气源热泵; 结除霜修正系数; “结、除霜”损失
0 前言
随着国内节能减排压力的不断加大，以及夏热冬冷地区冬季供暖等的迫切需求，空气源热泵（ASHP）以其节能、环保、一机冬夏两用等优势，已经成为了我
国主要能源形式之一，且在《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015-2021中，已明确设计，空气源热泵系统为可再生能源。

然而，ASHP在冬季实际运行中仍存在亟待解决的两个主要技术难题分别是低
温适用性及结除霜的问题[1]。

研究表明，霜层的覆盖会造成机组COP下降35~60%，制热能力下降30~57%[2-3]。

可见结霜问题严重影响了空气源热泵机组的供暖特性，为了保证机组正常运行，周期性的除霜操作必不可少。

因此在以ASHP为冷热源的系统的设计中，结除霜对机组性能的影响也是必须考虑的。

参考《实用供热空调设计手册》第二版，本文将这两个影响ASHP供热能力的问题，定义了两个对机组名义制热量进行修正的参数，分别为K1及K2：
K1——使用地区的室外空调计算干球温度的修正系数，按产品样本选取；
K2——机组结除霜修正系数。

在实际工程设计中，必须对该制热量进行修正才能得到机组冬季时的实际制热量Q（kW）。

根据上述定义的两个参数，机组的实际制热量Q（kW）应按如下公式进行修正：
Q=q K1K2
式中：
q——机组的名义制热量，kW；
K1——使用地区的室外空调计算干球温度的修正系数，按产品样本选取；
K2——机组结除霜修正系数。

由于ASHP的制热量受环境温度的影响相对比较容易测出，其随环境温度的降低而降低，且大多的产品样本中已经给出K1，因此本文将重点分析ASHP 机组结除霜修正系数K2。

由于结霜是一个复杂的传热、传质问题，实际运行中机组很难判断出准确的除霜开始时刻，而结除霜对机组制热量的影响更是难以准确的定量分析。

因此《实用供热空调设计手册》第二版中，只是粗略的建议了机组融霜修正系数（每小时融霜一次取0.9，两次取0.8）以及部分城市采用ASHP时的供热量随室外空气相对湿度不同而需乘以的修正系数。

本文的K2相当于综合考虑了这两个因素。

本文通过对一个采用ASHP为系统冷热源的实际工程进行案例分析，通过对其在实际室外环境的长期运行中进行测试，挑选出了部分典型的工况以分析“结、除霜”对空气源热泵设计选型的影响，并给出K2的建议值，以供其他工程设计进行参考，同时在分析中，也将体现不同城市的建议除霜时间供生产厂家进行参考。

1 工程案例简介
工程简介
测试工程包括：11个房间共185m2的供热面积。

供热系统为空气源热泵+低
温辐射热水地板采暖系统。

ASHP机组含两台相同的涡旋压缩机，以R22 为制冷剂，单台压缩机运行的名义制热能力为14kW，额定功率为4.05kW。

测试系统
测试系统主要由三部分构成：1）室外环境测试；2）机组运行性能测试；3）机组供热性能测试；4）结霜图像的采集。

除霜控制策略
测试机组所采用的除霜控制策略是一种典型的“温度-时间”除霜控制法。

当盘管温度低于T1时，机组开始进行除霜计时，当除霜计时达到设定的默认值
45min且盘管温度低于T2时，机组进行除霜。

除霜过程中，当盘管温度达到T3时，除霜终止，机组转为制热运行。

测试工况及评价方法
测试工况为夏热冬冷地区冬季的典型气象条件温和、高湿。

以夏热冬冷地区
的南京为例，根据规范《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 134-2010），该地区的采暖计算期应为当年的12月1日至次年2月28日，室外气象
计算参数应采用典型气象年。

在采暖期内，其典型气象年的平均温、湿度分别为3.8℃，73.6%。

本文测试分为两个案例。

案例1：除霜时间的设定值为默认45min，测试时
间为12小时，共计14个完整的结、除霜循环，测试工况的平均温、湿度分别为4.1℃，74.9%。

案例2：除霜时间的设定值分别为30min和45min，测试时间为
1.5小时，含2个完整的结、除霜循环，测试工况的平均温、湿度分别为3.5℃，75.4%。

2 案例工程运行结果与分析
案例1的测试期内室外环境温度在2.1℃~5.1℃之间变化，平均温度为
4.1℃。

相对湿度在71.8%~77.0%之间变化，平均值为73.6%。

室外空气温度与相
对湿度均相对稳定。

虽然外界温度条件较适宜空气源热泵运行。

然而，室外空气
湿度较大。

ASHP 机组在此类天气条件下极易结霜。

图1测试期内压缩机吸、排气温度变化曲线（案例1）
图1所示为测试期内压缩机的吸、排气温度变化曲线。

由压缩机吸、排气温
度的变化情况，可清晰辨别各结、除霜周期的起止时刻，在12h测试期内，共出
现14次完整的结、除霜循环，每个循环均在机组运行45min后开始进行除霜。

