熱泵空調室外換熱器結霜研究

席林 吳濤

摘? 要：電動汽車熱泵空調在冬季低溫高濕的環境下，運行時換熱器會結霜，從而會導致換熱效率低下。這是由于結霜后換熱器的熱阻增加了，從而降低其換熱系數。所以研究換熱器冷表面的結霜基礎理論，尋究一種更節能高效的抑霜、融霜方式，備受國內外學者的關注。文章簡要介紹了換熱器表面結霜現象產生原理，以及室外環境參數溫度、濕度、風速等對結霜速率和霜層厚度的影響。總結了在冷表面處理、超聲波振動、蓄熱材料抑霜技術以及加熱和熱氣法除霜等技術近些年的研究情況。

關鍵詞：泵空調;換熱器;抑霜;除霜

中圖分類號：U463.85+1? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2019）03-0046-06

Abstract： Under the cold and high humidity environment of electric car heat pump air conditioning in winter， the heat exchanger will frostbite during operation， which will lead to low heat exchanger efficiency. This is because the heat resistance of the heat exchanger increases after frosting， thereby reducing its heat transfer coefficient. Therefore， studying the frosting theory of the cold surface of heat exchangers， and seeking a more energy-efficient and defrosting and defrosting method has attracted the attention of scholars at home and abroad. This paper briefly introduces the principle of frosting on the surface of the heat exchanger and the influence of the temperature， humidity and wind speed of the outdoor environmental parameters on the frost rate and thickness of the frost layer. The recent researches the cold surface treatment， ultrasonic vibration， frost suppression technology of heat storage materials and defrosting by heating and hot gas are summarized.

Key Words： heat pump air conditioning; heat exchanger; anti-frosting; defrosting

引言

傳統燃油車依賴于化石燃料，然而化石燃料燃燒后將會產生大量的CO2、CO、HC、NOx、PM等排放物。在能源短缺以及環保問題日益加重的今天，研發出清潔、環保的純電動汽車是解決問題的一種途徑[1]。

由于純電動汽車缺少可以利用的熱源（發動機），不能利用其余熱，故在冬季空調采暖將面臨缺乏熱源的問題[2]。國內外專家學者提出一些解決方法：蓄熱材料、太陽能、電池和電機余熱、PTC（Positive Temperature Coefficient， PTC）電加熱、熱泵空調系統等。目前大多數電動汽車采暖都是采用熱敏電阻PTC電加熱的方式[6]? 。如吉利帝豪EV350、北汽EV160、比亞迪秦100、蔚來ES8等量產車型，但此種制熱效率低（Coefficient Of Performance，COP <1），能耗大，同時消耗的電能約占電動車整車消耗能量的33%[7]。實驗結果表明對比非熱泵系統，采用熱泵系統的制熱效率更高（Coefficient Of Performance，COP>2.0），更加節能，通過逆卡諾循環能實現集制冷、制熱一體的功能[8-9]。相關資料表明豐田普銳斯、雷諾Zoe純電動、榮威ei5、奧迪R8e-tron等車型都是搭載的熱泵空調系統。但是由于熱泵空調在低溫、高濕的環境下，室外換熱器會出現結霜的現象，致使肋片管道堵塞，空氣流動阻力增大，從而導致熱泵制熱效率下降。部分學者提出利用電池、電機余熱輔助熱泵冬季采暖，日本日立公司和德國寶馬公司都推出了一種利用驅動電機、電池廢熱的方式，其中日立公司是提出了廢熱+熱泵空調系統;寶馬公司采用廢熱+PTC輔助采暖。

綜上所述，PTC制熱由能量守恒定律可知制熱時電能直接轉化為熱能，其理論制熱效率COP=1，實際COP<1，將消耗大量電能，不符合電動汽車節能的要求，只能作為一種過渡的采暖方式。

故采用熱泵系統的空調是電動汽車空調發展的最佳方式，但熱泵系統面臨的一個重要的問題是室外換熱器結霜，霜層積聚會堵塞翅片的通道，從而導致制熱效率下降。因此尋找一種可靠的熱泵空調室外換熱器抑霜、融霜技術就顯得刻不容緩了。

1? ? 室外換熱器結霜及機理研究

1.1? ?室外換熱器結霜

換熱器結霜是指室外換熱器冷表面有低于其露點的濕空氣流經時，在冷表面附近的水蒸氣溫度會急劇下降，當值低于水蒸氣露點熱度之下，水蒸氣將會產生相變，從而凝結成液滴在換熱器表面，隨著溫度的進一步下降，有液滴將會凝結，甚至空氣中的水蒸氣從氣態變為固態并吸附在換熱器上的一種現象，就稱之為換熱器結霜。

