1. 引言
区域能源系统是为了满足某一特定区域内建筑群落的集中供热、供冷需求，由专门的区域能源站集中制造热冷源等，并通过输配管网进行供给的一个或多个大规模生活热水、空调热、冷源系统。空气能热泵热水器是区域能源系统内主要设备之一。由于空气能热泵主要在冬季或寒冷地区使用，室外换热器受环境空气温度、湿度的影响，表面会结霜，不断累积的霜层会阻碍盘管间的空气流动，削弱换热性能，从而导致热泵的性能下降。因此热泵需要采用适当的方法抑制换热器表面结霜，或者进行周期性除霜。有相关的研究表明：除霜过程的能耗占到了空气源热泵制热运行总能耗的10% [1]。现有的抑制结霜的技术并不能起到很好的效果；而且常规的周期性除霜，容易导致除霜不干净，从而有部分霜残留，在长年累月下，依旧会较大的影响热泵性能。
针对实际运行中常规除霜的方法存在的不足，国外也提出了一些新型除霜的系统形式和除霜的控制方式来优化除霜过程[2]。Hayashi等将霜层的形成过程分为霜晶的形成阶段、霜层成长阶段和霜层完全发展阶段[3]。Lee等探究了霜层厚度的增长随着冷表面温度降低和空气含湿量增大而加快[4]。在热泵技术2001年进入到国内后，国内学者对于空气源热泵的多种除霜方法展开了大量研究[5]-[7]。
水蒸气在冷表面上凝结过程的时间以及数量和大小都会对结霜的过程有着重要的影响，而凝结的状况又与表面特性息息相关，因此冷表面特性将会对霜层的形成过程起着至关重要的作用[8]-[10]。周艳艳制备了仿生疏水表面，具有一定的抑霜效果[11]。有研究指出，亲水表面在相对低温低湿的环境下抑霜效果较好，而疏水表面在相对高温高湿的环境下抑霜效果较好[12] [13]。何桂香等制备出超疏水铝基翅片，表现出良好的抑制结霜、快速融霜的特性[14]。单一的亲水或疏水涂层已经被大量验证能对抑制结霜有所帮助，然而性能仍然不够理想，同时亲疏水复合涂层对抑制结霜、提高除霜效率的研究仍有不足。
本文是以提高空气能热泵除霜效率为目的，开发新型除霜换热器，改善制热结霜，提高能效；针对不同的热泵使用环境，调整优化应用于翅片上超疏水–亲水混合纳米结构的表面涂层，加强液滴在表面的自弹跳现象，极大提升液滴从表面脱离的速度，加快除霜速度，同时加强换热抑制结霜、提高除霜效率。
2. 实验详解
在本文中，研发了一种复合纳米结构的表面涂层，涂覆在翅片表面。该涂层通过在超疏水表面上添加亲水的二氧化硅微纳米级颗粒而形成的混合纳米结构涂层，控制液滴在表面的大小，加强液滴在表面的自弹跳现象。通过超疏水的特性，极大的降低液滴对表面的附着力，液滴从表面脱离的速度，提高除霜效率的同时，提升换热效率[15]。针对不同使用环境的智能热泵供热系统需求，在超疏水–亲水混合纳米结构的表面涂层的基础上进行了有针对性的改良和完善，通过数值仿真、实验测试等手段，研究、调整、优化局部亲水颗粒的尺寸、间隔、密度等，实现最佳性能。
2.1. 复合纳米涂层的制备
复合纳米涂层制备主要包括制备超疏水基底及亲水化两步，具体步骤如下[16]：
依次使用400目、600目、800目、1200目、1500目及2000目的砂纸将铜板打磨光滑；
将铜板浸入丙酮溶液10分钟并取出；
将铜板浸入乙醇溶液10分钟并取出；
将铜板浸入AgNO3溶液20分钟并取出；
将铜板浸入十七氟-1-十硫醇(HDFT)二氯甲烷溶液30分钟并取出，铜板表面将形成超疏水界面，形成超疏水基底；
将3.5 g醇溶性尼龙和100 mL甲醇溶液混合，在常温下以100 rpm的速度搅拌24小时；随后在60℃的温度下以100 rpm的速度搅拌1小时，形成亲水溶液；
将亲水溶液雾化成颗粒，通过静电喷涂方式，将颗粒沉积在超疏水基底上，完成复合纳米涂层的制备。
静电喷涂过程中，基底竖直放置，喷嘴与基底间隔110 mm水平放置。溶液挤出速度为0.12 mL/h，液滴会因电场作用自动从喷嘴(−0.5 kV)射向基底(+5.5 kV)。制备完成后，具有复合纳米涂层的铜板如图1所示。
Figure 1. Copper plate with composite coating
图1. 具有复合涂层的铜板
通过水滴在铜片、超亲水涂层、超疏水涂层表面的接触角实验确定其特性。实验结果如表1所示。
Table 1. Results of the contact angle experiment
表1. 接触角实验结果
铜片表面 |
超亲水表面 |
超疏水表面 |
79˚ |
3˚ |
164˚ |
2.2. 冷凝性能测试平台搭建及实验测试
测试平台实物图如图2所示。测试平台搭建于控温控湿的环境仓内，主要部件有：恒温水箱、水泵、电动球阀、换热器、电子秤以及各类传感器等。
