冷暖型变频空调器的除霜方法分析

冷暖型变频空调器的除霜方法分析
发布时间：2022-10-25T04:32:51.113Z 来源：《科技新时代》2022年10期作者：曹全
[导读] 随着人们环保意识的提升，冷暖型变频空调已经走进了千家万户。

如果空调在工作中出现结霜现象会使得换热器在运行中受到过大的空气阻力，大幅度降低蒸发温度，会影响到空调的制热效率，导致用户取暖耗电量上升。

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摘要：当空调在温度较低湿度较大的环境中使用时，结霜现象时有发生，而空调结霜的根本原因是室外机换热器的表面温度迅速降低至0℃以下，此时水蒸气便会在其表面结霜，这便会影响到空调自身的制热性能。

本文便结合笔者实际工作经验，对当前常用的空调除霜方法进行分析，并提出空调除霜方法的优化措施，从而达到最大化空调效能的目的。

关键词：冷暖型变频空调器；除霜；不降温蓄热除霜系统
前言：随着人们环保意识的提升，冷暖型变频空调已经走进了千家万户。

如果空调在工作中出现结霜现象会使得换热器在运行中受到过大的空气阻力，大幅度降低蒸发温度，会影响到空调的制热效率，导致用户取暖耗电量上升。

因此，加强对冷暖型变频空调除霜方法的研究有着极强的现实意义。

1冷暖型变频空调器的常用除霜方法
根据笔者多年的研发经验，以日本以及北美轻商空调产品为例，冷暖型空调器常用的除霜方法如下。

1.1电加热除霜法
此种方法指的是在变频空调器室外机中的换热器附近安装电加热装置，以此种方式为换热器提供除霜所需要的热量。

当前经常使用的电加热装置有电热膜、电热阻丝以及电热管等设备。

电加热除霜法的基本原理便是利用通电后电阻发热的现象，为换热器表面提供热量，使其表面温度始终处于0℃以上，防止继续结霜，并利用热量去除换热器表面已经结霜的部分。

此种方法的优点是原理、安装方法较为简单，相关零部件较为常见，更换维修较为简单，并且除霜速度极快，也较为彻底。

但此种方法的缺点是耗能较高，与其所消耗的电能相比，效率较低，而且需要增加额外的除霜设备增加了产品成本，正是有着如此缺陷，此种方法并不适用于家用和轻商空调[1]。

1.2淋水除霜法
此种方法是利用相关淋水装置在室外机中的换热器表面进行淋水，利用水自身的热量融化其表面存在的霜。

但此种方法对换热器的形式及型号有一定要求，只有蒸发温度高于40℃的翅片管换热器才能够使用。

如果蒸发温度在40℃以下的空调器则不建议直接喷淋水，可以使用不冻液喷淋。

此种方法的优点是操作简单，耗材具有极强的经济性，人们可以自己进行操作。

缺点是该种方法的整体效率较低，消耗较大，而且极易造成水污染，因此在大型空调系统中并不会采用此种除霜方法。

1.3电场除霜法
此种方法是在空调室外机中的换热器附近施加电场，并利用电场作用对霜层的形成进行抑制，防止其持续增长。

电场除了会对霜层的形成产生抑制作用以外，还能够影响到霜晶自身的结构，降低其整体强度，使其脆化，进而使得其在凝结过程中从换热器的表面脱落，以此种方式达到为换热器除霜的目的。

不论是交流电场还是直流电场均可以为换热器提供此种电场。

此种方法的优点是除霜效率较高，耗能较小，能够应用到大型空调系统中。

缺点是需要一定专业技术，操作难度较高，相关零部件并不常见。

1.4四通阀换向
此种方法与淋水除霜、电场除霜、电热除霜等有着本质区别，上述方法均是在换热器外部对其进行除霜。

而四通阀换向则是利用内部制冷剂所携带的热量进行除霜。

利用四通阀的特点，将室外机排出的高温蒸汽进行逆循环，使其从室外直接进入到换热器内部，以此种方式升高其温度，融化表面存在的霜层。

该种方法的优点是，不需要在空调系统中增加其他装置，整体耗能较少，基本原理简单。

缺点是，在利用四通阀进行换向时，空调的运行状态有制热转到制冷状态，压缩机的排气压力与吸气压力产生大幅度变化会有明显的制冷剂冲击噪音，制热过程中断导致房间温度下降，制热不连续。

1.5旁通除霜法
此种方法是在常用的空调系统中额外增加旁通支路，空调在制热过程中，按照预先设定好的时间间隔将高温制冷蒸汽输送至换热器内部，高温蒸汽会在短时间内提高换热器、空调室外机的整体温度，可以有效防止其结霜。

