小型分体式空气源热泵除霜能耗来源分析与计算★

秦冰月 韩志涛 徐萌 相贝 刘昱 吴京京

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

1 概述

空气源热泵属于环保节能型供热设备，其热量来源于室外空气，无污染物排放，符合生态供暖的理想模式。当前，我国空气源热泵应用日趋广泛，在建筑节能，替代燃煤供热等重大民生工程中发挥着越来越重要的作用。但是，空气源热泵在室外低温高湿环境运行时，室外换热器会结霜，导致其供热性能下降，需要周期性除霜来保证热泵的正常运行。除霜的可靠性与稳定性是保证空气源热泵在各地区、各种气象条件高效运行的一个关键问题。

从近些年来空气源热泵应用的实践过程来看，其结霜、除霜问题远没有得到很好的解决，尤其在中重度结霜时的恶劣工况下，除霜时往往除不干净，主要表现为室外侧换热器往往滞留一部分化霜水分，再次供热时在室外侧换热器底部还会结成不易融化的冰层，增加了室外换热器的换热热阻，对空气源热泵的供热质量构成严重影响。目前空气源热源的结霜、除霜已成为业内研究的一个热点［1-3］。空气源热泵从容量大小来看主要可以分为两大类，一类是大中的空气源热泵热水机组，另一类是小型的分体式空气源热泵。因为安装方便灵活、造价低等优点，近年来小型的空气源热泵得到了广泛的应用。因为小型空气源热泵供热时室内侧换热器作为空冷型冷凝器，直接与供热环境的空气进行热交换方能制取热量，其除霜时换热器作为蒸发器时的蒸发特性对供热环境的影响更加直接、快速。在小型分体式空气源热泵(制热量在5 kW以下)实际运行中，除霜结束时往往有“冷风”吹出，影响室内环境的热舒适性。从空气源热泵除霜运行实践来看，有必要对其除霜时能量的来源进行深入的探讨。除霜的能量是由热泵系统哪些部件提供，各部件供能的品质如何，数量是多少。只有在准确分析除霜能量特性的基础上，才能有针对性地解决除霜系统存在的除霜不净，室内机吹冷风等问题。

2 热泵除霜能量来源分析

从压焓图上蒸汽压缩式热泵理论循环过程可以看到，空气源热泵逆循环热气除霜时，节流后的制冷剂依次流经蒸发器(室内侧换热器)和压缩机，其比焓的增加主要来自于蒸发吸热和压缩机对制冷剂作功两大部分。为了便于采用实验参数辅助计算，制冷剂蒸发过程中获得的热量又可以细分为两部分:室内换热器翅片管及管路部件蓄存的热量和从室内空气中吸收的热量。这样，分体式空气源热泵的能量来源可以分为以下3个方面:

1)除霜初始阶段，制冷剂吸收尚处于高热状态的室内换热器翅片管及管路等部件蓄存的热量Qsys。2)除霜中后期，室内侧换热器表面温度降至室温以下后，制冷剂通过室内换热器翅片管与室内空气在自然对流换热工况下，从供热环境中吸收热量Qevr。3)压缩机对制冷剂作功，制冷剂内能增加的获得的除霜热量Qcom。

2.1 热泵部件温降贡献除霜热量

热泵系统正常供热时，室内换热器及其进气、出液管路均处于高压、高热状态，即使结霜后期，一般情况下系统高压侧部件的平均温度也高于30℃。除霜初期，首先是节流后的气液混合的制冷剂与这些部件管壁换热，导致换热器翅片管降温。当系统室内换热器连接管路长度的增加时对除霜是有利的，铜管本身可以贮存一定的热量，可以在除霜开始阶段提供更多的热量。此部分热量用Qsys表示，其计算公式为:

其中，Qfip为制冷剂从室内换热器翅片管吸收的热量;Qhpg为制冷剂从室内换热器进气管吸收的热量;Qhpl为制冷剂从室内换热器出液管吸收的热量。以上三部分热量折算成热泵每单位名义制热功率下室内换热器翅片管提供的热量，其单位均可表示为kJ/kW。

室内侧换热器翅片管通常由铜管和整体套片式的铝翅片两部分构成，则Qfip可表示为:

