陳京瑞，田茂軍，蘇鷹，郭銳

（1.貴州省建筑設計研究院有限責任公司，貴州 貴陽 550081；2.貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025）

近年來，國家大力倡導使用空氣源熱泵進行供熱，然而，其在低溫、高濕地區(qū)的使用存在一些問題，當室外蒸發(fā)器表面溫度小于空氣露點溫度且低于0℃時，蒸發(fā)器表面會結霜，霜層的存在會導致空氣與翅片管之間的流動阻力增大，使得空氣流通能力減弱，影響換熱速率；隨著霜的逐漸增厚，換熱器內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)溫度會逐漸下降，導致空氣源熱泵制熱量減小，熱泵制熱性能逐漸降低。王偉等指出，對于低溫、高濕的地區(qū)冬季使用空氣源熱泵供熱時，室外蒸發(fā)器表面結霜迅速且結霜量多，應優(yōu)先考慮抑霜。本文對空氣源熱泵室外蒸發(fā)器表面抑霜方法的研究進展進行概述及分析，以期對空氣源熱泵抑霜的研究提供一定的參考。

1 抑霜方法的研究

1.1 改變空氣參數(shù)

空氣溫度、濕度是影響結霜的主要參數(shù)。升高濕空氣的溫度能抑制結霜，Kwak等在室外蒸發(fā)器進風口處前增加電加熱器對空氣進行加熱，與常規(guī)熱泵相比，其供熱能力提高了38.0%，COP提高了57.0%，但使用電加熱器進行預熱空氣存在耗能過大的問題，難以推廣使用。然而，Huang等設計了一種集熱器，該集熱器將壓縮機殼體散發(fā)的熱量進行回收，用于加熱蒸發(fā)器入口的空氣，實驗表明，此方法能顯著地抑霜和改善空氣源熱泵系統(tǒng)的整體性能，該方法不用增加額外的預熱空氣能耗，具有較好的節(jié)能效果。減小室外蒸發(fā)器進口處空氣的濕度可以抑霜，主要思想是使用固體或液體干燥劑、膜式除濕機、電化學法等手段對空氣中的水蒸氣進行吸收或吸附。Zhang等提出一種集成固體干燥劑的無霜空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)，該系統(tǒng)在空氣進入蒸發(fā)器前，通過對空氣進行除濕來延緩結霜。Wang等在蒸發(fā)器空氣入口處放置固體干燥劑，空氣經(jīng)過固體干燥劑后，既降低了含濕量又提高了溫度，使環(huán)境參數(shù)低于結霜條件來實現(xiàn)熱泵機組的無霜運行。但當室外空氣溫度長時間較低、相對濕度過大時，干燥劑再生所需能耗將增大，這將導致系統(tǒng)能耗升高、性能降低。因此，郝鵬飛等在傳統(tǒng)固體除濕系統(tǒng)的基礎上，增加蓄熱裝置回收冷凝余熱（如圖1），干燥劑吸收蓄熱材料釋放的熱量進行再生，保證系統(tǒng)的持續(xù)運行，系統(tǒng)在溫度為0℃、相對濕度為85%的工況下，可以無霜運行34min，有效地解決了干燥劑再生能耗過高問題。但該系統(tǒng)較復雜、設備體積大、不易于操作成為其大力推廣使用的一大阻礙。

圖1 帶蓄熱器的新型無霜空氣源熱泵熱水器原理圖

與固體干燥劑除濕系統(tǒng)相比，液體除濕系統(tǒng)具有溶液再生溫度要求更低，再生能源可由低品位熱源提供等特點。Kinsara等提出了一種使用CaC12溶液作為液體干燥劑的系統(tǒng)對換熱器入口空氣進行除濕，該系統(tǒng)能較好地抑霜，結霜過程顯著延緩。Suwei等采用液-氣膜除濕器對進入蒸發(fā)器的空氣進行除濕，防止蒸發(fā)器表面結霜，然后通過液-氣膜再生器對稀釋溶液進行再生，從而達到持續(xù)抑霜的效果。但是，液體除濕抑霜存在的系統(tǒng)復雜問題，室外翅片管蒸發(fā)器結構及性能不易匹配等問題仍未解決，這仍需要學者更進一步研究?？諝饬魉賹σ炙挠绊戨m已有較多研究，但所得的結論并不盡相同，黃虎等研究發(fā)現(xiàn)，提高蒸發(fā)器進口處空氣流速，能有效地抑制霜層生長；而郭憲民等研究了室外換熱器迎面風速對霜層生長的影響，結果表明，換熱器表面霜層的增長速度隨迎面風速的降低而加快，到結霜后期時，風速越大，霜層增長速度越快。馬龍信等實驗研究表明，翅片表面結霜量隨風速的增加而增大?？梢?，風速對霜層的影響有待更深入的研究。

