低溫制熱工況空調器最佳除霜起始點的實驗研究

張駿，陳曉園

（1-上海日立電器有限公司，上海 201206；2-西安交通大學制冷與低溫工程系，陜西西安 710049）

低溫制熱工況空調器最佳除霜起始點的實驗研究

張駿*1，陳曉園2

（1-上海日立電器有限公司，上海 201206；2-西安交通大學制冷與低溫工程系，陜西西安 710049）

低溫制熱工況下空調外機結霜會導致系統性能顯著惡化。為保持系統性能，除霜策略諸如除霜起始點和持續時間的決定是很重要的措施。這類措施使得更舒適的供暖工況成為可能。本文通過理論分析與實驗研究相結合的方法，提出了利用最大平均制熱量法快速確定最佳除霜起始點的方法。研究結果表明，在低溫制熱工況下，采用本文的除霜起始點確定方法后，只通過兩次實驗就使所測試的1.5匹空調器的平均制熱量提升至3,213 W，能滿足空調器標稱要求；空調器的平均能效提高了6%。采用最大平均制熱量法可以快速高效地確定最佳除霜起始點。

空調器；制熱工況；最大平均制熱量；除霜啟動點

0 引言

2013年10月，國家對變頻空調器正式實施APF測試標準[1]。APF測試主要由額定制冷、中間制冷、額定制熱、中間制熱和低溫制熱等5個工況組成[2-3]。其中，低溫制熱工況是空調器結霜最為嚴重的工況，大量的霜依附在空調器室外側換熱器的翅片上，大大減小翅片間空氣流通截面積，嚴重降低風量，同時還會增加換熱器的傳熱熱阻，導致空調器制熱量和COP急劇下降[4]。因此，空調器會頻繁地進行除霜，防止空調器制熱性能嚴重衰減[5]。

空調器的低溫制熱測試工況是一個非穩態的測試工況，需要測得空調器在一個或多個制熱除霜周期中的平均制熱量和平均制熱功率來計算APF，為了提高空調器的APF和提升用戶體驗，需要盡可能地提高低溫制熱工況下的平均制熱量和COP[6]。這就要求設計人員在開發研究除霜控制系統的過程中，確定最佳的除霜起始點和結束點[7-8]。國內各空調器廠已在這方面進行了大量的研究，但主要是通過多次的實驗測試來確定[9-10]，需要耗費巨大的人力成本和時間成本。因此，如何快速有效地確定除霜的起始點和結束點，是一個非常重要的研究課題。

目前變頻空調器最常見的除霜控制方法為溫度-時間控制法和溫差-時間控制法[11]。這兩種除霜方法都以室外換熱器為研究對象[12]，既能避免空調器頻繁除霜導致房間制熱時間縮短，又能避免霜層過厚嚴重影響到空調器制熱性能，但不能保證房間內的制熱量最大，因此，空調器制熱量不足，房間舒適性不夠好[13]。

針對以上兩種常用的除霜控制方法存在的問題，葛住軍等[14]在3匹定頻柜式空調器上提出了一種最大平均制熱量控制除霜的方法，該方法不考慮室外換熱器的情況，只將室內換熱器平均制熱量作為研究目標。通過在室內機中設置兩個溫度傳感器測量進出口溫差，并結合已知的風機風量，計算室內換熱器的平均制熱量，然后分析其變化規律，確定最大平均制熱量的時刻并進行除霜，實現了平均制熱量的最大化，解決了冬季室內制熱量不足的問題。該除霜控制方法具有一定的理論意義，但由于該方法需要增加設備測量空調器制熱量，性價比較低，而且控制除霜的信號是空調器的平均制熱量，有別于常用的除霜信號，需要重新編寫控制程序，實際應用性較差[15]。

因此，本文將用最大平均制熱量除霜方法快速確定溫差-時間和溫度-時間除霜控制方法的最佳除霜起始點溫度，既考慮室外換熱器結霜情況，同時又保證室內具有最大的平均制熱量。下文將通過理論和實驗分析，來說明該方法的可行性及優勢。

