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冬季空调化霜常识刘建/2013-01-07在冬季制热时，市场信息反馈问题最多的是制热效果不好，而空调化霜问题又是最为突出的故障点。一些品牌空调宣扬“智能化霜，有霜化霜，无霜不化”、“电磁阀热气旁通除霜”等技术突破，并将其作为创新点进行展示。 化霜问题，不仅是所有空调冬季制热所经历的过程，实际上，除霜问题一直是制冷行业的一个探索课题。我国地域辽阔，冬季南北温差大，热泵型空调很难做到一机适用多个地区的地理环境。下图为部分城市冬季空调运行室外参数，从结霜分界线来看，此线以北由于温湿度较低，影响热泵空调冬季使用的因素不是机组结霜，而是机组在低温下的性能系数。而在沿线以南，机组存在结霜的问题，这时结霜问题才是影响空调制热效果的主要因素。 我国部分城市冬季空调运行室外参数现将服务网点反馈的热泵空调化霜实践经验及搜集的制冷技术学术成果整理成常识性简介提供给大家，以便服务好市场。 1.结霜过程概述 机组冬季制热运行时，室外翅片盘管换热器作为蒸发器，其表面温度低于环境空气温度。当翅片盘管表面温度低于空气露点温度时，空气中的水蒸汽便会凝结；当此温度开始低于0时；凝露便以疏松的冰晶体形式堆积在翅片管表面上而形成霜。下图为某制冷技术重点实验室通过显微照相法对两类翅片型换热器的空气源热泵样机所做的结霜跟踪实验图。 平片热泵机组动态结霜曲线图条缝片热泵机组动态结霜曲线图从图中可以看出，在湿度较高的环境中，室外换热器表面霜层生长大致可分为三个阶段：初始阶段、减速生长段及加速生长段。平片式在结霜初始阶段，霜层厚度增长速率逐渐加快，各种工况下霜层厚度增长速度均在第1020分钟达到最大值，而后逐渐减小进入霜层生长的第二阶段。在霜层减速生长段，霜层厚度的增长速率明显放慢。结霜循环周期的最后2030分钟时段为第三阶段，即霜层加速生长段，在此时段内霜层厚度增长速度大大加快，根据工况条件的不同，霜层厚度增长速率可达到第二阶段的数倍以上。霜层厚度增长曲线在后半段形成上凹型。条缝翅片热泵机组与平片热泵机组的霜层生长阶段特性、霜层形态变化相似，不同之处在于：相对湿度为60%的所有工况及相对湿度为70%且环境温度低于0的工况，表面霜层厚度出现一段几乎不增加的时段，而对应与该时段的结霜量仍然近乎匀速增长，说明此时段内湿空气与霜层间的水蒸汽质量交换完全用于增加霜层密度。 霜层厚度与环境温度、结霜时间关系图上图为各种工况下霜层厚度均达到实验规定值时所需的时间曲线，由图可见对于不同的室外空气相对湿度工况，在环境温度为0时室外换热器翅片表面霜层厚度达到实验规定值所需的时间最短。说明由于进风温度在此温度范围内时空气含湿量较大，同时管壁面温度低，最适合霜的生长；进风温度低于此温度时，虽然管壁面温度更低，但空气含湿量却比较小，因此结霜速率较小；而当进风高于此温度时，虽然空气含湿量较大，但壁面温度相对较高，也不易结霜。 进一步实验分析，将同一相对湿度、不同室外空气干球温度工况的霜层厚度进行比较，在相对湿度为65%90%的范围内，室外空气温度为03时霜层厚度曲线始终处于其它工况下的霜层厚度曲线之上，属于严重结霜温度区间。另外，室外机平翅片和条缝翅片结霜时平均迎风面风速时的比较，无霜时，两种翅片类型的换热器平均迎风速几乎相同。结霜初期，低湿工况下，平翅片变化缓慢，条缝片在结霜后风机流量即迅速下降。说明条缝翅片通道内气流受到翅片开缝的强烈扰动，平均迎风风速的减少将导致霜层厚度增长速度加快。相对湿度大于80%的工况时，在霜层生长的第三阶段，霜层将翅片间隙完全堵塞，翅片开缝对气流的扰动增强换热作用消失，两者的曲线变化接近相同。 