1.2? ?結霜機理研究

為了從物理的本質上去研究結霜的成因，需要對結霜做理論基礎研究。早在1933年德國Piening[10]就開始探索當管外空氣自由流動時的結霜問題;19世紀70年代Y.Hayashi[11]通過攝像觀測，分析了霜層形成過程，依據霜層的結構在0°～ -25°溫度范圍內，通過分組研究同時對其導熱系數做了預測分析。國內對結霜基礎理論研究起步相對較晚，于20世紀80年代才開始，主要的科研院校有大連海運學院和上海交通大學。陳崇銓[12]通過分析處于亞穩態下的過冷蒸汽在金屬面的成核率，指出如果對金屬表面改性增大其接觸角，使得過冷蒸汽的飽和度小于其臨界值，理論上可以達到抑霜的效果。程惠爾[13]以液態氮作為冷媒，研究管內濕空氣流動結霜的現象，同時在實驗中觀測到霜體吹動且出現霜層坍塌的現象。為低溫換熱器和流動結霜模型的評定提供了實驗依據。

2? ? 室外換熱器結霜影響因素

基于室外換熱器霜層產生的原因，可知影響結霜的因素有室外環境的溫度、濕度、空氣的風速除此之外也有其他一些因素也會影響換熱器的結霜，包括換熱器設計（換熱器形狀、結構）因素等。

2.1? ?室外環境參數溫、濕度對換熱器結霜的影響

李紅蘭[14]基于熱泵換熱器結霜過程，建立了數值模型并編寫了仿真程序進行仿真分析。分析入口處不同的溫、濕度及翅片參數等對換熱器結霜的性能。通過與實驗數據進行對比，得出了計算值與實驗測試值吻合較好的曲線。從而驗證了模型正確、可靠，計算結果可靠，表明外界的環境空氣參數（換熱器室外溫度、濕度）對換熱器結霜有較大的影響。劉斌[15]以四點假設為前提，考慮能量和質量守恒建立了相關的結霜數值模型，并以室外入口處空氣的溫、濕度等參數為變量進行分析。結果表明：溫度和相對濕度都對結霜產生了一定的影響，其中換熱器表面溫度對霜層的厚度有一定影響，空氣相對濕度與結霜的速率有關。Lee[16]以空氣溫度、濕度等環境參數為變量，對豎直板的霜層進行了試驗研究。研究表明：濕度是霜形成的關鍵參數之一，同時如果外界環境溫度越高，霜層就越厚。楊賓[17]通過數值模擬及實驗研究，分析了使用R410A冷媒的的熱泵空調在不同的室外環境參數溫、濕度環境下，對結霜性能的影響。研究表明：當進風相對濕度和風速不變時，在不同的室外進風溫度下，結霜量都開始先隨時間的增加近似呈線性正相關，之后結霜速率趨向平緩，樣機在0-3℃的進風溫度區間時結霜情況嚴重，但在霜層的厚度上隨時間呈現非線性，前、后段呈現較陡的上凹形，中間平緩的曲線。當其他環境參數不變時，在不同的室外環境相對濕度下，結霜量開始先隨時間的增加近似呈線性正相關，在結霜后期結霜的速率出現驟降趨向;在霜層的厚度上也隨時間的增加而加厚。

2.2? ?室外空氣流速對換熱器結霜的影響

Di Liu[18]建立了換熱器結霜理想數學模型，研究空氣質量流量與總傳熱系數等參數對結霜量的影響，研究表明：當有較高的空氣質量流量時可以抑制霜層的增加。Wei-Mon Yan[19]基于對平板翅片管式換熱器在結霜工況下，空氣質量流量等參數對結霜的影響，實驗結果表明：在較低的風速下，結霜量與風速成正相關。陳軼光[20]通過數值模擬并在焓差實驗室中進行相關實驗，分析了熱泵空調不同的風量對霜層厚度的影響。實驗表明：結霜量不與風速成正相關的線性增長，反而是呈現開口向上的凹形，在實驗所取風速范圍（1.1m/s--1.6m/s）內時，風速為1.6 m/s時，結霜量最大，而在1.3 m/s時最小。

2.3? ?其他因素對結霜的影響

前兩大因素對室外換熱器結霜的影響均屬于室外環境方面的因素，而研究人員還進行了其他方面的研究探索其對室外換熱器結霜的影響。

呂金虎等[21]通過實驗分析了，不同的肋片管的片距對換熱器傳熱系數和制冷量的影響。提出不同的管排使用不同的片距，可以較好地解決換熱器結霜層不均勻的問題，為換熱器的優化提供了一種思路。巫江虹[22]通過實驗研究了，在同一輛電動汽車上分別采用管翅式換熱器和多流程微通道換熱器熱泵空調的制冷、制熱COP性能。得出采用微通道的換熱器已經出現結霜嚴重的現象，在室外環境溫度小于7℃時，此時系統采暖性能急劇下降。

