空氣源熱泵結霜機理及除霜/抑霜技術研究進展

冠敏 莉莉

(1 山東大學能源與動力工程學院 濟南 250061； 2 山東師范大學歷山學院新能源工程學院 青州 262500)

隨著我國節能減排政策的不斷深化，采暖方式已逐步由低效率、高污染的傳統燃煤鍋爐集中供暖轉變為節能、高效、清潔的供暖方式(如空氣源熱泵[1]、燃氣鍋爐和電加熱鍋爐[2]等)，簡稱“煤改電或煤改氣”。其中，空氣源熱泵采用少量高品位電能驅動壓縮機，通過制冷劑吸收低溫空氣中的低品位熱能，并經系統高效集熱整合為高溫熱源，實現低溫熱能向高溫熱能轉移的裝置。因其兼具供熱供冷、運行費用低、安全可靠、節能環保、可再生能源等優點[3]，得到廣泛應用。然而，在低溫高濕度地區供暖，蒸發器表面溫度低于露點和冰點時會結霜，導致熱阻增大，傳熱系數減小，空氣流動阻力增大，系統COP減小[4]，制約了空氣源熱泵在我國“煤改電”供暖政策下的應用推廣。因此，研究冷表面結霜機理，探索高效除霜/抑霜技術對空氣源熱泵的發展及我國清潔供暖政策的推進意義重大。

目前，國內外學者在結霜機理[5]、除霜[6-7]和抑霜[2]方面均已有大量研究。其中，結霜機理的研究主要涉及霜層生長規律、霜層物性、霜層內傳熱傳質3方面[8]。熱泵除霜特性較為復雜，除霜方法的研究主要集中于：機組除霜性能[9-10]、除霜能量來源與分配[11]和除霜對室內的影響[12]等。M. Amer等[13]研究表明熱氣旁通除霜性能優于逆循環，其供熱量和COP分別比逆循環高5.7%和8.5%。張杰等[12]對比發現，熱氣旁通法比逆循環節能5%，除霜后室內恢復正常供熱所需時間比逆循環縮短25%；蓄能除霜的熱量來自蓄熱材料，不從室內取熱，供熱量較穩定，故室內舒適性較好。熱泵抑霜主要是通過一定技術措施改變空氣溫度、濕度和表面特性等[14]，以達到提高機組性能和延緩結霜的目的。K. Kwak等[15]采用電加熱器對室外入口空氣加熱，結果發現供熱量和COP分別提高約38%和57%。J. S. Park等[16]采用不等距百葉窗間距設計，發現結霜延遲，熱性能提高21%。

本文從霜層生長規律及其物性兩方面，在冷表面結霜機理研究現狀的基礎上，總結影響結霜過程的各種因素和除霜/抑霜技術，綜述換向逆循環、熱氣旁通和電加熱3種主要除霜技術及表面改性抑霜技術的研究進展，分析改變空氣參數、換熱器結構和冷表面溫度等的抑霜效果，以期指出目前關于結霜機理和除霜/抑霜技術存在問題，并給出進一步研究建議。

1 結霜機理

空氣源熱泵結霜現象與水蒸氣分壓力和蒸發器兩側氣流的絕對濕度差有關[17-18]。水蒸氣分壓力和絕對濕度差越大，越有利于霜層生長。霜的形成不僅是一個氣液固或氣固相變過程[18]，也是一個復雜的傳熱傳質過程。研究冷表面結霜機理，有利于從根本上理解霜層生長規律、霜層物性及影響因素等，從而探索有效的除霜/抑霜技術，以確保空氣源熱泵在低溫高濕環境下穩定運行。

1.1 霜層的生長規律

在不同換熱器翅片表面上[5, 13, 19]，霜層生長過程中會形成5類晶體形態：針狀、平板狀、樹枝狀、羽毛狀及草狀[20]。圖1所示為冷表面典型結霜過程。由圖1可知，在霜核期，先出現孤立冷凝水滴，然后出現水滴間的侵吞現象，接著形成少量冰晶；在霜層生長期，冰晶表面先出現針狀晶體，隨后針狀晶體周圍長出斜枝；在霜層完全形成期，冰晶表面已完全被針狀晶體覆蓋，形成一定厚度的羽毛狀晶體。

