热泵空调室外换热器结霜研究

席林 吴涛

摘  要：电动汽车热泵空调在冬季低温高湿的环境下，运行时换热器会结霜，从而会导致换热效率低下。这是由于结霜后换热器的热阻增加了，从而降低其换热系数。所以研究换热器冷表面的结霜基础理论，寻究一种更节能高效的抑霜、融霜方式，备受国内外学者的关注。文章简要介绍了换热器表面结霜现象产生原理，以及室外环境参数温度、湿度、风速等对结霜速率和霜层厚度的影响。总结了在冷表面处理、超声波振动、蓄热材料抑霜技术以及加热和热气法除霜等技术近些年的研究情况。

关键词：泵空调;换热器;抑霜;除霜

中图分类号：U463.85+1   文献标识码：A     文章编号：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

传统燃油车依赖于化石燃料，然而化石燃料燃烧后将会产生大量的CO2、CO、HC、NOx、PM等排放物。在能源短缺以及环保问题日益加重的今天，研发出清洁、环保的纯电动汽车是解决问题的一种途径[1]。

由于纯电动汽车缺少可以利用的热源（发动机），不能利用其余热，故在冬季空调采暖将面临缺乏热源的问题[2]。国内外专家学者提出一些解决方法：蓄热材料、太阳能、电池和电机余热、PTC（Positive Temperature Coefficient， PTC）电加热、热泵空调系统等。目前大多数电動汽车采暖都是采用热敏电阻PTC电加热的方式[6]  。如吉利帝豪EV350、北汽EV160、比亚迪秦100、蔚来ES8等量产车型，但此种制热效率低（Coefficient Of Performance，COP <1），能耗大，同时消耗的电能约占电动车整车消耗能量的33%[7]。实验结果表明对比非热泵系统，采用热泵系统的制热效率更高（Coefficient Of Performance，COP>2.0），更加节能，通过逆卡诺循环能实现集制冷、制热一体的功能[8-9]。相关资料表明丰田普锐斯、雷诺Zoe纯电动、荣威ei5、奥迪R8e-tron等车型都是搭载的热泵空调系统。但是由于热泵空调在低温、高湿的环境下，室外换热器会出现结霜的现象，致使肋片管道堵塞，空气流动阻力增大，从而导致热泵制热效率下降。部分学者提出利用电池、电机余热辅助热泵冬季采暖，日本日立公司和德国宝马公司都推出了一种利用驱动电机、电池废热的方式，其中日立公司是提出了废热+热泵空调系统;宝马公司采用废热+PTC辅助采暖。

综上所述，PTC制热由能量守恒定律可知制热时电能直接转化为热能，其理论制热效率COP=1，实际COP<1，将消耗大量电能，不符合电动汽车节能的要求，只能作为一种过渡的采暖方式。

故采用热泵系统的空调是电动汽车空调发展的最佳方式，但热泵系统面临的一个重要的问题是室外换热器结霜，霜层积聚会堵塞翅片的通道，从而导致制热效率下降。因此寻找一种可靠的热泵空调室外换热器抑霜、融霜技术就显得刻不容缓了。

1    室外换热器结霜及机理研究

1.1   室外换热器结霜

换热器结霜是指室外换热器冷表面有低于其露点的湿空气流经时，在冷表面附近的水蒸气温度会急剧下降，当值低于水蒸气露点热度之下，水蒸气将会产生相变，从而凝结成液滴在换热器表面，随着温度的进一步下降，有液滴将会凝结，甚至空气中的水蒸气从气态变为固态并吸附在换热器上的一种现象，就称之为换热器结霜。

1.2   结霜机理研究

为了从物理的本质上去研究结霜的成因，需要对结霜做理论基础研究。早在1933年德国Piening[10]就开始探索当管外空气自由流动时的结霜问题;19世纪70年代Y.Hayashi[11]通过摄像观测，分析了霜层形成过程，依据霜层的结构在0°～ -25°温度范围内，通过分组研究同时对其导热系数做了预测分析。国内对结霜基础理论研究起步相对较晚，于20世纪80年代才开始，主要的科研院校有大连海运学院和上海交通大学。陈崇铨[12]通过分析处于亚稳态下的过冷蒸汽在金属面的成核率，指出如果对金属表面改性增大其接触角，使得过冷蒸汽的饱和度小于其临界值，理论上可以达到抑霜的效果。程惠尔[13]以液态氮作为冷媒，研究管内湿空气流动结霜的现象，同时在实验中观测到霜体吹动且出现霜层坍塌的现象。为低温换热器和流动结霜模型的评定提供了实验依据。

