随着人们对节能环保和能源利用的更高追求,换热装置在满足热交换需求的前提下,需要向体积更小化、性能更优化的方向发展。与传统的换热器相比,全铝材制造的微通道换热器（Microchannel heat exchanger）以结构紧凑,热力学性能强且充注量少等特点,被广泛应用于暖通空调领域,其技术开发已经相对成熟,而作为空气源热泵的蒸发器时所面临的问题却大不相同。为了提高微通道蒸发器在空气源热泵中的运行能效,改善制热周期结霜严重、逆循环除霜排水困难、系统不稳定、制冷剂侧两相分布与空气侧的温度换热分布不均的关键问题,本文采用实验与数值模拟方法,对微通道蒸发器在制热周期内的结/除霜分布特性与性能优化进行了研究。主要研究内容如下:基于过冷除霜的原理搭建了以双微通道换热器作蒸发器,轮换除霜且非间断供热的空气源热泵实验台,对结/除霜制热周期内机组性能与除霜能耗控制优化进行实验研究。结果表明,随室外空气温度的降低,过冷除霜的热量稍有不足,除霜不完全、排水不净等问题导致机组二次结霜时霜层覆盖率增多、平均制热量减少279.1W、制热性能COP降低15.2%。并基于此提出控制风机的启停策略,保证除霜热量足够的同时能够有效排出换热器表面滞留化霜水。作为非间断供热系统除霜的最佳风机控制策略,200s时提前开启风机可以提升10%左右机组二次结霜的制热性能,同时避免逆循环除霜时风机与四通阀的突然启动造成的压力冲击。基于流量分配与管间换热算法,建立了微通道内制冷剂与空气耦合换热过程数学模型。模拟分析了同一扁管的不同微通道内制冷剂与空气换热耦合过程及制冷剂流动分配均匀性,结果表明由于微通道换热器的微尺寸结构,忽略管间的换热量会对制冷剂的分布情况造成2.17%-4.47%的误差。沿空气流动方向换热性能的差异与温降会引起微通道内制冷剂沿此方向分布不均匀,导致其实际的蒸发能力与蒸发的液态制冷剂所需的热量不匹配,当空气侧换热量不均匀降低74%时,管内制冷剂所匹配的质量流量增加了99.5%,不均匀度S达到1.67。基于微通道内制冷剂与空气不均匀的耦合换热分布,建立了百叶窗翅片结霜过程的准稳态数学模型,模拟分析了微通道换热器结霜动态过程及其霜层表面分布情况。研究发现,结霜过程中霜层的动态变化会对其换热性能产生较大影响,初始阶段会增强换热,随着表面结霜量的累积,霜层厚度与密度逐渐增加,换热性能下降。其中空气流量减少了0.4×10-4kg/s·m~2,霜层表面温度提升2℃,结霜过程中蒸发温度的降低导致换热量减少了17.5%,制冷剂的流量降低了49.1%;结霜过程中空气与制冷剂这种不均匀的换热耦合过程,会使空气温度与霜层分布呈现不均匀分布现象,换热器表面的重霜区分布在制冷剂的两相区。霜层的出现可以平衡空气侧不均匀的换热分布,后排微通道减少的换热量会对制冷剂分布的不均匀性有所缓,不均匀度S从1.52降至0.068。通过改变空气侧与制冷剂侧不同的工况条件与结构参数,研究微通道蒸发器结构参数对其换热性能与分布的影响。并提出了一种翅片百叶窗与微通道孔非均匀结构的设想。结果发现,以仿真模型算法得出的非均匀结构设计换热器,理论上可以使制冷剂与空气耦合换热过程及其流量分布变得更为均匀,提高了出口制冷剂干度均匀性,使每根微通道管单位面积换热量保持在2k W/m~2左右,制冷剂侧的质量流量保持78.1kg/s·m~2。综上所述,本文的研究工作,为进一步推动微通道蒸发器在空气源热泵中的实际应用效果提供了理论基础与技术思路,也为加快我国能源转型,实现可持续发展战略提供了建筑设备节能方向的技术支持。