在霜核期，冰晶的生長過程(如圖2)主要與水分子隨機運動、冰核臨界半徑和吉布斯自由能有關。在冷凝水中，水分子隨機運動決定形成冰核的尺寸。在相變過程中，吉布斯自由能自發變化決定著冰核能否發展形成冰晶[5]。當水分子隨機運動產生的冰核半徑小于臨界半徑(由式(1)計算[5])時，冰核通過減小半徑以降低吉布斯能量自發消失[21]。相反，當冰核半徑大于臨界半徑時，會自發長大形成冰晶[21]。根據文獻[5]，吉布斯能壘是水分子隨機運動形成大于臨界半徑冰核的屏障，且隨靜態接觸角的增大而增大。這說明靜態接觸角越小，吉布斯自由能壘越小，越有利于冰晶的形成。

r*=-σwi/ΔSVΔT

(1)

式中：r*為冰核臨界半徑，nm；ΔT為水滴過冷度[5]，℃；ΔSV為單位摩爾體積平均融化焓，J/mol；σwi為水冰的表面張力，mN/m。ΔT、ΔSV、σwi分別由式(2)～式(4)計算[5]。Tm為一個大氣壓下0 ℃時，水的融點，即0 ℃；Tw為水滴溫度，℃。

圖1 冷表面典型結霜過程 [13]Fig.1 The typical frosting process on cold surface

圖2 冰晶生長過程[5]Fig.2 The growth process of ice crystal

ΔT=Tm-Tw

(2)

ΔSV=(1.13-0.004 ΔT)×106

(3)

σwi=(23.1-0.2ΔT)×10-3

(4)

空氣參數是影響霜層生長過程的重要因素之一。Liu Di等[17]研究了空氣溫度、相對濕度和流量對鋁制波紋翅片型換熱器表面霜層厚度的影響，結果如圖3所示。由圖3可知，空氣溫度比流量對霜層厚度的影響更顯著。當空氣溫度≤0 ℃時，霜層厚度與時間呈線性關系；當空氣溫度為-5和0 ℃時，霜層厚度增長率分別為0.15 mm/h和0.06 mm/h。當空氣溫度為10 ℃時，翅片表面幾乎無積霜，說明空氣與冷表面幾乎沒有熱量和質量傳遞[17]。此外，相對濕度對質量傳遞的影響顯著。這是由于相對濕度越高，空氣中水蒸氣壓降越大(如圖4)，結霜驅動力就越大[17]，水蒸氣在霜層表面也越容易凝華增加霜層厚度。郭憲民等[22]認為，低風速將加快換熱器表面霜層厚度增長，且低濕度工況下風速對霜層生長速度的影響更顯著。

圖3 環境因素對霜層厚度的影響[17]Fig.3 Effects of environmental factors on the thickness of frost layer

圖4 相對濕度對空氣側壓降的影響[17]Fig.4 Effects of relative humidity on pressure drop

另外，冷表面溫度和表面特性對霜層生長過程也有顯著影響。馬強等[19-23]研究發現，冷表面溫度越低，水滴凍結時間越短，凍結直徑越小，霜層生長速度越快；且疏水表面上霜層平均厚度比親水和裸鋁表面生長緩慢。但當空氣溫度和冷表面溫度均較低時，表面特性對霜層生長的影響不顯著[19]。B. Na等[24]研究得出，當空氣溫度大于0 ℃，冷表面溫度小于-10 ℃時，霜層厚度與時間呈非線性關系。該研究還指出，冷表面蒸氣過飽和狀態時，霜層厚度增長率的模擬值與實驗值吻合度較好，誤差為±15%；表面為飽和蒸氣時，模擬值比實驗值偏大，誤差高達50%。

1.2 霜層的物性

1) 霜層密度

霜層密度和導熱系數是研究結霜問題的兩個重要物性參數[25]。一般而言，室外空氣中水蒸氣的壓降越大，結霜驅動力越大，水蒸氣越容易擴散進入霜層內部，增加霜層密度。霜層密度不僅隨其表面溫度和時間變化，還與冷表面溫度、空氣濕度和溫度等密切相關。Y. X. Tao等[26]建立了霜層密度與時間和空間變化的關聯式。劉中良等[8]以實驗觀察和晶體生長理論為依據，結合一維自然對流結霜的數值模擬，建立并驗證了霜層密度隨時間和空間變化的傳熱傳質模型，并給出了數值解。C. T. Sanders[27]研究得出霜層密度隨露點、空氣溫度、流速和冷面溫度的降低而增大。T. Hosoda等[28]給出了霜層密度與冷表面溫度和空氣流速變化的關聯式。近年許多研究也得到結霜過程中密度變化的經驗或半經驗關聯式，但均是在不同實驗條件下建立，通用性普遍較差。