2.结霜影响因素 风冷热泵机组在冬季制热运行时，室外盘管换热器从低温区域吸收能量，霜层的形成和影响因素复杂，根据技术文献分析，其主要因素有冷却面、气流速度、室外气候条件及时间。 2.1 冷却面因素 冷却面因素指的是翅片换热器的温度和形状结构。温度因素：当盘管表面温度低于0，且低于入口处空气的露点温度时，空气中水分就会析出并在蒸发器表面形成霜层。盘管表面与入口空气之间的温差越大，结霜速度越快，结霜也越严重。换热器的结构因素：包括翅片边缘效应；翅片间距；沿气流方向管排数；翅片表面粗糙度。 2.2 气流速度 在强制对流的情况下，气流的流速对霜层的形成有较大影响。迎面风速很小时，盘管结霜较快，且霜层厚度增加较快；当迎面风速较大时，则结霜状况明显改善。这主要是因为风速降低，使负荷减小，造成蒸发温度快速下降，使结霜速度加快；而风速增大，使负荷增大，蒸发温度上升，温差减小，降低了结霜的倾向。不同迎面风速下的实验曲线(见图)可证明这点。 风速对蒸发温度的影响曲线2.3 气候条件 温度和湿度：空气相对湿度越大，盘管结霜就越严重。当室外空气的相对湿度小于50%时，翅片盘管则很少会结霜。当室外空气温度低于-5时，随着温度进一步下降，空气就趋于干燥，结霜减少。实际运行表明，当室外空气温度在-27，而相对湿度大于50%时，翅片盘管工作时特别容易结霜。下图中湿度对蒸发温度的影响曲线，可看出一段时间内湿度较大时(=80%)的蒸发温度比湿度较低时的蒸发温度高，然而在某一时刻后，蒸发温度下降至比湿度较低时的蒸发温度更低。这是因为在前一个时段湿度较大造成蒸发器负荷大，因而蒸发温度高；随着结霜不断加剧，霜层厚度将超过湿度较小时的结霜厚度，故蒸发温度降至更低；而且结霜后霜层也更厚，风量比湿度较小时的风量小。 湿度对蒸发温度的影响曲线3.结霜对风冷热泵机组的危害 蒸发器结霜对风冷热泵机组的运行产生的负面影响主要在三个方面： 3.1 影响空气循环风量，风机性能衰减 霜层的增加加大了空气流过翅片管蒸发器的阻力，降低了空气流量，由于这些负面影响，风冷热泵在结霜工况下工作时，随着霜层的增厚，将在蒸发器与风机工作区之间出现负压区、风机性能衰减，电流加大等现象而使风冷热泵机组无法进行强制对流换热。 3.2 影响导热热阻 霜层增加了导热热阻，降低了蒸发器的传热系数。在结霜的早期，由于霜层增加了传热表面的粗糙度及表面积，使总传热系数有所增加，而随着霜层增厚，导热热阻的影响逐渐成为影响传热系数的主要方面时，总传热系数开始下降。 3.3 影响系统性能 在结霜初始阶段，热泵空调器的性能得到了提高，其制热量及COP在结霜的初始阶段达到峰值。促使性能改善的原因为霜层粗糙表面使对流换热系数增大，而引起导热热阻增加及风机流量变化不大。在结霜的第二阶段-稳定段，随着霜层不断增厚及室外换热器出风流量的减小，室外换热器传热性能逐渐降低，制热量随结霜时间近似呈线性下降，但由于霜层生长速度较小，机组性能衰减比较平缓；在结霜工况的第三阶段-衰减段，霜层厚度快速增长，机组制热性能开始迅速衰减，说明蒸发器表面温度下降、霜晶形态变化引起霜层厚度快速增长及空气流动阻力增加导致循环空气流量下降的三个因素之间已形成恶性循环。 4.除霜 常用的除霜方式有两种：第一种是逆循环除霜；第二种是热气旁通除霜。现在采用最普遍的除霜方式是第一种。除霜过程分为四个阶段：启动阶段、融霜阶段、排水阶段和恢复阶段.启动阶段从除霜启动至吸、排气压力比较平稳为止；融霜阶段从启动阶段结束至风冷换热器的制冷剂出口温度高于1为止，此时主要是将风冷换热器表面的霜融化成水；排水阶段从融霜阶段结束到除霜终止，主要是将融霜水蒸发或者把水排出；恢复阶段从除霜终止开始，四通换向阀换向把系统从除霜循环切换为制热循环，到吸、排气压力比较稳定为止。