風冷熱泵冷熱水機組由于具有節(jié)能兼顧供冷供熱、使用靈活、方便、初投資少、所占空間小等優(yōu)點在我國大部分地區(qū)得到廣泛的應用。但風冷熱泵機組冬季制熱運行遇到的*大問題是蒸發(fā)器表面結(jié)霜，由于霜層的形成與增長，加大了蒸發(fā)器表面與空氣間的傳熱熱阻，增加了氣流通過蒸發(fā)器時的流動阻力，使通過蒸發(fā)器的空氣流量下降，換熱效率明顯降低，導致由空氣和蒸發(fā)器之間換熱量下降，熱泵機組的工作狀況惡化，甚至不能正常工作。因此風冷熱泵在結(jié)霜條件下運行時必須適時除霜。

　　目前對風冷熱泵機組常用的除霜方法是通過系統(tǒng)逆向循環(huán)（制冷循環(huán)）來實現(xiàn)。但這種傳統(tǒng)的四通閥換向除霜方法存在一系列弊端：由于四通閥換向，制冷系統(tǒng)原來的高低壓部分切換，這使制冷系統(tǒng)出現(xiàn)“奔油”現(xiàn)象，降低系統(tǒng)的可靠性和使用壽命；除霜時制冷劑要從供熱系統(tǒng)中吸取熱量用于除霜，造成供熱水溫度急劇波動，因而影響了空調(diào)系統(tǒng)的舒適性；同時從除霜開始到除霜結(jié)束，四通閥要動作2次，系統(tǒng)的高低壓同時也切換2次再重新建立平衡，這不僅造成能量損失而且使系統(tǒng)除霜過程總的時間加長。因此，除霜方法、除霜控制策略、新型除霜方法的開發(fā)成為熱泵空調(diào)系統(tǒng)的研究重點之一。

　　但縱觀國內(nèi)外的各種研究，大多是圍繞逆向除霜方式進行或?qū)ζ溥M行改進，但逆向除霜方式所固有的各種弊端（因四通閥換向帶來的）*終無法消除。所以為解決傳統(tǒng)四通閥換向除霜方式給風冷熱泵系統(tǒng)所帶來的諸多弊端，提高機組的綜合性能，研制開發(fā)出新的除霜方式具有重大意義。

　　為此作者開發(fā)出一種新型除霜方式DDD顯熱除霜。對顯熱除霜方式與逆向除霜方式進行了對比試驗，試驗表明顯熱除霜方式與逆向除霜方式相比不僅解決了逆向除霜方式所存在的各種弊端，而且在除霜時間、舒適性方面具有很大優(yōu)越性。

　　本文將采用理論分析與試驗研究的方法對顯熱除霜過程所需能量進行深入研究，同時將其與逆向除霜過程所需能量進行比較。

　　1顯熱除霜原理及工作過程分析分析傳統(tǒng)除霜方式，可以發(fā)現(xiàn)目前除霜方式的弊端主要歸因于四通閥換向。就此作者提出一種新型的除霜方式DDD顯熱除霜方式。

　　顯熱除霜是指利用制冷系統(tǒng)壓縮機排氣管至電子膨脹閥前的旁通回路，將壓縮機的高溫高壓排氣直接引到電子膨脹閥前，再經(jīng)過電子膨脹閥的等焓節(jié)流將壓縮機排氣引入空氣換熱器中，利用壓縮機排氣的熱量將空氣換熱器翅片側(cè)的霜層除掉，同時通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥控制制冷劑流量，保證制冷劑在空氣換熱器中只進行顯熱交換而不進行冷凝。

　　在除霜過程中四通閥不需換向，這樣原有因為四通閥換向除霜所帶來的各種問題都得到了解決。顯熱除霜的熱量來源為壓縮機所做出的功和壓縮機殼體蓄熱量2部分。顯熱除霜過程的循環(huán)原理如所示。可以看出，顯熱除霜循環(huán)在壓焓圖上可以近似表示為4個過程：過程122表示壓縮機的壓縮從起始到終止的過程，在該過程中制冷劑從低溫低壓的氣體壓縮成高溫高壓的氣體；過程223表示高溫高壓的制冷劑氣體經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流后成為高溫低壓的氣體；過程324表示高溫低壓的制冷劑氣體在空氣換熱器中降溫，放出熱量，同時這也是換熱器翅片上霜層融化的過程；過程421是表示制冷劑從吸入壓縮機到開始壓縮的過程，此時溫度升高。

