無霜空氣源熱泵技術(shù)研究進展

張毅，張冠敏，冷學禮，屈曉航，田茂誠

（1 山東大學能源與動力工程學院，山東濟南250061； 2 山東理工大學能源與動力工程系，山東淄博255000）

引 言

空氣源熱泵（ASHP）是一種以制冷劑為中間媒介，以壓縮機（需消耗少量高位能即電能）為動力源，將空氣中低位熱源整合為高位熱源的節(jié)能設(shè)備[1]。因其兼具供冷供熱、節(jié)能環(huán)保、運行費用低、安全可靠等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[2-4]。然而，在低溫高濕環(huán)境下（-15℃≤Ta＜6℃，40%＜RH≤100%[5]），室外蒸發(fā)器翅片表面溫度低于露點和冰點溫度時會結(jié)霜，導(dǎo)致空氣流通截面積減小、流動阻力及傳熱熱阻增大，空氣流量和蒸發(fā)溫度降低，制熱性能惡化[6-7]，這嚴重制約了ASHP 在寒冷地區(qū)的推廣應(yīng)用。因此，研究ASHP 除霜、抑霜和無霜技術(shù)，實現(xiàn)其高效運行對我國冬季低溫高濕地區(qū)“煤改電”清潔供暖政策推進具有重要的科學意義和工程價值。

目前，國內(nèi)外學者已提出并研究了眾多ASHP除霜[8-10]和抑霜[7,11-12]技術(shù)，如逆循環(huán)、熱氣旁通、電加熱、運行參數(shù)優(yōu)化、附加電場和磁場、控制策略和換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。研究表明，這些方法均可明顯改善室外蒸發(fā)器換熱特性并提高ASHP 系統(tǒng)冬季供熱性能系數(shù)（COP），尤其是逆循環(huán)除霜技術(shù)，因其調(diào)節(jié)方便、占地空間小、投資成本低、運行安全可靠而被廣泛用于實際工程中[12]。與除霜方法相比，盡管各抑霜方法均能延緩結(jié)霜過程并提高ASHP 系統(tǒng)COP，但所有除霜及抑霜方法都難以避免室外蒸發(fā)器周期性地運行于結(jié)霜-除霜過程，即其普遍存在霜層生長過程、融霜過程、融霜水排除及其蒸發(fā)干燥過程，這不僅導(dǎo)致系統(tǒng)能耗升高，而且影響室內(nèi)環(huán)境舒適性。同時，即使目前實際工程廣泛應(yīng)用的逆循環(huán)除霜技術(shù)也存在諸多問題，如除霜不均勻、系統(tǒng)能耗高、系統(tǒng)總COP 低、室內(nèi)熱舒適性較差等[7]?？梢?，各種除霜和抑霜技術(shù)并未從根本上解決ASHP結(jié)霜問題，從而提高系統(tǒng)運行能效。

為徹底避免室外蒸發(fā)器表面結(jié)霜，改善ASHP系統(tǒng)冬季供熱性能，發(fā)揮其在我國“煤改電”清潔供暖技術(shù)推廣應(yīng)用中的優(yōu)勢，近年我國學者提出了多種無霜ASHP 技術(shù)方案[13-18]，其主要是在傳統(tǒng)ASHP機組上耦合固體或液體空氣除濕設(shè)備，改變空氣含濕量、破壞其結(jié)霜條件，實現(xiàn)ASHP 在寒冷高濕環(huán)境下無霜連續(xù)高效運行[6,19]。如張凡等[18]和Wang等[20-21]提出采用固體或溶液除濕器先對室外側(cè)入口空氣除濕降低含濕量，然后除濕后的空氣再進入風冷式蒸發(fā)器的無霜熱泵系統(tǒng)，研究表明該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)無霜運行，而且比傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)COP 高。Jiang 等[17,22]提出并搭建了在室外蒸發(fā)器進風和出風側(cè)噴淋防凍液的無霜ASHP 實驗系統(tǒng)，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)在實驗條件下供熱量提高了6%，室內(nèi)熱舒適性也得到改善。此外，張晨等[23-24]借鑒開式和閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)，提出了新型熱源塔熱泵技術(shù)，即在風冷式蒸發(fā)器前端附加熱源塔預(yù)先提取濕空氣中的顯熱和潛熱，再用水源熱泵機組提升熱量品位，從而實現(xiàn)熱泵無霜運行。之后，Zendehboudi 等[25-26]、Su等[27-28]、文先太等[29-30]和張晨等[31]采用實驗或數(shù)值方法對各種熱源塔或熱源塔熱泵系統(tǒng)性能及系統(tǒng)中除濕溶液再生技術(shù)進行了大量工程實踐和理論研究。結(jié)果表明，開式和閉式熱源塔熱泵系統(tǒng)均可有效解決ASHP機組冬季結(jié)霜問題。

盡管各種無霜ASHP 技術(shù)均能實現(xiàn)無霜連續(xù)運行，但由于它們皆是在傳統(tǒng)ASHP 機組或冷卻塔的基礎(chǔ)上直接發(fā)展而來，故其換熱設(shè)備性能匹配度和幾何結(jié)構(gòu)緊湊性較差。如將低冰點防凍液直接噴淋至ASHP 室外蒸發(fā)器表面來避免結(jié)霜，雖能實現(xiàn)熱泵系統(tǒng)無霜運行，但由于設(shè)備結(jié)構(gòu)等不匹配，該系統(tǒng)COP 低于常規(guī)系統(tǒng)結(jié)霜-除霜周期的平均COP[17,22]。Niitsu 等[32]指出由于翅片間距較小，液橋阻礙了氣相通道，嚴重惡化了設(shè)備換熱能力。然而，若隨意增大翅片間距以避免液橋形成來提高冬季蒸發(fā)器性能，將難免影響換熱器緊湊性及夏季冷凝器性能。此外，賀志明等[33]基于噴淋液均勻分布于翅片管換熱器表面等多種假設(shè)，數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)閉式熱源塔內(nèi)噴淋液膜最低溫度處于塔中部，說明該局部存在結(jié)霜風險。需注意的是，由于管壁的存在，流動通道呈周期性變化，以至于液膜均勻分布假設(shè)與實際情況并不完全符合。同時，為抑制結(jié)霜過程和滿足干工況下?lián)Q熱性能，閉式熱源塔內(nèi)翅片管換熱器通常采用較寬的翅片間距（4～8 mm）和較大的翅片面積，這導(dǎo)致設(shè)備緊湊性變差、占地面積增大。

綜上所述，不同無霜ASHP 技術(shù)方案所面臨問題的相關(guān)研究還十分欠缺，難以滿足其發(fā)展要求。因此，本文在對三類結(jié)霜過程進行分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了各種無霜ASHP 技術(shù)的原理并對其進行分類，概括了主要無霜技術(shù)的研究現(xiàn)狀，旨在指出各無霜技術(shù)存在的問題，并給出未來進一步的研究建議。

1 無霜ASHP技術(shù)原理及分類

1.1 無霜技術(shù)原理

如圖1（a）所示，根據(jù)水蒸氣分壓力Pv與三相點壓力PA，冷表面溫度Ts與三相點溫度TA、濕空氣露點溫度Td之間的關(guān)系，冷表面結(jié)霜過程可分為三類[6,34-35]：（1）當Pv＞PA，Ts＜TA且Ts＜Td時，水蒸氣首先在冷表面上冷凝形成凝結(jié)水，然后凝結(jié)水被凍結(jié)，隨著凍結(jié)冰晶表面水蒸氣分壓進一步降低，結(jié)霜過程Ⅱ→Ⅱ1發(fā)生；（2）當Pv＜PA，Ts＜Td時，濕空氣中的水蒸氣可直接凝華形成霜或霜晶，即結(jié)霜過程Ⅲ→Ⅲ2發(fā)生；（3）由于Pv和Ts的差異，在冷表面不同位置可能同時出現(xiàn)Ⅱ→Ⅱ1和Ⅲ→Ⅲ2兩種結(jié)霜過程。Brèque 等[36]和Sun等[37]研究表明，這三類結(jié)霜過程均需同時滿足Ts＜TA且Ts＜Td兩個必要條件才可能發(fā)生。此外，如圖1（b）所示，當濕空氣溫度Ta和相對濕度RH 分別在-15℃≤Ta＜6℃和40%＜RH≤100%范圍內(nèi)時，ASHP 室外蒸發(fā)器表面均會發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象[5]。

通過上述分析可知，要徹底避免ASHP 運行在結(jié)霜區(qū)，實現(xiàn)其無霜連續(xù)高效運行，應(yīng)采取措施破壞結(jié)霜必要條件，使?jié)窨諝饴饵c溫度低于冷表面溫度或保證冷表面上凝結(jié)水在低于三相點溫度時仍以液態(tài)存在。對此，目前已報道的相關(guān)技術(shù)及其原理總結(jié)如下。

