基于跨临界CO2热力循环除霜过程

想象一个场景：清晨气温降到零度以下，空气中弥漫着水蒸气，正准备开车去上班的你发现爱车的挡风玻璃上结满了一层厚厚的白霜。如果不及时清理白霜，它不仅阻挡视线，而且会导致车的热管理系统的空调蒸发器上积霜，严重降低热管理系统的制热效率。

本文将深入探讨CO2系统中霜的形成，为何要除霜，以及当下主流的除霜方法。

一、结霜现象

核心要素：低温表面+潮湿空气

物理过程：当蒸发器翅片表面温度低于空气的露点温度时会进一步凝华成固态的霜。（露点温度是指在一定气压下，空气中的水蒸气达到饱和时的温度，通常用于衡量空气的湿度）

结霜过程可以类比为蒸发和冷凝过程。当水的温度到达沸点时，温度不会继续上升，而是不断吸收热量从液态变为气态。这个过程吸收的热量叫作汽化潜热。而水蒸气要想从液态变为气态，当遇到温度较低的表面时会在上面附着形成小水滴。

为什么对于CO2系统更容易结霜？

对于跨临界CO2热力循环过程CO2在气体冷却器中是超临界态。超临界态CO2具有密度大和粘性低的优点，具有液态和气态的优点，而且在该状态下的压强和温度是独立变量（不存在饱和曲线一说），真因为该特性，单位体积的CO2可以进行更多的热量交换，压缩机可以做得更小巧。

回到刚才的话题，CO2在气体冷却器中在放热过程没有发生相变，温度变化是连续的，进行的是类显热放热过程，这导致低温侧蒸发器的进口温差可能更大。

从蒸发温度视角看，CO2热力循环系统在较低的蒸发温度下运行以从环境中吸收更多热量，但这恰好更容易满足结霜的低温条件，因此结霜更容易进行。

二、除霜的必要性及其意义

霜层覆盖在蒸发器的翅片上会严重阻碍空气和制冷剂之间的热量交换，同时会堵塞空气流道，导致通风量下降，风机功耗增加，使得系统性能恶化；另外，当汽车的挡风玻璃结霜时会影响用户视野，存在安全风险。

除霜的核心目标在于清除霜层让蒸发器恢复正常换热能力以及保持挡风玻璃视野清晰以保证用户安全。

三、主流除霜方法盘点

1.逆向循环除霜法

在逆向除霜过程中，当系统满足除霜条件时，控制器会启动除霜程序。首先，压缩机会暂时降低功率或短暂停机，以确保四通换向阀能够平稳、可靠地完成换向。

换向后，系统运行模式从“制热”切换为“制冷”。此时，压缩机排出的高温、高压CO₂制冷剂（处于超临界状态）将不再流向车内换热器（驾乘舱制热器），而是经由四通换向阀直接流向车外换热器（外部蒸发器）。高温制冷剂流入冰冷的车外换热器盘管，直接与盘管表面附着的霜层进行热交换，迅速将其融化，实现除霜。

释放热量并冷凝后的制冷剂，经过电子膨胀阀节流，重新变为低温低压的气液混合物，然后进入车内换热器，吸收驾乘舱内空气（或电池冷却液等二次回路）的热量，最后经由四通换向阀返回压缩机，完成一个除霜循环。

当除霜完成，系统监测到车外换热器盘管温度达到设定值后，压缩机再次短暂调整，四通换向阀复位，系统即切换回正常的制热模式，继续为车内提供暖风。

该方案的优点是除霜速度快，应用广泛。但在除霜期间，室内停止供热，影响用户的舒适性。

2.热气旁通除霜法

对于热气旁通除霜法，是将压缩机排出的高温气体通过一个旁通阀和管路，直接引入到蒸发器入口，利用制冷剂的热量直接融化霜层。这种方法的能量来源仍然是压缩机做功，但不需要吸收室内热量，乘客的舒适度得到保证。

该方案系统结构相对简单，无需像逆向除霜法那样切换整个系统模式，但是该方案的除霜效率较差，且除霜速度逊于逆向除霜法。

3.其它主流方案

电加热玻璃/线圈：在挡风玻璃里嵌入PTC加热丝，能够快速融霜，但是能耗大。

空气循环除雾：利用舱内热风喷射玻璃内侧，结合湿度传感器防起雾。但是对于较厚的霜效果甚微。

四、控制策略与未来趋势

未来的除霜方案会往更先进的传感器和AI算法的方向发展，实现“按需除霜”，最大化能效和舒适性。当下主流的除霜方案以被动除霜为主，如简单粗暴的“定时法”，会出现“无霜除霜”或“厚霜才除”的现象。未来将基于模糊逻辑、神经网络等方法，综合多种参数实现”预测除霜“、”按需除霜“，从而使除霜过程更加高效、更加节能。

参考资料：《跨临界CO2热力循环理论与控制》