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空调系统研究和设计的重要课题——热泵空调器的除霜
编辑:大冶平安家电维修部   更新日期:2013-12-15
热泵空调器的除霜一直是空调系统研究和设计的重要课题,也是空调器节能与否的重要指标之一。空调器工作时,当室外换热器盘管温度低于露点温度时,其表面产生冷凝水,冷凝水一旦低于0℃就结霜。结霜严重时,换热器散热翅片间的风道局部或全部被霜占据,从而增大的热阻和风阻,直接影响其换热效率。因此热泵型空调器的除霜功能设置是必需的。
根据ISO5151-94《不带风道的空气调节器和热泵的试验及测定》及我国国标GB-T7725-1996《房间空气调节器》规定:热泵机除霜所需总时间不超过总工作时间的20%(这里"工作时间"指空调器工作稳定后的两个完整除霜周期或连续运行3小时)。如果轻微结霜就除霜,造成频繁除霜,损失能量;如果结霜严重甚至换热面积100%结霜后再除霜,导致空调器长时间低效运行。除霜方案设计不当,一方面不能满足上述标准,另一方面可能误判,出现结霜严重却不除霜,或无霜时反而除霜等现象。
除霜方案的设计从早期的简单机械定时控制到目前的智能化控制,随着空调技术和电子技术的发展而逐渐完善,从技术上可以将所有的除霜方案分为以下几类加以分析:
定时除霜方案
顾名思义,定时除霜就是空调机从运行开始起,每隔一固定时间(例如40分钟)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除霜时间来判断。定时除霜方案最早期是采用机械定时装置控制,其优点是简单可靠性高,因此,目前在某些窗式空调器中仍采用。随着电子技术的发展,电子定时控制取代了机械定时装置,在电路控制板上采用RC电路设计定时功能。电子定时除霜方案的优点是电路简单,无需传感器提供反馈信号并加以判断。定时除霜方案的缺点是不能对空调器是否结霜作判断,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,但仍可能未到设定的除霜时间。因此,定时除霜方案虽然最简单,但却是不准确的。
温度传感器除霜方案
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M,故当Tw=M时,即开始除霜,除霜过程中Tw逐渐回升,当Tw回升至N时判断除霜结束。M、N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。
(3)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更准确,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。
3室外双传感器除霜方案
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Tw以及两者之差△Tw(=Taw-Tw)作为结霜判断的依据。
这种方案在日本松下、东芝、三洋等公司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,如图1所示。空调器工作时,始终处于A区,则除霜间隔时间最短;处于A区或B区时,间隔时间次之;处于A区、B区或C区时,间隔时间再次之。
这一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M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。
室内双传感器除霜方案
环境湿度的检测比温度更困难,精度难以控制,而不考虑湿度的影响,前述的除霜方案又难以精确判定。为此,经过许多研究者的不断研究,目前采用检测室内换热器盘管温度的方案为大多数厂家所采用。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(=Tc-Ta)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△T的变化率,可以得到不同结霜程度时Tc的大小和△T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△T变化率不变或很小时,可判定为未结霜,只有当△T变化率了达到判定值时,才判定为真正结霜。因此,△T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△T变化率的共同判定,可精确判断结霜。热泵空调器的除霜一直是空调系统研究和设计的重要课题,也是空调器节能与否的重要指标之一。空调器工作时,当室外换热器盘管温度低于露点温度时,其表面产生冷凝水,冷凝水一旦低于0℃就结霜。结霜严重时,换热器散热翅片间的风道局部或全部被霜占据,从而增大的热阻和风阻,直接影响其换热效率。因此热泵型空调器的除霜功能设置是必需的。
根据ISO5151-94《不带风道的空气调节器和热泵的试验及测定》及我国国标GB-T7725-1996《房间空气调节器》规定:热泵机除霜所需总时间不超过总工作时间的20%(这里"工作时间"指空调器工作稳定后的两个完整除霜周期或连续运行3小时)。如果轻微结霜就除霜,造成频繁除霜,损失能量;如果结霜严重甚至换热面积100%结霜后再除霜,导致空调器长时间低效运行。除霜方案设计不当,一方面不能满足上述标准,另一方面可能误判,出现结霜严重却不除霜,或无霜时反而除霜等现象。
除霜方案的设计从早期的简单机械定时控制到目前的智能化控制,随着空调技术和电子技术的发展而逐渐完善,从技术上可以将所有的除霜方案分为以下几类加以分析:
定时除霜方案
