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1、商用空气源热泵机组除霜问题的探讨 肖洪海张桃樊华云严伟林 ( 珠海格力电器股份有限公司制冷技术研究院，珠海5 1 9 0 7 0 ) 摘要本文综述了目前商用机组常用逆向除霜对机组性能等影响，分析了发生各种故障的原因，详细介 绍了一些解决问题和提高制热效果的方法，希望此文能够提供一些可借鉴的方法和思路。 关键询除霜商用 热泵 A N A I Y S I SO FT H ED E F R O S T I N G Q U E S T I O N S0 FC O M M E R C I A L A I R C O O L E DH E A TP U M P X i a oH o n g h a i Z
2、 h a n gT a o F a n H u a y u n Y a nW e i l i n ( R e f r i g e r a t i o nA c a d e m yo f Z h u h a iG r e eE l e c t r i cA p p l i a n c eC o ，L t d ，Z h u l m i5 1 9 0 7 0 ) A b s t r a c tT h et h e s i ss u m m a r i z e st h ei n f l u e n c eo ft h ec o n v e r s eh o tv a p o rd e f r o s
3、 t i n go nt h ec o m m e r c i a lu n i t ，a n d a n a l y s e st h er e a s o no f t h ef a u l t so ft h eu n i t A l s os o m ee f f e c t i v ea n dr e f e r e n t i a lm e t h o d sa r er e c o m m e n d e d K e yw o r d sD e f r o s t i n gC o m m e r c i a lH e a tp u m p 0 引言阐述 目前市场的商用类机组用户
4、呈逐年增多趋势， 但从用户使用反馈中户式中央空调机组、模块机 组、风冷螺杆机组等都分别有化霜不完全出现停 机、出现高低压保护和制热效果不好等等故障出 现。因此对于空气源热泵机组的除霜问题和制热过 程应给予足够的重视和研究。目前关于风冷热泵机 组制热性能和除霜过程的研究也是一个热点问题， 各高校和企业单位投入了很大的精力，发表了相当 多的相关的研究论文、博硕论文和专利。本文在详 细地研究相关资料的基础上，综合论述了有关目前 逆循环除霜过程机理和相关的防止高低压突变方 法、提高制热性能的一些相关手段、防止室外换热 器底部结冰等方案方法，希望此文能对除霜的研究 开展提供一些参考和可借鉴的方法，提高商
5、用热泵 产品的可靠性和信誉度。 1逆循环除霜过程机理及系统过程 作者简介：肖洪海，( 1 9 7 3 - ) ，男，工学博士，制冷工程师，主要从事 商用空调技术、产品开发研究 目前商用空气源热泵机组普遍采用逆循环除 霜方式。其制热运行与除霜( 制冷) 运行流程原理 如图1 、2 所示。 低温端 高温端 A 一冷凝器B 一高压储液器C 一热力膨胀阀D 一蒸发器 E 一四通换向阀F 一单向阀G - - 气液分离器H 一压缩机 图1热泵正常工作原理图 、 当四通阀门动作后系统由正常制热循环方式 切换到除霜循环后系统中各点制冷剂状态的变化 是一个动态变化的过程，与制冷系统在平衡状态下 启动的动态变化过