2    室外换热器结霜影响因素

基于室外换热器霜层产生的原因，可知影响结霜的因素有室外环境的温度、湿度、空气的风速除此之外也有其他一些因素也会影响换热器的结霜，包括换热器设计（换热器形状、结构）因素等。

2.1   室外环境参数温、湿度对换热器结霜的影响

李红兰[14]基于热泵换热器结霜过程，建立了数值模型并编写了仿真程序进行仿真分析。分析入口处不同的温、湿度及翅片参数等对换热器结霜的性能。通过与实验数据进行对比，得出了计算值与实验测试值吻合较好的曲线。从而验证了模型正确、可靠，计算结果可靠，表明外界的环境空气参数（换热器室外温度、湿度）对换热器结霜有较大的影响。刘斌[15]以四点假设为前提，考虑能量和质量守恒建立了相关的结霜数值模型，并以室外入口处空气的温、湿度等参数为变量进行分析。结果表明：温度和相对湿度都对结霜产生了一定的影响，其中换热器表面温度对霜层的厚度有一定影响，空气相对湿度与结霜的速率有关。Lee[16]以空气温度、湿度等环境参数为变量，对竖直板的霜层进行了试验研究。研究表明：湿度是霜形成的关键参数之一，同时如果外界环境温度越高，霜层就越厚。杨宾[17]通过数值模拟及实验研究，分析了使用R410A冷媒的的热泵空调在不同的室外环境参数温、湿度环境下，对结霜性能的影响。研究表明：当进风相对湿度和风速不变时，在不同的室外进风温度下，结霜量都开始先随时间的增加近似呈线性正相关，之后结霜速率趋向平缓，样机在0-3℃的进风温度区间时结霜情况严重，但在霜层的厚度上随时间呈现非线性，前、后段呈现较陡的上凹形，中间平缓的曲线。当其他环境参数不变时，在不同的室外环境相对湿度下，结霜量开始先随时间的增加近似呈线性正相关，在结霜后期结霜的速率出现骤降趋向;在霜层的厚度上也随时间的增加而加厚。

2.2   室外空气流速对换热器结霜的影响

Di Liu[18]建立了换热器结霜理想数学模型，研究空气质量流量与总传热系数等参数对结霜量的影响，研究表明：当有较高的空气质量流量时可以抑制霜层的增加。Wei-Mon Yan[19]基于对平板翅片管式换热器在结霜工况下，空气质量流量等参数对结霜的影响，实验结果表明：在较低的风速下，结霜量与风速成正相关。陈轶光[20]通过数值模拟并在焓差实验室中进行相关实验，分析了热泵空调不同的风量对霜层厚度的影响。实验表明：结霜量不与风速成正相关的线性增长，反而是呈现开口向上的凹形，在实验所取风速范围（1.1m/s--1.6m/s）内时，风速为1.6 m/s时，结霜量最大，而在1.3 m/s时最小。

2.3   其他因素对结霜的影响

前两大因素对室外换热器结霜的影响均属于室外环境方面的因素，而研究人员还进行了其他方面的研究探索其对室外换热器结霜的影响。

吕金虎等[21]通过实验分析了，不同的肋片管的片距对换热器传热系数和制冷量的影响。提出不同的管排使用不同的片距，可以較好地解决换热器结霜层不均匀的问题，为换热器的优化提供了一种思路。巫江虹[22]通过实验研究了，在同一辆电动汽车上分别采用管翅式换热器和多流程微通道换热器热泵空调的制冷、制热COP性能。得出采用微通道的换热器已经出现结霜严重的现象，在室外环境温度小于7℃时，此时系统采暖性能急剧下降。

3    延缓、消除室外换热器结霜的措施

依据影响室外换热器结霜的机制和影响因素不难发现，延缓、消除其结霜的方法可以归纳为以下几个方面。

1）换热器冷表面处理。由霜层产生积聚可知，如果换热器表面光滑，粘附力低，霜层就不会迅速产生并积聚厚的霜层。故可以在换热器表面添加涂层，来延缓霜层的增加。应世杰[23]研究表明日本松下公司采用在换热器表面添加憎水性涂膜剂/无机微粒子复合材料的方法，能够使机组连续正常工作的时间延长2倍，延缓结霜增长速度一半以上。