1.2 外加電場/磁場

水分子是極性分子，在結霜過程中，水分子會向冷表面遷移，外加電場會對其遷移過程產(chǎn)生影響。外加電場分為直流與交流電場，Tudor等研究了交流電場對冷表面霜晶的生長形式和霜量累積的影響，當電場頻率從370Hz升至7.5kHz，外加電壓為14.5kV時，結霜量可減少46%。張新華等對豎直表面施加直流電場，觀察其對結霜初始形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)在成霜初期，電場強度越大，豎直冷表面上形成的液滴越小。劉清江等改變電壓等參數(shù)，探究電壓對結霜過程的影響，發(fā)現(xiàn)由于高壓電場的不均勻，蒸發(fā)器銅管表面的結霜層分布不均勻，高壓電場對結霜有顯著的抑制作用。近年來，磁場開始被應用于冷表面的抑霜研究，勾昱君等對磁性表面上結霜現(xiàn)象進行實驗研究發(fā)現(xiàn)，與未加磁場表面相比，磁性表面上凝結形成的液滴粒徑較小、分布均勻，霜層結構松散，更容易被去除。

1.3 超聲波振動抑霜

近年來，超聲波由于其具有頻率高、波長短、能量集中、傳播方向強等眾多優(yōu)點開始受到學者的關注，制冷行業(yè)主要利用其振動效應進行抑霜/除霜研究。李棟等在鋁表面施加頻率為20kHz的超聲波，與無超聲波作用的冷表面相比，該冷表面上的液滴由于超聲波作用受到劇烈擾動產(chǎn)生變形、鋪展，當液膜厚度減小到一定值時，液滴瞬間被霧化，從而除去冷表面上的液滴，避免結霜。在前期研究的基礎上，文獻研究了不同超聲功率對冷表面凍結液滴脫落效果的影響，發(fā)現(xiàn)超聲功率在100～1000W內(nèi)時，冷表面去除凍結液滴的概率逐漸增大，而且隨著凍結液滴尺寸的增大，超聲功率去除凍結液滴的效果更加顯著。Tan等對超聲波振動間歇作用于翅片管換熱器對除霜性能的影響進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)間歇超聲振動能清除翅片上的霜層，與傳統(tǒng)逆循環(huán)除霜相比，機組的制熱性能提高了6.51%～15.33%，其除霜效率比逆向除霜效率提高6～28倍。然而，要想深入了解超聲波對霜層的抑制機理及影響，目前的研究還遠不夠，需要繼續(xù)進行研究。

1.4 改變翅片表面特性

目前，通過改變翅片表面特性以延緩結霜的研究較多，主要分為親水性涂層與疏水性表面的研究。親水性表面較早應用于抑霜研究，勾昱君等在翅片表面涂上自行研制的親水性涂料，進行了不同條件下的抑霜實驗研究，與其他涂上抑霜親水涂料的翅片表面進行比較（如圖2），結果表明，新型親水涂料的抑霜效果有明顯提升；翟玉玲等研制的新型親水抑霜涂層在低溫高濕的條件下，可以有效延長霜層出現(xiàn)的時間，涂上該涂層的表面與未加涂層相同面積的表面相比，霜量減少達 40%以上。親水性涂層能有效抑霜，但其抑霜能力會隨著霜層增厚和使用時間增加而明顯下降，在惡劣工況下，抑霜效果會大打折扣，因此目前較多學者把重心放在疏水與超疏水翅片的研究上。汪峰等制備了具有微納復合結構的超疏水翅片，結霜初期，液滴在該翅片表面凝結呈Cassie狀態(tài)，分布稀疏，比較親水翅片與該種超疏水翅片表面霜層生長情況，超疏水翅片表面比親水翅片表面的霜層生長速度慢，在超疏水翅片表面，霜層與翅片實際接觸面積小，被霜層覆蓋后，超疏水翅片仍能抑制結霜層的生長。

