空气源热泵结霜机理及除霜/抑霜技术研究进展

冠敏 莉莉

(1 山东大学能源与动力工程学院 济南 250061； 2 山东师范大学历山学院新能源工程学院 青州 262500)

随着我国节能减排政策的不断深化，采暖方式已逐步由低效率、高污染的传统燃煤锅炉集中供暖转变为节能、高效、清洁的供暖方式(如空气源热泵[1]、燃气锅炉和电加热锅炉[2]等)，简称“煤改电或煤改气”。其中，空气源热泵采用少量高品位电能驱动压缩机，通过制冷剂吸收低温空气中的低品位热能，并经系统高效集热整合为高温热源，实现低温热能向高温热能转移的装置。因其兼具供热供冷、运行费用低、安全可靠、节能环保、可再生能源等优点[3]，得到广泛应用。然而，在低温高湿度地区供暖，蒸发器表面温度低于露点和冰点时会结霜，导致热阻增大，传热系数减小，空气流动阻力增大，系统COP减小[4]，制约了空气源热泵在我国“煤改电”供暖政策下的应用推广。因此，研究冷表面结霜机理，探索高效除霜/抑霜技术对空气源热泵的发展及我国清洁供暖政策的推进意义重大。

目前，国内外学者在结霜机理[5]、除霜[6-7]和抑霜[2]方面均已有大量研究。其中，结霜机理的研究主要涉及霜层生长规律、霜层物性、霜层内传热传质3方面[8]。热泵除霜特性较为复杂，除霜方法的研究主要集中于：机组除霜性能[9-10]、除霜能量来源与分配[11]和除霜对室内的影响[12]等。M. Amer等[13]研究表明热气旁通除霜性能优于逆循环，其供热量和COP分别比逆循环高5.7%和8.5%。张杰等[12]对比发现，热气旁通法比逆循环节能5%，除霜后室内恢复正常供热所需时间比逆循环缩短25%；蓄能除霜的热量来自蓄热材料，不从室内取热，供热量较稳定，故室内舒适性较好。热泵抑霜主要是通过一定技术措施改变空气温度、湿度和表面特性等[14]，以达到提高机组性能和延缓结霜的目的。K. Kwak等[15]采用电加热器对室外入口空气加热，结果发现供热量和COP分别提高约38%和57%。J. S. Park等[16]采用不等距百叶窗间距设计，发现结霜延迟，热性能提高21%。

本文从霜层生长规律及其物性两方面，在冷表面结霜机理研究现状的基础上，总结影响结霜过程的各种因素和除霜/抑霜技术，综述换向逆循环、热气旁通和电加热3种主要除霜技术及表面改性抑霜技术的研究进展，分析改变空气参数、换热器结构和冷表面温度等的抑霜效果，以期指出目前关于结霜机理和除霜/抑霜技术存在问题，并给出进一步研究建议。

1 结霜机理

空气源热泵结霜现象与水蒸气分压力和蒸发器两侧气流的绝对湿度差有关[17-18]。水蒸气分压力和绝对湿度差越大，越有利于霜层生长。霜的形成不仅是一个气液固或气固相变过程[18]，也是一个复杂的传热传质过程。研究冷表面结霜机理，有利于从根本上理解霜层生长规律、霜层物性及影响因素等，从而探索有效的除霜/抑霜技术，以确保空气源热泵在低温高湿环境下稳定运行。

1.1 霜层的生长规律

在不同换热器翅片表面上[5, 13, 19]，霜层生长过程中会形成5类晶体形态：针状、平板状、树枝状、羽毛状及草状[20]。图1所示为冷表面典型结霜过程。由图1可知，在霜核期，先出现孤立冷凝水滴，然后出现水滴间的侵吞现象，接着形成少量冰晶；在霜层生长期，冰晶表面先出现针状晶体，随后针状晶体周围长出斜枝；在霜层完全形成期，冰晶表面已完全被针状晶体覆盖，形成一定厚度的羽毛状晶体。