　　2顯熱除霜方式能量分析與逆向除霜方式耗能對比211蒸發(fā)器除霜過程中所需總能量分析根據(jù)Krabow等的實驗研究發(fā)現(xiàn)，整個除霜過程中，蒸發(fā)器表面會依次出現(xiàn)結(jié)霜、融化、濕表面和干表面狀態(tài)。因此整個過程也可以分為4個階段：預熱階段、融化階段、蒸發(fā)階段和烘干加熱階段。

　　從能量角度看，融霜過程中熱量由制冷劑傳遞到管壁，一部分能量被管壁吸收，一部分由管壁傳遞出來融化霜層，或者蒸發(fā)換熱器表面的水分，還有一部分散發(fā)到空氣中。

　　根據(jù)以上過程，可將融霜過程能量用方程表示為Q r = Q s + Q c + Q f + Q v（1）Q s = C dT dt（2）Q c =αc A c（ T w - T a）（3）Q f =αw A c（ T w - T f）（4）Q v = R v h fg（5）式中， Q r為制冷劑側(cè)向管壁的傳熱量，也就是除霜所需的總熱量； Q s為管壁儲存的熱量； Q c為管壁與空氣的對流換熱； Q f為霜層融化所需吸收的熱量；Q v為水分蒸發(fā)所需的熱量； C為管壁熱容； T w為管壁溫度， T f為制冷劑溫度； h fg為水的氣化潛熱； a w和R v分別為霜層和管壁直接的傳熱系數(shù)和水分的氣化速率。

　　為確定顯熱除霜方式的效果和性能，本文將顯熱除霜方式與逆向除霜方式在同等條件下進行對比。同等條件是指在相同環(huán)境溫度、濕度下，熱泵機組運行相同的時間。這樣在結(jié)霜程度相同的條件下，分析2種除霜方式除霜所需的能量。

　　由顯熱除霜循環(huán)原理圖與逆向除霜循環(huán)原理圖在壓焓圖上的表示可以看出，運行逆向除霜循環(huán)時制冷劑從壓縮機排出后直接進入蒸發(fā)器，而運行顯熱除霜循環(huán)時制冷劑是從壓縮機排出后，經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流后才進入蒸發(fā)器（這就造成制冷劑不僅降壓而且溫度也有降低） ，這樣的區(qū)別就造成顯熱除霜循環(huán)時進入蒸發(fā)器的制冷劑溫度比逆向

　　除霜循環(huán)制冷劑溫度更低。通過分析2種除霜方式，在蒸發(fā)器結(jié)霜程度相同的情況下，本文假定：①蒸發(fā)器表面結(jié)霜量相同；②霜層融化后兩者在蒸發(fā)器表面剩余的水分相同。由假定①可得出在除霜過程中Q f相等，由假定②可得出Q v相等。

　　由前面分析得出2種除霜方式中，顯熱除霜時進入蒸發(fā)器的制冷劑溫度低于逆向除霜時進入蒸發(fā)器的制冷劑溫度，由式（2）、式（3）可得出顯熱除霜時的Q s和Q c比逆向除霜時的Q s和Q c要小。則顯熱除霜時的Q r小于逆向除霜時的Q r。因此由上面分析可以得出在相同結(jié)霜程度下顯熱除霜循環(huán)比逆向除霜循環(huán)所需要的熱量要少。

　　212兩種除霜方式的除霜能量分析由前面分析可知，采用不同的除霜方式，在同等條件下所需的除霜熱量不相等。同樣，運行不同的除霜方式，除霜所需的熱量組成和來源也不盡相同。假定逆向除霜循環(huán)用下標n表示，顯熱除霜循環(huán)用下標x表示，下面分別對2種不同的除霜循環(huán)的除霜能量進行建模對比分析。

