空气源热泵抑制结霜和无霜化技术详解

空气源热泵抑制结霜和无霜化技术详解

空气源热泵在运行过程中，结霜现象会降低热泵效率，影响机组性能，而除霜过程又是一个耗能的过程。因此，抑制、延缓结霜的技术措施显得尤为重要。本文将介绍几种主要的抑制结霜方法，并结合国内外科研人员的研究成果，概述不同方法的原理与特点。

抑制结霜方法

研究表明，空气源热泵室外机换热器表面结霜需要满足两个条件：一是换热器表面温度低于室外空气的露点温度；二是换热器表面温度低于凝结水的凝固温度（0℃）。基于这一原理，科研人员提出了多种抑制结霜的技术方案。

1. 提高入口空气温度

提高室外侧换热器表面温度是抑制结霜的有效方法。具体实现方式包括：

• 太阳能复合热源热泵：通过太阳能集热系统为蒸发器提供热源，利用太阳能集热装置中高于室外环境的中温水对室外空气进行预热，从而提高蒸发器入口空气温度。

图4-9 传统太阳能复合热源热泵原理图

• 改变换热器结构：采用新型太阳能-空气复合热源换热器，通过制冷剂流道与太阳能热水流道的交错排列，增强换热效果，同时利用太阳能抑制结霜。

图4-10 新型太阳能-空气复合热源换热器

2. 降低入口空气湿度

通过在蒸发器外侧增设吸附床装置，利用活性炭的吸附除湿作用，可以有效降低进入蒸发器的室外空气湿度。吸附床由加热层和带活性炭涂层的沸石板构成，厚度约10cm。随着干燥剂中水蒸气分压力的增大，吸附能力会逐渐降低，此时利用加热装置和蓄热层中的热量为吸附剂解吸，实现多次利用。

图4-11 吸附床和蒸发器示意图

3. 提高冷表面温度

• 增大室外侧换热器面积：通过增大换热器面积，使空气源热泵的蒸发温度升高，从而减少除霜次数和热损失。这一措施在不同地区的应用效果存在差异，华东、中南和西南地区效果显著，华北、华东和华中部分地区效果良好，东北、西北和华北部分地区效果一般。

• 增设旁通管：在热泵机组压缩机出口与蒸发器入口之间加设旁通管，通过注入一部分高温制冷剂到蒸发器入口，提高蒸发器冷表面温度。试验表明，旁通管最佳制冷剂流速为0.2kg/min，可延缓结霜110min。

图4-12 带旁通管的空气源热泵示意图

4. 换热器表面特性处理

换热器表面特性处理主要包括亲水化处理和疏水化处理两种方式。

• 亲水化处理：在换热器表面加亲水涂层，亲水性涂料以高分子羧酸盐负离子作亲水基团效果最佳。亲水铝箔表面的凝结水略早于普通铝箔开始冻结，且霜层生长后期的生长速率略低，除霜效果更好。

• 疏水化处理：在换热器表面加疏水涂层，目前普遍采用的疏水涂层材料包括硅油或硅脂、四氯乙烯(TPEF)、车蜡、改性SiO2等。试验证明，疏水表面上即使出现结霜现象，也要比普通蒸发器壁面霜层稀疏、霜厚增长慢，风阻和热阻增大速度显著降低。

空气源热泵无霜化方法

空气源热泵无霜化的方法主要是通过调节流经室外换热器表面的空气温度和湿度。具体方法包括：

• 固体干燥剂：利用沸石和活性炭构成固体干燥剂吸附床，或在传统翅片管换热器的表面涂干燥剂(硅胶)。主要缺点是干燥剂吸水能力会随时间逐渐削弱，需要定期再生。

• 溶液除霜：利用液体除湿原理，向室外换热器的翅片管喷洒低凝固点的吸水性防冻溶液。虽然可以调节喷淋液温度提高换热器表面温度，但附加能耗导致COP略低于常规系统。

• 压缩除湿、冷却除湿、热管除湿和转轮除湿等技术，因各自的技术特点和应用限制，未能有效用于实现空气源热泵系统的无霜化。

针对固体干燥剂的再生，可用的方法包括：

• 室外设置双换热器，其中一个主要对空气预除湿，另一个对吸附剂进行再生。

• 将蓄热装置引入双室外换热器的热泵系统，通过调节制冷剂流动路径实现干燥剂再生。

图4-13 新型无霜空气源热泵热水器原理

此外，还可以通过换热器结构设置，让制冷剂周期性流入各换热管内，利用风机产生的风破坏霜层的形成过程，进而避免换热器表面结霜。

图4-14 无霜型空气源热泵室外换热器

综上所述，空气源热泵抑制结霜和无霜化技术的研究成果丰富，各种方法各有优劣。在实际应用中，需要根据具体环境条件和使用需求，选择最适合的技术方案。