在霜核期，冰晶的生长过程(如图2)主要与水分子随机运动、冰核临界半径和吉布斯自由能有关。在冷凝水中，水分子随机运动决定形成冰核的尺寸。在相变过程中，吉布斯自由能自发变化决定着冰核能否发展形成冰晶[5]。当水分子随机运动产生的冰核半径小于临界半径(由式(1)计算[5])时，冰核通过减小半径以降低吉布斯能量自发消失[21]。相反，当冰核半径大于临界半径时，会自发长大形成冰晶[21]。根据文献[5]，吉布斯能垒是水分子随机运动形成大于临界半径冰核的屏障，且随静态接触角的增大而增大。这说明静态接触角越小，吉布斯自由能垒越小，越有利于冰晶的形成。

r*=-σwi/ΔSVΔT

(1)

式中：r*为冰核临界半径，nm；ΔT为水滴过冷度[5]，℃；ΔSV为单位摩尔体积平均融化焓，J/mol；σwi为水冰的表面张力，mN/m。ΔT、ΔSV、σwi分别由式(2)～式(4)计算[5]。Tm为一个大气压下0 ℃时，水的融点，即0 ℃；Tw为水滴温度，℃。

图1 冷表面典型结霜过程 [13]Fig.1 The typical frosting process on cold surface

图2 冰晶生长过程[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)

空气参数是影响霜层生长过程的重要因素之一。Liu Di等[17]研究了空气温度、相对湿度和流量对铝制波纹翅片型换热器表面霜层厚度的影响，结果如图3所示。由图3可知，空气温度比流量对霜层厚度的影响更显著。当空气温度≤0 ℃时，霜层厚度与时间呈线性关系；当空气温度为-5和0 ℃时，霜层厚度增长率分别为0.15 mm/h和0.06 mm/h。当空气温度为10 ℃时，翅片表面几乎无积霜，说明空气与冷表面几乎没有热量和质量传递[17]。此外，相对湿度对质量传递的影响显著。这是由于相对湿度越高，空气中水蒸气压降越大(如图4)，结霜驱动力就越大[17]，水蒸气在霜层表面也越容易凝华增加霜层厚度。郭宪民等[22]认为，低风速将加快换热器表面霜层厚度增长，且低湿度工况下风速对霜层生长速度的影响更显著。

图3 环境因素对霜层厚度的影响[17]Fig.3 Effects of environmental factors on the thickness of frost layer

图4 相对湿度对空气侧压降的影响[17]Fig.4 Effects of relative humidity on pressure drop

另外，冷表面温度和表面特性对霜层生长过程也有显著影响。马强等[19-23]研究发现，冷表面温度越低，水滴冻结时间越短，冻结直径越小，霜层生长速度越快；且疏水表面上霜层平均厚度比亲水和裸铝表面生长缓慢。但当空气温度和冷表面温度均较低时，表面特性对霜层生长的影响不显著[19]。B. Na等[24]研究得出，当空气温度大于0 ℃，冷表面温度小于-10 ℃时，霜层厚度与时间呈非线性关系。该研究还指出，冷表面蒸气过饱和状态时，霜层厚度增长率的模拟值与实验值吻合度较好，误差为±15%；表面为饱和蒸气时，模拟值比实验值偏大，误差高达50%。

1.2 霜层的物性

1) 霜层密度

霜层密度和导热系数是研究结霜问题的两个重要物性参数[25]。一般而言，室外空气中水蒸气的压降越大，结霜驱动力越大，水蒸气越容易扩散进入霜层内部，增加霜层密度。霜层密度不仅随其表面温度和时间变化，还与冷表面温度、空气湿度和温度等密切相关。Y. X. Tao等[26]建立了霜层密度与时间和空间变化的关联式。刘中良等[8]以实验观察和晶体生长理论为依据，结合一维自然对流结霜的数值模拟，建立并验证了霜层密度随时间和空间变化的传热传质模型，并给出了数值解。C. T. Sanders[27]研究得出霜层密度随露点、空气温度、流速和冷面温度的降低而增大。T. Hosoda等[28]给出了霜层密度与冷表面温度和空气流速变化的关联式。近年许多研究也得到结霜过程中密度变化的经验或半经验关联式，但均是在不同实验条件下建立，通用性普遍较差。

2) 霜层导热系数

文献研究表明，霜层导热系数是密度的函数，且随密度的增大而增大[24-25]。C. Kim等[25]建立了平均导热系数与密度和动接触角(23°～88°)的经验关联式，并总结了14种霜层导热系数关联式及其所适用的冷表面温度、空气参数范围、误差(5%～50%)。近年已公开的其它有关霜层导热系数的关联式均为通过一定工况所得实验数据建立。此外，B. Na等[24]依据建立的新模型，给出了霜层导热系数的理论计算式，其与实验值的误差为±20%。可知导热系数关联式的误差较大、普适性也较差。

