来源：中国制冷学会杂志2026年4月  第二期文章编号:ISSN1005-9180(2026)02-0053-06

邵月月

(中国制冷学会，北京，100142)

[摘要] 随着环境污染与能源消耗问题日益严峻，空气源热泵因具有高效、节能的优势，成为供暖市场上备受关注的节能技术。与其他可再生能源相比，空气源热泵的工作原理是从环境空气中汲取低品位热能，并通过技术手段将其转化为高品位热能。空气中的热量可被无限制地、在任意地方获取利用。但空气源热泵系统的室外换热器存在结霜现象，常导致系统在低温环境中运行时存在性能不稳定、制热量衰减快、制热效率低等问题，严重制约了空气源热泵产品的推广和应用，因此除霜技术的发展至关重要，本文对国内外空气源热泵除霜研究现状进行综述，并对目前常见的除霜方法优缺点进行探讨。

[关键词] 空气源热泵;除霜;抑霜;控制方法

[中图分类号]  TB657.5  [文献标志码]  A  doi: 10.3969/J. ISSN. 1005-9180.2026.02.0011

Air-source Heat Pump Review of Research Progress on Defrosting Technology of SHAO Yueyue

(Chinese Association of Refrigeration, Beijing, 100142)

Abstract: With the increasingly severe problems of environmental pollution and energy consumption, air source heal pumps have become a highly concerned energy-saving technology in the heating market due to their high efficiency and energy-saving advantages. Compared to other renewable energy sources, air source heat pumps capture low-grade thermal energy contained in the ambient air and elevate it to high-grade thermal energy. The heat in the air can be obtained and utilized infinitely anywhere. However, the outdoor heat exchanger of the air source heat pump system suffers from frosting, which often leads to unstable performance, rapid heat dissipation, and low heating efficiency when the system operates in low-temperature environments. This seriously restricts the promotion and application of air source heat pump products. Therefore, the development of defrosting technology is crucial. This article reviews the current research status of defrosting for air source heat pumps at home and abroad, and discusses the advantages and disadvantages of common defrosting methods.

Key words: Air-source Heat Pump; Defrost; Frost Suppression; Control Method

空气源热泵是一种利用逆卡诺循环原理，从空气中吸收低品位热能，并将其提升为高品位热能的装置，广泛应用于住宅、公共建筑、工农业生产等多个领域^[1]。“双碳”背景下，空气源热泵在节能减排方面具有重要意义。传统供暖方式主要依赖煤炭、天然气等化石能源，而空气源热泵利用空气中的可再生能源，可有效减少化石能源消耗;空气源热泵运行过程中不产生碳排放一定程度上减少温室气体排放，改善空气质量。但空气源热泵在低温环境中运行时存在性能不稳定、制热量衰减快、制热效率低等问题，严重影响系统性能。而室外换热器出现的结霜现象一般是空气源热泵出现上述问题的诱因。

在空气源热泵系统中，室外换热器的结霜现象具有必然性。当换热器表面温度低于环境大气的露点温度时，表面会出现凝露现象;表面温度进一步低于水的冰点温度时开始结霜^[2]。

湿空气在冷表面的结霜过程是复杂的传热传质耦合过程，伴随气液、液固、气固非平衡相变及移动边界问题。该过程主要分为3个阶段:霜层形成期、生长期和稳定生长期，各阶段的相变机制与边界动态演化相互影响，进一步加剧了结霜现象的复杂性。

随着霜层密度急剧增加，霜层厚度变化变缓，当霜层表面温度升高后，霜层开始出现融化再冻结的循环直至达到稳定状态即稳定生长期，稳定、密实的霜层致使热泵机组运行效率快速降低，运行状况恶化，甚至影响机组运行安全，这时就必须对换热器进行除霜操作，消除霜层以恢复其换热能力。