3? ? 延緩、消除室外換熱器結霜的措施

依據影響室外換熱器結霜的機制和影響因素不難發現，延緩、消除其結霜的方法可以歸納為以下幾個方面。

1）換熱器冷表面處理。由霜層產生積聚可知，如果換熱器表面光滑，粘附力低，霜層就不會迅速產生并積聚厚的霜層。故可以在換熱器表面添加涂層，來延緩霜層的增加。應世杰[23]研究表明日本松下公司采用在換熱器表面添加憎水性涂膜劑/無機微粒子復合材料的方法，能夠使機組連續正常工作的時間延長2倍，延緩結霜增長速度一半以上。

2）高頻振動除霜。采用壓電材料的逆壓電效應，壓電片上產生的高頻機械振動消除已形成的霜晶。文獻[24]建立了一套成熟的超聲波除霜實驗平臺，如圖1所示。驗證了超聲波除霜的機理是高頻振動及其帶來的力學作用。文獻[25]進一步利用超聲波振動研究了翅片管式換熱器在自然對流情況下結霜工況，實驗結果表明超聲波不能消除翅片上的基本冰層，但可以消除霜晶，從而抑制霜層的增長。

3）相變蓄能除霜。在融霜工況時，蓄能材料釋放在制熱工況下吸收的熱能除霜。董建鍇等[26]搭建了3種不同的相變蓄能除霜模式（串聯、并聯、單獨除霜）試驗臺架（其原理如圖2所示），并與常規除霜模式對比研究。實驗表明：相變除霜與常規除霜相比，蓄能除霜僅為常規除霜時間的40%，更加節能。姚楊[27]發明了一種采用相變蓄能材料（? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ）的熱泵除霜系統，不同于一般的熱泵系統，它增加了蓄能裝置。測試結果顯示，蓄能除霜時間在3分鐘以內。

4）加熱除霜。在室外換熱器附近增設熱源（PTC熱敏電阻、電池電機余熱、太陽能等）裝置來實現除霜。馮永忠等[28]研究了寶馬i3型的純電動汽車，該車采用熱泵空調與PTC輔助加熱相結合的熱泵空調系統，如圖3所示，冬季分段制熱，及當室外環境溫度較低時，熱泵制熱，當室外溫度更低時PTC輔助制熱并除霜。文獻[7，29]通過對驅動電機余熱的實驗研究，設計原理如圖4所示。表明其能提高熱泵空調的制熱性能。文獻[30]通過實驗分析了使用R134a冷媒的大型客車熱泵空調系統中，通過液冷的方式利用驅動電機、電池廢熱的雙熱源熱泵系統，制熱性能更加優越。

5）熱氣除霜：通過制冷循環排除的氣體攜帶的高熱量引入室外換熱進行換熱除霜。依據不同的融霜方案，主要分為逆循環除霜和熱氣旁通除霜。

a）逆循環除霜：文獻[31]傳統空調除霜方式，當換熱器霜層達到一定的厚度時，空調自動開啟除霜模式，室內吹冷風，室外換熱器充當冷凝器釋放熱量、融霜。除霜迅速且有噪聲，室內溫度將會下降約5-6℃。

b）熱氣旁通除霜：文獻[32-34]熱氣旁通除霜，旁通部分高溫氣體到室外換熱器處，釋放熱量從而達到融霜的目的，系統處于制熱模式時，室內溫度不會下降，且不會產生噪聲，但相比于逆循環除霜時間更長。

4? ? 結論與未來展望

4.1? ?結論

由于換熱器結霜會導致熱泵空調制熱效率下降，甚至停機，制約著熱泵空調在低溫環境下的推廣，故探求一種節能高效的除霜方式很有必要。文章簡要介紹了換熱器表面結霜現象產生原理、影響結霜的內外因素、以及一些除霜方法的應用情況，得出如下結論：

1）霜層的產生是一個復雜的相變過程，其中影響換熱器結霜的因素復雜多樣，既有外部環境參數也和換熱器本身結構有關。

2）在換熱器冷表面添加涂層，以及使用超聲波都可以有效的減緩結霜速度，抑制霜層的增加，成為近幾年研究的熱點方向。

3）常見的除霜方式仍然是以熱氣旁通除霜和逆循環除霜為主。但現在更多研究者主研方向是復合除霜、逆循環和PTC、電池電機余熱、蓄能材料等相結合的除霜方式。

4.2? ?未來展望

熱泵空調較高的制熱效率，注定會在電動汽車空調系統領域有良好的發展前景，針對其環境適應性差，換熱器結霜難題，建議未來的研究方向多考慮與以下幾個方面：

1）電池熱管理與熱泵空調相結合。冬季利用電池散發的余熱對室外換熱器進行融霜處理、夏季利用空調對電池進行降溫，從而提高能量的利用率和系統安全性。

2）關鍵零部件研發優化。如對空調系統核心部件壓縮機、換熱器、四通閥裝置進行優化，降低其功耗，提升其耐高壓的能力，延長其使用壽命等。

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