（1）蒸發(fā)器前附加內(nèi)冷型除濕器，即在翅片管表面涂覆固體干燥劑（如硅膠）[38]，濕空氣先經(jīng)過內(nèi)冷除濕器預(yù)冷凝降低含濕量和水蒸氣分壓力，并釋放潛熱和部分顯熱預(yù)蒸發(fā)制冷劑，然后除濕后的空氣因露點溫度和結(jié)霜驅(qū)動力減小，進入蒸發(fā)器后僅釋放顯熱，故不會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。

（2）蒸發(fā)器表面直接噴淋低冰點溶液[39-40]，一方面溶液吸濕改變了空氣參數(shù)[類似于圖1（b）中C→D過程]，另一方面噴淋液膜附著在翅片表面改變了傳熱過程并降低了表面冰點，從而破壞了冷表面結(jié)霜的兩個必要條件。需注意的是，這里傳熱過程的改變是指液膜附著于翅片表面，將空氣-翅片即氣固兩相傳熱過程改變?yōu)榭諝?液膜-翅片即氣液固三相傳熱過程。

（3）蒸發(fā)器前附加液體除濕裝置[18]，在結(jié)霜條件下環(huán)境濕空氣先經(jīng)過除濕器預(yù)冷凝降低含濕量和水蒸氣分壓力，并將其潛熱轉(zhuǎn)化為溶液和空氣顯熱（溶液釋放的稀釋熱）[類似于圖1（b）中C→D 過程]，然后除濕后的空氣露點溫度和結(jié)霜驅(qū)動力減小，進入蒸發(fā)器后僅釋放顯熱，從而實現(xiàn)系統(tǒng)無霜運行。

（4）蒸發(fā)器前附加熱源塔設(shè)備[41]，濕空氣先經(jīng)熱源塔將其顯熱和潛熱轉(zhuǎn)化為溶液顯熱，然后溶液進入板式換熱器（即熱泵蒸發(fā)器）釋放其顯熱，完成制冷劑蒸發(fā)吸熱過程。這里室外蒸發(fā)器由風冷式翅片管換熱器改為液-液板式換熱器（即由空氣源熱泵改為水源熱泵），實現(xiàn)了熱泵無霜高效連續(xù)運行。

（5）采用室內(nèi)和室外兩種不同蒸發(fā)溫度的蒸發(fā)器[42]，當周圍環(huán)境處于結(jié)霜條件時，室外蒸發(fā)器停止運行，系統(tǒng)靠室內(nèi)蒸發(fā)器回收排氣潛熱和顯熱實現(xiàn)無霜運行；當室內(nèi)蒸發(fā)器表面出現(xiàn)輕微結(jié)霜時，室外蒸發(fā)器開始運行并從周圍環(huán)境吸收熱量，這時室外空氣濕度低，蒸發(fā)器很難結(jié)霜[43]。另外，在兩臺蒸發(fā)器管路上均安裝壓力調(diào)節(jié)閥，旨在確保蒸發(fā)溫度保持在設(shè)定值，以使系統(tǒng)無霜連續(xù)運行。

此外，利用電輔助加熱提高室外蒸發(fā)器進風溫度[44]或通過控制室外并聯(lián)換熱器制冷劑周期性流入及進風的共同作用破壞結(jié)霜條件[45]均能在一定程度上避免換熱器表面結(jié)霜。

圖1 水的三相圖（a）[6,34-35]和空氣源熱泵結(jié)霜圖（b）[5]Fig.1 Phase diagram of water(a)[6,34-35]and frosting map of ASHP(b)[5]

1.2 無霜技術(shù)分類

根據(jù)無霜技術(shù)原理的分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)除了排氣余熱回收、電輔助加熱和改變制冷劑流動方式外，目前大多數(shù)研究主要集中于在傳統(tǒng)ASHP 機組上耦合空氣除濕設(shè)備，降低空氣含濕量、改變蒸發(fā)器外側(cè)傳熱過程并降低表面冰點，從而破壞結(jié)霜過程的必要條件，以實現(xiàn)ASHP無霜連續(xù)運行[6]。

如圖2所示，前兩類無霜技術(shù)均離不開干燥劑。根據(jù)干燥劑聚集態(tài)和機組用途，無霜ASHP 技術(shù)可分為固體除濕型無霜熱水機組和液體除濕型供熱機組兩類。根據(jù)空氣除濕設(shè)備安裝位置和熱泵蒸發(fā)器利用低品位熱源的方式，固體除濕型無霜熱水機組分為固體預(yù)除濕型和蓄熱除濕耦合型；液體除濕型供熱機組分為液體預(yù)除濕型、開式熱源塔型、閉式熱源塔型、改進熱源塔型和室外蒸發(fā)器直接噴淋型。

圖2 無霜空氣源熱泵技術(shù)分類Fig.2 Classification of various frost-free ASHP technologies

2 無霜ASHP技術(shù)研究進展

根據(jù)無霜技術(shù)分類，本節(jié)擬從固體除濕型無霜熱水機組、液體除濕型無霜供熱機組和其他無霜技術(shù)類型三方面對各種無霜技術(shù)研究進展進行總結(jié)和分析。

2.1 固體除濕型無霜熱水機組

按照除濕過程有無內(nèi)部換熱，固體除濕器分為絕熱型和內(nèi)冷型。其中，內(nèi)冷型除濕器是指空氣在與干燥劑進行熱質(zhì)交換的同時被外部冷源吸熱。翅片管式除濕器作為一種典型的內(nèi)冷型除濕器[46]，以傳統(tǒng)翅片管換熱器為載體，將干燥劑（如硅膠、分子篩和聚合物等[46-48]）涂覆在翅片表面，在除濕過程中，空氣掠過換熱器表面與干燥劑進行傳熱傳質(zhì)，管內(nèi)冷媒作為外部冷源帶走除濕潛熱和空氣顯熱。近年學者們將這種除濕器和ASHP 相結(jié)合提出了固體除濕型無霜熱泵機組[47]。由于固體干燥劑吸濕性有限，再生周期短，故主要用于無霜熱水機組。

2.1.1 固體預(yù)除濕型 預(yù)除濕型無霜熱泵機組是基于濕空氣冷卻至露點時，空氣中部分水蒸氣預(yù)先冷凝排出，降低其水蒸氣分壓力，從而減小結(jié)霜驅(qū)動力原理上提出的[7,11]。如圖3 所示，固體預(yù)除濕型無霜熱泵機組的最早形式是在室外蒸發(fā)器前增加吸附床[47]，這就意味著環(huán)境空氣進入蒸發(fā)器前，先被吸附床上的固體干燥劑除濕以降低其含濕量。從圖3可以看出，吸附床由沸石板、活性炭涂層和電加熱器組成。每塊沸石板兩面都涂有一層很薄的活性炭-水玻璃混合物涂層或稱活性炭涂層。該涂層（黑色吸附材料）可直接吸收太陽光，作為額外解吸熱源。對此，Wang 等[47]數(shù)值研究表明，空氣經(jīng)過吸附床后不僅降低了含濕量，而且提高了溫度，從而避免了結(jié)霜問題。這也證實了通過固體預(yù)除濕方法來實現(xiàn)熱泵無霜運行的有效性。然而，當周圍環(huán)境長時間處于結(jié)霜條件時，圖3 中吸附床將僅依賴電加熱器來實現(xiàn)解吸再生過程，這將導(dǎo)致系統(tǒng)能耗升高、性能降低。

圖3 吸附床預(yù)除濕型無霜技術(shù)示意圖[47]Fig.3 Schematic diagram of a frost-free technology with adsorption bed pre-dehumidification[47]

圖4 內(nèi)冷型預(yù)除濕無霜空氣源熱泵熱水器示意圖[38]Fig.4 Schematic diagram of a frost-free ASHP water heater system with internal cooling pre-dehumidification[38]

為解決系統(tǒng)高效除濕和再生問題，Zhang等[38]提出了一種內(nèi)冷型預(yù)除濕與余熱回收再生耦合型無霜ASHP熱水機組，其結(jié)構(gòu)與原理如圖4所示。從圖4可以看出，室外換熱器由內(nèi)冷型除濕器1和翅片管蒸發(fā)器2 串聯(lián)組成。在制熱工況下，閥門9 關(guān)閉，室外空氣先掠過內(nèi)冷型除濕器1，降低其含濕量并預(yù)蒸發(fā)管內(nèi)制冷劑；然后除濕后的空氣再經(jīng)蒸發(fā)器2進一步釋放顯熱后排出。由于除濕后的空氣露點和水蒸氣分壓力均降低，從而避免了蒸發(fā)器2 表面結(jié)霜。當內(nèi)冷型除濕器1表面干燥劑（硅膠）吸濕能力下降時，閥門9打開，閥門10和11關(guān)閉，開啟再生運行模式。此時，循環(huán)空氣對除濕器1 表面干燥劑進行再生，釋放出水蒸氣，然后在蒸發(fā)器2表面釋放潛熱和顯熱，并排出冷凝水。這種循環(huán)空氣方法不僅實現(xiàn)了干燥劑高效再生，而且保證了較高的制熱效率，可見該系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。Zhang等[38]的研究表明該無霜系統(tǒng)COP 比熱氣除霜系統(tǒng)高5%～30%。

