空氣源熱泵逆循環除霜優化研究現狀與發展趨勢

宋孟杰，毛 寧，雷尚文，黨 群

(1.北京理工大學機械與車輛學院能源與動力工程系發動機研究所，北京 100081；2.中國石油大學儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

空氣源熱泵在低溫高濕環境下運行制熱工況時，存在其室外空氣側翅片管換熱器表面結霜現象.霜層的生長及累積嚴重影響換熱器從室外空氣中取熱，繼而惡化系統運行能效，甚至因回氣減少而導致壓縮機驟然停機等.針對此結霜問題，國內外學者先后嘗試了一系列換熱器表面抑制結霜的方式，如通過進口空氣預熱、除濕、提高風速等方式改變室外換熱器進口空氣的物性參數[1]；采用超聲波振動[2]及壓縮空氣噴射[3]等方式破壞換熱器表面已然積聚的霜層；優化室外換熱器的翅片類型[4]、進行翅片表面超疏水處理[5]、調整室外換熱器類型[6]與結構參數[7]等以強化冷凝水滴的排除、延緩冷凝水滴的凝固、擴大翅片間的容霜空間等；以及壓縮機噴氣增焓[8]、二級與多級復疊壓縮[9]、增設外部輔助熱源[10]及換熱器各環路間制冷劑調配優化[11]等.

然而，以上方式只能在結霜起始階段的較短時間內存在有限程度的延緩結霜效果，并不能從根本上達到完全的抑制結霜.例如表面疏水處理后的換熱器翅片，在冷凝階段確實因減小翅片與水滴間的接觸面積、降低了水滴與翅片間的粘附力與導熱系數，促進了冷凝水滴的流動排放、減小了翅片表面附著水滴的分布密度、延緩了水滴的成核起始時間，繼而造成了結霜過程中較短時間內的延緩結霜效果[12].但隨結霜工況的持續運行，終究會有水滴在翅片表面凝固.這些凝固的微小水滴不規則地分布在翅片表面，一方面以“微小凸起”的形式扮演了翅片表面二級翅片的角色，增大了空氣與翅片間的換熱面積，繼而促進了水滴的冷凝速率；另一方面也因阻礙后續冷凝水滴的流動與排除，促進了冷凝水滴在翅片表面的鋪展及積聚，繼而造成結霜后期霜層的快速生長.最終在疏水翅片表面，仍然會生長累積出致密的霜層.此外，疏水處理過的翅片表面容易因灰塵阻塞、物理刮擦、化學腐蝕、材質氧化等失去原有的表面形貌特性，即其耐久性與經濟性均限制了該方法延緩結霜的實效.當然，這也是該類材料及涂層報道至今十多年仍未見規模化應用的原因之一.可見對于空氣源熱泵而言，室外換熱器表面的結霜問題無法根除，除霜工況難以避免，這也導致關于除霜的研究報道越來越多.

由于霜的本質是冰，除霜的方式無外乎機械除霜與熱力除霜兩種，簡單來說就是靠機械外力的方式除去翅片及銅管表面的霜層，以及靠加熱的方式將霜層融化后去除.機械除霜的方式包括機械刮除、高壓氣流噴掃、超聲波破碎等，而熱力除霜方法包括壓縮機停機除霜、電加熱除霜、熱水噴灑除霜、熱氣旁通除霜以及逆循環除霜等[1].其中，逆循環除霜是通過調節四通換向閥，改變制冷劑流向，令蒸發器與冷凝器的角色互換.此時，室內風機打開，室外風機關閉.室外換熱器由蒸發器變為冷凝器，將室內空氣中的熱量用于快速融霜與蒸干化霜水.逆循環除霜工況運行時，除霜能量分別來自于壓縮機與室內風機輸入的電能、室內換熱器的金屬蓄熱、室內換熱器與空氣間的強化對流換熱.熱量通過制冷劑遷移到室外換熱器后，除用于融霜與蒸干化霜水外，能量還會消耗在加熱室外換熱器金屬及其周圍低溫空氣兩方面.由于空氣源熱泵室外換熱器表面的霜層是逐步生長并累積而成的，因此除霜的起始時刻與持續時長也極具靈活性.逆循環除霜還具有系統改造簡單、除霜時間短、除霜效率高、不需要外加輔助熱源等諸多優點，其已成為空氣源熱泵應用最為廣泛的除霜方法.

逆循環除霜過程由四通換向閥實現，系統結構比較簡單，但多環路換熱器表面的除霜過程是一個換熱器兩側介質間非定常、多維度、有相變、移動邊界的復雜動態傳熱傳質流動耦合過程.外側介質從固態霜變為液態水及水蒸氣，內側介質從氣態變為液態.為提供空氣源熱泵逆循環除霜過程所需要的能量，系統需要取走室內空氣中的熱量，因此導致室內局部區域空氣降溫，并引發系統穩定性方面的諸多問題，如低壓停機或者壓縮機濕壓縮等.為了提高空氣源熱泵逆循環除霜的系統運行特性，國內外學者們主要從性能優化對比實驗研究、性能優化數值模擬研究、控制策略優化研究三方面展開了廣泛的研究工作.

1 空氣源熱泵逆循環除霜性能優化對比實驗研究

1.1 部件優化

空氣源熱泵逆循環除霜是一個短暫而復雜的熱質傳遞與流動的耦合過程，其包括制冷劑、金屬盤管和空氣的溫度、濕度等物性參數，以及系統運行過程中產生的其它不確定因素等在時間與空間維度的波動.同時，除霜過程中能量遷移的過程比較復雜，如前所述，從制冷劑中吸收的能量先后應用于加熱蒸發器盤管的金屬表面，融化霜層，蒸發化霜水，以及通過自然對流的方式直接加熱室外盤管周圍的低溫空氣.由于除霜工況的運行基于系統整體，因此很多學者嘗試通過優化系統部件對除霜工況的性能進行改善.

