适用于中国严寒气候区域的低温变频空气源热泵的改进型 frosting 测试方法

《Journal of Building Engineering》：An improved frosting test method for low-temperature variable-frequency air source heat pumps applicable to severe cold climatic region of China

　　• 现有的结霜测试方法不适用于低温变频空气源热泵（LVASHPs）
• 开发了一种结合结霜率计算方法的LVASHP模型
• 随着室外温度的升高，结霜率先增加后减少
• 结霜测试应在-4°C/85%的环境条件下进行
• 结霜测试期间，压缩机转速应为其额定值的55%或60%

**引言**
在全球能源转型不断深化和追求碳中和的大背景下，空气源热泵（ASHPs）已成为供暖领域中替代化石燃料的核心低碳技术。由于具备高度集成性、强大的工程适应性和与各种终端设备的良好兼容性[1],[2]，其应用范围已从传统温和气候地区扩展到寒冷乃至极寒气候地区[3],[4]。然而，在低温高湿环境下运行时，ASHPs经常会出现结霜问题[5],[6]。结霜不仅会阻碍空气流动，导致通过室外热交换器的室外空气质量流量减少，还会增加室外空气与制冷剂之间的热阻，从而显著降低室外热交换器的热传递效率[7]。因此，结霜会导致性能系数（COP）和供热能力下降[8]，以及排气温度升高[9]。在极端情况下，甚至可能导致系统停止运行或部件损坏[10]。为了减轻结霜对ASHPs运行的负面影响，研究人员对其结霜机制进行了全面研究。Kandula等人[11]通过实验研究表明，增加室外风扇的空气质量流量可以显著降低霜层厚度并抑制结霜增长。Wang等人[12]指出，在初始结霜阶段，采用间歇性气流并降低风扇转速以吹散冷凝液滴实际上会促进霜层生长，从而导致供热能力和平均COP下降。Yan等人[13]和Yao等人[14]通过实验揭示了动态结霜生长机制及其对系统性能的影响，他们发现，在恒定室外温度和相对湿度条件下，较低的气流质量会加速结霜积累，使热传递效率和平均热传递系数更快地下降。Xu等人[15]和Xia等人[16]的实验进一步表明，较高的压缩机转速和较低的室外风扇转速都不利于抑制结霜，反而会增加系统不稳定的风险。Li等人[17]发现，增加室外热交换器的面积可以减少单位面积的热传递能力，有助于防止翅片表面温度低于露点并延缓结霜形成。尽管发生结霜，更大的热交换面积有助于缓解ASHPs的供热能力和COP下降。Lin等人[18]通过实验证明，ASHPs的结霜程度会随着压缩机转速和室外风扇转速的不同组合而显著变化，特别是较高压缩机转速和较低室外风扇转速的组合会导致更严重的结霜。从上述研究可以看出，ASHPs的结霜特性与其配置有关，包括压缩机和室外热交换器等部件。为了量化这些因素对ASHPs结霜的影响，Liang等人[19]提出了配置和运行特性指数（CICO），以有效描述关键内部组件的性能对ASHPs结霜程度的综合影响。具体来说，CICO与室外热交换器的热交换面积和室外风扇的空气体积呈正相关，而与压缩机转速和排量体积呈负相关。进一步的研究证实，较高的CICO值对应较慢的结霜速率[20]。

尽管通过优化ASHPs的配置可以抑制结霜，但在大多数情况下仍无法完全避免。为了在结霜条件下保持较高的COP，及时进行除霜操作至关重要[21]。在除霜过程中，从压缩机释放的高温制冷剂会流向室外盘管以融化霜层，这使得ASHPs在除霜期间暂时停止向室内空间供热，甚至从室内空气中吸收热量[22],[23]。如果除霜时间过长，室内温度会显著下降，从而恶化室内热环境[24]。此外，过高的结霜率会频繁触发除霜操作，同样会破坏室内热环境的稳定性。因此，美国、欧盟和中国等大多数国家都制定了相应标准，要求ASHPs在上市前必须进行结霜和除霜性能测试，以确保其在实际应用中的运行性能和可靠性。因此，建立合理的ASHPs结霜测试方法至关重要。