从图1中可以看出，每次除霜前，机组的排气温度过高，均已接近120℃，这是
一个较为危险的排气温度。

压缩机排气温度过高将会降低压缩机的效率，减少压
缩机的寿命。

并且，机组在每次除霜前，换热器表面已经被严重的霜层覆盖，机
组的供热能力均已衰减了48%左右。

在12h的运行中，机组的平均供热能力仅为8.4kW，平均供热效率仅为61.8%。

而如果在该条件下，假设机组没有结霜，那么
机组的实际平均供热能力约为13kW。

因此在这种温湿度条件及典型的除霜控制下，机组因为结除霜的影响，供热能力降低了4.6 kW，约35%，也就是因为结除霜的
影响，ASHP机组的实际制热量衰减了35%。

因此如果在这种工况下，机组的结除
霜修正系数K2的推荐值为0.65。

但是，在这种气象条件下，机组每隔45min除霜一次是不合适的，生产厂家
应缩短该工况下的除霜间隔。

因此下面将分析如果机组改为30min除霜一次，机
组供热能力的变化，及结除霜修正系数K2的推荐值。

案例2分析对比了在相似工况下，机组的除霜时间设定值为30min
与45min的对比。

案例2的测试期内，室外环境温度在3.4℃~3.6℃之间变化，平均温度为
3.5℃。

相对湿度在73.8%~76.4%之间变化，平均值为75.3%。

工况与案例1相似。

如图2所示，机组在该工况内，共有两次结、除霜循环，第一次循环的除霜间隔
为30min，第二次循环的除霜间隔为45min。

可见当除霜间隔从30min增加到
45min后，排气温度上升了11.9℃，而吸气温度降低了3.7℃。

图3为两个循环
除霜前一时刻的机组室外换热器的结霜照片，从图中可以看出，30min时，机组
室外换热器表面73%左右的面积被霜层覆盖，45min时，机组室外换热器表面85%
左右被霜层覆盖。

图4为这两次循环的供热能力的变化曲线，第一个循环内，供热能力最终降
低了30%，除霜所需的时间为4.1min（含供热能力恢复时间），平均供热能力为9.8kW，平均供热效率为72.1%。

同理若该工况下，如果机组不发生结除霜，那么
机组的实际平均供热能力约为13kW。

于是可以得出，在该工况下ASHP机组因为
结除霜的影响，实际供热能力降低了3.2 kW，约25%，也就是因为结除霜的影响，ASHP机组的实际制热量仅衰减了25%。

因此如果在这种工况下，机组的结除霜修
正系数K2的推荐值为0.75。

若以该工况为标准，把案例1中的45min的除霜时间间隔均设置成30min，
则一共能减少能耗14.5%，共61.8MJ。

因此，在夏热冬冷地区，虽然冬季气温较高，适合ASHP机组的应用，理论
上其性能系数较高。

但在高湿的气象条件下，将会使ASHP机组频繁除霜，机组
的制热能力也会大量衰减。

因此在夏热冬冷地区，典型工况下的除霜时间间隔推
荐值为30min，结除霜修正系数K2的推荐值为0.75。

图2测试期内压缩机吸、排气温度变化曲线（案例2）
30min45min
图3除霜前机组室外换热器表面的结霜图片（案例2）
图4测试期内机组供热能力、机组功率变化曲线（案例2）
3 结论
本文针对夏热冬冷地区的冬季温和、高湿的典型气象条件，对某实际运行的空气源热泵工程项目的现场测试。

从机组的运行特性、供热性能等方面对机组在温和、高湿的气象条件下的结除霜特性进行了分析，具体结论如下：
1）在夏热冬冷地区的冬季的一种典型气象条件下（4.1℃，73.6%），如果ASHP机组每隔45min除霜一次，机组的平均制热量降低了35%，机组的结除霜修正系数K2的推荐值为0.65。

该工况下应缩短除霜时间间隔。

2）若将上述工况下的除霜提前至30min，则机组平均供热能力仅降低25%，机组的结除霜修正系数K2的推荐值为0.75。

3）在进行空气源热泵系统的设计选型时，应针对不同的环境工况对机组的容量应进行低温及结除霜影响的修正。

参考文献
[1]Wang W, Xiao J, Feng Y, et al. Characteristics of an air source heat pump with novel photoelectric sensors during periodic frost–defrost cycles[J]. Applied Thermal Engineering, 2013,50(1):177-186.
[2]Wang W, Feng Y C, Zhu J H, et al. Performances of air source heat pump system for a kind of mal-defrost phenomenon appearing in moderate climate conditions[J]. Applied Energy, 2013,112:1138-1145.
[3]肖婧, 王伟, 郭庆慈, 等. 空气源热泵在北京低温环境下运行性能的现场实测研究[J]. 建筑科学, 2010(10):242-245.
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