早在1989年，O’Neal等便通過采用熱力膨脹閥對一臺名義工況為3冷噸的家用空氣源熱泵機組進行了穩態逆循環除霜實驗研究[13].研究結果表明，空氣源熱泵的集液器和熱力膨脹閥對系統動態反應的影響比較嚴重.在除霜過程中，集液器的液面不斷變化.作為除霜過程中的膨脹設備，熱力膨脹閥隨著系統運行情況的切換，自動改變節流面積，性能表現良好.另一方面，安裝有滾動壓縮機和往復式壓縮機的空氣源熱泵，其除霜性能也曾按照美國ANSI/ASHRAE標準(116-1983)被科研人員進行對比實驗研究[14].實驗結果表明，壓縮機類型會影響空氣源熱泵系統的除霜性能，且程度略有不同.此外，集液器的優化吸引了部分科研人員的注意.例如Nutter等[15]通過采用毛細管和熱力膨脹閥作為空氣源熱泵的節流裝置，對集液器在結霜除霜工況下的性能進行了對比優化研究.實驗結果表明，去除集液器后，系統逆循環除霜周期縮短達10%，結霜除霜整周期的循環性能系數降低25%.此外，采用制冷劑補償器代替空氣源熱泵系統中的集液器，Wang等開發了一種新型除霜方式[16].測試結果表明，在除霜過程中，制冷劑流量明顯增大、壓縮機吸排氣壓力相應提高.添加補償器后，除霜效果得到了明顯改善.董建鍇等[17]對空氣源熱泵機組中四通換向閥泄漏狀態下對機組性能的影響進行了對比實驗研究，通過分析機組吸排氣壓力和溫度、室內機進出口空氣溫度差以及壓縮機耗功等相關實驗參數指出，四通換向閥的泄漏造成壓縮機吸排氣壓力降低和吸排氣溫度升高，使得熱泵機組向室內的送風溫差低至0.9 ℃，壓縮機輸入功率為正常狀態下的58.6%，嚴重影響了熱泵機組性能.該結論為空氣源熱泵結霜及逆循環除霜過程中四通換向閥的故障監測與機組性能診斷提供了直接參考的基礎材料.

1.2 相變蓄熱除霜

逆循環除霜過程中室內換熱器從空氣中取熱時，以風機吹冷風的強制對流換熱形式實現，因此會造成室內局部空間內的空氣溫度驟降，繼而影響室內的人體熱舒適.由于空氣源熱泵逆循環除霜工況往往發生在夜間室外空氣溫度比較低的時候，因此除霜過程不可避免的會影響到睡眠人體的熱舒適[18-19].盡管逆循環除霜過程中，可以將室內風機停機，用室內盤管金屬的蓄熱、少量的室內空氣與盤管之間的自然對流換熱、以及輸入壓縮機的電能等作為室外換熱器表面除霜的熱量來源，繼而在一定程度上實現避免室內溫度的驟然降低.然而這種慢速的除霜能源供應，一方面延長了除霜工況的時間，另一方面隨金屬盤管溫度降低，系統的蒸發溫度和蒸發壓力會急速下降，也會導致低壓停機或者壓縮機濕壓縮等故障.因此，為了提高空氣源熱泵逆循環除霜的運行能效及安全性能，從根本上解決除霜工況下能量來源不足的問題，相變蓄熱技術被逐步應用到了熱泵除霜領域.

針對空氣源熱泵機組在冬季運行時，由于機組需要不斷除霜，將導致機組供熱能力不足、室內吹冷風、房間熱舒適性下降等問題，陳超等[20]提出了一種利用相變蓄熱技術解決空氣源熱泵機組冬季除霜問題的新途徑.其基本原理是將填充了DX40相變材料板的新型蓄熱裝置與空氣源熱泵機組相連接.該材料的相變溫度為42 ℃～44 ℃，遠高于冬季室內采暖設定溫度值18 ℃.當熱泵機組在制熱工況運行時，熱泵機組向空調系統供熱的同時也向相變蓄熱裝置蓄熱；當熱泵機組轉換至除霜工況運行時，相變蓄熱裝置向空調房間放熱，在提高房間熱舒適性的同時，縮短熱泵機組除霜時間，提高系統運行效率.可以想象，該蓄熱裝置必然會大幅降低逆循環除霜時從室內空氣的取熱量，試驗結果也驗證了裝置應用于空氣源熱泵機組后的優異性.然而在該研究工作中，該相變蓄熱材料被制作成板材，進一步加工為通風管道，最終被設置于通風系統中.盡管可以實現蓄熱與放熱的功能，但因其未與空氣源熱泵系統直接連通，一方面導致蓄熱、放熱過程中的傳熱效率低下，另外一方面也造成設計、安裝、施工、以及后期維護等方面的一系列工程難題.鑒于此，學者從強化蓄熱、放熱的速率著手，開始嘗試將相變蓄熱裝置設置于系統中，以提高該部分熱量“削峰填谷”的效率.

2011年，Hu等[21]首次將相變蓄能裝置與空氣源熱泵系統耦合，提出了一種新型的相變蓄能逆循環除霜方式，該空氣源熱泵蓄能除霜系統圖，如圖1(a)所示.為縮小相變蓄熱器的體積、有效提高儲熱密度，該系統采用相變溫度為29 ℃ 的無機相變材料CaCl2·6H2O.同時，為提高蓄熱、取熱過程中的傳熱效率，該相變蓄熱罐的結構被設置為雙螺旋構造以加大換熱面積，其結構如圖1(b)所示.銅管內部運行工質為制冷劑，銅管外部工質為相變儲能材料CaCl2·6H2O.為了在實驗中便于觀察相變材料的形態，相變蓄熱罐本體采用透明的亞克力玻璃材料制作.為有效防止相變蓄熱罐內的熱量散失，以黑色橡塑對罐體進行了外層保溫.基于該套空氣源熱泵相變蓄能逆循環除霜系統，Hu等對加入蓄熱裝置前后的系統除霜性能進行了對比實驗研究.結果數據分析表明，與傳統的空氣源熱泵逆循環除霜相比，增加相變蓄熱裝置后，相變蓄能逆循環除霜的除霜周期可縮短38%，時長減少大約3 min.同時，新系統可以有效提高逆循環除霜工況下壓縮機的吸氣壓力約200 kPa，有效降低了空氣源熱泵低壓停機及壓縮機濕壓縮的風險.此外，室內盤管表面平均溫度比傳統逆循環除霜時表面溫度高大約25 ℃，這說明除霜過程中除霜能量來源十分充足，基本未從金屬盤管蓄熱中提取熱量，也不會造成室內空氣溫度的降低.由于這種系統設計有效提高了相變蓄能的效率、減小了安裝施工及運行維護中的諸多工程問題，同時達到了蓄能除霜、優化室內熱舒適環境的初衷，因而獲得了行業內的廣泛關注.