逆循环除霜时，通过四通换向阀的动作，使热泵机组从制热运行模式切换到制冷运行模式。压缩机排出的高温高压气体进入翅片盘管换热器(冷凝器)，使其表面温度升高，将霜层融化除掉。除霜后的翅片盘管换热器传热系数增加、空气流动阻力减小，其换热效率提高。注意的是：系统在逆循环除霜阶段，非但不能向室内提供热量，反而会从室内吸收热量。 5.抑制结霜和提高风冷热泵机组在结霜工况下工作特性的途径 5.1 风冷换热器结构设计优化，针对其运行条件，延缓结霜和尽量降低结霜对热泵机组性能影响的速度。 当空气露点温度高于蒸发器翅片表面温度且翅片表面温度低于0时，翅片表面即会结霜。所以，在一定的大气压力条件下，蒸发器翅片表面是否结霜、霜层的发展速度以及对蒸发器性能的影响程度在一定程度上与蒸发器上翅片结构、形式有关。在大气压力条件不变时，若蒸发温度相对较高，蒸发器表面的结霜情况会相对好一些，但这要以加大换热器面积为代价，对于结构尺寸原本较大的风冷换热器，由于迎面风速不均匀，加大的换热器部分并非能发挥出相应的效果，同时，增加了制造成本。为此，存在着在一定的风冷换热器结构尺寸下，如何改进其换热性能的问题。在结构形式上影响风冷换热器结霜的因素主要有换热器的回路数、翅片间距与翅片形式等。由于结霜引起气流受阻是影响蒸发器性能的主要因素，为此，翅片间距的选择对于结霜工况下运行的风冷换热器的设计十分重要。过去，为在一定的风冷换热器外形尺寸下增加换热面积，翅片间距往往取得较小，而对于结霜工况下运行的换热器，较小的翅片间距由于霜层厚度的增加导致换热器性能恶化。对于结霜地区的风冷热泵应适当加大翅片间距，而需多大要同时考虑使用地区大气温度与相对湿度条件，以及机组在不同工况下制冷、制热运行的时间等因素。风冷换热器翅片形式一般有平片、波纹片、条缝翅片三类。条缝翅片有利于提高同侧换热系数，但在结霜工况下，条缝翅片结霜后的气流阻力要大于平片和波纹片。对于在结霜工况下运行的风冷热泵的风冷换热器通常采用平片和波纹片。 5.2 翅片材料表面涂层处理。翅片表面涂层可以改变材料的表面自由能，从而改善翅片表面结霜和除霜排水状况。 对换热器器的铝箔进行亲水处理（即在铝箔表面涂上一层亲水膜），它具有很强的水润湿性，冷凝水极易沿铝箔表面铺开，不形成水桥，而是以薄的水膜形态流下去。铝箔亲水性的优劣主要根据其持续亲水角。持续亲水角的大小关系到亲水性的好坏，持续亲水角每减少10，空调制冷量可提高2%6%。根据测试，当持续亲水角20时，铝箔的亲水性良好；当2030时，铝箔亲水性一般；当3050时，铝箔的亲水涂层已基本不起作用。国内外就抑制换热器表面结霜的问题进行了大量研究，实验结果表明：随着翅片表面憎水性的提高，连续运转的时间延长，经亲水表面处理和经超憎水表面处理的换热器机组，对提高热泵制热能力有很大作用。 5.3 风机与风冷换热器的匹配；采用热气旁通，提高风冷热泵机组的除霜性能。 室外风机和轴流扇叶及出风框组成的室外机通风系统决定了翅片表面的气流速度，翅片表面的气流速度对换热器表面结霜形成影响。风速偏小（0.61m/s），不能吹走霜晶，使霜层增厚；风速较高（3m/s）对抑制结霜较有利，因为风速高时一方面加大了换热器的传热系数，在相同的大气条件下，可使蒸发温度有所提高，从而提高翅片表面温度；另一方面，高风速可以吹走霜晶。对表面积较大的换热，由于迎风速度不均匀，在低风速最先出现结霜现象，此时为了避免结霜，可适当提高风机转速，加大空气流量，延缓结霜速度。提高风速，不仅可抑制结霜，同时也提高了热泵在此工况下的制热能力。 