霜层导热系数还与其结构、冷表面温度、空气温度和湿度等密切相关。刘中良等[8]研究得到霜层导热系数的变化是霜层结构、霜层内温度梯度引起水蒸气扩散及凝华潜热释放和霜表面粗糙度引起旋涡效应相互作用的结果。A. Z. Sahin[29]研究发现，霜层有效导热系数随时间延长而增大，随冷表面温度、空气温度和雷诺数的增大而增大，随空气湿度的增大而减小。G. Biguria等[30]给出了平均导热系数与表面温度、空气湿度、流速和时间的经验关联式。可见，霜层导热系数的变化较复杂，合理且通用性较好的导热系数模型有待进一步研究。

2 结霜过程的影响因素

上述讨论表明，空气参数、表面特性、冷表面温度和翅片结构等对结霜过程和霜层特性均有显著影响：1)空气温度越低、湿度越大，冷表面越容易结霜。当空气温度一定时，相对湿度越高，室外空气中水蒸气的压降越大，结霜驱动力越大，水蒸气在表面越容易凝华增加霜层厚度、也更容易扩散进入霜层内部增加霜层密度。空气流速对霜核期的影响较大。2)疏水表面上霜层平均厚度比亲水和裸铝表面生长缓慢，且当空气温度和冷表面温度均较低时，表面特性对霜层生长的影响不显著。3)冷表面温度越低，冷凝水冻结时间越短，霜层生长速度越快，厚度增加越快，结霜量越大。4)换热器平直翅片表面比波纹表面或其它不平整表面更容易结霜。

特别是，随霜层厚度和密度的增大，空气源热泵室外空气与蒸发器表面的传热热阻越来越大，传热量逐渐降低，空气流动阻力逐渐增加，系统COP随之大幅下降，导致机组无法正常运行。因此，除了研究除霜技术外，研究抑霜技术对延缓结霜过程和提高机组性能均具有重要意义。

国内外学者已研究了多种除霜/抑霜技术。其中，除霜技术主要包括：压缩机关停、逆循环、热气旁通、电加热器、超声波振动、外加电场、外加磁场、热水喷雾、控制策略优化。抑霜技术主要包括：改变空气参数，改变翅片结构与间距、管路排布，改变冷表面温度、接触角，增加外场改变霜层与冷表面之间的相互作用等方法。这里将着重综述换向逆循环、热气旁通、电加热3种除霜技术的研究现状，分析改变空气参数、换热器结构和冷表面温度等的抑霜效果，概括改变表面特性抑霜技术的研究进展。

3 除霜技术的研究

表1 3种除霜方法原理及存在问题对比Tab.1 Comparisons of principles and exiting problems of three defrosting methods

3.1 换向逆循环法

换向逆循环是目前热泵普遍采用的除霜技术。图5所示为换向逆循环除霜原理。供热时，室外空气中水蒸气潜热被制冷剂吸收后转化为霜附着在换热器表面，堵塞了翅片通道，阻碍了空气流动，导致供热量下降。此时，四通阀换向，系统以逆循环制冷模式运行，霜层融化排走，随后热泵恢复制热模式。

由于换向除霜仅需一个四通阀，具有空间需求小、成本低、技术成熟等优点，被广泛采用。但该方法也存在较多问题，如室内舒适度差、凝结水滞留、除霜耗时长、能耗高、能量来源不足、除霜不均匀等[13, 31-32]。李宁等[2]发现逆循环除霜耗时高达600 s。张杰等[12]对比了3种除霜方式的性能，结果如表2所示。由表2可知，逆循环除霜耗时比蓄能法长约31%。此外，逆循环法能耗(4 600 kJ)比热气旁通高约5%。

