综述：过去十年中，关于空气源热泵系统防霜方法的研究现状与前景的综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Review on research status and prospect of frost suppression methods for air source heat pump system in last decade

　　

沈军思|林慕森|龙妮

哈尔滨工业大学建筑与设计学院，工业和信息化部寒冷地区城乡人居环境科学技术重点实验室，中国哈尔滨，150090

摘要

空气源热泵（ASHP）中的结霜现象会导致室外换热器堵塞，降低系统性能，甚至引发故障。因此，抑制ASHP中的结霜已成为解决这些问题的有效方法之一。本文将结霜抑制方法分为四类：调节室外环境、修改蒸发器参数、施加外部驱动力以及调整组件配置和运行策略。喷洒防冰溶液并与周围空气进行热交换可以改善运行条件，使ASHP在无霜状态下运行。同时，热驱动分离和冻结再生方法可以有效再生防冰溶液。改变蒸发器的翅片参数、结构和表面特性可以提高传热性能并抑制结霜。超疏水换热器能够显著抑制霜层的形成和生长，这值得进一步研究和应用。此外，施加外部驱动力来抑制结霜的方法还不够成熟，且在大中型翅片管换热器中的应用有限。调整组件配置和运行策略可以提高蒸发器表面温度，从而抑制结霜。本综述分析了结霜抑制技术的发展历程，对现有方法进行了全面比较，确定了有前景的解决方案，并概述了该领域的未来研究方向。

引言

空气源热泵（ASHP）能够利用周围空气高效地为空间供暖、提供热水和热空气，甚至蒸汽[1,2]。与燃煤相比，CO₂、SO₂和烟尘的排放量显著减少，使ASHP成为一种有前景的绿色热源[3]。因此，预计ASHP将取代基于化石燃料的锅炉（如使用油、煤、天然气和木材的锅炉），用于低温和中等温度的供暖领域[4]。全球超过90%的人口生活在适合使用热泵进行室内气候控制的地区[5,6]。同时，ASHP安装相对简单且价格低廉，多年来一直是使用最广泛的热泵类型[3]。由于其显著的减排潜力、低运行成本、低维护要求以及广泛的地理适用性，ASHP占据了热泵市场90%以上的份额[7]。然而，当空气温度在-15°C至6°C之间且相对湿度（RH）超过60%时，ASHP在加热模式下运行时，蒸发器盘管表面可能会形成霜[8,9]。即使在-26.5°C的情况下也可能会发生结霜[10]。此外，霜层的热导率远低于蒸发器盘管的金属材料[11,12]。虽然霜晶在结霜初期可以增加传热表面积并增强热传导，但随着霜层的积累，其密度增加，热阻增大，传热性能下降[13,14]。如果不受控制，结霜可能会部分或完全阻塞气流，影响系统性能，甚至造成严重损坏[15],[16],[17]。此外，结霜还可能导致热泵触发警报并停止运行（例如低压或高温警报[18,19]）。同时，热泵的供暖能力也会下降，无法满足用户的供暖需求，降低房间的舒适度[18]。因此，除了有效的除霜措施外，探索有效的霜抑制技术至关重要。

最近关于ASHP的综述主要集中在研究进展和热点问题上，包括太阳能耦合ASHP供暖系统、翅片管换热器制冷剂回路、供暖效率、结霜和除霜以及无霜空气源热泵（FFASHP），如表1所示。ASHP的结霜问题受到了越来越多的关注，结霜抑制可以避免或减轻结霜带来的不利影响，因此成为许多研究讨论和探讨的主题。近期研究从三个主要方面总结了结霜抑制技术：蒸发器结构[7,20,21]、太阳能辅助ASHP系统[20]和干燥剂[22,23]。然而，在方法的综合总结方面仍存在空白，也缺乏对不同方法的讨论。具体来说，以下问题尚未解决：（1）关于运行环境、外部驱动力、组件配置和运行策略的结霜抑制进展的详细总结和分析仍然缺失；（2）这些结霜抑制方法的研究演变尚未讨论，不同方法之间的比较也缺乏。

为了填补这些关键知识空白，本文报告了过去十年空气源热泵系统结霜抑制方法的研究现状和前景。具体而言，本文的创新之处如下：（1）将结霜抑制方法分为四大类：调节室外环境、修改蒸发器参数、施加外部驱动力以及调整配置和运行策略，如图1所示；（2）介绍了结霜抑制技术的研究热点演变；（3）对不同方法进行了定性和定量比较，并评估了它们的当前工程适用性。所有参考文献均来自权威的Web of Science Core Collection数据库。我们通过以下主题进行了全面搜索：“空气源热泵和结霜抑制”、“空气源热泵和干燥剂”、“空气源热泵结霜和空气温度”、“热源塔热泵和溶液再生”以及“电场和结霜”等。我们优先考虑了2015年至2025年间发表的文章，共找到了162篇相关研究。

章节片段

调节室外环境

ASHP中的结霜动态受室外空气条件的影响很大。Zhu等人[35]和Wei等人[10]分别系统地为定速和变速ASHP系统制定了结霜图，如图2、图3所示。这些运行相图表明，周围空气的湿球状态（温度和相对湿度的组合）决定了ASHP的运行模式。值得注意的是，在较高温度下或

修改蒸发器参数

这种方法包括增加蒸发器面积、优化翅片结构参数、开发新型结构以提高表面温度以及调整表面特性，以减少冷凝液滴的附着或霜层厚度，从而减轻结霜的严重程度。

施加外部驱动力

在冷表面上施加外部驱动力（如电场、超声波和磁场）会影响表面结霜的形成。控制这些外部力的关键参数可以减少霜层厚度。

调整组件配置和运行策略

调整ASHP的组件配置（如压缩机、风扇和换热器）可以改变制冷循环中的各个状态，从而可能提高蒸发器表面温度并抑制结霜。因此，以下部分回顾和分析了提高制冷剂蒸发温度以及调整压缩机和风扇运行频率以升高蒸发器表面温度的相关研究。

方法演变

我们回顾了从Web of Science Core Collection中检索到的134篇关于ASHP结霜抑制的文章，并根据采用的方法对其进行分类，以反映研究热点和结霜抑制方法的演变，如图21所示。总体而言，当前方法可以分为两大类：外部调节（包括调节室外温度和施加外部驱动力）和ASHP单元本身（包括修改蒸发器

结论

可以通过四种主要方法抑制ASHP中的结霜：调节室外环境、修改蒸发器参数、施加外部驱动力以及调整组件配置和运行策略。这四类的当前研究现状总结如下。

(1)

提高空气温度、降低湿度、调整气流以及喷洒防冰溶液可以减少冷凝液滴和霜的形成风险。然而，

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竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国黑龙江省杰出青年学者科学基金（JQ2024E005）的财政支持。