流体机械

安装位置	方法	主要结论
外机换热器入口管	仿真	制热量和制热时间的计算偏差小于5%
外机换热器入口管	试验	室外干/湿球温度为2 ℃/1 ℃时，800 W电加热使蒸发器表面温度提升1.5 ℃，制热时间延长17.9%
外机换热器入口管	仿真	COP和制热量的平均计算偏差为2.91%和3.76%
外机换热器入口管、出口管、内机出风口	试验	室外温/湿度分别为2 ℃/98%和6 ℃/68%时，COP提升10.63%~17.94%，制热时间延长36%
外机换热器进风口、内机出风口	试验	室外干/湿球温度为2 ℃/1 ℃时，1 kW电加热使制热量提升38%，COP提升57%
储液器内	试验	室外温/湿度为1.67 ℃/75%时，制热时间从93 min延长至191 min

安装位置	方法	主要结论
外机换热器入口管	仿真	制热量和制热时间的计算偏差小于5%
外机换热器入口管	试验	室外干/湿球温度为2 ℃/1 ℃时，800 W电加热使蒸发器表面温度提升1.5 ℃，制热时间延长17.9%
外机换热器入口管	仿真	COP和制热量的平均计算偏差为2.91%和3.76%
外机换热器入口管、出口管、内机出风口	试验	室外温/湿度分别为2 ℃/98%和6 ℃/68%时，COP提升10.63%~17.94%，制热时间延长36%
外机换热器进风口、内机出风口	试验	室外干/湿球温度为2 ℃/1 ℃时，1 kW电加热使制热量提升38%，COP提升57%
储液器内	试验	室外温/湿度为1.67 ℃/75%时，制热时间从93 min延长至191 min

编号	电加热功率/W	压缩机频率/Hz	膨胀阀开度/步	外风机转速/（r⋅min^-1）
1^#	560	88	280	840
2^#	OFF	88	280	840
3^#	560	84	280	840
4^#	560	86	280	840
5^#	560	90	280	840
6^#	560	88	260	840
7^#	560	88	300	840
8^#	560	88	280	720
9^#	560	88	280	780
10^#	OFF	自动调节
11^#	560	自动调节
12^#	660	自动调节
13^#	735	自动调节

编号	电加热功率/W	压缩机频率/Hz	膨胀阀开度/步	外风机转速/（r⋅min^-1）
1^#	560	88	280	840
2^#	OFF	88	280	840
3^#	560	84	280	840
4^#	560	86	280	840
5^#	560	90	280	840
6^#	560	88	260	840
7^#	560	88	300	840
8^#	560	88	280	720
9^#	560	88	280	780
10^#	OFF	自动调节
11^#	560	自动调节
12^#	660	自动调节
13^#	735	自动调节

编号	压缩机频率/Hz	膨胀阀开度/步	外风机转速/（r⋅min^-1）	平均制热量/W	制热量峰值/W	平均功率/W	平均COP	制热时间/min	除霜频率/(次⋅d^-1)	平均送风温度/℃	送风温度>46 ℃的时长/min
1^#	88^1）	280^1）	840^1）	7034	8120	3669	1.87	106.8	12.9	45.7	61.9
3^#	84	280^1）	840^1）	6675	7627	3455	1.90	113.5	12.2	44.6	19.6
4^#	86	280^1）	840^1）	6980	7921	3597	2.01	116.3	12.0	45.4	60.1
5^#	90	280^1）	840^1）	7196	8284	3835	1.83	105.7	13.1	47.0	77.8
6^#	88^1）	260	840^1）	7262	8368	3791	1.88	98.3	14.0	47.5	75.4
7^#	88^1）	300	840^1）	6833	7778	3649	1.85	126.8	11.0	45.2	60.8
8^#	88^1）	280^1）	720	6881	7996	3599	2.02	96.8	14.4	46.0	62.4
9^#	88^1）	280^1）	780	7001	8027	3660	2.04	98.9	14.0	46.1	64.1