其中，ΔT为除霜开始至终止时刻，室内换热器翅片管表面与室内环境温度的平均温差;m和c则分别为所用材料的质量和比热。

2.2 制冷剂蒸发从室内空气中吸收的热量

常规结霜(中等霜量)除霜时，室内换热器平均蒸发温度低于－5℃，重度结霜时则更低。可见除霜时室内换热器表面和供热环境之间有近25℃的温差，而且室内换热器翅片管总表面积较大。这样，即使除霜时室内侧换热器的风机停机，室内侧换热器处于自然对流状态，除霜时制冷剂吸收室内供热环境的热量Qevr还是很大。实验中通过温度传感器可以比较精确地测得除霜各时刻室内换热器的壁面温度及进出口空气温度。将整个除霜持续时间分为n个时段，每个时间间隔为Δτ，约为3 s～5 s，在Δτ时段内，可近似认为整个换热器的壁面平均温度，自然对流过程中通过换热器表面的进出口空气温度不变。第i个时段内Qevr－i可由空气侧对流换热基本方程式(3)计算:

此情况下对流换热系数αi的计算方法有两种:

1)把整体套片式室内换热器看成由水平铜管(外套铝片)和垂直铝翅片两部分组成。由自然对流换热实验关联式(4)及式(5)［4］联合计算水平铜管和铝翅片与空气的自然对流换热系数。

式(4)和式(5)中的C，n均是由实验确定的常数。

这种计算方法的缺点是计算得到的对流换热系数αi的值会比实际值偏大。因为实际上各翅片间距很小，每张翅片与空气的自然对流会相互影响而使对流边界层的充分发展受限，导致自然对流作用减弱，而式(5)是适用于大空间的关联式，并不包含自然对流间相互影响。

2)可采用受迫流动实验关联式计算对流换热系数，只是采用较低的迎面风速。对于叉排整体式翅片管可按式(6)，式(7)［5］计算αi:

最后，得到Qevr:

2.3 压缩机作功贡献除霜热量的分析与计算

压缩机对制冷剂作功时要产生各种能量损失，即电动热泵的总耗功只有一部分转换成制冷剂压缩时获得的能量。在除霜实验中比较容易测得压缩机除霜各时刻的实时功率，还要求出压缩机的各种效率之积的总效率，再考虑除霜时压缩机在不同功率下运行的时间，才能近似求出制冷剂从压缩机提供的除霜能量。

此类小型全封闭式压缩机能量损失主要是电机损失、摩擦损失、非等熵压缩损失。总的能量损失可用总效率η∑表示，η∑表示为电机效率ηe、摩擦效率ηm、指示效率ηi之积。近似计算时，根据相关的经验公式，常用的小型滚动转子式压缩机，η∑ 取0.55～0.66 作为总效率值即可［6］。

除霜实验时，每间隔时长Δτ，采用数字功率计自动记录压缩机即时功率，在这微小时长内可认为压缩机功率wi不变，则经过总的除霜时长nΔτ后，压缩后气态制冷剂获得的能量Qcom可以表示为:

对于结霜量较大的常规除霜，除霜热量的大小主要和除霜时压缩机的功率成正比，霜层融化时室外侧的换热器冷凝温度比较低，相应的冷凝压力也比较低(约为0.8 MPa)，导致压缩机吸排气压力均低(约为0.2 MPa)，压缩机功率也会较低。所以小型热泵常规除霜时压缩机的输入功率较低，为了获得较好的除霜效果，需要相应地增加除霜时间。

3 结语

通过以上对空气源热泵除霜理论分析，对分体式空气源热泵的除霜能耗来源可以分成三部分:1)压缩机作功;2)从室内供热环境吸热;3)热泵系统部件制热工况时贮存的热量。一般情况下，热泵系统部件贮存的热量较少，则前两部分构成了除霜热量的主要来源。

［1］N.Hoffenbecker，S.A.Klein，D.T.Reindl.Hot Gas Defrost Model Development and Validation，Int.J.of Refrigeration，2005，28(3):605-615.

［2］韩志涛.空气源热泵常规除霜与蓄能除特性实验研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学博士论文，2007.

［3］姬长发，黄 东，袁秀玲.风冷热泵冷热水机组结霜与除霜性能的实验研究［J］.西安交通大学学报，2005，39(5):480-484.

［4］J.P.Holman.Heat Transfer.China Machine Press，2005:321-323.

［5］陆亚俊，马最良，姚 杨.空调工程中的制冷技术［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，1997:111-112.

［6］吴业正，李红旗，张 华.制冷压缩机［M］.第2版.北京:机械工业出版社，2010:24-26.