根据相关试验发现，高温蒸汽的流速与空调自身的制热效率存在直接关系，当高温蒸汽流速是整体制冷剂的两成时，空调制热效率会至少提高8.5%。

此种方法的优点是耗能较少，基本原理与四通阀换向基本相同，均是改变高温蒸汽的输送方向。

缺点是当高温蒸汽通过支路进入到换热器时，会明显降低制冷剂流量，使得在除霜过程中出现制热量不足，无法吹出热风的现象[2]。

1.6相变蓄能
此种方式是在空调系统中设置相变蓄能装置，此类装置可以将空调系统在高效运行过程所产生的热量进行存储，当空调系统需要进行除霜时，会将装置内部所存储的热量释放到制冷剂中，当带有热量的制冷剂进入到换热器时候，便会作为除霜的热源，进而提高换热器内部的温度，进行除霜。

此种方法不需要切换空调系统中的四通阀，所以并不会使得压缩机产生压力变化，不会对制热效率产生影响。

该种方法的优点是供热稳定、热量较足，耗能较小。

缺点是需要在空调系统中额外加入相变蓄能装置，增加空调系统的复杂性，这便在一定程度上增加了企业的投资成本，而且该装置价值较高，不适合在小型空调系统中使用。

2冷暖型变频空调器除霜方法的优化措施
基于上文中提到的冷暖型变频空调器常用的除霜方法可发现，虽然各种方法优点和缺点各不相同，但共同的缺点便是在除霜时均会给空调的制热性能产生影响，这便意味着降低了空调器的制热效率，增加了不必要的能耗。

本文便以笔者实际研发经验为基础，综合上文所描述的除霜方法，提出一种不降温蓄热除霜方法，从而达到最大化空调制热效率的目的。

2.1不降温蓄热除霜系统
此种方法的基本原理如图1。

在制冷模式下，该空调中的四通阀也就是4WV与XR4WV处于待机状态下，此时两侧四通阀的d开关与c开关为闭合状态，e开关与s开关也为闭合状态，LEV3处于关闭状态，蓄热器待机。

当空调系统处于制热状态下时，机组启动后4WV与
XR4WV均为通电状态，此时d开关与e开关为闭合状态两者导线相互联通，c开关与s开关处于连通状态，两者导线相互联通，LEV3处于关闭状态下，蓄热器待机。

当空调系统室内换热器出口的出风温度达到预先设定值时，系统会自动调节LEV3的开度，进而使得蓄热器进入工作状态，随着蓄热量的增加，系统会自动减少LEV3的开度，当蓄热量达到预先设定值后，系统会自动关闭LEV3。

当空调系统室外机换热器需要进行除霜时，会将通路切换至XR4WV，此时空调系统进入除霜模式。

压缩机所排出的高温高压气态路径存在两种，一是从XR4WV 处的d开关所在的导线流向c开关所在的导线，最终进入空调系统中室外机的换热器部分开始除霜工作，在除霜基本完成后，高温高压的气体会转变为低温高压的液体。

二是从4WV处流向室内换热器，此部分高温高压的气体会在一定程度上提高空调系统出风口的温度，进而保证空调出风口的出风温度不下降，甚至还会上升，满足人们的基本制热需求。

此时两路高压低温的液体工质汇合后，会经过LEV3对其进行节流降压，当成为低压低温的气液混合物时，会被输送至蓄热器内部使其蒸发再次汽化，最后被传输至压缩机气体入口处，这样便完成了单次循环。

上述系统中会使用到压力传感器、温度传感器、采样芯片，其中温度传感器的精度需要在1%以内，压力传感器的精度需要在0.01Mpa。

该空调系统在除霜过程中会遵守能量守恒定律如下，
公式（1）中的Qx代表该系统内蓄热器的热能存储量，其表示单位为W，Qe代表是空调系统中室内换热器在运行中所释放的热量，表示单位也是W，Qc代表的是除霜所需要的热量，P是在除霜过程中压缩机的消耗功率，T代表的是除霜过程中所消耗的时间，X代表压缩机的热能转化效率。