　　1逆向除霜方式在逆向除霜過程中，除霜所需的熱量主要由2部分組成：Q n = Q y1 + Q sh（6）式中， Q y1為逆向除霜期間壓縮機所做的功； Q sh為逆向除霜期間從冷媒水中吸取的熱量。

　　假定逆向除霜時間為t n1，除霜過程中壓縮機平均功率為W n1，則Q y1 = W n1 t n1（7）作者認為考察除霜方式所花費的除霜時間應該為從系統(tǒng)開始除霜到結(jié)束除霜并將系統(tǒng)恢復到除霜前狀態(tài)所花費時間的總和，而不僅僅是開始除霜到結(jié)束除霜所花費的時間。

　　因此逆向除霜循環(huán)結(jié)束后，系統(tǒng)還需花t n2的時間運行制熱循環(huán)使系統(tǒng)恢復到除霜開始前的狀態(tài)，即將冷媒水升溫到除霜前的溫度。因此有Q sh = Q y2 + Q a2（8）式中， Q y2為系統(tǒng)恢復除霜狀態(tài)時壓縮機所做的功； Q a2為這期間系統(tǒng)從環(huán)境吸取的熱量。

　　在系統(tǒng)運行制熱循環(huán)加熱冷媒水恢復除霜前水平時，因系統(tǒng)剛將四通閥切換，不是穩(wěn)定運行，機組制熱循環(huán)CO P平均取2（由樣機四通閥切換動態(tài)過程取平均得出）。

　　假定逆向除霜系統(tǒng)恢復時間為t n2，恢復過程中壓縮機平均功率為W n2，則有Q y2 = W n2 t n2（9）Q sh = 2 W n2 t n2（10）逆向除霜所帶來的各種弊端諸如“奔油”等現(xiàn)象，分析其根源在于四通閥的換向。

　　在整個除霜過程中四通閥需進行2次換向，在每次換向的過程中，系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器就必須進行一次交換，換熱器內(nèi)由高溫高壓變?yōu)榈蜏氐蛪?，或者由低溫低壓變?yōu)楦邷馗邏海到y(tǒng)原有的循環(huán)被破壞，必須通過壓縮機做功重新建立壓力和溫度分布，這就造成了制冷系統(tǒng)在換向過程中大量能量損失。

　　定義系統(tǒng)四通閥換向所帶來的損失為Q sun， n，則有Q r， n = Q n - Q sun， n Q r， n = Q y1 + Q sh - Q sun， n Q r， n = W n1 t n1 + 2 W n2 t n2 - Q sun， n（11）分析制冷系統(tǒng)四通閥的換向過程，在四通閥換向時，蒸發(fā)器和冷凝器中壓力互換，溫度互換。

　　可以將其當作是制冷系統(tǒng)一個停機過程和一個開機過程的組合。在逆向除霜過程中的2次四通閥換向所帶來的能量損失就可等同于制冷系統(tǒng)2次開停機所帶來的能量損失。因此本文研究空調(diào)器啟停過程能量損失方法的基礎上研究四通閥換向給系統(tǒng)帶來的能量損失。

　　郭憲明等為了研究空調(diào)系統(tǒng)啟停損失，通過求解系統(tǒng)啟停動態(tài)過程得出的壓力變化曲線計算出啟動過程中制冷量、CO P隨時間的變化曲線以及停機過程中系統(tǒng)制冷量隨時間的變化曲線。

　　為評估能量損失，引入了能量損失率R loss：即一個循環(huán)周期中由于系統(tǒng)的啟停引起的制冷量損失占系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)制冷量Q cyc的比值，即

　　R loss = t on Q cyc -∫t on 0 q cyc q 0 dt +∫t off 0 q cyc q 0 dt t on Q cyc（12）定義T cyc為系統(tǒng)啟、停周期； T on， T off分別為系統(tǒng)一個啟、停周期內(nèi)壓縮機工作時間和停機時間； F n = t on /T cyc為啟動比，可近似為相同室內(nèi)外氣象條件下空調(diào)負荷與空調(diào)機穩(wěn)態(tài)制冷量之比； f r = 1 /T cyc為系統(tǒng)啟停頻率（次/h）。

