摘要：为了解决跨临界CO2热泵系统在低温环境下运行蒸发器的结霜问题，对一种可应用于CO2跨临界循环的热气除霜方法进行了实验研究。在对热气除霜过程中系统循环特性分析的基础上，搭建了空气源跨临界CO2热泵热水器实验台，根据系统各参数点压力和温度变化曲线的实验结果，分析了除霜过程中系统循环的变化规律和蒸发器的除霜特性，发现除霜时热泵系统的流量增大，气体冷却器内的温降减小，故增大气体冷却器出口的CO2气体温度是提高除霜效率的关键。同时，结合实时采集的蒸发器表面霜层变化图像，分析了蒸发器的动态除霜过程，直观观测了热气除霜的除霜效果，整个除霜过程保持了600s，热气除霜的除霜效率为35.6%。根据实验结果可以得出，热气除霜方法是用于空气源跨临界CO2热泵系统除霜切实可行的方法。
关键词：热气除霜；跨临界CO2系统；除霜特性；除霜效率
中图分类号：TH327
文献标志码：A
文章编号：0253-987X（2015）03-0074-06
在空调和热泵系统应用领域，CO2是一种很有前途的替代制冷剂。作为一种天然制冷剂，CO2具有价格便宜、容易获取、化学性能稳定和安全性好等优势。考虑到在气体冷却器内制冷剂温度滑移和水温升高的完美匹配，空气源跨临界CO2热泵系统作为热水器具有其他供热方式无法比拟的优势，这使得空气源跨临界CO2热泵热水器成为热水供应的首选。
众所周知，翅片管式蒸发器表面温度低于水的冰点温度和空气的露点温度时会导致蒸发器表面结霜，大量堆积的霜层会堵塞翅片间的空气流动通道，增大空气侧的换热热阻，导致蒸发器的传热性能降低，蒸发器风扇功耗增加。要消除这些影响，蒸发器翅片表面的霜层要及时除去，在传统制冷系统中一般采用的方法有热气旁通法、反向除霜法、电加热方法、显热除霜方法和自然循环除霜法。
然而，对于具有工作压力高和跨临界传热特性的空气源CO2热泵系统来说，传统的除霜方法不能直接采用。为了解决空气源跨临界CO2热泵系统的除霜问题，不伦瑞克工业大学的Mildenberger搭建了一个空气源跨临界CO2热泵系统实验台，在实验台上对自然循环除霜方法进行了验证。在跨临界CO2热泵自然循环除霜方法中，因此霜层融化所需的热量来源于热水箱，由系统中制冷剂的重力循环输送到蒸发器中，除霜时间较长。自然循环除霜方法的不足之处是热水箱中的温度会降低，从而导致使用时的热水发生温度波动，更重要的是，蒸发器和气体冷却器之间必须保持一定的高度差，以促进重力循环。2011年Minetto开发了一种跨临界CO2热泵机组的除霜方法，该方法是采用压缩机排气旁通到蒸发器中进行除霜，同时低压储液罐的外表面布置了一个900W的电加热器，整个除霜过程约19min，直到蒸发器的温度达到10℃为止。但是，该方法只对整个除霜过程中温度的变化进行了分析，而没有对系统压力的变化进行研究，无法验证除霜理论的正确性，关于跨临界CO2热泵系统的除霜特性更是无从谈起。
因此，对于除霜效率高、热水温度影响小的切实可行的除霜方法的研究就显得非常重要。为了解决空气源跨临界CO2热泵系统的除霜问题，本文提出了热气除霜的解决方法，重点对空气源跨临界CO2热泵系统的除霜特性和系统循环变化做了详细的分析。通过搭建实验台，对除霜过程中系统动态参数变化做了比较分析，得出了不同阶段的系统循环特性，并对空气源跨临界CO2热泵系统热气除霜的除霜效果进行了直观分析，最后对热气除霜方法的除霜效率进行了评价。
1热气除霜方法
热气除霜方法为：在除霜过程中将与电子膨胀阀并联的除霜电磁阀打开，经过气体冷却器降压后的制冷剂气体直接流入蒸发器，在蒸发器内通过冷凝放热融化霜层，如图1所示。整个除霜过程中压缩机不中断，而水泵和蒸发器风扇停止工作。
如图2所示，热气除霜系统循环可描述为6个过程：1-2表示低压和低温的制冷剂气体被压缩成高压、高温的制冷剂气体；2-3表示高温、高压制冷剂气体在气体冷却器内的降压过程，温度也会部分降低；3-4表示在中间换热器内的部分降压、降温过程，用于加热蒸发器出口的气液两相混合物；4-5表示中间压力的制冷剂气体通过除霜电磁阀节流后成为低压的制冷剂气体；5-6表示气相制冷剂在蒸发器中冷凝释放热量、融化蒸发器翅片上的霜层；6-1表示了蒸发器出口的气液两相混合物在中间换热器中的加热过程，使液体制冷剂汽化，有助于防止压缩机液击。