图5 换向逆循环除霜原理[2]Fig.5 The principle of reverse cycle defrosting

除霜方式除霜耗时/s除霜结霜蒸发器翅片表面温度/℃除霜后室内恢复正常供热时长/s逆循环39024280热气旁通51023.5210蓄能27030120

针对上述问题，国内外学者已进行了较多研究。在实验研究方面，Song Mengjie等[33]初次实验研究了融霜水在多回路盘管表面流动对逆循环除霜性能的负面效应，并进行定量分析。Zhang Long等[10]提出了一种新型辐射-对流加热终端，并研究了新系统的结霜和除霜性能。结果表明，该新型加热终端可为除霜提供足够的能量，并可通过辐射和自然对流换热在除霜过程中为空间加热提供能量；除霜和恢复加热周期分别为105 s和65 s。Chen Yiguang等[9]研究了室外空气参数对热泵逆循环除霜特性的影响，结果如图6和图7所示。可知当空气温度和流速一定时，随相对湿度的增大，总能耗、除霜时间和从室内携带的热量均呈下降趋势。Hu Wenju等[11]研究了相变蓄能-逆循环对除霜时间和室内盘管表面温度的影响，结果如图8所示。由图8可知，相变蓄能-逆循环机组除霜时间比传统逆循环缩短38%，且室内盘管表面平均温度提高25 K。说明相变蓄能-逆循环除霜既有利于快速除霜，也有利于系统快速恢复正常供热。Qu Minglu等[6]也给出与此一致的结果。但由于相变蓄能相变材料存在价格较高、需要再生、设备体积大等问题，限制了其推广应用。另外，曹小林等[20]指出采用电子膨胀阀也有利于缩短除霜时间和机组快速恢复供热模式。

图6 相对湿度对除霜时间和总耗能的影响[9]Fig.6 Power consumption of defrosting and defrosting time under different outdoor air relative humidity

图7 相对湿度对从室内吸热量的影响[9]Fig.7 Effects of outdoor air parameters on endotherm from indoor room during defrosting period

图8 两种除霜方法的室内盘管表面平均温度的对比[11]Fig.8 Comparison of mean indoor coil surface temperature at the two defrosting methods

模拟研究主要涉及3方面：1)蒸发换热器结构的模拟计算；2)建立逆循环除霜模型[34]；3)建立多回路盘管室外机除霜模型[31]。在早期模拟计算中，主要集中于简单几何形状的室外换热器，如有限平板、水平平板和平板冷却器等[31]。随后出现了室外盘管逆循环除霜模型。模型中，室外盘管表面除霜被认为是理想过程，包括预热、熔化、蒸发和干燥加热[34]4个阶段。该模型已经实验验证相对可靠。Qiao Hongtao等[35]建立了空气源热泵五级逆循环除霜模型，研究了除霜过程的瞬态特性。结果表明，用于除霜的能量占制冷剂总供给能量的17.7%，这与典型除霜过程的实验数据一致。

但融霜水向下流动对机组运行造成的负面问题并未解决。Qu Minglu等[36]在考虑融霜水对除霜性能负面影响的基础上，提出了多回路室外盘管模型，并进行了定量研究。该研究团队建立了室外机除霜的半经验模型，分析了融霜水沿室外换热器表面向下流动对除霜过程造成的影响。采用该模型设计计算可使除霜时间缩短20.8%，除霜能耗减少27.9%。同时，为了解决多回路除霜不均匀问题，Song Mengjie等[31]建立了安装/不安装接水盘的模型，并进行实验验证。结果表明，安装接水盘可适当减轻不均匀除霜问题。

关于空气源热泵室外蒸发器换向逆循环除霜存在的一些问题仍未得到解决，如除霜不均匀、除霜能量来源、优质相变蓄能材料开发、融霜水向下流动对除霜性能造成的负面影响等问题。同时，现有除霜模型还不够完善，通用性也有待进一步研究。

3.2 热气旁通法

图9所示为空气源热泵热气旁通除霜原理。除霜时，系统不换向，电磁阀开启，关闭风机，压缩机的排气从电磁阀进入蒸发换热器除霜，除霜结束后的制冷剂通过四通阀被压缩机吸入。

图9 热气旁通除霜原理[2]Fig.9 The principle of heat gas bypass defrosting

与逆循环法相比，热气旁通法可改善室内舒适性和降低除霜能耗。M. Amer等[13]研究表明，热气旁通除霜性能优于逆循环，其供热量和COP分别提高5.7%和8.5%。张杰等[12]研究表明，热气旁通法比逆循环节能5%，除霜后室内恢复正常供热所需时间比逆循环缩短25%。

《道德经》说:“天地不仁，以万物为刍狗。”当我们使用“生态危机”这一术语时，实际上所指的不是“自在自然”本身陷入可能毁灭的危机，而是指人类生存所依赖的自然条件发生剧烈变化，以至于可能无法继续满足人类的生存需求。这就意味着，对人与自然的关系的考察，是探讨生态问题的“中轴线”;而由于在二者关系当中人是主体性、能动性的因素，因此对人本身的考察就构成了探讨生态问题的“原点”。那么，马克思与威廉·莱斯关于人与自然关系当中的“人”各自有何理解呢?

