空气源热泵除霜技术进展与区域化应用综述

冯瑞峰， 孙俊彪， 霍 兵， 杨建伟， 侯利东

(1.煤炭工业太原设计研究院集团有限公司, 太原 030001; 2.山西臣功新能源科技有限公司, 太原 030006; 3.山西沁和能源集团中村煤业有限公司, 晋城 048211; 4.山西恒义和合同能源管理有限公司, 太原 030001; 5.麦克维尔中央空调有限公司太原分公司, 太原 030012)

空气源热泵设备凭借其改造方便等优势，在冬季有采暖需求的区域大范围推广和应用，随之也暴露了一些问题，其中就有冬季制热状况下随温度降低而引起结霜的问题。结霜导致了空气源热泵制热效率大幅降低[1]，制约了其使用与发展。2017年3月发布的《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》中，明确指出需要解决空气源热泵产品的结霜、除霜问题。

除霜技术探究大多针对某一地区、某种特定除霜方式进行，鲜有对不同区域、不同时期、采用何种除霜手段有较好综合除霜效果的研究。换句话说，缺乏相应评价体系以供特定区域除霜方法选择做指导。恰当的除霜评价体系可以提供设计依据和技术支持，为提升现有除霜技术应用效果做贡献。因此，需要对现有除霜方法和技术手段进行归纳总结，进而提炼出中外研究趋势，为除霜性能评价体系的出现提供参考。

结霜是一种复杂的物理化学过程[2]，空气源热泵冷壁面霜层形成需要达到一定的温湿度条件[3-6]。不同的机组、不同的型号存在对应不同的温湿度条件。日本学者井上宇市[7]在对超过2 000个空气源热泵结霜状况下总结出的结霜温、湿度条件区间，即结霜时空气干球温度范围为大于-12 ℃，小于5.8 ℃，相对湿度需满足大于67%。依据结霜条件区间以及实际调研，一些专家学者将中国分为黄河流域、华北等寒冷地区[8]的难结霜区域和长江流域等湿度较大地区[9]的易结霜区域。整合了中外除霜技术研究进展发现，现今研究方向主要包括除霜理论研究和实验探究，如图1所示。理论研究着重于除霜全生命过程的数学模型建立，实验探究侧重于不同除霜技术的应用效果。在实验探究部分，将探讨单模式除霜方法、抑霜方法和多模式除霜方法，并结合不同结霜区域对其区域化应用进行展望。

1 理论研究

针对结霜除霜问题数学研究主要分为两个方向：一是霜层形成和结构的模型研究；二是机组在除霜工况下的运行模型，包含除霜能量模型、融霜水流动模型等。

室外蒸发器表面结霜是较为常见且较复杂的物化过程，霜层生长过程会经历3个阶段，结晶生长期、霜层生长期以及霜层充分生长期[10-12]，如图2所示。霜层从形成到生长过程经历了气、液、固三态变化，由单相变为多相，并且伴随着复杂的传热传质过程。除霜技术的评价主要是对其除霜耗能的评估，而霜层的结构、密度、导热系数等都是主要影响因子。为了推进研究进展获取相关参数，需要有相关计算模型来支持。1976年，Jines等[13]就提出了简化的多孔介质模型，将霜层描述成均匀冰球在空气中的立方点阵，并得到对一些特定情况下30%误差的冰+空气混合物的多孔模型，紧接着Schneider[14]将霜层中的冰柱作为研究对象，提出一种描述传导热的冰柱模型，随着计算机技术的发展，日本学者将这两种模型进行了改进并提出了多孔介质+冰柱混合模型；刘惠枝等[15]结合中外研究经验，利用无因次方程和无因次经验公式，整理出更加接近真实情况的冰柱、空气+冰块混合模型、含空气泡冰层的并串联上下两层模型，并提炼出了稳态分布参数方程下霜层高度表达式为

(Ta-Tw)-0.01Π0.25Ft

(1)

在霜层模型的基础上就可以进行除霜工况下机组运行的数学模型的研究。中外关于这方面的数学模型在能量方程上基本相似，然有各自特有之处。其中一类是针对不同类型的蒸发器建立稳态或动态分布参数的模型，如肋片管式换热器[16]的传热系数计算[式(2)]、太阳能蒸发器[17]对原有公式进行辐射修正[式(3)]以及预测传热传质效率的数学模型[18]等；也有针对特定除霜方法的模型，如建立逆循环除霜性能模型，并得出该类型除霜中有17.7%起到除霜的作用等[19]；也有对重要部件建立的模型，像一种用来储存太阳能的圆柱形壳管式相变蓄热单元[20]；还有除霜过程中融霜水数学模型，其中有可以全面观测翅片表面滞留水蒸发情况的动态模型[21]，也有计算融霜耗热量的半经验模型[22]。

