外腔循环闭式太阳能墙系统除霜技术分析

李珂嘉 李 梦 郭 宝 王龙超 王丽娜

（大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连116622）

1 研究背景

近年来，世界共同关注的环境问题日益严重，建筑能耗是引起环境污染的首要因素，因此，新能源的利用得到人们广泛关注，太阳能的应用具有对环境无污染、储量无穷无尽等优点成为可再生能源利用的首选。利用太阳能与建筑一体化而形成的太阳能光热墙成为一种绿色简单有效的太阳能采暖方式，也渐渐引起了各国学者的广泛关注。本文采用的是太阳能直接的光热转换，把热量直接传给空气，减少中间过程，以实现热量利用最大化。

本文提出了外腔循环闭式太阳能墙供暖系统，即在传统的Trombe 墙中加热一块带有微孔的集热板，该集热板具有高吸收率和高发射率的特点，集热板与南外墙之间形成的空腔称为内腔，集热板与最外侧阳光板之间形成的空腔称为外腔，内外空腔作用为储存热空气，太阳能墙集热板吸收太阳辐射产生热量，集热板通过对流、辐射的方式将空腔内空气进行加热，而最外侧的阳光板减少了热量对外界的散失并起到保温作用，可以最大限度的吸收利用太阳能，相比于现有的单层透明盖板集热墙体，双层空气集热太阳能墙可以使空气流经集热板的正反两面，做到充分换热。并结合空气源热泵作为辅助热源保持室内温度恒定，提高了太阳辐射的利用率，采暖效果良好。但在实验过程中发现此系统太阳能墙集热板外侧与阳光板内侧在冬季清晨存在结霜现象，集热板外侧与阳光板内壁结霜会直接影响太阳能墙板有效工作面积，使得太阳能墙集热板吸收太阳辐射的能力降低，为了充分有效地利用太阳能辐射，解决集热板外侧与阳光板内壁结霜问题是目前研究的关键。

2 研究现状

结霜的现象存在于众多工程领域，主要包括制冷空调、空气源热泵、太阳能利用等。而我们日常生活使用的设备如果表面结霜，会成为阻碍制冷空调、空气源热泵等系统运行及技术发展的重大问题之一。经过长期的探索，常用的除霜方法有三种：

2.1 机械除霜：主要通过机械等工具对表面上的霜进行清除，由于利用机械对霜层进行物理去除，因此当霜层紧贴金属表面时，该方法不能有效清除完全，还有可能损伤金属表面，当金属表面不规则时，无法利用此方法。

2.2 热力除霜：通过对含有霜层的区域进行提供热量，使霜层融化，从而达到除霜的目的。但此方法需要有其他的设备进行提供热量，造成不必要的能源浪费，此方法还会影响换热器自身的传热温差，造成较大的能量损失。

2.3 定时除霜：同样需要其他设备进行设置，通过对设备启动与关闭进行控制来达到去除霜层的效果，主要方法为间歇式停止运行，来排放冷气。该方法缺点为不能持续工作，需要时刻间断，对机械本身造成很大的伤害。

但这些方法均不适用于外腔循环闭式太阳能墙系统，因此通过文献的阅读，对除霜方法进行进一步分析。

董旭[1]提出一种经过改进的太阳能- 空气源热泵蒸发器，将蒸发器外表面涂有对太阳光有选择性吸收的涂层，进而达到不宜结霜效果。实验结果表明：改进后的太阳能- 空气源热泵的逆循环除霜性能系数为0.29,其除霜性能比改进前提高26.1%，该方法可有效提升空气源热泵的除霜效果。

冯还红[2]在论文中对高寒地区客车前风窗玻璃除霜提出了解决方案，其主要思路就是对外界干燥寒冷空气加热后通过仪表台合理送风，在前风窗玻璃内侧表面形成一风幕，阻止车内人员呼吸产生的湿空气在玻璃内表面结霜。

沈九兵[3]在论文中对空气源热泵系统无霜化及除霜方法进行了概述，文中提到了空气源热泵无霜化方法，主要思路是从破坏结霜条件出发，调节流经室外换热器表面的空气温度和湿度。

3 结霜原因

在冬季清晨，一是由于阳光板表面温度很低，太阳能墙集热板外表面温度持续低于空气露点温度，空气中水蒸气分压力持续降低，气态水分附着在阳光板内表面析出液态水分完成结露，进而凝固成霜，该过程是一个气- 液- 固三相转化的过程。二是若墙体外表面温度下降较快，水蒸气分压力的下降速率较大，则在塑料薄板内表面析出的气态水分可不经过明显的液态变化而迅速凝华结霜，该过程是一个由气- 固两相转化的过程。

