《Energy》：Thermodynamic Modeling and Performance Analysis of Freezing Concentration for Frost-Free Air Source Heat Pumps Solution Regeneration in Cold Regions
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研究人员针对寒冷地区冬季建筑供暖需求大、传统集中锅炉效率低且污染重的问题，指出空气源热泵（Air Source Heat Pump，ASHP）作为清洁能源替代方案被广泛应用，但在低温高湿工况下室外蒸发器易结霜，现有逆循环除霜、电加热除霜及热气旁通除霜等方法均存
研究人员针对寒冷地区冬季建筑供暖需求大、传统集中锅炉效率低且污染重的问题，指出空气源热泵（Air Source Heat Pump，ASHP）作为清洁能源替代方案被广泛应用，但在低温高湿工况下室外蒸发器易结霜，现有逆循环除霜、电加热除霜及热气旁通除霜等方法均存在能耗高、中断供热或系统复杂等局限。为此，无霜空气源热泵（Frost-Free Air Source Heat Pump，FFASHP）采用防冻液中间回路隔离蒸发器与室外空气，虽避免了除霜需求，但防冻液因水分渗入稀释导致冰点升高，需定期再生。传统热法再生依赖大量潜热，膜法再生在高浓度工况下受渗透压限制，而冷冻浓缩（Freezing Concentration，FC）仅需克服熔融潜热，约为汽化潜热的七分之一，具备显著节能潜力。本研究提出渐进式冷冻浓缩模型，模拟蒸气压缩制冷循环驱动氯化钙溶液再生的动态过程，系统揭示其相较于传统热法再生的热力学优势机制。模拟结果表明，结冰过程中性能系数（Coefficient of Performance，COP）从初始约3.4持续下降至低于1，主要受冰层累积导致的热阻增大影响，平均COP约为1.86；蒸发温度与室外气温对再生性能影响显著；基准工况下融冰过程能耗仅占2.3%；单位再生能耗达97.75 kWh/t，当设定冰层厚度为10 mm时，分步再生可进一步降低该值21%。热力学分析表明，冷冻浓缩在低温环境下相较传统再生的性能优势更为突出，研究成果可为寒冷地区FFASHP防冻液再生策略的选择与设计提供指导。
研究背景与意义
寒冷地区冬季供暖需求巨大，传统集中锅炉系统效率低且污染环境。空气源热泵（ASHP）作为清洁高效的替代方案，通过转移环境热量而非燃烧产热，可显著降低一次能源消耗与温室气体排放，国际能源署预测其在净零情景下2050年可满足全球建筑供暖需求的20%以上。然而，ASHP在低温高湿工况下运行时，室外蒸发器表面结霜会导致传热效率下降、风侧阻力增加及系统性能衰减。现有主流除霜技术——逆循环除霜、电加热除霜及热气旁通除霜，分别存在中断供热、能耗高、系统复杂或低温适应性差等局限，制约了其在寒冷地区的推广应用。为解决这一问题，无霜空气源热泵（FFASHP）通过防冻液二次回路将蒸发器与室外空气隔离，使蒸发器运行温度低于水的冰点但高于防冻液的冰点，从而实现连续无霜运行。研究人员前期工作表明，FFASHP在冬季工况下COP较传统ASHP高约7.4%。但长期运行中，防冻液会因水分渗入逐渐稀释，导致其冰点升高、低温防护能力下降，需定期再生以恢复浓度。传统热法再生（如热蒸发、真空蒸馏）依赖大量热能输入，在供暖季分散式建筑系统中难以获取；膜法再生（如反渗透RO、电渗析ED）虽无相变过程，但在高浓度工况下受渗透压限制、阻力增加及污染结垢等问题影响，效果下降。相比之下，冷冻浓缩（FC）利用热泵制冷循环产生的冷量，通过水结冰分离实现溶液浓缩，仅需克服熔融潜热（约为汽化潜热的七分之一），理论上可大幅降低能耗。FC技术已在食品加工与海水淡化领域成熟应用，但针对FFASHP防冻液再生的系统性研究仍显不足，关键参数影响规律及与传统方法的机理对比尚未明确，限制了其工程推广。
研究方法
研究人员构建了考虑冰层热阻影响的渐进式冷冻浓缩（Progressive Freezing Concentration，PFC）再生系统模型，该系统由蒸气压缩制冷循环与再生腔室组成：室外侧采用翅片管换热器（Heat Exchanger 1）强化空气侧传热，再生腔内采用板式铜表面换热器（Heat Exchanger 2），内置蛇形制冷剂通道。研究采用动态模拟方法，系统分析了蒸发温度与室外气温等关键运行参数对再生性能的影响；提出了分步冻结-融化再生策略并进行定量评估；从热力学机制层面对比了FC与传统热法再生的性能差异。研究以氯化钙溶液为对象，模拟了结冰与融冰全过程的能耗特性，所有分析均基于冬季实际运行工况展开。
研究结果
再生动力学与冻结特性
再生初期，溶液温度高于冰点，可用冷量主要用于降温，因无潜热吸收且蒸发器壁面热阻极小，温度下降迅速；当溶液达到平衡冰点时，换热器表面开始结冰。随着结冰过程推进，冰层厚度逐渐增加，其热阻成为主导因素，导致冷凝温度升高、压缩机功耗增加，COP持续下降。结冰阶段是能耗的主要贡献阶段，而融冰阶段能耗占比极低（基准工况下仅2.3%）。
参数影响分析
蒸发温度与室外气温是影响再生性能的核心参数。较低的蒸发温度虽可增强结冰驱动力，但会显著增加压缩机功耗；室外气温则直接影响系统可利用的冷量品位与散热条件。二者共同决定了系统的能量转换效率与再生速率。
分步再生策略
研究人员提出的分步冻结-融化策略，通过控制单次结冰厚度（如设定为10 mm）并重复操作，可避免厚冰层导致的过高热阻。模拟结果显示，该策略较单级操作可进一步降低单位再生能耗21%，显著提升系统能效。
热力学机制对比
热力学分析揭示了FC相较传统热法再生的本质优势：FC仅需提供水的熔融潜热（约334 kJ/kg），而热法再生需提供汽化潜热（约2257 kJ/kg），理论能耗仅为后者的七分之一。此外，FC的优势随环境温度的降低而更加显著——低温环境下冷量更易获取，而热法再生的热能供应则更为困难，这使得FC在寒冷地区应用中具备更强的适应性。
讨论与结论
研究结论表明，渐进式冷冻浓缩是一种适用于寒冷地区FFASHP防冻液再生的高效节能技术。冰层生长是限制性能的主导因素，其导致的热阻增加使COP在结冰过程中最高下降81%；融冰过程能耗占比极低，对总能耗影响可忽略。分步再生策略通过优化冰层厚度可有效降低能耗。与传统热法再生相比，FC的热力学优势源于相变潜热的显著差异，且该优势在低温环境下更为突出。本研究成果为寒冷地区FFASHP防冻液再生系统的选型与设计提供了重要的理论依据与数据支撑，有助于推动无霜空气源热泵技术在寒冷地区的规模化应用。
