低温空气能采暖热泵机组除霜模型分析研究

从北方空气能采暖时热泵机组运行的结构形式，运行特性，结合低温天气的空气情况及空气能采暖热泵在北方运行结霜特点进行分析，找出解决问题的方法。

随着国家对环境工程的越来越重视，北方地区提出“蓝天碧水”工程,国家在北方采暖大力进行煤改清洁能源的推广，空气源热泵系统以电能为驱动力,将室外环境空气作为热源、向室内提供采暖热能。不产生废气排放。因此低温空气能采暖热泵机组是国家重点采暖扶持项目。由于低温空气能采暖热泵的运行环境大部分都在低环境温度下运行，产品结霜对采暖效果有严重的影响，因此建立可靠的除霜模型尤为重要。

除霜过程主要特性是各部件制冷剂的质量迁移和压力变化,以及蒸发器表面霜层与翅片管壁和周围空气的热介质传递过程。这一过程中系统各部件的运行会相互影响,相互制约,是一个高度复杂的部件耦合过程，主要经历四个阶段:
1）结霜表面的预热阶段;
2）管壁温高于0℃的融霜阶段;
3）融霜完全融化后的蒸发阶段;
4）表面水蒸发结束后的干热阶段。

因此，除霜模型会对采暖机组的性能造成重要的影响。优质的除霜模型会大大提高产品能力及其能效建立一个良好的除霜模型，我们需要从各个方面分析。

首先，从产品运行环境着手，低温型空气能热泵采暖机组，主要运行工况在低温度环境下，可对比空气在环境温度发生变化时，空气含湿量的变化不同环境干球温度下饱和湿空气的含湿量表。因此，根据焓温图以及含湿量表，可以绘出环境温度的空气参数与机组运行时的结霜情况的关系图。

如上表、上图所示，在低环境温度下，特别是在环境温度低于-15摄氏度以下时，空气的含湿量非常小，产品失去快速结霜的基础。

其次，我们从低温型采暖热泵的结构模型进行分析，低温型采暖热泵结构模型如下图所示：

现在大部分厂家的低温空气能热泵产品的除霜模型有以下两种：

一是定时除霜控制模型。早期采用的方法,在机组运行时，根据室外温度TW的情况，在TW低于一定温度，设定机组运行了固定的时间后，马上进入除霜模式，因此,必然产生不必要的除霜动作，这种除霜模型在早期的产品比较常见。

二是时间+温度法除霜控制模型。这是目前普遍采用的一种方法。在室外环温TW低于一定的温度时，当盘管温度TP及热泵制热时间均达到设定值时,开始除霜。这种除霜模型在现在的产品进行了广泛应用。这种方法虽有进步,但由于检测盘管温度设定为定值,不能兼顾环境温度高低和湿度的变化。

在环境温度不低而相对湿度大时或环境温度低而相对湿度较小时不能准确的把握除霜切入点,并且由于蒸发器在室外，一定会受到低温环境的干扰，产生误操作造成不必要的除霜。而且这种方法对产品分流和盘管温度传感器TP的安装位置比较敏感。常见的是在中部位置安装,易造成结霜结束的判断不准确,造成除霜不良。

虽然以上两种模型在现在市场的产品非常常见，但这两种模型的缺点也非常明显，所以我们要找到更好除霜模型。

前面已经分析下，蒸发器在低温时的结霜速度与温度、相对湿度和风速有直接关系。在相同的相对湿度和风速下，环境温度越低，湿空气结霜速度越快；在相同的温度和相对湿度下，风速越小，湿空气结霜速度越快；在相同的温度和风速下，相对湿度越高，湿空气结霜速度越快。

换热器的传热系数与霜层厚度有直接关系，空气源热泵换热器的传热系数越大，传热效果越好。传热系数计算公式为

αR：制冷剂传热系数，w／(m2·℃)；δT：为传热管的竖直厚度，m；
λT：为传热管(铜)的导热系数，387W／(m·℃)；δB：如为冰霜层的竖直厚度，m；
λB：为冰霜层的导热系数，2.22W／(m·℃)；
αK：空气传热系数，W／(m2·℃)。

因此，在空气源热泵换热器的材料及厚度，空气的温度、湿度、风速等参数都相同情况下，换热器的传热系数K与冰霜层的导热系数λB和冰霜层厚度δB如有关。由于冰的导热系数只有铜的0．57％，所以冰霜层对换热器的传热效果有很大的影响，冰霜层厚度越小，换热器的换热效果越好。

那么可知，当热泵机组运行时，如果室外蒸发器已经开始结霜时，盘管温度必将下降，根据这个原理，建立第一种除霜模型控制——自修正除霜模型控制，这种模型需要考虑四个除霜控制参数:M1：热泵连续运行需要除霜的最小运行时间;M2：最大除霜运行时间；△t1：盘管温度与环境温度的最大设定值；t0：结束除霜盘管温度。

除霜判定：热泵连续运行时间大于M1时，且盘管温度与室外温度差△t1=TW-TP大于值设定时,开始除霜;除霜运行时间等于M2或盘管温度TP>t0时结束除霜。自修正是指根据制冷系数,结构参数和运行环境等,结合除霜效果对△t1修正。这种除霜方式是现阶段比较前沿的除霜方法，大幅减少了不必要的除霜次数和除霜能量损失。

但由于除霜的温度比较点都在室外采样，同样存在对探头安装位置敏感并受到产品的分流情况的限制，而且采样都在室外，同样受到室外温度的干扰，容易产生除霜误操作。同理，当蒸发器结霜时，蒸发温度必然下降，机组蒸发温度下降时，会导致机组能力的下降，下表是某品牌压缩机性能参数表

从上表可以看出，蒸发温度的变化，对压缩机的能力有着较大的影响，远比冷凝温度变化影响大得多。因此可以另外建立一个新型除霜模型——能力自较准除霜模型，这种模型需要考虑四个除霜控制参数:
M1：热泵连续运行需要除霜的最小运行时间;
M2：最大除霜运行时间M2；
△t2:出水温度与进水温度的最小温度设定置差值；
t0：结束除霜盘管温度；

除霜判定:热泵连续运行时间大于M1时，且出水温度与进水温度差T2-T1＝△t2时,开始除霜;除霜运行时间等于M2或盘管温度TP>t0时结束除霜。这种除霜方式的经过校准机组能力衰减情况进行除霜判定，判断依据是进水和出水温度差，这两个温度都会进行比较好的保温，所以会得到比较精确的数据，大幅减少了不必要的除霜次数和除霜能量损失。并且受干扰程度小于其它除霜模型。是一种非常可靠除霜模型。

将以上这种四种除霜模型在实验机进行实验，M1：热泵连续运行需要除霜的最小运行时间的设定值为45min;M2：最大除霜运行时间设定值为10min;t0：结束除霜盘管温度为16℃；我们得到如下数据：