全球變暖主要由人為溫室氣體排放驅(qū)動(dòng)，已成為一個(gè)緊迫的全球性挑戰(zhàn)，需要迫切優(yōu)化所有工業(yè)領(lǐng)域的能源消耗[1]。建筑和建筑行業(yè)尤為關(guān)鍵，約占全球能源需求的34%和能源相關(guān)二氧化碳排放的34%。暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)是這一能源負(fù)擔(dān)的重要組成部分，自2000年以來(lái)其空間冷卻需求年均增長(zhǎng)4%，其中亞太地區(qū)貢獻(xiàn)最大。因此，實(shí)現(xiàn)凈零能耗建筑在很大程度上依賴于高性能HVAC技術(shù)的應(yīng)用，如空氣源熱泵，提高HVAC能效對(duì)于實(shí)現(xiàn)全球氣候目標(biāo)至關(guān)重要[1]。
這一挑戰(zhàn)因全球向低全球變暖潛能值（GWP）制冷劑的轉(zhuǎn)型而變得更加復(fù)雜，這一轉(zhuǎn)型受到《蒙特利爾議定書(shū)》基加利修正案等國(guó)際協(xié)議的推動(dòng)[2]。在提高能效的同時(shí)適應(yīng)低GWP制冷劑的雙重要求，凸顯了基礎(chǔ)組件創(chuàng)新的重要性，尤其是在換熱器設(shè)計(jì)方面——換熱器是決定HVAC系統(tǒng)性能的核心組件之一[3]。
在這種背景下，微通道換熱器（MCHX）作為一種變革性技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。MCHX的特點(diǎn)是具有內(nèi)部微通道的扁平管（水力直徑通常為1毫米）和優(yōu)化的翅片（波狀或百葉窗狀），與傳統(tǒng)翅片管式換熱器相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，包括單位體積更高的傳熱面積、更低的材料消耗以及減少30%–60%的制冷劑充注量[4]、[5]。這些特性使MCHX成為汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的首選，并使其成為住宅和商業(yè)HVAC應(yīng)用的有前景的替代方案[3]、[6]、[7]。
然而，MCHX在空氣源熱泵中的應(yīng)用受到一個(gè)持續(xù)存在的技術(shù)問(wèn)題的阻礙：在潮濕和結(jié)霜條件下性能下降。傳統(tǒng)的MCHX結(jié)構(gòu)采用水平管和蛇形翅片，這些結(jié)構(gòu)會(huì)在翅片凹腔和管翅接頭處積聚冷凝水和融水[3]。高翅片密度會(huì)通過(guò)形成狹窄、曲折的流道加劇這一問(wèn)題，阻礙有效排水。排水不良的后果是多方面的：在潮濕條件下，積聚的水分會(huì)增加熱阻和空氣側(cè)壓降，降低氣流并引發(fā)性能下降[8]、[9]、[10]；在結(jié)霜條件下，積聚的水分會(huì)加速霜層生長(zhǎng)，堵塞空氣通道，增加壓降，并觸發(fā)頻繁且能耗高的除霜循環(huán)[11]、[12]、[13]。不完全除霜還會(huì)導(dǎo)致“性能階梯效應(yīng)”——即在后續(xù)循環(huán)中積聚的水分重新凍結(jié)，這對(duì)MCHX在易結(jié)霜環(huán)境中的可靠運(yùn)行構(gòu)成了重大障礙[3]、[10]、[14]。
已有大量研究致力于解決MCHX的排水和結(jié)霜問(wèn)題，提出了多種技術(shù)解決方案，但每種方案都有其固有的局限性：
表面處理和涂層：親水或疏水涂層可以改變水的潤(rùn)濕性，但對(duì)MCHX進(jìn)行釬焊后的涂層質(zhì)量不穩(wěn)定且耐久性差，且涂層性能在結(jié)霜-除霜循環(huán)中變化顯著[15]、[16]。
空氣側(cè)管理：通過(guò)干燥劑除濕可以減少冷凝，但需要復(fù)雜且耗能的輔助設(shè)備，限制了其在住宅HVAC系統(tǒng)中的應(yīng)用[17]、[18]。
外部場(chǎng)應(yīng)用：電場(chǎng)、磁場(chǎng)或超聲波場(chǎng)可以擾動(dòng)霜層/水層，但在商業(yè)設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用受到能效和可靠性問(wèn)題的限制[19]、[20]。
系統(tǒng)控制策略：先進(jìn)的除霜控制可以優(yōu)化循環(huán)時(shí)機(jī)，但仍是一種被動(dòng)措施，無(wú)法解決霜層積累和水分保持的根本原因[21]、[22]。
相比之下，幾何和結(jié)構(gòu)改進(jìn)直接解決了MCHX的設(shè)計(jì)缺陷，使其成為更可持續(xù)的解決方案。提出的改進(jìn)措施包括優(yōu)化翅片和管子的間距、垂直管子的方向以及延長(zhǎng)翅片邊緣以利于排水[8]、[23]、[24]。其中一種顛覆性的設(shè)計(jì)是垂直翅片微通道換熱器（VMHX），如圖3(a)所示。該技術(shù)由張和Hrnjak等研究人員率先開(kāi)發(fā)[8]、[25]、[26]，VMHX用垂直連續(xù)的翅片取代了水平蛇形翅片，并延長(zhǎng)了迎風(fēng)翅片邊緣，形成重力驅(qū)動(dòng)的排水通道，使冷凝水和融水沿?zé)o障礙路徑向下流動(dòng)[3]、[6]、[14]、[24]、[27]。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)非常有效，使得MCHX能夠成功用作熱泵的蒸發(fā)器（而不僅僅是冷凝器）[3]、[6]、[11]、[14]、[27]、[28]。
