空氣能熱泵熱水器在冬季運(yùn)行是，由于環(huán)境溫度低，翅片換熱器上會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。由于霜層的存在使得蒸發(fā)器與環(huán)境空氣之間的傳熱熱阻增大，降低蒸發(fā)器吸收能量的能力，因此如果不能及時(shí)有效的除霜，熱泵冬季運(yùn)行效率將會(huì)大大降低。現(xiàn)有的空氣能熱泵熱水器通常采用逆向除霜和熱氣旁通除霜兩種方式，而兩種除霜方式在除霜的過(guò)程中都必須消耗能量，因此如何快速、有效、經(jīng)濟(jì)的進(jìn)行除霜對(duì)提升熱泵熱水器冬季制熱能力和能效具有非常重要的意義。
2.熱氣除霜原理比較
2.1熱氣除霜介紹
在熱泵熱水器系統(tǒng)中常用的除霜形式有熱氣旁通除霜和熱氣逆流除霜。熱氣旁通除霜時(shí)直接控制電磁閥的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)制冷劑流路的導(dǎo)通和斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)除霜和制熱的切換。當(dāng)需要除霜時(shí)打開(kāi)電磁閥實(shí)現(xiàn)制冷劑流路導(dǎo)通，從壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑流入蒸發(fā)器釋放熱量實(shí)現(xiàn)融霜。熱氣逆流除霜通過(guò)四通閥的切換實(shí)現(xiàn)制冷劑的正向、逆向流動(dòng)切換.當(dāng)需要除霜時(shí)四通閥切換制冷劑流向，從壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑流入蒸發(fā)器釋放熱量實(shí)現(xiàn)融霜。
2.2兩種除霜方式能耗除霜時(shí)間比較
我們比較兩種除霜模式的除霜能耗：熱氣旁通除霜和熱氣逆流除霜。現(xiàn)對(duì)某2匹靜態(tài)加熱式熱泵熱水器使用熱氣旁通除霜和熱氣逆流除霜在一個(gè)除霜過(guò)程中的能耗和除霜時(shí)間進(jìn)行比較。
熱氣逆流融霜消耗熱量：
C——水的比熱容，取4.186KJ/Kg·℃;M——水箱內(nèi)水的質(zhì)量，為291.7Kg;T——除霜過(guò)程中水箱水溫下降值，為 0.275℃;P——除霜時(shí)壓縮機(jī)平均消耗功率，為920W;T——除霜時(shí)間，為210s;φ——壓縮機(jī)功率熱能轉(zhuǎn)換效率，φ取=0.9)。
則融霜總消耗熱量為：Q=509.67kJ。
該除霜過(guò)程中壓縮機(jī)消耗電能轉(zhuǎn)化熱量為173.88kJ從水側(cè)吸收熱量為335.79kJ。在該除霜工況下熱泵制熱的平均能效為 3.2W/W,熱泵平均制熱量為3445W。為了補(bǔ)償除霜時(shí)在水側(cè)吸收的熱量，熱泵需要運(yùn)行97.5s，消耗電能104.97kJ。則該除霜過(guò)程中總消耗電能為Q=104965+920×210=298.17kJ，總消耗時(shí)間為307.5s。
使用熱氣旁通除霜模式除霜時(shí)，只有壓縮機(jī)消耗電能轉(zhuǎn)化為熱量除霜。在蒸發(fā)器結(jié)霜情況相同時(shí)，則熱氣旁通除霜時(shí)間為：
Q——除霜總消耗熱量，為509.67kJ;P——除霜時(shí)壓縮機(jī)平均消耗功率，為920W;φ——壓縮機(jī)功率熱能轉(zhuǎn)換效率，φ取=0.9。
所以，除霜時(shí)間t為615.5s，該除霜過(guò)程中總消耗電能為Q=615.5×920=566.26kJ。
因此，從表1中可以看出，每個(gè)除霜周期內(nèi)熱氣旁通除霜比熱氣逆流除霜多消耗時(shí)間308s，是逆流除霜時(shí)長(zhǎng)的2倍左右，同時(shí)多消耗電能268.1kJ。實(shí)驗(yàn)研究表明，在風(fēng)冷冷熱水機(jī)組上，采用逆流除霜方式相對(duì)于旁通除霜方式，可以將除霜時(shí)間由178s縮短到94s[1]，除霜時(shí)間后者是前者的189%，，除霜時(shí)間后者是前者的189%，這個(gè)數(shù)值與在靜態(tài)加熱式熱泵熱水器上的表現(xiàn)是相當(dāng)?shù)摹Ｒ虼藦墓?jié)約能源的角度，逆向除霜不僅消耗更少的電能，而且除霜時(shí)間也更加短。