2) 霜層導熱系數

文獻研究表明，霜層導熱系數是密度的函數，且隨密度的增大而增大[24-25]。C. Kim等[25]建立了平均導熱系數與密度和動接觸角(23°～88°)的經驗關聯式，并總結了14種霜層導熱系數關聯式及其所適用的冷表面溫度、空氣參數范圍、誤差(5%～50%)。近年已公開的其它有關霜層導熱系數的關聯式均為通過一定工況所得實驗數據建立。此外，B. Na等[24]依據建立的新模型，給出了霜層導熱系數的理論計算式，其與實驗值的誤差為±20%。可知導熱系數關聯式的誤差較大、普適性也較差。

霜層導熱系數還與其結構、冷表面溫度、空氣溫度和濕度等密切相關。劉中良等[8]研究得到霜層導熱系數的變化是霜層結構、霜層內溫度梯度引起水蒸氣擴散及凝華潛熱釋放和霜表面粗糙度引起旋渦效應相互作用的結果。A. Z. Sahin[29]研究發現，霜層有效導熱系數隨時間延長而增大，隨冷表面溫度、空氣溫度和雷諾數的增大而增大，隨空氣濕度的增大而減小。G. Biguria等[30]給出了平均導熱系數與表面溫度、空氣濕度、流速和時間的經驗關聯式。可見，霜層導熱系數的變化較復雜，合理且通用性較好的導熱系數模型有待進一步研究。

2 結霜過程的影響因素

上述討論表明，空氣參數、表面特性、冷表面溫度和翅片結構等對結霜過程和霜層特性均有顯著影響：1)空氣溫度越低、濕度越大，冷表面越容易結霜。當空氣溫度一定時，相對濕度越高，室外空氣中水蒸氣的壓降越大，結霜驅動力越大，水蒸氣在表面越容易凝華增加霜層厚度、也更容易擴散進入霜層內部增加霜層密度。空氣流速對霜核期的影響較大。2)疏水表面上霜層平均厚度比親水和裸鋁表面生長緩慢，且當空氣溫度和冷表面溫度均較低時，表面特性對霜層生長的影響不顯著。3)冷表面溫度越低，冷凝水凍結時間越短，霜層生長速度越快，厚度增加越快，結霜量越大。4)換熱器平直翅片表面比波紋表面或其它不平整表面更容易結霜。

特別是，隨霜層厚度和密度的增大，空氣源熱泵室外空氣與蒸發器表面的傳熱熱阻越來越大，傳熱量逐漸降低，空氣流動阻力逐漸增加，系統COP隨之大幅下降，導致機組無法正常運行。因此，除了研究除霜技術外，研究抑霜技術對延緩結霜過程和提高機組性能均具有重要意義。

國內外學者已研究了多種除霜/抑霜技術。其中，除霜技術主要包括：壓縮機關停、逆循環、熱氣旁通、電加熱器、超聲波振動、外加電場、外加磁場、熱水噴霧、控制策略優化。抑霜技術主要包括：改變空氣參數，改變翅片結構與間距、管路排布，改變冷表面溫度、接觸角，增加外場改變霜層與冷表面之間的相互作用等方法。這里將著重綜述換向逆循環、熱氣旁通、電加熱3種除霜技術的研究現狀，分析改變空氣參數、換熱器結構和冷表面溫度等的抑霜效果，概括改變表面特性抑霜技術的研究進展。

3 除霜技術的研究

表1 3種除霜方法原理及存在問題對比Tab.1 Comparisons of principles and exiting problems of three defrosting methods

3.1 換向逆循環法

換向逆循環是目前熱泵普遍采用的除霜技術。圖5所示為換向逆循環除霜原理。供熱時，室外空氣中水蒸氣潛熱被制冷劑吸收后轉化為霜附著在換熱器表面，堵塞了翅片通道，阻礙了空氣流動，導致供熱量下降。此時，四通閥換向，系統以逆循環制冷模式運行，霜層融化排走，隨后熱泵恢復制熱模式。

由于換向除霜僅需一個四通閥，具有空間需求小、成本低、技術成熟等優點，被廣泛采用。但該方法也存在較多問題，如室內舒適度差、凝結水滯留、除霜耗時長、能耗高、能量來源不足、除霜不均勻等[13, 31-32]。李寧等[2]發現逆循環除霜耗時高達600 s。張杰等[12]對比了3種除霜方式的性能，結果如表2所示。由表2可知，逆循環除霜耗時比蓄能法長約31%。此外，逆循環法能耗(4 600 kJ)比熱氣旁通高約5%。

