空调除霜专利技术综述

2018-02-16刘怀涛张旭

家电科技 2018年10期

关键词：控制法室外机四通

刘怀涛张旭

国家知识产权局专利局材料工程发明审查部暖通一处北京 100088

1 引言

近年来，随着生活水平的提高，空调已经进入了千千万万的普通百姓家庭，成为使用最为频繁的家用电器之一。但是，在实际使用过程中，特别是在温度偏低并且相对湿度较大的地区使用时，空调室外换热器的表面会产生结霜现象，进而导致空调机组的制热效果恶化。

空调室外机结霜的主要原因是在低温工况下制热运行时，随着室外环境温度的下降，室外机换热器表面的温度降低到空气露点温度以下并且低于0℃，此时空气中的水蒸气在室外机换热器表面凝结成霜，时间长了霜层逐渐加厚，将会影响换热器的正常工作。

空调室外机结霜的主要影响包括以下几点：

第一，结霜会导致换热器的空气阻力增大，进而导致蒸发温度降低、风机电流加大，使得空调的制热性能下降；

第二，随着霜层的继续增厚，压缩机排气温度随着压缩比的增大而不断提高，当温度超过防止过热的上限值时，压缩机进入停机保护状态，机组无法正常工作；

第三，如果压缩机的排气温度长期处于高温状态，则会导致压缩机长期过热运行，影响压缩机的使用寿命。

目前，在解决空调结霜的问题上，业内已经提出了许多切实有效的措施，本文采用中国专利文摘深加工数据库（CNABS）、德温特世界专利索引数据库（WPI）以及欧洲专利局专利文献数据库（EPODOC），分别对国内专利申请和其他区域专利申请进行检索总结，现从除霜方法和控制方法等方面予以介绍。

2 除霜方法

2.1 电加热除霜法

电加热除霜是在空调室外机换热器上设置电加热装置，利用电加热装置提供除霜的热量。常用的电加热装置包括电热阻丝、电热管、电热膜等（可参见公开号为CN104089443A所公开的内容）。电加热除霜的结构简单，化霜彻底，在小型的空调装置上得到了广泛的应用。但是电加热除霜的耗电量大，效率低，不适合在大型空调装置上使用。

2.2 淋水除霜法

淋水除霜是通过淋水装置向换热器的表面淋水，利用水的热量将换热器表面的霜融化掉（可参见公开号为CN203336739U所公开的内容）。蒸发温度在40℃以上的翅片管换热器都可以用回水进行喷淋除霜，蒸发温度低于40℃的空调大多采用不冻液进行喷淋除霜。淋水除霜的效率低，能耗大，并且易造成水污染，不适合在中大型的空调系统中应用。

2.3 电场除霜法

电场除霜是在空调室外换热器上施加一个电场，利用电场力的作用抑制霜层的形成和增长（可参见公开号为CN203336886U所公开的内容）。除了结霜过程中的抑制作用以外，实验结果表明，施加电场还能影响霜晶的结构，使得霜晶变得容易折断，从而使霜在凝结过程中就从室外换热器的表面脱落，达到除霜的目的。目前直流电场和交流电场都能够用来提供这种外加电场，对空调除霜具有一定的效果。

2.4 四通阀换向除霜法

不同于电加热除霜和淋水除霜这种从换热器外部进行除霜的方式，四通阀换向除霜是利用空调系统内部制冷剂的热量进行除霜的技术（可参见公开号为CN102141330A所公开的内容）。通过四通阀的换向，使压缩机排出的高温制冷剂蒸汽逆循环运行，直接进入室外换热器内部，使室外换热器的温度升高，从而使其表面的霜层融化。四通阀换向除霜不需要在系统中增加额外的加热装置，能耗小，化霜方式简单。但是在四通阀换向的过程中，会出现压缩机的吸气压力和排气压力剧烈变化，这种压力的剧烈变化会导致机组内部受到较大的机械冲击，当除霜结束恢复正常制热运行时，容易导致较长时间无法吹出热风的问题。

为了减缓四通阀换向除霜造成的压缩机吸气压力和排气压力的剧烈变化，减小这种压力的剧烈变化所造成的机械冲击，有学者提出在四通阀换向除霜结束前启动室外风机，实验分析发现提前20秒启动风机能有效减小空调机组在除霜过程中受到的机械冲击。

2.5 旁通除霜法

旁通除霜法是在常规的空调系统中增加一条旁通支路，在空调系统制热运行过程中，按照一定的时间间隔将压缩机排出的一部分高温制冷剂蒸汽引入到空调室外机换热器的内部，高温的制冷剂蒸汽提高了空调室外机换热器的温度，从而可以起到延缓室外机换热器结霜的作用（可参见公开号为CN101532705A所公开的内容）。实验发现，当旁通的高温制冷剂蒸汽的速度为整体制冷剂流速的20%时，空调系统的制热效率COP值提高5.7%至8.5%。但是旁通除霜由于使压缩机排出的一部分高温制冷剂蒸汽通过旁通支路进入室外机换热器，使得参与制热的制冷剂流量减少，造成除霜时空调系统热量不足，供热不稳定的问题。

