来源：《制冷》2025年12月 第六期  文章编号:ISSN1005-9180(2025)06-0060-04

张现红，何振健，李木湖

（珠海格力电器股份有限公司，珠海，519070）

[摘要]长江流域地区冬季高湿低温，热泵空调在此区域运行时，存在频繁结霜、除霜问题，导致制热舒适性差。结合长江流域冬季大多数时间室外温度高于霜层温度的特点，提出基于气象参数联动的热气除霜技术，即当室外环境温度高于 0 ℃时，除霜过程中开启外风机，并在制冷剂热量开启大量传递至室外空气时关闭内风机，通过这种方式，可利用出品的低品位热源加速融霜，提高除霜效率。试验结果表明，较常规的热气除霜，采用该新型热气除霜技术的热气除霜制热能力提升 7.2%，COP 提升 5.9%，除霜时间缩短 32.7–41.7%，除霜时室内温度降幅减小 22.5–37.8%，制热舒适性得到大幅提升。

关键词：热泵空调器；热气除霜；气象参数；控制技术

[中图分类号] TU831.6   [文献标志码]   B    doi：10.3969/J. ISSN.1005-9180.2025.06.0015

Research on Hot Gas Defrosting of Heat Pump Air Conditioners Based on Meteorological Parameter Linkage Control Technology

ZHANG Xianhong, HE Zhenjian, LI Muhu

(Gree Electric Appliances, Inc. of  Zhuhai,  Zhuhai,  519070)

Abstract: During winter in the Yangtze River Basin, the region experiences high humidity and low temperatures, leading to frequent frosting and defrosting issues in heat pump air conditioners, which significantly reduces heating comfort. Given that the outdoor temperature in this region is mostly above the frost layer temperature during winter, a hot gas defrosting technology based on meteorological parameter linkage is proposed. Specifically, when the outdoor temperature is above 0 ℃, the outdoor fan is activated during the defrosting process, and the maximum amount of refrigerant heat is transferred to the outdoor air. This method utilizes low-grade heat sources to accelerate frost melting and improve defrosting efficiency. Experimental results show that compared to conventional hot gas defrosting, the new technology increases the heating capacity by 7.2%, improves the COP by 5.9%, reduces defrosting time by 32.7% to 41.7%, and decreases the indoor temperature drop during defrosting by 22.5% to 37.8%, significantly enhancing heating comfort.

Key words: Heat Pump Air Conditioner; Hot Gas Defrosting; Meteorological Parameters; Control Technology

根据我国建筑气候区域的划分，夏热冬冷地区，主要集中在我国中部的长江流域及其周围广大地区^[1]，但是该地区冬季平均温度低，相对湿度较大，属于典型的高湿地区。热泵空调系统在这种高湿环境下长时间运行极易导致室外换热器结霜，霜层的不断生长不仅会恶化系统的换热过程，而且会导致系统工作性能严重衰减。因此，将空气源热泵应用于高湿严寒环境需要采用合适的除霜方式进行除霜，在保证除霜效率的同时提升室内制热舒适性。

目前常见的除霜方式主要有逆循环除霜、热气除霜、除霜箱除霜等^[2-4]。逆循环除霜方式的应用较广泛，除霜速度较快，但除霜期间室内温度、舒适性差，且四通阀频繁换向会带来噪声大、硬件可靠性的问题^[5]；而热气除霜方式虽然不存在四通阀换向噪声问题，且除霜期间室内制热比逆循环除霜方式好，但除霜时间相对较长^[6]；相比逆循环除霜、热气除霜，蓄热除霜方式的室内温度最低，且除霜时间短，但其系统结构相对比较复杂^[7]。

结合长江流域的气候特征，笔者提出一种基于气象参数联动控制技术的热气除霜技术，在不额外增加制造成本的基础上，热气除霜过程中，在特定条件下开启室外风机，将空气与霜层的对流换热系数，利用低品位热源加速除霜，降低除霜期间室内温降，在保证除霜效率的同时提升室内制热舒适性。

1 基于气象参数联动的热气除霜原理及可行性分析

1.1 基于气象参数联动的热气除霜原理

通过对常规热气除霜机理分析，增加空调除霜过程的换热量是提高除霜效果的关键。由热力学第二定律可知，凡是有温差存在的地方，就有热能自发地从高温物体向低温物体传递；再结合水的物理特性，在一个标准大气压下，水的三相点温度为 0.01 ℃，即冰、水、汽、液三相共存且处于热力学平衡的温度，当室外温度从 0 ℃以上变为大于 0 ℃时，霜层就可以从空气中吸收热量，用于霜层或冰层的融化。

基于此，笔者提出新型热气除霜技术，在常规热气除霜技术基础上，当霜层吸收空气热量大于制冷剂向空气散热热量时开启室外风机，利用低品位的空气热源加速除霜。新型热气除霜原理图如图 1 所示。