　　則式（12）可寫成R loss = 1 -∫t on 0 Q cyc Q 0 dt -∫t off 0 Q cyc Q 0 dt f r F n根據(jù)實驗和計算得出系統(tǒng)啟、停過程中的能量損失系數(shù)R loss隨F n及f r的變化曲線。

　　在已知F n及f r的情況下可由曲線得出系統(tǒng)能量損失率，再乘以一個循環(huán)周期內(nèi)的系統(tǒng)制冷量就可以得出系統(tǒng)因為啟停所造成的具體的能量損失。

　　逆向除霜1次可等價于系統(tǒng)啟停2次，由除霜周期和除霜時間可確定F n及f r，由此可得出逆向循環(huán)能量損失的比例。

　　2顯熱除霜方式由顯熱除霜循環(huán)原理的P 2 h上可以看出，在顯熱除霜過程中，除霜所需的熱量為Q x = Q y3 + Q xu（13）式中， Q y3為顯熱除霜期間壓縮機所做的功； Q xu為壓縮機的蓄熱。因考慮到考察除霜時間的標準是制冷系統(tǒng)從開始除霜到結(jié)束除霜并將系統(tǒng)恢復到除霜前水平所花的時間，因此在考察除霜時間時，顯熱除霜的熱量來源僅僅是壓縮機所做的功，因為即使在顯熱除霜過程中壓縮機蓄熱提供了除霜熱量，但結(jié)束除霜后系統(tǒng)恢復到除霜前水平時仍然要將熱量補充回去。

　　所以從時間考慮，顯熱除霜的熱量來源主要是壓縮機所做的功。

　　假定逆向除霜時間為t x1，除霜過程中壓縮機平均功率為W x1，則有Q x = W x1 t x1因在顯熱除霜過程中，冷凝器和蒸發(fā)器的溫度、壓力分布變化也將導致一部分能量損失Q sun， x。

　　從顯熱除霜方式的壓焓圖和試驗可以看出，冷凝器的溫度、壓力和蒸發(fā)器的壓力變化很小，主要是由蒸發(fā)器的溫度分布變化造成，因這部分熱量計算復雜且相對于總的除霜熱量這部分很小，所以Q r， x = Q x - Q sun， x = W x1 t x1 - Q sun， x 3試驗研究311試驗裝置作者在常州愛斯特空調(diào)設備有限公司協(xié)助下，根據(jù)顯熱除霜方案，研制出試驗樣機。樣機系統(tǒng)流程如所示。樣機系統(tǒng)的詳細介紹見文獻。

　　312系統(tǒng)性能實驗臺為了保證測試結(jié)果的精確有效，在常州愛斯特空調(diào)設備有限公司的制冷空調(diào)產(chǎn)品測試中心進行樣機測試。該測試中心由合肥通用機械研究所設計并建造。

　　313試驗結(jié)果與分析為驗證顯熱除霜的效果，并與四通閥換向除霜進行比較，作者對樣機通過設定不同的除霜控制程序，在相同的結(jié)霜程度下（樣機在相同的溫、濕度環(huán)境中運行相同的時間，人工模擬環(huán)境由產(chǎn)品測試中心保證）進行了2種除霜方式的對比試驗。

　　為采取四通閥換向除霜和顯熱除霜時殼管式換熱器的進出水的溫度變化曲線的對比。其中， T out， T in為冷凝器出水和進水溫度。為了更好地比較，對2種除霜的絕對時間進行平移處理。對具體除霜試驗過程和結(jié)果對比分析，本文僅從除霜過程時間上進行分析，

　　可以看出，兩者在600 s時同時啟動除霜，逆向除霜在750 s時結(jié)束，四通閥進行了切換。但冷凝器出水溫度在900 s時才恢復到除霜前水平。顯熱除霜在820 s時結(jié)束除霜，880 s時恢復到除霜前水平。

　　在逆向除霜時，制冷劑從冷凝器所供熱水中吸取熱量，引起出水溫度急劇降低，而在顯熱除霜時，因制冷系統(tǒng)不從所供熱水中吸取熱量，所供熱水仍然能夠向室內(nèi)提供一定的熱量，并降低自身溫度。

　　所以存在結(jié)束除霜后，冷凝器出水溫度的一個恢復期（60 s） ，即補償在除霜期間所供熱水向空調(diào)系統(tǒng)繼續(xù)供熱量導致自身的溫度降低。這時間與除霜所需能量無關(guān)。因此在能量分析試驗驗證時不考慮。

　　由上面試驗可得出： t n1 = 150 s， t n2 = 150 s， t x1 = 220 s.

