风冷热泵冷热水机组由于具有节能兼顾供冷供热、使用灵活、方便、初投资少、所占空间小等优点在我国大部分地区得到广泛的应用。但风冷热泵机组冬季制热运行遇到的*大问题是蒸发器表面结霜，由于霜层的形成与增长，加大了蒸发器表面与空气间的传热热阻，增加了气流通过蒸发器时的流动阻力，使通过蒸发器的空气流量下降，换热效率明显降低，导致由空气和蒸发器之间换热量下降，热泵机组的工作状况恶化，甚至不能正常工作。因此风冷热泵在结霜条件下运行时必须适时除霜。
目前对风冷热泵机组常用的除霜方法是通过系统逆向循环（制冷循环）来实现。但这种传统的四通阀换向除霜方法存在一系列弊端：由于四通阀换向，制冷系统原来的高低压部分切换，这使制冷系统出现“奔油”现象，降低系统的可靠性和使用寿命；除霜时制冷剂要从供热系统中吸取热量用于除霜，造成供热水温度急剧波动，因而影响了空调系统的舒适性；同时从除霜开始到除霜结束，四通阀要动作2次，系统的高低压同时也切换2次再重新建立平衡，这不仅造成能量损失而且使系统除霜过程总的时间加长。因此，除霜方法、除霜控制策略、新型除霜方法的开发成为热泵空调系统的研究重点之一。
但纵观国内外的各种研究，大多是围绕逆向除霜方式进行或对其进行改进，但逆向除霜方式所固有的各种弊端（因四通阀换向带来的）*终无法消除。所以为解决传统四通阀换向除霜方式给风冷热泵系统所带来的诸多弊端，提高机组的综合性能，研制开发出新的除霜方式具有重大意义。
为此作者开发出一种新型除霜方式DDD显热除霜。对显热除霜方式与逆向除霜方式进行了对比试验，试验表明显热除霜方式与逆向除霜方式相比不仅解决了逆向除霜方式所存在的各种弊端，而且在除霜时间、舒适性方面具有很大优越性。
本文将采用理论分析与试验研究的方法对显热除霜过程所需能量进行深入研究，同时将其与逆向除霜过程所需能量进行比较。
1显热除霜原理及工作过程分析分析传统除霜方式，可以发现目前除霜方式的弊端主要归因于四通阀换向。就此作者提出一种新型的除霜方式DDD显热除霜方式。
显热除霜是指利用制冷系统压缩机排气管至电子膨胀阀前的旁通回路，将压缩机的高温高压排气直接引到电子膨胀阀前，再经过电子膨胀阀的等焓节流将压缩机排气引入空气换热器中，利用压缩机排气的热量将空气换热器翅片侧的霜层除掉，同时通过调节电子膨胀阀控制制冷剂流量，保证制冷剂在空气换热器中只进行显热交换而不进行冷凝。
在除霜过程中四通阀不需换向，这样原有因为四通阀换向除霜所带来的各种问题都得到了解决。显热除霜的热量来源为压缩机所做出的功和压缩机壳体蓄热量2部分。显热除霜过程的循环原理如所示。可以看出，显热除霜循环在压焓图上可以近似表示为4个过程：过程122表示压缩机的压缩从起始到终止的过程，在该过程中制冷剂从低温低压的气体压缩成高温高压的气体；过程223表示高温高压的制冷剂气体经过电子膨胀阀节流后成为高温低压的气体；过程324表示高温低压的制冷剂气体在空气换热器中降温，放出热量，同时这也是换热器翅片上霜层融化的过程；过程421是表示制冷剂从吸入压缩机到开始压缩的过程，此时温度升高。
2显热除霜方式能量分析与逆向除霜方式耗能对比211蒸发器除霜过程中所需总能量分析根据Krabow等的实验研究发现，整个除霜过程中，蒸发器表面会依次出现结霜、融化、湿表面和干表面状态。因此整个过程也可以分为4个阶段：预热阶段、融化阶段、蒸发阶段和烘干加热阶段。
从能量角度看，融霜过程中热量由制冷剂传递到管壁，一部分能量被管壁吸收，一部分由管壁传递出来融化霜层，或者蒸发换热器表面的水分，还有一部分散发到空气中。
根据以上过程，可将融霜过程能量用方程表示为Q r = Q s + Q c + Q f + Q v（1）Q s = C dT dt（2）Q c =αc A c（ T w - T a）（3）Q f =αw A c（ T w - T f）（4）Q v = R v h fg（5）式中， Q r为制冷剂侧向管壁的传热量，也就是除霜所需的总热量； Q s为管壁储存的热量； Q c为管壁与空气的对流换热； Q f为霜层融化所需吸收的热量；Q v为水分蒸发所需的热量； C为管壁热容； T w为管壁温度， T f为制冷剂温度； h fg为水的气化潜热； a w和R v分别为霜层和管壁直接的传热系数和水分的气化速率。
