基于空气露点温度的空气-水源翅片蒸发器抗霜特性的研究

《Energy and Buildings》：Research on frost-resistant characteristics of air-water source finned evaporator based on air dew point temperature

本研究提出了一种空气-水双热源 finned evaporator 加热盘管霜冻抑制方法，通过复合热交换模型和人工神经网络预测模型（R2=0.9998），分析不同环境参数下制热能力的动态变化规律。研究发现，空气湿度比降低20%可使制热能力提升6.7倍（0.5g/kg vs 3.5g/kg），热水温度每升高10℃可提高匹配率11.87%-31.66%（Xiangtan/西安）。创新性地建立了霜冻抑制临界温度与负荷匹配的量化关系，为低温环境热泵系统设计提供新理论依据。

　　

李传明|高向深|韩荣山|李年平|龙吉波|任明豪|徐发金|龙晴晴

湖南大学土木工程学院，中国长沙410082

摘要

为了提高带翅片蒸发器热泵在冬季的供暖性能和建筑负荷匹配能力，本研究提出了一种采用空气-水源带翅片蒸发器与热水盘管结合的防霜方法。为此，建立了一个计算模型。基于空气露点温度，开发了一个人工神经网络预测模型，其决定系数R2为0.9998，输入变量包括进气温度、湿度比、空气流速和热水温度，输出变量为制冷剂吸热量。该模型用于模拟无霜状态下蒸发器的最大供热量并进行负荷匹配分析。结果表明，较低的空气湿度比对应更大的无霜供暖潜力。例如，在5℃的空气温度下，湿度比为0.5 g/kg和3.5 g/kg时的最大供热量分别为2.88 W和0.38 W。提高蒸发器的热水温度可显著提升无霜状态下的供热量：在-10℃的空气温度和0.5 g/kg的湿度比下，有20℃热水和无热水时的最大供热量分别为12.86 W和5.54 W。在典型的冬季条件下，提高热水温度对供热量与建筑需求之间的匹配率的影响比改变空气流速更为显著：在湘潭，将热水温度从10℃提高到20℃可使匹配率提高11.87%（20℃热水满足12.85%的供暖需求）；而在西安，这一提升率为31.66%（20℃热水满足50.87%的供暖需求）。本研究为空气源热泵的防霜和负荷匹配调节提供了一种有效方法。

引言

随着全球能源需求的持续增长以及应对气候变化的共识日益加深，建筑供暖中的节能和减排已成为实现可持续发展目标的关键环节[1]。在这种背景下，空气源热泵（ASHP）作为一种能够有效利用空气中低品位热能的技术，由于其显著的环境效益和能源效率优势，在全球范围内受到了广泛关注和应用[2]、[3]。然而，在低温高湿度的冬季条件下，蒸发器表面结霜成为限制ASHP在寒冷地区广泛应用的一个瓶颈。霜层的形成和增长会显著增加热阻和气流阻力，导致供暖能力下降、性能系数急剧降低，并严重影响供暖系统的稳定性和可靠性[4]、[5]。为了解决结霜问题，传统的空气源热泵通常配备了除霜系统，如逆循环除霜。但这些方法属于“先结霜后除霜”的被动策略。除霜过程不仅消耗额外能源并中断正常供暖运行，还会因除霜不完全或频繁循环而加速设备老化[6]。因此，开发能够抑制或从源头上防止结霜的防霜技术或无霜运行技术对于提升ASHP在低温环境下的性能、可靠性和应用潜力至关重要。

当蒸发器表面温度低于周围空气的露点温度和水的冰点时，空气中的水蒸气会凝结并形成霜层[7]。研究人员主要从两个方向探索了热泵防霜的解决方案：（1）优化热交换器本身以延迟结霜或促进除霜；（2）开发先进的除霜控制策略和集成系统解决方案。在热交换器优化方面，研究集中在翅片结构创新和表面改性技术上。通过改变翅片管几何形状[8]、翅片间距[9]和翅片类型（如百叶形或波纹翅片）[10]，研究人员旨在优化气流和温度分布，以抑制霜晶的附着和生长。同时，表面涂层技术（包括超疏水涂层[11]或亲水涂层[12]）通过改变表面能和冷凝液滴形态显示出延缓结霜的效果。然而，这些方法在极低温度和高湿度条件下的防霜能力有限，且长期涂层的耐久性在实际应用中仍是一个挑战。在系统和控制策略方面，研究已从被动除霜发展为主动防霜和智能除霜。传统的定时除霜虽然简单，但往往会导致不必要的“无霜除霜”或低效的“厚霜除霜”，造成能源浪费和性能下降。因此，基于需求的除霜策略已成为主流，通过监测空气温度/湿度、蒸发器压力差和管壁温度等参数来确定结霜条件[13]、[14]。最近的人工智能进展进一步实现了通过机器学习（如神经网络）[15]和深度学习算法[16]进行霜预测和智能控制，从而在初期阶段实现精确的霜检测和优化的除霜周期。