盡管取得了這些進(jìn)展，但VMHX的設(shè)計(jì)優(yōu)化仍不完善，尤其是在翅片幾何形狀和間距方面。兩種主要類(lèi)型的翅片——波狀（波紋）和百葉窗狀翅片——存在明顯的權(quán)衡：百葉窗狀翅片通過(guò)中斷熱邊界層提高干燥條件下的傳熱能力，但導(dǎo)致壓降增加[29]、[30]；而波狀翅片則在保持較低流阻的同時(shí)提供適中的傳熱能力。然而，這些權(quán)衡在結(jié)霜條件下的表現(xiàn)尚不清楚：百葉窗狀翅片的復(fù)雜幾何形狀可能會(huì)積聚水分并加速霜層堵塞，而波狀翅片的連續(xù)通道可能減緩霜層生長(zhǎng)并改善排水。翅片間距也與結(jié)霜性能相關(guān)：較密的翅片（1.3毫米間距）提供更大的傳熱面積但霜層積聚量有限，而較寬的間距（1.5毫米間距）延長(zhǎng)了運(yùn)行周期但減少了初始傳熱面積。關(guān)鍵的是，尚未系統(tǒng)研究不同運(yùn)行條件（干燥和結(jié)霜）下翅片類(lèi)型和間距之間的相互作用，以及針對(duì)空氣源熱泵的專(zhuān)門(mén)排水測(cè)試——這三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的運(yùn)行工況。現(xiàn)有研究通常孤立地關(guān)注個(gè)別條件，缺乏對(duì)性能權(quán)衡的全面分析[3]、[28]。
為填補(bǔ)這一研究空白并實(shí)現(xiàn)針對(duì)特定氣候條件的VMHX優(yōu)化，本研究在標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試條件（中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7725-2022）下，對(duì)波狀和百葉窗狀翅片（間距分別為1.3毫米和1.5毫米）的熱工性能進(jìn)行了全面實(shí)驗(yàn)研究。主要科學(xué)貢獻(xiàn)包括：
- 1.
系統(tǒng)性能映射：
在干燥和結(jié)霜運(yùn)行條件下，對(duì)四種VMHX配置（W1.3、L1.3、W1.5、L1.5；其中W表示波狀翅片，L表示百葉窗狀翅片，數(shù)值表示翅片間距，單位為毫米）進(jìn)行了直接、定量的比較，并進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的排水測(cè)試，建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集以支持全面的性能評(píng)估。 - 2.
結(jié)霜-排水權(quán)衡的機(jī)制闡明：
深入分析了翅片幾何形狀、霜層積累動(dòng)態(tài)和除霜后排水效率之間的內(nèi)在關(guān)系，明確了翅片類(lèi)型如何在結(jié)霜條件下平衡傳熱能力和運(yùn)行穩(wěn)定性。 - 3.
適應(yīng)氣候的設(shè)計(jì)框架：
開(kāi)發(fā)了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的翅片幾何形狀選擇方法，適用于不同氣候條件，為優(yōu)化VMHX在濕度和溫度梯度下的性能提供了可行的指導(dǎo)。 - 4.
重新評(píng)估翅片選擇范式：
重新評(píng)估了傳統(tǒng)的翅片類(lèi)型偏好，這些偏好主要基于干燥條件下的性能，強(qiáng)調(diào)了抗霜能力和排水能力在多變環(huán)境中的重要性。
本研究在符合中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7725-2022的氣候控制風(fēng)洞中進(jìn)行。第2節(jié)描述了實(shí)驗(yàn)方法，包括用于干燥、結(jié)霜和排水測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置和換熱器配置。第3節(jié)詳細(xì)介紹了分析熱工性能、霜層積累和排水特性的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化程序。第4節(jié)展示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較了干燥和結(jié)霜運(yùn)行條件下波狀和百葉窗狀翅片的性能，并進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的排水測(cè)試。最后，第5節(jié)總結(jié)了關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，并為VMHX應(yīng)用提供了適應(yīng)氣候的設(shè)計(jì)指南。這項(xiàng)工作為優(yōu)化翅片幾何形狀的選擇提供了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)框架，有助于開(kāi)發(fā)更加節(jié)能和適應(yīng)氣候的下一代HVAC系統(tǒng)。