为确定显热除霜方式的效果和性能，本文将显热除霜方式与逆向除霜方式在同等条件下进行对比。同等条件是指在相同环境温度、湿度下，热泵机组运行相同的时间。这样在结霜程度相同的条件下，分析2种除霜方式除霜所需的能量。
由显热除霜循环原理图与逆向除霜循环原理图在压焓图上的表示可以看出，运行逆向除霜循环时制冷剂从压缩机排出后直接进入蒸发器，而运行显热除霜循环时制冷剂是从压缩机排出后，经过电子膨胀阀节流后才进入蒸发器（这就造成制冷剂不仅降压而且温度也有降低） ，这样的区别就造成显热除霜循环时进入蒸发器的制冷剂温度比逆向
除霜循环制冷剂温度更低。通过分析2种除霜方式，在蒸发器结霜程度相同的情况下，本文假定：①蒸发器表面结霜量相同；②霜层融化后两者在蒸发器表面剩余的水分相同。由假定①可得出在除霜过程中Q f相等，由假定②可得出Q v相等。
由前面分析得出2种除霜方式中，显热除霜时进入蒸发器的制冷剂温度低于逆向除霜时进入蒸发器的制冷剂温度，由式（2）、式（3）可得出显热除霜时的Q s和Q c比逆向除霜时的Q s和Q c要小。则显热除霜时的Q r小于逆向除霜时的Q r。因此由上面分析可以得出在相同结霜程度下显热除霜循环比逆向除霜循环所需要的热量要少。
212两种除霜方式的除霜能量分析由前面分析可知，采用不同的除霜方式，在同等条件下所需的除霜热量不相等。同样，运行不同的除霜方式，除霜所需的热量组成和来源也不尽相同。假定逆向除霜循环用下标n表示，显热除霜循环用下标x表示，下面分别对2种不同的除霜循环的除霜能量进行建模对比分析。
1逆向除霜方式在逆向除霜过程中，除霜所需的热量主要由2部分组成：Q n = Q y1 + Q sh（6）式中， Q y1为逆向除霜期间压缩机所做的功； Q sh为逆向除霜期间从冷媒水中吸取的热量。
假定逆向除霜时间为t n1，除霜过程中压缩机平均功率为W n1，则Q y1 = W n1 t n1（7）作者认为考察除霜方式所花费的除霜时间应该为从系统开始除霜到结束除霜并将系统恢复到除霜前状态所花费时间的总和，而不仅仅是开始除霜到结束除霜所花费的时间。
因此逆向除霜循环结束后，系统还需花t n2的时间运行制热循环使系统恢复到除霜开始前的状态，即将冷媒水升温到除霜前的温度。因此有Q sh = Q y2 + Q a2（8）式中， Q y2为系统恢复除霜状态时压缩机所做的功； Q a2为这期间系统从环境吸取的热量。
在系统运行制热循环加热冷媒水恢复除霜前水平时，因系统刚将四通阀切换，不是稳定运行，机组制热循环CO P平均取2（由样机四通阀切换动态过程取平均得出）。
假定逆向除霜系统恢复时间为t n2，恢复过程中压缩机平均功率为W n2，则有Q y2 = W n2 t n2（9）Q sh = 2 W n2 t n2（10）逆向除霜所带来的各种弊端诸如“奔油”等现象，分析其根源在于四通阀的换向。
在整个除霜过程中四通阀需进行2次换向，在每次换向的过程中，系统的蒸发器和冷凝器就必须进行一次交换，换热器内由高温高压变为低温低压，或者由低温低压变为高温高压，系统原有的循环被破坏，必须通过压缩机做功重新建立压力和温度分布，这就造成了制冷系统在换向过程中大量能量损失。
定义系统四通阀换向所带来的损失为Q sun， n，则有Q r， n = Q n - Q sun， n Q r， n = Q y1 + Q sh - Q sun， n Q r， n = W n1 t n1 + 2 W n2 t n2 - Q sun， n（11）分析制冷系统四通阀的换向过程，在四通阀换向时，蒸发器和冷凝器中压力互换，温度互换。
可以将其当作是制冷系统一个停机过程和一个开机过程的组合。在逆向除霜过程中的2次四通阀换向所带来的能量损失就可等同于制冷系统2次开停机所带来的能量损失。因此本文研究空调器启停过程能量损失方法的基础上研究四通阀换向给系统带来的能量损失。
郭宪明等为了研究空调系统启停损失，通过求解系统启停动态过程得出的压力变化曲线计算出启动过程中制冷量、CO P随时间的变化曲线以及停机过程中系统制冷量随时间的变化曲线。