　　同時因為在除霜過程中，因為制冷系統(tǒng)變化劇烈，壓縮機的輸入功率也變化很大，所以壓縮機的功率取平均，由試驗測得，W n1≈W n2 = 51 kW ， W x1 = 45 kW ，正常制熱時壓縮機功率W = 60 kW.正常取制熱CO P為3（由機組正常制熱運行時測得）。

　　對逆向除霜Q r， n = W n1 t n1 + 2 W n2 t n2 - Q sun， n由前面分析可將逆向除霜中四通閥換向所帶來的損失等同為制冷系統(tǒng)在一個除霜周期內(nèi)2次開停機損失。

　　試驗所采取的除霜周期是1 h，開停機損失曲線圖，可查出，四通閥換向所帶來的能量損失占整個系統(tǒng)制熱能量的2 % ，則Q r， n = 51×150 + 2×51×150 - 60×2 %×3×3600 = 9 990 kJ對顯熱除霜Q r， x = Q x - Q sun， x = W x1 t x1 - Q sun， x因為顯熱除霜過程中的Q sun， x主要是由蒸發(fā)器的溫度分布變化造成的，由于這部分熱量計算復雜且相對于總的除霜熱量很小，所以計算忽略。

　　則有Q r， x = 45×220 = 9 900 kJ因此有Q r， n≈Q r， x由上面試驗表明，在同等結(jié)霜程度（樣機在相同的溫度、濕度的環(huán)境下運行相同的時間）下，作者所做的逆向除霜方式與顯熱除霜方式的理論能量分析得到實驗驗證。

　　由上面分析可看出，在試驗條件下，顯熱除霜時間為220 s，逆向除霜時間為300 s，因此可得：顯熱除霜時間比逆向除霜時間縮短了2617 %.除霜時間的縮短就意味著供熱能力的提高，為了便于比較，作者定義了小時供熱率ξ，即采用機組運行的每小時中供熱時間與總運行時間的比值。試驗中對逆向除霜一個除霜運行周期為3 900 s，其中制熱時間3 600 s，除霜時間300 s.在同樣的時間內(nèi)顯熱除霜可以多供熱80 s.因此存在：Δξ= 80 3 900×3 600 3 900 = 2 %即表示顯熱除霜方式與逆向除霜方式相比，每小時供熱率可提高2 %以上。

　　4結(jié)論1）針對現(xiàn)有逆向除霜方式的不足，開發(fā)出一種新型除霜方式DDD顯熱除霜，并分析了顯熱除霜方式的機理、作用和過程。

　　2）從霜層角度分析了蒸發(fā)器除霜過程中需要的總能量，在同等條件（結(jié)霜程度相同）下，對顯熱除霜方式與逆向除霜方式除霜所需熱量進行了理論比較，得出顯熱除霜方式所需的熱量較少。

　　3）從制冷系統(tǒng)角度，研究了2種除霜方式的除霜熱量組成。逆向除霜方式因為存在四通閥2次換向，制冷系統(tǒng)的壓力、溫度分布被破壞和需要重新建立，因此存在大量的能量損失。而顯熱除霜方式不存在四通閥換向，能量損失很小。

　　4）進行了2種除霜方式的對比試驗，試驗結(jié)果表明：在同樣條件下（結(jié)霜程度相同）顯熱除霜方式與逆向除霜方式相比，除霜時間縮短了2617 % ，小時供熱率提高2 % ，冷媒水溫度波動在5℃以內(nèi)。從而從理論和試驗都證明了顯熱除霜方式在節(jié)能、除霜時間和舒適性上優(yōu)越于逆向除霜方式。