空气能热泵结霜研究

四 通
阀
冷凝器
图 3 带旁通管的空气源热泵示意图
文献[10]提到了一种带有制冷剂电加热器的热 泵系统，如图 4 所示，在热泵系统的室内换热器中 设置一个制冷剂电加热器。当接通电加热器时，该 系统工质压力、温度较普通系统为高，使室外换热 器表面温度比一般热泵系统高 1～2℃，从而可以 有效的延缓结霜时间。同时，文献[10]还提出，如 果节流结构采用毛细管，从而减少压力降，提高了 蒸发压力。通过实验发现，当空气温度低于 90%时，
表 1 各排合理的肋距表
管排数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
肋距 20 20 15 15 13 13 13 10 10 10
（mm）
1.2.3 在改变蒸发器表面特性的研究 在从优化蒸发器的结构来研究的同时，国内外
一些学者利用表面处理技术（疏水性涂层或亲水性 涂层）进行了抑制结霜的研究。
冷凝水在疏水性不同的表面上,因表面能差异 以及水的表面张力,它与壁面将形成不同的固定接 触角θ。如图 5 所示，接触角 θ 是固气液三相交界 点出，固液界面与液气界面所夹的角。在平衡状态 时来自百度文库固气表面张力σsg、固液表面张力σls 和液气表 面张力σgl，满足 Young 方程：
0 引言
随着人们对自身居住环境的要求越来越高，暖 通空调能耗必定也会不断提高。因此，如何解决好 建筑中的暖通空调耗能问题，具有重要的意义。而 目前人们公认采用热泵技术是解决暖通空调系统 的能源和环境问题的有效措施之一。其中空气源热 泵是我国应用最为广泛的技术之一，它以大气为冷 热源，不破坏环境，是一种节能、环保的绿色空调 技术，符合我国可持续发展的要求，它的使用正是 科学用能的体现。
（2）
从式（2）可以看出 θ 角越大,临界脱落半径越
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制冷与空调
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小,也就是说疏水性越好的表面,其表面能越小,液 滴脱离过程中需要克服的粘附功越小,脱落就越快 越容易从而可以有效的抑制结霜。John[20]研究了 θ 角的大小对表面结霜的影响，通过实验指出，θ 角 越大，冰核形成越慢。但是一般用于制作蒸发器的 铝、铜和钢等材料的 θ 角都小于 90°，而目前疏水 性最强材料的 θ 角也不大于 110°，大连海事大学利 用形态学效应，即在一般的疏水层上均匀掺杂疏水 性固体颗粒，可使 θ 角达到 160°，从而取得了良好 的抑霜效果[21]。杨剑，[22]等通过实验发现涂有涂 层后，表面原先的粗糙度对结霜基本无影响，从而 可以减少一些用于表面精细处理的费用
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的结霜。但是，Kondepudi 等[7]发现除湿剂在最初 的短时间内能有效地降低入口空气的含湿量从而 抑制结霜，但是由于除湿剂的不可再生，因此随着 除湿剂的吸收水蒸汽能力的减弱，抑制结霜的作用 也逐渐失效。
干燥剂
蒸发器
6 1
3 4
5
8
2 7
蓄热层 空气
图 1 吸附床和蒸发器示意图
图3是文献[10]中提出的带辅助室外换热器的 热泵系统，在供热工况运行时，该辅助室外换热器 可以提高主室外换热器周围的空气温度，从而起到 延缓结霜的效果；在空调工况运行时，这个辅助室 外换热器可以起到过冷器的作用，以提高机组运行 效率。
1、压缩机；2、室内换热器；3、主室外换热器； 4、节流机构；5、辅助室外换热器；6、四通阀；
cosθ = σ sg − σ ls σ gl
（1）
σgl σsg
r θ
σls
图 5 液滴与壁面的接触角
费千[19]结合 Young 方程，并从液滴脱离壁面 时重力做功克服粘附功的角度出发,导出了液滴从 壁面脱离的临界脱落半径 r 为：
r=
6σ lg (1+ cosθ ) sinθ
ρ gπ (1− cosθ )2 (2 + cosθ )
为了让除湿剂能够再生，Kinsara[8]和 Jain[9]等 为空调系统设计了一套液体除湿系统，该系统可以 连续工作，在抑制结霜方面获得了良好的效果。如 图 2 所示，该系统由传统空气源热泵循环、空气除 湿循环和除湿剂再生循环三个循环组成。
1
传 统3
4
空
气
源
热
泵