为评估能量损失，引入了能量损失率R loss：即一个循环周期中由于系统的启停引起的制冷量损失占系统稳态制冷量Q cyc的比值，即
R loss = t on Q cyc -∫t on 0 q cyc q 0 dt +∫t off 0 q cyc q 0 dt t on Q cyc（12）定义T cyc为系统启、停周期； T on， T off分别为系统一个启、停周期内压缩机工作时间和停机时间； F n = t on /T cyc为启动比，可近似为相同室内外气象条件下空调负荷与空调机稳态制冷量之比； f r = 1 /T cyc为系统启停频率（次/h）。
则式（12）可写成R loss = 1 -∫t on 0 Q cyc Q 0 dt -∫t off 0 Q cyc Q 0 dt f r F n根据实验和计算得出系统启、停过程中的能量损失系数R loss随F n及f r的变化曲线。
在已知F n及f r的情况下可由曲线得出系统能量损失率，再乘以一个循环周期内的系统制冷量就可以得出系统因为启停所造成的具体的能量损失。
逆向除霜1次可等价于系统启停2次，由除霜周期和除霜时间可确定F n及f r，由此可得出逆向循环能量损失的比例。
2显热除霜方式由显热除霜循环原理的P 2 h上可以看出，在显热除霜过程中，除霜所需的热量为Q x = Q y3 + Q xu（13）式中， Q y3为显热除霜期间压缩机所做的功； Q xu为压缩机的蓄热。因考虑到考察除霜时间的标准是制冷系统从开始除霜到结束除霜并将系统恢复到除霜前水平所花的时间，因此在考察除霜时间时，显热除霜的热量来源仅仅是压缩机所做的功，因为即使在显热除霜过程中压缩机蓄热提供了除霜热量，但结束除霜后系统恢复到除霜前水平时仍然要将热量补充回去。
所以从时间考虑，显热除霜的热量来源主要是压缩机所做的功。
假定逆向除霜时间为t x1，除霜过程中压缩机平均功率为W x1，则有Q x = W x1 t x1因在显热除霜过程中，冷凝器和蒸发器的温度、压力分布变化也将导致一部分能量损失Q sun， x。
从显热除霜方式的压焓图和试验可以看出，冷凝器的温度、压力和蒸发器的压力变化很小，主要是由蒸发器的温度分布变化造成，因这部分热量计算复杂且相对于总的除霜热量这部分很小，所以Q r， x = Q x - Q sun， x = W x1 t x1 - Q sun， x 3试验研究311试验装置作者在常州爱斯特空调设备有限公司协助下，根据显热除霜方案，研制出试验样机。样机系统流程如所示。样机系统的详细介绍见文献。
312系统性能实验台为了保证测试结果的精确有效，在常州爱斯特空调设备有限公司的制冷空调产品测试中心进行样机测试。该测试中心由合肥通用机械研究所设计并建造。
313试验结果与分析为验证显热除霜的效果，并与四通阀换向除霜进行比较，作者对样机通过设定不同的除霜控制程序，在相同的结霜程度下（样机在相同的温、湿度环境中运行相同的时间，人工模拟环境由产品测试中心保证）进行了2种除霜方式的对比试验。
为采取四通阀换向除霜和显热除霜时壳管式换热器的进出水的温度变化曲线的对比。其中， T out， T in为冷凝器出水和进水温度。为了更好地比较，对2种除霜的绝对时间进行平移处理。对具体除霜试验过程和结果对比分析，本文仅从除霜过程时间上进行分析，
可以看出，两者在600 s时同时启动除霜，逆向除霜在750 s时结束，四通阀进行了切换。但冷凝器出水温度在900 s时才恢复到除霜前水平。显热除霜在820 s时结束除霜，880 s时恢复到除霜前水平。
在逆向除霜时，制冷剂从冷凝器所供热水中吸取热量，引起出水温度急剧降低，而在显热除霜时，因制冷系统不从所供热水中吸取热量，所供热水仍然能够向室内提供一定的热量，并降低自身温度。
所以存在结束除霜后，冷凝器出水温度的一个恢复期（60 s） ，即补偿在除霜期间所供热水向空调系统继续供热量导致自身的温度降低。这时间与除霜所需能量无关。因此在能量分析试验验证时不考虑。
由上面试验可得出： t n1 = 150 s， t n2 = 150 s， t x1 = 220 s.
