朱晉清 陳圣文 張繼勇

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

空氣熱泵空調(diào)作為節(jié)約能源的裝置，夏季可以制冷、冬季可以制熱，且不污染環(huán)境，受到廣大消費者的喜愛。我國部分省市已出臺政策，不同程度地體現(xiàn)了將空氣源熱泵供暖技術(shù)納入可再生能源技術(shù)利用范圍[1]，因此，這種空氣熱泵空調(diào)的普及率非常高。但空氣熱泵空調(diào)在使用中仍有許多不足及需要改進(jìn)的地方，如熱泵型空調(diào)冬季制熱室外機(jī)容易結(jié)霜，制熱效果不理想；在一些低溫高濕環(huán)境中，制熱時長較短以及頻繁除霜導(dǎo)致房間溫度頻繁波動，用戶熱舒適性體驗差等。

筆者以產(chǎn)品開發(fā)過程中在額定制熱工況下室外機(jī)換熱器出現(xiàn)結(jié)霜的變頻空調(diào)器為研究對象，通過對換熱器結(jié)霜機(jī)理分析，分析換熱器結(jié)霜的原因及對策，為后續(xù)解決變頻空氣熱泵空調(diào)在額定制熱工況下結(jié)霜問題提供參考。

1 換熱器結(jié)霜機(jī)理

空氣熱泵空調(diào)在低溫高濕環(huán)境極易出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，而且結(jié)霜過程極其復(fù)雜，涉及到環(huán)境溫濕度、空氣流量、換熱器翅片類型及間距、翅片表面特性以及霜層結(jié)構(gòu)等眾多影響因素[2]，但換熱器結(jié)霜機(jī)理相同。在額定制熱工況下，室外機(jī)換熱器用于制冷劑蒸發(fā)，空氣流經(jīng)換熱器時，如果換熱器翅片和盤管溫度低于空氣露點溫度，且換熱器翅片和盤管表面溫度低于0 ℃時，其所含的水分就會析出并附著于翅片和盤管表面形成霜層。

2 額定制熱工況結(jié)霜影響及分析

依據(jù)GB/T7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》第5.1.2條規(guī)定：“熱泵型空調(diào)器的熱泵額定（高溫）制熱量應(yīng)不低于其額定制冷量；對于額定制冷量不大于7.1 kW的分體式熱泵空調(diào)器，其熱泵額定（高溫）制熱量應(yīng)不低于其額定制冷量的1.1倍，第5.2.4規(guī)定熱泵的實測制熱量不應(yīng)小于熱泵額定制熱量的95 %[3]”，空調(diào)在額定制熱工況下運行時，室外機(jī)換熱器不應(yīng)該出現(xiàn)結(jié)霜，否則制熱量可能不滿足國標(biāo)5.1.2條和5.2.4條規(guī)定的要求，也會導(dǎo)致用戶熱舒適性體驗差。

某50變頻3級房間空調(diào)器，在額定制熱工況運行室外換熱器出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，其系統(tǒng)配置表1所示，室外換熱器結(jié)霜現(xiàn)象如圖1所示。

表1 機(jī)型配置表

2.1 空調(diào)在額定制熱工況下結(jié)霜常見原因分析及對策

2.1.1 制冷劑循環(huán)量不足

在額定制熱工況下，如果制熱流向室外換熱的進(jìn)口溫度小于 0 ℃，則表明在空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)制冷劑在蒸發(fā)側(cè)的流量不足。當(dāng)制冷劑不足時，蒸發(fā)壓力和冷凝壓力都將降低，用壓力表檢測高低壓側(cè)壓力會發(fā)現(xiàn)低于正常壓力，換熱器低壓側(cè)壓力低于正常壓力，蒸發(fā)溫度會降低并在表面局部結(jié)霜甚至出現(xiàn)冰層[4]。主要對策：減短毛細(xì)管或增加制冷劑以增大系統(tǒng)流量。

2.1.2 制冷劑循環(huán)量過大

在額定制熱工況下，制熱流向室外換熱器的出口溫度小于 0 ℃, 室外換熱器的進(jìn)口溫度大于1 ℃, 則表明空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)制冷劑流量太大，制冷劑蒸發(fā)不完全導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)霜。主要對策：①加長毛細(xì)管或減少制冷劑。②提高室外風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（同時要考慮室外機(jī)的噪聲）。③變頻空調(diào)在滿足制熱量前提下，盡可能降低壓縮機(jī)運行頻率。④更改冷凝器走管，提高換熱器的換熱效率。⑤加大室外機(jī)冷凝器。出于成本考慮，大部分廠商都是采用前四個對策方案解決因制冷劑蒸發(fā)不完全導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)霜問題。