编号	压缩机频率/Hz	膨胀阀开度/步	外风机转速/（r⋅min^-1）	平均制热量/W	制热量峰值/W	平均功率/W	平均COP	制热时间/min	除霜频率/(次⋅d^-1)	平均送风温度/℃	送风温度>46 ℃的时长/min
1^#	88^1）	280^1）	840^1）	7034	8120	3669	1.87	106.8	12.9	45.7	61.9
3^#	84	280^1）	840^1）	6675	7627	3455	1.90	113.5	12.2	44.6	19.6
4^#	86	280^1）	840^1）	6980	7921	3597	2.01	116.3	12.0	45.4	60.1
5^#	90	280^1）	840^1）	7196	8284	3835	1.83	105.7	13.1	47.0	77.8
6^#	88^1）	260	840^1）	7262	8368	3791	1.88	98.3	14.0	47.5	75.4
7^#	88^1）	300	840^1）	6833	7778	3649	1.85	126.8	11.0	45.2	60.8
8^#	88^1）	280^1）	720	6881	7996	3599	2.02	96.8	14.4	46.0	62.4
9^#	88^1）	280^1）	780	7001	8027	3660	2.04	98.9	14.0	46.1	64.1

空气源热泵系统电加热延霜的试验研究

黄东 ¹ , 吴思远 ¹ , 赵日晶 ¹ , 王飞 ¹^,²

流体机械 | 试验研究 2025,53(4): 18-23

收起

流体机械 |试验研究 2025 , 53 (4) : 18 -23

空气源热泵系统电加热延霜的试验研究

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黄东¹, 吴思远¹, 赵日晶¹, 王飞¹^,²

作者信息

¹西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049

²青岛海尔空调器有限总公司，山东青岛 266103

作者简介:

黄东（1975），男，教授，博导，主要研究方向为微通道换热器设计、空调节能优化、风冷/直冷冰箱节能技术，通信地址：710049陕西省西安市西安交通大学能源与动力工程学院，E-mail：d_huang@mail.xjtu.edu.cn。

Experimental study on electric heating frost retardation for air‑source heat pump systems

Dong HUANG¹, Siyuan WU¹, Rijing ZHAO¹, Fei WANG¹^,²

Affiliations

¹School of Energy and Power Engineering,Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China

²Qingdao Haier Air Conditioner General Corp.，Ltd.，Qingdao 266103，China

出版时间: 2025-04-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.003

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摘要

收起

针对空气源热泵冬季制热运行时因室外机结霜引起的制热量衰减问题，在室外换热器的进口管上安装一个电加热器，以提升蒸发温度，延缓外机结霜，降低除霜频率。搭建试验样机，测试对比有/无电加热时系统的性能，对比恒定工作参数和自动调节的差异，研究电加热功率、压缩机频率、膨胀阀开度、外风机转速对制热性能的影响。结果表明，560 W电加热可使制热时间延长15.1%，平均制热量提升1.6%；在0~735 W功率范围内，制热时间随电加热功率线性增长，平均每100 W加热功率延长制热时间2.4 min。研究可为空气源热泵除霜提供参考。

关键词

空气源热泵 / 延霜 / 电加热 / 热舒适性

Abstract

收起

To address the heating capacity degradation caused by outdoor unit frosting during winter operation of air‑source heat pumps，an electric heater was installed at the inlet pipe of the outdoor heat exchanger to elevate evaporation temperature，delay frosting，and reduce defrosting frequency. Experimental prototypes were tested to compare system performance with/without the electric heater，analyze differences between constant operating parameters and automatic adjustment，and investigate the effects of heater power，compressor frequency，expansion valve opening，and outdoor fan speed on heating performance.Results show that a 560 W heater extends heating duration by 15.1% and increases average heating capacity by 1.6%.Within the 0~735 W power range，heating duration linearly increases with heater power，extending by 2.4 minutes per 100 W increment.This study provides reference for defrosting optimization in air‑source heat pumps.