实验地区为辽宁省大连市，该地区为寒冷地区，实验时间为供暖季（2019 年11 月-2020 年1 月）中的60 天，通过每日清晨的观察与研究，发现每日早6：00-9：30 分，阳光板内侧与集热板外侧均存在霜层，此时极大的影响了太阳能墙系统的工作效率，其主要原因是太阳能墙的集热板在经过夜间时温度极低而外腔内空气温度高于集热板温度，使其成为冷表面，同理阳光板内侧也为冷表面，因此会出现结霜现象。

4 除霜方法

太阳能墙结霜会产生极大的危害，增加设备传热热阻，降低传热效率；堵塞空气侧流动通道，增大空气流动阻力，提高风机负荷及功耗；极大的减少设备使用寿命，结霜严重时，系统无法工作；有学者研究表明结霜会引起的换热器传热性能降低有50%-75%。目前采用的三种除霜方法均存在问题，因此对于外腔循环太阳能墙系统无法使用上述三种除霜情况，主要原因是以上三种情况均存在过多的缺点，以下推荐两种适合外腔循环闭式太阳能墙系统的除霜抑霜方法：

4.1 采用除霜喷雾和刮霜器结合的化学机械方法

采取除霜喷雾和刮霜器结合来进行除霜，即在太阳能墙板外空腔底部设计喷雾装置，在塑料薄板空腔底部均匀布置8～10 个喷雾装置，此形式和布置确保了融霜的效果，结合顶部自动刮霜器进行喷雾除霜。除霜抑霜控制采用直接法，即利用厚度传感器直接测量霜层厚度并以此为依据来判断除霜工作的启动和停止。直接法不受环境因素和系统因素影响，准确性高，在塑料薄板内表面安装厚度传感器，给定霜层厚度为0mm, 冬季清晨霜层产生则实际霜层厚度不为零，厚度传感器向控制器传递信号进而使除霜喷雾装置和自动刮霜器开始除霜工作，当厚度传感器测量实际霜层厚度为0mm时，除霜工作停止。实际除霜过程中，厚度传感器可能存在微小测量误差，给定霜层厚度可稍调整，可以设置给定的霜层，如果实际霜层大于给定霜层则除霜开始，小于则停止。

4.2 采用改性涂层延缓结霜

利用分子自组装法：将预处理后的紫铜片浸泡于一定浓度的正十八烷基硫醇的乙醇溶液中，在50 ℃恒定温度下维持30 min 以上，取出后用氮气吹干。通过分子自组装法在紫铜表面制备的正十八硫醇改性涂层，在基底预先经过刻蚀处理，成膜剂浓度达到0.075 mol/L，50℃恒温条件下浸泡30 min 涂层接触角达到最大149.28°，疏水性能达到最佳。总体来说，该方法制备的改性涂层相比于传统紫铜表面静态接触角增加了70.80°，平均接触角可以达到144.20°，疏水性能提升显著。

气相沉积法：在氮气氛围下，将预处理后的不锈钢片水平放置于管式加热炉中，以10 ℃/min 的速率升温至850 ℃维持60 min，期间以10 ml/h 的速率向管式炉中注入一定浓度的二茂铁/ 环己烷溶液，完成后待炉温将至室温取出样品。气相沉积法制备的碳纳米管改性涂层表现出了较好的疏水性能，在不锈钢经过刻蚀预处理后，催化剂浓度达到20 mg/mL，制备温度达到780 ℃，催化剂在0.08 mL/min 的速率下注射90 min 所制备的改性涂层疏水角达到最大值149.22°，相比于原始的不锈钢表面静态接触角增加了89.46°，平均接触角达到143.44°，疏水性能显著提升。

两种方法均是改变了传统金属表面的结构，在传统金属材料的表面构造复杂的微纳结构，使得金属表面的浸润结构由Wenzel 模型过渡到Wenzel-Cassie 模型，这些微纳结构使得液膜边缘与固体界面之间形成一定空气夹层，能够将液滴托起，阻止液滴陷入微纳粗糙结构中。由于金属表面与水滴接触时形成“气垫层”，有效地减小水滴与固体表面的接触面积，降低了材料表面与水滴间的热量交换，水滴凝结所需克服的能量势垒增大, 使得水蒸汽难以凝结成核，同时液滴与固体界面之间的粘附力减小，液滴不容易铺展并附着于固体界面，静态接触角增加，液滴更容易脱落，从而抑制了在液核基础上的霜层形成和生长，将金属表面的气- 液- 固三相结霜转变为气- 固两相结霜，增大结霜阻力，延缓结霜。

5 结论

本文借鉴学者在客车前风窗玻璃、空气源热泵等领域的除霜方法，结合外腔循环闭式太阳能墙系统的自身特点，提出两种除霜方法，采用除霜喷雾和刮霜器结合的化学机械方法与利用分子自组装法和气相沉积法。结果表明，采用除霜喷雾和刮霜器结合比传统机械方法要简单合理。而采用分子自组装法和气相沉积法是改变了传统金属表面的结构，使金属表面表现出了良好的疏水性和抗霜性。两种方法均可以增强系统的得热效果，提高对太阳辐射的利用率。