热泵型空调额定制热室外换热器结霜原因分析及对策

朱晋清 陈圣文 张继勇

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

空气热泵空调作为节约能源的装置，夏季可以制冷、冬季可以制热，且不污染环境，受到广大消费者的喜爱。我国部分省市已出台政策，不同程度地体现了将空气源热泵供暖技术纳入可再生能源技术利用范围[1]，因此，这种空气热泵空调的普及率非常高。但空气热泵空调在使用中仍有许多不足及需要改进的地方，如热泵型空调冬季制热室外机容易结霜，制热效果不理想；在一些低温高湿环境中，制热时长较短以及频繁除霜导致房间温度频繁波动，用户热舒适性体验差等。

笔者以产品开发过程中在额定制热工况下室外机换热器出现结霜的变频空调器为研究对象，通过对换热器结霜机理分析，分析换热器结霜的原因及对策，为后续解决变频空气热泵空调在额定制热工况下结霜问题提供参考。

1 换热器结霜机理

空气热泵空调在低温高湿环境极易出现结霜现象，而且结霜过程极其复杂，涉及到环境温湿度、空气流量、换热器翅片类型及间距、翅片表面特性以及霜层结构等众多影响因素[2]，但换热器结霜机理相同。在额定制热工况下，室外机换热器用于制冷剂蒸发，空气流经换热器时，如果换热器翅片和盘管温度低于空气露点温度，且换热器翅片和盘管表面温度低于0 ℃时，其所含的水分就会析出并附着于翅片和盘管表面形成霜层。

2 额定制热工况结霜影响及分析

依据GB/T7725-2004《房间空气调节器》第5.1.2条规定：“热泵型空调器的热泵额定（高温）制热量应不低于其额定制冷量；对于额定制冷量不大于7.1 kW的分体式热泵空调器，其热泵额定（高温）制热量应不低于其额定制冷量的1.1倍，第5.2.4规定热泵的实测制热量不应小于热泵额定制热量的95 %[3]”，空调在额定制热工况下运行时，室外机换热器不应该出现结霜，否则制热量可能不满足国标5.1.2条和5.2.4条规定的要求，也会导致用户热舒适性体验差。

某50变频3级房间空调器，在额定制热工况运行室外换热器出现结霜现象，其系统配置表1所示，室外换热器结霜现象如图1所示。

表1 机型配置表

2.1 空调在额定制热工况下结霜常见原因分析及对策

2.1.1 制冷剂循环量不足

在额定制热工况下，如果制热流向室外换热的进口温度小于 0 ℃，则表明在空调系统内制冷剂在蒸发侧的流量不足。当制冷剂不足时，蒸发压力和冷凝压力都将降低，用压力表检测高低压侧压力会发现低于正常压力，换热器低压侧压力低于正常压力，蒸发温度会降低并在表面局部结霜甚至出现冰层[4]。主要对策：减短毛细管或增加制冷剂以增大系统流量。

2.1.2 制冷剂循环量过大

在额定制热工况下，制热流向室外换热器的出口温度小于 0 ℃, 室外换热器的进口温度大于1 ℃, 则表明空调系统内制冷剂流量太大，制冷剂蒸发不完全导致换热器结霜。主要对策：①加长毛细管或减少制冷剂。②提高室外风机的转速（同时要考虑室外机的噪声）。③变频空调在满足制热量前提下，尽可能降低压缩机运行频率。④更改冷凝器走管，提高换热器的换热效率。⑤加大室外机冷凝器。出于成本考虑，大部分厂商都是采用前四个对策方案解决因制冷剂蒸发不完全导致换热器结霜问题。

2.1.3 室外换热器分液不均

分液不均匀也是导致换热器结霜主要原因之一，常见分液不均匀一般为两种，一种是分流器设计不合理，分流器本身分液不均匀导致换热器分液不均；另外一种是换热器流路设计不合理，导致各流路分液不均。当某一路或几路制冷剂流量不足时，流量不足的流路蒸发压力和蒸发温度偏低，并出现结霜现象。当某一路或几路制冷剂流量过大，制冷剂蒸发不完全，也会导致换热器出现结霜现象。主要对策：选用分液均匀分流器和设计合理换热器流路，使各流路分液均匀。

2.2 方案验证

从图1室外机结霜现象可见，结霜主要在换热器上部和中下部，初步分析室外换热器分液不均匀是结霜主要原因，通过采集换热器温度数据，如表2所示，各流路进口温度均为正值，出口1和出口3温度为负值，分析是室外换热器第1流路和第3流路制冷剂流量过大，蒸发不完全导致室外机换热器结霜。

表2 额定制热结霜时室外换热器温度数据

根据以上分析，制定三种验证方案：①加大室外风机转速、②减低压缩机运行频率、③调整室外换热器流路，调整前后流路方案如图2和图3所示

2.3 方案验证情况分析

原机和三种优化方案验证情况如表3所示，该机型铭牌标示额定制热6 800 W，国标要求热泵的实测制热量不应小于热泵额定制热量的95 %，即实测制热量应≥6 800×0.95=6 460 W，原机额定制热测试运行22 min，外机换热器开始缓慢结霜能力衰减，实测额定制热量6 032 W，不满足国标要求。通过加大室外风机转速，提升室外换热效率，换热器出口1和出口3温度提升1.7 ℃、0.7 ℃，但还是低于0 ℃以下，运行73 min后换热器开始结霜，能力较原机提升300 W左右，说明该方案对该机型室外换热器结霜问题有改善。通过进一步降低压缩机运行频率，减少制冷剂质量流量，出口1和出口3温度进一步提高，运行105 min后，室外换热器才开始结霜，由于压缩机运行频率降低，实测额定制热量提升不明显，但也说明降低压缩机运行频率，也可以改善该机型制热结霜问题。室外换热器优化流路后，各流路出口温度分别为1.8 ℃、1.5 ℃和2.2 ℃，连续运行180 min均未出现制热能力衰减、换热器结霜现象，实测额定制热量6 846 W满足开发要求。在压力损失允许的情况下，采用多的过冷管设计可以获得较好的制冷能力、能效；采用少的过冷管设计可以获得较好的制热能力、能效[5]。室外换热优化流路后过冷管由原来5根减为3根，对制热性能有提升，但制冷性能会降低；经对比测试，额定制冷量降低80 W，全年能效消耗效率APF降低0.02，原机余量较充足，仍满足开发要求。

表3 原机和三种方案验证数据

3 结论与建议

1）对于额定制热实验过程中，如果发现室外换热器进出口温度小于1 ℃，建议工况稳定后运行3 h再记录测试数据；如果测试过程中发现室外换热器进出口温度小于0 ℃，则说明换热器有结霜隐患，则可以提前结束实验。

2）在额定制热工况下，如果制热流向室外换热的进口温度小于0 ℃，则表明在空调系统内制冷剂在蒸发侧的流量不足。制热流向室外换热的出口温度小于0 ℃，室外换热的进口温度大于1 ℃，表明系统流量太大，导致制冷剂蒸发不完全。

3）如果是室外换热器制冷剂蒸发不完全导致结霜，通过提升外机转速，提高室外换热器蒸发压力、蒸发温度和通过减低压缩机运行频率、加长毛细管长度或减少制冷剂灌注量，可改善换热器结霜问题。

4）室外换热器流路不均匀额定制热结霜主要原因之一，调整流路使分流均匀可改善制热结霜问题，但需同步考虑调整流路后对制冷性能的影响。