盡管固體預(yù)除濕型無霜熱泵熱水機組解決了結(jié)霜問題且改善了冬季系統(tǒng)COP，但其在夏季時效率偏低且蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)匹配性尚缺乏進一步深入探討。眾所周知，傳統(tǒng)熱泵室外蒸發(fā)器翅片間距較?。?.5～2 mm），若直接將其應(yīng)用于圖4 中無霜熱泵系統(tǒng)，在干燥劑再生運行模式下，由于氣液界面摩擦力、表面張力、重力、翅片表面能等作用，翅片通道內(nèi)水蒸氣冷凝液未及時排出而易于形成液橋，導(dǎo)致流動通道減小、壓降及能耗增大，從而惡化系統(tǒng)性能。更甚者，冷凝液大量積累，不僅會封堵流動通道，而且存在結(jié)霜風險，迫使機組停止運行。另外，該系統(tǒng)COP 隨空氣相對濕度呈顯著降低這一事實[38]，也可在一定程度上說明解決蒸發(fā)器匹配問題十分重要。

圖5 蓄熱除濕耦合型無霜空氣源熱泵熱水器示意圖[49-50]Fig.5 Schematic diagram of a novel frost-free ASHP water heater system coupling with thermal storage and dehumidification[49-50]

2.1.2 蓄熱除濕耦合型 鑒于固體預(yù)除濕型無霜機組存在的問題，Wang 等[49-50]提出了一種蓄熱除濕耦合新型無霜ASHP熱水機組。如圖5所示，該系統(tǒng)運行原理與圖4 類似，即首先利用除濕換熱器降低空氣含濕量和水蒸氣分壓力，并預(yù)蒸發(fā)制冷劑；然后除濕后的空氣經(jīng)蒸發(fā)器釋放顯熱后排出。不同之處在于，該系統(tǒng)耦合了蓄熱裝置來回收部分冷凝余熱，將其作為再生模式下制冷劑蒸發(fā)的低溫熱源。其目的在于充分利用冷凝余熱并避免干燥劑解吸后水蒸氣冷凝液附著在蒸發(fā)器表面，造成翅片間流動通道封堵甚至下一循環(huán)結(jié)霜風險。由圖5可以看出，在再生運行模式下，空氣先經(jīng)過室外蒸發(fā)器吸收氣液兩相高壓制冷劑冷卻熱量，再經(jīng)過除濕換熱器表面。由于被高壓制冷劑加熱后的干燥劑表面水蒸氣分壓力大于室外空氣水蒸氣分壓力，故水蒸氣向室外空氣側(cè)運動，進而一起排出，實現(xiàn)干燥劑再生。

為驗證圖5 中無霜系統(tǒng)的可行性，Wang 等[49]對其系統(tǒng)性能進行了實驗研究，結(jié)果表明系統(tǒng)平均COP分別比熱氣旁通和電加熱除霜系統(tǒng)高7.25%和46.3%；當空氣溫度和相對濕度分別為0℃和80%時，系統(tǒng)能維持34 min 無霜連續(xù)運行，從而證明了該無霜技術(shù)的可行性和有效性。郝鵬飛等[51-52]進一步研究發(fā)現(xiàn)，當空氣相對濕度為80%時，隨溫度升高（-3℃→0℃→3℃），系統(tǒng)無霜連續(xù)運行時間有所延長（32 min→34 min→36 min）；當相對濕度為85%，溫度為-3℃和3℃時，系統(tǒng)COP 分別比逆循環(huán)除霜高17.9%和3.4%?？梢姡撓到y(tǒng)適于在低溫高濕地區(qū)推廣。

由于新型無霜系統(tǒng)較復(fù)雜，故系統(tǒng)COP 的影響因素也較多，如蓄熱材料性能、干燥劑和蓄熱材料用量、節(jié)流閥開度等。對此，王志華等[50]在CaCl2·6H2O中添加2%的SrCl2·6H2O，以期有效解決CaCl2·6H2O 過冷現(xiàn)象導(dǎo)致存儲熱量難以順利釋放的問題。該研究還利用動態(tài)數(shù)學模型研究了干燥劑與蓄熱材料用量的匹配關(guān)系對系統(tǒng)COP 的影響[53]，并給出了二者與COP 之間的關(guān)系，見式（1）。此外，鑒于新型系統(tǒng)無霜連續(xù)運行時間在很大程度上取決于一級和二級節(jié)流閥開度，Wang 等[20]建立了節(jié)流閥開度與COP 的關(guān)系[式（2）]，并指出當一級和二級節(jié)流閥開度分別為75%和40%時，COP 達到最優(yōu)。并且，Wang 等[21]發(fā)現(xiàn)以R22、R407C 和R134a 作為制冷劑時，蒸發(fā)器無霜連續(xù)運行時間分別為29、34 和35 min。在環(huán)境溫度為-10℃，相對濕度為85%時，R134a的COP 分別比R22 和R407C 高3.3%和8.6%?？梢?，與R22 和R407C 相比，R134a 更適合于低溫無霜系統(tǒng)[21]?？紤]到2030 年發(fā)展中國家將廢除R22，故應(yīng)進一步研究使用冷媒R134a、CO2或R290 的無霜ASHP系統(tǒng)性能。

式中，x 為固體干燥劑質(zhì)量，kg；y 為蓄熱材料體積，ml；V1為一級節(jié)流閥開度，%；V2為二級節(jié)流閥開度，%；a～j 和a1～h1均為常系數(shù)，其值分別詳見文獻[53]和文獻[20]。

為推廣圖5 中無霜ASHP 機組在室內(nèi)供暖方面的應(yīng)用，Wang 等[54]探討了蓄熱除濕耦合新型無霜ASHP 地板輻射供熱系統(tǒng)在中國三個不同氣候區(qū)（北京、西安和成都）的運行特性。結(jié)果表明，該系統(tǒng)在西安、北京和成都的供熱季節(jié)性能因子分別比常規(guī)供熱系統(tǒng)高3.9%、1.9%和9%。值得注意的是，在低溫區(qū)域干燥劑的再生效率和系統(tǒng)COP 明顯較低[51]。為了明確該無霜系統(tǒng)性能的改善潛力，進而為其在熱水和供熱多功能應(yīng)用設(shè)計方面提供理論依據(jù)，Wang 等[55]計算了在不同運行模式下主要部件的損失率。從圖6（a）、（b）可以看出，在供熱模式下，壓縮機和除濕器的損失率高于其他部件；在再生模式下，壓縮機和蓄熱器的損失率較高。同時，為評價系統(tǒng)一個周期的性能，定義了綜合損失率，見式（3）。如圖6（c）所示，壓縮機的綜合損失率最大為51.4%，其次是蓄熱器為15.8%，除濕器為10.7%。因此，改進或重新設(shè)計壓縮機、蓄熱器和除濕器，對降低系統(tǒng)損失和提高系統(tǒng)性能至關(guān)重要。同時，蒸發(fā)器和冷凝器的不可逆性也值得重視。

式中，Exhm和Exrm分別為供熱和再生模式下部件的損失，kW；τhm和τrm分別為一周期內(nèi)系統(tǒng)供熱和再生連續(xù)運行時間，min。

綜上，目前關(guān)于蓄熱除濕耦合型無霜ASHP 系統(tǒng)僅聚焦于圖5中系統(tǒng)的性能、評價、改進及應(yīng)用拓展研究，并未提出其他固體除濕型無霜熱泵系統(tǒng)。太陽能作為一種清潔可再生能源，若將其作為補充熱源與蓄熱裝置結(jié)合構(gòu)成新無霜系統(tǒng)，將對提升系統(tǒng)性能有著重要意義?？紤]到固體干燥劑吸濕性有限，再生周期短，但設(shè)備成本低且易于操作，故建議固體除濕型無霜技術(shù)主要用于熱水機組。

圖6 蓄熱除濕型無霜空氣源熱泵系統(tǒng)主要部件損失率[55]Fig.6 Exergy loss rates of main components of a frost-free ASHP system coupling with thermal storage and dehumidification[55]

另外，制約熱泵在低溫環(huán)境高效穩(wěn)定運行的壓縮機技術(shù)（如噴氣增焓）已經(jīng)得到解決，但在干燥劑再生模式下蓄熱器性能優(yōu)化方面的報道還較少?，F(xiàn)有蓄熱和干燥劑材料還存在諸多問題，如成本高、設(shè)備體積大、干燥劑低溫環(huán)境除濕性能較低、干燥劑再生能耗大等，故低成本且性能良好的蓄熱和干燥劑材料還有待進一步探索。值得注意的是，在固體除濕型無霜ASHP 機組中，固體干燥劑涂覆在翅片管表面會增大熱阻、降低換熱效率，從而導(dǎo)致內(nèi)冷型除濕器損失率升高。