图1 除霜技术研究进展Fig.1 Research progress of defrosting technology

图2 蒸发器表面霜层生长变化图[18]Fig.2 Frost layer growth on the surface of the evaporator[18]

(2)

式(2)中：α为肋片管式换热器传热系数，W/(m2·s);ξ为析湿因子；β为肋化系数；hn为内表面换热系数，W/(m2·s)；h为外表面换热系数，W/(m2·s);δfr为霜层厚度，m；λfr为霜层导热系数，W/(m·K)。

(3)

图3 内部能源除霜图Fig.3 Internal energy defrosting diagram

中国除霜数学模型的发展从借鉴学习到不断完善突破，有了长足的进步。通过使用一些软件像有限元分析软件(ANSYS)、多物理场仿真软件(COMSOL)等可以缩短数据计算时间，大大提高了科研的效率。

2 试验研究及除霜方法探究

2.1 单模式除霜方法

单模式除霜方法指运行设备只采用一种除霜手段或者单一热源进行除霜。这种方法根据使用除霜能量的类型大致可以分为两种：热力型除霜和非热力型除霜。

2.1.1 热力型除霜

霜层形成之后，通过提高蒸发器表面或者周围空气温度，融化霜层。依据能量来源的不同方式，分成内部能源除霜和外部能源除霜，内部能量除霜。除霜能量来源于压缩机，如逆循环除霜，热气旁通除霜，过冷蓄热除霜等，原理如图3所示。

逆循环除霜是较为普遍的一种除霜模式，但它存在以下问题：①逆向运行过程蒸发器与冷凝器相互转换，与正向运行工况相差较大，压缩机与逆向循环匹配度较低，导致系统运行效率低；②逆向运行导致制冷剂流量降低，增加除霜时间[23]；③机组除霜后期，室外侧常出现无法完成冷凝的情况，可能会造成压缩机停机保护[24]；④逆循环除霜期间，会降低室内的热舒适性[25]。

热气旁通除霜方法是随着控制技术和制造技术的不断精进而出现。相比逆循环除霜，该除霜方法不会对室内热舒适产生影响，其运行系统也较为稳定，原因是其除霜运行和制热运行是并列运行，但热气旁通法需要除霜时间较多，在并行过程中吸气过热度为0 ℃左右，会使排气温度和过热度不断降低，可能危及压缩机的安全[26]。从设计角度考虑，室内负荷相同情况下，热气旁通除霜法需要的机组要大于逆循环机组，会增加设备初期投资。此外，热气旁通除霜的效果还受到控制机制、电子膨胀阀的开度和旁通阀的影响。研究证明合理的配置电子膨胀阀和旁通阀[27]可以缩短除霜时间和降低除霜能耗，以及采用结霜拐点控制法[28]可以进一步完善热气旁通除霜控制逻辑。

过冷除霜方法实际上是将一部分冷凝过冷热量使用蓄热介质储存起来，在需要除霜的时候释放。这种方法和热气旁通方法一样，对室内热舒适性影响很小；还可以在一定程度上提高吸气和排气温度，进而缩短除霜时间和降低除霜能耗[29]；此外系统充分冷凝，直接提高了系统制热效率。其除霜效果同样需要配合较好的控制策略[30]。蓄热除霜部件可以与制热循环组件进行并联运行、串联运行与串-并联运行三种模式，试验探究表明串联运行为最佳模式[31]，并且认为蓄热除霜的最不利工况出现在-3 ℃[32]。与外置热源蓄热除霜相比，过冷蓄热除霜有较低的耗能[33]，较小的使用面积。冷凝蓄热除霜也可以巧妙地结合一些特别的机组设备，如一种采用直凝式地暖采暖末端+水箱的系统中使用过冷蓄热除霜，大大提高了其除霜效率[34]。

外部能源除霜借助除压缩机以外产生的热量来进行融霜。像电加热除霜、外加太阳能除霜系统等，如图4所示。电加热除霜法是指借助电加热辅助设备直接或间接提供除霜耗热量的方法。