由于除霜热量来自压缩机，该方法除霜时间较长。Huang Dong等[37]指出，热气旁通除霜时间是逆循环的2.89倍。为解决除霜时间长的问题，J. Kim等[38]提出了双热气旁通-蓄电池加热法，实验对比了该方法与传统逆循环除霜时机组的运行性能。结果表明，在室外环境为-5 ℃时，双热气旁通-蓄电池加热除霜系统压缩机排气温度较高，除霜时间比传统逆循环缩短15%，系统供热量比逆循环高2.5 kW。汪俊勇[39]提出并分析了采用安装光电感应头辅助电加热套管解决空调机组化霜慢的可行性。

热气旁通除霜技术存在的问题还未解决，主要包括：1)除霜时间较长，除霜不干净；2)当霜层厚且密度较大时，除霜时间过长，室内舒适性恶化，压缩机可能损坏。因此建议应结合变频压缩机、电加热、余热回收型热泵、合理的阀门开度和控制策略等进一步深入研究。

3.3 电加热法

电加热普遍应用于冷风机除霜[40]和冷库除霜[41]。通常，将电热管或电热丝安置在室外换热器表面或镶嵌在换热器翅片内。电加热管安置在换热器前的除霜方式结构简单、设计成本低。文献研究表明，该方法可保持系统稳定运行200 min；当环境温度为4 ℃时，功耗降低32%，供热量和COP分别提高9.1%和71.1%[13, 15]。K. Kwak等[15]研究了室外电加热除霜对系统性能的影响。研究中当室外温度为2 ℃时，换热器表面结霜，导致蒸发器温度迅速降至12 ℃。此时停止常规热泵压缩机运行，维持室内2 kW的电加热器稳定工作。1 kW的室外电加热器一直运转，压缩机在工作时间连续工作。结果表明，与传统热泵相比，电加热法可使供热量和COP分别提高38%和57%，如图10所示。此外，Yin Haijiao等[41]实验研究了空气旁通循环-嵌入电加热新除霜方法在冷库中的应用。结果表明，与传统电加热法相比，该种方法室外除霜时间缩短62.1%，除霜能耗降低61%，冷库温度波动降低70.1%，除霜效率高达77.6%。总之，稳定的热源供应(加热器)可使系统具有良好的运行性能，使室内具有较好的舒适性。

图10 电加热除霜机组和传统机组供热量和COP对比[15]Fig.10 Comparison of heating capacity and COP of defrosting heat pump with electric heater and conventional heat pump with operating time

但该方法消耗高品质的电能，除霜时部分热量会散至周围冷环境，增加了能耗，降低了融霜效率；同时，电热丝或热管寿命短，存在安全隐患。特别在制冷系统中，电加热除霜对低温冷库温度场的影响较大，研究表明电加热输入的热量仅有15%～25%[42]用于除霜，其余大部分散失到周围环境。为解决这一问题，王栋等[40]设计了电动隔断装置用以阻止除霜时热量传至周围冷环境。结果表明，增加隔断装置后，电加热除霜时冷风机内温度波动平缓，冷库温度变化波动较小，除霜耗能明显降低，冷负荷降低，除霜时间缩短，除霜效率提高。因此，该方法有待在空气源热泵电加热除霜中进一步应用研究。

4 抑霜技术的研究

4.1 空气参数

空气温度、湿度和流速是研究室外空气对结霜影响的主要参数。其中，温度和湿度的共同作用可导致霜层的形成。如图11所示，湿空气A首先冷却至露点温度B，随后继续冷却下降至过冷温度C，最后相变过程发生，形成固相霜D[43]。可见，空气温度和湿度是导致空气源热泵冬季运行性能恶化的两个重要因素。另外，空气流速的增大可能会使换热器冷表面上初期形成的冷凝水分散并脱离，从而抑制结霜过程。