圖5 換向逆循環除霜原理[2]Fig.5 The principle of reverse cycle defrosting

除霜方式除霜耗時/s除霜結霜蒸發器翅片表面溫度/℃除霜后室內恢復正常供熱時長/s逆循環39024280熱氣旁通51023.5210蓄能27030120

針對上述問題，國內外學者已進行了較多研究。在實驗研究方面，Song Mengjie等[33]初次實驗研究了融霜水在多回路盤管表面流動對逆循環除霜性能的負面效應，并進行定量分析。Zhang Long等[10]提出了一種新型輻射-對流加熱終端，并研究了新系統的結霜和除霜性能。結果表明，該新型加熱終端可為除霜提供足夠的能量，并可通過輻射和自然對流換熱在除霜過程中為空間加熱提供能量；除霜和恢復加熱周期分別為105 s和65 s。Chen Yiguang等[9]研究了室外空氣參數對熱泵逆循環除霜特性的影響，結果如圖6和圖7所示。可知當空氣溫度和流速一定時，隨相對濕度的增大，總能耗、除霜時間和從室內攜帶的熱量均呈下降趨勢。Hu Wenju等[11]研究了相變蓄能-逆循環對除霜時間和室內盤管表面溫度的影響，結果如圖8所示。由圖8可知，相變蓄能-逆循環機組除霜時間比傳統逆循環縮短38%，且室內盤管表面平均溫度提高25 K。說明相變蓄能-逆循環除霜既有利于快速除霜，也有利于系統快速恢復正常供熱。Qu Minglu等[6]也給出與此一致的結果。但由于相變蓄能相變材料存在價格較高、需要再生、設備體積大等問題，限制了其推廣應用。另外，曹小林等[20]指出采用電子膨脹閥也有利于縮短除霜時間和機組快速恢復供熱模式。

圖6 相對濕度對除霜時間和總耗能的影響[9]Fig.6 Power consumption of defrosting and defrosting time under different outdoor air relative humidity

圖7 相對濕度對從室內吸熱量的影響[9]Fig.7 Effects of outdoor air parameters on endotherm from indoor room during defrosting period

圖8 兩種除霜方法的室內盤管表面平均溫度的對比[11]Fig.8 Comparison of mean indoor coil surface temperature at the two defrosting methods

模擬研究主要涉及3方面：1)蒸發換熱器結構的模擬計算；2)建立逆循環除霜模型[34]；3)建立多回路盤管室外機除霜模型[31]。在早期模擬計算中，主要集中于簡單幾何形狀的室外換熱器，如有限平板、水平平板和平板冷卻器等[31]。隨后出現了室外盤管逆循環除霜模型。模型中，室外盤管表面除霜被認為是理想過程，包括預熱、熔化、蒸發和干燥加熱[34]4個階段。該模型已經實驗驗證相對可靠。Qiao Hongtao等[35]建立了空氣源熱泵五級逆循環除霜模型，研究了除霜過程的瞬態特性。結果表明，用于除霜的能量占制冷劑總供給能量的17.7%，這與典型除霜過程的實驗數據一致。

但融霜水向下流動對機組運行造成的負面問題并未解決。Qu Minglu等[36]在考慮融霜水對除霜性能負面影響的基礎上，提出了多回路室外盤管模型，并進行了定量研究。該研究團隊建立了室外機除霜的半經驗模型，分析了融霜水沿室外換熱器表面向下流動對除霜過程造成的影響。采用該模型設計計算可使除霜時間縮短20.8%，除霜能耗減少27.9%。同時，為了解決多回路除霜不均勻問題，Song Mengjie等[31]建立了安裝/不安裝接水盤的模型，并進行實驗驗證。結果表明，安裝接水盤可適當減輕不均勻除霜問題。

關于空氣源熱泵室外蒸發器換向逆循環除霜存在的一些問題仍未得到解決，如除霜不均勻、除霜能量來源、優質相變蓄能材料開發、融霜水向下流動對除霜性能造成的負面影響等問題。同時，現有除霜模型還不夠完善，通用性也有待進一步研究。

3.2 熱氣旁通法

圖9所示為空氣源熱泵熱氣旁通除霜原理。除霜時，系統不換向，電磁閥開啟，關閉風機，壓縮機的排氣從電磁閥進入蒸發換熱器除霜，除霜結束后的制冷劑通過四通閥被壓縮機吸入。

圖9 熱氣旁通除霜原理[2]Fig.9 The principle of heat gas bypass defrosting

與逆循環法相比，熱氣旁通法可改善室內舒適性和降低除霜能耗。M. Amer等[13]研究表明，熱氣旁通除霜性能優于逆循環，其供熱量和COP分別提高5.7%和8.5%。張杰等[12]研究表明，熱氣旁通法比逆循環節能5%，除霜后室內恢復正常供熱所需時間比逆循環縮短25%。

《道德經》說:“天地不仁，以萬物為芻狗。”當我們使用“生態危機”這一術語時，實際上所指的不是“自在自然”本身陷入可能毀滅的危機，而是指人類生存所依賴的自然條件發生劇烈變化，以至于可能無法繼續滿足人類的生存需求。這就意味著，對人與自然的關系的考察，是探討生態問題的“中軸線”;而由于在二者關系當中人是主體性、能動性的因素，因此對人本身的考察就構成了探討生態問題的“原點”。那么，馬克思與威廉·萊斯關于人與自然關系當中的“人”各自有何理解呢?