圖1 空氣源熱泵蓄能除霜系統圖及蓄熱器結構圖

2012年，基于Hu等的研究工作成果，Qu等[22]同樣采用CaCl2·6H2O作為相變材料、采用雙螺旋為相變蓄熱器的結構，進行了相變蓄能逆循環除霜系統的運行性能優化實驗研究工作.通過實驗測量與理論計算的方式，分別驗證了相變蓄能逆循環除霜可有效縮短除霜周期的結論.與前者不同的是，Qu等基于相變蓄能除霜空氣源熱泵系統，從室內熱舒適角度進行了實驗嘗試.數據結果表明，空氣源熱泵系統增設此相變蓄能裝置后，可有效避免除霜工況下室內空氣溫度的降低，進而有效降低傳統逆循環除霜時對室內人體或睡眠人體熱舒適的不利影響.這一成果進一步促進了該技術在建筑節能及室內熱舒適控制領域的推廣與應用.在這之后，Dong等[23]重復了以上的研究工作，并得到了相同的結論.不同的是，相變蓄熱罐從之前的雙螺旋結構變為了矩形結構，并采用翅片進行強化換熱，如圖1(c)所示.相變材料也從能效性、經濟性及環保性等角度出發，將CaCl2·6H2O更換為65mol%羊脂酸和35mol%月桂酸的復合有機相變材料[24].為進一步了解相變蓄能逆循環除霜研究的進展，本文將近期典型的研究情況匯總如表1所示.

1.3 不均勻除霜研究

空氣源熱泵逆循環除霜過程中，當化霜水因重力作用從室外換熱器表面流走時，還會在表面殘留一些化霜水.這些殘留的化霜水需被蒸干清除，以免系統切換為供熱或結霜工況后其會立即轉變為冰，因引起頻繁的“二次除霜”而降低系統運行能效.因此，一個完整的逆循環除霜工況包括融化霜層與蒸干室外換熱器表面殘留水兩個目標階段.在實際應用中，隨著機組容量的增大，為降低室外單元的占地面積及室外換熱器管道內制冷劑的阻力，往往采用豎置式多環路的形式.同時因加工工藝方面的考量，室外換熱器空氣側各環路間并未分隔開，不同環路換熱器的縱向翅片是連續的，如圖2所示.目前關于設有多環路換熱器的空氣源熱泵逆循環除霜的實驗研究很多，如表2所示.

表1 相變蓄能逆循環除霜研究匯總表

表2 實驗研究中用到的室外多環路換熱器

盡管多環路換熱器已經廣泛應用于空氣源熱泵機組，但關于其除霜特性的文章在文獻中仍然有限.例如，O’Neal等[13]與Qu等[22]都通過實驗對空氣源熱泵的穩態除霜性能進行了研究，室外換熱器都采用了豎直放置的4環路換熱器.實驗研究表明，當除霜過程結束的時候，多環路換熱器最下面環路的管路出口表面溫度值往往低于最上面環路的管路出口表面溫度值.這表明各環路的除霜結束時間不同，且存在除霜結束“上快下慢”的現象.相似的除霜現象同樣在Stoeker等的實驗研究中被發現，該實驗采用的是豎直放置的6環路換熱器[40].此外，Wang等[16]在空氣源熱泵的逆循環除霜研究中發現，除霜過程進行至6分鐘的時候，其采用的豎直放置式7環路換熱器頂部環路的霜層已完全融化消失，但整個換熱器表面近1/4的面積仍覆蓋著明顯的霜層，這同樣表明空氣源熱泵逆循環除霜過程中存在其室外多環路換熱器表面各環路除霜過程進行程度不一致的現象.

為了清晰、準確的描述空氣源熱泵機組室外多環路換熱器各環路表面逆循環除霜進度不同的熱物理現象，Song等將各環路到達除霜結束預設溫度值24 ℃所需要的時間作為該環路的除霜結束時間，并將這種各環路除霜結束時間不同的逆循環除霜現象定義為空氣源熱泵室外多環路換熱器的不均勻除霜[29].為了對該不均勻除霜的熱物理現象進行定量分析，Song等進一步將“多環路換熱器各環路中，到達除霜預設結束溫度值最小的環路除霜時間與最大的環路除霜時間之比”定義為除霜均勻度(Defrosting Evenness Value，DEV[45]).例如針對一個豎置3環路的室外換熱器，如果各環路除霜時間均為80秒，則稱為均勻除霜，除霜均勻度為100%；如分別為60秒、80秒和100秒，則稱為非均勻除霜，除霜均勻度為60%.

盡管其它因素也有可能會造成豎直放置的多環路換熱器的不均勻除霜現象，除霜過程中由于重力作用上面環路的化霜水向下流動時對下層環路造成的影響被認為是產生多環路換熱器不均勻除霜現象的主要原因.然而，關于流動的化霜水對系統除霜的作用方面，直到2013年才被首次報道.Qu等通過實驗對化霜水作用進行了研究，結果表明該化霜水的存在會造成系統除霜周期的延長以及除霜能耗的增加，因而預判其對系統除霜性能的影響為負面作用[22].這是因為上層環路的化霜水流動到下層環路后，會在盤管與霜層之間形成一層水膜，這層水膜加大了盤管與霜層間的傳熱熱阻，進而影響了二者間的傳熱作用.同時，低溫化霜水從上面環路流動到下面環路，增加了下面環路的熱負荷，延緩了下面環路的融霜過程.然而在該研究中，Qu等并沒有針對此負作用進一步進行定量化的分析與說明.

