一种综合考虑空气源热泵的制冷剂和配置的新型综合结霜特性指数

《ENERGY AND BUILDINGS》：A novel comprehensive frosting characteristic index jointly considering the refrigerant and configuration of air source heat pumps

通过分析空气源热泵（ASHP）外机换热过程，提出考虑制冷剂物理参数和系统配置的新结霜特性指数CICOR，并基于四台实验ASHP（R410A和R32）的结霜实验，建立CICOR、结霜驱动力与结霜时间的关系模型。研究发现CICOR值升高可有效抑制结霜，R410A与R32的结霜时长随CICOR值增加呈显著正相关。

　　空气源热泵（Air Source Heat Pumps, ASHPs）作为现代建筑环境中重要的供暖设备，因其高效节能的特性而被广泛应用于减少空间供暖的能源消耗。然而，在实际运行过程中，尤其是在冬季低温条件下，ASHPs常常面临一个严重的问题——结霜。结霜不仅会影响设备的正常运行，还会显著降低其供暖效率，甚至导致系统停机。因此，如何有效抑制结霜成为ASHPs研发和应用中的关键课题。

结霜的形成与多种因素密切相关，包括制冷剂的种类、设备的配置参数以及运行环境条件。制冷剂作为热泵系统中的介质流体，通过气液相变实现热交换，其物理性质对结霜过程具有重要影响。而设备的配置参数，如压缩机转速、压缩机排量、室外风机风量、室外换热器的表面积等，同样在结霜过程中发挥着不可忽视的作用。这些参数的协同作用决定了热泵在运行过程中是否容易发生结霜，以及结霜的程度和持续时间。

目前，已有大量研究关注了ASHPs配置参数对结霜的影响。例如，一些学者指出，提高室外空气流速可以延迟结霜的首次出现，同时提升热泵的总供暖能力和能效比（Coefficient of Performance, COP）。此外，降低压缩机转速或增加送风风机风速也能提高热泵的蒸发温度，从而有助于结霜的抑制。然而，这些研究大多集中于设备配置方面，较少涉及制冷剂种类对结霜过程的具体影响。实际上，不同种类的制冷剂具有不同的物理特性，这些特性会显著改变热泵在结霜环境下的运行表现。

为了全面量化制冷剂种类和配置参数对结霜性能的影响，研究人员对不同制冷剂类型的ASHPs进行了详细的热交换过程分析。通过这一分析，他们确定了影响ASHPs结霜性能的关键物理参数，并提出了一个新的结霜特征指数——CICOR（Combined Index for Condensation and Frosting Resistance）。该指数综合考虑了制冷剂和设备配置参数的联合影响，从而更准确地描述结霜的发生过程和抑制效果。通过实验验证，CICOR在表征结霜水平方面表现出较高的可靠性，为后续的结霜抑制技术开发提供了理论依据。

实验研究采用了四台不同型号的ASHPs，在标准结霜条件下进行测试。这些实验条件包括室外空气温度为2 ℃，相对湿度为1 ℃。通过对实验数据的分析，研究人员建立了CICOR、结霜驱动力（ΔT_a-e）和结霜持续时间（T）之间的经验数值关系。实验结果表明，CICOR值的增加与结霜抑制能力的增强密切相关。具体而言，对于采用R410A制冷剂的ASHPs，当CICOR值从11.26×10?2 (s·m?)/kJ2增加到52.68×10?2 (s·m?)/kJ2时，结霜持续时间从21分钟延长至122分钟。而对于采用R32制冷剂的ASHPs，当CICOR值从14.46×10?2 (s·m?)/kJ2增加到54.82×10?2 (s·m?)/kJ2时，结霜持续时间则从23分钟延长至69分钟。这些数据进一步验证了CICOR在表征结霜特性方面的有效性，并表明不同制冷剂在结霜抑制方面存在显著差异。

结霜的发生机制与热交换过程密切相关。在结霜环境下，空气中的水蒸气会在室外换热器的表面凝结并形成冰晶，从而导致结霜的出现。这一过程受到多种因素的影响，包括空气湿度、换热器表面温度、制冷剂的热物性等。其中，空气湿度是结霜发生的主要驱动力，而换热器表面温度则决定了结霜是否能够形成。当室外换热器的表面温度低于空气的露点温度和水的冰点温度时，结霜现象便会发生。这种现象不仅会增加热交换器的热阻，还会降低热泵的供暖能力，甚至导致系统无法正常运行。

因此，如何通过优化制冷剂种类和设备配置来提高ASHPs的结霜抑制能力，成为当前研究的重点。研究表明，制冷剂的种类对结霜的发生和持续时间具有显著影响。例如，R32制冷剂相比R410A制冷剂，其在结霜环境下的表现更为明显，能够更快地形成结霜，且结霜持续时间更长。这表明，选择合适的制冷剂对于改善ASHPs的运行性能至关重要。此外，设备的配置参数同样对结霜过程产生影响，通过调整这些参数，可以有效延缓结霜的发生，从而提高热泵的运行效率。

在实际应用中，结霜问题的严重性不仅影响热泵的运行性能，还可能对环境产生负面影响。由于制冷剂属于温室气体，一旦发生泄漏，会对大气层造成破坏，加剧全球变暖和气候变化。因此，制冷剂的替代已成为ASHPs研发的重要方向。然而，制冷剂替代过程中，如何平衡其对结霜性能的影响与对环境的友好性，是需要深入研究的问题。一些研究指出，虽然新型制冷剂可能具有更低的全球变暖潜能值（GWP），但在某些情况下，其结霜特性可能不如传统制冷剂，从而影响热泵的运行效率。

为了全面评估制冷剂种类和设备配置对结霜性能的影响，研究人员对ASHPs的热交换过程进行了详细分析。通过这一分析，他们确定了影响结霜的关键物理参数，并提出了CICOR这一新的特征指数。CICOR的建立不仅有助于更准确地描述结霜过程，还为后续的结霜抑制技术开发提供了理论支持。此外，实验研究进一步验证了CICOR在表征结霜水平方面的有效性，表明其在实际应用中具有较高的参考价值。

在实验过程中，研究人员通过调整不同的制冷剂种类和设备配置参数，观察其对结霜过程的影响。实验结果表明，CICOR值的增加与结霜持续时间的延长呈正相关，这表明CICOR可以作为衡量结霜抑制能力的重要指标。同时，研究人员还发现，结霜驱动力（ΔT_a-e）与结霜持续时间之间存在一定的关系，这进一步说明了热泵在结霜环境下的运行特性与制冷剂和设备配置参数之间的复杂联系。

综合来看，ASHPs的结霜问题不仅影响其运行效率，还可能对环境造成负面影响。因此，深入研究制冷剂种类和设备配置参数对结霜性能的影响，对于提高ASHPs的运行效率和环境友好性具有重要意义。CICOR的提出为这一研究提供了新的视角和方法，使得研究人员能够更全面地分析和评估结霜过程。未来，随着新型制冷剂的不断涌现和设备配置参数的优化，CICOR有望在实际应用中发挥更大的作用，为ASHPs的结霜抑制技术提供更加科学的指导。