外置电加热相比逆循环除霜具有除霜能量充足[35]、不影响制冷系统工况、成本低、易安装等优势。其除霜性能优良取决于电加热器加热材质的选择、电加热器的安装位置[36]和电加热器排布方式[37]等。这种外置型的电加热器直接加热融霜过程中，不仅会加热积霜面，而且也会加热周围环境造成耗能增加。此外，电加热器处于工况急剧变化中，对其材料有一定要求。综合来看，电加热除霜适合于除霜耗热量大，室外气温变化波动较小的地区。黄河以南的长江流域采暖季相对湿度大，空气源热泵积霜量较多，所需除霜耗能大，这种情况下电加热除霜也是一种有效可行的手段[38]。为了提高电除霜耗热量利用率，可以采用电加热热水循环运行，对霜层进行冲刷融化[39]。

外加太阳能除霜系统的系统节能率较高，但需要增加太阳能收集装置和蓄热装置来平衡供需关系，这样会造成系统过于庞大、初投资较高。现在对于该系统的除霜性能优化主要集中在换热器的研究，像多芯套管换热器多换热流程的太阳能辅助系统[40]，新型间联式太阳能空气源热泵[41]，圆柱形壳管式相变蓄热[42]等。

图4 外部能源除霜图Fig.4 External energy defrosting diagram

图5 超声波影响效果[43]Fig.5 Ultrasonic affects the defrosting effect[43]

2.1.2 非热力型除霜

非热力除霜，利用物化手段直接干预霜层成形和生长，使霜层更加容易去除。当下研究手段包括外加超声波场、电场、磁场和疏水涂层除霜法。这种类型的除霜方式在除霜工况下，均不会对室内热舒适性产生影响。

超声波除霜手段主要是会影响冷壁面液滴的形状和大小[43]。超声波会明显减小水滴、霜晶体的体积，如图5所示，特定的超声波频率可以增加约70%的液滴脱除率[44]，间断性使用超声波可以降低除霜耗能[45]。外加电场除霜，利用了电场会影响水分子扩散，电场会让水分子有规律地进行排布[46]，电场的不间断和间断施加可以使冷壁面形成针形霜晶并自行掉落[47]。电场种类有很多，但有一定除霜效果的不多，其中有高压静电场[48]和扫频高压电场[49]；且各有优势。外加磁场除霜采用磁场会对霜层成形、生成过程以及霜晶形态产生影响，使其液滴更加均匀、结构更加松散[50]，便于去除。疏水涂层除霜主要研究特征是其表面接触角。疏水涂层表面的水珠分布比较疏散，霜晶核生成时间相对一般平面较晚[51-53]。随着研究的不断深入，疏水涂层应用仿生学，将涂层表面接触角度[54-55]从90°突破到了162°(图6)。非热力除霜相对热力除霜在大规模应用方面还不成熟，成本造价也相对较高。

表1整理了文献中单模式除霜技术性能，并对其进行了对比，可以看出单模式除霜总是优势与劣势同在，其改进空间较大。

图6 水滴在疏水涂层表面形态[56]Fig.6 Water droplets on the surface of the hydrophobic coating[56]

表1 单模式除霜技术指标

2.2 抑霜方法

霜层在风冷机组蒸发器壁面上形成时，除了湿度和温度，还有其他很多的影响因素影响，例如成核因子、风速、气压等。一些学者从结霜源头进行研究，意图抑制或者减缓霜层的生长。现阶段研究思路有：①改变供热流体物理状态；②优化室外换热器结构。