值得注意的是，多热源组合供暖系统为解决结霜问题开辟了新的途径。典型的例子包括太阳能-空气源热泵混合系统[17]和空气-水双源热泵系统[18]、[19]。对于空气-水双源热泵，防霜机制通过引入热水盘管（水热源）来提高通过带翅片蒸发器的空气温度或直接增加制冷剂蒸发温度，从而保持蒸发器表面温度高于露点温度，从而打破结霜所需的热力学条件[20]。包括谭在内的研究人员在ASHP中应用了超声波振动和空气喷射技术来有效抑制结霜，尽管初始投资较高[21]、[22]。同时，还研究了将相变热储存与热泵结合的技术，利用热储存系统来缓解热负荷波动，避免在最不利条件下运行热泵[23]。

尽管取得了这些进展，但对于空气-水双源热泵系统来说，一个基本的科学问题仍未解决：如何准确量化并预测在不同动态环境条件下实现无霜运行所需的临界蒸发温度。当前的研究主要集中在系统级性能实验上，缺乏对蒸发器表面温度与空气露点温度之间动态关系的系统建模和定量分析——这是决定防霜成功的关键微观参数。特别是在空气和水热源耦合的情况下，进气参数对临界无霜温度的影响尚不清楚，这限制了更高效和精确的无霜运行控制策略的发展。

总之，为了解决低温环境下空气源热泵的结霜问题，本研究提出了一种基于精确控制空气露点温度的空气-水源带翅片蒸发器防霜方法。核心创新在于建立了三个关键因素之间的定量关系：无霜蒸发器运行、热泵供暖能力和建筑供暖负荷需求。通过对复合热传递单元的热性能进行实验分析，开发了一个改进的模型和高精度的人工神经网络预测模型。以进气温度、湿度比、空气流速和热水温度为输入参数，系统研究了无霜运行条件下的最大供热量变化模式。随后，对无霜运行下的最大供热量与典型建筑供暖负荷进行了比较匹配分析，揭示了通过调整热水温度和空气流速等参数来优化负荷匹配率的潜力和策略。最终，本研究旨在将系统级方法从“被动除霜”转变为“主动防霜与负荷匹配”，为开发高效和智能的无霜空气源热泵系统提供了新的理论基础和设计规范方法（见图1）。

实验系统

为了研究空气和水热源之间的耦合传热机制和协同效应，构建了一个空气-水复合热源带翅片管蒸发器的实验系统，如图2所示。此外，该实验系统还用于量化复合模式与单一空气源模式相比的性能提升和效率增益，并探索关键空气侧和水侧参数对热

实验蒸发器结果分析

根据12月12日至15日的实验测试结果，实验期间的天气晴朗，白天的相对湿度约为50%，并且在运行过程中未观察到带翅片蒸发器上有冷凝水。蒸发器的热水流量分别为：12月12日18:00至12月13日18:00为0 L/min，12月13日18:00至12月14日18:00为12.71 L/min，12月14日18:00至12月15日18:00为5.87 L/min。

结论与未来工作

本研究对空气-水复合热源热泵实验装置进行了热性能实验，并建立了相应的蒸发器传热单元传热模型。在无霜蒸发器运行条件下，使用蒸发器进气温度、空气湿度比、空气流速和蒸发器热水温度作为变量，对传热特性进行了模拟研究，空气露点温度作为

CRediT作者贡献声明

李传明：撰写——原始草稿、验证、方法论、正式分析、数据整理、概念化。高向深：软件开发、调查、数据整理。韩荣山：软件开发、数据整理。李年平：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。龙吉波：监督、项目管理、资金获取。任明豪：验证、数据整理。徐发金：验证、软件开发。龙晴晴：调查、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢湖南省自然科学基金项目（项目编号：2023JJ30586）的支持。