2.2 液體除濕型無霜供熱機組

液體除濕空調(diào)系統(tǒng)是伴隨人們對環(huán)境品質(zhì)和室內(nèi)空氣質(zhì)量的要求而發(fā)展起來的[56]。由于液體除濕系統(tǒng)清潔、高效和易操作等優(yōu)點，故近年學者們將其應(yīng)用于無霜ASHP 技術(shù)研究。本節(jié)將對這類無霜技術(shù)進行全面總結(jié)與分析。

2.2.1 液體預(yù)除濕型 為確保熱泵在結(jié)霜條件下能夠穩(wěn)定連續(xù)提供干空氣，Kinsara 等[57]和Jain 等[58]在傳統(tǒng)ASHP 室外側(cè)機組附加了空氣除濕循環(huán)和干燥劑再生循環(huán)，其除濕和再生設(shè)備均為填料層，如圖7 所示。研究表明，該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)無霜連續(xù)運行，而且節(jié)能效果顯著。基于上述思路，Zhang等[59]提出了一種新型無霜熱泵系統(tǒng)，其原理如圖8所示。從圖8可看出，在冬季，通過填料式除濕器吸收空氣中水蒸氣以降低其露點是系統(tǒng)無霜連續(xù)運行的關(guān)鍵。此外，該系統(tǒng)增加了液體干燥劑溫度控制熱泵系統(tǒng)，并利用除濕劑再生排出的濕熱空氣調(diào)控室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，在冬季環(huán)境下（-7℃＜Ta＜10℃，50%＜RH＜80%），該系統(tǒng)可在較高COP 下（2.8～5.8）無霜連續(xù)運行。然而，在供熱、加濕和無霜運行模式下，系統(tǒng)總COP 較供熱和加濕運行模式下低10%，但比耦合電加熱加濕系統(tǒng)高30%～40%[59-60]。另外，Zhang 等[60]通過模擬和實驗發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)總COP 受除濕溶液濃度影響顯著，隨濃度從34%增加到37%，總COP 增加了10%。但考慮到LiCl 溶液在-10℃時，將出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，故其濃度不宜高于37.5%。

圖7 液體除濕與再生循環(huán)耦合型熱泵系統(tǒng)示意圖[57-58]Fig.7 Schematic diagram of a heat pump cycle system coupling with liquid dehumidification and regeneration cycle[57-58]

圖8 混合式無霜空氣源熱泵系統(tǒng)原理示意圖[59]Fig.8 Schematic diagram of a hybrid frost-free ASHP system[59]

盡管上述圖7 和圖8 中兩種液體預(yù)除濕型系統(tǒng)實現(xiàn)了ASHP 在冬季無霜連續(xù)穩(wěn)定運行，但其系統(tǒng)配置均較復(fù)雜。特別是圖8中的混合式無霜熱泵系統(tǒng)，需要配置兩套熱泵系統(tǒng)，一套用于室內(nèi)供熱，一套用于控制液體干燥劑溫度，這不僅增加了系統(tǒng)配置及運行控制的復(fù)雜性，而且導(dǎo)致設(shè)備一次投資成本和后期維護成本增加，從而嚴重限制了系統(tǒng)的推廣應(yīng)用價值。對此，張凡等[18]提出了一種集除濕、再生、空氣處理和室內(nèi)供熱型無霜熱泵系統(tǒng)。如圖9所示，室外空氣先經(jīng)過LiCl 溶液除濕器降低含濕量和水蒸氣分壓力，釋放其潛熱到溶液及空氣中；然后除濕后的空氣再經(jīng)過蒸發(fā)器釋放顯熱來加熱蒸發(fā)制冷劑，從而有效解決蒸發(fā)器表面結(jié)霜問題。另外，利用制冷劑部分冷凝熱實現(xiàn)溶液再生的同時對被處理空氣進行加熱加濕，可有效改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，在實驗條件下（-4℃＜Ta＜5℃，RH=79%），系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)無霜連續(xù)運行，而且可滿足室內(nèi)環(huán)境要求、有效降低加濕能耗。該研究還指出，室外空氣溫度比濕度對該系統(tǒng)COP 的影響更顯著。然而，該系統(tǒng)仍然存在各種問題，如未考慮熱水供應(yīng)及夏季供冷、空氣預(yù)熱采用效率較低的電加熱方式、溶液進入除濕器之前部分熱量被浪費等。同時，濕空氣中潛熱并非全部用于制冷劑蒸發(fā)，而是與部分制冷劑冷凝熱共同用于稀溶液濃縮再生過程。因此，在低溫高濕環(huán)境下，發(fā)展干燥劑溶液低溫再生技術(shù)或采用易于再生的防凍液對提升這類無霜系統(tǒng)性能有著重要意義。

圖9 空氣預(yù)除濕與余熱回收再生耦合型無霜空氣源熱泵系統(tǒng)[18]Fig.9 A frost-free ASHP system coupling with air predehumidification and waste heat recovery regeneration[18]

為充分利用濕空氣潛熱和顯熱實現(xiàn)無霜系統(tǒng)在冬夏兩季均能連續(xù)高效運行，李瑋豪等[61-63]提出了一種以LiCl 溶液為除濕劑的新型空氣預(yù)處理無霜系統(tǒng)，如圖10 所示。該機組具有一機冬、夏兩用功能，冬夏兩季溶液塔內(nèi)循環(huán)溶液分別為水和除濕溶液，冬季供熱時分為供熱和再生模式。在供熱模式下，風閥1和2打開，風閥3關(guān)閉，空氣先經(jīng)過溶液塔與噴淋液進行熱質(zhì)交換，釋放潛熱并降低其含濕量，然后除濕后的空氣再流經(jīng)翅片管換熱器2 釋放顯熱來加熱制冷劑（該制冷劑已與溶液預(yù)先經(jīng)過熱交換），從而避免翅片表面結(jié)霜。在再生模式下，風閥1 和2 關(guān)閉，風閥3 打開，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度應(yīng)高于0℃，以避免翅片管換熱器2 表面結(jié)霜。實驗研究發(fā)現(xiàn)，在結(jié)霜環(huán)境下，系統(tǒng)總COP 明顯較逆循環(huán)和電加熱除霜系統(tǒng)高，這證明該系統(tǒng)在冬季無霜連續(xù)高效運行的可行性。同時，研究表明，該系統(tǒng)在夏季也能夠連續(xù)穩(wěn)定高效運行[64]。之后，邱君君等[13,65]基于該系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，溶液種類、空氣和溶液流量是影響溶液塔除濕效率的主要因素。采用溴化鋰溶液的除濕量比氯化鋰溶液高43%～66%，且除濕量隨空氣和溶液流量的升高而升高。同時，他們基于實驗數(shù)據(jù)，建立了確定工況下（空氣溫度Ta為0℃，相對濕度RH 為75%）再生量和再生效率的關(guān)聯(lián)式[63]。需要指出的是，在干燥劑溶液再生模式下，翅片管換熱器2表面難免產(chǎn)生大量水蒸氣冷凝液。雖然系統(tǒng)蒸發(fā)溫度高于0℃，換熱器表面不會結(jié)霜，但是當翅片間距過小或過大時，將形成液橋堵塞流動通道或設(shè)備體積增大、投資成本升高?？梢姡瑑?yōu)化運行參數(shù)及換熱器幾何結(jié)構(gòu)，改善冬夏兩季不同工況下系統(tǒng)性能匹配度對其發(fā)展具有重要意義。

圖10 新型空氣預(yù)處理無霜空氣源熱泵系統(tǒng)[61-63]Fig.10 A new frost-free air source heat pump system with air pretreatment[61-63]

通過上述總結(jié)和分析不難發(fā)現(xiàn)，多數(shù)液體預(yù)除濕型無霜ASHP 系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了系統(tǒng)冬季無霜連續(xù)運行，而且還關(guān)注了室內(nèi)空氣品質(zhì)的調(diào)控問題，從而滿足室內(nèi)環(huán)境熱舒適性和健康性要求?？紤]到干燥劑溶液再生能耗較高等問題，不宜在低溫高濕環(huán)境持續(xù)時間較長地區(qū)應(yīng)用，而建議在冬季低溫高濕環(huán)境持續(xù)時間較短地區(qū)發(fā)展。然而，關(guān)于液體預(yù)除濕型無霜熱泵機組存在的一些問題仍然未解決，如簡單且易操作性、干燥劑低溫再生技術(shù)、室外翅片管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)及性能匹配問題等。同時，目前多數(shù)研究主要集中于冬季部分工況時供熱和再生模式下的系統(tǒng)性能，僅有少數(shù)研究報道了夏季工況下無霜系統(tǒng)性能，在更為低溫和高濕環(huán)境下（如Ta≤-10℃，RH＞80%），系統(tǒng)運行特性幾乎未見報道。