供热流体大多数情况下为室外空气，冷壁面霜层实际上是室外空气中水分子析出到冷壁面，然后受到管内制冷剂和空气共同影响而形成霜晶。在这个过程中有两个关键因子：水蒸气和成核因子[2]。霜晶形成需要水蒸气和成核因子。可溶性微粒就是良好的成核因子之一，采用净化空气和增大风速来减小可溶性微粒的影响。对于降低水蒸气比例，常见手段有进口气体通过吸附床来降低相对湿度和采用亲水涂层等。采用吸附床除湿技术的关键是吸附床可再生，有采用太阳能-电加热再生系统[56]，也有采用储存于相变材料中的冷凝热[57]。除此除霜手段，还存在一种盐溶液换热系统。这种系统在空气和蒸发器中增加了一种盐溶液换热介质，盐溶液介质将空气中热量传递给制冷剂[58]，并且有系统使用过冷热再生溶液[59]。这2种方法虽然可以有效抑制霜层的形成，但是与太阳能除霜方法一样需要增加额外的系统，造成系统体积臃肿、控制复杂。亲水涂层直接附着于蒸发器表面，与吸附床相比，系统体积大幅降低。亲水涂层可以吸附水蒸气和成核因子来抑制霜层形成，其吸附大量水分的同时也储存了部分潜冷量，这样可以提高在涂层内水的冰点温度。Highgate等[60]把亲水涂层的冰点温度做到-20 ℃。此外，亲水涂层的耐久性和稳定性[61]随着研究不断深入得以提高。当涂层吸水量饱和时，对比亲水涂层与疏水涂层对霜层的影响，可以发现亲水涂层结霜时间和厚度比疏水涂层程度轻[62]，然而其霜层密度要大于疏水涂层[63]。通过分析，亲水涂层在一定程度内可以有效地抑制霜层，但在相对湿度较大的地区其除霜效果还不理想。此外还存在针对太阳能涂层[64]的研究，在蒸发器外壁面附着选择吸收性太阳能亲水涂层可有效提高蒸发器表面温度，抑制霜层生成。抑霜方法在一定程度上可以缓解蒸发器表面结霜情况，也可以稳定机组运行工况。此外霜层也受到迎面风速和气压的影响，风速越大霜层生成速度越慢[65]，气压越低霜层越稀薄[66]，需要注意的是采用该方法到达除霜效果会致成本和噪声的增加[67]。

室外换热器结构优化是为了延缓霜层生长或者降低霜层对管翅片换热器的影响。结构的优化会受到不同地区、不同气候类型的影响。研究表明，蒸发器面积增加一倍时，各个地区的平均蒸发温度约上升2.5 ℃，结霜时间减少5.21%～82.96%[68]，不同地区应该有相应的翅片设计间距，以减缓霜层对换热的影响[69]。

在表2中汇总来看，抑霜方法造价较高，对系统造成影响较小，且在结霜初期有较好的抑霜效果。

2.3 多模式除霜方法

多模式除霜方法是指采用多热源耦合、多手段集成或除霜全过程考虑的除霜方法。多模式除霜方法旨在采用不同除霜手段和技术集成来改善单模式除霜方法存在热源不足、集成化程度低等问题。目前，对多模式除霜方法研究的主要方向是：①对存在的除霜、抑霜方法进行耦合；②对除霜全过程优化；③技术类比。

表2 抑霜技术

对既有方法改进的思路主要是从现有新设备缺点出发，对其进行完善。逆循环方法主要问题是由于工况逆转导致除霜时造成热量不足和系统波动异常，常采用增加辅助除霜热源的手段，像增加蓄热模块[70]、增加管道式电加热设备[71]等。相同工况下，改造机组的除霜时间相比减少70%～80%[70]，机组保持原有尺寸。针对大中型空气热泵系统，采用多台室外机并联运行、轮换除霜的运行策略实现系统组无霜运行[72]。一种耦合双回路热气旁通除霜技术[73]，可以实现在除霜过程中不影响制热。疏水涂层在相对湿度较大区间内效果不佳，通过增加一个高速热风装置，利用15 ℃热风在3.5 s内将霜晶带走[74]。疏水涂层和机械振动相结合也能有效去除霜层[75]。

一般情况下，除霜全过程包括除霜系统启动、表面霜层融化、表面残留水汽蒸发、化霜水排水和制热系统恢复。研究表明除霜能量用于融化霜层、蒸发表面滞留水、加热室外盘管、与室外空气热交换以及加热融霜水，各占比如图7所示[76]。对除霜全过程研究的重点在于避免融霜后的二次结霜和除霜过程的控制策略的优化。融霜水没有及时排走会造成在蒸发器底端附近形成“永冻区”[77]如图8所示，对其整体制热性能产生影响。研究发现翅片形状相比化霜温度对表面滞留水影响更大，像采用非对称百叶窗翅片换热器，可调整角度翅片的紧凑型换热器等，都可以降低融霜水在表面停留时间，优化疏水性能。除在结构方面优化，还有在控制方面改进。实践证明，除霜运行常会发生误除霜[78]现象，据有关统计，在冬季除霜过程中会发生约63%误除霜过程[79]。误除霜发生，会对机组运行工况带来较大波动，甚至会对其安全造成影响。除霜误差的来源有采集系统和判断逻辑控制。采集系统除了对常规的湿度、温度采集反馈和预测结霜量[80]外，还研究了霜层光电检测[81]、气压检测等；控制逻辑的研究包含了模糊智能控制[82-83]、自修正除霜控制法[84-85]等。

