基于CICO等效温降方法的空气源热泵结霜损失评估与设计技术

《Journal of Building Engineering》：Frosting loss assessment and design method for Air Source Heat Pumps using CICO-based equivalent temperature drop

空气源热泵（ASHP）防冻性能优化研究提出防冻性能等级（FSG）和CICO设计方法，基于等效温差法分析161个中国高湿度城市数据，发现CICO值从6增至10可使结霜损失平均降低37.5%，FSG2推荐CICO≥8，FSG1需CICO>10（部分城市需＞30），为高湿地区ASHP设计提供区域化CICO指导。

　　

李子坤|孙玉英|王伟|魏文哲

北京工业大学绿色建筑环境与节能技术重点实验室，中国北京100124

摘要

在供暖季节，减少空气源热泵（ASHP）因结霜导致的性能下降至关重要。先前的研究表明，较高的配置与运行特性指数（CICO）可以提高ASHP的防霜性能。然而，由于不同地区的防霜需求各异，选择合适的CICO值是一个挑战。本研究提出了两种防霜等级（FSG 1和FSG 2），以定义可接受的结霜损失水平，并基于CICO相关的等效温差方法开发了一种新的CICO设计方法。以中国161个高湿度城市为例，该研究评估了不同CICO值对结霜损失的影响，并确定了每个地区的推荐CICO值。结果表明，在高湿度地区，将CICO值从6提高到10可以将结霜损失平均降低37.5%，同时使达到防霜等级的城市比例从17%提高到80%。要达到FSG 2，通常需要8到17的CICO值；而在90%的城市中，达到FSG 1则需要超过10的CICO值，在17个城市中则需要超过30的CICO值。这些发现为在高湿度地区高效应用ASHP提供了实际指导。

引言

随着建筑电气化的发展，空气源热泵（ASHP）已成为一种关键的节能供暖技术[1]、[2]、[3]、[4]。ASHP由于能够利用环境热能，在运营经济性方面具有优势，因此非常适合住宅和商业供暖需求[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。在中国，ASHP行业的销售额在过去五年中呈上升趋势，2023年达到了310亿元人民币，同比增长了12%[5]。此外，ASHP的应用范围正在不断扩大，从寒冷的北方地区扩展到气候较为温和的南方地区[9]、[10]。

在实际应用中，由于环境温度（T_a）和相对湿度（RH）的差异，ASHP的供暖性能在不同地区存在显著差异[11]、[12]。在潮湿寒冷的环境中，室外盘管表面容易积霜，从而影响ASHP的运行效率[13]。为了确保稳定性能，ASHP需要在结霜时定期除霜。在运行过程中，ASHP通常采用逆循环除霜模式，即暂时反向流动制冷剂，将热气输送到室外盘管以融化积霜。每次除霜循环通常持续几分钟，会导致供暖供应短暂中断。在潮湿条件下，除霜过程会增加压缩机的功耗，约占季节总能耗的5%到10%[13]。

事实上，ASHP结霜造成的损失远大于除霜过程本身。统计数据显示，ASHP结霜会导致供暖输出能力下降30%到57%，同时性能系数（COP）也会下降35%到60%[14]、[15]、[16]。这一问题的严重程度因地区而异[17]，但在许多高湿度地区，频繁的结霜事件会大幅降低供暖输出和系统可靠性[18]、[19]。吴等人的研究[20]表明，在上海这样的高湿度环境中，ASHP进行除霜操作所需的时间是北京干燥气候下的两倍多，导致供暖能力损失增加了近三倍。因此，提高防霜性能对于ASHP在高湿度地区的高效稳定运行至关重要。

已经探索了一系列技术方法来减轻ASHP系统的结霜问题。一些研究人员[21]、[22]研究了电场和磁场对抑制结霜的效果。他们的实验发现，在电场或磁场的作用下，结霜晶体往往较薄且较长，容易脱落，从而有效减少结霜积累。然而，将电场或磁场引入ASHP存在显著的工程挑战。此外，更多学者研究了换热器表面涂层以增强防霜性能。例如，Kim等人[23]采用涂层和蚀刻相结合的方法制备了超疏水表面，发现随着静态接触角的增加，冰晶的形成和传播受到抑制。Highgate等人[24]研究了不同涂层厚度对结霜的影响，发现较厚的亲水涂层具有更明显的防霜效果。尽管实验室研究证实了防霜涂层的有效性，但由于耐久性、维护成本和环境适应性问题，实际应用仍受到限制[25]。

