彭光前，王現(xiàn)林，王喜成，車雯，王銳鋒，于琦

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

我國五大氣候分區(qū)中，嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)冬季都需要采暖［1］。其中尤以“夏熱冬冷地區(qū)”最為特殊，人口達5.5億，國內生產(chǎn)總值約占全國的一半［2］，但屬于非集中供暖區(qū)，空氣源熱泵空調是該區(qū)域冬季采暖的主要設備。

然而，夏熱冬冷地區(qū)冬季低溫高濕，有近2.5個月的氣溫低于5℃，平均相對濕度80%左右，處于重霜區(qū)［3-5］。空氣源熱泵空調制熱期間外機易結霜，引起換熱器霜堵，熱阻增大，制熱量衰減，舒適感變差。而傳統(tǒng)的空氣源熱泵空調除霜方式為制冷逆循環(huán)，從室內吸熱，實測數(shù)據(jù)表明室內換熱器管溫最低達-25℃［6］，又進一步加劇了不舒適感。

外機結霜已成為空氣源熱泵空調在夏熱冬冷地區(qū)采暖應用的痛點問題，嚴重影響用戶的使用體驗。針對該問題，一些學者進行了深入的研究，并提出了多種除霜方案，本文將對其中具有代表性的幾種方案進行介紹，并與傳統(tǒng)的制冷逆循環(huán)除霜方式進行比較分析。

1 熱氣旁通除霜

與傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)不同，熱氣旁通除霜空氣源熱泵系統(tǒng)在內機換熱器的兩側增設了熱氣旁通管路［6］。除霜期間，壓縮機排出的部分高溫高壓氣態(tài)冷媒通過熱氣旁通管路直接進入外機換熱器進行融霜，主要熱量來源于壓縮機消耗的電力和制熱期間壓縮機缸體的蓄熱。

因四通閥不換向，所以熱氣旁通除霜期間內機換熱器溫度較高，不會從室內吸熱，且除霜結束后內機可快速恢復正常制熱，縮短防冷風時長，提高舒適性體驗。

但熱氣旁通除霜期間系統(tǒng)高壓高于傳統(tǒng)的制冷逆循環(huán)除霜，所以壓縮機底部過熱度較小，出現(xiàn)液擊的風險變大，需對壓縮機氣液分離器的儲液量進行設計，并輔以特殊的壓縮機頻率和膨脹閥開度控制策略，以緩解液擊的危害。

圖1 熱氣旁通除霜系統(tǒng)

2 蓄熱除霜

與傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)不同，蓄熱除霜空氣源熱泵系統(tǒng)內設有蓄熱器，制熱期間通過壓縮機缸體或排氣管路蓄積熱量［7］?；陂g，壓縮機排出的高溫高壓氣態(tài)冷媒途徑內機換熱器和膨脹閥先進入外機換熱器進行融霜，然后再進入蓄熱器吸熱蒸發(fā)，最后回到壓縮機中，完成一次完整的化霜循環(huán)。

與熱氣旁通除霜一樣，蓄熱除霜期間四通閥不換向，所以也不會從室內吸熱，具有恢復正常制熱速度快的優(yōu)點。增設的蓄熱器在除霜期間為蒸發(fā)端，為外機除霜提供熱量，因此除霜可靠性優(yōu)于熱氣旁通除霜。

圖2 蓄熱除霜系統(tǒng)

蓄熱除霜本質上是在時間維度上對熱泵機組的制熱量進行周期性的調配，效果的好壞取決于蓄熱器的蓄熱量大小及吸放熱速度的快慢，且蓄熱階段應盡可能減小對機組正常制熱的影響。

3 超聲波除霜

超聲波是頻率在20kHz到1014Hz的聲波，具有高頻、低振幅的振動特點。其“機械效應”、“熱效應”和“空化效應”可干擾早期的霜晶體生長，將羽毛狀的霜晶體折斷，起到抑制結霜的效果。

文獻［8］中介紹了超聲波除霜技術在家用空氣源熱泵空調上的應用嘗試。通過在外機換熱器表面增設超聲波換能器，并施加一定頻率的超聲波，驗證超聲波對換熱器表面霜層的去除效果。實測結果表明，超聲波有效作用區(qū)域內霜晶體可以去除，且除霜效率是傳統(tǒng)的制冷逆循環(huán)除霜的7～29倍，同時除霜期間內機制熱不間斷。