Key words

air‑source heat pump / frost retardation / electric heating / thermal comfort

引用本文

黄东, 吴思远, 赵日晶, 王飞. 空气源热泵系统电加热延霜的试验研究. 流体机械, 2025 , 53 (4) : 18 -23 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.003

Dong HUANG, Siyuan WU, Rijing ZHAO, Fei WANG. Experimental study on electric heating frost retardation for air‑source heat pump systems[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (4) : 18 -23 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.003

正文

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0　引言

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全球约90%的人口居住在可使用空气源热泵（ASHP）提升室内温度的地区^［1］，在常见的室外环境-5~5 ℃，相对湿度高于60%的运行工况下，ASHP外机换热器易结霜^［2］。霜层生长会减小空气流通面积，增大换热热阻，导致换热器性能衰减^［3］，因此需要定期除霜来恢复系统性能^［4］。目前，ASHP产品普遍采用逆循环除霜^［5］，除霜时室内换热器作为蒸发器，导致室内停止供热，影响用户热舒适性^［6］，同时，除霜切换时四通阀换向的噪声难以避免，因此频繁除霜会影响用户体验感。延缓霜层生长、延长制热时间、降低除霜频率是改善热舒适性的有效方法。

关于ASHP延霜的研究，学者们从换热器结构^［7］、涂层^［8］、防霜表面^［9］、控制策略^［10］等角度提出了各种可行措施。其中，使用电加热是一个简单有效的方案^［11］，由于对系统的改动较小，可用较低的成本进行产品改造。表1列出电加热器在ASHP中的应用研究^［11-16］。

根据安装位置的不同，电加热器的作用效果有所不同。当安装在外机进风口^［12］时，电加热会提升进风温度，从而延缓结霜；安装在内机出风口^［11］时，可以直接提升室内送风温度；安装在储液器内^［13］或外机换热器进出口管上^{［11，14-19］}，可以提升蒸发温度，从而延长结霜时间。引入电加热器后，ASHP系统的控制参数需要进行调整匹配，加热功率也需要根据实际需求设定，然而有关控制参数对系统性能的作用规律方面的研究尚不充分。本文主要针对电加热器安装在ASHP外机换热器进口管上（膨胀阀与外机换热器之间）的制热效果进行试验，对比有/无电加热时系统的性能，对比恒定工作参数和参数自动调节的差异，研究电加热功率、压缩机频率、膨胀阀开度、外风机转速对制热性能的影响，为电加热器在ASHP产品中的应用提供数据支撑。

1　试验系统

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试验过程中ASHP安装在焓差室中（见图1），室内、外干/湿球温度分别为20 ℃/15 ℃，2 ℃/1 ℃，温度控制精度为±0.1 ℃。ASHP的额定制热量为9 700 W，制冷剂R32的充灌量为1 500 g。

试验中，压缩机为旋转式滚动活塞压缩机，型号SVB200FTMMC；电子膨胀阀型号DPFX06-063210403A；室外机采用双排翅片管换热器，每排20根管，管长955 mm，翅片间距1.4 mm，分为7个支路；室内机采用双排翅片管换热器，每排45根管，分为4个支路。电加热器由铜丝缠绕陶瓷制成，安装在内机换热器的入口管上，加热功率为560，660，735 W，三挡可调。

内外机的进出口管、换热器中部、压缩机进出口管上均布置有T型热电偶，精度±0.2 ℃；压缩机吸排气口布置有压力传感器，精度±0.5%。ASHP的输入功率和电加热器功率各用一个功率表进行测量，精度±25 W。内机接有风量测量装置，测量范围150~1 500 m³/h。制热量测量的不确定度为±2.3%。系统的COP为制热量与总功率（输入功率与电加热功率之和）的比值。制热量的测试与计算按照GB/T 7725―2022《房间空气调节器》进行。试验参数的设定如表2所示。