由于除霜熱量來自壓縮機，該方法除霜時間較長。Huang Dong等[37]指出，熱氣旁通除霜時間是逆循環的2.89倍。為解決除霜時間長的問題，J. Kim等[38]提出了雙熱氣旁通-蓄電池加熱法，實驗對比了該方法與傳統逆循環除霜時機組的運行性能。結果表明，在室外環境為-5 ℃時，雙熱氣旁通-蓄電池加熱除霜系統壓縮機排氣溫度較高，除霜時間比傳統逆循環縮短15%，系統供熱量比逆循環高2.5 kW。汪俊勇[39]提出并分析了采用安裝光電感應頭輔助電加熱套管解決空調機組化霜慢的可行性。

熱氣旁通除霜技術存在的問題還未解決，主要包括：1)除霜時間較長，除霜不干凈；2)當霜層厚且密度較大時，除霜時間過長，室內舒適性惡化，壓縮機可能損壞。因此建議應結合變頻壓縮機、電加熱、余熱回收型熱泵、合理的閥門開度和控制策略等進一步深入研究。

3.3 電加熱法

電加熱普遍應用于冷風機除霜[40]和冷庫除霜[41]。通常，將電熱管或電熱絲安置在室外換熱器表面或鑲嵌在換熱器翅片內。電加熱管安置在換熱器前的除霜方式結構簡單、設計成本低。文獻研究表明，該方法可保持系統穩定運行200 min；當環境溫度為4 ℃時，功耗降低32%，供熱量和COP分別提高9.1%和71.1%[13, 15]。K. Kwak等[15]研究了室外電加熱除霜對系統性能的影響。研究中當室外溫度為2 ℃時，換熱器表面結霜，導致蒸發器溫度迅速降至12 ℃。此時停止常規熱泵壓縮機運行，維持室內2 kW的電加熱器穩定工作。1 kW的室外電加熱器一直運轉，壓縮機在工作時間連續工作。結果表明，與傳統熱泵相比，電加熱法可使供熱量和COP分別提高38%和57%，如圖10所示。此外，Yin Haijiao等[41]實驗研究了空氣旁通循環-嵌入電加熱新除霜方法在冷庫中的應用。結果表明，與傳統電加熱法相比，該種方法室外除霜時間縮短62.1%，除霜能耗降低61%，冷庫溫度波動降低70.1%，除霜效率高達77.6%。總之，穩定的熱源供應(加熱器)可使系統具有良好的運行性能，使室內具有較好的舒適性。

圖10 電加熱除霜機組和傳統機組供熱量和COP對比[15]Fig.10 Comparison of heating capacity and COP of defrosting heat pump with electric heater and conventional heat pump with operating time

但該方法消耗高品質的電能，除霜時部分熱量會散至周圍冷環境，增加了能耗，降低了融霜效率；同時，電熱絲或熱管壽命短，存在安全隱患。特別在制冷系統中，電加熱除霜對低溫冷庫溫度場的影響較大，研究表明電加熱輸入的熱量僅有15%～25%[42]用于除霜，其余大部分散失到周圍環境。為解決這一問題，王棟等[40]設計了電動隔斷裝置用以阻止除霜時熱量傳至周圍冷環境。結果表明，增加隔斷裝置后，電加熱除霜時冷風機內溫度波動平緩，冷庫溫度變化波動較小，除霜耗能明顯降低，冷負荷降低，除霜時間縮短，除霜效率提高。因此，該方法有待在空氣源熱泵電加熱除霜中進一步應用研究。

4 抑霜技術的研究

4.1 空氣參數

空氣溫度、濕度和流速是研究室外空氣對結霜影響的主要參數。其中，溫度和濕度的共同作用可導致霜層的形成。如圖11所示，濕空氣A首先冷卻至露點溫度B，隨后繼續冷卻下降至過冷溫度C，最后相變過程發生，形成固相霜D[43]。可見，空氣溫度和濕度是導致空氣源熱泵冬季運行性能惡化的兩個重要因素。另外，空氣流速的增大可能會使換熱器冷表面上初期形成的冷凝水分散并脫離，從而抑制結霜過程。