為了進一步定量化的分析因重力流動的化霜水對系統整體除霜過程的負作用，Song等在2014年搭建了一個特制的豎直放置的3環路換熱器.特別的是，在各個環路下面分別設置了托水盤，當霜層融化之后，各個環路的化霜水都會被托水盤引走，匯總到與托水盤相連接的量筒中.這樣不僅可以計算各個環路表面融化后的化霜水量，還可以有效的避免上層環路化霜水對下層環路的影響.該3環路換熱器的結構圖及托水盤與量筒的設置位置如圖2所示[28-29].基于此3環路換熱器，Song等分別進行了2環路與3環路換熱器的有無設置托盤時除霜的對比試驗.實驗結果表明，對于2環路換熱器和3環路換熱器，當增設托水盤后，除霜效率分別可以提升10.4%和10.3%，除霜周期分別可以縮短7.5%與15.8%.至此，豎置式多環路換熱器除霜過程中化霜水的存在會造成系統除霜周期延長及除霜能耗增加，因而其對系統除霜性能的影響為負面作用的結論得到了驗證.

圖2 多環路換熱器結構圖及托水盤與量筒的設置位置[28-29]

如前所述，因重力作用沿著豎直放置的室外多環路換熱器表面向下流動的化霜水會惡化空氣源熱泵機組的逆循環除霜性能.如果室外多環路換熱器從豎直放置改為水平放置后，如圖3所示，化霜水的流程會大幅縮短(從a到b)，制冷劑與化霜水間的流動方向也從之前的逆向變為正交(從c到d).因此，逆循環除霜性能有望得到大幅改善.于是，Song等[32]將豎直放置的室外3環路換熱器變更為水平放置，并進行了逆循環除霜實驗研究.結果表明，當室外換熱器變為水平放置后，各環路除霜時間基本相同，且系統除霜效率增大9.8%.可見，調整室外換熱器的布置方式后，確實可以避免不均勻除霜，同時有效提高除霜效率.然而，當豎直放置的室外多環路換熱器變為水平放置后，其最下側的面積，也就是會吸附殘留水的面積，也會從圖3(e)變大為圖3(f).吸附殘留水的換熱器底部面積的增大，直接增加了吸附的殘留水量，繼而會對系統的除霜性能造成負面影響.為有效消除水平放置的多環路換熱器底部面積吸附的殘留水的負面影響，Song等進一步將換熱器風機調整為反向出風，試圖通過吹風將多環路換熱器下側表面吸附的化霜水吹走.然而實驗結果表明，除霜過程中室外風機對換熱器吹風后，會直接強化室外冷空氣與室外換熱器的換熱，最終造成了系統除霜效率降低近6.6%.此外，將室外多環路換熱器由豎直改為水平放置的實驗臺架，同樣被Song等[33]用于研究由于水的表面張力造成的室外多環路換熱器表面吸附殘留水，量化計算其對系統除霜造成的負面影響.對于一個豎直放置的中間分隔的多環路室外換熱器，每個環路的底部都會由于水的表面張力作用而吸附殘留水.實驗結果表明，對比殘留水清除的情況，除霜周期可從186 s縮減為167 s，減少約20 s.同時，除霜效率可以從49.4%提升到61.4%，增加約12.0%.這說明，如果將翅片表面處理為超疏水表面，化霜水無法因表面張力作用吸附于換熱器底部時，除霜效率最高可增加12.0%左右.該結論可直接用于指導翅片表面處理方面的優化設計.

另一方面，對于豎直放置的室外多環路換熱器，不均勻除霜也有可能源自各環路間的制冷劑不均勻分配.這是因為在各環路制冷劑流量相同的前提下，不均勻除霜的本質是各個環路的內側制冷劑與外側負荷間換熱量的不均勻.因此，Song等[31]進一步對制冷劑的分配情況對空氣源熱的逆循環除霜工況進行了實驗研究.其中，因換熱器及分液器等加工精度的問題，各環路的閥門全開時代表制冷劑不均勻分配情況.為獲得各環路制冷劑均勻分配的閥門開度，以結霜工況起始時刻各環路升溫情況完全一致為基準.基于制冷劑均勻與不均勻分配兩個對比試驗工況的結果，對比各環路的閥門全開的時候，當制冷劑在各環路間均勻分配可以提高除霜效率6.9%.可見，制冷劑的分配對空氣源熱泵系統逆循環除霜性能造成的影響，可以通過調節各環路的閥門開度，進而調整各環路的制冷劑質量流量的分配來消除.

另一個造成不均勻除霜的原因，就是在逆循環除霜起始的時候，各環路表面的結霜量并不均勻.也就是說，在除霜起始時刻，各環路的熱負荷分配便已經不均勻[11].空氣源熱泵室外多環路換熱器各環路結霜不均勻的現象被定義為“非均勻結霜”，為了定量的對該現象進行分析，進一步定義各環路結霜質量最小值與最大值之比為結霜均勻度(Frosting Evenness Value,FEV).也就是說，當一個3環路換熱器各環路表面結霜量的質量均為80 g時，稱之為均勻結霜，結霜均勻度為100%；當其分別為60 g、80 g、100 g時，稱之為非均勻結霜，結霜均勻度為60%.如果在除霜過程中蒸發掉的水分忽略不計，結霜均勻度可以通過測量各環路化霜水量的方式進行粗略計算[11，29].

圖3 豎直放置的室外換熱器更換為水平放置[32]

近期，Song等通過實驗研究的方式，對室外多環路換熱器不同結霜均勻度對空氣源熱泵逆循環除霜的性能影響進行了探索[11].除霜起始階段室外換熱器表面的結霜均勻情況分別如圖4(a)所示.實驗結果表明，當結霜均勻度從82.6%增加到96.6%的時候，系統逆循環除霜效率可以提高6.8%.此外，他們進一步對消除化霜水負作用，即在各環路間設置托水盤時，不同結霜均勻度對系統逆循環除霜性能影響進行了研究[45].除霜起始階段室外換熱器表面的結霜均勻情況分別如圖4(b)所示.實驗結果表明，當結霜均勻度從79.4%增加到96.6%的時候，系統逆循環除霜周期從198s縮短到175 s，縮短23 s，約占11.2%.同時，系統總除霜能耗從781.8kJ變小為678.8 kJ，節約3.7%.對應的逆循環除霜效率從45.0%增大為50.7%，增加5.7%.可見，不管是否采用托水盤對逆循環除霜過程中的化霜水及時引走與否，非均勻結霜的除霜起始狀態對逆循環除霜均起負作用.言外之意，提高逆循環除霜起始時刻的結霜均勻度是有效提高逆循環除霜效率的方法之一.

