基于微波技術的空調設備結霜化霜檢測方法

清華大學深圳國際研究生院 孟 敏 鄭向遠

空氣源熱泵空調機組是目前最廣泛采用的一種空調暖通設備，家用空調也都屬于這種類型。空氣源熱泵空調在夏天制冷時，將室內熱量轉移到室外換熱器上并散發到空氣中，在冬天制熱的時候，則把室外空氣中的熱量轉移到室內。從過程上看，制熱一般比制冷要復雜一些，其中最主要的就是空氣源熱泵機組在制熱時存在一個室外換熱器結霜和化霜的問題?？諝庠礋岜脵C組制熱時，室外換熱器的溫度是低于環境空氣溫度的。如果空氣中濕度較高，而且換熱器溫度比空氣的露點溫度更低，就會在室外換熱器上出現結霜的現象。室外換熱器結霜后，會進一步降低了換熱器的換熱效果，這樣就導致惡性循環，不僅降低了制熱的效率，還影響到了設備的安全運行。因此當室外換熱器結霜到一定的程度時，就必須要采取化霜的措施。

然而由于技術條件有限和成本的原因，目前空氣源熱泵空調暖通設備普遍采用溫度+時間的間接結霜判斷模式。而從結霜的成因上分析影響結霜的原因是很多的，除了溫度還有空氣的濕度、露點、風速風向等很多因素。因此不同季節、不同區域的空調設備結霜的情況會有很大的區別。譬如我國南方濕度較高，正常情況下機組運行一段時間機會出現室外換熱器結霜。而在北方有可能機組長時間運行而不結霜，但一旦有潮濕空氣過來就會出現不規律結霜情況，這些都是目前溫度+時間的方法無法解決的。

如果結霜檢測不可靠，就會影響到空調設備的安全運行。譬如室外換熱器出現了嚴重結霜卻沒有檢測到，則會造成機組制熱效果下降甚至造成停機保護。如果沒有結霜卻誤判為結霜，就會使機組錯誤進入化霜程序，不僅影響制熱效果還浪費電能。目前絕大多數的空氣源熱泵機組都是通過溫度、溫差以及時間來間接判斷是否結霜，如果能直接檢測室外換熱器結霜的情況，將會對機組的性能和安全提供非常好的保障。

1 檢測原理

微波是一種高頻電磁波，既可以有線傳輸也可以無線傳輸。微波的傳輸速度公式為V=C/√εμ，式中V為微波的傳輸速度，C為光速，ε為傳輸介質的介電常數，μ為傳輸介質的磁導率。由于一般介質的磁導率都為1、可忽略不計，因此影響微波速度的最主要參數就是介質的介電常數。空氣的介電常數為1，水的介電常數在70～80之間。冰和霜雖然是水的一種固態形式，但介電常數卻大不相同，冰的介電常數大約為3、霜的介電常數大約為2。由此可見微波在空氣、水和霜中的傳輸速度是不一樣的，在空氣中接近為光速，在霜中要略低于空氣，而在水中則微波速度衰減很大。

微波的時域特性除了速度外，還有頻率、周期、波長、功率等。波速與頻率波長的關系為V=λ/T=λf，式中λ為波長，T為周期，f為頻率。由此可見，如頻率固定，微波在空氣中傳輸時波長最長、在水中波長最短。假如微波的傳輸介質從空氣逐步變化為霜則波長也會逐步變短，霜的厚度跟波長變化呈單調對應關系。如果霜化成水則波長會急劇變更短、出現突變。如果水吹干則波長恢復最長的狀態。因此可通過檢測微波的波長變化，得到微波傳輸范圍內的結霜和化霜的情況。微波的另一個時域特性是功率，跟信號的幅值有關，微波在不同物質中傳輸時幅值受電導率影響較大。對于空氣、霜和水來說，空氣和霜由于不導電、對微波幅值影響較小，而水由于導電會造成微波幅值的衰減。通過對微波幅值變化的檢測也可對結霜或者化霜狀態做出輔助判斷。

2 結霜傳感器的設計

應用于空氣源熱泵空調機組的結霜化霜傳感器從結構上看，主要由機械結構和電子電路兩大部分組成。此外傳感器的嵌入式軟件設計也是一個重要組成部分。

2.1 傳感器的結構設計

翅式換熱器是目前最主要的空氣源熱泵機組的室外換熱，翅片既是散熱和吸熱的主要結構，也是結霜的主要部分。因此在設計結霜傳感器時，最主要就是要考慮如何安裝在翅片上。圖1中1為傳感器翅片、2為微波傳輸線、3為傳感器蓋。傳感器外殼采用鋁合金材料，具有良好的導熱效果。電路板密封在傳感器內部，并做好防水處理。傳感器具有兩個平行的翅片，方便其插入室外換熱器的翅片中，并與換熱器翅片緊密接觸。微波傳輸線緊貼傳感器的側面，插入換熱器翅片后，微波傳輸線與換熱器翅片呈90度角并靠近。當室外換熱器結霜時，由于傳感器上的溫度、濕度、風速等各項指標都與翅片接近，因此也會在傳感器上結同等厚度的霜。

圖1 結霜傳感器結構外觀圖

圖2 結霜傳感器安裝及結霜效果圖

2.2 傳感器的電子電路設計

化霜傳感器的電路分為電源電路、微控制器電路、微波電路、測溫電路、通訊電路幾個主要部分。微控制器電路是整個系統的核心，它控制微波電路產生高頻微波信號，經檢測傳輸線返回后，得到與波長和功率相關的低頻信號，低頻信號可以直接由微控制器AD采樣處理。測溫電路主要由熱敏電阻和差分放大測溫電路組成，也由微控制器采樣處理。傳感器具有兩個通訊接口，一個是RS485通訊接口，既可以輸出傳感器數據和狀態、還可以用來設置內部參數。另一個是開關量輸出，通過開關量的高低變化輸出傳感器檢測狀態。

