复叠式空气源热泵热水器结霜工况下的机组运行参数研究

文章编号：CAR198空气源热泵结霜特性的数值模拟与实验验证赵 阳 郭宪民 王成生（天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津300134）摘 要对结霜工况下空气源热泵系统动态性能进行了数值模拟和实验研究，分析比较了不同结霜工况条件下空气源热泵空调器的动态性能、循环参数、蒸发器结霜量及结霜厚度。

实验数据与数值预测结果的比较表明，在结霜循环后期，蒸发器表面霜层厚度快速生长，数值模拟结果与实验结果的变化趋势是一致的。

热泵系统动态性能及循环参数的数值模拟与实验结果在霜层匀速生长段符合度较好，验证了数值模拟的合理性。

而在结霜循环后期，霜层快速生长，热泵机组性能数值模拟结果出现了较大误差，其主要原因是，在霜层生长模型中未考虑霜晶形态变化的影响。

关键词空气源热泵 结霜工况 数值模拟NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL VERIFICATION ON FROSTING CONDITION PERFORMANCE OF AIR SOURCE HEATPUMPZhao Yang Guo Xianmin Wang Chengsheng(Tianjin University of Commerce, Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin 300134) Abstract The dynamic performances of an air source heat pump (ASHP) system under frosting conditions were simulated. A series of experiments were conducted to verify the present simulation model. The dynamic performance and cycle parameters of the ASHP system under frosting conditions, the frost thickness and the frost mass accumulation on the outdoor coils were analyzed and compared. The comparison between the experimental and simulated results indicates that the frost thickness on the surface of evaporator grows rapidly at the end of the frosting cycle. And the simulated frost thickness is agreement with the experimental data. The simulated results and cycle parameters of the dynamic performances are compared favorably with the experimental data at the second frosting stage. The numerical simulation is verified to be reasonable. With the rapid growth of the frost thickness at the end of the frosting cycle, numerical simulation of the ASHP results in a larger error which is because of the change of frosting shape which is not taken into account in the simulation model.Keywords Air source heat pump Frosting condition Numerical simulation自20世纪8O年代至今，房间空调器和单元式空调器的热泵使用率就已近70%并逐年提高；但是，空气源热泵冬季运行时，外界气温降低，空气中湿度相对比较大，当室外换热器表面温度低于周围空气的露点温度且低于0℃时，安装在室外机组的热交换器会产生结霜[1]。

文章编号：CAR196结霜工况下R410A热泵空调器动态性能模拟与实验研究王亚静 郭宪民 杨宾（天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津300134）摘 要 对采用R410A工质的热泵空调器在结霜工况下的动态性能进行了数值模拟，对一台采用R410A工质的热泵空调器的动态性能进行了实验研究，测量了在不同结霜工况下R410A热泵空调器室外换热器表面结霜量和霜层厚度以及热泵系统的动态性能参数。

实验结果与理论计算结果的比较表明，霜层厚度、结霜量数值模拟结果的变化趋势与实验结果是一致的，在结霜后期霜层厚度的增长速度急剧增大。

对于低湿度工况，实验结果表明存在一段霜层厚度不增加的时段，这是由于霜层表面融化所致，而数学模型中未考虑这些因素的影响，因此模拟结果在霜层融化段误差较大；热泵系统的动态性能实验与模拟结果趋势基本一致，特别是对于高相对湿度工况，性能曲线实验和模拟结果在稳定段和衰减段吻合得更好。

关键词 R410A热泵结霜工况动态特性NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON DYNAMIC PERFORMANCE OF AIR SOURCE HEAT PUMP WITH REFRIGERANT R410A UNDER FROSTING CONDITIONSWang Yajing Guo Xianmin Yang Bin(Tianjin University of Commerce, Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin 300134) Abstract In this paper the numerical simulation and experimental investigation on the dynamic performance of an air source heat pump (ASHP) unit with refrigerant R410A were conducted under frosting conditions. The frost mass accumulation and the frost thickness on the outdoor heat exchanger and the dynamic performance of the ASHP unit were measured. The experimental results are compared with the simulation ones. The experimental and simulated results indicate that the frost thickness increase rapidly at the end of the frost-growth cycle. And the simulated date of the frost thickness and frost mass accumulation are in agreement with the corresponding experimental ones. The experimental results indicate that there is a period that the frost thickness is almost invariable under low humidity, which because of thawing on the frost surface. But it is not taken into account in the simulation model, as a result, the error between the simulated and experimental frost thickness is big in the frost thaw stage. The trend of the simulated dynamic performance of the ASHP unit is consistent with the experimental results, especially under the condition of high humidity the experimental heating capacity and COP are in good agreement with the corresponding simulation ones in the second and third stages.Keywords R410A Heat pump Frosting condition1前言目前，我国热泵空调器市场的产品绝大部分仍作者简介：王亚静(1984－)，女，硕士研究生。