近年来，针对空气源热泵结霜、除霜问题国内外学者从不同角度开展了深入研究。在结霜机理方面，张环宇等^[3]基于分子动力学方法，构建了纳米结构液滴润湿模型和水蒸气冷凝模型，系统研究了水蒸气在蒸发器表面的冷凝过程及其传热特性。在结霜预测方面，倪龙等^[4]“通过实验建立了适用于严寒地区的变频空气源热泵结霜图谱，并结合数值模拟绘制了寒冷地区和夏热冬冷地区的结霜图谱，定量分析了热负荷调节对结霜特性的影响规律。陈崑^[5]等基于空气源热泵的结霜机理展开研究，提出了一种借助气象参数与水相图的结霜理论判断方法。该方法通过整合环境气象数据(如温度、湿度等)及水相图的相变规律，构建了结霜条件的理论分析框架。在此基础上，研究团队针对夏热冬冷地区10个典型城市的空气源热泵供暖系统结霜进行研究，揭示了不同气候背景下结霜现象的发生特征与演化趋势。在防霜技术方面，龚光彩等^[6]以配备防融霜装置的蒸发器为研究对象，建立了空气源热泵动态模型，并通过实验验证了模型的准确性，进一步利用数值模拟分析了不同环境参数对防融霜装置性能的影响。此外，黄辉等^[7]基于多组空气源热泵机组的试验数据，绘制了结霜范围曲线如图1所示。当室外干球温度处于-12.8~5.8°C且相对湿度高于67%时，空气源热泵通常会发生结霜现象。

具体而言，当室外温度高于5.8°C时，结霜现象较少发生;当温度低于5.8°C且相对湿度低于67%时结霜概率较小;当温度低于-12.8°C时，空气含湿量较低，若露点温度低于室外换热器表面温度，则不会结霜;若露点温度高于换热器表面温度，则结霜速度较慢，周期较长，对系统性能的影响相对较小。

图1空气源热泵结霜范围

综上所述，室外换热器结霜问题不可忽视。准。确、快速、高效的除霜，将对热泵机组和室内环境造成的不利影响减小到最低程度，才是解决除霜问题的关键所在。当然能够有效地延缓或减弱换热器结霜过程的措施，也是很好的除霜技术，因为它可以减少除霜次数，甚至做到不除霜。

1 主要的除霜技术

目前，常见的除霜技术主要分为以下3类:

1)机械除霜:通过物理方式直接将霜层从换热表面剥离，例如传统的手工铲霜和超声波除霜等;

2)热融霜:通过加热将霜层融化成水后排出，是目前主流的除霜方法，根据热量来源不同，可分为电热除霜、逆循环除霜、蓄热或辅助热源除霜等;

3)抑制结霜:通过延缓或减弱结霜过程，使霜层变薄或稀疏，例如空气预除湿、表面涂层、外加电磁场等方法。

 1.1 超声波除霜技术

 1.1.1 超声波特性

超声波除霜技术主要利用超声波的以下3种特性:

1)机械效应，超声波传播过程中会引起媒质质点振动和加速度变化，产生剪切力和冲击力，从而破坏霜层结构;

2)空化机制，超声波在液体中传播时会产生局部负压区，形成微小气泡(空化核)，气泡闭合时产生巨大压力，破坏霜层;

3)热学机制，超声波传播过程中会引起介质内摩擦和分子间摩擦，将部分能量转化为热能，升高介质温度。

1.1.2 超声波抑霜

超声波能够有效抑制霜层的生长。在自然对流环境中，当施加频率为20kHz的超声波时，霜层厚度可降低至未施加超声波状态下的28%。这一结果表明，特定频率的超声波在自然对流条件下对霜层生长具有显著的抑制作用，通过引入超声波能量可能改变了传热传质过程或相变动力学，从而有效减少了霜层的累积厚度。然而，超声波无法彻底去除基底表面的冻结液滴，限制了其应用^[8]。

1.1.3 超声波震动除霜

超声波震动除霜利用超声波振荡破坏霜层稳定结构，使其剥落或变薄。为将超声波有效传递至蒸发器翅片，需在蒸发器表面加装传震板。当翅片表面结霜时，霜层与翅片界面处会产生z和zz方向剪切应力，分别由Lamb波和水平偏振横(SH)波引起(图2)。

