结霜问题一直是换热设备等诸多领域面临的重要难题之一,尤其在建筑空调的冬季供暖方面。霜层的产生和积聚会降低换热器的传热效率,增加热泵运行能耗,严重时还会影响设备的安全运行。空气源热泵换热器表面的超疏水改性作为一种有效的抑霜方法得到了较多的研究和关注,但目前关于超疏水表面抑制结霜的微观机理仍不明朗,同时仅依靠超疏水表面实现热泵的无霜高效运行存在一定的困难。针对上述问题,本文对换热器表面冷凝结霜机理,溶液抑霜与表面改性相结合的综合抑霜方法及无霜热泵系统开展了理论和实验研究。首先,利用自行制备的超疏水、疏水和亲水表面,通过构建结霜微观可视化实验平台对表面冷凝结霜初期霜层传播中液滴冻结瞬间形成的冷凝光环现象进行了观测,获取了不同条件下液滴冻结过程中冷凝光环的动态特性。相比亲水和疏水表面,超疏水表面上液滴冻结瞬间冷凝光环中子液滴扩散半径和冷凝密度均较大,且持续时间较长,有利于延缓结霜。此外,基于相变动力学和气体扩散传质等理论建立了微液滴冻结及冷凝光环形成过程的数学模型,研究了表面结霜温度、环境相对湿度和表面润湿性能对冷凝光环动态特性的影响,较全面的揭示了不同表面液滴冻结过程的相变传热机理,为高效抑霜型超疏水换热器的设计与应用提供了理论基础。其次,通过构造三种不同润湿性能的高反射率表面,借助微观结霜实验测试平台,实现了对表面冷凝结霜初期霜层传递现象的清晰可视化观测。实验发现,霜层在表面的传播可大致分为两个过程,即液滴内霜晶传播和液滴间冰桥传播。通过理论模型和实验测试得到了不同润湿性能表面上液滴内传播速度,在本文实验条件下超疏水、疏水和亲水表面上霜层在液滴内传递速度分别为⁸0μm/s,⁴00μm/s和⁹00μm/s。建立了液滴间冰桥传播的数学模型,并结合实验测试获得表面液滴间冰桥传递速度的动态特征,揭示了表面润湿性能及不同结霜工况对冰桥传递速度的影响。此外,对不同润湿性能表面的冷凝结霜初期液滴冷凝过程和霜层的整体传播速度进行了实验研究。结果表明:超疏水表面上冷凝液滴的尺寸分布特性和由此引起的冰桥传播系数的明显差别是造成超疏水表面结霜过程霜层整体传播速度较慢的主要原因。再次,为研究表面润湿性能及换热器翅片间距对霜层增长速度的影响,构建了竖直换热器翅片间结霜测试实验平台,并制备了超疏水、普通亲水和超亲水三种平板换热器用于竖直换热器间结霜实验研究。借助高清数码相机连续拍摄实现了换热器翅片间霜层生长过程的可视化。实验发现,竖直换热器翅片间超疏水表面霜层增长速度明显低于超亲水和普通亲水换热器,而超亲水换热器和普通换热器间霜层增长速度差异较小。对于不同翅片间距的换热器间霜层生长过程均存在一个霜层增速临界间距(x_cutoff),到达临界间距前霜层厚度为线性快速增长阶段,而一旦经过临界间距霜层便进入缓慢增长阶段。本文中测得的换热器翅片间霜层增长临界间距为x_cutoff=1mm。另外,基于表面特性和溶液干燥剂局部蒸气压力调控法在疏水表面人为构造了抑霜干区。通过制备不同性能的表面,并借助结霜实验测试平台和压电脉冲微液滴分配系统,对LiCl干燥剂液滴周围干区的形成及动态特性进行了实验研究。建立了干燥剂液滴周围抑制冷凝结霜干区长度的数学模型,从理论上揭示了干燥剂液滴周围干区的形成机理及关键影响因素。制备了利于液滴布置的亲/疏水表面,开展了超疏水表面和干燥剂液滴结合抑霜的初步实验,实现了超疏水表面的抑霜和无霜运行。最后,提出了一种基于溶液调湿和压汽再生的无霜空气源热泵系统,利用溶液除湿系统获取干燥空气实现了空气源热泵的无霜运行,并借助压汽再生法完成除湿溶液的低温高效再生。构建了冬季工况下溶液除湿传热传质性能测试平台,实验研究了溶液浓度、温度、流量、环境空气温度、湿度及流量对空气和溶液间热湿传递性能的影响。建立了无霜热泵系统的整体数学模型,研究了空气温度、湿度、溶液再生温度和空气/溶液流量比对无霜热泵性能的影响。与普通逆循环除霜热泵系统相比,在相同工况下本文提出的无霜热泵系统的平均COP_average较逆循环除霜热泵性能提升36.5-61.19%。