实验过程中，具有复合涂层的实验样品背面紧贴在换热器上，正面裸露在环境仓中。通过恒温水箱提供稳定温度及流量的冷却水及换热器。冷凝水在实验样品正面冷凝并滴落到采集器中，并通过电子秤测量冷凝水重量。实验平台中，所有由传感器所得到的数据都由数据采集设备所采集并直接导入电脑中。在电脑中的数据采集界面由NI LabVIEW构建。数据每3秒采集一次并上传到电脑中。
Figure 2. The testing platform (a) Environmental Chamber; (b) Heat exchanger; (c) Main part of the testing platform
图2. 实验平台实物图(a) 环境仓；(b) 换热器；(c) 实验平台主体
表2为冷凝性能实验的运行参数设置。表2中，Tcool,in为冷却水进水温度；Tec为环境仓内温度；RH为环境仓内相对湿度；ṁcool为冷却水流速；t为单组实验时间。通过控制变量法，逐个测试在不同的冷却水温度以及环境仓内相对湿度下的冷凝速度。测试冷却水温度对冷凝速度的影响时，相对湿度控制在50%；测试相对湿度对冷凝速度的影响时，冷却水温度控制在10℃。
在本文中，在不同的冷却水温度及湿度下对铜表面以及具有复合涂层的实验样品进行了实验研究，实验结果如图3及图4所示。随着冷却水温度的上升，铜表面以及实验样品表面，冷凝速度均有所下降。在实验过程中，实验样品表面的冷凝速度比铜表面平均提高了81.5%。随着相对湿度的下降，铜表面以及实验样品表面，冷凝速度同样有所下降。在实验过程中，实验样品表面的冷凝速度比铜表面平均提高了82.9%。
Table 2. Setting of operating condition
表2. 运行参数设置
参数 |
数值 |
单位 |
Tcool,in |
4, 7, 10, 13, 16 |
˚C |
Tec |
25 |
˚C |
t |
120 |
min |
ṁcool |
2 |
kg/min |
RH |
35, 50, 65, 80, 95 |
% |
Figure 3. The influence of cooling temperature on condensation rate
图3. 冷却温度对冷凝速度的影响
Figure 4. The influence of relative humidity on condensation rate
图4. 相对湿度对冷凝速度的影响
2.3. 结霜速度实验测试
在本文中，将本项目的实验样品表面涂层与常见的换热器表面疏水涂层进行了结霜速度对比。经接触角实验确定，市面上常用的疏水涂层接触角约为115˚。
为了营造稳定的测试环境，环境仓内环境温度维持在25℃，并向仓内注满纯气态N2，用以消除液体蒸发及避免湿度变化。涂层背面则保持−5℃的温度，用于启动从过冷凝结到液滴冻结的多相转变。
由图5可见，在实验开始时，实验样品表面涂层及疏水表面涂层均无液滴。随着时间增长，2个涂层表面均开始逐渐出现液滴。在4.5分钟时，疏水表面涂层开始出现结霜现象；在5.3分钟时，疏水表面涂层约有80%的面积有结霜现象，而实验样品表面涂层仍未见结霜。直至12.3分钟后，实验样品表面涂层开始出现结霜现象，15.5分钟后，实验样品表面涂层约有80%的面积有结霜现象。无论结霜出现的时间，以及从结霜出现到覆盖80%面积所需要的时长，均有所延迟。由此可见，相对于常见的换热器表面疏水涂层，本文的实验样品表面涂层对于结霜现象有较好的抑制作用。
Figure 5. Comparison of condensation-to-freezing dynamics between the Experimental sample coating and common hydrophobic coatings for heat exchangers
图5. 实验样品涂层与常见的换热器疏水涂层的结霜对比
3. 结果与讨论
在本文中，通过在超疏水表面上添加亲水的二氧化硅微纳米级颗粒，设计及制备了一种具有复合纳米结构的表面涂层。该涂层能控制液滴在表面的大小，加强液滴在表面的自弹跳现象，从而具有加快冷凝速度、抑制结霜速度的效果。
在冷凝测试中，与铜表面相比，复合纳米涂层冷凝速度提高了约80%；在结霜测试中，与常见的疏水涂层相比，复合涂层出现结霜现象由4.5分钟延迟到12.3分钟，从结霜出现到覆盖表面80%面积所需要的时长从0.8分钟延迟到3.3分钟。
由此可见，本文提出的复合纳米涂层，在提升冷凝速度、抑制结霜方面均具有一定的优势，未来在热泵系统室外换热器上有一定的应用潜力和空间。
基金项目
广州市科技计划市校(院)企联合资助项目(2024A03J0319)。
NOTES
*通讯作者。