摘 要:
热泵结霜问题一直是国内外学者重点研究的方向，为改进除霜方式，提高除霜效果，文章结合国内外文献，简单阐述了结霜过程特性和数学物理模型，重点介绍了亲疏水材料用于抑霜的 研究现状，以及热气旁通和逆循环除霜方法的应用现状，并对未来研究方向进行展望。亲疏水材料 在除霜问题上逐渐得到关注，系统除霜方式逐步对逆循环和热气旁通结合的除霜方式进行深入 研究。
在制冷和空气调节系统中，结霜是一个广泛存 在的问题。当换热器的表面温度低于水的凝结点和 空气*点露**时，在换热器冷表面与空气中水蒸气接触 的区域会产生结霜现象。霜层的形成不仅和表面温 度有关，相对湿度也是一个重要因素。在 Ameen ［1］ 的研究中表明，当室外空气温度降低到 － 7℃ 至 5. 5℃，相对湿度大于 60% 时，霜的堆积尤其明显。随着霜层堆积越来越厚，霜层会充满翅片和盘管之 间，从而导致能耗增加，COP 降低，制冷系统性能下 降，有时甚至导致系统停车［2 － 3］。因此，研究结霜机 理、寻求抑制结霜方法一直是国内外学者研究的主 要问题。
霜层堆积会损害换热器以及其他系统元件，降 低系统性能。一般当霜层覆盖超过 45% 的表面时， 除霜动作就会开始进行除霜以确保更高的效率［4］。现在普遍的除霜方式主要分为被动除霜和主动除 霜。被动除霜是通过改进换热器表面的形态结构来 延缓霜的形成，主动除霜方法主要包括有电动液压 除霜，振动除霜，超声波除霜以及系统除霜方式［4］。其中针对空气源热泵，现在使用较多的除霜方式有 热电除霜、四通换向阀除霜、电加热辅助除霜、热气 旁通除霜、吸湿剂除霜等。虽然近年来对于除霜方 式的研究逐步深入，但在热泵实际应用中，除霜问题 并没有得到根本的解决［27］。因此，本文将总结阐述 结霜过程中结霜特性和霜层模型，为进一步研究除 霜方法提供理论基础，并且对部分除霜方式进行优 缺点分析，为优化除霜方法提供思路.
1 结霜特性及研究现状
结霜问题普遍存在空调、制冷、航天航空以及低 温等领域，一直受到国内外研究人员的重视。为了 更好地研究除霜方法，则需要对结霜机理进行深入 的了解。现在相关结霜机理的研究主要是对结霜机 理进行理论和实验研究，并建立结霜现象的物理和 数学模型［5］，为进一步研究发展有效的除霜方法提 供相应的理论基础和实验依据。
1． 1 结霜过程特性
结霜过程是一个同时涉及了传热，传质和相变 的移动边界非稳态过程［6］。根据吴晓敏［7］等对冷 表面结霜现象进行了研究发现，冷面上的结霜并不 是简单的水蒸气凝华的过程。霜层的形成需要经历 一段复杂的过程，首先在蒸发器冷表面形成水珠，再 水珠冻结，形成霜晶，霜晶生成等过程，最后在冷表 面堆积形成霜层。Hayashi ［8］等把霜层形成的过程 分为了三个时期，包括霜核( 晶) 时期，霜层成长时 期以及霜层完全生成时期。 具体霜形成过程如图 1 所示。
图1 霜层形成过程
在霜层形成的过程中，霜层密度和导热系数是 研究结霜问题研究的重要物性参数，它们与结霜问 题密切相关［5］。其中郭宪民［9］等研究发现空气源 热泵翅片管蒸发器在室外环境温度越低或者相对湿 度越大的情况下，霜层一般呈现为针状霜晶，并且随 着温度降低或相对湿度增大，霜晶的直径会逐渐减 小，但霜层平均密度会随着环境温度的上升或相对 湿度的降低而增大。Brian ［10］等发现霜层密度会沿 霜层厚度方向变化。当结霜一段时间之后，霜层厚 度基本不发生改变，但霜层密度会发生明显变化。陈叔平、姚淑婷［11］等人利用分形理论 DLA 模型， 建 立了深冷霜层生长模型，然后利用 Matlab 软件对实 验图像进行密度计算，并利用式( 1) 计算每层密度
模拟得出的图 2 结果和 Brian 实验所得到的结 果基本相似，进一步证明了霜层密度与霜层厚度之 间的变化关系。
在结霜过程中，霜层导热系数的变化情况更为 复杂，因为在结霜过程中除了传热传质之外，还伴随 着相变，边界层移动等问题。经过较多实验证明，霜层导热系数与霜层厚度及密度密切相关［12].