顾名思义,定时除霜就是空调机从运行开始起,每隔一固定时间(例如40分钟)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除霜时间来判断。定时除霜方案最早期是采用机械定时装置控制,其优点是简单可靠性高,因此,目前在某些窗式空调器中仍采用。随着电子技术的发展,电子定时控制取代了机械定时装置,在电路控制板上采用RC电路设计定时功能。电子定时除霜方案的优点是电路简单,无需传感器提供反馈信号并加以判断。定时除霜方案的缺点是不能对空调器是否结霜作判断,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,但仍可能未到设定的除霜时间。因此,定时除霜方案虽然最简单,但却是不准确的。
温度传感器除霜方案
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M,故当Tw=M时,即开始除霜,除霜过程中Tw逐渐回升,当Tw回升至N时判断除霜结束。M、N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。
(3)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更准确,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。
3室外双传感器除霜方案
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Tw以及两者之差△Tw(=Taw-Tw)作为结霜判断的依据。
这种方案在日本松下、东芝、三洋等公司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,如图1所示。空调器工作时,始终处于A区,则除霜间隔时间最短;处于A区或B区时,间隔时间次之;处于A区、B区或C区时,间隔时间再次之。
这一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M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。
室内双传感器除霜方案
环境湿度的检测比温度更困难,精度难以控制,而不考虑湿度的影响,前述的除霜方案又难以精确判定。为此,经过许多研究者的不断研究,目前采用检测室内换热器盘管温度的方案为大多数厂家所采用。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(=Tc-Ta)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△T的变化率,可以得到不同结霜程度时Tc的大小和△T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△T变化率不变或很小时,可判定为未结霜,只有当△T变化率了达到判定值时,才判定为真正结霜。因此,△T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△T变化率的共同判定,可精确判断结霜。同时,根据△T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。在具体设计时,还需考虑循环风量的变化,以及压缩机连续运行时间等因素的影响。
室内双传感器除霜方案与上述其它方案相比,其优点为:
(1)利用室内机本身温度传感器的温度信号控制除霜动作,无需额外增加元器件的设置,降低了成本;
(2)准确地判断室外机是否结霜和结霜程度,只要空调系统本身无异常故障,不会误判。做到有霜就除无霜不除霜的智能化判断,技术上较完善;
(3)取消了因检测和判断室外机参数面设置的电控装置或室外向室内的信号反馈,避免了室外恶劣环境对电控装置的影响,可靠性提高且成本降低。
这一方案了不是十全十美,因系统本身故障而造成的误判也可能出现,为此,在这一方案的基础上的进一步研究正在进行。
5其它方案
除了上述方案外,还有其它类型的设计方案,例如:以整机功率变化作为判定依据之一的方案;以室外风机电流变化为特征值的方案;以室内多传感器的检测参数为依据(变频空调常用三支传感器分别测量管温和进出口风温)。甚至有研究者研制"白色度"传感器来检测结霜。
6结论
本文归纳和分析了热泵型空调器各类除霜方案的原理及其优缺点,尤其对考虑环境工况变化的双温度传感器智能化除霜的机理进行了详细分析,对除霜方案的进一步研究和空调系统设计具有重要的参考价值。
同时,根据△T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。在具体设计时,还需考虑循环风量的变化,以及压缩机连续运行时间等因素的影响。
室内双传感器除霜方案与上述其它方案相比,其优点为:
(1)利用室内机本身温度传感器的温度信号控制除霜动作,无需额外增加元器件的设置,降低了成本;
(2)准确地判断室外机是否结霜和结霜程度,只要空调系统本身无异常故障,不会误判。做到有霜就除无霜不除霜的智能化判断,技术上较完善;
(3)取消了因检测和判断室外机参数面设置的电控装置或室外向室内的信号反馈,避免了室外恶劣环境对电控装置的影响,可靠性提高且成本降低。
这一方案了不是十全十美,因系统本身故障而造成的误判也可能出现,为此,在这一方案的基础上的进一步研究正在进行。
5其它方案
除了上述方案外,还有其它类型的设计方案,例如:以整机功率变化作为判定依据之一的方案;以室外风机电流变化为特征值的方案;以室内多传感器的检测参数为依据(变频空调常用三支传感器分别测量管温和进出口风温)。甚至有研究者研制"白色度"传感器来检测结霜。
6结论
本文归纳和分析了热泵型空调器各类除霜方案的原理及其优缺点,尤其对考虑环境工况变化的双温度传感器智能化除霜的机理进行了详细分析,对除霜方案的进一步研究和空调系统设计具有重要的参考价值。
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