低温制热工况空调器最佳除霜起始点的实验研究

张骏，陈晓园

（1-上海日立电器有限公司，上海 201206；2-西安交通大学制冷与低温工程系，陕西西安 710049）

低温制热工况空调器最佳除霜起始点的实验研究

张骏*1，陈晓园2

（1-上海日立电器有限公司，上海 201206；2-西安交通大学制冷与低温工程系，陕西西安 710049）

低温制热工况下空调外机结霜会导致系统性能显著恶化。为保持系统性能，除霜策略诸如除霜起始点和持续时间的决定是很重要的措施。这类措施使得更舒适的供暖工况成为可能。本文通过理论分析与实验研究相结合的方法，提出了利用最大平均制热量法快速确定最佳除霜起始点的方法。研究结果表明，在低温制热工况下，采用本文的除霜起始点确定方法后，只通过两次实验就使所测试的1.5匹空调器的平均制热量提升至3,213 W，能满足空调器标称要求；空调器的平均能效提高了6%。采用最大平均制热量法可以快速高效地确定最佳除霜起始点。

空调器；制热工况；最大平均制热量；除霜启动点

0 引言

2013年10月，国家对变频空调器正式实施APF测试标准[1]。APF测试主要由额定制冷、中间制冷、额定制热、中间制热和低温制热等5个工况组成[2-3]。其中，低温制热工况是空调器结霜最为严重的工况，大量的霜依附在空调器室外侧换热器的翅片上，大大减小翅片间空气流通截面积，严重降低风量，同时还会增加换热器的传热热阻，导致空调器制热量和COP急剧下降[4]。因此，空调器会频繁地进行除霜，防止空调器制热性能严重衰减[5]。

空调器的低温制热测试工况是一个非稳态的测试工况，需要测得空调器在一个或多个制热除霜周期中的平均制热量和平均制热功率来计算APF，为了提高空调器的APF和提升用户体验，需要尽可能地提高低温制热工况下的平均制热量和COP[6]。这就要求设计人员在开发研究除霜控制系统的过程中，确定最佳的除霜起始点和结束点[7-8]。国内各空调器厂已在这方面进行了大量的研究，但主要是通过多次的实验测试来确定[9-10]，需要耗费巨大的人力成本和时间成本。因此，如何快速有效地确定除霜的起始点和结束点，是一个非常重要的研究课题。

目前变频空调器最常见的除霜控制方法为温度-时间控制法和温差-时间控制法[11]。这两种除霜方法都以室外换热器为研究对象[12]，既能避免空调器频繁除霜导致房间制热时间缩短，又能避免霜层过厚严重影响到空调器制热性能，但不能保证房间内的制热量最大，因此，空调器制热量不足，房间舒适性不够好[13]。

针对以上两种常用的除霜控制方法存在的问题，葛住军等[14]在3匹定频柜式空调器上提出了一种最大平均制热量控制除霜的方法，该方法不考虑室外换热器的情况，只将室内换热器平均制热量作为研究目标。通过在室内机中设置两个温度传感器测量进出口温差，并结合已知的风机风量，计算室内换热器的平均制热量，然后分析其变化规律，确定最大平均制热量的时刻并进行除霜，实现了平均制热量的最大化，解决了冬季室内制热量不足的问题。该除霜控制方法具有一定的理论意义，但由于该方法需要增加设备测量空调器制热量，性价比较低，而且控制除霜的信号是空调器的平均制热量，有别于常用的除霜信号，需要重新编写控制程序，实际应用性较差[15]。

因此，本文将用最大平均制热量除霜方法快速确定温差-时间和温度-时间除霜控制方法的最佳除霜起始点温度，既考虑室外换热器结霜情况，同时又保证室内具有最大的平均制热量。下文将通过理论和实验分析，来说明该方法的可行性及优势。