圖11 冷凝和結霜過程[43]Fig.11 Condensation and frost formation process

1) 空氣溫度

預熱濕空氣可有效抑制冷表面結霜。K. Kwak等[15]采用電加熱器對空氣源熱泵室外蒸發器入口空氣進行加熱，結果發現供熱量和COP分別提高約38%和57%。考慮到提高濕空氣溫度時，需要耗費額外的能源且效率低，因此，目前該方法在文獻中研究較少。然而，Huang Bi等[44]研究得出在冬季，空氣源熱泵機組的漩渦式壓縮機殼體與周圍空氣之間存在較大的溫差(340～380 K)。如果利用集熱器將這部分熱量回收后用于對蒸發器入口空氣升溫，將有助于蒸發器抑霜和熱泵系統整體性能改善。Liu Di等[17]指出為保障節能和改善熱泵能效，可通過熱回收技術對濕空氣升溫。

2) 空氣濕度

Sheng Wei等[43]研究得出控制空氣濕度來抑霜的方法主要分為：1)水蒸氣預冷凝；2)吸收或吸附除濕。水蒸氣預冷凝是指先將潮濕空氣冷卻到露點，排出空氣中部分水蒸氣預冷凝水，降低濕空氣中的水蒸氣分壓，減小相變驅動力，從而延長冷凝液滴生長和霜層形成過程的時間[45]。對此，Chen Yongping等[45]實驗研究了大氣壓對冷表面上結霜特性的影響，結果如圖12所示。由圖12可知，隨大氣壓升高，水滴冰凍時間明顯縮短，平均冰凍半徑明顯增大。可見，降低大氣壓，相變驅動力減小，導致水滴生長和冰凍時間延長。然而，要將此方法應用于工程，還需要進一步深入研究。

圖12 大氣壓對水滴冰凍時間和平均半徑的影響[45]Fig.12 Effect of atmospheric pressure on droplet freezing time and average freezing droplet radius

吸收或吸附除濕是指利用某些方法對蒸發器入口的濕空氣進行除濕。目前，濕空氣除濕的方法主要有：固體或液體干燥劑、膜式除濕、蒸氣-空氣分離、電化學除濕。采用固體干燥劑對蒸發器入口空氣進行除濕(如圖13)可明顯減少換熱器表面結霜，但存在干燥劑成本高、干燥設備體積大和干燥劑再生能耗大等問題，限制了該方法的應用。膜式除濕是基于膜式全熱回收系統和直接膨脹制冷系統組成的除濕方法[46]。全熱回收換熱器有一個薄膜核心，新鮮空氣在薄膜上與排氣進行交換濕氣和溫度。隨后，新鮮空氣流經表面低于露點的冷卻盤管進行除濕[46]。Liang Caihua[46]發現膜式除濕系統的COP和除濕率分別為傳統除濕系統的2.3倍和3倍。蒸氣-空氣分離法通常利用蒸氣-空氣分離器和預冷凝等技術結合進行除濕[43]。由于成本較高，在居民住宅或商業樓宇供暖中較少采用，主要應用于核電廠領域[47]。電化學除濕適于科學儀器的入口氣體除濕[43]，以保證儀器正常安全可靠運行。

圖13 循環吸附除濕空氣源熱泵原理[2]Fig.13 The principle of air-source heat pump with circulation-type adsorptive dehumidification

3) 空氣流速

關于室外空氣流速或風量對抑霜的影響，國內外已有大量研究，但結論并不一致。主要原因是這些研究將換熱器作為孤立部件進行研究，而不考慮結霜后熱泵系統參數的變化[22]。對此，郭憲民等[22]在考慮室外換熱器結霜過程與空氣源熱泵系統參數與風機流量之間相互影響的基礎上，研究了迎面風速對霜層生長規律的影響。結果表明，室外換熱器表面霜層生長速率隨迎面風速的降低而加快，且風速越大結霜后期霜層增長速度越快。

以冷凝水冰凍形成冰晶為分界點討論：在形成冰晶前，流速越大，換熱器表面初期形成的冷凝水經空氣分散而脫離，延長了冷凝水冰凍的時間，抑制了結霜過程；冰晶形成后，流速可能促進霜層的形成。Sheng Wei等[43]研究得出增加流速可能延遲霜層初期的形成；當出現部分霜層后，增大流速會導致霜層密度增大，促進結霜過程。該研究還指出，空氣流中的水蒸氣冷卻至露點的過程僅發生在熱邊界層中，因此根據湍流和層流條件下氣流對熱邊界層的不同影響，改變濕空氣流速對結霜行為會有一定抑制效應。

增大空氣流速或流量通常是提高室外風機轉速、增大風扇直徑或增加風機數量，而這會導致風機的噪聲或空氣源熱泵的投資成本增大。可見，采用提高空氣流速或流量來抑制結霜的技術手段還有待進一步深入研究。