3.逆流除霜的優(yōu)化控制方案
低溫制熱能力和低溫制熱能效是空氣能熱泵熱水器在低溫工況下的兩條重要性能參數(shù)。制熱能力衰減過(guò)大，機(jī)組制熱水速度下降，甚至連續(xù)工作也不能達(dá)到用戶需求的水溫和水量，嚴(yán)重的會(huì)影響用戶的使用舒適性;低溫制熱能效則直接影響產(chǎn)品使用的經(jīng)濟(jì)性。冬季的室外，干球溫度和相對(duì)濕度每天都在發(fā)生著不同變化，而溫度和濕度的不同必然造成結(jié)霜速度和熱泵制熱能力變化的不同，傳統(tǒng)的除霜控制采用的是定期除霜的方式，只是粗略的保證機(jī)器能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了提高產(chǎn)從圖3中可以看出當(dāng)進(jìn)行熱氣逆向除霜過(guò)程中，水溫溫度下降，瞬時(shí)制熱量會(huì)先出現(xiàn)負(fù)極值然后隨著除霜?jiǎng)幼鹘Y(jié)束，水溫上升速度減緩，瞬時(shí)制熱量會(huì)慢慢下降。
平均單位制熱量：
t0——除霜開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)，s;t1——除霜結(jié)束時(shí)間點(diǎn)，s;t2——下一個(gè)除霜開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)，s。
為了使得平均單位制熱量最大，必須使得d=0。
設(shè)水箱溫度T=f(t),
t0——進(jìn)入除霜前水箱溫度，℃;f(t)——水箱溫度隨時(shí)間的變化函數(shù);t——除霜周期內(nèi)運(yùn)行時(shí)刻當(dāng)=0時(shí)，則平均制熱量出現(xiàn)極大值，處于最大制熱量時(shí)刻：
通過(guò)公式(6)可知除霜結(jié)束后必然存在一個(gè)單位制熱量最大值的時(shí)刻。現(xiàn)對(duì)某熱泵熱水器除霜周期內(nèi)平均制熱量最大化進(jìn)入除霜與采用常規(guī)時(shí)間-溫度(每隔45min進(jìn)入除霜)進(jìn)入除霜條件進(jìn)行比較。
從圖4中可以得出當(dāng)傳統(tǒng)時(shí)間-溫度控制除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)為t1，而采用最大平均制熱量除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)為t2,因此采用最大制熱量除霜模式在一個(gè)除霜周期內(nèi)能夠向用戶多提供的能量為Q(即為圖4中陰影部分)：
圖5為某熱泵熱水器在一個(gè)除霜周期中平均制熱量隨時(shí)間變化曲線，該熱泵運(yùn)行工況為干球溫度-2℃，濕球溫度-3℃。通過(guò)圖5中顯示傳統(tǒng)除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)t1(45min)處的平均制熱量為3033w,而采用最大平均制熱量除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)t2(102min)處的平均制熱量為3345w,使用該方案能夠在一個(gè)除霜周期中將制熱量提高10.2%,同時(shí)還減少除霜次數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出采用最大平均制熱量具有非常大的優(yōu)勢(shì)，能夠在冬季結(jié)霜工況下大大提高能源利用量。
(1)最大平均能效控制法