2.2.2 熱源塔型 由于固體和液體預(yù)除濕型無霜技術(shù)均存在一些較難解決的問題，故學者們提出了一種新型熱泵技術(shù)，即熱源塔熱泵[23]。其特點在于：（1）一塔兩用，冷熱源合一，設(shè)備利用率高，實現(xiàn)了節(jié)能降耗；（2）將傳統(tǒng)ASHP 室外蒸發(fā)器表面的氣固間輻射和對流換熱改變?yōu)闅庖汗涕g的導(dǎo)熱、對流、輻射和相變換熱，提高了蒸發(fā)器換熱效率。其核心部件熱源塔的主要形式有三種：開式、閉式和改進型。因此，就有了文獻中報道的三種熱源塔熱泵系統(tǒng)[31]，三種系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，詳見表1。

（1）開式熱源塔熱泵

如圖11 所示，在冬季供熱運行模式下，從板式換熱器（即熱泵蒸發(fā)器）流出的低焓值防凍液被均勻噴淋至開式熱源塔內(nèi)填料層表面形成液膜，然后液膜與焓值較高的逆流或叉流空氣直接接觸進行熱質(zhì)交換，吸收空氣的潛熱和顯熱，緊接著獲得空氣低位能的溶液進入熱泵蒸發(fā)器與制冷劑進行換熱，從而實現(xiàn)系統(tǒng)無霜連續(xù)穩(wěn)定運行。需注意的是，開式熱源塔是氣液直接接觸式換熱，防凍液溫度升至接近室外空氣濕球溫度不能再繼續(xù)吸熱，故其設(shè)計過程應(yīng)以濕球溫度為基礎(chǔ)[23]。

表1 三種熱源塔熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of three heat-source tower heat pump systems

圖11 開式熱源塔熱泵系統(tǒng)示意圖Fig.11 Schematic diagram of an open-type heat-source tower heat pump system

目前，關(guān)于開式熱源塔熱泵系統(tǒng)的研究主要集中于如下兩方面：①通過實驗、模擬以及工程實踐等方法對其冬季無霜連續(xù)運行的可行性論證和經(jīng)濟性分析；②熱源塔和再生設(shè)備等的運行特性研究。在可行性和經(jīng)濟性分析方面，劉秋克等[41]對開式熱源塔在我國南方的應(yīng)用做了適用性實驗研究，并結(jié)合湖南的工程實例進行了技術(shù)分析，指出開式熱源塔在我國南方可以得到良好的應(yīng)用與發(fā)展。此后，國內(nèi)許多學者[23,41,67-74]通過工程實踐對開式熱源塔熱泵系統(tǒng)在不同氣候環(huán)境和應(yīng)用背景下的可靠性、運行性能、投資和運行成本等開展了大量研究。結(jié)果表明，由于結(jié)構(gòu)不合理、溶液易飄逸，冷卻塔不能直接用于代替能源塔，更為關(guān)鍵的是吸收低位熱能的能力不足，導(dǎo)致熱源塔熱泵系統(tǒng)不能正常工作。相反，若將熱源塔代替冷卻塔來應(yīng)用，其冷卻效率提高50%以上。研究還發(fā)現(xiàn)，開式熱源塔熱泵機組具有冬季無結(jié)霜、運行穩(wěn)定、初投資和運行費用低（年節(jié)省50%）、年運行能耗低等優(yōu)點。同時，熱源塔熱泵在熱力站二次側(cè)作為調(diào)峰熱源方面是可行的，而且也更為經(jīng)濟、環(huán)保和安全[74]。

為從理論上給出開式熱源塔熱泵冬季無霜高效運行的可行性和經(jīng)濟性證據(jù)，并為其系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化和應(yīng)用提供依據(jù)與指導(dǎo)，陳偉等[75]提出以鹽溶液為傳熱工質(zhì)的可調(diào)型鹽溶液熱源塔熱泵系統(tǒng)，研究了不同季節(jié)典型工況下系統(tǒng)性能，驗證了系統(tǒng)運行可靠性并提出節(jié)能改造方案。梁彩華等[76]構(gòu)建了開式熱源塔熱泵實驗裝置，研究了熱源塔溶液進出口溫差對系統(tǒng)運行特性的影響規(guī)律，證明了實驗系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及可靠性。結(jié)果表明，系統(tǒng)制熱效果良好，徹底避免了ASHP 結(jié)霜問題。Huang 等[77]采用數(shù)值方法對比分析了開式熱源塔熱泵和傳統(tǒng)ASHP 的性能，發(fā)現(xiàn)夏季和冬季熱源塔熱泵效率比傳統(tǒng)ASHP 分別提高了23.1%和7.4%。盡管前者初投資比后者高1.2%，但其能耗較低，故在10 年內(nèi)可節(jié)省9.7%的成本。，Liu 等[16]利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實驗對兩種系統(tǒng)在四種氣候區(qū)（西安、上海、沈陽、重慶）的能耗、系統(tǒng)效率和經(jīng)濟效率進行了分析，為其在世界各地的選擇提供參考。由于在實際應(yīng)用中熱源塔熱泵機組常以設(shè)定值運行，導(dǎo)致在不同氣候區(qū)和負荷下效率較低；同時，不同地區(qū)這類系統(tǒng)的性能評價方法不足，也限制了其在世界范圍的發(fā)展。對此，Huang 等[78]建立了熱源塔熱泵系統(tǒng)的物理模型，對熱泵機組、蒸發(fā)器、風機、泵的負荷進行了優(yōu)化，以探討系統(tǒng)的節(jié)能手段。Huang 等[28]還對869 個典型地區(qū)（分為溫暖區(qū)、涼爽區(qū)、混合區(qū)）熱源塔熱泵系統(tǒng)的綜合性能進行了大規(guī)模評估。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱源塔熱泵不僅在溫暖區(qū)和混合區(qū)表現(xiàn)良好（年平均COP 分別為4.67 和3.68），而且適用于涼爽區(qū)（年平均COP 為3.11）。該研究還通過彩色地圖給出了各性能指標的分布情況。此外，為推廣開式熱源塔的應(yīng)用范圍，Chargui 等[79]提出采用大容量熱泵和冷卻塔或熱源塔耦合，旨在充分利用廢水中的蒸汽為單戶供熱，其原理如圖12 所示。研究發(fā)現(xiàn)，當冷卻塔出口蒸汽溫度升高時，熱泵COP 預(yù)測值與理論計算值和實驗值具有較好的一致性，其平均值在6～7 之間。室內(nèi)平均溫度在22～26℃之間，達到了室內(nèi)采暖的舒適性，這不僅防止了環(huán)境污染而且實現(xiàn)了熱泵無霜高效運行。綜上，在各種氣候或條件下，開式熱源塔熱泵均顯示出比傳統(tǒng)ASHP 更優(yōu)越的性能。

圖12 冷卻塔（開式熱源塔）與熱泵耦合余熱回收系統(tǒng)[79]Fig.12 A waste heat recovery system coupling with cooling tower(open-type heat-source tower)and heat pump unit[79]

盡管開式熱源塔熱泵機組表現(xiàn)出較傳統(tǒng)ASHP更為優(yōu)越的性能和更為廣泛的適應(yīng)性，但其系統(tǒng)性能受熱源塔除濕特性和噴淋溶液再生設(shè)備性能等的影響，故國內(nèi)外學者對其內(nèi)部傳熱傳質(zhì)過程和防凍液再生技術(shù)開展了大量研究工作。在塔內(nèi)氣液傳熱傳質(zhì)特性方面，Nishimura[80]最早提出了開式熱源塔傳熱傳質(zhì)系數(shù)的計算方法。針對逆流和橫流型熱源塔，Zhang 等[81]、Tan 等[82]、呂珍余等[83]、賈紀康等[84]和文先太等[30]采用實驗和數(shù)值方法分析了傳熱傳質(zhì)特性。Wen等[85]、劉成興等[86]、Cui等[87]及其他學者[16,27,88-92]建立了傳熱傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式，詳見表2。Huang 等[88]研究并建立了傳熱傳質(zhì)系數(shù)與噴淋密度和空氣流量密度的關(guān)聯(lián)式。Wen 等[30,85-86,93-94]對開式橫流熱源塔夏季/冬季的傳熱傳質(zhì)特性進行了系統(tǒng)研究，分析了液氣比、布液不均勻性、溶液特性、液體進出口溫差、液體流量、空氣流量等對傳熱傳質(zhì)系數(shù)的影響規(guī)律，并建立了傳熱系數(shù)與氣液流量及溫度之間關(guān)聯(lián)式。Lu 等[91]采用理論分析和數(shù)值方法，建立了開式熱源塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)預(yù)測關(guān)聯(lián)式。Su等[27]、Huang 等[92]和Liu 等[16]在劉易斯關(guān) 系 成立的前提下推導(dǎo)了開式熱源塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式。然而，這些傳熱傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式均是根據(jù)特定工況所得數(shù)據(jù)建立的，其普適性未得到有效驗證。

