空气能热泵：抑霜、除霜、控霜

（仅为示意图，不对应文中任何产品）

湿度是影响霜形成的关键因素，因此，通过固体或液体除湿的抑霜技术得到了充分的发展。就固体除湿剂而言，主要包括硅胶、硅酸盐和活性炭；而液体除湿剂主要包括氯化锂、溴化锂、氯化钙和乙二醇，液体除湿剂可以直接喷到空气进口或室外换热器表面上。除湿不仅降低了空气的湿度，由于吸附或吸收过程会释放热量、空气温度还会升高。

然而，固体/液体除湿抑霜技术主要缺点是需要再生。 固体和液体除湿剂都需要再生才能连续运行，这限制了其在空气源热泵中的应用。其中，相比于固体除湿剂，液体除湿剂的再生温度明显要低。

另一种重要的抑霜技术是改变室外换热器表面特性的表面处理技术。 如下图所示，根据接触角的不同，材料表面可以被分为亲水性、疏水性和超疏水性。亲水性表面通过干扰冰晶形成和水分子固定来抑制结霜过程。

相比于光滑表面，疏水性表面冷凝液滴分布更为稀疏，可以延迟液滴的冻结并延缓结霜。而超疏水表面可以通过在霜形成前“弹出”微小的水滴，这样能更为有效的抑制结霜。表面处理技术高效、廉价且环保，但唯一需要解决的问题就是表面涂层的长期有效性。

亲水、疏水和超疏水表面的接触角

此外，相关研究也提出了超声波振动、空气射流、外加交流或直流电场和外加磁场的方法，用于防止或延缓结霜。然而，由于这些技术都需要昂贵的设备和较大的能耗，因此很大程度上限制了它们在实际工程上的应用。

相比于抑霜技术，除霜技术主要是尝试及时有效的清除换热器表面的霜层。通常来讲，有下图所示的五种基础的除霜方式， 包括：

（1）压缩机停机除霜；

（2）电热除霜；

（3）热水喷淋除霜；

（4）热气旁通除霜以及

（5）逆循环除霜。

其中，逆循环除霜和热气旁通除霜是空气源热泵最常见的除霜方式。

在压缩机停机除霜模式中，压缩机停机、室外机风扇持续运转，使室外空气持续经过室外换热器以进行除霜。这种方法只有在室外温度高于0℃时才能工作，并且除霜时间长，但是其成本低廉。此外，可以在室外换热器上安装电热器以加速霜的融化。值得注意的是，由于电是一种高品质能源，这限制了电热除霜在家用空气源热泵的应用。对于热水喷淋除霜，需要在室外热交换器上喷淋热水、并同时关闭室外机的风扇。热水除霜方法仅适用于特定场合，而非所有的空气源热泵。

逆循环除霜法是最传统的空气源热泵除霜方法。 在除霜过程中，四通阀换向，室外换热器作为冷凝器、室内换热器作为蒸发器，高温制冷剂流入室外盘管使霜融化。同时，为了避免除霜过程产生不舒适感，室内机的风扇也会停止运转。

对于热气旁通除霜，压缩机排出的制冷剂一部分将进入室外换热器融霜，另一部分进入室内换热器制热，这是工业用空气源热泵机组普遍采用的方法。该方法避免了逆循环除霜中出现的反向冲击和“跑油”问题，并且能够在除霜过程中使室内保持良好的舒适性。

如前所述，逆循环除霜和热气旁通除霜是应用最广泛、最基础的除霜方法。在此基础上，还有一些发展改进逆循环除霜和热气旁通除霜的技术。

利用蓄热是一种典型的基于逆循环除霜发展的新型除霜方法。 在这项技术中，相变材料在热泵制热阶段蓄存压缩机壳体的散热或多余制热，其作为热源用于除霜。这种方式可以有效缩短除霜时间，提升除霜过程中的室内舒适性，并降低压缩机湿压缩风险。此外，在热气旁通除霜的基础上，还提出了显热除霜方法，这种方法将压缩机排出部分制冷剂先通过膨胀阀节流、再进入室外换热器除霜，适用于大容量空气源热泵机组。

除了除霜技术，除霜开始和终止的控制方法是影响空气源热泵除霜性能的另一个关键因素。“无霜除霜、有霜不除”将导致糟糕的除霜效果，这在实际产品中非常常见。

为了获得合适的除霜开始时间，现有研究提出了时间控制法、时间-温度控制法、时间-温差控制法和过热度控制法。 时间控制法是目前应用最广泛的控制方法，它以固定的时间周期自动除霜。相比之下，时间-温度控制法则还需要测量室外换热器的表面温度，时间-温差控制法则需要得到室外空气与蒸发器表面的温差。然而，时间、温度并不是导致结霜的唯一因素，环境温度、相对湿度和部分负荷率也会影响制热性能和霜的形成。

更智能的除霜方法侧重于“按需除霜”，这些智能除霜启动方法包括：

（1）利用全息干涉技术测量霜层的厚度；

（2）使用红外温度计测量霜层表面温度；

（3）测量制冷剂流动的稳定性；

（4）使用光耦、光电系统或光纤传感器测量霜层厚度；

（5）神经网络模拟结霜量；

（6）分析翅片表面温度获得有效质量流量分数；

（7）测量室外机风路压降或室外机风机电流。以上提到的这些技术还不成熟，仍需进一步测试和开发。

目前，除霜终止的控制方法主要基于室外换热器管翅表面的温度、制冷剂压降以及除霜时间。翅片管表面温度是最常用来判断的方法。当其表面温度达到设定的终止温度时，空气源热泵将退出除霜进入制热模式。设置的终止温度取决于室外工况和不同的要求，对于室 外机多回路的空气源热泵机组，检测最下面盘管出口表面的温度是最常用的方法。