空气能热泵热水器在冬季运行是，由于环境温度低，翅片换热器上会出现结霜现象。由于霜层的存在使得蒸发器与环境空气之间的传热热阻增大，降低蒸发器吸收能量的能力，因此如果不能及时有效的除霜，热泵冬季运行效率将会大大降低。现有的空气能热泵热水器通常采用逆向除霜和热气旁通除霜两种方式，而两种除霜方式在除霜的过程中都必须消耗能量，因此如何快速、有效、经济的进行除霜对提升热泵热水器冬季制热能力和能效具有非常重要的意义。

2.热气除霜原理比较

2.1热气除霜介绍

在热泵热水器系统中常用的除霜形式有热气旁通除霜和热气逆流除霜。热气旁通除霜时直接控制电磁阀的开关实现制冷剂流路的导通和断开，实现除霜和制热的切换。当需要除霜时打开电磁阀实现制冷剂流路导通，从压缩机排出的高温高压制冷剂流入蒸发器释放热量实现融霜。热气逆流除霜通过四通阀的切换实现制冷剂的正向、逆向流动切换.当需要除霜时四通阀切换制冷剂流向，从压缩机排出的高温高压制冷剂流入蒸发器释放热量实现融霜。

2.2两种除霜方式能耗除霜时间比较

我们比较两种除霜模式的除霜能耗：热气旁通除霜和热气逆流除霜。现对某2匹静态加热式热泵热水器使用热气旁通除霜和热气逆流除霜在一个除霜过程中的能耗和除霜时间进行比较。

热气逆流融霜消耗热量：

C——水的比热容，取4.186KJ/Kg·℃;M——水箱内水的质量，为291.7Kg;T——除霜过程中水箱水温下降值，为 0.275℃;P——除霜时压缩机平均消耗功率，为920W;T——除霜时间，为210s;φ——压缩机功率热能转换效率，φ取=0.9)。

则融霜总消耗热量为：Q=509.67kJ。

该除霜过程中压缩机消耗电能转化热量为173.88kJ从水侧吸收热量为335.79kJ。在该除霜工况下热泵制热的平均能效为 3.2W/W,热泵平均制热量为3445W。为了补偿除霜时在水侧吸收的热量，热泵需要运行97.5s，消耗电能104.97kJ。则该除霜过程中总消耗电能为Q=104965+920×210=298.17kJ，总消耗时间为307.5s。

使用热气旁通除霜模式除霜时，只有压缩机消耗电能转化为热量除霜。在蒸发器结霜情况相同时，则热气旁通除霜时间为：

Q——除霜总消耗热量，为509.67kJ;P——除霜时压缩机平均消耗功率，为920W;φ——压缩机功率热能转换效率，φ取=0.9。

所以，除霜时间t为615.5s，该除霜过程中总消耗电能为Q=615.5×920=566.26kJ。

因此，从表1中可以看出，每个除霜周期内热气旁通除霜比热气逆流除霜多消耗时间308s，是逆流除霜时长的2倍左右，同时多消耗电能268.1kJ。实验研究表明，在风冷冷热水机组上，采用逆流除霜方式相对于旁通除霜方式，可以将除霜时间由178s缩短到94s[1]，除霜时间后者是前者的189%，，除霜时间后者是前者的189%，这个数值与在静态加热式热泵热水器上的表现是相当的。因此从节约能源的角度，逆向除霜不仅消耗更少的电能，而且除霜时间也更加短。

3.逆流除霜的优化控制方案

低温制热能力和低温制热能效是空气能热泵热水器在低温工况下的两条重要性能参数。制热能力衰减过大，机组制热水速度下降，甚至连续工作也不能达到用户需求的水温和水量，严重的会影响用户的使用舒适性;低温制热能效则直接影响产品使用的经济性。冬季的室外，干球温度和相对湿度每天都在发生着不同变化，而温度和湿度的不同必然造成结霜速度和热泵制热能力变化的不同，传统的除霜控制采用的是定期除霜的方式，只是粗略的保证机器能够正常运转。为了提高产从图3中可以看出当进行热气逆向除霜过程中，水温温度下降，瞬时制热量会先出现负极值然后随着除霜动作结束，水温上升速度减缓，瞬时制热量会慢慢下降。