共进行13组不同参数的试验，以1^#试验作为基准，分别进行有/无电加热的对比试验（1^#，2^#）、恒定参数与自动调节的对比试验（1^#，11^#）、变压缩机频率（1^#，3^#，4^#，5^#）、变膨胀阀开度（1^#，6^#，7^#）、变风机转速（1^#，8^#，9^#）、变电加热功率（10^#~13^#）等试验。每个工况连续测试4个结/除霜周期，在结霜周期开始后的第5 min开启电加热，除霜开始时关闭电加热。系统在外机换热器的温度传感器低于切入设定值时开启除霜模式，在传感器温度高于切出设定值并持续20 s时结束除霜。对于恒定参数的试验组，在结霜周期开始后的第8 min设定参数，除霜过程取消恒定参数的设置；对于参数自动调节的试验组，运行时压缩机频率和膨胀阀开度不断变化，以保持排气温度稳定。

2　结果分析

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2.1　有/无电加热对比

图2示出无电加热和560 W电加热的ASHP系统性能对比（工作参数均恒定）。

可以看出，使用电加热后，制热时间由92.8 min延长至106.8 min（延长15.1%），制热量峰值由7 987 W提升至8 120 W，制热量平均值由6 923 W提升至7 034 W（提升1.6%），制热量的衰减速率由39.2 W/min降低至25.3 W/min。同时，电加热的引入使得系统总功率平均值由3 145 W增加到3 669 W，平均COP由2.20降低到1.87，降幅达15%。然而，从用户热舒适性角度而言，制热时间的延长使得除霜频率由14.9 次/d降低至12.9 次/d，且室内送风温度衰减变缓（见图3），送风温度高于45 ℃的时长由67.6 min增加到75.6 min。由此可见，在蒸发器入口使用电加热后，虽然牺牲了部分能效，但从送风温度、制热量、除霜频率来看，其有效提升了ASHP的热舒适性。

图3、图4示出有/无电加热时的蒸发和送风温度、吸排气压力的变化。可以看出，电加热器的使用延缓了蒸发温度和吸排气压力的降低，这是由于电加热器布置在外机换热器入口，加热进入蒸发器的制冷剂，提升了蒸发温度；蒸发温度的升高使得吸气压力上升，进而引起排气压力上升；排气压力的升高一方面使排气温度和冷凝温度升高，另一面也使制冷剂流量增大，两者均引起了制热量的提升和送风温度的升高。同时，电加热提升了蒸发温度，较高的蒸发器表面温度延缓了霜层生长，因此外机风量和压降的衰减均被延缓，这使得外机的吸热量能够维持在一个较高的水平，最终延长了制热时间。

2.2　恒定参数与自动调节对比

ASHP系统在结霜运行过程中往往会自动调节工作参数，其控制策略是逐渐增加压缩机频率，减小膨胀阀开度，从而保持排气温度稳定，使得制热量维持在较高水平。图5示出自动调节和恒定参数下的系统性能，电加热功率均为560 W。自动调节时制热量均值为7 511 W（提升6.8%），峰值为8 470 W（提升4.3%），功率均值为3 900 W（增加6.3%），COP均值为2.09（提升11.7%）。虽然制热时间缩短到92.1 min，但室内送风温度一直维持在较高水平（见图6），平均送风温度为47.9 ℃，高于45 ℃的送风时长为82.7 min，高于48 ℃的送风时长为57.8 min。由此可见，自动调节缩短了制热时间，使制热期间的性能参数和热舒适性均维持在较高水平。

2.3　电加热功率对制热性能的影响

图7示出3种不同功率电加热和无电加热时的性能曲线（工作参数均自动调节）。

可以看出，参数自动调节时，电加热仍然可以有效延长制热时间，且加热功率越大，制热时间越长，总功率越高，但COP区别不大。图8示出了性能参数随电加热功率的变化。当加热功率增大时，平均制热量提升，但在功率较高时，制热量的提升变缓；平均功率与制热量的变化趋势基本一致；平均COP随加热功率增大而减小，在560~735 W之间，COP的变化较小。