1 最大平均制热量快速确定除霜起始点的方法

当空调器在低温制热A工况下运行时，其每个制热周期都由制热时间τ和除霜时间τd两部分组成，如图1所示。

在1个制热周期时间内总制热量和总耗电量分别为：

平均制热量和平均制热性能系数分别为：

式中：

τ——1个制热周期内制热运行时间，s；

τd——1个制热周期内除霜运行时间，s；

Q(t)——1个制热周期内实际制热能力，W；

ΣQ——1个周期内的累计制热量，J；

P(t)——1个制热周期内实际输入功率，W；

ΣP——1个周期内的累计制热功率，J；

图1 空调实时制热量和平均制热量变化规律

由图1可知，开始制热后，空调器实时制热量逐渐增大，因此平均制热量随时间的延长而逐渐增大。随着制热的进行，空调器室外换热器的霜层不断加厚，传热热阻增大，蒸发压力下降，换热风量减小，导致制冷剂与室外空气的换热量减少，空调器实时制热量逐渐降低，此时虽然总制热量还在增加，但平均制热量已开始逐渐下降。因此，在1个制热周期中，平均制热量必定存在一个最大值如果在对应的时刻开始除霜，就可以保证室内有最大的平均制热量。

因此，本文利用最大平均制热量除霜方法快速确定除霜的最佳起始点，具体方法如下：在低温制热工况下对变频空调器进行测试，无论被测空调器样机采用的是温度-时间除霜控制法，还是温差-时间除霜控制法，先设定1个较小的除霜起点温度T1或者较大的除霜起点温差，使空调器进入除霜状态的时间较晚，而退出除霜的判断条件不变。空调器在这种控制方法下连续运行多个制热周期，然后按照国标要求选择1个比较稳定的制热周期进行研究，计算出周期内各个时刻的平均制热量，分析室外换热器盘管温度和平均制热量随时间的变化规律。这样在确定出最大平均制热量对应时刻的同时，就可以确定出最大平均制热量对应的室外换热器盘管温度值为Topt，Topt就是最佳的除霜起点温度，然后修改空调器控制程序，将Topt设定为开始除霜的温度判定条件，这样空调器在低温制热工况下运行时就能获得最大的平均制热量。

2 最大平均制热量确定除霜起始点的实验研究及结果

实验在焓差室中进行，实验工况为国家标准GB/T 7725-2004中规定的低温制热工况[3]，室内进风干/湿球温度为20 ℃/15 ℃，室外进风干/湿球温度为2 ℃/1 ℃，干湿球温度控制精度为±0.2 ℃，数据采集器型号为Agilent 34970A。实验测试的空调器样机为1.5匹的家用壁挂式变频空调器，标称制热能力为3,500 W，铭牌标称最大制热能力为4,400 W，根据国标的定义，以最大制热能力为低温制热能力的1.38倍计算，可得该空调低温制热量要求3,200 W以上。为了方便研究，只选择1个制热周期进行分析。

由于实验空调器样机采用室外换热器盘管温度T0作为除霜判定信号，即当空调器连续制热运行达到设定时长后，如果室外换热器盘管温度T0小于设定值T1且持续1个设定时长，则发出开始除霜的指令使空调器进入除霜状态；随着除霜的进行，如果室外换热器盘管温度T0大于设定值T2且持续1个设定时长，或除霜时间达到设定的最大除霜时长，则发出终止除霜的指令使空调器进入制热状态。因此，在实验开始前，首先在空调器控制系统中设定1个较低的除霜起始点判定条件T1=-15 ℃，然后将空调器在低温制热工况下进行第一次实验。实验结果如图2所示。

从图2可见，开机后实时制热量逐渐增大，随着制热的进行，室外换热器结霜量逐渐增加，制热量逐渐减小。在结霜后期，由于霜层的不断增厚，室外风量减少很多，使得室外换热器的换热效果进一步恶化，制热能力进一步降低。由于控制系统中设定了室外换热器盘管温度必须达到-15 ℃，并且持续一段时间才启动除霜，因此即便空调器制热能力已经低于3,200 W的标称能力要求，由于室外换热器盘管温度仍大于-15 ℃，空调器只能继续制热，运行平均制热量继续逐渐地降低。直到室外换热器盘管温度小于-15 ℃并持续一设定的时间，空调器才停止制热，切换到除霜状态。