平均单位制热量：

t0——除霜开始时间点，s;t1——除霜结束时间点，s;t2——下一个除霜开始时间点，s。

为了使得平均单位制热量最大，必须使得d=0。

设水箱温度T=f(t),

t0——进入除霜前水箱温度，℃;f(t)——水箱温度随时间的变化函数;t——除霜周期内运行时刻当=0时，则平均制热量出现极大值，处于最大制热量时刻：

通过公式(6)可知除霜结束后必然存在一个单位制热量最大值的时刻。现对某热泵热水器除霜周期内平均制热量最大化进入除霜与采用常规时间-温度(每隔45min进入除霜)进入除霜条件进行比较。

从图4中可以得出当传统时间-温度控制除霜进入时间点为t1，而采用最大平均制热量除霜进入时间点为t2,因此采用最大制热量除霜模式在一个除霜周期内能够向用户多提供的能量为Q(即为图4中阴影部分)：

图5为某热泵热水器在一个除霜周期中平均制热量随时间变化曲线，该热泵运行工况为干球温度-2℃，湿球温度-3℃。通过图5中显示传统除霜进入时间点t1(45min)处的平均制热量为3033w,而采用最大平均制热量除霜进入时间点t2(102min)处的平均制热量为3345w,使用该方案能够在一个除霜周期中将制热量提高10.2%,同时还减少除霜次数。通过实验数据可以看出采用最大平均制热量具有非常大的优势，能够在冬季结霜工况下大大提高能源利用量。

(1)最大平均能效控制法

最大平均单位制热量只是单纯的从输出能量的角度考虑，由于除霜过程中需要对其进行能量的输入，因此考虑最大平均能效控制法能够更加合理的表现除霜过程中是否节能最大化。根据图3可以得出平均单位能效公式为：

平均单位能效

t0——除霜开始时间点，s;t1——除霜结束时间点，s;t2——下一个除霜开始时间点，s;——平均制热量，kW;pm——平均输入功率，kW;Qiy——除霜过程中第i次消耗的能量(计算值取负值)，kJ;QiD——除霜结束后第i次输入能量，kJ;Piy——除霜过程中第i 次压缩机消耗功率，kW;PiD——除霜结束后第i次压缩机消耗功率，kW;t——取值时间间隔，一般取5s。

对于热泵热水器系统，压缩机输入功率一般随着水温的上升而增大，从图3中的除霜过程中水温的变化曲线可以大致绘制压缩机功率随时间的变化曲线如图6。通过图公式4可知平均制热量在一个除霜运行周期中存在一个先降低后增大然后又降低的过程，而压缩机平均输入功率是一个随着时间逐渐增大的过程，因此必然存在一个极大值。

通过图7为对某热泵热水器采用最大平均能效值与常规时间-温度控制除霜方式进行比较。

从图7中可以看出应该在平均能效最高点T2(77min)处开始进入下一个除霜周期，而不是在T1(45min)处，从图中可以看出，T1 点处平均COP值为2.84，而T2点处平均COP值为2.92，因此采用新型的除霜控制方案能效比更高，可以实现更大程度的节能目的，而采用最大平均能效控制法能够使得一个除霜周期内提升能效2.8%。

4.结论

(1)在热泵热水器中比较两种热气除霜方式可以看出，逆向除霜不但除霜速度快而且消耗能源少，与旁通除霜相比具有非常大的优势。

(2)通过采用最大平均制热量控制方案作为除霜进入时间点比目前常规的时间-温度控制方案具有更高的平均制热量，通过实验对比可以使得系统在一个除霜周期中平均制热量提高10.2%，相同的时间内可以为用户加热更多的热水。

(3)通过采用最大平均能效值控制方案作为除霜进入时间点比目前常规的时间-温度控制方案能效值从2.84提高到2.92，一个除霜周期内提升了2.8%,,具有明显的节能效果。

(4)采用最大平均制热量控制方案和最大平均能效控制方案处理空气能热泵热水冬季结霜问题，可以较好的提高热水器在结霜工况的制热性能，提高产品的舒适性和经济性。

参考文献

[1]黄东,袁秀玲.风冷热泵冷热水机组热气旁通除霜与逆循环除霜性能对比[J].西安交通大学学报.2006

[2]刘卫东.风冷热泵减缓结霜和优化除霜控制[D].上海：上海交通大学.2007(12)

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