基于高温蒸发侧除霜的正向除霜模式实验研究

王春 ， 罗永宏

（珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海 519070）

摘 要：逆向循环除霜在除霜时压缩机停机、四通阀换向、由制热转换为制冷模式，化霜期间蒸发器吸收大量热量以用于除霜，导致室内温度波动及房间温降较大，舒适性体验较差。同时除霜过程中系统压比大、蒸发温度过低、压缩机频繁启动导致油位较低等问题。本文提出一种全新的智能化霜模式即热气除霜模式，除霜期间仍维持制热模式运行，电子膨胀阀全开，以实现系统内节流元件“微节流”的效果，利用压缩机排出的高温气态冷媒经过蒸发器流至冷凝器进行除霜。在不增加空调制造成本的基础上，实现除霜期间的持续供热，全面提升制热舒适性和系统可靠性。

关键词：舒适节能；持续制热；正向除霜；

Positive defrost model experimental study based on the high temperature evaporation

side defrosting

Wang Chun  Luo Yonghong

(Gree Electric Appliances,Inc.of Zhuhai,Guangdong Zhuhai 519070)

Abstract: Reverse cycle defrost mode for defrosting by heating transformation for the cooling mode, when the compressor stop, four-way valve reversing, frost during the evaporator absorbs a lot of calories to defrost, cause indoor temperature fluctuation and the temperature drop is larger, less comfortable experience. Also exist in the process of defrosting larger compression, low evaporation temperature, frequent compressor start cause oil level lower reliability problems. This paper presents a new intelligent frost model that hot gas defrosting, defrosting period remains heating mode. Electronic expansion valve fully open, in order to realize the system within the throttling element "slight throttling", the effect of using the compressor discharge of high temperature gaseous refrigerant in the evaporator to condenser defrosting. Without any increase in production costs, on the basis of realization of defrost during continuous heating, improve heating comfort and reliability.

Keywords: Comfort and energy saving  Continuous heating  Positive defrosting

1  引言

空气源热泵系统结霜化霜问题是影响空调制热舒适性的关键问题之一，除霜过程对空调的舒适性、可靠性、噪音等影响显著。在室外环境温度低于2℃，空调易结霜，随霜层的加厚, 不仅使换热器导热热阻增大，其空气流量也会随着空气流通面积的变窄而减少,从而导致换热器换热能力大幅度下降，性能衰减而供热不足。现有常规空调普遍采用逆向循环除霜，即除霜过程中，空调转为制冷模式运行，从而导致蒸发器内管温度迅速下降至-30℃以下，从室内吸收大量的热量，使房间内温度迅速降低6~8℃，再次启动需要较长的防冷风的时间，温升速度较慢，严重影响用户使用舒适度。而且常规除霜时，其制冷与制热模式的相互转换，伴随着压缩机及四通阀的频繁开停及换向，存在较大的噪音波动问题，同时压缩机短时间内开启直接将润滑油窜出压缩机油室，非常容易造成压缩机缺油和润滑不良问题。

针对制冷逆向循环除霜带来的诸多问题，业界内外都做了大量的研究和开发，以求寻找更好的除霜方式，提高用户体验舒适性及系统可靠性。游少芳^[1]提出一种蓄热除霜方式，通过相变蓄热器对系统的冷凝余热进行回收，四通阀换向，在除霜时间内让相变蓄热器代替蒸发器进行换热，以实现整个除霜过程，但此除霜方式，需要增加蓄热器以储存热量，增加空调制造成本，在推广受到一定程度上的限制。汪俊勇^[2]提出了一种热气旁通化霜技术，即在空调室外机系统增加一个旁通阀，进入化霜时打开旁通阀，直接把排气侧的高温气态冷媒旁通到冷凝器实现化霜，进而从一方面解决了制冷除霜的压缩机停机、四通阀换向问题，使室内制热舒适性有一定的提升，但由于高温冷媒几乎全部从旁通流路直接通向冷凝器，蒸发器中的高温冷媒补充不足，易导致内部冷媒温度下降，影响室内舒适性，旁通无法建立高低压差导致化霜后期排气温度迅速下降导致化霜能力下降，且增加旁通装置会增加空调制造成本。

现有除霜技术或多或少都会存在一定的缺陷，或增加空调制造成本，或并未真正改善制热舒适性问题。本文提出一种全新的除霜技术，在不增加任何系统成本的基础上，让空调始终维持制热模式除霜，除霜时持续供热，全面提升用户体验舒适性以及系统可靠性。