對溶液進行及時再生，防止循環(huán)液濃度過低而凝固，是保證熱源塔熱泵機組連續(xù)穩(wěn)定運行的重要環(huán)節(jié)。盡管關(guān)于干燥劑溶液再生技術(shù)方面已有許多報道，但熱源塔溶液再生和干燥劑溶液再生要求差別較大[90]。干燥劑溶液吸濕性強、再生溫度高，而熱源塔溶液（如乙二醇、丙二醇和甘油[95]）吸濕性弱、再生要求小，其速率受環(huán)境影響較大，故這里僅對近年發(fā)展的熱源塔溶液再生技術(shù)進行總結(jié)。Li等[96]提出采用空氣多級溶液再生技術(shù)，但該系統(tǒng)配置較復(fù)雜且一次投資成本高?？紤]到熱源塔采用吸濕性不強的乙二醇溶液，文先太等[29]提出了一種基于空氣能量回收型溶液再生裝置，介紹了系統(tǒng)工作原理，對比分析了該系統(tǒng)與普通蒸發(fā)溶液再生系統(tǒng)的性能，證明了該新系統(tǒng)用于熱源塔溶液再生的節(jié)能性和實用性，其結(jié)論也得到Huang 等[90]的進一步證實。劉成興等[86]發(fā)現(xiàn)降低入塔空氣濕度或提高溫度，可減少塔內(nèi)凝結(jié)水量，甚至實現(xiàn)溶液再生。Liang 等[97]實驗研究了環(huán)境參數(shù)和再生方式對橫流熱源塔溶液再生率的影響規(guī)律，證明了增加輔助熱可大幅提高溶液再生率。在此基礎(chǔ)上，Huang 等[90]實驗研究了入口參數(shù)對除濕效率和熱效率的影響，并建立了傳熱傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式（表2）。此外，李達等[98]提出低壓條件下溶液沸騰的再生方法，其計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的偏差小于4.5%。曹先齊等[99-100]開展了冷凍法對熱源塔溶液再生的試驗研究，探討了環(huán)境溫度和保溫條件等對再生性能的影響規(guī)律。文先太等[101-102]為真空沸騰冷凝式新型熱源塔溶液提出一種再生系統(tǒng)，該系統(tǒng)將真空沸騰與溶液再生過程水蒸氣在翅片管表面低溫冷凝特性融為一體，實現(xiàn)溶液高效再生。

綜上所述，開式熱源塔熱泵機組的核心設(shè)備為開式熱源塔，雖其結(jié)構(gòu)簡單、造價低，但在高濕度條件下防凍液稀釋加劇，濃度嚴重降低，冰點升高，故須及時添加溶質(zhì)或再生，導(dǎo)致運行費用增大；在低濕度條件下，由于空氣將溶液中大量水分攜帶，導(dǎo)致其濃度增大，存在結(jié)晶風險。由此可見，通過一些措施，如合理控制噴淋量、優(yōu)化系統(tǒng)控制策略及填料層結(jié)構(gòu)設(shè)計等，實現(xiàn)高濕度時噴淋防霜、低濕度時噴淋再生，能夠有效推動開式熱源塔熱泵在節(jié)能環(huán)保中的應(yīng)用。此外，開式熱源塔還存在大量溶液飄逸而污染環(huán)境的問題[66]。各種傳熱傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式的普適性未得到有效驗證。因此，在突破上述關(guān)鍵問題后，開式熱源塔有望在我國冬季低溫高濕環(huán)境持續(xù)時間較長的南方地區(qū)大規(guī)模應(yīng)用。

表2 開式熱源塔內(nèi)氣液傳熱傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式Table 2 Correlations of heat and mass transfer coefficients between gas and liquid in open-type heat-source tower

（2）閉式熱源塔熱泵

如圖13所示，閉式熱源塔熱泵是由閉式熱源塔耦合常規(guī)熱泵機組開發(fā)的另一種新型熱泵技術(shù)。與開式熱源塔相比，其特點在于：①翅片管換熱器代替了填料層；②寬翅片間距（4～8 mm）；③寬翅片。同時，在塔頂風機上方安裝了防漂分離消聲器，從而可減輕開式熱源塔存在的溶液漂失和噪聲污染問題。在冬季供熱運行時閉式熱源塔有如下四種工況：干工況、濕工況、干濕混合工況、防霜工況。當翅片表面溫度高于空氣露點溫度時為干工況；當翅片表面溫度低于空氣露點溫度但高于0℃時為濕工況；當部分翅片表面溫度低于露點溫度而另一部分高于露點時為干濕混合工況；當翅片表面溫度同時低于空氣露點溫度及0℃時為防霜工況。在前三種工況下系統(tǒng)噴淋裝置關(guān)閉，室外空氣降溫放出的顯熱及潛熱經(jīng)過管壁或水膜與管壁傳給管內(nèi)載熱流體，而后載熱流體與制冷劑在板式換熱器（即熱泵室外蒸發(fā)器）內(nèi)進行換熱；而在防霜工況下運行時，為防止?jié)窨諝庵兴魵饫淠笤诔崞砻娼Y(jié)霜，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定溫度和濕度參數(shù)自動噴淋防凍液至翅片管換熱器表面形成液膜，降低翅片表面冰點，此時濕空氣釋放的顯熱和潛熱經(jīng)過防凍液液膜和管壁傳遞給載熱流體，保證系統(tǒng)無霜連續(xù)高效運行[14]。

圖13 閉式熱源塔熱泵系統(tǒng)示意圖Fig.13 Schematic diagram of a closed-type heat source tower heat pump system

眾多學者[24,31,70,103]通過實踐工程應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)閉式熱源塔熱泵均能滿足實際供暖需求。在冬季以吸收空氣中的顯熱為主，而在高濕地區(qū)（如長沙、重慶和南昌等）空氣中水蒸氣相變潛熱高于35%，管內(nèi)循環(huán)溶液出口溫度的波動可有效證明這一點。Li等[104]對冬季閉式熱源塔熱泵的總供熱量、總能耗、總性能系數(shù)等進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)當空氣干球溫度為-1～5℃、相對濕度為71%～95%時，系統(tǒng)COP可達2.58～4.34。Cheng 等[105]實驗研究了不同空氣參數(shù)對閉式熱源塔熱泵性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，當濕球溫度為3.6℃，相對濕度為80%，需啟動噴淋系統(tǒng)進行防霜，此時系統(tǒng)效率提高了5%～11%?？梢姡]式熱源塔熱泵在低溫高濕地區(qū)具有良好的應(yīng)用前景。Yang 等[106]和Cheng 等[107]通過理論分析與傳統(tǒng)ASHP系統(tǒng)的比較也得出同樣的結(jié)論。

為提高閉式熱源塔熱泵性能以及適用性，并為其設(shè)計和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)，近年學者們在閉式熱源塔性能方面已展開了大量研究。陳琦等[108]實驗研究了空氣溫度、相對濕度、空氣和溶液流量等對閉式熱源塔換熱性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，熱源塔能效比隨空氣溫度和相對濕度升高而顯著增大，隨溶液流量增大而降低。李騰波等[109]實驗發(fā)現(xiàn)空氣流量對閉式熱源塔吸熱效率和能效比的影響最大。賀志明等[33]利用Matlab 自編程序得到了閉式熱源塔內(nèi)空氣焓值呈線性分布，并發(fā)現(xiàn)塔內(nèi)翅片管換熱器上部分比下部分換熱效果好，中部溫度較低容易出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。需說明的是，該研究中假設(shè)液膜均勻分布于翅片表面，而這與實際情況并不完全符合。潘科等[110]采用同樣方法研究了上海冬季閉式熱源塔性能，發(fā)現(xiàn)上海地區(qū)空氣相對濕度大于50%，閉式熱源塔以噴淋工況運行的時間占整個供暖期的67%。李崢嶸等[111]優(yōu)化了防霜工況下塔內(nèi)翅片間距，指出在滿足吸熱量的前提下，應(yīng)選取大翅片間距。這難免造成設(shè)備體積及占地面積大等問題。對此，建議在考慮不同工況下系統(tǒng)性能匹配的同時優(yōu)化換熱設(shè)備緊湊性。Song等[26]采用實驗對甘油溶液和CaCl2溶液橫流閉式熱源塔性能進行了定量對比，發(fā)現(xiàn)甘油溶液系統(tǒng)的總傳熱能力提高了1.3～1.7 倍。此外，還建立了傳熱傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，以期預(yù)測閉式熱源塔的性能[26,112]。考慮到傳熱傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式對熱源塔性能的認識有限，Zendehboudi等[25]采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)法和非支配排序遺傳算法建立了閉式熱源塔性能評價模型，并通過實驗進行了驗證。然后，利用所建模型對系統(tǒng)進行了敏感性分析，以提供對閉式熱源塔的全面理解。