循
2
环
预热空气 2
干冷空气
空
气
除
湿
热湿空气
缩机可能发生回液，导致热泵不能正常工作[2]。因 此，延缓空气源热泵机组的结霜，对改善机组的运 行特性和提高系统的制热性能都有较大意义。
1 国内外研究现状
1.1 在改变蒸发器周围环境参数方面的研究 众所周知，蒸发器周围的空气状态与蒸发器表
面结霜多少的关系密切，通过试验和理论研究，夏 清[3]，等发现对于翅片管式蒸发器，空气湿度对结 霜量和结霜速率的影响最明显，其次是温度和流 速。此外，郭宪民[4]、姚杨[5]分别通过实验和模拟 研究，得到了同样的结果。
对于这方面，国内外学者主要研究了蒸发器面 积、翅片结构与间距、以及沿气流方向的管排数是 如何影响蒸发器表面结霜的。王洋，等[15]通过实验 研究了增大室外蒸发器面积对空气源热泵冷热水 机组蒸发温度的影响，通过对我国可应用空气源热 泵地区主要代表性城市气象资料的整理分析，统计 计算了未增大蒸发器面积和蒸发器面积增大一倍 时,空气源热泵冷热水机组在各地区的结霜时间。 结果表明，当室外蒸发器面积增大一倍后，空气源 热泵冷热水机组的蒸发温度平均提高了约2.5℃； 在空气源热泵运行季节内,机组在不同地区的结霜 时间减少了5.1%～82.96%。
程卫红，等[16]计算模拟了不同地区不同工况 下，采用不同翅片间距、翅片管管径、管间距时， 结霜速率、霜的密度和霜的厚度等随时间的变化。 不同工况下，空气侧换热器的结构参数不同，对机 组性能的影响也不同；增大翅片间距可以延缓结 霜，但对于不同湿度的地区，翅片间距应取不同的 值。
谷波，等[14]通过实验研究发现，通过增加气流 入口处沿气流方向的肋片尺寸，可以减缓肋片边缘 效应的影响，从而减少其结霜的倾向；随着沿气流 方向盘管数的增加，可导致结霜速度加快,结霜量
对于亲水性涂层抑霜的机理目前还存在争议， 但普遍认为是由于亲水涂料含有强吸水性物质，能 够在结霜初期把凝结在冷板表面上的水珠吸附到 由涂料制成的亲水涂层内部，同时涂层内含有能降 低水冰点的物质，使吸附到内部的水珠不发生冻 结，因而延缓了初始霜晶的形成。Okoroafor，等[23] 在 1999 年就研制了一种亲水性抑霜材料。Ryu[24] 所做的研究表明亲水性表面上霜层厚度确实比普 通表面上要少，但发现其冷表面结霜的密度更大 些，研究发现随着相对湿度在增大，亲水性涂层延 缓结霜的能力也逐渐降低。另外，Newborough， 等[25]研究不同亲水性材料的配比情况对结霜的影 响，结果表明抑制霜层生长的能力是随材料吸收水 蒸汽的能力的增强而增强。而 Jongmin Shin，等[26] 则研究了不同的涂层厚度对结霜的影响，研究表明 亲水性涂层越厚，其抑制结霜的效果越明显。刘中 良 [27] 发 明 了 一 种 防 霜 涂 料 ， 在 空 气 湿 度 较 低 (<50%)、壁面温度相对较高(＞-10℃)的情况下, 至少可以将初始霜晶出现的时间延迟 3 小时以上, 结霜量减少在 50%左右,在一定条件下还可以保持 不结霜,并且反复使用性能好。 1.3 在其它方面的研究
由此可知，如果把蒸发器周围空气的湿度降 低，将会大大延迟结霜时间。如图 1 所示，上海交 通大学的刘震炎[6]，等在蒸发器空气入口处安装一 个吸附床，吸附床内装有固体除湿剂来降低入口空 气含湿量，而且在吸附床上装有蓄热管，来吸收太 阳能以提高入口空气温度，从而来抑制蒸发器表面
基金项目：国家自然基金资助项目（50606007） 作者简介：姜益强（1973-），男，副教授，主要从事热泵相关技术研究。 收稿日期：2008-05-30
循 环
除
湿 剂 再 生 循
环
热湿空气 干冷空气
集液器
3
6
1
4
5
5
7
集液器 6
1、压缩机；2、冷凝器；3、节流阀；4、蒸发器； 5、液体除湿剂泵；6、截止阀；7、热交换器
图 2 液体除湿系统与传统空气源热泵系统结合示意图
从图2中可以看出，该系统相当复杂，而且多 增加了一个制冷循环系统和许多部件，所以大大地 限制了其实用价值。
可是当空气源热泵在较低的环境温度下工作 时，若蒸发器表面温度低于空气的露点温度，空气 中的水分就会在盘管表面析出；同时，若蒸发器表 面温度又低于 0℃，则会结霜[1]。结霜对热泵性能 有较大的影响，热泵机组的供热量、消耗功和性能 系数均会随结霜时间的延长而下降,下降的幅度和 室外气象条件有关。若不及时除霜，有可能使蒸发 器的空气通道完全堵塞、制冷剂不能完全蒸发、压