图2 霜层密度随厚度变化图
早年，顾祥红，江平以及孟繁炯［13］等实验验证 导热系数的理*公论**式
并与国外研究人员的研究结果进行对比，所得 出的理论导热系数还是较理想的，与实验所得结果 十分接近。国外学者 Negrelli ［14］等利用分形 DLA 理 论以及传热传质第一定律对霜层导热系数进行了模 拟计算，将模拟出的霜层导热系数与实验数据以及 相关的半经验公式［15］进行比较，模拟结果能够再现实验数据，并且误差在 ± 15% 以内。近年来国内院 校对霜层导热系数进行推导归纳简化，使得霜层导 热模型可以普遍使用［16］。
1． 2 结霜现象的模型
为了更加深入地研究结霜过程，国内外的研究 学者根据实验所得的霜层生长规律，提供了各种不 同的物理数学模型。Tao ［17］等建立了数学模型可以 预测霜层密度的时间空间变化、霜层温度，霜层密度 以及热流变化，并建立了一系列的偏微分方程式来 反映霜层能量平衡，冰的连续性，以及描述水蒸气扩 散方程。Benítez 和 Sherif ［18］运用正交配置法，提出 了用来描述霜层形成过程的公式。霜层的时间空间 变化属性例如孔隙度和密度以及其他相关变量都能 够通过该公式计算出来。该数学模型的计算结果与 实验所得数据十分接近。Yun ［19］等建立了在低温空 气掠过铝制平板上霜层生长的物理模型用于测量霜 层粗糙度变化，并且提供了有关霜层平均粗糙度的 经验公式，发现空气当量热导率和霜层内部热导率 共同影响霜层热导率，霜层密度和空气流速成比例 关系。
2 热泵除霜方法
通过对国内外文献总结分析，目前用于解决除 霜问题的思路有以下几个方面: ( 1) 增加风量和风 速，改进换热器表面形式和涂层; ( 2) 利用蓄热水或 者蓄能材料的方法缓解结霜程度; ( 3) 通过智能控 制系统优化除霜系统，使得热泵系统适应环境变 化［20］。本文将从改进换热器表面以及系统除霜两 种方式进行分析，进一步提出相应的解决方式提高 热泵除霜效果，减少能源消耗.
2． 1 换热器表面处理
表面处理包括改变特定的表面特征，例如形状 结构、涂层材料等。Huang ［21］等使用三种不同翅片 的室外机组对空气源热泵的性能进行对比，发现平 翅片具有最好的热力性质。相比于百叶窗翅片，平 翅片 的 制 热 量，COP 和 输 入 功 率 分 别 提 高 了 17. 1% ，9． 0% 和 7． 6% 。郭宪民［22］等对平翅片换热 器和条缝翅片换热器进行了性能实验对比，发现条 缝翅片换热器与平翅片换热器的霜层生长特性相 似，但总体上，平翅片结霜速度明显低于条缝翅片结 霜速度。黄康［23］等搭建了结霜实验系统用于测量 结霜量、霜层厚度，选择了平片、正弦波纹片和开窗 片三种翅片换热器，探究了不同翅片类型的换热器 霜层厚度、结霜量和换热量的差异，从图 3( b) 中可 以看出，三种类型换热器的结霜量差异较大，其中波纹片结霜量最大，平片结霜量最少。图 3( c) 显示出 三种不同类型的翅片换热器换热量变化趋势基本相 似。初期由于换热器表面结霜程度并不严重，换热 量呈一个上升趋势，系统运行一段时间后，随着霜层 厚度增加，导致换热器表面热阻增大，使得换热器整 体换热量下降，于是换热量呈现出一个先上升后缓 慢下降的趋势。
图3 不同翅片类型的换热器实验结果对比
利用亲疏水材料涂覆在换热器表面以延迟霜层 形成的时间，减少霜融水残留量，该方法目前还未广 泛的应用于实际中［24］。因此，国内外学者对涂层材 料研究较多。例如，Liu ［25］使用了一块冷板，一半涂 覆抑霜涂料，另一半用塑料薄膜覆盖。实验发现，涂 覆防结霜涂料的冷板表面比未经过涂覆处理的冷板 表面结霜时间至少延迟了 15 min，霜层厚度减少了 至少 40% ，堆积的霜层质量可能减少超过 40% 。经 过涂料涂覆的冷板表面与未经过处理的冷板表面之间的霜层厚度差异如图 4 所示，经过处理的冷板表 面结霜速度以及结霜时间明显都要小于未经过处理 的冷板表面，能够有效地抑制霜层的生成，降低霜层 形成的厚度和结霜量。
Wang ［26］使用铝酸酯偶联剂作为疏水材料涂覆 在铝制换热器表面，该材料( 疏水表面) 的接触角保 持在 147°，而光滑铝制表面( 亲水表面) 的接触角只 有 62°。如图 5 所示，疏水表面结霜时间比光滑表 面延迟了大约 60 min。整个实验过程中，疏水表面 的结霜速度明显比光滑表面结霜速度慢，说明疏水 材料对于结霜问题有一定的抑制作用。