图11 冷凝和结霜过程[43]Fig.11 Condensation and frost formation process

1) 空气温度

预热湿空气可有效抑制冷表面结霜。K. Kwak等[15]采用电加热器对空气源热泵室外蒸发器入口空气进行加热，结果发现供热量和COP分别提高约38%和57%。考虑到提高湿空气温度时，需要耗费额外的能源且效率低，因此，目前该方法在文献中研究较少。然而，Huang Bi等[44]研究得出在冬季，空气源热泵机组的漩涡式压缩机壳体与周围空气之间存在较大的温差(340～380 K)。如果利用集热器将这部分热量回收后用于对蒸发器入口空气升温，将有助于蒸发器抑霜和热泵系统整体性能改善。Liu Di等[17]指出为保障节能和改善热泵能效，可通过热回收技术对湿空气升温。

2) 空气湿度

Sheng Wei等[43]研究得出控制空气湿度来抑霜的方法主要分为：1)水蒸气预冷凝；2)吸收或吸附除湿。水蒸气预冷凝是指先将潮湿空气冷却到露点，排出空气中部分水蒸气预冷凝水，降低湿空气中的水蒸气分压，减小相变驱动力，从而延长冷凝液滴生长和霜层形成过程的时间[45]。对此，Chen Yongping等[45]实验研究了大气压对冷表面上结霜特性的影响，结果如图12所示。由图12可知，随大气压升高，水滴冰冻时间明显缩短，平均冰冻半径明显增大。可见，降低大气压，相变驱动力减小，导致水滴生长和冰冻时间延长。然而，要将此方法应用于工程，还需要进一步深入研究。

图12 大气压对水滴冰冻时间和平均半径的影响[45]Fig.12 Effect of atmospheric pressure on droplet freezing time and average freezing droplet radius

吸收或吸附除湿是指利用某些方法对蒸发器入口的湿空气进行除湿。目前，湿空气除湿的方法主要有：固体或液体干燥剂、膜式除湿、蒸气-空气分离、电化学除湿。采用固体干燥剂对蒸发器入口空气进行除湿(如图13)可明显减少换热器表面结霜，但存在干燥剂成本高、干燥设备体积大和干燥剂再生能耗大等问题，限制了该方法的应用。膜式除湿是基于膜式全热回收系统和直接膨胀制冷系统组成的除湿方法[46]。全热回收换热器有一个薄膜核心，新鲜空气在薄膜上与排气进行交换湿气和温度。随后，新鲜空气流经表面低于露点的冷却盘管进行除湿[46]。Liang Caihua[46]发现膜式除湿系统的COP和除湿率分别为传统除湿系统的2.3倍和3倍。蒸气-空气分离法通常利用蒸气-空气分离器和预冷凝等技术结合进行除湿[43]。由于成本较高，在居民住宅或商业楼宇供暖中较少采用，主要应用于核电厂领域[47]。电化学除湿适于科学仪器的入口气体除湿[43]，以保证仪器正常安全可靠运行。

图13 循环吸附除湿空气源热泵原理[2]Fig.13 The principle of air-source heat pump with circulation-type adsorptive dehumidification

3) 空气流速

关于室外空气流速或风量对抑霜的影响，国内外已有大量研究，但结论并不一致。主要原因是这些研究将换热器作为孤立部件进行研究，而不考虑结霜后热泵系统参数的变化[22]。对此，郭宪民等[22]在考虑室外换热器结霜过程与空气源热泵系统参数与风机流量之间相互影响的基础上，研究了迎面风速对霜层生长规律的影响。结果表明，室外换热器表面霜层生长速率随迎面风速的降低而加快，且风速越大结霜后期霜层增长速度越快。

以冷凝水冰冻形成冰晶为分界点讨论：在形成冰晶前，流速越大，换热器表面初期形成的冷凝水经空气分散而脱离，延长了冷凝水冰冻的时间，抑制了结霜过程；冰晶形成后，流速可能促进霜层的形成。Sheng Wei等[43]研究得出增加流速可能延迟霜层初期的形成；当出现部分霜层后，增大流速会导致霜层密度增大，促进结霜过程。该研究还指出，空气流中的水蒸气冷却至露点的过程仅发生在热边界层中，因此根据湍流和层流条件下气流对热边界层的不同影响，改变湿空气流速对结霜行为会有一定抑制效应。

增大空气流速或流量通常是提高室外风机转速、增大风扇直径或增加风机数量，而这会导致风机的噪声或空气源热泵的投资成本增大。可见，采用提高空气流速或流量来抑制结霜的技术手段还有待进一步深入研究。