图 1 新型热气除霜示意图

基于气象参数联动的热气除霜技术通过在除霜前期开启室外风机，加快了霜层的近空气侧融霜过程，加速除霜。由于管内制冷剂、霜层、霜层外空气呈现 “高 — 低 — 高” 的温度梯度分布，当霜层存在时开启室外风机对除霜有利，而在霜层融化后继续开启室外风机则导致换热器向室外空气散热，导致除霜热量浪费。引入实际除霜功率 P，

式中：Q_def 为一个除霜周期内空调的耗电量（kW·h）；t_def 为除霜时间（h）。P 值越小，代表空调除霜所需热量输出越小，除霜效率更高。

空调实际制热运行过程中，双管换热器迎风侧结霜重，背风侧结霜相对较轻，换热器结构不均匀；同时除霜时沿管流动方向，制冷剂温度逐渐降低，换热器局部除霜效果不同步。其中外管温作为进退除霜模式的关键参数，无法体现换热器各个位置的除霜差异，从而导致除霜过程中存在局部位置无霜结霜，此时开启外风机会加快除霜热量浪费，所以需要综合评估开风机时长对除霜效率提升、除霜热量浪费的综合影响，找到综合最佳外风机开启时间。

1.2 外风机开启时间控制分析

控制不同除霜阶段的霜层近空气侧对流传热系数使制冷剂耗散至大气中的热量最少、充分利用大气热量加速融霜是空调除霜控制的关键。由于除霜过程中，室外换热器的热湿传递过程非常复杂，难以准确计算，但是融霜水的流动、蒸发过程总体均使得传热热阻减小，故先假设室外换热器除霜开始前霜层致密性高、结霜均匀。

此时霜层视为固体(热阻最大)，除霜过程中融霜水不会流动或蒸发:此时空气与霜层之间以对流换热的形式交换热量，在除霜过程中，将霜层从空气中吸收的热量Q₁为

式中: Q₁为霜层从空气中的吸热量(W); h_air为空气对流换热系数(W/(m²·K));A为对流换热面积(m²);t_air为空气温度(K); t_ice为霜层温度(K)。

制冷剂传递到霜层的热量包含对流传热、导热两个过程，表示为:

式中:Q₂为制冷剂传递至霜层的传热量(W); h_ref 为制冷剂对流换热系数（W/(m²·K)）；A为对流换热面积(m²); t_ref为制冷剂温度(K); t_cu为铜管内壁面温度(K); δ_cu为铜管厚度(m); λ_cu为铜管导热系数(W/(m.K)); t_ice为霜层温度(K)。

霜层吸收管侧、空气侧热量发生相变，包含显热、潜热两部分传热量，表示为:

式中:Q₃为融霜过程所需的总热量(W);Q_3-L为霜层吸热从固态融化成液态所需的潜热量(W); Q_3-S为霜层融化后吸收的显热量(W); m为霜层质量(kg); L_f为霜层单位质量相变潜热量(J/kg); c_w为水的比热容(Jkg·°C)，大约为4,186J/kg·°C; t_ice-f为霜层融化成水后的最终温度(°C)。

基于上述分析计算，从管侧、空气侧同时进行除霜过程中，当霜层全部融化且融霜水温度升至室外环境温度t_air时，所需理论除霜时间S_T,按下列公式进行计算:

按照上述步骤，求解不同外环温度t_air不同相对湿度中ψ_air下对应的理论除霜时间函数S_T’， 表示为:

式中: t_air为外环温度(°C); ψ_air中为外环相对湿度(%);q_m为外风机风量(kg/s)。

笔者控制除霜过程中外风机停机时间小于或等于理论除霜时间S_T’，在内管温、霜层温度均大于室外环境空气温度时刻关闭外风机，最大限度减少了除霜热量的耗散浪费。不过，该结果是在假设霜层热阻相对较大的情况下得到，实际除霜过程中霜层动态变化过程中热阻逐渐减小，按理论计算值控制外风机时间会偏长，存在一定的除霜热量浪费，但是能够保证更好的除霜效果，因此对于实际除霜控制而言利大于弊。同时，实际除霜过程中，由于结霜不均匀性、除霜不同步性等影响，实际除霜热量浪费更严重，因此外风机开启时间以实际除霜功率P最小为目标，在理论除霜时间S,基础上进行实验修正，再建立不同工况除霜时间与外管温的相关关系，用外管温表征外风机开启时间进行控制，最终形成基于气象参数联动的热气除霜技术。

2 试验方案设计

采用同一套3hp 热泵空调，室外换热器为双排冷凝器，对比相同制热工况下方案常规热气除霜与新型热气除霜的除霜效果。试验方案：室外侧工况 2 ℃/84%，室内侧初始温度 5 ℃，初始焓湿 11 ℃ ±0.5 ℃，制热设定 30 ℃，超高温档自由运行8h，运行 3 个除霜周期。房间内水平方向、长度方向上、垂直高度方向上，每隔 0.5 m 设置 1 采样点，整体布局如图 2 所示，每隔 1 min 记录一组数据。