（哈尔滨工业大学热泵空调技术研究所 哈尔滨 150001）
【摘 要】 介绍了延缓空气源热泵机组结霜的各种方法的特点、国内外研究现状以及发展前景。通过分析指 出，抑霜的方法可以分为三类，并提出了现存方法的不足之处和解决这些问题的研究方向。
【关键词】 空气源热泵；蒸发器；结霜；表面处理 中图分类号 TU83 文献标识码 A
第 23 卷第 1 期 2009 年 2 月
制冷与空调 Refrigeration and Air Conditioning
文章编号：1671-6612（2009）01-001-05
Vol.23 No.1 Feb. 2009.1～5
延缓空气源热泵机组结霜的研究现状与进展
姜益强 柴永金 姚 杨 倪 龙 马最良
7、集液器；8、三通阀 图 3 带有辅助换热器的热泵系统示意图
对于风量方面的研究，刘斌，等[11]通过计算 机模拟的结果表明适当增大风量，可以减小换热温 差，从而可以延缓结霜。而黄虎，等[12]提出在结霜 工况下采用可调转速的风机，适当加大空气流量， 提高风速，可抑制结霜，同时提高了热泵在此工况 下的制热能力。 1.2 在改变空气源热泵机组系统和改变蒸发器方 面的研究 1.2.1 在改变空气源热泵机组系统方面的研究
增多。因此，肋片盘管沿气流方向管排数不宜超过 3 排。
Watters[17]通过实验研究发现对于管排数为 3 排的蒸发器，其中第一排为 6 翅片/厘米，第二排 为 8 翅片/厘米，第三排为 10 翅片/厘米要比三排全 为 8 翅片/厘米结霜量少，而且除霜所需的时间也 短。文献[18]通过对实验数据进行分析，进一步给 出了保证结霜 16 小时以后仍具有 7mm 流通宽度的 各排合理肋距，如表 1 所示。 但是，由于文献[17] 给出的实验条件过于苛刻，因此也限制了其使用范 围。
第 23 卷第 1 期
姜益强，等：延缓空气源热泵机组结霜的研究现状与进展
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该系统可长时间供热运行而无需除霜。
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1、压缩机；2、室外换热器；3、室内换热器； 4、节流机构；5、制冷剂电加热器；6、四通阀；
7、集液器 图 4 带有制冷剂电加热器的热泵示意图
此外，谷波，等[14]分析了不同的管路数导致结 霜厚度对蒸发器出口温度的影响，结果表明，分路 较少的蒸发器由于流动阻力较大，从而出口蒸发温 度降低，同时也使结霜趋于严重。在空气源热泵进 行系统分路以及管路的设计时，应充分考虑这一因 素的影响，尽量合理的使用制冷分配器并合理的设 计管路。 1.2.2 在改变蒸发器结构方面的研究
Research Status of Delaying Frosting for Air Source Heat Pump Jiang Yiqiang, Chai Yongjin, Yao Yang, Ni Long, Ma Zuiliang
（Institute of Heat Pump and Air Conditioning Technology, HIT Haerbing，150001） 【Abstract】 Presents the different delay ASHP frosting methods characteristic, current status home and abroad, and its prospect. Points out the delay frosting methods should be divided three types, and at last gives the shortcomings of these methods and the orientation to solve these problems. 【Keywords】 ASHP；Evaporator；Delaying Frost；Surface treatment
国内外学者在这方面的研究比较少，其中 Byun[13]首先用实验研究了在压缩机出口与蒸发器 入口之间加一旁通管的方法来抑制蒸发器表面结 霜，如图 3 所示。结果表明，通过增加旁通管内的 制冷剂流量，可以抑制蒸发器表面结霜，不过由于 蒸发器入口温度的提高，系统的制热量也会下降。
蒸发器
节
流
阀门
阀
旁通管 压缩机