浅析空气源热泵抑霜方法研究进展

陈京瑞，田茂军，苏鹰，郭锐

（1.贵州省建筑设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550081；2.贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025）

近年来，国家大力倡导使用空气源热泵进行供热，然而，其在低温、高湿地区的使用存在一些问题，当室外蒸发器表面温度小于空气露点温度且低于0℃时，蒸发器表面会结霜，霜层的存在会导致空气与翅片管之间的流动阻力增大，使得空气流通能力减弱，影响换热速率；随着霜的逐渐增厚，换热器内制冷剂的蒸发温度会逐渐下降，导致空气源热泵制热量减小，热泵制热性能逐渐降低。王伟等指出，对于低温、高湿的地区冬季使用空气源热泵供热时，室外蒸发器表面结霜迅速且结霜量多，应优先考虑抑霜。本文对空气源热泵室外蒸发器表面抑霜方法的研究进展进行概述及分析，以期对空气源热泵抑霜的研究提供一定的参考。

1 抑霜方法的研究

1.1 改变空气参数

空气温度、湿度是影响结霜的主要参数。升高湿空气的温度能抑制结霜，Kwak等在室外蒸发器进风口处前增加电加热器对空气进行加热，与常规热泵相比，其供热能力提高了38.0%，COP提高了57.0%，但使用电加热器进行预热空气存在耗能过大的问题，难以推广使用。然而，Huang等设计了一种集热器，该集热器将压缩机壳体散发的热量进行回收，用于加热蒸发器入口的空气，实验表明，此方法能显著地抑霜和改善空气源热泵系统的整体性能，该方法不用增加额外的预热空气能耗，具有较好的节能效果。减小室外蒸发器进口处空气的湿度可以抑霜，主要思想是使用固体或液体干燥剂、膜式除湿机、电化学法等手段对空气中的水蒸气进行吸收或吸附。Zhang等提出一种集成固体干燥剂的无霜空气源热泵热水器系统，该系统在空气进入蒸发器前，通过对空气进行除湿来延缓结霜。Wang等在蒸发器空气入口处放置固体干燥剂，空气经过固体干燥剂后，既降低了含湿量又提高了温度，使环境参数低于结霜条件来实现热泵机组的无霜运行。但当室外空气温度长时间较低、相对湿度过大时，干燥剂再生所需能耗将增大，这将导致系统能耗升高、性能降低。因此，郝鹏飞等在传统固体除湿系统的基础上，增加蓄热装置回收冷凝余热（如图1），干燥剂吸收蓄热材料释放的热量进行再生，保证系统的持续运行，系统在温度为0℃、相对湿度为85%的工况下，可以无霜运行34min，有效地解决了干燥剂再生能耗过高问题。但该系统较复杂、设备体积大、不易于操作成为其大力推广使用的一大阻碍。

图1 带蓄热器的新型无霜空气源热泵热水器原理图

与固体干燥剂除湿系统相比，液体除湿系统具有溶液再生温度要求更低，再生能源可由低品位热源提供等特点。Kinsara等提出了一种使用CaC12溶液作为液体干燥剂的系统对换热器入口空气进行除湿，该系统能较好地抑霜，结霜过程显著延缓。Suwei等采用液-气膜除湿器对进入蒸发器的空气进行除湿，防止蒸发器表面结霜，然后通过液-气膜再生器对稀释溶液进行再生，从而达到持续抑霜的效果。但是，液体除湿抑霜存在的系统复杂问题，室外翅片管蒸发器结构及性能不易匹配等问题仍未解决，这仍需要学者更进一步研究。空气流速对抑霜的影响虽已有较多研究，但所得的结论并不尽相同，黄虎等研究发现，提高蒸发器进口处空气流速，能有效地抑制霜层生长；而郭宪民等研究了室外换热器迎面风速对霜层生长的影响，结果表明，换热器表面霜层的增长速度随迎面风速的降低而加快，到结霜后期时，风速越大，霜层增长速度越快。马龙信等实验研究表明，翅片表面结霜量随风速的增加而增大。可见，风速对霜层的影响有待更深入的研究。