最大平均單位制熱量只是單純的從輸出能量的角度考慮，由于除霜過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行能量的輸入，因此考慮最大平均能效控制法能夠更加合理的表現(xiàn)除霜過(guò)程中是否節(jié)能最大化。根據(jù)圖3可以得出平均單位能效公式為：
平均單位能效
t0——除霜開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)，s;t1——除霜結(jié)束時(shí)間點(diǎn)，s;t2——下一個(gè)除霜開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)，s;——平均制熱量，kW;pm——平均輸入功率，kW;Qiy——除霜過(guò)程中第i次消耗的能量(計(jì)算值取負(fù)值)，kJ;QiD——除霜結(jié)束后第i次輸入能量，kJ;Piy——除霜過(guò)程中第i 次壓縮機(jī)消耗功率，kW;PiD——除霜結(jié)束后第i次壓縮機(jī)消耗功率，kW;t——取值時(shí)間間隔，一般取5s。
對(duì)于熱泵熱水器系統(tǒng)，壓縮機(jī)輸入功率一般隨著水溫的上升而增大，從圖3中的除霜過(guò)程中水溫的變化曲線可以大致繪制壓縮機(jī)功率隨時(shí)間的變化曲線如圖6。通過(guò)圖公式4可知平均制熱量在一個(gè)除霜運(yùn)行周期中存在一個(gè)先降低后增大然后又降低的過(guò)程，而壓縮機(jī)平均輸入功率是一個(gè)隨著時(shí)間逐漸增大的過(guò)程，因此必然存在一個(gè)極大值。
通過(guò)圖7為對(duì)某熱泵熱水器采用最大平均能效值與常規(guī)時(shí)間-溫度控制除霜方式進(jìn)行比較。
從圖7中可以看出應(yīng)該在平均能效最高點(diǎn)T2(77min)處開(kāi)始進(jìn)入下一個(gè)除霜周期，而不是在T1(45min)處，從圖中可以看出，T1 點(diǎn)處平均COP值為2.84，而T2點(diǎn)處平均COP值為2.92，因此采用新型的除霜控制方案能效比更高，可以實(shí)現(xiàn)更大程度的節(jié)能目的，而采用最大平均能效控制法能夠使得一個(gè)除霜周期內(nèi)提升能效2.8%。
4.結(jié)論
(1)在熱泵熱水器中比較兩種熱氣除霜方式可以看出，逆向除霜不但除霜速度快而且消耗能源少，與旁通除霜相比具有非常大的優(yōu)勢(shì)。
(2)通過(guò)采用最大平均制熱量控制方案作為除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)比目前常規(guī)的時(shí)間-溫度控制方案具有更高的平均制熱量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以使得系統(tǒng)在一個(gè)除霜周期中平均制熱量提高10.2%，相同的時(shí)間內(nèi)可以為用戶加熱更多的熱水。
(3)通過(guò)采用最大平均能效值控制方案作為除霜進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)比目前常規(guī)的時(shí)間-溫度控制方案能效值從2.84提高到2.92，一個(gè)除霜周期內(nèi)提升了2.8%,,具有明顯的節(jié)能效果。
(4)采用最大平均制熱量控制方案和最大平均能效控制方案處理空氣能熱泵熱水冬季結(jié)霜問(wèn)題，可以較好的提高熱水器在結(jié)霜工況的制熱性能，提高產(chǎn)品的舒適性和經(jīng)濟(jì)性。
參考文獻(xiàn)
[1]黃東,袁秀玲.風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組熱氣旁通除霜與逆循環(huán)除霜性能對(duì)比[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào).2006
[2]劉衛(wèi)東.風(fēng)冷熱泵減緩結(jié)霜和優(yōu)化除霜控制[D].上海：上海交通大學(xué).2007(12)
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