近年来，人们越来越关注优化ASHP关键部件（如压缩机、室外换热器和风扇）的配置和运行，以提高其防霜性能，即延迟结霜的发生并减缓结霜积累的速度。Lin等人[2]发现，将室外换热器的表面积加倍可以在供暖季节将结霜时间减少5.21%到82.96%。Kandula等人[26]和王等人[22]证明，增加室外空气流速有助于延迟首次结霜的出现。为了量化系统级设计和运行对结霜行为的影响，最近引入了一个无量纲参数——配置与运行特性指数（CICO）[27]、[28]。该指数整合了换热器面积、压缩机特性和气流速率等物理和运行参数，提供了一种简化的方法来评估ASHP的固有防霜能力[29]。这种方法主要通过扩大室外换热器或增加气流来实现防霜效果，具有易于实施和成本效益高的优点。因此，对于在高湿度地区应用的ASHP，应适当提高其设计CICO值，以减少结霜频率和后续除霜操作中的能量损失。

根据环境运行条件评估ASHP的性能对于指导其广泛应用至关重要。大多数研究关注环境温度（T_a）和相对湿度（RH）对ASHP性能的影响。Zhu等人[30]基于模拟和现场实验提出了一个T_a-RH图，用于可视化不同环境条件下ASHP室外盘管的结霜强度。Wu等人[20]、[31]提出了等效温差（ETD）方法，将结霜效应转换为等效的环境温差。在最近的一项研究中，Li等人[32]通过将CICO指数纳入ETD框架，解决了ASHP在结霜条件下的性能变化问题，从而提高了其适用性。这一改进使得在不同环境温度和湿度条件下评估不同配置的ASHP变得更加合理。

尽管现有研究已经明确证明，提高ASHP单元的CICO值可以有效减少与结霜相关的损失，但在针对特定地区气候条件选择最佳CICO值方面仍存在显著的研究空白。这一空白限制了ASHP的气候适应性，阻碍了其在高湿度地区的有效应用。

为解决这一研究空白，本研究在之前开发的基于CICO的ETD方法的基础上，建立了一个防霜等级（FSG）系统。该系统将可接受的性能损失阈值与常用的能效指标（如IPLV）联系起来，为评估结霜影响提供了明确的标准。此外，还开发了一种创新的CICO设计方法，该方法利用每小时气候数据来确定不同FSG类别对应的适当CICO值。这是首个面向工程的基于CICO的ASHP设计方法，适用于多种气候区域。

以中国的高湿度地区为例，对161个城市进行了全面分析，比较了具有不同CICO值的ASHP的结霜损失。最后，为高湿度地区制定了具体的CICO指南。研究结果强调了防霜性能的关键作用，并为潮湿环境中的ASHP设计和部署提供了实用的CICO指南。尽管本案例研究集中在中国的高湿度地区，但所提出的CICO设计方法仅需要每小时的温度和湿度数据，因此可以应用于任何有气象记录的地理区域。

与主要提供性能指标的先前ETD应用[31]、[32]相比，本研究将ETD转化为一种设计方法，通过将ΔT_a阈值映射到CICO。简而言之，以往的工作量化了结霜影响；而在这里，我们将量化的影响转化为制造商和系统设计师可以使用的规范设计参数。

部分摘录

基于CICO的ETD方法

为了更准确地评估ASHP在结霜条件下的运行供暖输出，本研究采用了一种改进的ETD方法，该方法考虑了系统配置和运行的影响。具体来说，使用了一个称为CICO的参数来反映单元的结构和运行特性[27]、[28]。它涉及两个关键配置变量：用于热交换的室外盘管表面积（F_c）和压缩机的

中国的高湿度地区及其气候特征

中国位于东亚，太平洋西岸，陆地面积约为960万平方公里，涵盖五个建筑气候区，气候条件复杂多变。为了研究ASHP的结霜损失和CICO设计，本研究选择了高湿度地区作为研究区域。

先前的实验研究表明，ASHP的室外换热器更容易结霜

结论

为了合理确定不同地理区域ASHP单元的适当CICO值，并减少因结霜导致的供暖性能下降，本研究提出了防霜等级和CICO设计方法。通过对中国161个城市的案例研究，评估了不同CICO值下的结霜损失，并指导了CICO值的区域选择。可以得出以下结论：

(1)

提出了一种防霜等级框架，以建立

CRediT作者贡献声明

王伟：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源获取。魏文哲：撰写——审稿与编辑、验证、监督、形式分析。孙玉英：撰写——审稿与编辑、验证、方法论。李子坤：撰写——初稿撰写、验证、方法论、数据整理、概念化

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52378086）的财政支持。