2.1.3 室外換熱器分液不均

分液不均勻也是導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)霜主要原因之一，常見分液不均勻一般為兩種，一種是分流器設(shè)計不合理，分流器本身分液不均勻?qū)е聯(lián)Q熱器分液不均；另外一種是換熱器流路設(shè)計不合理，導(dǎo)致各流路分液不均。當(dāng)某一路或幾路制冷劑流量不足時，流量不足的流路蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度偏低，并出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。當(dāng)某一路或幾路制冷劑流量過大，制冷劑蒸發(fā)不完全，也會導(dǎo)致?lián)Q熱器出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。主要對策：選用分液均勻分流器和設(shè)計合理換熱器流路，使各流路分液均勻。

2.2 方案驗證

從圖1室外機(jī)結(jié)霜現(xiàn)象可見，結(jié)霜主要在換熱器上部和中下部，初步分析室外換熱器分液不均勻是結(jié)霜主要原因，通過采集換熱器溫度數(shù)據(jù)，如表2所示，各流路進(jìn)口溫度均為正值，出口1和出口3溫度為負(fù)值，分析是室外換熱器第1流路和第3流路制冷劑流量過大，蒸發(fā)不完全導(dǎo)致室外機(jī)換熱器結(jié)霜。

表2 額定制熱結(jié)霜時室外換熱器溫度數(shù)據(jù)

根據(jù)以上分析，制定三種驗證方案：①加大室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、②減低壓縮機(jī)運行頻率、③調(diào)整室外換熱器流路，調(diào)整前后流路方案如圖2和圖3所示

2.3 方案驗證情況分析

原機(jī)和三種優(yōu)化方案驗證情況如表3所示，該機(jī)型銘牌標(biāo)示額定制熱6 800 W，國標(biāo)要求熱泵的實測制熱量不應(yīng)小于熱泵額定制熱量的95 %，即實測制熱量應(yīng)≥6 800×0.95=6 460 W，原機(jī)額定制熱測試運行22 min，外機(jī)換熱器開始緩慢結(jié)霜能力衰減，實測額定制熱量6 032 W，不滿足國標(biāo)要求。通過加大室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，提升室外換熱效率，換熱器出口1和出口3溫度提升1.7 ℃、0.7 ℃，但還是低于0 ℃以下，運行73 min后換熱器開始結(jié)霜，能力較原機(jī)提升300 W左右，說明該方案對該機(jī)型室外換熱器結(jié)霜問題有改善。通過進(jìn)一步降低壓縮機(jī)運行頻率，減少制冷劑質(zhì)量流量，出口1和出口3溫度進(jìn)一步提高，運行105 min后，室外換熱器才開始結(jié)霜，由于壓縮機(jī)運行頻率降低，實測額定制熱量提升不明顯，但也說明降低壓縮機(jī)運行頻率，也可以改善該機(jī)型制熱結(jié)霜問題。室外換熱器優(yōu)化流路后，各流路出口溫度分別為1.8 ℃、1.5 ℃和2.2 ℃，連續(xù)運行180 min均未出現(xiàn)制熱能力衰減、換熱器結(jié)霜現(xiàn)象，實測額定制熱量6 846 W滿足開發(fā)要求。在壓力損失允許的情況下，采用多的過冷管設(shè)計可以獲得較好的制冷能力、能效；采用少的過冷管設(shè)計可以獲得較好的制熱能力、能效[5]。室外換熱優(yōu)化流路后過冷管由原來5根減為3根，對制熱性能有提升，但制冷性能會降低；經(jīng)對比測試，額定制冷量降低80 W，全年能效消耗效率APF降低0.02，原機(jī)余量較充足，仍滿足開發(fā)要求。

表3 原機(jī)和三種方案驗證數(shù)據(jù)

3 結(jié)論與建議

1）對于額定制熱實驗過程中，如果發(fā)現(xiàn)室外換熱器進(jìn)出口溫度小于1 ℃，建議工況穩(wěn)定后運行3 h再記錄測試數(shù)據(jù)；如果測試過程中發(fā)現(xiàn)室外換熱器進(jìn)出口溫度小于0 ℃，則說明換熱器有結(jié)霜隱患，則可以提前結(jié)束實驗。

2）在額定制熱工況下，如果制熱流向室外換熱的進(jìn)口溫度小于0 ℃，則表明在空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)制冷劑在蒸發(fā)側(cè)的流量不足。制熱流向室外換熱的出口溫度小于0 ℃，室外換熱的進(jìn)口溫度大于1 ℃，表明系統(tǒng)流量太大，導(dǎo)致制冷劑蒸發(fā)不完全。

3）如果是室外換熱器制冷劑蒸發(fā)不完全導(dǎo)致結(jié)霜，通過提升外機(jī)轉(zhuǎn)速，提高室外換熱器蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度和通過減低壓縮機(jī)運行頻率、加長毛細(xì)管長度或減少制冷劑灌注量，可改善換熱器結(jié)霜問題。

4）室外換熱器流路不均勻額定制熱結(jié)霜主要原因之一，調(diào)整流路使分流均勻可改善制熱結(jié)霜問題，但需同步考慮調(diào)整流路后對制冷性能的影響。