使用电加热的主要目的是延缓外机换热器的霜层生长，从而提升ASHP冬季的制热效果，虽然系统能效有所下降，但制热时间的延长、除霜频率的降低可以有效提升用户的热舒适性。热舒适性参数随电加热功率的变化如图9所示。可以看出，在0~735 W的加热功率范围内，制热时间随加热功率线性增长，平均每100 W加热功率可以延长制热时间2.4 min。

由于除霜过程并未开启电加热，各加热功率下的除霜时间区别不大，总的周期时间随加热功率线性变化，除霜频率则线性下降。由此可见，在一定功率范围内使用电加热器来延长制热时间，每单位功率获得的收益不会随功率增加而衰减，而随着功率增加，能效的降低会变得缓慢，因此，对于特定的ASHP系统，可以根据产品需求，综合制热延长和能效降低选择合适的电加热功率。

2.4　工作参数对制热性能的影响

ASHP系统在自动调节时，需要参照特定的工作参数，因此试验过程中，需要对压缩机频率、膨胀阀开度、外风机转速进行调试来获得不同工作参数下的测试数据。如表3所示，压缩机频率的增加可以提升制热量的均值和峰值，但也会增加平均功率；在4种频率下，86 Hz对应的平均COP最大，制热时间最长。膨胀阀开度通常需要跟随压缩机频率进行调节，开度越大，制热量的均值和峰值越小，但平均功率下降；在3种开度下，300步对应的制热时间最长，但平均COP差别不大。外风机转速会影响外机的风量和风速，转速增大时，制热量的均值和峰值提升，但平均功率增大；在3种转速下，780 r/min对应的平均COP最大，但制热时间比840 r/min时短。从延长制热时间、降低除霜频率的角度，采用88 Hz、300步、840 r/min为最佳工作参数。

3　结论

收起

（1）在恒定工作参数下，相比无电加热的ASHP系统，560 W电加热可以延长制热时间15.1%，平均制热量提升1.6%；但平均功率会增加524 W，平均COP降低15%。

（2）在560 W电加热功率下，相比恒定工作参数，参数自动调节时制热时间由106.8 min缩短到92.1 min，在结霜过程中性能参数和热舒适性均保持在较高水平，平均送风温度47.9 ℃，平均制热量同比提升6.8%，平均COP提升11.7%。

（3）当参数自动调节时，0~735 W电加热功率范围内，制热时间随加热功率线性增长，平均每100 W加热功率延长制热时间2.4 min；560~735 W范围内平均制热量和功率增长趋势一致，COP变化较小。

（4）压缩机频率、膨胀阀开度、风机转速均会影响系统性能和热舒适性参数，从延长制热时间、降低除霜频率的角度，选择88 Hz、300步、840 r/min为当前系统最佳工作参数。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2025年第53卷第4期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.04.003

接收时间：2024-09-05
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-04-30

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收稿日期：2024-09-05
修回日期：2025-01-15

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¹西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049

²青岛海尔空调器有限总公司，山东青岛 266103

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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安装位置	方法	主要结论
外机换热器入口管	仿真	制热量和制热时间的计算偏差小于5%
外机换热器入口管	试验	室外干/湿球温度为2 ℃/1 ℃时，800 W电加热使蒸发器表面温度提升1.5 ℃，制热时间延长17.9%
外机换热器入口管	仿真	COP和制热量的平均计算偏差为2.91%和3.76%
外机换热器入口管、出口管、内机出风口	试验	室外温/湿度分别为2 ℃/98%和6 ℃/68%时，COP提升10.63%~17.94%，制热时间延长36%
外机换热器进风口、内机出风口	试验	室外干/湿球温度为2 ℃/1 ℃时，1 kW电加热使制热量提升38%，COP提升57%
储液器内	试验	室外温/湿度为1.67 ℃/75%时，制热时间从93 min延长至191 min