空气源热泵结霜工况性能分析与实验研究的开题报告一、选题背景随着能源危机的加剧以及环保意识的提升，空气源热泵作为一种清洁、高效的供暖和制冷设备正在逐渐被人们所接受。

然而，由于环境温度的变化和制冷剂的特性等因素，空气源热泵在运行过程中会出现结霜现象，降低了设备的运行效率和寿命，同时也影响了舒适度和节能效果。

因此，对空气源热泵结霜工况下的性能进行分析和研究，对于提高设备的效率和稳定性具有重要意义。

二、研究目的本研究旨在通过理论分析和实验验证的方法，探究空气源热泵在不同运行工况下的结霜机理、结霜对性能的影响以及防止结霜的措施，为进一步提高其运行效率和稳定性提供理论和实验基础。

三、研究内容本研究主要包括以下内容：1. 空气源热泵结霜机理分析：通过对空气源热泵运行原理、热传导和传热传质等基础理论的研究，探究空气源热泵在不同工况下的结霜机理。

2. 空气源热泵结霜对性能的影响分析：通过数学模型和计算方法，研究空气源热泵结霜对其运行效率、制冷/供暖能力、能耗等性能指标的影响。

3. 实验研究：设计实验平台，对空气源热泵的运行参数、结霜特性等进行实时监测和测试，获取与数值模拟相对应的实验数据，验证模型和计算方法的正确性。

4. 防止空气源热泵结霜的措施研究：通过对空气源热泵运行参数、制冷剂、换热器等影响结霜的因素进行分析和比较，提出有效的措施和方案，防止空气源热泵结霜。

四、研究意义1. 对于深入研究空气源热泵的结霜机理和性能，不仅有助于提高其运行效率和稳定性，还能为能源节约、环保减排做出贡献。

2. 通过本研究的实验数据验证和模型分析，可以更加准确地预测空气源热泵在不同工况下的结霜情况，为设计和运行提供指导和参考。

3. 本研究的研究成果和工作方法有一定的普适性，在其他热泵设备的结霜研究和应用中也有一定的参考价值。

五、研究方法本研究采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，具体包括：1. 建立数学模型和计算方法，分析结霜机理和对性能的影响。

空气源热泵延缓结霜及除霜方法研究共3篇空气源热泵延缓结霜及除霜方法研究1近年来，空气源热泵作为一种新型能源被广泛运用于房屋供暖、制冷以及热水供应领域。

然而，在使用过程中，热泵室外机会因为低温和湿度而出现结霜的问题，导致热泵的运行性能和效率受到严重影响。

因此，研究空气源热泵的延缓结霜及除霜方法显得相当重要。

一、空气源热泵的结霜原因空气源热泵的冷凝器室外风扇会吸入外界的空气，将冷媒的热量通过换热器散发到外界，同时将空气中的水蒸气也带入冷凝器中。

当冷凝器表面温度小于空气中的露点温度时，水蒸气就会在冷凝器表面凝结成霜或冰。

长时间的结霜会导致热泵的效率降低，甚至会损坏设备。

二、空气源热泵结霜的解决方法1.升高室外空气温度：增加热泵的室外机的温度可以大大减少结霜的产生。

可以通过将室外机安装在遮挡物下、加装遮阳板等方式升高温度。

2.排水系统的修复：检查排水系统中是否存在堵塞或者破损的情况，及时修复。

3.采用多联机空气源热泵：采用多联机方式，增加冷凝器的数量，使每个冷凝器的负荷降低，结霜减少。

4.加装电辅助热棒：在空气源热泵负荷较轻的情况下，可以通过加热热泵表面进行除霜。

缺点是需要增加电费，且会导致系统效率下降。

三、空气源热泵的除霜方式1.制热模式下周期性除霜：当热泵处于制热模式下，当冷凝器表面出现结霜时，通过周期性反向运行热泵来使热泵室外机除霜，此时热泵室内风机停止运行。