热气旁通连接管图两种除霜循环的系统过热度比较热气旁通技术是在排气管路与蒸发器入口前端管路之间加上热气旁通阀，控制热气输至蒸发器入口，旁通至蒸发器入口具有产生一个人工制冷负荷的效应。常规系统的热力膨胀阀会调节输液量以维持过热调定值，使制冷剂在正常运行温度下返回压缩机，不会有电机发热、过载等问题；同时蒸发器制冷剂中保持着高流速，有助于回油。缺点是排气温度、回气温度及冷凝器盘管中间温度参数的变化范围大，难以形成精确的控制模型；在融霜阶段，压缩机的吸气过热度一直在0左右，导致排气温度和排气过热度不断降低，为防止排气过热度太小危及压缩机的安全，需要精确限制霜层的厚度。 5.4 改进电控系统技术，采用智能除霜控制，使之将检测的物理变化量转换为电信号进行有效监控。 目前较广泛使用的化霜系统有四类:第一类是简单定时除霜，第二类是根据温度传感器、时间与温度传感器相结合的设计方案 ；第三类是室外双传感器的设计方案；第四类为室内传感器、时间参数控制的设计方案。 第一类方法最原始，在热泵空调机组应用电子控制之前被普遍使用。最早为机械定时装置，后改为在电路控制板上用RC电路设计定时功能。用这种方法，化霜完全由时间控制，机组从运行开始起，每隔一定的固定时间或选择不同的固定时间控制换向阀换向除霜，而且除霜结束也是依据设定的除霜时间来判断。定时除霜方案优点是简单可靠性高，缺点是不能对空调机组是否结霜作判断，更不能对环境工况变化所引起的结霜变化作判断，只能“机械”地定时动作。空调器在高温环境工作时不结霜，但仍要执行除霜动作，造成能量损失；在低温易结霜环境工作时结霜严重，可能未到设定的除霜时间却不除霜，降低系统制热性能下降。因此，定时除霜方案虽然最简单，但不准确，其能量消耗较大。 第二类方法引入了室外盘管的温度参数，随着单片机与温度传感技术的发展，温度传感器广泛应用于热泵空调器中，通过检测室外换热器盘管温度的变化，由单片机判断其结霜情况。其原理是：室外换热器结霜时，其盘管温度Tw下降，当结霜到一定程度需除霜时，Tw也降低到某一值TM，故当TwTM时，即开始除霜，除霜过程中Tw逐渐回升，当Tw回升至TN时判断除霜结束。TM、TN在设计时通过实验确定。 除了上述基本设计方案外，也有将时间与温度传感器相结合的设计方案，包括：除霜起始点定时控制，结束点温度控制；除霜起始点温度控制，结束点定时控制；除霜起始点与结束点定时与温度同时控制，即两个检测参数满足其一即开始除霜或停止除霜。温度传感器除霜比单纯定时除霜准确，一定程度上避免了高温工况无霜而除霜的现象，技术上更进了一步。但是不能对低温工况不结霜的情况进行有效控制，而且不能检测环境工况变化对结霜的影响程度。 第三类方法室外采用双传感器除霜方案。进入九十年代初期，采用双传感器的方案逐渐普及，该方案通过检测室外环境温度Taw和室外盘管温度Tw以及两者之差Tw（TawTw）作为结霜判断的依据。 这种方案在松下、东芝、三洋等品牌的分体空调器中广泛采用。其基本原理是：在以Taw为X轴，Tw为Y轴的矩形区域内，根据Taw、Tw以及Tw的值不同将其划分为A、B、C三类区域，A区最易结霜，B区次之，C区再次之。空调器工作时，若始终处于A区，则除霜间隔时间最短；若处于A区或B区时，间隔时间次之；若处于A区、B区或C区时，间隔时间再次之。这种划区域方案充分考虑了环境工况变化对结霜的影响，同一盘管温度，不同的环境，其是否结霜，以及结霜程度均不同，避免了只要Tw低于TM就除霜的可能误判。这种智能化除霜的判断方式比单一传感器温控方案技术上更合理，更准确，大大地减小了误判的可能性。但是，它虽然考虑了低温环境工况变化，却只考虑温度因素，而未考虑湿度的影响，不能准确处理低温低湿度结霜变化的情况，仍可能产生误判 第四类方法采用检测室内换热器盘管温度的方案。