熱泵型空調額定制熱室外換熱器結霜原因分析及對策

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

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

筆者以產品開發過程中在額定制熱工況下室外機換熱器出現結霜的變頻空調器為研究對象，通過對換熱器結霜機理分析，分析換熱器結霜的原因及對策，為后續解決變頻空氣熱泵空調在額定制熱工況下結霜問題提供參考。

1 換熱器結霜機理

空氣熱泵空調在低溫高濕環境極易出現結霜現象，而且結霜過程極其復雜，涉及到環境溫濕度、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構等眾多影響因素[2]，但換熱器結霜機理相同。在額定制熱工況下，室外機換熱器用于制冷劑蒸發，空氣流經換熱器時，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 額定制熱工況結霜影響及分析

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

某50變頻3級房間空調器，在額定制熱工況運行室外換熱器出現結霜現象，其系統配置表1所示，室外換熱器結霜現象如圖1所示。

表1 機型配置表

2.1 空調在額定制熱工況下結霜常見原因分析及對策

2.1.1 制冷劑循環量不足

在額定制熱工況下，如果制熱流向室外換熱的進口溫度小于 0 ℃，則表明在空調系統內制冷劑在蒸發側的流量不足。當制冷劑不足時，蒸發壓力和冷凝壓力都將降低，用壓力表檢測高低壓側壓力會發現低于正常壓力，換熱器低壓側壓力低于正常壓力，蒸發溫度會降低并在表面局部結霜甚至出現冰層[4]。主要對策：減短毛細管或增加制冷劑以增大系統流量。

2.1.2 制冷劑循環量過大

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 ℃, 室外換熱器的進口溫度大于1 ℃, 則表明空調系統內制冷劑流量太大，制冷劑蒸發不完全導致換熱器結霜。主要對策：①加長毛細管或減少制冷劑。②提高室外風機的轉速（同時要考慮室外機的噪聲）。③變頻空調在滿足制熱量前提下，盡可能降低壓縮機運行頻率。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不完全導致換熱器結霜問題。

2.1.3 室外換熱器分液不均

分液不均勻也是導致換熱器結霜主要原因之一，常見分液不均勻一般為兩種，一種是分流器設計不合理，分流器本身分液不均勻導致換熱器分液不均；另外一種是換熱器流路設計不合理，導致各流路分液不均。當某一路或幾路制冷劑流量不足時，流量不足的流路蒸發壓力和蒸發溫度偏低，并出現結霜現象。當某一路或幾路制冷劑流量過大，制冷劑蒸發不完全，也會導致換熱器出現結霜現象。主要對策：選用分液均勻分流器和設計合理換熱器流路，使各流路分液均勻。

2.2 方案驗證

從圖1室外機結霜現象可見，結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霜主要原因，通過采集換熱器溫度數據，如表2所示，各流路進口溫度均為正值，出口1和出口3溫度為負值，分析是室外換熱器第1流路和第3流路制冷劑流量過大，蒸發不完全導致室外機換熱器結霜。

表2 額定制熱結霜時室外換熱器溫度數據

根據以上分析，制定三種驗證方案：①加大室外風機轉速、②減低壓縮機運行頻率、③調整室外換熱器流路，調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

原機和三種優化方案驗證情況如表3所示，該機型銘牌標示額定制熱6 800 W，國標要求熱泵的實測制熱量不應小于熱泵額定制熱量的95 %，即實測制熱量應≥6 800×0.95=6 460 W，原機額定制熱測試運行22 min，外機換熱器開始緩慢結霜能力衰減，實測額定制熱量6 032 W，不滿足國標要求。通過加大室外風機轉速，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后換熱器開始結霜，能力較原機提升300 W左右，說明該方案對該機型室外換熱器結霜問題有改善。通過進一步降低壓縮機運行頻率，減少制冷劑質量流量，出口1和出口3溫度進一步提高，運行105 min后，室外換熱器才開始結霜，由于壓縮機運行頻率降低，實測額定制熱量提升不明顯，但也說明降低壓縮機運行頻率，也可以改善該機型制熱結霜問題。室外換熱器優化流路后，各流路出口溫度分別為1.8 ℃、1.5 ℃和2.2 ℃，連續運行180 min均未出現制熱能力衰減、換熱器結霜現象，實測額定制熱量6 846 W滿足開發要求。在壓力損失允許的情況下，采用多的過冷管設計可以獲得較好的制冷能力、能效；采用少的過冷管設計可以獲得較好的制熱能力、能效[5]。室外換熱優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，原機余量較充足，仍滿足開發要求。

表3 原機和三種方案驗證數據

3 結論與建議

1）對于額定制熱實驗過程中，如果發現室外換熱器進出口溫度小于1 ℃，建議工況穩定后運行3 h再記錄測試數據；如果測試過程中發現室外換熱器進出口溫度小于0 ℃，則說明換熱器有結霜隱患，則可以提前結束實驗。

2）在額定制熱工況下，如果制熱流向室外換熱的進口溫度小于0 ℃，則表明在空調系統內制冷劑在蒸發側的流量不足。制熱流向室外換熱的出口溫度小于0 ℃，室外換熱的進口溫度大于1 ℃，表明系統流量太大，導致制冷劑蒸發不完全。

3）如果是室外換熱器制冷劑蒸發不完全導致結霜，通過提升外機轉速，提高室外換熱器蒸發壓力、蒸發溫度和通過減低壓縮機運行頻率、加長毛細管長度或減少制冷劑灌注量，可改善換熱器結霜問題。

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