關(guān)于熱源塔噴淋液再生方面主要以開式熱源塔為主，而閉式熱源塔方面的相關(guān)研究較少。Song等[113]提出利用內(nèi)加熱式回熱器進行防凍液再生的新方法，實驗研究了三種流體流量和空氣流量對再生效果的影響，并給出最優(yōu)空氣流量為93 L/h。還建立了傳熱傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式，其計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。鑒于閉式熱源塔噴淋液的量比較少，不推薦增設(shè)專門大型的除濕裝置，而建議采用輔助電加熱、系統(tǒng)余熱、空氣熱回收和干工況下溶液噴淋再生。其中，系統(tǒng)余熱結(jié)合干工況下溶液噴淋再生方式是一種值得深入探討的再生模式。當系統(tǒng)長時間在防霜工況下運行，濃溶液儲量難以滿足系統(tǒng)無霜連續(xù)運行時，采用系統(tǒng)余熱實現(xiàn)溶液再生；當防霜工況運行時間較短，濃溶液儲量足以滿足系統(tǒng)無霜連續(xù)運行時，將稀溶液存儲起來在干工況下繼續(xù)開啟噴淋裝置，利用溶液表面水蒸氣分壓力大于空氣水蒸氣分壓力，水蒸氣向空氣側(cè)運動，實現(xiàn)噴淋液的再生過程。同時，干工況下溶液噴淋期間翅片管換熱器空氣側(cè)由氣-固傳熱變?yōu)闅?液-固傳熱過程，若再通過一定技術(shù)手段強化氣液傳熱過程，也可以改善空氣側(cè)傳熱效率。

盡管閉式熱源塔熱泵較開式熱源塔熱泵機組有很大改善，但也存在一些缺陷或問題。如閉式熱源塔熱泵噴淋液暴露在空氣中，仍然存在漂失問題，且比開式熱源塔的初投資高；管內(nèi)載熱流體與室外空氣的間接換熱方式，導(dǎo)致?lián)Q熱效率低；塔內(nèi)換熱器結(jié)構(gòu)與噴淋系統(tǒng)的匹配對系統(tǒng)性能的影響十分顯著。比如翅片間距太窄容易形成干斑或液橋，會堵塞流動通道且存在結(jié)霜風險；而間距太寬導(dǎo)致設(shè)備緊湊性差，影響設(shè)備體積、占地面積、供熱量和設(shè)備成本等。同時，目前在研究閉式熱源塔內(nèi)氣液傳熱傳質(zhì)過程中，假設(shè)液膜均勻分布于翅片表面，然而由于管壁的存在，流動通道呈周期變化，導(dǎo)致該假設(shè)與實際情況并不完全相符。因此，系統(tǒng)研究不同工況下閉式熱源塔內(nèi)翅片管換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)、入口空氣參數(shù)和溶液噴淋參數(shù)等對熱源塔熱泵機組性能的影響十分必要。其中，研究并掌握翅片管換熱器表面液膜特性（如形成、分布、厚度、破裂等），揭示其滿膜流的影響規(guī)律對改善閉式熱源塔防霜工況性能至關(guān)重要。此外，還需特別考慮冬夏多種工況下，閉式熱源塔內(nèi)載熱流體與空氣的強化換熱技術(shù)，旨在改善機組不同工況下系統(tǒng)性能匹配的同時優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)緊湊性，降低設(shè)備體積、占地空間及投資成本等?？紤]到投資成本高、設(shè)備體積及占地面積大等因素，建議閉式熱源塔熱泵在冬季低溫高濕環(huán)境持續(xù)時間較長地區(qū)發(fā)展。

（3）改進熱源塔熱泵

考慮到開式和閉式熱源塔熱泵機組在實際應(yīng)用中存在的眾多問題，學者們對熱源塔進行了優(yōu)化。如圖14所示，根據(jù)熱源塔結(jié)構(gòu)的不同可分為如下三類[31,114-116]：①改進閉式熱源塔（上噴）；②具有預(yù)凝功能的熱源塔（下噴）；③無填料的開式熱源塔（上噴）。

目前，關(guān)于上述三類改進式熱源塔熱泵性能方面研究未見報道，而僅處于對三種類型熱源塔原理和性能方面的研究。對此，文獻[66]進行了分析報道和詳細綜述，這里不再贅述。

需強調(diào)的是，今后對這三種類型熱源塔與ASHP 耦合后的新型熱源塔熱泵系統(tǒng)的性能、適用性和經(jīng)濟性等有待深入研究，為熱源塔熱泵機組在夏熱冬冷高濕環(huán)境較長地區(qū)的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2.2.3 溶液直接噴淋型 考慮到增加除濕設(shè)備導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜且投資成本升高，近年國內(nèi)部分學者和廠商提出在ASHP 室外蒸發(fā)器表面直接噴淋防凍液或湖水來避免其冬季結(jié)霜現(xiàn)象，同時夏季仍可作為冷凝器通過噴水蒸發(fā)冷卻完成制冷劑的放熱冷凝過程，這為無霜ASHP 機組在冬季低溫高濕環(huán)境較短地區(qū)的大規(guī)模應(yīng)用提供了思路。喬春珍等[117]以連云港某建筑為例，提出當空氣溫度小于7℃，相對濕度大于等于60%時，通過湖水噴淋實現(xiàn)ASHP 無霜運行。模擬發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)ASHP 相比，改造后ASHP 全年可節(jié)約電量4.2%，但未利用實驗對方案可行性進行驗證。姚楊等[39]提出在ASHP 蒸發(fā)器表面噴淋甘油水溶液，實現(xiàn)其無霜連續(xù)穩(wěn)定運行，并實驗證明了該方案的可行性。然而，該研究為了防止噴淋液對換熱器的腐蝕作用，采用黏度較大的有機甘油溶液作為噴淋液，這將影響噴淋液的成膜特性和排出速度。即便采用噴霧小液滴實現(xiàn)無霜運行，也難免在小翅片間距內(nèi)形成液橋堵塞流動通道。另外，甘油溶液再生溫度較高，導(dǎo)致能耗增大。

圖14 三種改進式熱源塔結(jié)構(gòu)示意圖[31,114-116]Fig.14 Structure diagram of three kinds of improved heat source tower[31,114-116]

此后，針對防凍液直接噴淋型無霜ASHP 系統(tǒng)，一些相關(guān)研究也陸續(xù)報道。如付慧影等[17]指出在噴淋工況下，甘油溶液濃度為31%～65%，噴淋流量為0.53～0.64 t/(h·m2)時，可保證系統(tǒng)無霜連續(xù)運行。Jiang 等[22]實驗研究了甘油溶液濃度和質(zhì)量流量對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，指出甘油溶液初始濃度為70%，再生濃度為30%，并實驗驗證了結(jié)論的合理性。該研究還表明最佳溶液濃度為50%，流量為0.287 t/h。盡管如此，噴淋時系統(tǒng)COP 仍然明顯低于常規(guī)逆循環(huán)除霜ASHP 系統(tǒng)一個周期的平均COP。其主要原因在于常規(guī)熱泵系統(tǒng)室外翅片管蒸發(fā)器翅片間距較窄（1.5～2 mm），當?shù)捅c甘油溶液噴淋至翅片通道時易于形成液橋，減小空氣流通截面積，增加系統(tǒng)能耗，從而降低其性能?？梢?，常規(guī)ASHP 機組室外蒸發(fā)器不宜直接用于溶液噴淋防霜系統(tǒng)。許東晟等[118]通過實驗驗證了噴淋溶液集中再生方案的可行性，分析了再生條件，通過計算給出了噴淋溶液集中再生所需溶液罐的體積。Zhang等[6]對溶液直接噴淋無霜熱泵系統(tǒng)的室外機噴淋前后損失和系統(tǒng)經(jīng)濟性進行了理論分析，為這類無霜ASHP 的設(shè)計、優(yōu)化和實踐工程應(yīng)用提供了理論參考。

綜上可知，盡管多數(shù)研究在無霜運行的可行性、防凍液的噴淋參數(shù)、防凍液濃度再生及對整個熱泵空調(diào)系統(tǒng)COP 影響評價已開展了很多很有價值的工作，但溶液直接噴淋型無霜ASHP 系統(tǒng)離實際工程應(yīng)用尚有很大距離，諸多問題還有待進一步深入研究。比如，傳統(tǒng)ASHP 室外翅片管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)與噴淋工況的匹配問題，噴淋溶液選擇、噴淋系統(tǒng)的安裝布置和噴淋方式等。特別是通過綜合研究制冷（噴水）和制熱（噴溶液）兩種工況下空氣通道壁面、噴淋液膜、濕空氣之間傳熱傳質(zhì)特性來優(yōu)化室外換熱器緊湊性及性能匹配的研究尚十分欠缺。對此，未來擬從如下三方面展開研究：（1）選擇合適的溶液組分并實現(xiàn)較薄滿膜流動，降低液膜傳熱阻力并避免局部結(jié)霜阻塞通道；（2）強化氣液界面熱質(zhì)傳遞速度，通過使液膜表面產(chǎn)生擾動或多維波動，增大空氣邊界層與液膜接觸面積，降低空氣與液膜間的傳熱傳質(zhì)阻力；（3）通過換熱裝置幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計，強化熱阻較大的傳熱環(huán)節(jié)，使傳熱的所有熱阻環(huán)節(jié)得到良好匹配，實現(xiàn)換熱裝置的性能最優(yōu)和結(jié)構(gòu)最緊湊。