圖3 室外側實驗裝置

但超聲波去除的霜會沉積在換熱器底部，形成霜堆，長期運行會造成外機底盤凍結。需要設置底盤融霜裝置，輔助超聲波換能器進行除霜，將積霜融化成水排走。亦或設置高壓空氣發(fā)生裝置，通過壓縮空氣將換熱器底部的積霜吹走。此外，超聲加載模式、布置方式及頻率選擇需要根據(jù)換熱器的形狀、大小進行優(yōu)化設計，超聲波的“機械效應”引起的震動、噪聲影響也需要進行深入的研究。

4 外風機反轉除霜

傳統(tǒng)的制冷逆循環(huán)除霜主要是通過自內向外的熱傳導實現(xiàn)，在其基礎上，文獻［9］提出了外風機反轉的輔助除霜方式。通過強制對流的形式，將多層換熱器內排部分的熱量傳遞給外排換熱器除霜。

在結霜運行期間，外機換熱器的外排（迎風側）先結霜，內排換熱器后結霜，且霜層很薄。而制冷逆循環(huán)除霜時，壓縮機排出的高溫高壓制冷劑氣體依次進入換熱器的內排和外排進行融霜。因內排換熱器的霜層薄，且流經(jīng)的制冷劑溫度高，所以融霜速度很快，表面溫度升的較高，此時通過外風機反轉，將內排換熱器的熱量吹給外排換熱器，可加速外排換熱器的除霜。

圖4 外風機反轉除霜

空氣對流換熱的機理決定了內排換熱器吹出的熱量無法全部用于外排換熱器融霜，且損耗會大于傳統(tǒng)的自內向外的熱傳導方式。但對于去除與換熱器表面不接觸，無法通過傳導的方式直接融掉的冰霜，是一條較好的途徑。該技術的實際應用過程中，外風機反轉的時機及風速大小需進行合理的設定，以降低系統(tǒng)熱量的損耗。

5 輔助熱源除霜

文獻［10］提出了一種輔助熱源除霜系統(tǒng)，與傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)不同，在膨脹閥和冷凝器之間增設了電加熱器。除霜期間電加熱器開啟，可以在四通閥不換向的情況下，同時實現(xiàn)供熱和除霜，可靠性較好，有效避免壓縮機發(fā)生液擊。

實測結果表明，輔助熱源除霜仍舊可以持續(xù)供熱，且除霜前后人員活動區(qū)域空氣干球溫度波動不足常規(guī)系統(tǒng)的40%，較大程度改善了低溫高濕工況下熱泵供暖的舒適性。

圖5 輔助熱源除霜系統(tǒng)

輔助熱源的開啟會增大能耗，所以在該技術的實際應用過程中，需制定相應的策略以實現(xiàn)在舒適和節(jié)能之間尋求平衡，如限定在結霜過于頻繁的情況下才允許自動開啟，或設計成用戶手動選擇開啟的模式。

6 結論

本文對“熱氣旁通除霜”、“蓄熱除霜”、“超聲波除霜”、“外風機反轉除霜”和“輔助熱源除霜”的原理進行了介紹，并與傳統(tǒng)的制冷逆循環(huán)除霜方式進行了比較分析。

熱氣旁通除霜期間不從室內吸熱，所以室內熱舒適性較好，但壓縮機底部過熱度較小，出現(xiàn)液擊的風險大。蓄熱除霜期間同樣不從室內吸熱，蓄熱器的熱量可用于除霜，壓縮機發(fā)生液擊的風險小，但蓄熱器會占用空間，且蓄熱時會對機組的正常制熱造成一定的影響。超聲波除霜期間可以維持機組正常制熱不間斷，因此熱舒適性最好，且除霜效率高，但會在換熱器底部形成霜堆，需要輔助其他除霜方式消除霜堆的影響。外風機反轉除霜可以清除與換熱器脫離接觸的冰霜，但在熱舒適性方面沒有起到明顯的改善作用，同時還會增大系統(tǒng)的熱損耗。輔助熱源除霜期間可同時兼顧供熱和除霜，達到持續(xù)制熱不停機化霜的效果，但需要對輔助熱源的開啟時機進行合理的控制。在工程應用中可根據(jù)自身的需求、應用環(huán)境、經(jīng)濟性等方面綜合分析，選擇最適宜的除霜方式。