2.制热模式下强制除霜：当热泵处于制热模式下，当冷凝器表面结霜厚度达到一定程度，系统将自动启动强制除霜功能，此时热泵室内风机停止运行，室外机的电加热器开启使冷凝器表面融化。

3.制冷模式下周期性除霜：当热泵处于制冷模式下，当冷凝器表面结霜良率超过一定程度时，在室内温度不低于设定温度的情况下，系统周期性反向运行热泵来使热泵室外机除霜。

4.制冷模式下强制除霜：当热泵处于制冷模式下，当冷凝器表面结霜良率达到一定程度时，系统将自动实行强制除霜功能。

综上所述，为了提高空气源热泵的效率和使用寿命，延缓结霜和除霜是非常重要的。

2020.12科学技术创新空气源热泵系统结霜及除霜实验研究李刚田小亮（青岛大学机电工程学院，山东青岛266071）近年来，空气源热泵因其节能环保、能源利用率高，具备制冷制热双重功能等优势在暖通空调领域得以广泛应用。

然而空气源热泵极易出现蒸发器结霜现象，空气源热泵的结霜过程极其复杂，涉及到进风温湿度、空气流量、换热器翅片类型及间距、翅片表面特性以及霜层结构等众多影响因素[1]。

更重要的是，结霜会导致换热器传热热阻增大、空气流量减少、换热能力降低等问题，因此换热器表面结霜到一定程度时需要转换为除霜模式[2]。

目前空气源热泵常用的除霜方式有电热法、逆循环法等，然而在实际工程运用中，采用这类除霜方式时往往存在化霜水清除不彻底的情况，当机组重启制热模式时，换热器表面的滞留水会使得结霜状况更加严重，甚至会对换热器造成破坏。

这不仅大大降低了空气源热泵系统工作效率及用户的热舒适度，也造成了巨大的能量损失[3]。

本文从空气源热泵系统在暖通空调领域的实际工程运用出发，搭建了空气源热泵系统结霜化霜可视化实验平台。

实验研究了空气源热泵系统在低温环境运行时霜层的形成、发展过程及其随换热器性能的影响。

并采用对低温空气除霜方法，对化霜过程及化霜效果进行了验证和探究。

同时分析了不同化霜时间下，换热器恢复制热模式时翅片表面残留的滞留水对系统性能以及换热器再结霜过程的影响。

最大限度缩短了系统化霜时间、减少了翅片表面滞留水量，降低了结霜、化霜过程对系统性能的影响，保证机组能够连续、高效、稳定地运行，降低了能耗。

1实验简介空气源热泵空调结霜化霜实验平台如图1所示，系统由过滤网、电加热器、并联复合式变频压缩制冷机组、挡水板、引风机、集水装置、保温材料等构成。

空气在引风机作用下依次经过滤网、电加热器、并联复合式1#-4#变频压缩制冷机组和挡水板。

图1实验平台系统图表1为1#-4#换热器的主要参数。

通过控制1#-4#制冷机组和电加热器的工作台数或频率实验平台能够调节空气露点温度，可以将其降至-20℃甚至更低来实现模拟不同温度湿度环境下的结霜化霜工况。

空气源热泵机组结霜分析及过冬维护须知热泵结霜结冰现象普遍存在，造成客户生产生活热水短缺。

但经过一个一个严冬的考验，仍有部分优秀品牌，由于注重优化产品自身的性能，其产品在恶劣条件下仍然保持了较好的运行态势，这就证明热泵产品过冬是有招可寻的。

首先，让我们来看看结霜结冰会给热泵性能带来哪些不利影响呢？综合分析，大致有以下5种情况：1.堵塞翅片间通道，增加空气流动阻力；2.增加换热器热阻，换热能力下降；3.频繁化霜，化霜不尽，化霜过程是一个逆循环过程，不仅不能制热水，同时还需要消耗原有的热水的能耗，排出的冻水返冲到保温水箱中，造成水温进一步下降；4.蒸发温度下降，能效比降低，热泵运行性能恶化，直到不能正常工作。

