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本年度名师e讲坛的前两期有幸邀请到东南大学张小松教授，他为行业同仁分别带来商用热泵及工业热泵的技术科普专题：《高效无霜空气源热泵技术与应用探索》和《面向零碳园区高温工业热泵与探索》。
名师e讲坛在线直播的第一期，让我们跟随张小松教授，了解一下空气源热泵除霜的问题。
热泵是建筑与工业脱碳的关键技术，正加速普及于民用供暖与工业供热领域。建筑领域热泵多依赖空气、土壤、水源等自然热源，其中空气源因限制少，应用最广。
空气源热泵最初在是夏热冬冷地区，夏季制冷，冬季供热；“煤改电”推动其向北方严寒气候带拓展，应用场景从冷暖两用转向侧重制热。
然而，高湿阴冷环境下，结霜问题成为空气源热泵可靠性提升的重大瓶颈，直接影响其在亚热带季风气候区（22°~35°N， 97°~122°E）的高效推广。
空气源热泵的应用及痛点
在中国，夏季炎热，冬季又不算过于寒冷的地域，是使用空气源热泵最常见的区域。家里常用的冷暖型单元式空调或多联机，冬季制热模式下的工作都算空气源热泵的范畴。
空调热泵常常被人诟病的是，空调效果在冬季甚至还不如电暖器好 ，而且室外机在除霜时，室内机不仅没有热风，还会吹冷风，这让供热的体验大打折扣，甚至有人认为，电取暖比使用热泵空调更节能。
但事实是，同工况下，热泵的COP比制冷的COP高1，即便环境温度降低导致效率衰减，其COP仍显著高于电加热，是后者的两到五倍。
这就是为什么制冷专业人士一直劝说身边人冬季不要用电暖器，要用空调热泵的理由，因为省电。
家用空调热泵工况的能效系数
基于室外 7 ℃，室内 20 ℃
在能效系数的挑战之外，空气源热泵应用还面临着一个更为严峻的核心困境，即应用过程中的除霜问题。
家用冷暖型热泵空调冬季工作模式是在夏季空调的模式下将冷凝器和蒸发器对调，通过四通换向阀把室内机和室外机的功能颠倒过来，室内机吹热风，室外机吹冷风。
但在湿冷地区，空气源热泵室外机吹出的冷风与环境中的湿空气相结合，会很快在室外机换热器的表面结霜。当换热面积被霜层包裹，则从空气中吸取热量也就越来越困难，进而室内机能转移到室内的热量就越来越少，这就是空气源热泵冬季制热效果不佳的原因所在。
伴随环境温度的降低，热泵空调的效率也会相应衰减，实际数字大致如下：
· 0 ℃左右：COP 2.9～3.5
· -7 ℃标准低温工况：COP 2.7～3.2
· -12℃严寒：COP 2.3～2.8
· -20℃超低温双级机型：COP 2.0～2.6
若开启电辅热，则热泵空调整机的COP也将大幅下跌，此时与电暖器就没什么差别了。这样看来，只要解决了空气源热泵的结霜和除霜问题，我们所面临的挑战就将迎刃而解。
由于空气源热泵的节能表现显著优于传统电锅炉、电暖器，目前已在不同气候带得到广泛推广。伴随国内“煤改电”政策的推进，北方传统集中供暖区域也已全面普及空气源热泵的使用。
热泵的运行逻辑与制冷循环同源：本质是通过室外机吸热、室内机放热来实现供暖。可以这样理解，在冬季使用情况下，热泵需要从低温环境中吸取热量，其工况和运行逻辑与冷库制冷高度相似。
冷库在低温环境下会采用带经济器的压缩机，而热泵领域被称为“补气增焓”：通过经济器将中间压力的制冷剂气体补入压缩机中段，同时让液态制冷剂在经济器内完成过冷，以此提升单位工质流量的制热量，其核心原理与低温制冷技术完全一致。
如果环境温度进一步下探，普通单级压缩机的运行效率会大幅衰减，此时单热型空气源热泵可采用双级压缩或复叠压缩方案 通过一种工质分两级压缩以降低单级压缩比，或采用高低压两种不同制冷剂的循环级联匹配运行，从根源上解决单级压缩压比过大的问题，实现低温工况下的效率提升。
低温环境下制冷剂对应的蒸发饱和压力极低，部分工况下甚至会低于大气压形成负压，而系统的冷凝压力仍维持在较高水平，十几倍大气压的冷凝压力与小于一个大气压的蒸发压力相除后，最终得到的压比就会显著偏高，偏离了压缩机正常运行的压缩比。这正是普通单级氟系统空气源热泵在低温环境下供暖效果不佳的根本原因。