其基本原理是：热泵空调器制热量主要与室外环境温度有关；在可能结霜的环境下，结霜程度主要与环境湿度有关。根据结霜特性，当室外换热器结霜后，其热阻和风阻增大，换热能力下降，导致室内换热器的换热量随之减小，其盘管温度Tc也下降，且下降率远远大于工作时环境工况变化所引起的Tc 波动。因此以检测Tc、室内环境温度Ta及其差Tc（TcTa）作为判定依据，从而避开对室外参数的检测。通过分析Tc的变化，以及Tc的变化率，可以得到不同结霜程度时Tc的大小和Tc变化率的大小。当室外环境空气温度较低，且湿度也较低时，虽然Tc的值低于判定值，但当Tc变化率不变或很小时，可判定为未结霜，只有当Tc变化率了达到判定值时，才判定为真正结霜。因此，Tc变化率是反映结霜与否的关键参数，本身间接地包含了室外环境相对湿度的变化。采用Tc和Tc变化率的共同判定，可精确判断结霜。同时，根据Tc变化率的大小，还可判断不同环境工况下结霜程度，从而选择每一次不同的除霜时间。当然，在具体设计时，当然仍需考虑内风机循环风量的变化，压缩机连续运行时间，辅助电加热，机组运行电流等因素的影响。 除上述四类方法外还有采用三支传感器检测法（变频空调器），即室外换热器盘管温度传感器和进、出风传感器；空气的压差除霜法，即通过感受蒸发器前后空气的压差检测除霜法，当室外换热器结霜后，气流受阻，阻力随霜厚而增加，达到设定的压差后，启动化霜程序进行化霜。 根据市场反馈信息及网上资料来看，各空调厂家在产品升级过程中，室外机换热器结构、翅片材料和形状都在不断改进和调整，电控系统的化霜控制程序的也由单一的化霜程序转变为多种化霜方案的组合，如下示例为五种逻辑条件组合控制化霜。 化霜过程控制示例（参数视具体机型而定）： 判定化霜条件，第一种进入条件：1、当进入制热模式或者除霜模式5分钟后，根据外机盘管温度和室内温度的最大差值，来判断，判断时间为3分钟。2、当内盘管温度和室内温度的差值减小5以上并且持续3分钟以上，3、保证压缩机积累工作时间超过45分钟，4、室内盘管温度小于46，同时满足这4个则开始进入化霜。第二种条件：压缩机累计运行时间超过45分钟，并且连续运行超过20分钟盘管温度小于室内温度16,5分钟则进入化霜状态。第三种条件：压缩机累计运转超过3小时连续运转超过20分钟盘管温度小于室内温度16,5分钟则进入化霜状态。第四种条件：外风机进入过载保护且外风机停转，在外风机下次启动连续运转时间大于10分钟，还要保证压缩机累计运行时间超过45分钟或连续转20分钟室内盘管温度小于46则进入化霜状态。第五种条件：外风机停转两小时还没有进入化霜，则强行进入化霜。 退出化霜状态的条件：1、除霜时间大于9分钟。2、除霜进行了4分钟后，外盘管的温度大于0，并且在10秒钟内外盘管温度上升大于两摄氏度。3、除霜进行5分钟后，外盘管温度大于或等于5。4、电流互感器检测到电流过大。满足以上任意一个条件则自动退出化霜状态。 进入和退出化霜过程：1、进入化霜，立即关闭内风机、压缩机、外风机，55秒关闭四通阀，60秒开启压缩机。2、退出化霜，关闭压缩机、开启外风机，55秒开四通阀。 6.综述 从近期热泵与系统节能技术的论文成果看，对热泵空调冬季制热运行中的简单几何表面结霜机理、霜层生长特性等方面已积累了很多经验关系式，并建立了数据模型。但如何准确测量霜层表面温度、霜层物性参数（密度、导热系数、霜层厚度及结霜累计变化率）；结霜过程中霜层生长特性与热泵系统各部件工作参数的相互影响；如何建立结霜工况下热泵系统工作情况的数学模型及实验验证方式等方面仍然在进一步探讨和研