2.6 相变蓄能除霜法

相变蓄能除霜法是在空调系统中增加相变蓄能装置，这种相变蓄能装置将空调机组平时高效运行时产生的热量储存起来，当需要除霜的时候，将相变蓄能装置储存热量释放到部分制冷剂中，使吸收了相变蓄能装置储存热量的制冷剂进入空调室外机换热器内部，作为除霜运行的低温热源，提高空调室外机换热器的温度，进而达到除霜的目的（可参见公开号为CN101413744A所公开的内容）。这种相变蓄能除霜法不需要切换四通阀，因此不会造成压缩机的吸气压力和排气压力剧烈变化，可以解决热气旁通除霜时热量不足和供热不稳定的问题。但是相变蓄能除霜由于需要改造常规的空调系统，加入相变蓄能装置，造成系统结构复杂，增加了投资成本。

2.7 混合除霜法

混合除霜法是采用两种或两种以上的除霜方法混合运行，这种方法能够综合多种除霜方法的优点，克服单独一种除霜方法的不足，提高除霜效果。常见的混合除霜法包括电加热和旁通混合除霜法、电加热和四通阀换向混合除霜法。

电加热和旁通混合除霜法是采用电加热除霜和旁通除霜联合运行的除霜方法（可参见公开号为CN203964177U所公开的内容）。由于旁通除霜会造成空调系统热量不足，供热不稳定，当热量不足时采用电加热辅助除霜，可以保证有足够的制冷剂参与空调系统运行。

电加热和四通阀换向混合除霜法是采用电加热除霜和四通阀换向除霜联合运行的除霜方法。通过在压缩机的入口设置电加热装置，提高制冷剂的温度，在制热状态下抑制霜层的形成，当室外温度较低的时候，使四通阀换向，同时开启电加热装置，提高制冷剂的温度，避免系统内制冷剂压力的剧烈波动。

2.8 除霜方法小结

以上对现有的除霜方法进行了梳理，有些除霜方法使用比较广泛，比如电加热除霜法、淋水除霜法、四通阀换向除霜法等，这些除霜方法一般结构比较简单，不需要对空调系统做大的改动，使用起来稳定性强，因此被普遍采用。但这些除霜方法存在的缺点也比较明显，比如耗能高、除霜效率低、不适合在中大型的空调系统中应用等。其它一些除霜方法，比如旁通除霜法、相变蓄能除霜法、混合除霜法等，其除霜效果较为理想，但随之带来的问题就是结构复杂，需要对系统进行改进，增加多种传感器、支路、蓄能装置等，这必然会增加投资成本，系统复杂就会使稳定性减弱，维护成本相应提高。

3 控制方法

除了除霜方法以外，确定什么时间除霜也是空调系统正常运行的关键技术，选择最佳的除霜时机对空调的运行至关重要，常见的除霜控制方法主要有以下几种：

3.1 按时除霜控制法

按时除霜控制法是最简单的除霜控制方法，即不管外界环境条件如何变化，空调系统始终按照预定的时间进行除霜，只要到达设定的除霜时间，不管有没有霜以及霜层有多厚，系统都会切换到除霜状态运行（可参见公开号为CN107461962A所公开的内容）。这种控制方法的优点是简单，不需要额外的检测手段，也不需要控制系统做过多的运算，仅靠定时器就能控制除霜系统运行。

但是由于预定的除霜条件通常都是按照最差工况设定的，并且加入了一定的余量，也就是说到达设定的时间时，室外机换热器的实际状态不一定需要除霜，这时开启除霜系统工作，不仅会造成能源浪费，还会影响空调系统的工作效率，严重的还会影响使用空调房间的舒适度。

3.2 时间-温度控制法

时间-温度控制法是在按时除霜控制法的基础上考虑了温度的因素，特别是蒸发器的盘管温度或者室外环境温度。当检测到蒸发器的盘管温度达到设定值并且达到设定的除霜时间时，空调系统立即开始进入除霜模式（可参见公开号为CN106152643A所公开的内容）。也就是说，与传统的按时除霜控制法不同，时间-温度控制法需要满足温度和时间两个条件，才开启除霜模式。这就在一定程度上避免了传统的按时除霜控制法在不需要除霜时开启除霜系统工作造成的能源浪费问题。