合理的ASHPs结霜测试方法应能准确反映其在实际运行条件下的结霜特性，需遵循以下三个基本原则：1) 速度：测试条件下的结霜率应较高；2) 频率：测试条件应对应于该设备应用地区的高发频率；3) 平衡：测试期间ASHPs的供热能力应等于或接近建筑物供暖负荷。然而，目前国际上采用的结霜测试方法主要是为固定频ASHPs开发的，已有数十年未更新。该方法将所有ASHPs的测试条件统一设定为标准值（2/1°C，干球温度2°C，湿球温度1°C），并要求压缩机以额定速度运行。但对于变频ASHPs，其压缩机转速会根据建筑物供暖负荷的变化动态调整，进而影响室外热交换器的表面温度（STOHE），这最终改变了设备的结霜特性[25]。因此，这种方法无法准确反映变频ASHPs在运行条件下的实际结霜特性，尤其是在中国极寒气候区域的低温变频ASHPs（LVASHPs）中这一问题更为明显[26]。本研究中的“极寒气候区域”是指中国标准GB50176-2016定义的寒冷地区[27]，LVASHPs需要能够在-20°C或更低的环境温度下运行以满足该地区的供暖需求。在现有的2/1°C测试条件下，压缩机通常以最低转速运行[28]，导致STOHE相对较高[29]，此时结霜率通常较低或可以忽略[30]。Wei等人[31]利用结霜图分析了不同气候区域典型城市的变频ASHPs的结霜特性，如图1所示。对于中国极寒气候区域最冷的省会哈尔滨，室外温度的结霜上限为1°C，这意味着在2/1°C的测试条件下，LVASHPs不会形成霜层。这进一步表明现有结霜测试方法难以应用于LVASHPs。因此，迫切需要开发适用于LVASHPs的结霜测试方法。

**研究目的**
为了填补上述研究空白，本研究旨在通过确定代表性的测试条件以及基于建筑物供暖负荷和区域气候分布调整压缩机转速的方法，为中国极寒气候区域的LVASHPs开发一种改进的结霜测试方法。首先建立了LVASHP的数学模型，以获取其在各种条件下的运行参数。然后以中国极寒气候区域的六个省会城市（哈尔滨、长春、乌鲁木齐、沈阳、呼和浩特和西宁）为研究对象，分析了这些城市的LVASHP结霜率变化情况，并确定了最高结霜率的室外温度范围。通过结合这些城市供暖季节的气象数据，确定了适用于中国极寒气候区域的LVASHP的合理结霜测试条件。最后，通过分析这六个城市中LVASHP在结霜测试条件下的相对压缩机转速，提出了适用于中国极寒气候区域的LVASHPs结霜测试方法。

**创新点**
1) 揭示了考虑建筑物供暖负荷影响的LVASHP结霜率变化；
2) 提出了适用于中国极寒气候区域的LVASHPs结霜测试方法。

**研究方法**
为获得各种运行条件下的准确运行参数，基于参考文献[32]第2.1节中介绍的LVASHP物理结构建立了其数学模型。LVASHP主要由准两级压缩机、冷凝器、蒸发器、 economizer和两个电磁膨胀阀组成，如图2所示。它使用R410A作为制冷剂，详细参数参见参考文献[26]。为提高模型精度，还构建了一个单独的子模型来计算LVASHP的初始结霜率。

**结果与讨论**
本节介绍了适用于中国极寒气候区域的改进型LVASHPs结霜测试方法的开发过程。具体而言，第4.1节分析了六个典型城市中LVASHP的结霜率变化情况（考虑了建筑物供暖负荷的影响），第4.2节确定了最高结霜率的室外温度范围。通过结合这些城市供暖季节的气象数据，得出了适用于中国极寒气候区域的LVASHP的合理结霜测试条件。

**作者贡献声明**
张春晓：方法学研究；
滕伟明：可视化处理、形式分析；
戴传民：研究、形式分析；
王伟：资源提供、项目管理、概念设计；
姜志科：验证、资源管理、数据整理；
孙玉英：可视化处理、监督；
魏文哲：写作–审稿与编辑、监督、方法学指导；
郭宇涛：写作–初稿撰写、软件开发、数据整理；
罗周阳：可视化处理、监督。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52408098）和国家建筑环境与能源工程青年人才支持计划（2025-2027）的资助。