5.由于机组不能正常工作给客户直接造成经济损失，直至产生对热泵产品的后怕情绪，影响其消费选择。

考察热泵结霜，不外有正常和非正常两种状态。

第一，正常结霜，当冬季室外温度低于0℃时，制热运行时间长，室外机组整个换热器表面均匀结霜，这是正常的现象。

原因是：换热器温度低于环境空气的露点温度时，整个换热器上散热片表面会产生凝露水，当环境空气温度低于0℃，凝露水就会凝结成薄霜。

当然结霜严重时会影响机器制热效果。

一般热泵产品都有自动化霜功能，确保机组正常运行。

第二，非正常结霜，这是导致热泵运行故障的主要原因，大致来说，其中又包括三种现象：1.室外环境温度大于0℃，开机不久，整个换热器上散热片表面凝露水就会凝结成薄霜，很快霜越结越厚。

室内机制热效果差，且呈现化霜频繁现象。

该故障一般是室外换热器上散热片表面脏堵、室外风机系统故障或室外换热器进、出风口有阻挡物造成。

解决方法：室外换热器清洗、检查风机系统或排除进、出风口的阻挡物。

2.室外环境温度大于0℃，开机不久，室外侧换热器底部(毛细管出口处换热器进口处开始)结霜很厚，换热器大部分未有凝露水，随时间推延结霜，由下至上结霜在延伸；室内风机始终处于防冷风低速运行；空调器频繁化霜。

空气源热泵冷热水机组空气侧换热器结霜工况的动态模拟摘要采用空气源热泵冷热水机组的动态数学模型对空气侧换热器的结霜工况进行了模拟。

模拟中同时考虑了结霜的密度和厚度随时间的变化，首次提出了结霜密度随时间的变化关系式。

计算了不同工况下的结霜速度、霜的密度、霜的厚度随时间的变化。

将模拟结果与实验数据进行了比较，进一步验证了所建模型的正确性。

关键词空气源热泵冷热水机组结霜动态模拟1 前言空气源热泵冷热水机组作业中央空调的冷热源有很多优势，如冬夏共用，设备利用率高；省去了锅炉房和一套冷却水系统；机组可安装在室外，节省了机房的建筑面积；不污染环境等。

因此该机组在气候适宜地区的中小型建筑中得到了广泛地应用。

但机组在冬季运行时，当空气侧换热器表面温度低于周围空气的露点温度且低于0℃时，换热器表面就会结霜。

结霜后换热器的传热效果急剧恶化，严重时机组会停止运行。

因此换热器结霜是影响机组应用和发展的主要问题，研究机组在结霜工况下的工作性能具有十分重要的意义。

2．结霜模型的建立霜的积累速率是由进出室外换热器空气湿度的变化决定的：（1）式中： ----空气的质量流量，kg/s；d i，d0----分别为空气进、出换热器的含湿量，kg/kg。

由于霜的多孔性和分子扩散作用，在表面温度低于0℃的换热器上沉降为霜的水分一部分用以提高霜层的厚度，一部分用以增加霜的密度[1]，即（2）式中用于霜密度变化的结霜量变化率由下式确定[2]：（3）式中： ----换热器的全热交换量，W；i SV----水蒸气的升华潜热，J/kg；λfr----霜的导热系数，W/（m・K）；R----水蒸气的气体常数，461.9/（kg・K）；T S----霜表面的温度，K；p V----水蒸气的分压力，Pa；v V，v i----分别为水蒸气、冰的比容，kg/m3。

ρfr，ρi----分别为霜、冰的密度，m3/kg；D S----霜表面水蒸气的扩散系数，m2/s。

作者： 程卫红[1] 姚杨[2]
作者机构： [1]东北林业大学土木工程学院,哈尔滨150040 [2]哈尔滨工业大学市政环境学院,哈尔滨150090
出版物刊名： 科技资讯
页码： 117-117页
主题词： 空气源热泵冷热水机组 结霜 换热器
摘要：空气源热泵冷热水机组冬季运行时，空气侧换热器表面容易结霜，结霜将影响机组的供热能力，而且目前除霜过程的可靠性较差。

对空气源热泵在冬季制热运行时结霜的因素进行了分析，并就结霜对机组冬季上况的影响进行了研究，提出了机组在冬季工况下性能提高的几条途径。