国内还有学者对普通的多孔 SiC 涂层、特氟龙 涂层以及半导体超疏水复合涂层［27］三种涂层进行 了实验对比分析，发现空气源热泵表面涂覆特氟龙 材料结霜量最少，抑霜效果最好。
2． 2 系统除霜
现在常规制冷系统中使用的系统除霜方式，主 要有逆循环除霜，热气旁通除霜和电加热除霜。逆 循环除霜是通过切换四通换向阀改变制冷剂流向， 使得热制冷剂流入蒸发器，达到除霜的效果，此方法 最大优点就是简易性和经济性; 热气旁通除霜方式 则是通过将压缩机排除的热气通入换热器中加快融 霜的进行，能够提高系统的效率和 COP; 而电加热 除霜是最为简单的一种除霜方式，易安装易操作，但 会消耗较多电量。
近几年来，国内外学者对热气旁通除霜方法进 行研究，以寻求能够进一步改善除霜方法的思路。Ｒeindl ［28］等介绍了一种用于直接膨胀的热气旁通除 霜方式，在除霜阶段时，通过电磁阀调节来阻止高压 制冷剂液体进入蒸发器，具体热气除霜过程见图 6。
国外学者 Byun ［29］研究了空气源热泵系统中使 用热气旁通除霜方式来减缓霜层的形成，该热泵系 统使用 Ｒ22 制冷剂，根据 ISO5151 中对于自动除霜 环境条件的规定，室内外空气干湿球温度具体设置 见表 1，并且调节热气旁通的流量分别为0 kg /min， 0． 2 kg /min，0． 3 kg /min 以及 0． 4 kg /min，系统运行 210 min。本实验是根据旁通热气的流量对热泵系 统性能和霜层形成的影响进行测试对比。
最后通过实验发现，旁通热气的流量达到整体 制冷剂流量的 20% 时，整个系统的性能达到最优效率，除霜效果达到最佳。如果旁通热气的流量较大， 相反则会导致整体热损失也会上升，使得整个系统 性能降低。在本实验中，0．2 kg /min 的旁通热气流 量为最佳流量，相较于其他的流量值，在 210 min 的 实验过程中，系统整体的平均 COP 上升8．5% ，热效 率提高 5．7% 。
国内学者对热气旁通除霜和逆循环除霜的融霜 效果进行了实验比较［30］。热气旁通除霜虽然融霜 时间比逆循环融霜时间长 178 s，压缩机排气温度过 低，但热气旁通不会从循环水和室内吸收热量，避免 了室内温度较大的波动，舒适性较好; 逆循环除霜融 霜时间大大缩短，但不可避免需要从室内吸收热量， 使得室内温度产生较大波动。由此可见，两种除霜 方式各自有优缺点。为克服两者的缺点，有的学者 也提出了基于逆循环法对热气旁通除霜方式进行升 级［4］。
现在最为广泛使用的标准除霜方式是逆循环除 霜( ＲCD) 方式［31］，许多学者纷纷开始对逆循环结合 其他除霜方式进行研究。例如，Qu ［32］基于逆循环除 霜法结合蓄热材料( TES) 用于串联热泵机组进行实 验研究，对比了普通逆循环法除霜和蓄热材料结合 逆循环除霜方式的性能效果。相对于其他除霜方式 而言，蓄热材料结合逆循环的除霜方式可以更可靠 地运用于极端气候的环境下，不仅能缩短除霜时间， 而且能降低除霜能耗。由此看出，未来除霜方法的 研究将会逐渐趋向逆循环结合其他方式的综合除霜 方式。
除上述除霜方式外，有许多学者也利用振动和 超声波等方式除霜。Li 和 Chen ［33］发现超声波振动 除去冻结水珠有明显的效果，在 20 kHz 高频超声波 振动条件下，所有直径 2 ～ 30 mm 的冻结水珠可以 完全被除去。Wu 和 Webb ［34］发现在表面施加低振 幅振动对霜层形成有一定影响，但影响不大。
3 结论
文章简单介绍了结霜过程中霜层形成机理、数 学物理模型，以及几种除霜方式的研究应用，得出以 下结论:
( 1) 结霜过程是一个较为复杂的非稳态过程， 其中霜层密度和霜层导热系数是研究霜层形成的重 要参数。霜层密度和导热系数的影响因素较为复杂。
( 2) 随着研究深入，霜层形成过程中的数学物 理模型逐步完善，能够表达霜层形成的空间时间变 化，以及测量霜层内部的粗糙度、孔隙度。
( 3) 亲疏水材料可以有效抑制霜层的形成，能 够不同程度延迟结霜时间，减缓结霜速度，且材料热 阻对换热器影响不大，近年来成为了研究的热点 方向。
( 4) 热气旁通和逆循环除霜方法是现今最为普 遍使用的除霜方式。而现在主要的研究方向更多的 是逆循环结合热气旁通，逆循环结合蓄能材料等除 霜方式。