圖4 室外換熱器表面結霜情況圖[11，45]

1.4 其它逆循環除霜強化研究

事實上，如前所述，空氣源熱泵逆循環除霜過程中，除了需要在短時間內消耗大量熱量用于除霜外，從室內空氣中取熱往往會對室內熱舒適造成負面影響[46].因此，縮短除霜周期，往往也是逆循環除霜優化的一個方向.國標GB/T7725-2004中特別強調，空氣源熱泵除霜時間不允許超過總運行時間的20%.

為了有效縮短除霜時間，提高室外多環路換熱器的性能，Aganda等[47]通過實驗和數值模擬方式對一種單環路、多通道的管翅式室外換熱器的傳熱性能進行了對比分析，研究發現空氣分布的不均勻會降低室外蒸發器的性能[48]，靠近室外機邊緣的環路風速偏小，傳熱性能較差.此外，通過熱力膨脹閥控制實現對制冷劑流量的分配調控，制冷劑分配不均造成換熱性能降低達35%.Kim等[37]提出一種雙過熱度控制方法，在室外多環路換熱器的上、下游對各環路間制冷劑流量進行分配，系統如圖5所示.實驗過程中，小型球閥和電子膨脹閥同時使用以實現過熱度的控制.針對一臺額定容量為10.55 kW的家用R410A熱泵機組的制冷劑不均勻分配情況建立數值模型，模擬結果表明該種雙過熱度控制方法效果良好.此外，采用上游或下游閥門的控制方式也避免了由于室外空氣分布不均勻造成的能量消耗與COP降低.后來，他們對空氣與制冷劑不均勻分配的情況進行了進一步的探索，并得到上游閥門比下游閥門控制效果更好的結論[38].基于自組織的模糊控制系統，Liang等[49]提出了一種類似熱氣旁通除霜系統的空氣源熱泵顯熱除霜方法，系統結構原理圖及真實顯熱除霜的壓焓如圖6所示.對比研究的結果表明，該顯熱除霜方法可有效避免傳統逆循環除霜過程中常見的系統不利沖擊及“油擊”現象.但該方法未能從能源角度解決逆循環除霜的能源供應不足問題，用于除霜的熱量完全來自于壓縮機處輸入的電能，因此其除霜時間明顯延長，令其在民用空調及熱泵領域的應用中受限.

圖5 蒸氣壓縮系統雙制冷劑控制系統圖[37，38]

圖6 系統結構原理圖和真實顯熱除霜的壓焓圖[49]

綜上所述，為了提高空氣源熱泵逆循環除霜的系統運行效率，國內外學者對各種除霜優化方式進行了嘗試.為了給下一步的逆循環除霜優化工作提供借鑒，如表3所示.本文從初投資，運行費用、系統復雜性、除霜效率與綜合評價等5個方面著手對各方法進行了評估.結果顯示，相變蓄能除霜是最佳逆循環除霜優化方法，值得在民用及工業領域推廣應用.

表3 六種逆循環除霜優化方法的評估分析

2 空氣源熱泵逆循環除霜性能優化數值模擬研究

逆循環除霜過程持續時間短，除霜過程快，是一個典型的傳熱傳質流動耦合過程.為理解該復雜過程，并獲得如換熱器表面殘留化霜水的質量、自然對流的空氣導熱率、化霜水膜的厚度、空氣-水薄膜的導熱系數、表面水蒸發系數等物理參數，無法依托除霜實驗獲得，只能對該構成進行數理建模.對除霜過程進行數理建模的一個關鍵特性，是至少有一個物理參數是隨機參數，需要設置對應的假設條件.例如在除霜運行期間，室外盤管表面的霜層不一定會在整個表面均勻的融化.盤管表面霜層的某些部分可能會附著在盤管表面，直到它完全融化和升華，當然也可能在其他位置部分融化，然后從盤管表面脫離，下落到下層環路的盤管表面上或者排水托盤中.這部分脫落的霜層或冰晶，會對除霜過程熱負荷的計算造成較大影響.可見，相對于對比試驗研究而言，空氣源熱泵逆循環除霜過程的數理建模更加復雜.

2.1 系統與部件建模研究

從可獲取的公開文獻中獲悉，除霜過程數理建模吸引了大量學者的關注.早期建模工作主要集中在簡單幾何形狀的金屬翅片或盤管表面，如限定厚度的翅片[50]，水平金屬平板[51]，或平板冷卻器[52]等.1998年，Sherif與Hertz[53]提出了一種基于圓柱形盤管冷卻器的電加熱除霜的半經驗模型.在此模型中，假定電加熱器提供的熱量被霜層和制冷劑蒸汽使用，但沒有準確的給出兩者之間的分配比例.同時，Al-Mutawa與Sherif[54-55]開發了一個圓柱形盤管的解析模型來預測在除霜過程中霜蒸發、升華和融化的速度.這個模型提出了一個移動邊界法，并將除霜過程分為預熱和融化兩個階段.在2002年，Alebrahim與Sherif[56]進一步報道了為翅片管室外盤管電加熱除霜過程建立的數理模型，該模型采用焓值分析法來預測除霜時間和霜層表面溫度等數據.其后，還有許多其他學者進行了空氣源熱泵系統除霜過程的數理建模.例如Krakow等[57-58]為室外換熱器開發了一個逆循環除霜模型.此模型進一步將室外盤管表面的化霜過程理想化的細分為四個階段：預熱、融霜、蒸發和加熱干燥.此外他們還提出一個附有接收器的空氣源熱泵系統理想化的逆循環除霜模型[59].基于上述模型，Liu等建立了一個使用毛細管的空氣源熱泵系統的驗證除霜模型.此除霜模型中，因蒸發器和冷凝器在逆循環除霜中都非常重要，因此分別建立了蒸發器和冷凝器的分散式模型[60].很明顯，隨著對除霜過程的不斷細分，人類對除霜過程的認識越來越深入了，而除霜數理模型的準確度也越來越高了.