1 最大平均制熱量快速確定除霜起始點的方法

當空調器在低溫制熱A工況下運行時，其每個制熱周期都由制熱時間τ和除霜時間τd兩部分組成，如圖1所示。

在1個制熱周期時間內總制熱量和總耗電量分別為：

平均制熱量和平均制熱性能系數分別為：

式中：

τ——1個制熱周期內制熱運行時間，s；

τd——1個制熱周期內除霜運行時間，s；

Q(t)——1個制熱周期內實際制熱能力，W；

ΣQ——1個周期內的累計制熱量，J；

P(t)——1個制熱周期內實際輸入功率，W；

ΣP——1個周期內的累計制熱功率，J；

圖1 空調實時制熱量和平均制熱量變化規律

由圖1可知，開始制熱后，空調器實時制熱量逐漸增大，因此平均制熱量隨時間的延長而逐漸增大。隨著制熱的進行，空調器室外換熱器的霜層不斷加厚，傳熱熱阻增大，蒸發壓力下降，換熱風量減小，導致制冷劑與室外空氣的換熱量減少，空調器實時制熱量逐漸降低，此時雖然總制熱量還在增加，但平均制熱量已開始逐漸下降。因此，在1個制熱周期中，平均制熱量必定存在一個最大值如果在對應的時刻開始除霜，就可以保證室內有最大的平均制熱量。

因此，本文利用最大平均制熱量除霜方法快速確定除霜的最佳起始點，具體方法如下：在低溫制熱工況下對變頻空調器進行測試，無論被測空調器樣機采用的是溫度-時間除霜控制法，還是溫差-時間除霜控制法，先設定1個較小的除霜起點溫度T1或者較大的除霜起點溫差，使空調器進入除霜狀態的時間較晚，而退出除霜的判斷條件不變。空調器在這種控制方法下連續運行多個制熱周期，然后按照國標要求選擇1個比較穩定的制熱周期進行研究，計算出周期內各個時刻的平均制熱量，分析室外換熱器盤管溫度和平均制熱量隨時間的變化規律。這樣在確定出最大平均制熱量對應時刻的同時，就可以確定出最大平均制熱量對應的室外換熱器盤管溫度值為Topt，Topt就是最佳的除霜起點溫度，然后修改空調器控制程序，將Topt設定為開始除霜的溫度判定條件，這樣空調器在低溫制熱工況下運行時就能獲得最大的平均制熱量。

2 最大平均制熱量確定除霜起始點的實驗研究及結果

實驗在焓差室中進行，實驗工況為國家標準GB/T 7725-2004中規定的低溫制熱工況[3]，室內進風干/濕球溫度為20 ℃/15 ℃，室外進風干/濕球溫度為2 ℃/1 ℃，干濕球溫度控制精度為±0.2 ℃，數據采集器型號為Agilent 34970A。實驗測試的空調器樣機為1.5匹的家用壁掛式變頻空調器，標稱制熱能力為3,500 W，銘牌標稱最大制熱能力為4,400 W，根據國標的定義，以最大制熱能力為低溫制熱能力的1.38倍計算，可得該空調低溫制熱量要求3,200 W以上。為了方便研究，只選擇1個制熱周期進行分析。

由于實驗空調器樣機采用室外換熱器盤管溫度T0作為除霜判定信號，即當空調器連續制熱運行達到設定時長后，如果室外換熱器盤管溫度T0小于設定值T1且持續1個設定時長，則發出開始除霜的指令使空調器進入除霜狀態；隨著除霜的進行，如果室外換熱器盤管溫度T0大于設定值T2且持續1個設定時長，或除霜時間達到設定的最大除霜時長，則發出終止除霜的指令使空調器進入制熱狀態。因此，在實驗開始前，首先在空調器控制系統中設定1個較低的除霜起始點判定條件T1=-15 ℃，然后將空調器在低溫制熱工況下進行第一次實驗。實驗結果如圖2所示。

從圖2可見，開機后實時制熱量逐漸增大，隨著制熱的進行，室外換熱器結霜量逐漸增加，制熱量逐漸減小。在結霜后期，由于霜層的不斷增厚，室外風量減少很多，使得室外換熱器的換熱效果進一步惡化，制熱能力進一步降低。由于控制系統中設定了室外換熱器盤管溫度必須達到-15 ℃，并且持續一段時間才啟動除霜，因此即便空調器制熱能力已經低于3,200 W的標稱能力要求，由于室外換熱器盤管溫度仍大于-15 ℃，空調器只能繼續制熱，運行平均制熱量繼續逐漸地降低。直到室外換熱器盤管溫度小于-15 ℃并持續一設定的時間，空調器才停止制熱，切換到除霜狀態。