1.2 外加电场/磁场

水分子是极性分子，在结霜过程中，水分子会向冷表面迁移，外加电场会对其迁移过程产生影响。外加电场分为直流与交流电场，Tudor等研究了交流电场对冷表面霜晶的生长形式和霜量累积的影响，当电场频率从370Hz升至7.5kHz，外加电压为14.5kV时，结霜量可减少46%。张新华等对竖直表面施加直流电场，观察其对结霜初始形态的影响，发现在成霜初期，电场强度越大，竖直冷表面上形成的液滴越小。刘清江等改变电压等参数，探究电压对结霜过程的影响，发现由于高压电场的不均匀，蒸发器铜管表面的结霜层分布不均匀，高压电场对结霜有显著的抑制作用。近年来，磁场开始被应用于冷表面的抑霜研究，勾昱君等对磁性表面上结霜现象进行实验研究发现，与未加磁场表面相比，磁性表面上凝结形成的液滴粒径较小、分布均匀，霜层结构松散，更容易被去除。

1.3 超声波振动抑霜

近年来，超声波由于其具有频率高、波长短、能量集中、传播方向强等众多优点开始受到学者的关注，制冷行业主要利用其振动效应进行抑霜/除霜研究。李栋等在铝表面施加频率为20kHz的超声波，与无超声波作用的冷表面相比，该冷表面上的液滴由于超声波作用受到剧烈扰动产生变形、铺展，当液膜厚度减小到一定值时，液滴瞬间被雾化，从而除去冷表面上的液滴，避免结霜。在前期研究的基础上，文献研究了不同超声功率对冷表面冻结液滴脱落效果的影响，发现超声功率在100～1000W内时，冷表面去除冻结液滴的概率逐渐增大，而且随着冻结液滴尺寸的增大，超声功率去除冻结液滴的效果更加显著。Tan等对超声波振动间歇作用于翅片管换热器对除霜性能的影响进行实验研究，发现间歇超声振动能清除翅片上的霜层，与传统逆循环除霜相比，机组的制热性能提高了6.51%～15.33%，其除霜效率比逆向除霜效率提高6～28倍。然而，要想深入了解超声波对霜层的抑制机理及影响，目前的研究还远不够，需要继续进行研究。

1.4 改变翅片表面特性

目前，通过改变翅片表面特性以延缓结霜的研究较多，主要分为亲水性涂层与疏水性表面的研究。亲水性表面较早应用于抑霜研究，勾昱君等在翅片表面涂上自行研制的亲水性涂料，进行了不同条件下的抑霜实验研究，与其他涂上抑霜亲水涂料的翅片表面进行比较（如图2），结果表明，新型亲水涂料的抑霜效果有明显提升；翟玉玲等研制的新型亲水抑霜涂层在低温高湿的条件下，可以有效延长霜层出现的时间，涂上该涂层的表面与未加涂层相同面积的表面相比，霜量减少达 40%以上。亲水性涂层能有效抑霜，但其抑霜能力会随着霜层增厚和使用时间增加而明显下降，在恶劣工况下，抑霜效果会大打折扣，因此目前较多学者把重心放在疏水与超疏水翅片的研究上。汪峰等制备了具有微纳复合结构的超疏水翅片，结霜初期，液滴在该翅片表面凝结呈Cassie状态，分布稀疏，比较亲水翅片与该种超疏水翅片表面霜层生长情况，超疏水翅片表面比亲水翅片表面的霜层生长速度慢，在超疏水翅片表面，霜层与翅片实际接触面积小，被霜层覆盖后，超疏水翅片仍能抑制结霜层的生长。