4.2 换热器结构

应尽可能采用大迎风面积、非等间距翅片或大间距翅片、表面不平整翅片和管排数小的换热器结构，以实现延长结霜周期的目的。目前，已有室外侧迎风面积、翅片间距、翅片类型和管排数对换热器表面结霜和系统性能影响的研究。研究表明，翅片的非均匀布置和旋流器的使用已证明可以提高蒸发器的热力性能[5]。J. S. Park等[16]设计了不等距百叶窗，发现结霜延迟，热性能提高21%。同时，K. Kim等[48]实验研究了翅片间距(1.81、1.59、1.41 mm)对不同表面抑霜性能的影响。结果表明，翅片间距为1.59 mm的疏水换热器抑霜效果明显，且其总传热系数较高。D. K. Yang等[49]采用响应面和Taguchi方法来优化设计换热器翅片间距。结果表明，最佳模型的平均传热率和运行时间分别比参考模型提高了6.3%和12.9%。因此，针对不同类型换热器研究合适的管路排布和翅片间距尤为重要。

4.3 冷表面温度

与空气温度、流速和换热器结构相比，冷表面温度和空气湿度对结霜的影响更显著[43]。Qin Haijie等[50]实验研究了冷表面温度对结霜过程的影响。结果表明，随冷表面温度降低，霜层形成越快，且霜层形态也由开始的针状变为柱状。王伟等[51]通过稳定空气温度10.5 ℃、湿度80.5%和流速3 m/s，改变冷表面温度的方法，实验研究了冷表面温度对动态结霜过程霜层物性的影响规律。结果表明，随冷表面温度从-19.7 ℃升至-3.5 ℃，结霜速率从0.05 mm/min降至0.019 mm/min(降幅约62%)，除霜频率由8.5次/h降至1.1次/h(降幅约87%)，霜层厚度从2.976 mm降至1.136 mm(降幅61.8%)，结霜量从1.415 g降至1.144 g(降幅23.7%)，霜层密度从291 kg/m3增至629 kg/m3(增幅约54%)，霜层导热系数为0.753～2.23 W/(m·K)。说明冷表面温度对结霜速率、除霜频率、结霜高度、结霜量和结霜密度均有显著影响。该研究还指出，冷表面温度越低，结霜速率升高，霜层生长高度增大，导致除霜越频繁；另外，冷面温度降低，单位时间结霜量减小，结霜厚度增大，霜层越疏松，这是因为结霜速率快，霜层未能及时回融、塌陷[51]。

综上所述，实现较高的冷表面温度可以有效抑制结霜过程。目前关于通过冷表面温度来抑霜的研究文献较少。因此，调控冷表面温度是未来抑霜技术的研究方向之一。

4.4 表面改性

目前，通过改变冷表面特性来抑制结霜的研究较多。接触角是衡量表面特性变化的重要参数之一。如图14所示为不同表面上液滴。由图14可知，接触角θ<90°的面为亲水表面，90°<θ<150°为疏水表面，θ>150°为超疏水表面。如表3所示，与裸表面和亲水表面相比，超疏水表面可有效降低结霜厚度和质量。同时，超疏水表面的压降和总传热性能较好。

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

参数裸露表面亲水表面超疏水表面霜厚度/mm0.820.750.68霜质量/kg0.3020.2670.215压降很高中很低总传热/kJ2 437.72 667.93 047.2

目前，多数研究集中于疏水和超疏水表面对结霜过程的抑制效果。特别是超疏水表面，可有效抑制冷凝水的形成及冰冻过程。Liu Zhongliang等[52]利用磁控溅射技术制作了微纳米结构超疏水表面(θ=162°)，并对比了该表面与普通金属铜表面上凝结水的冰冻特性，结果发现开始60 s后普通金属铜表面的冷凝液滴完全冰冻，超疏水表面在620 s后才出现少量的冷凝液滴，并长时间保持液态。Wang Hao等[53]研究对比了-7.2 ℃、相对湿度为55%时，裸铜面(θ=64°)、疏水面(θ=120°)和超疏水面(θ=155°)的结霜特性。结果发现，裸铜表面在50 s后开始出现霜晶，疏水表面120 s后出现霜晶，超疏水表面在600 s后几乎没有结霜。原因可能为：1)较大的接触角导致形成冷凝水的势垒较大，不易形成冷凝水，且已形成的冷凝水与表面的接触面积小、热阻大、换热量小，不易结霜[54-55]；2)表面上Cassie状态(滚动角较小)冷凝液滴的自跳现象，使得超疏水表面具有较好的抗凝露和抗结霜性能[55-56]。