6、程不同，制冷系统在正常启动 时，系统中从压缩机排气口到膨胀阀进口( 包括冷凝 低温端 高温端 A 一冷凝器 B 一高压储液器c 一热力膨胀阀D 一蒸发器 E 一四通换向阀F 一单向阀G 一气液分离器H 一压缩机 图2 热泵除霜工作原理图 器、高压储液器) 的高压侧压力是均衡的；从膨胀 阀门出口到压缩机吸气口( 包括蒸发器、气液分离 器) 的低压侧压力也是均衡的，启动后在压缩机的 驱动下系统高压侧压力与低压侧压力分别向不同 的方向一致变化。而对于除霜循环，当四通阀动作 后，风侧换热器的原低压系统与四通阀到压缩机排 气口的高压管路接通，室内侧换热器的高压系统与 四通阀到压缩机吸气口的低压管路接通，
7、因此在除 霜开始后系统高压侧及低压侧有一个自身的压力 平衡过程，排气压力有一个短时间的迅速下降过 程，这是由于原属低压系统的风侧换热器的内容积 远大于排气管路内容积引起；而吸气压力也有一个 压力冲高的过程，但由于室内侧换热器的内容积与 吸气管路( 含气液分离器) 的内容积没有前者那么 大的差别，因此吸气压力的冲高幅度较小。在除霜 开始的一段时间，高压储液器的压力比室外风侧换 热器内的压力高，所以没有制冷剂流入储液器，只 有当高压侧压力平衡后，高压侧压力回升而大于储 液器压力，才有制冷剂流入高压储液器，制冷系统 中制冷剂流动才逐渐趋于正常。对于低压侧，由于 室内侧换热器与低压管路连通，室内侧换热
8、器内压 力迅速下降，其内的制冷剂液体汽化，在液体完全 汽化后，由于压缩机的抽吸作用，低压侧压力继续 走低，其最低值可接近表压0 ，从而低于热泵运行 时的低压保护值，造成机组除霜期间低压保护，这 就是除霜过程中机组经常出现低压保护的原因。此 外，除霜过程中在霜未完全融化前，排气压力较低： 而当霜完全融化后，排气压力上升较快，随着除霜 时间的延长，排气压力达到一定值后会出现高压保 护。因此机组除霜设定时间不当会引起高压保护故 障n 2 1 。 2 逆循环除霜优化方案综述 本文在综合整理分析大量相关除霜研究论文 和专利的基础上，总结了各种有关的风冷热泵机组 制热运行和逆循环除霜优化可行的方案方法，以
9、期 解决在风冷热泵机组制热与除霜出现的故障和问 题，现分述如下： 2 1 采用风机启停控制，提前启动风机 除霜期间在除霜开始后一定时问，将室外风机 提前开启有利于将水分带走；采用在除霜结束前提 前启动风机的方法，有利于解决除霜结束时系统排 气压力过高和翅片表面残留水的问题；而且霜层融 化后的水分是否能被很快带走也影响系统附加能 耗：提前开启风机能够降低室外盘管里制冷剂的压 力，从而降低恢复制热运行时系统的机械冲击：启 动风机增强了翅片管外表面的换热系数，使排气压 力迅速下降，能够排除除霜后期系统中排气压力过 高和高压保护现象，而且减少了下轮循环开始时的 压力冲击，且强制对流的空气能够将翅片上的
10、残留 水带走，能够消除下一轮制热循环时部分翅片管外 表面残留水又迅速结霜结冰而造成除霜不断恶化 的问题，对于翅片表面存在残留水对于结构较大的 风侧换热器其中下部这一现象更加明显。 关于风机开启时间控制有几种观点，一种 A n a n d 和O 。N e a l 等研究了提前开启风机对除霜的影 响后认为，提前开启风机能够降低室外盘管里制冷 剂的压力，从而降低恢复制热运行时系统的机械冲 击，并且认为2 0 秒针的提前是比较理想的：但是因为 除霜结束时间并不固定，如何在控制上实现需要考 虑；另外一种是将除霜时间分为几个阶段，在时间 达到一定时间后如一分钟、两分钟后开启风机，但 因为结霜厚度不同、条件
11、不同等因素此种方案会引 起在霜未能完全融化前启动风机，这样反而会造成 除霜效果的恶化。经我们的实验研究认为对除霜过 程启动风机时间的控制不能采用固定时间的方法， 应采用引入室外除霜感温包温度来控制启动风机， 在除霜感温包温度达到一定温度如1 0 度左右时开 启风机，此时即能保证换热器表面霜已经融化，又 能保证除霜过程风机开启一定的时间，此方案准备 与控制器人员合作进行，首先实现自动控制，后进 行实验效果验证，以确定控制温度和控制方式。 目前公司内部各种机型都没有引入这一方法， 因此建议因在除霜过程中提前启动风机不需要增 加任何成本，只需要对控制进行相应的更改即可， 因此建议推行此方案方法。 2