从上述公式可发现，当压缩机的消耗功率不变时，室内换热器所产生的热量和除霜过程中所消耗的热量成反比。

基于该理论，可得知，在不降低室内温度的情况下，还要提高除霜效率，唯一的办法便是尽可能提高蓄热器自身存储热量的数值。

而蓄热器作为该空调系统中的核心零部件，又和除霜效率有直接关系，所以更应当提高对该零部件的重视程度。

对于蓄热器来说，其内部材料的性质与其储热量息息相关，从该角度看，如何选择蓄热器的材料便成了该系统提高除霜效率的重点。

结合笔者工作经验来看，理想的蓄热材料需要符合下述几个方面特点。

一是需要有较为合适的相变温度，温度应当在水的冷凝温度以及蒸发温度之间，但不能距离两者过近[3]。

二是此种材料需要具备良好的导热系数以及相变潜热，此种性能可以最大限度降低蓄热器的体积。

三是相变体积变化不能过大。

四是过冷度不适宜过大，若过冷度过大便会影响到蓄热器的取热。

五是需要具备极为稳定的化学性质，有极强的抗腐蚀性能，并且是无毒、不易挥发材料。

六是具备较强的经济性。

此种材料的市面价格不能过高，可大面积应用到各类空调系统中[4]。

通过对市场中流通的相关材料进行筛查后发现，22#石蜡较为合适，其相变温度为22℃，比热容为2kJ/kg，相变潜热、显热分别为
245kJ/kg、40kJ/kg，液体时其密度为0.7kg/L，在固体状态下其密度为0.8kg/L，由该种材料所制成的蓄热器整体为10kg，具有较为良好的蓄热效果，在市场中较为常见，价格也十分低廉。

图 1 系统构成
2.2 四通阀逆向化霜方法的优化：
四通阀逆向化霜是家用空调使用最广泛的一种除霜方式，无论是定速空调、变频空调，还是商用空调。

它使用成本低，不需要额外增加其他设备，需要通过室内或室外换热器上的感温头的阻值变化来判定室外换热器上是否结霜。

但针对不同温度和湿度的情况，不同的设定方式会有偏差，此次优化主要针对低温（-2~-15℃）高湿（相对湿度90%）环境来优化。

变频空调主要的判定来源于环境感温头和室外换热器上的盘管感温头。

通常使用的是环境感温头和盘管感温头的差值来判定，如室外环境温度-2℃时，通常该环境温度下湿空气露点温度为-10℃（相对湿度50%）到-2.61℃（相对湿度95%）。

如果使用6度温差来判定则在室外换热器上盘管感温头达到-8℃进入除霜，那么在相对湿度低时则过早进入除霜，而相对湿度高时过晚进入除霜。

现优化方法采用盘管温度下降值来进入除霜，在低温高湿（干球-6.6℃，相对湿度92%）工况下：室外换热器上的感温头表现如下图：
运行3小时15分钟后，盘管温度由前标记的-9.2℃度下降3℃达到实测-12.5℃进入除霜。

而之前规则，环境温度-5.4℃减去6℃在盘管温度-11.4℃时进入除霜，较温差法晚进入。

综合考虑到不同湿度条件下的结霜情况，将除霜条件更改如下：
进入制热模式压缩机运行10~12分钟，记录这段时间室外盘管最最小值T1，满足下面条件一、二任一进入除霜：
条件一：压缩机累计运行30~40分钟内，盘管温度≤-7，且T1-盘管温度≥2;
条件二：压缩机累计运行40分钟后，盘管温度≤-5，且T1-盘管温度≥3。

对于压缩机运行在10分钟内即达温停机，采集不到盘管温度，采用累计30次之后进入除霜。

室外温度0度以下，对于累计运行4小时未除霜则进入除霜。

通过以上更改，在低温高湿环境下更早的进入除霜，冷凝水更少，而在常规工况条件下，则更晚进入除霜，达到了根据结霜多寡来适时的进入除霜模式。

结论：综上所述，冷暖变频空调在结霜状态下势必会影响其制热效果，本文结合空调系统常用的除霜方法，结合笔者实际工作经验，在其中加入了蓄热模块，通过试验表明，该模块可解决除霜方法中降低制热效率的问题，也可以从优化空调除霜的控制规则入手，此两种方法为提高空调系统制热效率提供了新的技术方向。

参考文献：
[1]陈守海,晏刚，李永彬. 变频空调逆循环除霜过程制冷剂分布技术研究[A]. 中国家用电器协会.2021年中国家用电器技术大会论文集[C].中国家用电器协会:《电器》杂志社,2021:851-856.
[2]由秀玲,高思云. 一种变频空调电子膨胀阀模糊控制算法研究与应用[A]. 中国家用电器协会.2020年中国家用电器技术大会论文集[C].中国家用电器协会:《电器》杂志社,2020:767-774.
[3]方立勇,阚广杰. 零风感空调舒适性控制方案设计初探[A]. 中国家用电器协会.2019年中国家用电器技术大会论文集[C].中国家用电器协会:《电器》杂志社,2019:401-410.
[4]陈绍楷,刘睿,苏楚洲. 变频空调室外换热器低温结霜特性的实验研究[A]. 中国家用电器协会.2019年中国家用电器技术大会论文集[C].中国家用电器协会:《电器》杂志社,2019:577-582.。