(a) 无霜层的翅片

(b)有霜层的翅片

图2蒸发器中超声波震动的传递图

综上所述，超声波除霜技术具有能耗低、效率高的优点，但仍存在一些局限性，例如无法彻底去除冻结液滴等。未来研究可重点关注如何克服这些局限性，进一步提高超声波除霜技术的实用性和可靠性。

1.2 热融霜技术

热融霜技术方案通常由除霜方法和控制方案两部分组成，二者相对独立，可根据实际需求进行组合设计。除霜方法的核心目标是提供充足能量，确保霜层快速融化。具体方法包括电热除霜、逆循环除霜、蓄热或辅助热源除霜等。控制方案重点在于精准控制除霜过程的启动和结束，确保除霜过程高效快速，同时兼顾热泵机组的安全保护，以及除霜后机组的快速恢复。以下将介绍目前广泛应用和研究中的除霜方法及控制方案。

1.2.1 除霜方法

(1)电加热除霜

电加热除霜是一种传统的除霜方法，通过电热元件加热融化换热器表面的霜层。该方法具有结构简单、可靠性高的特点，但其能耗较高，因此在当前节能环保的背景下，通常仅用于一些特殊场合。例如，宾馆等场所的中大型空气源热泵热水器，由于需要持续稳定地供应热水，电加热除霜便是一个较为合适的选择。电加热管在室外换热器中的布置方式主要有内置式、外置式两种，如图3所示。内置式是电加热管预埋在换热器内部，除霜时热泵和风机停止运行，加热管通电后直接加热霜层。该布置方式的优点是除霜效果显著，但缺点是制作工艺复杂，成本较高。外置式是电加热管安装在换热器的进风口处，除霜时通常需要风机配合运行。这种布置方式的优点是结构简单，成本较低，但缺点是除霜效果略逊于内置式。电加热除霜技术虽然简单可靠，但能耗较高，因此其应用场景相对有限。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的电加热管布置方式，以平衡除霜效果和成本。

(a) 电加热管在蒸发器中

(b) 电加热管在蒸发器前

图3蒸发器采用电加热管除霜的两种布置示意图

(2)逆循环除霜

逆循环除霜是一种通过切换热泵运行模式来实现除霜的技术。在除霜过程中，热泵由制热模式转换为制冷模式，制冷剂流向改变，压缩机排出的高温高压气体流向室外换热器，释放热量以融化霜层[8]。逆循环除霜原理图如图4所示。

逆循环除霜过程中需要从室内吸收热量，可能导致室内温度波动，影响舒适性。因此通常会采取以下改进措施:1)使用压缩机或电动膨胀阀:通过精确控制制冷剂流量，提高除霜效率和系统稳定性。2)在热力膨胀阀旁并联旁通路:增加制冷剂流通路径，提高除霜速度和效果。综上所述，逆循环除霜技术虽然具有能耗低、结构简单的优点，但也存在除霜效率低、影响室内舒适性等缺点。通过采用变频压缩机、电动膨胀阀以及并联旁通路等改进措施，可以有效提升逆循环除霜的性能和可靠性。

图4逆循环除霜原理图

(3)热气旁通除霜

热气旁通除霜是一种通过旁通阀将压缩机排气直接引入室外换热器进行融霜的技术。其工作原理如图5所示，除霜时，打开热气旁通阀，高温高压的制冷剂气体进入室外换热器，释放热量融化霜层，冷凝后的制冷剂液体通过气液分离器被压缩机直接吸入。热气旁通法的优势在于无需从室内吸热，不会影响室内温度，舒适性较好;除霜效果与旁通阀阻力相关，阀的阻力越小，除霜效果越好。但也存在除霜时间长、压缩机运行风险高等缺点。在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的除霜方式，并采取措施降低压缩机运行风险。

图5热气旁通除霜原理图

(4)蓄热除霜

蓄热除霜是在热泵系统中增加一个蓄热罐，制热时同时蓄热，除霜时从蓄热罐吸热。该方法的优势在于无需从室内环境吸收热量，且相较于逆循环除霜方式，具备更高的能效比(COP)，同时冷凝器加热恢复所需时间更短。若将相变蓄:热或化学蓄热原理与之结合，能够进一步增强蓄热除霜的实际效果，通过蓄热材料的热存储与释放特性优化能量利用效率，提升除霜过程的经济性与可靠性。蓄热除霜原理图如图6所示。