而在众多天然工质中，二氧化碳是少数能从容应对极低环境温度下低压困境的特殊制冷剂。雪人集团热泵家族中的二氧化碳空气源热泵，从根本上解决了高寒地区常规空气源热泵难以稳定高效运行的行业痛点：依托二氧化碳在工作压力高、跨临界换热性能优异的先天特性，实现了极端工况下的性能突破。
雪人集团热泵家族
· 高出水温度：可稳定输出70 ℃-90 ℃高温热水，适配末端散热需求更广
· 全工况高效率：尤其在制取高温热水、严寒环境下的制热效率远超传统氟系统热泵
· 低环温适应性强：即便在-25 ℃甚至更低的极寒环境中，仍能保持稳定的制热能力，无需依赖大量辅助电加热
若客观谈及技术短板，二氧化碳热泵的系统运行压力是传统氟制冷剂热泵的数倍，这对压缩机、换热器、管路及阀件的承压等级提出了极高要求，核心部件的制造成本与系统初期造价也随之更高。
除此之外，该技术在环保性、运行稳定性、极端工况能效等维度几乎没有明显短板，是当前高寒地区清洁供暖、高温热水供应场景下极具竞争力的技术路线。
雪人二氧化碳热泵系列
论空气源热泵行业共性的核心技术痛点，低温工况下室外侧换热器的结霜问题始终是制约其运行能效与供热稳定性的关键瓶颈。
张小松教授对空气源热泵的结霜机理、主动除霜技术、抑霜技术乃至准无霜运行方案进行了深入浅出的系统性阐释，将底层技术原理与工程落地场景深度结合，为行业厘清了技术优化的核心路径，令从业者深受启发、茅塞顿开。
空气源热泵如何除霜？
除霜的核心是向结霜的室外换热器输入融霜所需热量，目前家用热泵型空调的主流除霜方案是通过四通换向阀切换制冷剂流向，实现系统冷热端功能互换，也就是行业内常说的逆循环除霜。这套方案的原理设计十分巧妙，但在实际运行中仍存在不少待解决的问题。
最早期、成本最低的控制方案是纯时间逻辑除霜：仅通过两个时间继电器，分别设定除霜启动间隔和单次除霜时长，无需额外传感器即可实现基础除霜功能。但这种模式的弊端十分明显：
1️⃣ 无霜工况下系统仍会定时启动除霜，造成不必要的能耗浪费
2️⃣ 融霜水未完全排出，遇冷重新冻结成致密冰坨，形成“结霜-不完全除霜-结冰-霜层加速增厚”循环
3️⃣ 霜层无法完成彻底溶解，不断累积分层，形成金字塔状厚霜
结霜严重的空气源热泵外机
除此之外，这种“冷热端互换”的切换过程，会引发系统内高压高温制冷剂与低压低温制冷剂的快速迁移、直接混合，不仅会对压缩机和管路形成剧烈的流体冲击，还会造成大量可用能的无效耗散。
这类影响在小型家用热泵系统中相对有限，小系统的设计逻辑本身就优先控制成本，因此普遍采用该方案；而大型热泵系统出于运行可靠性与能效表现的考量，基本不会沿用这类简单的逆循环除霜思路。
冷库如何高效除霜？
张小松教授的分享让我们联想到冷库除霜的操作：由于大型冷库规模很大，而且除霜在冷库内部，制冷的同时需要对结霜部位除霜，冷库有多种除霜方式可选：
1️⃣ 热气融霜：利用压缩机排出的高压高温气态制冷剂作为热源融化霜层，整体能效显著高于电加热等外热源方案。大型冷库系统通常不会采用四通换向阀直接切换冷凝器与蒸发器功能的方案，而是配置独立的融霜专用控制管路，分流部分高温制冷剂单独送入待除霜的蒸发器完成融霜，目前这类旁通式热气融霜的优化思路，也正在被越来越多的空气源热泵产品借鉴应用
冷风机的热气融霜热气管路依靠精密的自动阀门控制
2️⃣ 电融霜：属于典型的外热源除霜方案，通过预置在蒸发器侧的电加热元件直接产热融化霜层，系统控制逻辑简单、安装调试便捷，但热量全部由电能直接转化而来，运行能耗高，长期使用的经济性较差
3️⃣ 水冲霜：依靠常温水或高浓度盐水的喷淋冲刷实现快速除霜，操作流程简便，但融霜过程会产生大量液态水，部分对存储环境湿度管控严格、有明确食品安全规范要求的冷库，为避免喷淋水滴直接接触货品造成品质风险，会主动弃用该方案
4️⃣ 人工扫霜：是适配排管蒸发器的传统除霜方式，依靠作业人员使用专用工具直接刮除排管表面的霜层，无需额外配置除霜配套设备，短时间内投入成本低，但除霜均匀度高度依赖人工操作，劳动强度大，仅适用于小型冷库的排管场景