图2 翅片表面霜层高度对比

Liu等制作了一种类似荷叶表面结构的超疏水表面，接触角高达162°，该表面比普通表面霜晶出现的时间延迟55min以上。Shen等在四个具有不同微观特征的表面上观察了结霜和除霜过程，与未处理的疏水表面相比，超疏水微观结构表面具有优异的抗结霜性能。赵玲倩等利用控制表面氧化法制备超疏水表面，自然对流条件下，在超疏水性表面和竖直放置的裸铜表面上进行结霜实验，在有液核成霜时，超疏水表面结霜明显减少，而无液核成霜时，超疏水表面失去抑霜功能，且霜晶生长密度更大。鲁祥友等制备的超疏水铝表面，结霜初期，由于超疏水表面接触角较大，生成相同半径液滴的能量势垒较大，因此生成冷凝水滴的速度较慢，而由于冷凝水滴直径较小，使得整个结霜过程延后，在冷面温度为–5℃，进行实验10min时，超疏水表面的霜层高度只有普通铝表面的35%，但当冷壁面温度持续降低，相变驱动能近似呈线性增长，使得水蒸气转化为冷凝水珠的时间减少，导致超疏水表面的抑霜性能有所削弱。

相对其他抑霜技术，改变翅片表面特性成本低、效率高，具有很好的实践性。超疏水翅片的抑霜性能良好，具有很好的应用前景，但超疏水翅片表面在水蒸气冷凝过程中可能会出现疏水失效的现象，因此，有必要对超疏水表面制备技术进行更深入的研究。

1.5 喷淋低冰点溶液

近年来，国内外学者提出在空气源热泵蒸发器表面直接喷淋低冰点溶液以达到抑制结霜的目的，在整个供热期内实现机组不停机持续供热，保证室内维持较高热舒适度。姚杨等在室外蒸发器表面喷淋丙三醇水溶液进行“防霜”，翅片表明，由于溶液的存在，延缓了霜层的生长，系统的供热量比常规空气源热泵系统高出6%。Jiang等研究了不同浓度、不同质量流量的甘油溶液对系统防霜的影响规律，指出最佳防霜溶液浓度为50%，流量为0.278t/h；付慧影等指出喷淋甘油质量分数应在31%～65%；喷淋流量在0.53～0.64t·（h·m2）-1时能保证防霜效果。王继前等研究发现在室外蒸发器表面喷淋玻璃水能除霜并有效延长下一循环的结霜周期，机组无须停机除霜，室内保持无间断供热。综上，喷淋低冰点溶液能实现机组无霜运行，保证室内供热不间断；但溶液直接喷淋抑霜系统溶液对翅片表面的腐蚀性、喷淋溶液覆在翅片表面引起空气流通阻力增大、溶液的再生问题等，因此，还需要进行更多的实验研究。

2 结语

本文对国内外学者提出的空气源热泵室外蒸发器抑霜方法进行了概括，得出以下几点结论：

（1）改变蒸发器进口处空气温度及湿度能很好地抑霜，但电加热法预热空气能耗过大，不能大量推广使用；固体干燥剂除湿和液体干燥能明显减少蒸发器表面结霜，但干燥剂成本较大、再生要求高、系统复杂不易操作等问题导致该方法在实际应用中受到限制。

（2）外加电场/磁场为探索抑霜方法提供了新思路，但其实用性与可靠性有待验证。超声波的抑霜效果随着霜层厚度和密度的增长会有所减弱。

（3）翅片表面改性使液滴在翅片表面的冻结时间整体推后，对结霜初期霜层生长有较好的抑制作用，而且霜层较为疏松，后期较易去除。但超疏水翅片表面在使用过程中可能会出现疏水失效的现象，无法达到理想的抑霜效果，因此，有必要对超疏水表面制备技术进行更深入的研究。

（4）溶液喷淋抑霜能实现机组供热周期内无霜运行，但需要解决好溶液对翅片的腐蚀以及溶液再生等问题。

目前，大多抑霜技术还停留在实验阶段，把这些技术应用到实际中，转化为真正的生产力还有很长的路要走。因此，对其进行更进一步的研究，探索出高效、低成本、使用周期长的抑霜方法并应用到实际中是今后空气源热泵除霜研究的主要目的。