2.2 室外多環路換熱器建模研究

盡管在空氣源熱泵逆循環除霜性能的研究中，上述除霜模型被相繼建立和報道，但是其中沒有一個模型考慮到因重力作用而引起的化霜水往下流動時對室外盤管表面除霜性能的負面影響[28，30].直到2012年，基于空氣源熱泵系統室外4環路換熱器，Qu等[61]開發了一個逆循環除霜過程的半經驗化模型.不同于之前所述的除霜數理模型，本模型考慮了化霜水對除霜性能的負作用，并基于驗證后的除霜模型對該負作用進行了定量分析.結果說明，如果化霜水可通過托水盤及時排走，空氣源熱泵系統的逆循環除霜效率可以提高18.3%.在同一時期Dong等的實驗研究中，基于對空氣源熱泵系統的逆循環除霜過程中的蒸發融霜和加熱環境空氣的能量消耗的分析，得出用于蒸干殘留水的能量消耗為15.9%，這一比例與18.3%的能量消耗比例相近[62].

在空氣源熱泵逆循環除霜過程的起始階段，室外換熱器的角色從蒸發器變為冷凝器時，其本身金屬溫度的升高也需要消耗一部分能量.Dong等的研究結果顯示，用來加熱室外盤管的能量占逆循環除霜過程中除霜總能量的16.5%[61].該部分能量比重如此之高，直接說明逆循環除霜時室內與室外換熱器的金屬蓄熱量不能被忽略掉.因此，Song等針對空氣源熱泵系統中室外3環路換熱器的各環路底部有無安裝托水盤進行及時排除化霜水的情況，分別建立了兩套逆循環除霜過程的數理模型[63].這兩套模型的概念圖，如圖7所示，左側沒有加托水盤，表示化霜水繼續流動，代表傳統的豎置式多環路換熱器；右側增設了托水盤，表示化霜水在逆循環除霜過程中會被及時排除，從而消除了化霜水對下層環路的持續影響，代表新型的豎置式多環路換熱器.而逆循環除霜過程被分為四個階段：預熱階段、霜層融化但不從本環路流走的階段、霜層融化且化霜水從本環路流走的階段、以及殘留化霜水蒸干階段.以上四個階段內，霜層及化霜水間的質量和能量的遷移示意圖，如圖8所示.在兩套模型中，只有階段三會有差別.如圖7所示的模型1，此時分為3個控制單元，而如圖7所示的模型2，此時則僅包含最上面的1個控制單元.這兩套半經驗數理模型分別為后續的實驗研究所驗證[28-30]，驗證參數包括化霜水的總質量、化霜水的溫度、各環路出口制冷劑的溫度以及除霜時間四個物理參數.結果表明，這兩套模型可用于準確描述對應情況的空氣源熱泵逆循環除霜過程.

圖7 空氣源熱泵系統中室外側三環路換熱器的模型概念圖 [63]

圖8 逆循環除霜過程四個階段的質量和能量流動原理圖[63]

為盡量消除空氣源熱泵系統逆循環除霜過程中室外三環路換熱器的非均勻除霜現象，Song等基于上述開發的兩個模型，對各個環路制冷劑流量的調配進行了模擬研究[64].該研究中考慮了三個不同的工況，制冷劑在三個環路的流量分配如圖9所示.其中工況1中，除霜起始時刻便通過調節閥門開始，實現制冷劑在三環路的流量分配為95.6%、101.1%與103.3%.工況2中，當頂部環路達到除霜結束后，關閉閥門1，另外兩個環路的制冷劑流量均變為150%.工況3中，當頂部環路達到除霜結束后，關閉閥門1并降低壓縮機頻率為原來的66.7%，令剩余兩個環路的制冷劑流量仍然均保持100%.模擬結果表明，工況2中可以達到最好的除霜效果，一方面除霜總能耗可以減少到原來的94.6%，另一方面除霜時間減少了7 s.

為了更清晰的理解Qu和Song等報道的兩個多環路換熱器逆循環除霜模型，表4和表5分別總結和羅列了二者的不同點及主要的能量方程.經對比分析發現，Song的模型中考慮了更多的假設與實驗工況條件，進行了更詳細的階段劃分過程，驗證的物理參數也更多.在Qu的模型中，預測了從各個環路排除化霜水后，逆循環除霜效率可以提升18.3%.但在Song的模型結果中并未對除霜效率的提升進行預測，而是通過實驗對除霜效率的提升進行了對比.當室外三環路換熱器各環路底部均設置托水盤進行及時排除化霜水時，逆循環除霜效率可以從43.5%提升到56.7%，即提高13.2%[106].此外，Song等在文章中還描述了其所建模型的潛在價值與局限性[67]，因此對于空氣源熱泵系統室外多環路換熱器的逆循環除霜數值建模研究需要進一步探索.

圖9 改變分配到每個環路的制冷劑的比例[64]

表4 除霜模型對比分析匯總表

表5 兩個除霜模型的主要能量方程

3 空氣源熱泵逆循環除霜控制策略優化研究

通過逆循環除霜過程中的系統優化可以有效提升系統結霜及除霜工況下的運行能效，但由于換熱器表面的霜層是逐步生長并累積而成的，因此除霜的起始時刻、持續時長及周期性結霜除霜的控制策略同樣影響系統的運行穩定性及其能效性.鑒于此，為了降低逆循環除霜過程的系統能耗、減少逆循環除霜過程中從室內空氣取熱對室內熱環境造成的負面影響[32，141]，在進行系統實驗及數值建模優化研究的同時，更加精確地控制除霜起始與除霜結束的控制策略也吸引了大量學者關注，并取得了一系列成果.下面本文以逆循環除霜的起始控制策略及除霜結束控制策略分別展開綜述分析.