4.2 換熱器結構

應盡可能采用大迎風面積、非等間距翅片或大間距翅片、表面不平整翅片和管排數小的換熱器結構，以實現延長結霜周期的目的。目前，已有室外側迎風面積、翅片間距、翅片類型和管排數對換熱器表面結霜和系統性能影響的研究。研究表明，翅片的非均勻布置和旋流器的使用已證明可以提高蒸發器的熱力性能[5]。J. S. Park等[16]設計了不等距百葉窗，發現結霜延遲，熱性能提高21%。同時，K. Kim等[48]實驗研究了翅片間距(1.81、1.59、1.41 mm)對不同表面抑霜性能的影響。結果表明，翅片間距為1.59 mm的疏水換熱器抑霜效果明顯，且其總傳熱系數較高。D. K. Yang等[49]采用響應面和Taguchi方法來優化設計換熱器翅片間距。結果表明，最佳模型的平均傳熱率和運行時間分別比參考模型提高了6.3%和12.9%。因此，針對不同類型換熱器研究合適的管路排布和翅片間距尤為重要。

4.3 冷表面溫度

與空氣溫度、流速和換熱器結構相比，冷表面溫度和空氣濕度對結霜的影響更顯著[43]。Qin Haijie等[50]實驗研究了冷表面溫度對結霜過程的影響。結果表明，隨冷表面溫度降低，霜層形成越快，且霜層形態也由開始的針狀變為柱狀。王偉等[51]通過穩定空氣溫度10.5 ℃、濕度80.5%和流速3 m/s，改變冷表面溫度的方法，實驗研究了冷表面溫度對動態結霜過程霜層物性的影響規律。結果表明，隨冷表面溫度從-19.7 ℃升至-3.5 ℃，結霜速率從0.05 mm/min降至0.019 mm/min(降幅約62%)，除霜頻率由8.5次/h降至1.1次/h(降幅約87%)，霜層厚度從2.976 mm降至1.136 mm(降幅61.8%)，結霜量從1.415 g降至1.144 g(降幅23.7%)，霜層密度從291 kg/m3增至629 kg/m3(增幅約54%)，霜層導熱系數為0.753～2.23 W/(m·K)。說明冷表面溫度對結霜速率、除霜頻率、結霜高度、結霜量和結霜密度均有顯著影響。該研究還指出，冷表面溫度越低，結霜速率升高，霜層生長高度增大，導致除霜越頻繁；另外，冷面溫度降低，單位時間結霜量減小，結霜厚度增大，霜層越疏松，這是因為結霜速率快，霜層未能及時回融、塌陷[51]。

綜上所述，實現較高的冷表面溫度可以有效抑制結霜過程。目前關于通過冷表面溫度來抑霜的研究文獻較少。因此，調控冷表面溫度是未來抑霜技術的研究方向之一。

4.4 表面改性

目前，通過改變冷表面特性來抑制結霜的研究較多。接觸角是衡量表面特性變化的重要參數之一。如圖14所示為不同表面上液滴。由圖14可知，接觸角θ<90°的面為親水表面，90°<θ<150°為疏水表面，θ>150°為超疏水表面。如表3所示，與裸表面和親水表面相比，超疏水表面可有效降低結霜厚度和質量。同時，超疏水表面的壓降和總傳熱性能較好。

圖14 不同特性表面上液滴 [13]Fig.14 A droplet for hydrophilic, hydrophobic and superhydrophobic surfaces

參數裸露表面親水表面超疏水表面霜厚度/mm0.820.750.68霜質量/kg0.3020.2670.215壓降很高中很低總傳熱/kJ2 437.72 667.93 047.2

目前，多數研究集中于疏水和超疏水表面對結霜過程的抑制效果。特別是超疏水表面，可有效抑制冷凝水的形成及冰凍過程。Liu Zhongliang等[52]利用磁控濺射技術制作了微納米結構超疏水表面(θ=162°)，并對比了該表面與普通金屬銅表面上凝結水的冰凍特性，結果發現開始60 s后普通金屬銅表面的冷凝液滴完全冰凍，超疏水表面在620 s后才出現少量的冷凝液滴，并長時間保持液態。Wang Hao等[53]研究對比了-7.2 ℃、相對濕度為55%時，裸銅面(θ=64°)、疏水面(θ=120°)和超疏水面(θ=155°)的結霜特性。結果發現，裸銅表面在50 s后開始出現霜晶，疏水表面120 s后出現霜晶，超疏水表面在600 s后幾乎沒有結霜。原因可能為：1)較大的接觸角導致形成冷凝水的勢壘較大，不易形成冷凝水，且已形成的冷凝水與表面的接觸面積小、熱阻大、換熱量小，不易結霜[54-55]；2)表面上Cassie狀態(滾動角較小)冷凝液滴的自跳現象，使得超疏水表面具有較好的抗凝露和抗結霜性能[55-56]。