图6蓄热除霜原理图

(5)旁通除霜和逆循环除霜相结合的复合除霜方式

复合除霜技术通过融合旁通除霜与逆循环除霜的优势，依据机组实际化霜状态动态选择模式切换时机，以实现“按需除霜、稳定除霜”的目标，显著提升机组在低温工况下的运行稳定性与除霜可靠性。具体流程为:除霜启动后先进入旁通除霜模式，再根据该阶段的动态特性变化(如压力、温度参数波动)，精准把握时机切换至逆循环除霜模式。

(6)多热源辅助除霜

多热源辅助除霜是利用太阳能等辅助热源加热压缩机的吸气，提高除霜效率。图7所示为该系统的除霜工作原理。蓄热器的热量供给包含两大来源:其一是谷电时段热泵以低速运行所提供的持续热量，其二是太阳能或其他辅助热源的能量补充。此外，系统中特别配置了电磁阀与电磁三通阀，用于对制冷剂的流动路径实施精准控制。通过对电磁阀的启闭操作，或是对三通阀管路连接状态的调节，系统能够在不同的工作模式间灵活切换，从而实现热量的高效存储与释放^[10]。

图7热源辅助除霜原理图

(7)蓄能除霜方法

蓄能除霜是在传统空气源热泵系统中增加相变蓄热器，利用相变材料的蓄热和放热特性，为除霜提供能^[11]。

(8)溶液喷淋除霜方法溶液喷淋除霜是在系统中增加溶液喷淋装置和再生盘管，通过溶液喷淋降低空气湿度，抑制结霜。喷淋系统主要由溶液泵、输送管道、喷嘴以及溶液储存罐等部件构成。该系统采用的溶液通常是掺有防冻剂的水溶液^[12]。

1.2.2 控制方案

除霜控制方案的核心在于如何确定除霜的启动点和结束点，其中最关键的是霜层厚度的识别或判断方法。霜层识别主要分为间接法和直接法两种:间接法通过分析热泵机组的工况参数、运行参数和性能参数来推断结霜的程度;而直接法则利用传感器直接测量霜层厚度并发出信号。目前，市场上常见的除霜控制方案多采用间接法，而直接法尚处于研发和推广阶段。当出现严重结霜时，60~70%的化霜水会残留在翅片管表面，尤其是换热器的下部。因此，如何选择合适的除霜结束点，既能有效清除化霜水，又避免出现干热状态，是除霜控制技术的关键所在。目前常用的控制方法如表1所示。

定时除霜法是依据最不利环境参数设定机组制热运行时长，一旦达到预设时间，系统便自动切换至除霜循环。但因设定时间以极端环境为基准，常触发不必要的除霜操作，造成能源浪费。

温度-时间除霜控制法 是综合蒸发温度(或压力)和上次除霜间隔时间来判定除霜时机，当温度(或压力)与时间均满足设定值时启动除霜。相比定时法，该方法引人温度参数，对环境因素有所考量，不过仍难以精准反映结霜对机组性能的实际影响，可能出现过度除霜或漏除霜现象。

空气压差除霜控制法 是通过监测蒸发器两侧空气压差判断是否除霜，结霜会致使压差增大，当压差达到阈值，系统开始除霜，实现按需操作。但蒸发器表面若被异物遮挡或积灰严重，易引发误判。

最大平均供热量法是以机组达到最大平均供热量作为除霜判断标准，理论上能实现最优供热效果，但实际应用中操作难度较大，难以精准把握实施时机。

自修正除霜控制法是在满足“热泵连续运行超最小时间TR”且“盘管与室外温差达最大值△t”两个条件时启动除霜，除霜时间达最大值TH或盘管温度超设定值t则结束。虽具备自修正功能，可结合制冷系数、结构参数与运行环境调整相关参数，但实际修正效果欠佳，受随机因素干扰大，检测控制复杂，理论体系尚不完善。