超疏水表面除了对冷凝水的形成和冰冻过程有抑制作用，对霜层的生长过程也有明显的抑制作用。汪峰等[54]采用实验测量并对比了超疏水表面(θ=159.7°)和亲水表面(θ=15°)结霜厚度随时间的变化规律，如图15所示。由图15可知，发现超疏水表面结霜时间比亲水表面结霜时间延迟5 min；实验60 min时，超疏水表面霜层高度(0.95 mm)比亲水表面(1.73 mm)减少45%；随着时间的延长，两种表面上结霜厚度差增大。这是因为冰冻液滴与超疏水表面的接触面积较小(见图16)，导致冷表面与冰冻液滴间的热阻较大，当冰冻液滴表面形成霜层后，超疏水表面向霜层表面的传热比亲水表面难，导致超疏水表面霜层生长比亲水表面慢[54]。

图15 不同特性表面对结霜厚度的影响[54]Fig.15 Comparison of frost thickness on different characteristic surfaces

图16 不同特性表面冷凝液滴冰冻对比[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过程中会出现疏水失效的现象。这可能与冷凝过程中表面微结构间隙中的空气被移除密切相关。因此，为了避免表面的疏水性失效，有必要研发性能良好的超疏水表面加工技术。另外，在不结霜条件下，关于超疏水表面与空气换热特性方面的研究还较少。

同时，为防止水桥现象，目前工程应用空气源热泵的蒸发换热器铝翅片均采用“亲水铝箔”制造。可见，要采用超疏水表面改性对实际蒸发器的结霜过程进行有效抑制，还需结合换热器结构设计等多种措施进行综合考虑。

5 结论

本文在对冷表面结霜机理研究现状简述的基础上，总结了影响霜层生长的各种因素和除霜/抑霜技术，综述了3种主要空气源热泵除霜方法的研究现状，分析了改变空气参数、换热器结构和冷表面温度的抑霜效果，概括了表面改性抑霜技术的研究进展。主要结论如下：

1)结霜过程不仅是一个气液固或气固相变过程，也是一个复杂的传热传质过程；由于受各种因素的相互影响，霜层导热系数的精确检测较为困难，全面反映其变化的通用模型尚未看到；目前存在的模型多数依赖于一定工况的实验值，误差较大(5%～50%)。

2)针对逆循环除霜过程中存在的能量来源不足、效率低、除霜不均匀等缺点，国内外学者通过实验、模拟及技术改进研究已获得较大改善。但关于相变蓄能材料、除霜能量来源和减轻融霜水流动对除霜特性负面影响的措施等还有待深入探讨。且多回路室外盘管均匀除霜的实验研究还不够系统、模型不够完善。

3)热气旁通减轻了逆循环除霜时室内舒适性恶化的问题。但热气旁通除霜的热量全部来自压缩机，除霜时间较长，除霜不干净；当霜层较厚且密度较大时，室内环境会变差，压缩机可靠性会受到影响。因此，应结合变频压缩机、电加热、余热回收、阀门开度等手段进一步优化。

4)电加热除霜提高了室内舒适性和系统COP，但其除霜效率还偏低，合理的电加热部件安装位置尚未提出；对不同环境下，电加热除霜的性能、空气与霜层和冷表面的传热传质机理等还有待深入研究。

5)冷表面温度和空气湿度对结霜过程的影响最显著。但关于控制冷表面温度和空气湿度来抑霜的研究还较少。另外，表面疏水或超疏水性处理可有效抑制结霜过程，但仍会出现疏水失效现象，故超疏水性材料和表面加工技术还有待深入研究。同时，超疏水表面与空气换热特性方面的研究还较少。

综上所述，对比除霜方式，与逆循环和热气旁通相比，电加热除霜可提供较好的室内环境和较高的系统除霜性能。不同除霜方式适合不同地区和使用场合，需要加强除霜对舒适性和能耗影响的研究。对比抑霜技术，今后应加强基础研究，结合改变空气参数、表面处理和添加外场等措施，探索霜层形成各个阶段(冷凝水形成、冷凝水冰冻、霜层回融和塌陷等)的抑制效果。