在正常的热泵运行过程中，蒸发器是用于从环境空气中吸收热量，电子膨胀阀节流后制冷剂两相混合物在蒸发器中蒸发吸热，最后在中间换热器内变成过热气体。当除霜过程开始时，在蒸发器中部分制冷剂冷凝放热，而热量通过管壁传递到霜层，吸收了热量的霜层开始融化。
2测试环境及实验台搭建
2.1测试环境
除霜实验是在西安交通大学压缩机研究所“余热回收高温热泵系统实验室”内进行的，该实验室由环境室、空气控制调节系统、给水控制调节系统、电气控制系统及数据采集系统5部分组成。实验的基本测量手段是水量热计法，可以准确测量水源热泵冷热水机组和空气源热泵冷热水机组的水侧换热量、功耗以及系统能效比等数据。
实验室空间大小为6.3m×4.6m×4.8m，室温控制范围：干球温度为-20℃～55℃，湿球温度为2℃～45℃，实验室测试仪器设备的详细信息如表1所示。 图6中显示了整个除霜过程中蒸发器表面霜层的动态变化图像。从0s开始超过80%的蒸发器空气流道被霜层覆盖，蒸发器换热开始恶化；到75s时空气通道被霜层几乎完全堵上，此时蒸发器换热已经恶化；195s时蒸发温度已经下降地非常明显，换热温差已经达到了除霜的设定值，此时电磁阀打开，除霜开始。除霜过程是一个相对较快的过程，为了更清晰地显示整个除霜过程和研究除霜过程中的除霜特性，得到了多张不同时刻的照片，如图6所示，这更有助于观察热气除霜方法的除霜效果。
在除霜进行到255s时，系统循环的质量流量增大，CO2气体在蒸发器内通过冷凝放热融化霜层，蒸发器内的参数变化明显，蒸发器翅片表面霜层开始松散、融化；到375s时，近50%的霜层已经被融化，此时属于稳定除霜阶段，蒸发器的换热主要用于融化霜层，参见495s、555s时的照片，可以看到霜层进一步融化，到715s时霜层全部融化成水；到755s时，蒸发器翅片上的水分开始蒸发，蒸发器温度升高，直到翅片温度达到除霜退出条件。
3.3除霜效率
除霜效率是评价一个除霜方法最重要的评估标准。针对跨临界CO2热泵热水器，除霜效率定义为在整个除霜过程中实际融化霜层所消耗的能量和系统整个供给总热量的比值，即
式中：m是除霜过程中收集的总融水量；Cp，f是霜层的比热容；Lf是霜的汽化潜热。
在选定的实验工况下，整个除霜过程中的除霜效率是35.6%，相比于普通制冷循环的除霜效率在40.4%～58%而言，该效率是低了一些，主要是因为热气通过气体冷却器时压降特别大，散失了大量的热量，同时为了加热气体冷却器内的水还需要吸收一定的热量，所以整个除霜过程中的效率偏低。相比于自然循环除霜过程，CO2热泵热水器热气除霜方法更为合理而且节省时间。
4结论
本文对空气源跨临界CO2热泵系统的热气除霜系统循环进行了研究，重点分析了跨临界CO2热泵热水器热气除霜时的系统参数变化和蒸发器表面霜层的变化，结合所拍摄的实时图像，得出跨临界CO2热泵热气除霜的特性以及系统循环变化。为了进一步研究跨临界CO2热泵热水器除霜的实际效果，根据在典型结霜环境条件的实验，得出了除霜效率。在实验结果的基础上，得到以下结论。
（1）跨临界CO2热泵热气除霜过程可描述为3个阶段：第1阶段是预热阶段，主要是加热蒸发器盘管和霜层，直到蒸发器表面霜层温度达到融化温度；第2阶段是稳定除霜过程，蒸发器表面霜层温度保持在融化温度，也可以称为潜热除霜阶段；第3阶段是蒸发器加热阶段，用于加热蒸发器盘管和换热翅片，直到除霜周期结束。
（2）在热气除霜过程中，气体冷却器内CO2气体的流量增大，导致气体冷却器内压降从供热过程的0.5MPa增大到除霜时的2.6MPa。
（3）气体冷却器进出口的温差变化表明，CO2气体的内能大量消耗且用于加热存储在气体冷却器内的水和气体冷却器本身的材料；减小气体冷却器进出口温差，提高气体冷却器出口CO2气体的温度，是提高除霜效率的关键。
（4）结合实时采集的图像和除霜效率可以得出，热气除霜的效果比较理想，除霜效率在35.6%，这对于跨临界CO2热泵系统来说是合理有效的除霜方法。