圖3 結霜傳感器電子電路原理框圖

2.3 傳感器的軟件算法設計

軟件算法是結霜傳感器最核心的部分，其中最關鍵的的各種狀態的模式識別，譬如干燥狀態、結霜狀態、化霜狀態的識別。

干燥狀態的識別。干燥狀態也就是無霜無水的狀態，判斷的依據有以下幾個條件：①實測微波波長與空氣波長相差不大；②實測微波幅值與空氣幅值相差不大；以上兩個條件同時滿足則可以以判斷為干燥狀態，可以描述為：If①and②then state=dry。

結霜狀態的識別。結霜狀態也就是有霜無水的狀態，判斷的依據有以下幾個條件：①傳感器溫度低于0度；②實測微波波長小于空氣中波長；③實測微波波長大于結滿霜時的波長；④實測微波幅值與空氣幅值相差不大；以上四個條件同時滿足則可以判斷為結霜狀態，可以描述為：If①and②and③and④then state=frosting。當傳感器處于結霜狀態時，結霜的厚度跟實測微波波長有關。

化霜狀態的識別。化霜狀態比較復雜，化霜早期是霜和水并存的狀態，化霜后期是僅有水的狀態，判斷的依據有以下幾個條件：①傳感器溫度高于0度；②實測微波波長小于結滿霜時波長；③實測微波幅值低于空氣幅值；以上三個條件滿足一個就可以判斷為化霜狀態，可以描述為：If①or②or③then state=defrosting。當傳感器處于化霜狀態時，通過幅值變化可以判斷是化霜早期還是末期?；缙谒退⒋?，幅值的變化是逐漸緩慢變低，而且是平穩變低。化霜進入末期時處于無霜僅有水的狀態，對幅值的影響大且變化劇烈。通過這個特點再加以軟件算法，可以識別出不同的化霜狀態。

3 傳感器應用方案

3.1 傳感器與機組控制器的連接

結霜傳感器由空氣源熱泵機組的控制器供電，并與控制器的通訊接口或者開關量輸入接口連接。圖4、圖5是兩種連接模式。RS485具有A、B兩根通訊線，可以直接將控制器和傳感器的通訊線兩兩對接?；獋鞲衅鞑捎胢odbus通訊協議，可以輸出的數據和狀態有傳感器狀態、結霜厚度、水膜厚度、溫度等?？刂破骺梢宰约涸O定化霜的厚度參數，當化霜傳感器霜厚度超過設定厚度時可以自動進入化霜程序。當退出化霜時則依據傳感器的水膜厚度數據。當化霜傳感器需要標定時，可以通過RS485接口讀取和下載相關參數（圖4）。有些控制器不具備RS485接口或者不能開放通訊協議，則可以采用開關量數字接口（圖5）。開關量只能輸出高低兩種狀態，為了讓控制器獲取更多的狀態信息，傳感器采用周期性變化的方式來輸出檢測狀態。

圖4 結霜傳感器與控制器RS485連接

圖5 結霜傳感器與控制器RS485連接（采用開關量數字接口）

傳感器開關量輸出的狀態及開關量變化方式分別為：干燥/低4秒高1秒、微微有霜/低3秒高2秒、厚霜/低2.5秒高2.5秒、水/低2秒高3秒、微水膜/低1秒高4秒。采用開關量接口的進入化霜厚度參數由結霜傳感器內部設置，控制器無法修改。當控制器檢測到低2.5秒高2.5秒的交變開關量信號時，則進入化霜程序。當檢測到低4秒高1秒的傳感器干燥信號時，則退出化霜重新進入制熱。

3.2 進入化霜的流程

當空氣源熱泵機組持續制熱運行中，傳感器檢測到溫度持續低于零度，傳感器結霜且厚度達到設定值時，判斷為滿足化霜條件，向控制器發出進入化霜的指令，空氣源機組進入化霜程序?；^程中壓縮機系統換向，變成室外換熱器制熱，室外風機停機，室外換熱器翅片溫度升高，霜開始融化成水。

3.3 退出化霜的流程

化霜過程中，室外換熱器翅片溫度升高，傳感器上溫度也同步升高，霜開始融化。當溫度高于一定的設定溫度后，出現霜和水滴混合的狀態，結霜傳感器由檢測霜厚度的模式轉變成檢測水膜厚度的模式，隨著霜逐步融化，水膜厚度開始增加，達到一個最大值時可認為霜已經化干凈。此后由于水下滴，水膜厚度開始下降。當水膜厚度低于一定程度時可視為化霜接近尾聲，機組控制器先打開室外風機吹掃翅片和結霜傳感器上的水膜，結霜傳感器檢測到無水后發出指令讓控制器退出化霜程序，重新進入制熱運行。

綜上，本文介紹了一種基于微波技術的空氣源熱泵空調機組的結霜化霜檢測方法，并依據此原理研發了一種結霜傳傳感器且投入了實際應用。該傳感器也可以應用在空氣源熱泵熱水器機組上。相比目前廣泛采用的溫度+時間的結霜判斷方法，這種傳感器能直接檢測結霜狀態、結霜厚度、化霜狀態、水膜厚度等多個狀態和參數，檢測的準確性更高，可靠性更高。從應用效果上看，的確能解決空調暖通行業結霜化霜檢測的難題，對提高機組的能效比有非常好的作用。