模糊智能控制除霜法 由数据采集与A/D转换、输入量模糊化、模糊推理、除霜控制、除霜监控及控制规则调整等模块构成。确认需除霜后，系统启动并实时监控，依据除霜效果优化控制规则。其核心在于规则的合理性，然而经验性规则存在局限性，通过实验制定规则又需耗费大量时间与资源。

温差除霜控制法 是通过监测蒸发温度与大气温度差值，当差值超过设定值，系统自动进入除霜模式。但因仅依赖单一温度参数，极易受环境变化干扰，导致除霜误操作频发。

综上所述，现有的除霜控制方法正朝着智能化、综合化方向发展，对结霜问题的认知也在逐步深化。然而，除霜不及时、不彻底或时间过长等问题仍存在。针对结霜过程、结霜区域、运行工况的全面监测应当进一步加强重视^[13]。

2 抑制结霜技术

2.1 空气预除湿抑制结霜

可通过降低室外换热器吸风处空气的含湿量，破坏结霜条件，从根源上避免霜层形成。以下是几种常见的空气除湿方法及其原理。

1)压缩除湿法，通过对空气进行压缩并冷却，使其中的水分凝结为液态水。将凝结水排出后，再对空气加热，即可得到含湿量较低的干燥空气。

2)冷却除湿法，让室外空气流经表冷盘管，使其冷却降温。随着温度下降，空气中的水蒸气逐渐达到饱和状态;当温度降至露点以下时，水蒸气凝结成水并析出。排出凝结水后，空气的绝对含水量降低，从而实现除湿。

3)溶液除湿法，利用溴化锂溶液等盐溶液的强吸湿特性，通过盐溶液吸收空气中的水蒸气，以达到除湿目的。

然而，上述方法均存在一定问题。例如，压缩除湿法能耗较高，且难以大规模应用;冷却除湿法仅适用于露点温度高于°C的环境;溶液除湿法中，喷淋的盐溶液可能被空气带出，影响效果。这些缺点限制了压缩除湿法的广泛应用。

2.2 表面涂层抑制结霜

依据晶体生长理论，霜晶的形成源于水蒸气在冷表面的凝结过程。因此，凝结液滴的生成时间、尺寸及形态，会对霜晶的生长速率、结构特征及厚度产生影响。通过改变冷表面的特性，可以延缓结霜过程。以下是两种常见的表面涂层方法:

(1)低能(疏水)表面

疏水表面可以增加液滴的表面接触角，从而增加成核难度。通过制备或喷涂疏水涂层，可以改变冷壁表面特性，延缓结霜。例如，通过化学刻蚀等方法改性的超疏水表面，可显著延迟液滴冻结时间，最长可达55min。然而，疏水表面仅能延缓结霜初期液滴的冻结，一旦霜晶形成，尤其在结霜后期，其抑制作用显著减弱，限制了其实际应用。

(2)高能(亲水)表面

亲水涂层(如含纳米Si02/Ti02的涂层)在冷壁温度高于-10°C、空气相对湿度低于45%的条件下，能够抑制霜层生长。这种涂层黏附性好，热阻小，不易脱落。强吸水性涂层不仅能吸收水分，还能降低水的冰点，从而抑制结霜。实验表明，在低湿度和高壁温条件下，涂层可完全抑制铜板表面结霜3小时以上。喷涂于翅片管式换热器上的涂层，可将首个除霜周期从55min延长至137min，且实验过程中无明显结霜现象。

尽管表面涂层技术能显著延缓结霜初期的液滴冻结，但一旦霜层完全覆盖涂层，其作用将大大减弱。此外，涂层的添加会增加换热热阻，并存在重复使用性问题，限制了其实际应用。

2.3 外力场抑制结霜

结霜过程涉及水分子的定向迁移，而水分子是极性分子，外力场(如电场和磁场)可显著影响其迁移过程，从而抑制结霜。

(1)静电场抑制结霜

研究表明，结霜量的变化与电场强度有关，但具体机制尚不明确。部分研究发现，电场强度越大，霜层越薄;当电场强度为12kV/cm时，结霜量最多减少17.1%。然而，也有研究指出，电场对霜层厚度的影响较为复杂，可能因条件不同而出现霜层增厚或减薄的现象，因此仍需进一步研究。