2.3 其他無霜技術(shù)類型

除上述幾類無霜技術(shù)外，近年部分學者還通過改進熱泵系統(tǒng)或增設(shè)其他設(shè)備來實現(xiàn)ASHP 在冬季無霜連續(xù)運行。如Zhang 等[42]提出采用排氣熱回收實現(xiàn)系統(tǒng)無霜運行。在加熱模式下，當周圍環(huán)境處于結(jié)霜條件時，室外蒸發(fā)器停止運行，系統(tǒng)靠室內(nèi)蒸發(fā)器（即排氣熱回收盤）回收排氣潛熱和顯熱實現(xiàn)無霜運行；當室內(nèi)蒸發(fā)器無法保證舒適的送風溫度時，也就是說，在超低溫條件下，當室內(nèi)蒸發(fā)器表面出現(xiàn)輕微結(jié)霜時，室外蒸發(fā)器開始運行并從周圍環(huán)境吸收熱量，這時室外空氣濕度低，蒸發(fā)器很難結(jié)霜。結(jié)果表明，在環(huán)境溫度為-20～10℃時，該系統(tǒng)可以滿足供暖需求，并保持兩個蒸發(fā)器無霜凍。全年可有效回收廢氣中的余熱，具有廣泛的適用性，特別是在寒冷氣候條件下，節(jié)能效果顯著。然而，該系統(tǒng)要求具有靈活精準的控制系統(tǒng)。Kwak等[44]采用輔助電加熱對入口空氣進行加熱，避免蒸發(fā)器表面結(jié)霜。但該研究中實驗空氣溫度均較高，對低溫度下未進行研究。Mader 等[45]提出采用主動分配閥控制并聯(lián)蒸發(fā)器通道制冷劑流動，使得單蒸發(fā)器回路定期關(guān)閉。當沒有制冷劑在閉路中蒸發(fā)時，只要空氣溫度高于0℃，換熱器表面溫度就會升高，周圍空氣的流量足以使表面冷凝水快速排出。結(jié)果表明，在標準結(jié)霜條件下，蒸發(fā)器可以保持無霜。

3 總結(jié)與展望

本文在對無霜ASHP 技術(shù)原理進行總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合三方面特點對其進行分類，重點綜述了固體除濕型無霜熱水機組和液體除濕型無霜供熱機組的研究現(xiàn)狀，并指出了存在的問題及推薦研究。同時，初步給出了不同環(huán)境條件下無霜技術(shù)的優(yōu)先發(fā)展級。主要結(jié)論和下一步研究建議如下。

（1）根據(jù)有無干燥劑、干燥劑聚集態(tài)和機組用途，無霜技術(shù)可分為固體除濕型無霜熱水機組、液體除濕型無霜供熱機組和其他無霜技術(shù)三種類型；根據(jù)空氣除濕設(shè)備安裝位置和熱泵蒸發(fā)器利用低品位熱源的方式，固體除濕型可分為固體預(yù)除濕型和蓄熱耦合型無霜技術(shù)，液體除濕型可分為液體預(yù)除濕型、熱源塔型和溶液直接噴淋型無霜技術(shù)。

（2）各種無霜技術(shù)均是通過破壞冷表面結(jié)霜的兩個必要條件實現(xiàn)ASHP 無霜連續(xù)穩(wěn)定運行的。液體預(yù)除濕型無霜技術(shù)一方面利用空氣顯熱加熱蒸發(fā)制冷劑解決了結(jié)霜問題，另一方面通過干燥劑再生過程空氣循環(huán)調(diào)控了室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)；固體除濕型、熱源塔型和溶液直接噴淋型無霜技術(shù)有效利用濕空氣顯熱和潛熱共同蒸發(fā)制冷劑，旨在實現(xiàn)系統(tǒng)無霜連續(xù)高效穩(wěn)定運行。需要指出的是，除干燥劑再生技術(shù)外，改善固體干燥劑涂層性能、實現(xiàn)較薄滿膜流、增強氣液界面多維擾動、優(yōu)化換熱器幾何結(jié)構(gòu)，進而強化空氣側(cè)換熱并降低傳熱傳質(zhì)阻力是這三種無霜技術(shù)未來需要進一步深入研究的課題。

（3）固體除濕型無霜熱泵技術(shù)均是基于一種結(jié)構(gòu)形式下，系統(tǒng)性能、評價及應(yīng)用拓展等方面的研究，而對新型蓄熱材料、物理吸附干燥劑新材料、干燥劑低溫環(huán)境除濕性能、干燥劑低溫高效再生技術(shù)、內(nèi)冷除濕器和蒸發(fā)器濕工況性能等研究還有待深入探索；在干燥劑再生模式下，蓄熱器放熱過程的損失率較高，對此未來需進一步深入研究。另外，太陽能作為一種清潔可再生能源，若能將其作為補充熱源與蓄熱和除濕技術(shù)共同集成對開發(fā)多功能（如制冷、熱水、制熱）無霜ASHP 系統(tǒng)有著重要的意義。

（4）開式熱源塔熱泵是目前研究最廣泛的一種液體除濕型無霜熱泵技術(shù)，其可行性、經(jīng)濟性、適用性和推廣價值被廣泛報道，但其存在諸多問題的解決方案還未得到實踐工程上的完全認可和推廣應(yīng)用；閉式熱源塔熱泵和溶液直接噴淋型無霜技術(shù)對ASHP 機組在低溫高濕地區(qū)的推廣有著積極且重要的意義，但通過綜合研究制冷和制熱兩種工況下翅片管換熱器外側(cè)空氣通道壁面、噴淋液膜、空氣之間傳熱傳質(zhì)特性來優(yōu)化換熱設(shè)備緊湊性及性能匹配的研究尚十分欠缺。

（5）根據(jù)不同無霜技術(shù)特點以及我國氣候特點等因素，建議在冬季低溫高濕環(huán)境持續(xù)時間較短地區(qū)，優(yōu)先發(fā)展溶液直接噴淋型無霜機組（供冷、熱水和供熱），其次發(fā)展液體預(yù)除濕型無霜機組（可調(diào)控室內(nèi)空氣濕度）；在冬季低溫高濕環(huán)境持續(xù)時間較長地區(qū)，優(yōu)先發(fā)展改進式熱源塔熱泵無霜機組，其次發(fā)展閉式熱源塔熱泵機組；在僅需熱水供應(yīng)的低溫高濕地區(qū)，優(yōu)先發(fā)展固體除濕型無霜機組。

綜上所述，對比各種無霜技術(shù)，僅有液體預(yù)除濕型無霜ASHP 系統(tǒng)在運行中確保無結(jié)霜現(xiàn)象的同時，通過溶液再生系統(tǒng)排出的濕空氣、室內(nèi)環(huán)境空氣和室內(nèi)冷凝器共同作用來調(diào)控室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)（包括空氣溫度和濕度），從而滿足室內(nèi)居民的舒適性和健康性要求。另外，今后應(yīng)主導(dǎo)做好無霜系統(tǒng)中直接影響投資成本和運行性能相關(guān)的研究（如新型蓄熱材料、蓄熱設(shè)備性能提升、固體干燥劑低溫除濕性能、干燥劑低溫再生技術(shù)、除濕設(shè)備與熱泵匹配性能、室外換熱器緊湊性優(yōu)化及性能匹配等），并結(jié)合不同地區(qū)氣候環(huán)境優(yōu)化控制系統(tǒng)，開發(fā)集性能高、成本可觀、推廣價值高且地域限制較小的多功能無霜ASHP技術(shù)。

符 號 說 明

A——填料塔橫截面積，m2

at——填料的比表面積，m-1

B——填料寬度，m

cp——比定壓熱容，J/(kg·K)

D——填料的間距，m

DG——水蒸氣在空氣中的擴散系數(shù)，m2/s

da,ds,dw——分別為空氣、溶液和水的比濕度，kg/kg

Er——填料效率無量綱準則數(shù)

Ga——空氣流量，kg/(m2·s)或kg/s

Gda——干空氣流量，kg/s

Gs——溶液流量，kg/(m2·s)或m3/h或kg/min或kg/s

H——填料高度，m

hc——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

hd——傳質(zhì)系數(shù),W/(m2·K)或kg/(m2·s)

L——填料長度，m

Le——Lewis數(shù)

Nu——Nusselt數(shù)

Pr——Prandtl數(shù)

Re——Reynolds數(shù)

RH——相對濕度，%

Sc——Schmidt數(shù)

Sh——Sherwood數(shù)

T——溫度,℃

V——節(jié)流閥開度，%

x——固體干燥劑質(zhì)量，kg

y——蓄熱材料體積，ml

λa——空氣熱導(dǎo)率，J/(m·K)

ρ——密度，kg/m3

ν——運動黏度，m2/s

χ——質(zhì)量分數(shù)，%

上角標

i——第i個控制單元

下角標

a——空氣

da——干空氣

s——溶液

w——水