圖2 翅片表面霜層高度對比

Liu等制作了一種類似荷葉表面結構的超疏水表面，接觸角高達162°，該表面比普通表面霜晶出現(xiàn)的時間延遲55min以上。Shen等在四個具有不同微觀特征的表面上觀察了結霜和除霜過程，與未處理的疏水表面相比，超疏水微觀結構表面具有優(yōu)異的抗結霜性能。趙玲倩等利用控制表面氧化法制備超疏水表面，自然對流條件下，在超疏水性表面和豎直放置的裸銅表面上進行結霜實驗，在有液核成霜時，超疏水表面結霜明顯減少，而無液核成霜時，超疏水表面失去抑霜功能，且霜晶生長密度更大。魯祥友等制備的超疏水鋁表面，結霜初期，由于超疏水表面接觸角較大，生成相同半徑液滴的能量勢壘較大，因此生成冷凝水滴的速度較慢，而由于冷凝水滴直徑較小，使得整個結霜過程延后，在冷面溫度為–5℃，進行實驗10min時，超疏水表面的霜層高度只有普通鋁表面的35%，但當冷壁面溫度持續(xù)降低，相變驅動能近似呈線性增長，使得水蒸氣轉化為冷凝水珠的時間減少，導致超疏水表面的抑霜性能有所削弱。

相對其他抑霜技術，改變翅片表面特性成本低、效率高，具有很好的實踐性。超疏水翅片的抑霜性能良好，具有很好的應用前景，但超疏水翅片表面在水蒸氣冷凝過程中可能會出現(xiàn)疏水失效的現(xiàn)象，因此，有必要對超疏水表面制備技術進行更深入的研究。

1.5 噴淋低冰點溶液

近年來，國內(nèi)外學者提出在空氣源熱泵蒸發(fā)器表面直接噴淋低冰點溶液以達到抑制結霜的目的，在整個供熱期內(nèi)實現(xiàn)機組不停機持續(xù)供熱，保證室內(nèi)維持較高熱舒適度。姚楊等在室外蒸發(fā)器表面噴淋丙三醇水溶液進行“防霜”，翅片表明，由于溶液的存在，延緩了霜層的生長，系統(tǒng)的供熱量比常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng)高出6%。Jiang等研究了不同濃度、不同質量流量的甘油溶液對系統(tǒng)防霜的影響規(guī)律，指出最佳防霜溶液濃度為50%，流量為0.278t/h；付慧影等指出噴淋甘油質量分數(shù)應在31%～65%；噴淋流量在0.53～0.64t·（h·m2）-1時能保證防霜效果。王繼前等研究發(fā)現(xiàn)在室外蒸發(fā)器表面噴淋玻璃水能除霜并有效延長下一循環(huán)的結霜周期，機組無須停機除霜，室內(nèi)保持無間斷供熱。綜上，噴淋低冰點溶液能實現(xiàn)機組無霜運行，保證室內(nèi)供熱不間斷；但溶液直接噴淋抑霜系統(tǒng)溶液對翅片表面的腐蝕性、噴淋溶液覆在翅片表面引起空氣流通阻力增大、溶液的再生問題等，因此，還需要進行更多的實驗研究。

2 結語

本文對國內(nèi)外學者提出的空氣源熱泵室外蒸發(fā)器抑霜方法進行了概括，得出以下幾點結論：

（1）改變蒸發(fā)器進口處空氣溫度及濕度能很好地抑霜，但電加熱法預熱空氣能耗過大，不能大量推廣使用；固體干燥劑除濕和液體干燥能明顯減少蒸發(fā)器表面結霜，但干燥劑成本較大、再生要求高、系統(tǒng)復雜不易操作等問題導致該方法在實際應用中受到限制。

（2）外加電場/磁場為探索抑霜方法提供了新思路，但其實用性與可靠性有待驗證。超聲波的抑霜效果隨著霜層厚度和密度的增長會有所減弱。

（3）翅片表面改性使液滴在翅片表面的凍結時間整體推后，對結霜初期霜層生長有較好的抑制作用，而且霜層較為疏松，后期較易去除。但超疏水翅片表面在使用過程中可能會出現(xiàn)疏水失效的現(xiàn)象，無法達到理想的抑霜效果，因此，有必要對超疏水表面制備技術進行更深入的研究。

（4）溶液噴淋抑霜能實現(xiàn)機組供熱周期內(nèi)無霜運行，但需要解決好溶液對翅片的腐蝕以及溶液再生等問題。

目前，大多抑霜技術還停留在實驗階段，把這些技術應用到實際中，轉化為真正的生產(chǎn)力還有很長的路要走。因此，對其進行更進一步的研究，探索出高效、低成本、使用周期長的抑霜方法并應用到實際中是今后空氣源熱泵除霜研究的主要目的。