图 2 环境模拟实验室内温度采样点布置示意图

3 试验结果

3.1 性能试验结果

试验过程中，笔者观察到不同室外换热器管外的霜层达到情况不同。新型热气除霜在室外换热器管温达到 2 ℃时，室外换热器霜片干净且干燥，而常规热气除霜需要室外换热器管温达到 4 ℃才可达到此效果。在保证除霜效果一致的前提下，新型热气除霜方式除霜输出的室外换热器管温条件可比传统除霜方式低 2 ℃。

对比 2 种除霜方式除霜过程中室外换热器管温的变化，可以发现，采用新型热气除霜在除霜过程中，室外换热器管温较常规除霜上升得更快，新型热气除霜时间为 7.6 min，较常规热气除霜时间缩短 32.7%，如图 3 所示。

图 3 除霜期间室外换热器管表面温度

对比2种除霜方式的周期平均能力及功率，选取第3周期测试结果如图4和图5所示，由于工况相同且制热控制逻辑相同，两组试验进入除霜的状态一致，2组试验的制热时间均约为61min。采用常规热气除霜方式的热泵空调的周期平均能力为7.998W，周期平均功率为3,899W，COP为2.05。而采用新型热气除霜方式的热泵空调的周期制热能力为8,577W，较常规热气除霜方式制热能力提升7.2%;而周期运行功率为3,948W，较常规热气除霜方式耗能仅增加1.3%;COP为2.17，较常规热气除霜提高0.12，提升5.9%。

图 4 第 3 周期功率曲线

图 5 第 3 周期能力曲线

分析认为，在常规热气除霜时由于关闭室外风机，霜层融化吸收的热量主要来源于高温制冷剂侧冷凝热，霜层融化主要是从内到外的（霜层贴近换热器为霜层内侧）；而开启室外风机后，霜层除了从高温制冷剂中吸收热量外，从空气中与空气发生强制对流，此时空气温度要高于水的三相点温度 0 ℃，霜层从空气中吸收热量，从而使室外换热器内侧和外侧同时除霜，加速了霜层融化。

霜融化成水后，大部分水会流出室外机，部分水残留在翅片上，此时若直接制热，残留水将凝固成冰，影响制热性能，故除霜后还需将残留水烘干。水在任何温度均可以蒸发，当水由液态蒸发成气态，飞入空气里的水分子和空气分子发生碰撞时，有可能被碰回到液体中，新型热气除霜开启室外风机，室外换热器周围流体速度加快，新型风机，使得水分子能够迅速被空气带走，加速了水分子的蒸发速度。而常规热气除霜时，不开室外风机，水分子蒸发速率主要来源于高温制冷剂侧，需要更高的管温增加水分子的蒸发速率。

3.2 舒适性测试结果

由图6可知，采用常规热气除霜方式的热泵空调在运行8h的过程中进行了3次除霜，周期制热时间为117~158min，除霜时间为11~14min，除霜时房间温降4~4.5°C。采用新型热气除霜的热泵空调在运行8h的过程中也进行了3次除霜，周期制热时间为114~181min，而除霜时间仅为7min，除霜时房间温降为2.8~3.1°C。与常规热气除霜方式相比，不仅除霜速率提升了36.4~41.7%，而且温降幅度降低了22.5~37.8%。新型热气除霜舒适性更优。

图 6 室内环境温度曲线

4 结论

文中提出一种新型热气除霜技术，在缩短除霜时间、保证除霜效果的同时提升了室内制热舒适性，通过将该技术应用于家用热泵空调，并进行性能及舒适性试验验证，得出以下结论：

1)相较于常规热气除霜方式，采用新型热气除霜方式的周期制热时间相当，除霜速度提升 32.7–41.7%，周期平均能力提升 7.2%，功率仅增加 1.3%，COP 提升了 5.9%。

2)新型热气除霜方式由于由室外风机开启，霜片上的水分子更易蒸发，更易达到退出除霜条件，且退出除霜时的室外换热器管温比热气除霜方式低 2 ℃。

3)新型热气除霜方式除霜时室内温度更低，热舒适性更好，其除霜降温值为 2.8–3 ℃，比热气除霜方式减小 22.5–37.8%。

参考文献

[1]学而.提高改善长江流域及其周围地区居住环境质量 —— 国家四部委联合组织实施《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[J]. 节能与环保，2002, (03): 18-21.

[2]王虹.几种空气源热泵除霜方式及性能比较 [J]. 内燃机与配件，2017, (18): 130-132.

[3]盛伟等.抑制冷凝液膜研究进展 [J]. 制冷与空调，2016, 16 (11): 1-7+ 81.

[4]唐瑾晨.空气源热泵防融霜过程的热力学与传热特性研究[D].南大学,2016.

[5]王春.基于电子膨胀阀控制的热气除霜实验研究[J].家电科技,2019,(01):60-63.

[6]徐鹏等.空气源热泵除霜技术研究进展[J].制冷与空调,2024,24 (04):97-104

[7]姬安生等.相变蓄热在空调除霜系统中的应用研究[J].家电科技,2021(S1):234-237.

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