淺析空氣源熱泵抑霜方法研究進(jìn)展

陳京瑞，田茂軍，蘇鷹，郭銳

（1.貴州省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081；2.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

近年來，國家大力倡導(dǎo)使用空氣源熱泵進(jìn)行供熱，然而，其在低溫、高濕地區(qū)的使用存在一些問題，當(dāng)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(jié)霜，霜層的存在會導(dǎo)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(dǎo)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(jié)霜迅速且結(jié)霜量多，應(yīng)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(jìn)展進(jìn)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(jié)霜的主要參數(shù)。升高濕空氣的溫度能抑制結(jié)霜，Kwak等在室外蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口處前增加電加熱器對空氣進(jìn)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(jìn)行預(yù)熱空氣存在耗能過大的問題，難以推廣使用。然而，Huang等設(shè)計了一種集熱器，該集熱器將壓縮機(jī)殼體散發(fā)的熱量進(jìn)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(yù)熱空氣能耗，具有較好的節(jié)能效果。減小室外蒸發(fā)器進(jìn)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(jī)、電化學(xué)法等手段對空氣中的水蒸氣進(jìn)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(jìn)入蒸發(fā)器前，通過對空氣進(jìn)行除濕來延緩結(jié)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(jié)霜條件來實現(xiàn)熱泵機(jī)組的無霜運(yùn)行。但當(dāng)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(dǎo)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(chǔ)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(jìn)行再生，保證系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)在溫度為0℃、相對濕度為85%的工況下，可以無霜運(yùn)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(fù)雜、設(shè)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(jìn)行除濕，該系統(tǒng)能較好地抑霜，結(jié)霜過程顯著延緩。Suwei等采用液-氣膜除濕器對進(jìn)入蒸發(fā)器的空氣進(jìn)行除濕，防止蒸發(fā)器表面結(jié)霜，然后通過液-氣膜再生器對稀釋溶液進(jìn)行再生，從而達(dá)到持續(xù)抑霜的效果。但是，液體除濕抑霜存在的系統(tǒng)復(fù)雜問題，室外翅片管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)及性能不易匹配等問題仍未解決，這仍需要學(xué)者更進(jìn)一步研究。空氣流速對抑霜的影響雖已有較多研究，但所得的結(jié)論并不盡相同，黃虎等研究發(fā)現(xiàn)，提高蒸發(fā)器進(jìn)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(fēng)速對霜層生長的影響，結(jié)果表明，換熱器表面霜層的增長速度隨迎面風(fēng)速的降低而加快，到結(jié)霜后期時，風(fēng)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(jié)霜量隨風(fēng)速的增加而增大。可見，風(fēng)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(jié)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(dāng)電場頻率從370Hz升至7.5kHz，外加電壓為14.5kV時，結(jié)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(jié)霜初始形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)在成霜初期，電場強(qiáng)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(jié)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(jié)霜層分布不均勻，高壓電場對結(jié)霜有顯著的抑制作用。近年來，磁場開始被應(yīng)用于冷表面的抑霜研究，勾昱君等對磁性表面上結(jié)霜現(xiàn)象進(jìn)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(jié)形成的液滴粒徑較小、分布均勻，霜層結(jié)構(gòu)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(qiáng)等眾多優(yōu)點開始受到學(xué)者的關(guān)注，制冷行業(yè)主要利用其振動效應(yīng)進(jìn)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(dāng)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(jié)霜。在前期研究的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)研究了不同超聲功率對冷表面凍結(jié)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(jié)液滴的概率逐漸增大，而且隨著凍結(jié)液滴尺寸的增大，超聲功率去除凍結(jié)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(jìn)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(jī)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(jī)理及影響，目前的研究還遠(yuǎn)不夠，需要繼續(xù)進(jìn)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(jié)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(yīng)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(jìn)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(jìn)行比較（如圖2），結(jié)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(dá) 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(xué)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(fù)合結(jié)構(gòu)的超疏水翅片，結(jié)霜初期，液滴在該翅片表面凝結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)的超疏水表面，接觸角高達(dá)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(jié)霜和除霜過程，與未處理的疏水表面相比，超疏水微觀結(jié)構(gòu)表面具有優(yōu)異的抗結(jié)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(jìn)行結(jié)霜實驗，在有液核成霜時，超疏水表面結(jié)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(jié)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(jié)霜過程延后，在冷面溫度為–5℃，進(jìn)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(dāng)冷壁面溫度持續(xù)降低，相變驅(qū)動能近似呈線性增長，使得水蒸氣轉(zhuǎn)化為冷凝水珠的時間減少，導(dǎo)致超疏水表面的抑霜性能有所削弱。

相對其他抑霜技術(shù)，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(yīng)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(shù)進(jìn)行更深入的研究。

1.5 噴淋低冰點溶液

近年來，國內(nèi)外學(xué)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(dá)到抑制結(jié)霜的目的，在整個供熱期內(nèi)實現(xiàn)機(jī)組不停機(jī)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(jìn)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(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)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(jié)霜周期，機(jī)組無須停機(jī)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(jī)組無霜運(yùn)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(jìn)行更多的實驗研究。

2 結(jié)語

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

（1）改變蒸發(fā)器進(jìn)口處空氣溫度及濕度能很好地抑霜，但電加熱法預(yù)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(jié)霜，但干燥劑成本較大、再生要求高、系統(tǒng)復(fù)雜不易操作等問題導(dǎo)致該方法在實際應(yīng)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(jié)時間整體推后，對結(jié)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(dá)到理想的抑霜效果，因此，有必要對超疏水表面制備技術(shù)進(jìn)行更深入的研究。

（4）溶液噴淋抑霜能實現(xiàn)機(jī)組供熱周期內(nèi)無霜運(yùn)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(shù)還停留在實驗階段，把這些技術(shù)應(yīng)用到實際中，轉(zhuǎn)化為真正的生產(chǎn)力還有很長的路要走。因此，對其進(jìn)行更進(jìn)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(yīng)用到實際中是今后空氣源熱泵除霜研究的主要目的。