3.1 除霜起始控制策略

目前關于逆循環除霜起始控制方法的研究有很多，比較典型的有：(1)時間控制法；(2)溫度控制法；(3)溫差控制法；(4)神經網絡控制技術；(5)風機輸入功率檢測技術；(6)霜層厚度檢測技術[65]；(7)溫度濕度耦合控制技術；(8)基于最小穩定過熱度的除霜控制方法；(9)人工智能控制技術；(10)最佳除霜時間控制法；(11)最大平均制熱量控制除霜方法；(12)自調整模糊除霜控制方法；(13)基于平均性能最優的控制方法.然而，以上諸多已有及未曾報道的除霜起始控制策略，基本可以歸納為兩類：定時除霜與按需除霜.由于定時除霜控制策略具備控制邏輯簡單、初投資成本低、運行維護工作量少等諸多優點，因此成為應用最為廣泛的方法.應用此控制方法時，熱泵機組將在供熱運行一段時間(30 min～120 min)后自動啟動除霜動作.時間控制法盡管由于控制簡單而被廣泛采用，但是其可靠性較低.系統在此控制策略下運行過程中，極易導致兩類典型的“誤除霜”問題：一是有霜不除，二是無霜時頻繁運行除霜.例如，實驗研究案例表明，27%的除霜動作是在室外換熱器少霜或無霜的情況下進行的[66].很明顯，這既造成了能量浪費，又危及機組安全[67].鑒于此，定時除霜控制策略基于時間這一主要控制變量，學者基于此法開發了時間因素耦合單個或多個其余除霜環境及控制系統變量參數的時間控制方法，如“溫度-時間控制法”、“濕度-溫度-時間控制法”等.簡言之，當系統運行條件達到此類參數的預設值時，定時系統便開始啟動；當時間達到預設時間長度后，便開始啟動逆循環除霜操作.這種改良后的定時除霜方法明顯可提高系統除霜起始控制策略的準確度，因此成為了目前應用最為廣泛的除霜起始控制策略.

另外一類除霜起始控制策略為按需除霜，顧名思義，就是當確定有霜且需要除霜的時候才開始執行逆循環除霜起始運行的指令.很明顯，這種“有霜除霜”的情況才是我們更加期待的除霜方式.這樣可以實現更好的室內溫度控制、提高熱泵產品及室內熱環境的品質、減少熱泵器件因頻繁操作而造成的損失，并實現系統最大程度的節能.因此，該類方法的難度轉移為如何精準的測定室外換熱器表面的結霜累積量.過去的數年中，學者圍繞結霜量的測量嘗試了不同的方法，如(1)測量換熱器表面冰層的導熱系數；(2)計算蒸發器前后的空氣壓差；(3)測量并計算制冷劑的過熱度；(4)測量蒸發器表面與入口空氣的溫差；(5)監測室外風機功率等.

基于以上結霜累積量相關的直接或間接的測量手段，圍繞“按需除霜”的控制技術及策略包括：(1)采用全息干涉技術測量霜層厚度[68]；(2)采用紅外測溫儀測量霜層表面溫度[69]；(3)監測制冷劑流動不穩定性[70]；(4)采用光電耦合器[71]、光學系統或光纖傳感器監測霜層積累情況[72]；(5)應用神經網絡模擬計算盤管表面霜層累積量[73]；(6)采用翅片表面溫度計算有效質量流量分數[74].其中，值得一提的是王偉等采用光電耦合系統對結霜量的測量展開了研究，通過實驗及數值模擬的方式構建了光電信號與霜層厚度之間的數值對應關系，并將其嘗試應用于實際熱泵系統的除霜控制[75-76].同時，王偉等基于熱泵設備結霜實測數據，繪制了與本設備相關的溫、濕度兩個維度下的結霜圖譜，并基于此圖譜提出了一種新型的“溫度-濕度-時間”三維度除霜起始控制策略[77].

基于熱泵設備結霜數據繪制的結霜圖譜如圖10所示，主要由結霜區域、冷凝區域及無霜區域三部分構成.很明顯，當相對濕度低于40%時，此實驗熱泵設備無法結霜或結露.當溫度高于6度以后，該實驗熱泵設備無法結霜，只能結露；當相對濕度低于50%后，甚至不能結露.圖中左上角的結霜區域又被分為嚴重結霜區域、中度結霜區域及輕度結霜區域.以上所述的三個結霜區域，又被進一步細分為兩個更小的區域，區域I和區域II.以上六個小的結霜區域由曲線A-E及Line 1圍合劃分，這些曲線均來自于實驗測量數據.如此，該空氣源熱泵設備的實驗運行工況被表達到了這張結霜圖譜上，為該熱泵的除霜起始點控制提供參考.例如當溫度為-6 ℃，相對濕度為90%時，該設備的結霜狀態落在中度結霜區域的I區，依據實驗測量的結霜量，選定逆循環除霜操作的起始時間，繼而完成該除霜過程.盡管該方法為逆循環除霜的起始控制策略提供了有益的參考，但在實際應用中仍有很大限制.第一，在應用該方法之前，需要獲得不同氣象參數下的結霜量，霜層厚度及結霜總量的測量方面存在較大的偏差；第二，該方法的應用基于相對穩定的溫濕度二維圖譜，但設備參數及其它空氣參數的微小變化便會對該二維圖譜造成影響，繼而導致已知參數與除霜起始時刻間對應關系的偏差.其中，設備參數包括制冷劑充注量、壓縮機運行功率、換熱器表面形貌等，其它空氣參數則包括室內外換熱器進口空氣的流速與潔凈度等.由于復雜的傳感器技術、控制方法的可靠性以及其高造價等原因，按需除霜的控制方法尚未得到廣泛應用，但其高準確度的目標仍然代表了除霜起始控制策略的發展方向，吸引著越來越多的學者投身該方法的深入研究.