圖2 T1=-15 ℃時空調制熱能力和室外盤管溫度的變化規律

從圖2中可以明顯看到，平均制熱量先增大后減小，存在一個最大平均制熱量即實時制熱量與平均制熱量的交點A的值，與A點同時刻對應的室外換熱器盤管溫度B點的值為-12 ℃，如果以B點的值作為除霜起始點的判定條件T1的值并修改控制程序，空調器下次低溫制熱運行時就能保證室內有最大的平均制熱量。由于判定是否開始除霜的條件是：溫度測點的溫度值T0≤T1，并持續一個設定的時長。在啟動除霜時，室外盤管實際溫度會比啟動除霜的溫度判定條件更低一點。考慮到這個因素，修改空調器控制系統的除霜啟動點室外盤管溫度T1，由-15 ℃改為-11 ℃。修改完控制程序后重新進行實驗，并與修改前的實驗進行對比，如表1所示。

從表1中可以看到，將T1由-15 ℃改為-11 ℃后，空調器的性能得到了提高。改進后低溫制熱工況下空調器的平均制熱量大于3,200 W，滿足低溫制熱量的標稱要求，用戶體驗會更佳，相比于改進前，平均制熱量提升了11%；同時還可以看到，改進除霜起始點后，空調器的平均能效也得到了提高，從2.19提升到了2.32，提高了6%。

綜合以上分析可知，以最大平均制熱量確定最佳除霜起始點溫度的判定方法，比較適合采用定膨脹閥開度或毛細管的空調器；除霜判定初選周期以工況穩定后第一個周期為佳，預先設定的溫度不可過小或溫差不可過大；通過最大平均制熱量法確定出最佳除霜起始點溫度時，以“霜除凈”為最終目的，盡量減少除霜時間。

表1 不同除霜啟動判定條件下的空調器性能對比

3 結論

本文為了提高低溫制熱工況下的平均制熱量，通過理論分析和實驗研究的方法，快速得出最佳的除霜起始點判定條件。主要通過在空調器低溫制熱實驗前，預設較低的室外盤管溫度作為除霜起始點的判定條件，然后實驗獲得制熱周期的相關數據，最后采用最大平均制熱量的方法，確定最佳的除霜起始點對應的室外換熱器溫度，并以此溫度作為最佳的除霜起始點的判定條件，得出如下結論：

1）通過兩次實驗便可以確定出最佳的除霜起始點的室外盤管溫度，使房間的平均制熱量最大化，大大減小了實驗量，縮短了實驗測試的周期；

2）采用最大平均制熱量法和溫度-時間除霜控制法相結合的新方法，快速確定最佳除霜起始點對應的室外盤管溫度，不需要增加測量制熱量的裝置，除霜信號是室外盤管溫度，修改控制程序簡單，具有良好的實用價值。

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Experimental Research on Optimal Defrosting Starting Point for Air Conditioner in Low Temperature Heating Condition

ZHANG Jun*1, CHEN Xiao-yuan2
(1- Shanghai Hitachi Electric Appliance Co., Ltd., Shanghai 201206, China; 2- Department of Refrigerating & Cryogenic Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, Shaanxi 710049, China)

The system performance will be significantly deteriorated due to the frosting on outdoor unit of air conditioner under low temperature heating conditions. To maintain the system performance, the defrosting strategy, such as the start point and duration, is very important solution. This solution makes it possible to realize more comfortable heating condition. Based on the experiment and theory analysis, the method to find the best start point for defrosting by using optimal average heating capacity methodology was proposed. The research results show that, in low temperature condition, the best point was found within 2 trials by adopting the proposed method; the average heating capacity of the tested 1.5 HP air conditioner is increased up to 3,213 W, which meets the requirement for the air conditioner; the average energy efficiency is increased by 6%. The optimal average heating capacity method is a practical and efficient way to determine best deforesting strategy for an air conditioner system.

Air conditioner; Heating condition; Maximum average heating capacity; Starting point of defrosting

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.06.110

*張駿（1978-），男，工程師，碩士。研究方向：制冷系統。聯系地址：浦東新區寧橋路888號，郵編：201206。聯系電話：021-50554560。E-mail：zhangj@shec.com.cn。