安装位置

方法

主要结论

外机换热器入口管

仿真

制热量和制热时间的计算偏差小于5%

外机换热器入口管

试验

室外干/湿球温度为2 ℃/1 ℃时，800 W电加热使蒸发器表面温度提升1.5 ℃，制热时间延长17.9%

外机换热器入口管

仿真

COP和制热量的平均计算偏差为2.91%和3.76%

外机换热器入口管、
出口管、内机出风口

试验

室外温/湿度分别为2 ℃/98%和6 ℃/68%时，COP提升10.63%~17.94%，制热时间
延长36%

外机换热器进风口、
内机出风口

试验

室外干/湿球温度为2 ℃/1 ℃时，1 kW电加热使制热量提升38%，COP提升57%

储液器内

试验

室外温/湿度为1.67 ℃/75%时，制热时间从93 min延长至191 min

编号	电加热功率/W	压缩机频率/Hz	膨胀阀开度/步	外风机转速/（r⋅min^-1）
1^#	560	88	280	840
2^#	OFF	88	280	840
3^#	560	84	280	840
4^#	560	86	280	840
5^#	560	90	280	840
6^#	560	88	260	840
7^#	560	88	300	840
8^#	560	88	280	720
9^#	560	88	280	780
10^#	OFF	自动调节
11^#	560	自动调节
12^#	660	自动调节
13^#	735	自动调节

编号

电加热
功率/W

压缩机
频率/Hz

膨胀阀
开度/步

外风机转速/（r⋅min^-1）

1^#

560

280

840

2^#

OFF

280

840

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560

280

840

4^#

560

280

840

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560

280

840

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560

260

840

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560

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840

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560

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720

9^#

560

280

780

10^#

OFF

自动调节

11^#

560

自动调节

12^#

660

自动调节

13^#

735

自动调节

编号	压缩机频率/Hz	膨胀阀开度/步	外风机转速/（r⋅min^-1）	平均制热量/W	制热量峰值/W	平均功率/W	平均COP	制热时间/min	除霜频率/(次⋅d^-1)	平均送风温度/℃	送风温度>46 ℃的时长/min
1^#	88^1）	280^1）	840^1）	7034	8120	3669	1.87	106.8	12.9	45.7	61.9
3^#	84	280^1）	840^1）	6675	7627	3455	1.90	113.5	12.2	44.6	19.6
4^#	86	280^1）	840^1）	6980	7921	3597	2.01	116.3	12.0	45.4	60.1
5^#	90	280^1）	840^1）	7196	8284	3835	1.83	105.7	13.1	47.0	77.8
6^#	88^1）	260	840^1）	7262	8368	3791	1.88	98.3	14.0	47.5	75.4
7^#	88^1）	300	840^1）	6833	7778	3649	1.85	126.8	11.0	45.2	60.8
8^#	88^1）	280^1）	720	6881	7996	3599	2.02	96.8	14.4	46.0	62.4
9^#	88^1）	280^1）	780	7001	8027	3660	2.04	98.9	14.0	46.1	64.1

编号

压缩机
频率/Hz

膨胀阀开度/步

外风机转速/（r⋅min^-1）

平均制
热量/W

制热量峰值/W

平均
功率/W

平均COP

制热
时间/min

除霜频率/(次⋅d^-1)

平均送风温度/℃

送风温度>46 ℃的时长/min

1^#

88^1）

280^1）

840^1）

7034

8120

3669

1.87

106.8

12.9

45.7

61.9

3^#

280^1）

840^1）

6675

7627

3455

1.90

113.5

12.2

44.6

19.6

4^#

280^1）

840^1）

6980

7921

3597

2.01

116.3

12.0

45.4

60.1

5^#

280^1）

840^1）

7196

8284

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260

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88^1）

280^1）

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88^1）

280^1）

780

7001

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14.0

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64.1