12、 2 改变节流方式提高机组可靠性和性能 与除霜后压力变化相对应，制冷系统中的制冷 剂流量经历了由原来制热运行时的流量值下降到 接近于0 ( 与吸气压力最低点对应) 再升高的过程， 为缩短除霜时间，必须在一定的时间内保证系统中 有较多的制冷剂循环量，因此节流装置的选择若能 尽量减少吸气压力的衰减量并保证系统有尽可能 大的制冷剂循环量，则可改善机组除霜循环的性 能。同时，由于除霜循环所需的制冷剂质量流量与 制热时制冷剂的质量流量相差较大，在除霜早期节 流机构( 如热力膨胀阀门或毛细管组) 难以迅速适 应除霜循环对制冷剂质量流量的要求，由于压缩机 对低压系统的抽吸作用使吸气压力有一个大幅度 的衰减过
13、程，这个过程既不利于压缩机的运行，也 不利于系统中高压的迅速建立并及时地向风侧换 热器输送融霜能量。因此在除霜循环的早期改变节 流方式可改善风冷热泵机组的除霜性能，方案采用 在除霜时以一定管径的铜管旁通节流机构的方法， 原理如图3 所示瞄1 。 除霜时开启电磁阀门以A B 段铜管代替膨胀 阀起节流作用。采用改进节流方式除霜具有以下优 点： 图3除霜改变节流方式原理图 ( 1 ) 由于吸气压力衰减小，不会出现吸气压力 低于风冷热泵冷热水机组低压保护情况，提高系统 运行的可靠性； ( 2 ) 相对较高的吸气压力保证了制冷系统能够 8 4 7 维持相对高的制冷剂质量流量，提高融霜速度。 针对此种方案
14、正准备样机并进行更改，等待实 验台后续验证，后续实验结果和验证结果随后进一 步发表。该方案主要验证更动铜管内径影响和电磁 阀门通断即控制更动时间以达到最佳效果。 2 3 采取高低压旁通防止高低压保护故障 采取高低压旁通方法，使高压储液器直接与低 压系统即气液分离器进管处连通，在连接管上采用 电磁阀门控制通断，在除霜时打开。即在除霜早期 开启电磁阀门防止机组低压保护；在除霜后期和除 霜结束切换后开启电磁阀门可以防止机组高压保 护故障问题。进行高低压旁通防止高低压保护需增 加电磁阀门，并需要通过实验摸索电磁阀门通断控 制方案。 目前公司商用风冷热泵机组也多次出现过高 低压故障问题，据了解采用在除霜
15、期间屏蔽高低压 保护( 由于不了解一些机组的详细控制逻辑) 是目 前的一个解决方法，但是由于在热泵机组制热运行 过程经常性地出现低压和高压超出机组正常运行 范围的话，长期积累会导致压缩机的一些故障问 题，造成更加严重的问题。 2 4 一种过冷抑冰风侧换热装置简介 风冷热泵机组在除霜过程中会有大量的化霜水 沿换热器的翅片流下，由于除霜进行时间有限，在 化霜水没有完全从集水盘流出时随着风侧换热器 转变为蒸发器会使一部分化霜水迅速在集水盘结 成冰，随着除霜进行化霜水所结的冰就会越聚越多 而导致机组停机等问题。 该装置原理如图4 所示，包括常规换热器和过 冷换热器。当制热运行时由水侧换热器排出的温度
16、较高的制冷剂先流经过冷换热器，然后经过储液罐 到制热膨胀阀，再到常规换热器。因此在集水盘上 侧的过冷换热器的温度总是较高的，可以将设于其 上方的常规换热器的结霜及时融化，并在化霜后使 流到集水盘中的化霜水及时蒸发掉，因此，集水盘 中不会再出现积水和积水在换热器翅片和铜管上 结冰的问题。 该装置当热泵处于制冷循环时，风侧换热器成 为冷凝器，由压缩机来的高温制冷剂先进入常规换 热器，再通过过冷换热器，然后经过储液罐和制冷 膨胀阀到水侧换热器。由于过冷换热器存在相当于 增加了风侧换热器的换热面积，从而可以有效地提 高制冷量和能效比H 。 2 5 风换热器除霜装置简介晦1 该装置采用时间或温度控制风机按原风扇相反方 向送风，强制空气由非结霜侧进入风换热器并向结 霜侧流动，将被加热的空气吹向霜层，利用对流、 导热、辐射三种方式融霜。 I O 1 一风侧换热装置2 一四通阀3 气液分离器4 - - 压缩机 5 一水侧换热器6 一常规换热器7 一过冷换热器 1 0 1 ( 2 ) a 右侧集管器1 0 1 ( 2 ) b 左侧集管器 1 l 一储液罐1 2 一制冷膨