但是由于空调系统实际的工作环境不同，例如有的地区空气相对湿度小，即使蒸发器的盘管温度达到设定值，空调室外机的换热器表面仍然只有很少的霜，不需要进入除霜模式。还有的地区虽然室外环境温度不太低，但是相对湿度较大，此时虽然检测到的蒸发器盘管温度没有达到预定值，但是实际上室外机换热器表面已经形成了很厚的霜层，此时系统不进入除霜模式会造成系统运行效率下降，工作条件急剧恶化。

由此可见，时间-温度控制法虽然比传统的按时除霜控制法有所进步，但是仍有不足，无法很好地适应各种不同的工作环境。

3.3 空气阻力控制法

空气阻力控制法的原理是利用结霜造成空调室外机换热器空气阻力增加的特性，通过检测空调室外机换热器两侧的空气压差，判断是否需要除霜。空调室外机换热器表面上的霜层厚度与空调室外机换热器两侧的空气压差具有一定的数学关系，当检测到空调室外机换热器两侧的空气压差达到设定值时，控制空调系统进入除霜模式。除霜过程中，持续检测空调室外机换热器两侧的空气压差，当空气压差大于设定值时，表面霜已经被除去，此时控制空调系统结束除霜模式（可参见公开号为CN104930638A所公开的内容）。

空气阻力控制法的主要问题在于空气压差的检测手段受到很多环境因素的影响，例如室外风速、空调室外机换热器是否被杂物灰尘堵塞等，这些因素都会导致检测结果不准确，进而导致系统出现误判，可靠性不高。

3.4 温差控制法

温差控制法是利用蒸发器温度与大气温度的温差，作为判断是否进入除霜模式的依据。当空调室外机换热器表面霜层厚度达到一定值时，蒸发器温度与大气温度的温差会增加，根据这一温差的变化值，可以作为是否除霜的判定条件（可参见公开号为CN106152643A所公开的内容）。但是蒸发器温度受到多个因素的影响，仅仅依靠蒸发器温度与大气温度的温差仍然会有误判的风险。

3.5 光电控制法

光电控制法是利用光电传感器直接检测结霜是否达到设定的厚度阈值，当霜层厚度达到设定的厚度阈值时，会挡住光电传感器的光源，造成相应的转换电路的输出电压和电流变化，根据这种电信号的变化判断是否应该进入除霜模式（可参见公开号为CN101634509A所公开的内容）。

光电控制法由于直接检测霜层厚度，准确性大大提高，但是由于这种检测手段往往需要用到稳定的高增益放大器，相关的传感器成本过高，难以在实际应用中推广。

3.6 电容探测控制法

电容探测控制法是与光电控制法类似的控制方法，不同之处在于电容探测控制法是用安装在空调室外机换热器中的电容探测器检测霜层厚度，当霜层达到一定值时，会改变电容探测器的介电常数，从而根据相应的转换电路的输出电压和电流变化，判断是否应该进入除霜模式（可参见公开号为CN104019594A所公开的内容）。

与光电控制法类似，电容探测控制法也是受限于传感器的成本，难以在实际应用中推广。

3.7 最大平均供热量控制法

最大平均供热量控制法是当空调系统处于低温工况下的制热状态时，以空调系统产生的最大供热量为目标，通过相关的数据采集后，计算出实际的平均供热量，然后通过供热量的实际测量值与理论值的比例关系来确定最佳的除霜时机（可参见公开号为CN103940161A所公开的内容）。

最大平均供热量控制法目前还仅处于理论研究阶段，有学者指出，这种方法目前在实际操作中难以实现。

3.8 模糊控制法

模糊控制法是利用模糊控制技术实现智能除霜。模糊控制技术是一种以模糊集合、模糊语言变量以及模糊推理为基础的控制方法，通过模仿人脑的思维和学习能力，根据专家或操作人员的相关知识和经验，作出相应的处理和控制。模糊控制法通过对除霜过程中室外换热器温度等状态变换的检测，对上一次控制量进行相应的修正，使除霜控制在一定程度上适应环境参数的变化，达到智能除霜的目的（可参见公开号为CN102721172A所公开的内容）。

3.9 除霜控制方法小结

按时除霜控制法无疑是最简单的除霜控制方法，其按设定的除霜时间进行除霜。时间-温度控制法在按时除霜控制法的基础上考虑了温度的因素，有了一定的改进。通过检测空调室外机换热器两侧的空气压差，或检测蒸发器温度与大气温度的温差，进而衍生出了空气阻力控制法和温差控制法。上述除霜控制方法原理简单，但存在判断精度不够的缺点，要么是在不需要除霜的时候启动除霜，要么是除霜滞后，有的还存在误判的风险，这些不足会导致能源浪费，系统运行效率下降。为了提高判断精度，使用光电传感器和电容探测器的控制方法也已出现，但由于这些传感器成本过高，难以在实际应用中推广。最大平均供热量控制法和模糊控制法目前处在发展阶段，有待于技术人员的进一步优化。