5️⃣ 空气融霜：空气融霜属于低能耗的被动除霜方案，除霜作业时将待处理的冷风机与库内低温环境完全隔离，同时连通室外侧引入环境温度相对更高的自然空气，依靠空气对流换热融化霜层，全程几乎无额外能耗，节能环保性突出，但该方案对冷风机的安装布局、冷库建筑的通风结构有特定要求，应用场景存在明显限制
空气融霜的原理图
雪人集团在圣农物流冷库采用的空气融霜方式
图为冷风机外接环境的进出口
如何有效减少结霜？
张小松教授系统分享了空气源热泵的主动抑霜技术路径：当室外环境温度降至0 ℃以下时，仅通过调控冷表面温度实现抑霜的技术空间已被大幅压缩，很难取得理想效果，此时技术优化的核心方向便转向了空气侧的湿度调控 - 从源头上降低进风的含湿量，破坏霜层形成的水汽相变条件，就能从根本上延缓结霜速率，比如对进入室外侧换热器的空气进行预除湿处理，就是目前经过验证的高效抑霜手段。
空气源热泵的主动抑霜技术思路，恰好与大型低温冷库的抑霜逻辑形成了跨场景的呼应：冷库侧的核心抑霜手段，同样以阻隔高湿空气侵入冷间为核心方向。
以福建省规模最大的大型低温存储型冷库 - 福清丰大冷库为例，该库采用顶排管作为蒸发器，通过在穿堂与低温冷间之间设置密闭缓冲间的方案，对进出通道的高湿空气形成了有效阻隔，大幅减少了外界湿空气直接侵入冷间的概率，最终显著缓解了顶排管表面的结霜问题。
还有一些方法也能把冷库封闭式控温穿堂的湿度进一步降低，以防止湿空气进入冷间。比如采用除湿转轮吸湿，并且用热泵对吸湿后的转轮加热实现再生循环利用。
热泵与冷库穿堂除湿的应用，图为东洋桑的除湿转轮原理图
关于无霜，张小松教授也介绍了各种材料试验的结果，通过采用疏水材料，可以防止水在换热器表面的停留从而防止霜的形成。
霜也具有两面性：
· 霜带来的弊端：结霜会造成换热设备性能下降，直至不能正常工作
· 霜的价值，当气温降到0℃以下水汽结霜，耐寒蔬菜此时启动抗寒自救，淀粉被转化为可溶性糖分，形成天然“防冻液”，拉高细胞液浓度、降低冰点，防止水分结冰撑破细胞壁，口味也相应变得清甜
从制冷角度而言，冰、霜、雪是近亲，我们可以利用冰霜雪的原理来延展出许多有趣的应用，比如人造冰雪。
降雪是怎么形成的？
降雪时，空中和地面的温度都要低于0 ℃，高空云层温度更低，其间水汽以冰晶、冰粒存在，并在下落过程中气温始终低于0 ℃，不会融化。
1️⃣ 水汽凝结成过冷水滴：高空的低温云层里充满水汽，遇凝结核（灰尘、气溶胶、海盐微粒）先形成0 ℃以下仍不结冰的过冷水。
2️⃣ 冰核出现，触发冰晶生长：空气中少量微小冰核（矿物质颗粒）进入云层，过冷水会迅速附着在冰核上凝固，长出细小冰晶。
3️⃣ 冰晶生长：同一云层里，冰面饱和水汽压 ＜ 水面饱和水汽压：过冷水会持续蒸发，水汽不断往冰晶上吸附、凝华，冰晶越变越大，是雪花长大的核心动力。
4️⃣ 冰晶碰撞粘连，形成雪花：小冰晶相互碰撞、吸附，枝状冰晶交错粘连，长成六角形雪花（水分子结晶为天然六方结构）。
5️⃣ 雪花下落形成降雪：雪花重量超过空气浮力，开始下落，下落过程要保持气温始终低于0 ℃，否则落下的就是冰雨。
雪人集团用冰来模拟降雪的机理，成功实现了暖冬地区依然可以下雪的梦幻。
相关案例
广西桂林
中国最南端室外滑雪场，
采用雪人冰造雪技术，2017年运营至今
范明升
雪人集团制冰产品线技术总监
中国制冷学会冰霜雪技术工作组委员
雪人掌握了冰、霜、雪的物理原理，可以不受环境温度的影响而成功造出人造雪。冰霜雪有充满文化艺术的一面，如人造冰雪、冰雪场馆、冰雕、冰雪大世界等。当然，冰霜雪会带来负面影响，如冰堵、结霜等，造成工程的难题。
但热泵与制冷同根同源，都遵循逆卡诺循环，并不能凭空产生冷和热，必须消耗动力进行热量的搬运。水遇到吸热/放热及其他必要条件就可能产生气化、液化、升华、凝华、结冰、融化6种状态。我们了解了其中机理，就有有效的手段去扬长避短，用科学技术来创造美好生活。
热泵和制冷都属于热能与动力领域，从空气源热泵的结霜问题我们可以联想到很多相关应用，也能关联思考相应解决结霜问题的方法。冷热同源，也是目前如火如荼的工业热泵相关行业的致胜之匙。
本期作者：陈炜，雪人集团市场总监