技术类比是指从旧有技术中，如热气旁通法、过冷除霜等，总结除霜机理和特点，并通过特定结构或机组改进原有除霜性能，原理如图9所示。除霜方法类比，采用一种有两个环路的室外机，其中一个环路与旁通阀相连，在除霜工况充当冷凝器[86]，另一个为蒸发器环路。除霜时，旁通阀开启充当冷凝器端释放热量为蒸发器端除霜，实现化霜且不影响室内舒适性。此外，存在一种复叠式蓄能空气源热泵除霜手段，减少除霜时间70%以上[87]。复叠式压缩机有两级，低温级和高温级，在使用时为了保证机组稳定性，常在低温级冷凝器端做降低冷凝温度处理以保证机组的稳定运行。在复叠式除霜机组中类比过冷除霜，将低温级冷凝器中储存的冷凝热传递于高温级蒸发器中，起到除霜的作用。这样既可以满足除霜需要，也可以保证机组稳定运行。

图7 除霜能耗占比[76]Fig.7 Defrost energy consumption[76]

图8 永冻区Fig.8 Permafrost

图9 应用除霜方法类比的系统原理图Fig.9 Schematic diagram of an analog system using a defrost method

表3将相近工况下的除霜性能进行了整理，可以发现多模式除霜通过集成各种除霜手段和技术，解决了单模式除霜和抑霜技术的局限性，得到较高的除霜性能表现。

表3 抑霜和除霜技术性能

3 除霜技术区域化应用展望

研究学者将中国分为黄河流域、华北等寒冷地区的难结霜区和长江流域等湿度较大地区的易结霜区，但并不意味着除霜效果优劣会与难易区域相关联。不同除霜技术具有不同优势，且霜层形成直接与室外温、湿度条件相关，不同地区、不同地点及不同时段内温、湿度变化迥异，这些都会影响着机组除霜性能优劣。若单一采用难、易结霜区域对其除霜技术进行评价和判断，还不够精准。而现阶段评价除霜方法的研究大多针对某一地区的某种特定的除霜方式，鲜有探究在不同区域或不同时段，采用何种除霜手段有较好综合除霜效果的评价方法，换言之缺乏相应的评价体系以供不同区域选择最佳除霜手段。

在现有除霜技术条件下，欲将其除霜性能充分释放，应该因地制宜、合理配置和科学应用现有技术。在考虑了初投资、运行效果以及节能方面，认为在配置某一区域除霜技术时，应该综合考虑安装区域使用条件，参考“抑霜为先，除霜为后”的技术原则，宜用相适用的评价体系找到其最优解。

4 结论

通过对中外空气源热泵除霜技术研究现状，得出以下结论。

(1) 空气源热泵除霜技术在单一模式、抑霜和多模式的研究方面开展了大量的研究，并取得了长足的进展，且多模式除霜已经成为当下研究的热点，但现阶段仍处于新技术开发瓶颈期，新一些的除霜手段还没有在实践中大面积推广和应用，有关研究仍有待进一步深入。

(2)单模式除霜研究时间较长、研究资料较多。可以通过合理的区域配置和因地制宜实现有效提升单模式除霜效果，在新技术开发过渡期，提供较为高效的除霜手段。抑霜技术为新除霜方法提供了一些思路。从机组设计源头考虑，宜采用优化室外蒸发器结构设计；从机组改造方面看，应采用涂层抑霜。这两种除霜手段有较高的实用价值，学者们仍在进行实验和理论研究，期待大规模产业化形成。

(3)多模式除霜方法是除霜研究技术存在瓶颈期后产生的另一个研究思路。主要是通过现有技术局部有机组合实现。从生命周期角度出发，对除霜全过程中热源、控制及后期处理进行优化，实现除霜性能表现最大化。随着当下科技发展，多模式除霜技术不断发展和进步，亟待进一步的推进。

(4)从区域化应用、除霜方法设计以及缺乏相应评价体系3个方面综合考虑，建议参考“抑霜为先，除霜为后”的技术原则，期待相适应的评价体系的出现，进而实现除霜性能和经济最优化。