超疏水表面除了對冷凝水的形成和冰凍過程有抑制作用，對霜層的生長過程也有明顯的抑制作用。汪峰等[54]采用實驗測量并對比了超疏水表面(θ=159.7°)和親水表面(θ=15°)結霜厚度隨時間的變化規律，如圖15所示。由圖15可知，發現超疏水表面結霜時間比親水表面結霜時間延遲5 min；實驗60 min時，超疏水表面霜層高度(0.95 mm)比親水表面(1.73 mm)減少45%；隨著時間的延長，兩種表面上結霜厚度差增大。這是因為冰凍液滴與超疏水表面的接觸面積較小(見圖16)，導致冷表面與冰凍液滴間的熱阻較大，當冰凍液滴表面形成霜層后，超疏水表面向霜層表面的傳熱比親水表面難，導致超疏水表面霜層生長比親水表面慢[54]。

圖15 不同特性表面對結霜厚度的影響[54]Fig.15 Comparison of frost thickness on different characteristic surfaces

圖16 不同特性表面冷凝液滴冰凍對比[54]Fig.16 Comparison of droplets being frozen on different characteristics surfaces

需要注意的是，部分超疏水表面在冷凝過程中會出現疏水失效的現象。這可能與冷凝過程中表面微結構間隙中的空氣被移除密切相關。因此，為了避免表面的疏水性失效，有必要研發性能良好的超疏水表面加工技術。另外，在不結霜條件下，關于超疏水表面與空氣換熱特性方面的研究還較少。

同時，為防止水橋現象，目前工程應用空氣源熱泵的蒸發換熱器鋁翅片均采用“親水鋁箔”制造。可見，要采用超疏水表面改性對實際蒸發器的結霜過程進行有效抑制，還需結合換熱器結構設計等多種措施進行綜合考慮。

5 結論

本文在對冷表面結霜機理研究現狀簡述的基礎上，總結了影響霜層生長的各種因素和除霜/抑霜技術，綜述了3種主要空氣源熱泵除霜方法的研究現狀，分析了改變空氣參數、換熱器結構和冷表面溫度的抑霜效果，概括了表面改性抑霜技術的研究進展。主要結論如下：

1)結霜過程不僅是一個氣液固或氣固相變過程，也是一個復雜的傳熱傳質過程；由于受各種因素的相互影響，霜層導熱系數的精確檢測較為困難，全面反映其變化的通用模型尚未看到；目前存在的模型多數依賴于一定工況的實驗值，誤差較大(5%～50%)。

2)針對逆循環除霜過程中存在的能量來源不足、效率低、除霜不均勻等缺點，國內外學者通過實驗、模擬及技術改進研究已獲得較大改善。但關于相變蓄能材料、除霜能量來源和減輕融霜水流動對除霜特性負面影響的措施等還有待深入探討。且多回路室外盤管均勻除霜的實驗研究還不夠系統、模型不夠完善。

3)熱氣旁通減輕了逆循環除霜時室內舒適性惡化的問題。但熱氣旁通除霜的熱量全部來自壓縮機，除霜時間較長，除霜不干凈；當霜層較厚且密度較大時，室內環境會變差，壓縮機可靠性會受到影響。因此，應結合變頻壓縮機、電加熱、余熱回收、閥門開度等手段進一步優化。

4)電加熱除霜提高了室內舒適性和系統COP，但其除霜效率還偏低，合理的電加熱部件安裝位置尚未提出；對不同環境下，電加熱除霜的性能、空氣與霜層和冷表面的傳熱傳質機理等還有待深入研究。

5)冷表面溫度和空氣濕度對結霜過程的影響最顯著。但關于控制冷表面溫度和空氣濕度來抑霜的研究還較少。另外，表面疏水或超疏水性處理可有效抑制結霜過程，但仍會出現疏水失效現象，故超疏水性材料和表面加工技術還有待深入研究。同時，超疏水表面與空氣換熱特性方面的研究還較少。

綜上所述，對比除霜方式，與逆循環和熱氣旁通相比，電加熱除霜可提供較好的室內環境和較高的系統除霜性能。不同除霜方式適合不同地區和使用場合，需要加強除霜對舒適性和能耗影響的研究。對比抑霜技術，今后應加強基礎研究，結合改變空氣參數、表面處理和添加外場等措施，探索霜層形成各個階段(冷凝水形成、冷凝水冰凍、霜層回融和塌陷等)的抑制效果。