圖10 基于空氣源熱泵設備結霜數據繪制的溫濕度二維度結霜圖[77]

3.2 除霜結束控制策略

空氣源熱泵的誤除霜現象得到了學者的普遍關注，不少學者定義其包括兩種情況：一是室外換熱器表面已結霜且需要除霜時，卻不啟動除霜；二是室外側換熱器表面的結霜量未達到除霜量要求時，空氣源熱泵的中央控制器卻發出逆循環除霜指令，停止供熱工況并按室外換熱器結滿霜時的逆循環熱氣除霜工況運行.很明顯，“有霜不除”與“無霜除霜”兩種情況都針對除霜起始點的判斷失誤，而忽略了除霜結束點判斷失誤的可能性.一方面，除霜結束的過早，系統未能除霜完全，換熱器表面的殘留霜或化霜水會造成系統能效降低及頻繁的“二次除霜”[78]；另一方面，除霜結束的過晚，系統中大量熱量用于加熱室外換熱器周圍的冷空氣，不僅造成系統的低能效，還會嚴重影響室內熱舒適情況.二者可分別簡稱為“除霜不盡”與“除霜不止”.因此，合理的縮短除霜運行周期也是除霜控制策略的重要方面.例如，國標GB/T 7725-2004指出，除霜周期應小于系統結霜除霜總周期的20%.然而，盡管除霜結束控制策略的研究同樣重要，但明顯至今未曾引起學者的廣泛關注，相關的學術報道也較少.

目前的實際應用中，逆循環除霜的結束控制策略往往基于室外盤管管壁溫度、室外換熱器翅片溫度、室外換熱器進出口制冷劑壓差及除霜操作的運行時間[72].盡管定時除霜在除霜起始控制策略中得到了廣泛引用，但除霜的結束控制策略目前往往采用基于室外盤管表面溫度.當設置于室外盤管最低環路出口管壁的溫度測點所測值達到預設的溫度值時，除霜運行結束[79].如果該除霜結束的預設溫度值過高或者過低，除霜周期就會改變，進而造成除霜結束方面的誤除霜.然而，由于空氣源熱泵設備及其運行環境的復雜多樣性，如表6所示，目前已知被采用的除霜結束溫度值從10 ℃[44]到50 ℃[80]不等.盡管40 ℃ 的溫度區域非常大且不甚合理，但截止目前針對該除霜結束溫度的選擇的研究報告卻非常少，甚至未曾有其它學者指出該問題的重要性，僅有Song等針對除霜結束溫度的最佳選定做了實驗研究[81，82].以最大除霜效率確定除霜時間，并依次確定除霜結束設定溫度區間為20 ℃～25 ℃，并針對該空氣源熱泵系統建議最佳除霜結束值為22 ℃.盡管該最佳除霜結束值是基于實驗熱泵機組及固定工況下獲得的，但該方法卻可廣泛應用于最佳除霜溫度值的選定，這也為熱泵系統智能化控制及綜合運行節能提供了基礎支撐.

表6 空氣源熱泵逆循環除霜結束溫度設定值

4 空氣源熱泵逆循環除霜研究的總結與展望

作為空氣源熱泵系統最常用的除霜方法，逆循環除霜得到眾多研究者的關注.針對逆循環除霜研究開展的實驗研究包括：原部件的優化、基于逆循環除霜的相變蓄能除霜系統研究、不均勻除霜消除的研究、室外盤管安裝方式調配研究、制冷劑優化分配調控研究，以及顯熱除霜方法研究等.在以上所述逆循環除霜優化實驗研究中，因具有簡單、廉價、易安裝及良好除霜效果的優點，相變蓄能除霜綜合評價最高，值得繼續深入研究.

然而，當空氣源熱泵采用逆循環除霜優化后，系統結霜工況下的能效也需要予以考慮.在空氣源熱泵室外多環路換熱器上，如果設置制冷劑分配調控電磁閥，且在各環路間設置托水盤，多環路換熱器室外結霜均勻度會得到提高，從而系統結霜工況下的COP和除霜效率都能得到提高.因此，通過組合前面所述的逆循環除霜優化方法，有望得到系統結霜除霜工況同時優化的更佳效果.

針對逆循環除霜的系統優化，許多學者對系統和室外換熱器構建了除霜數值模型.針對系統構建的除霜模型，主要針對部件的優化及其對系統除霜效率的影響方面進行探索.不同的是，對于室外換熱器構建的除霜模型，除霜過程被劃分的更加細致，例如系統除霜模型中除霜過程被劃分為2個階段，而在Song等針對室外換熱器構建的除霜模型中除霜過程被劃分為4個階段.此外，基于該室外換熱器的除霜模型進行了外推，對三種制冷劑及系統的調控策略進行了數值模擬研究[67].在此方面，不僅是除霜模型構建的一個方向，其合理外推也是體現其價值的重要方面.因此有必要通過諸多假設條件的逐條取消，對多環路換熱器的除霜過程數理建模進行深入研究，并基于實驗驗證后的模型進行外推研究，指導新型空氣源熱泵機組的優化設計.

此外，在“萬物互聯”的物聯網大背景下，空氣源熱泵智能化控制是其節能優化的必然發展方向，更多實用、廉價且精準的逆循環除霜控制策略有待深入研究.例如，在逆循環除霜的起始控制策略方面，有必要圍繞定時與按需兩類除霜起始控制策略，進一步深入研究霜層厚度及結霜總量的測量方法.同時在逆循環除霜的終止策略方面，探索除霜結束溫度之外的判定參數等，逐步消除“有霜不除、無霜除霜、除霜不盡、除霜不止”等典型誤除霜現象.

最后，換熱器表面結霜與除霜的過程均是短暫時間內發生的非定常、多維度、有相變、移動邊界的復雜傳熱傳質流動耦合過程.為精準控制該過程，首先需要對該過程進行深入了解.除霜過程受到結霜過程的直接影響，結霜過程的初始階段是水滴凝固.但目前人類對水滴凝固的研究，仍然有很大的局限性[86].例如空氣源熱泵結霜初始階段，豎置翅片表面強制對流下微小貼壁冷凝水滴的粒徑與分布等生長狀態及其形變、滑移、破裂、凝并、撞擊等動力學行為變化規律等尚未明晰，單個毫米級形變水滴在其毫秒級的異相成核過程中內部溫度場的精密測量也是本領域的難題.