(2) 磁场抑制结霜

关于磁场抑制结霜的研究较少。实验使用钕铁硼永磁体时，发现磁性表面的凝结液滴冻结粒径更小且分布更均匀，霜层结构疏松易清除。但磁场对霜层生长的延缓或抑制效果不明显。

尽管上述抑制结霜技术在一定程度上延缓了霜层的形成，但均未能从根本上解决结霜问题。此外，随着时间推移，抑霜效果逐渐减弱。这些问题限制了这些技术在实际产品中的应用。

3 结论与展望

通过对国内外空气源热泵除霜研究现状进行究梳理，并对目前常见的除霜方法优缺点进行研究，得到如下结论:

1)传统融霜技术的智能化。尽管除霜控制方案已日趋完善，多参数判别霜层的方法得到广泛应用，光-电转换等直接识别霜层的技术也在逐步推广，但热泵在实际运行中的除霜准确性和效果仍有较大提升空间。未来，提高除霜的精准度和抗干扰能力仍是除霜技术发展的重点方向。在这一领域，人工智能技术有望发挥更大的作用。

2)新型除霜技术的实用化。表面涂层、外力场及超声波等新型抑制结霜/除霜技术在改善除霜效果方面具有传统技术无法比拟的优势。近年来，相关研究与开发进展加快，但这些技术在可靠性和耐久性方面尚未达到实用化水平，且成本较高。新型除霜技术正处于向实用化迈进的过程中，未来仍需进一步突破。

3)辅助热源利用的合理化。除霜期间，供热中断甚至出现负值，尽管目前通过蓄热、工质循环优化等措施努力减轻除霜对供热的负面影响，但效果仍不理想。未来，通过降低能耗、优化用能手段来提升除霜期间的供热舒适度，仍是除霜技术的重要发展方向。合理利用压缩机的发热、过冷工质液体的热量、太阳能等辅助能源，以及多种除霜方法的有机结合，将有助于实现这一目标。此外，针对特殊场合和机型，设计出能够同时供热和除霜的热泵系统，实现不中断制热的除霜方案，将显著提升供热舒适度。

参考文献:

[1]刘明辉.石墨烯材料在空气源热泵除霜技术中的应用研究[D].华北水利水电大学,2019.

[2]刘青青.空气源热泵过冷热交替除霜性能研究[D].南京理工大学,2020.

[3]张环宇.空气源热泵蒸发器表面结霜初期水蒸气冷凝数值模拟[D].东北石油大学,2023.

[4]倪龙等.变频空气源热泵供暖结霜图谱[J].暖通空调,2023,53 (08):131-137.

[5]陈崑等.夏热冬冷地区空气源热泵供暖结霜规律研究[J].制冷与空调(四川),2024,38(4):550-556.

[6]龚光彩等.具有防融霜装置的蒸发器结霜特性及性能仿真研究[J].太阳能学报,2024,45(4):442-449.

[7]黄辉.双级压缩变容积比空气源热泵技术与应用[M]北京:建筑工业出版社,2018.

[8]李栋，陈振乾.超声波抑制平板表面结霜的试验研究[J].化工学报.2009,9(60):2174-2175.

[9]邵月月等.多联式热泵驱动热管复合供热装置的实验研究[J].制冷学报,2020,41(4):32-36+67.

[10]基于多热源辅助的新型空气源热泵除霜方法研究[J].郭浩增,陈海峰.暖通空调.2018,8(2):81-82.

[11]董建锴等.空气源热泵过冷蓄能除霜特性试验[J].上海交通大学学报.2012,10(10):2-3.

[12]储碧峰等.空气源热泵溶液喷淋除霜系统及初步实验研究[J].低温与超导,2019,47(5):49-54.

[13]黄韬等.空气源热泵分段除霜性能研究[J].制冷学报,2023,44(04):112-119.