图2 T1=-15 ℃时空调制热能力和室外盘管温度的变化规律

从图2中可以明显看到，平均制热量先增大后减小，存在一个最大平均制热量即实时制热量与平均制热量的交点A的值，与A点同时刻对应的室外换热器盘管温度B点的值为-12 ℃，如果以B点的值作为除霜起始点的判定条件T1的值并修改控制程序，空调器下次低温制热运行时就能保证室内有最大的平均制热量。由于判定是否开始除霜的条件是：温度测点的温度值T0≤T1，并持续一个设定的时长。在启动除霜时，室外盘管实际温度会比启动除霜的温度判定条件更低一点。考虑到这个因素，修改空调器控制系统的除霜启动点室外盘管温度T1，由-15 ℃改为-11 ℃。修改完控制程序后重新进行实验，并与修改前的实验进行对比，如表1所示。

从表1中可以看到，将T1由-15 ℃改为-11 ℃后，空调器的性能得到了提高。改进后低温制热工况下空调器的平均制热量大于3,200 W，满足低温制热量的标称要求，用户体验会更佳，相比于改进前，平均制热量提升了11%；同时还可以看到，改进除霜起始点后，空调器的平均能效也得到了提高，从2.19提升到了2.32，提高了6%。

综合以上分析可知，以最大平均制热量确定最佳除霜起始点温度的判定方法，比较适合采用定膨胀阀开度或毛细管的空调器；除霜判定初选周期以工况稳定后第一个周期为佳，预先设定的温度不可过小或温差不可过大；通过最大平均制热量法确定出最佳除霜起始点温度时，以“霜除净”为最终目的，尽量减少除霜时间。

表1 不同除霜启动判定条件下的空调器性能对比

3 结论

本文为了提高低温制热工况下的平均制热量，通过理论分析和实验研究的方法，快速得出最佳的除霜起始点判定条件。主要通过在空调器低温制热实验前，预设较低的室外盘管温度作为除霜起始点的判定条件，然后实验获得制热周期的相关数据，最后采用最大平均制热量的方法，确定最佳的除霜起始点对应的室外换热器温度，并以此温度作为最佳的除霜起始点的判定条件，得出如下结论：

1）通过两次实验便可以确定出最佳的除霜起始点的室外盘管温度，使房间的平均制热量最大化，大大减小了实验量，缩短了实验测试的周期；

2）采用最大平均制热量法和温度-时间除霜控制法相结合的新方法，快速确定最佳除霜起始点对应的室外盘管温度，不需要增加测量制热量的装置，除霜信号是室外盘管温度，修改控制程序简单，具有良好的实用价值。

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Experimental Research on Optimal Defrosting Starting Point for Air Conditioner in Low Temperature Heating Condition

ZHANG Jun*1, CHEN Xiao-yuan2
(1- Shanghai Hitachi Electric Appliance Co., Ltd., Shanghai 201206, China; 2- Department of Refrigerating & Cryogenic Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, Shaanxi 710049, China)

The system performance will be significantly deteriorated due to the frosting on outdoor unit of air conditioner under low temperature heating conditions. To maintain the system performance, the defrosting strategy, such as the start point and duration, is very important solution. This solution makes it possible to realize more comfortable heating condition. Based on the experiment and theory analysis, the method to find the best start point for defrosting by using optimal average heating capacity methodology was proposed. The research results show that, in low temperature condition, the best point was found within 2 trials by adopting the proposed method; the average heating capacity of the tested 1.5 HP air conditioner is increased up to 3,213 W, which meets the requirement for the air conditioner; the average energy efficiency is increased by 6%. The optimal average heating capacity method is a practical and efficient way to determine best deforesting strategy for an air conditioner system.

Air conditioner; Heating condition; Maximum average heating capacity; Starting point of defrosting

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.110

*张骏（1978-），男，工程师，硕士。研究方向：制冷系统。联系地址：浦东新区宁桥路888号，邮编：201206。联系电话：021-50554560。E-mail：zhangj@shec.com.cn。