2）高频振动除霜。采用压电材料的逆压电效应，压电片上产生的高频机械振动消除已形成的霜晶。文献[24]建立了一套成熟的超声波除霜实验平台，如图1所示。验证了超声波除霜的机理是高频振动及其带来的力学作用。文献[25]进一步利用超声波振动研究了翅片管式换热器在自然对流情况下结霜工况，实验结果表明超声波不能消除翅片上的基本冰层，但可以消除霜晶，从而抑制霜层的增长。

3）相变蓄能除霜。在融霜工况时，蓄能材料释放在制热工况下吸收的热能除霜。董建锴等[26]搭建了3种不同的相变蓄能除霜模式（串联、并联、单独除霜）试验台架（其原理如图2所示），并与常规除霜模式对比研究。实验表明：相变除霜与常规除霜相比，蓄能除霜仅为常规除霜时间的40%，更加节能。姚杨[27]发明了一种采用相变蓄能材料（                      ）的热泵除霜系统，不同于一般的热泵系统，它增加了蓄能装置。测试结果显示，蓄能除霜时间在3分钟以内。

4）加热除霜。在室外换热器附近增设热源（PTC热敏电阻、电池电机余热、太阳能等）装置来实现除霜。冯永忠等[28]研究了宝马i3型的纯电动汽车，该车采用热泵空调与PTC辅助加热相结合的热泵空调系统，如图3所示，冬季分段制热，及当室外环境温度较低时，热泵制热，当室外温度更低时PTC辅助制热并除霜。文献[7，29]通过对驱动电机余热的实验研究，设计原理如图4所示。表明其能提高热泵空调的制热性能。文献[30]通过实验分析了使用R134a冷媒的大型客车热泵空调系统中，通过液冷的方式利用驱动电机、电池废热的双热源热泵系统，制热性能更加优越。

5）热气除霜：通过制冷循环排除的气体携带的高热量引入室外换热进行换热除霜。依据不同的融霜方案，主要分为逆循环除霜和热气旁通除霜。

a）逆循环除霜：文献[31]传统空调除霜方式，当换热器霜层达到一定的厚度时，空调自动开启除霜模式，室内吹冷风，室外换热器充当冷凝器释放热量、融霜。除霜迅速且有噪声，室内温度将会下降约5-6℃。

b）热气旁通除霜：文献[32-34]热气旁通除霜，旁通部分高温气体到室外换热器处，释放热量从而达到融霜的目的，系统处于制热模式时，室内温度不会下降，且不会产生噪声，但相比于逆循环除霜时间更长。

4    结论与未来展望

4.1   结论

由于换热器结霜会导致热泵空调制热效率下降，甚至停机，制约着热泵空调在低温环境下的推广，故探求一种节能高效的除霜方式很有必要。文章简要介绍了换热器表面结霜现象产生原理、影响结霜的内外因素、以及一些除霜方法的应用情况，得出如下结论：

1）霜层的產生是一个复杂的相变过程，其中影响换热器结霜的因素复杂多样，既有外部环境参数也和换热器本身结构有关。

2）在换热器冷表面添加涂层，以及使用超声波都可以有效的减缓结霜速度，抑制霜层的增加，成为近几年研究的热点方向。

3）常见的除霜方式仍然是以热气旁通除霜和逆循环除霜为主。但现在更多研究者主研方向是复合除霜、逆循环和PTC、电池电机余热、蓄能材料等相结合的除霜方式。

4.2   未来展望

热泵空调较高的制热效率，注定会在电动汽车空调系统领域有良好的发展前景，针对其环境适应性差，换热器结霜难题，建议未来的研究方向多考虑与以下几个方面：

1）电池热管理与热泵空调相结合。冬季利用电池散发的余热对室外换热器进行融霜处理、夏季利用空调对电池进行降温，从而提高能量的利用率和系统安全性。

2）关键零部件研发优化。如对空调系统核心部件压缩机、换热器、四通阀装置进行优化，降低其功耗，提升其耐高压的能力，延长其使用寿命等。

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