同时因为在除霜过程中，因为制冷系统变化剧烈，压缩机的输入功率也变化很大，所以压缩机的功率取平均，由试验测得，W n1≈W n2 = 51 kW ， W x1 = 45 kW ，正常制热时压缩机功率W = 60 kW.正常取制热CO P为3（由机组正常制热运行时测得）。
对逆向除霜Q r， n = W n1 t n1 + 2 W n2 t n2 - Q sun， n由前面分析可将逆向除霜中四通阀换向所带来的损失等同为制冷系统在一个除霜周期内2次开停机损失。
试验所采取的除霜周期是1 h，开停机损失曲线图，可查出，四通阀换向所带来的能量损失占整个系统制热能量的2 % ，则Q r， n = 51×150 + 2×51×150 - 60×2 %×3×3600 = 9 990 kJ对显热除霜Q r， x = Q x - Q sun， x = W x1 t x1 - Q sun， x因为显热除霜过程中的Q sun， x主要是由蒸发器的温度分布变化造成的，由于这部分热量计算复杂且相对于总的除霜热量很小，所以计算忽略。
则有Q r， x = 45×220 = 9 900 kJ因此有Q r， n≈Q r， x由上面试验表明，在同等结霜程度（样机在相同的温度、湿度的环境下运行相同的时间）下，作者所做的逆向除霜方式与显热除霜方式的理论能量分析得到实验验证。
由上面分析可看出，在试验条件下，显热除霜时间为220 s，逆向除霜时间为300 s，因此可得：显热除霜时间比逆向除霜时间缩短了2617 %.除霜时间的缩短就意味着供热能力的提高，为了便于比较，作者定义了小时供热率ξ，即采用机组运行的每小时中供热时间与总运行时间的比值。试验中对逆向除霜一个除霜运行周期为3 900 s，其中制热时间3 600 s，除霜时间300 s.在同样的时间内显热除霜可以多供热80 s.因此存在：Δξ= 80 3 900×3 600 3 900 = 2 %即表示显热除霜方式与逆向除霜方式相比，每小时供热率可提高2 %以上。
4结论1）针对现有逆向除霜方式的不足，开发出一种新型除霜方式DDD显热除霜，并分析了显热除霜方式的机理、作用和过程。
2）从霜层角度分析了蒸发器除霜过程中需要的总能量，在同等条件（结霜程度相同）下，对显热除霜方式与逆向除霜方式除霜所需热量进行了理论比较，得出显热除霜方式所需的热量较少。
3）从制冷系统角度，研究了2种除霜方式的除霜热量组成。逆向除霜方式因为存在四通阀2次换向，制冷系统的压力、温度分布被破坏和需要重新建立，因此存在大量的能量损失。而显热除霜方式不存在四通阀换向，能量损失很小。
4）进行了2种除霜方式的对比试验，试验结果表明：在同样条件下（结霜程度相同）显热除霜方式与逆向除霜方式相比，除霜时间缩短了2617 % ，小时供热率提高2 % ，冷媒水温度波动在5℃以内。从而从理论和试验都证明了显热除霜方式在节能、除霜时间和舒适性上优越于逆向除霜方式。