2  热气除霜控制策略

本文提出一种全新制热除霜模式——热气除霜技术。在空调除霜时，仍然保持制热模式运行，冷媒流向如图1所示，电子膨胀阀全开，以实现节流元件“微节流”的效果，系统内部不使用毛细管等具有节流作用的管件，以尽量减少管路对高温冷媒的节流降压作用，使冷媒进入冷凝器时仍保持较高温度，用于换热除霜，化霜后冷媒返回至压缩机储液器。另外在化霜期间室内外风机关闭，以尽量减少冷媒焓值损失。因化霜时高温冷媒首先流经室内机蒸发器，故能保证蒸发器一直维持较高的温度，提升舒适性。除霜结束后，电子膨胀阀复位，恢复正常的制热运行模式。

图1 连续制热的热气化霜方式

3  试验验证及分析

3.1  试验工况

针对热气化霜技术的实际运行效果的验证，分别从舒适性、噪音、可靠性等方面进行试验分析，试验条件见表1。试验中采用带视液镜的压缩机，用来观察化霜过程中是否会发生液击以及油位。

表1 化霜试验条件

3.2  结果分析

3.2.1  温度场和出风温度

表2热气化霜的室内温降云图

表2为热气化霜的室内温降云图，化霜前的初始室内温度最高值为23℃左右，系统检测达到化霜条件时判定执行化霜命令，维持制热模式运行，电子膨胀阀全开，以减小管路对冷媒的节流降压作用，且为了减少与外界环境的对流换热量，尽量提高进入室外冷凝器冷媒的焓值，将内风机停止运转。此时，失去供热源的室内温度缓慢降低，在退出化霜前，室内温度的最大值降低至20℃，在整个化霜期间由于室外负荷引起室内温度下降3℃左右；化霜结束后，由于蒸发器内管温较高，无需防冷风阶段，可在化霜结束后立即启动内风机并吹出高温风，室内温度开始回升。

表3 常规逆向化霜与热气化霜的舒适性测试数据对比

为了进一步分析热气化霜舒适性，将热气化霜与常规逆向化霜在相同的工况下进行试验分析，具体的舒适性测试数据如表3所示，因热气化霜在化霜期间一直维持制热模式，蒸发器内保持高温冷媒通过，故其蒸发器中间温度可一直维持在37℃以上，具体温度变化如图2所示，曲线中化霜期间前段位置出现一个陡峰，温度达到45℃左右，此段主要与系统化霜的控制逻辑有关，在进入化霜时，前期为了增加化霜热量，系统内设置蓄热阶段，此阶段仅关闭内风机，之后电子膨胀阀全开，其温度恢复正常温度区间。从图中可明显看出，在进入化霜时，常规逆向化霜因转制冷模式运行，其蒸发器温度陡降至-30℃以下，直至化霜结束后才开始回升。在整个化霜期间，虽内风机皆停止运转，与周围环境对流换热较少，但仍可通过辐射换热进行热量交换，在机身周围的人仍感受到明显“冷感”，而热气化霜则感受到明显的“热感”，热气化霜舒适性体验占有较大的优势。

图2 常规逆向化霜与热气化霜的蒸发器温度对比曲线

因热气化霜蒸发器温度较高，故其开机无需防冷风控制，化霜结束后，即可开启内风机吹出高温风，室内温度恢复速度较快；而常规化霜因制冷模式运行，化霜期间温降为5℃左右，但因退出化霜后存在3～5min的防冷风阶段，此阶段的室内温度持续下降，直至内风机开启时温降达到6～8℃，致使室内温度恢复时间较热气化霜增加8～10min左右。综合以上分析可明显看出，在室内温降幅度、室内温度恢复速度、化霜后防冷风时间、出风温度恢复速度等方面，热气化霜都明显优于常规逆向化霜。

图3 除霜结束后出风温度对比曲线

3.2.2  压缩机可靠性

（1）液击风险

为了验证压缩机的液击风险，选用分体式房间空调器的液击经验公式进行验算，若计算结果大于0.5时，则不会发生液击风险：

（储液罐的有效容积×制冷剂比重）÷填充的制冷剂的重量≥0.5 ^【1】           1-1

式1-1中：储液罐的有效容积，单位为ml；制冷剂比重是冷媒在20℃情况下的饱和液态的密度，单位为g/ml；填充的制冷剂的重量为匹配机型的总灌注量，单位为g。

此机型压缩机储液罐的有效容积为600mL，冷媒灌注量为800g，在恶劣除霜工况下，化霜过程中冷媒密度为1.064g/ml，则计算结果为0.79。按照理论分析，此压缩机在运行的过程中没有出现液击的可能。

（2）压缩比

压缩机压缩比过大会导致压缩机磨损严重，影响使用寿命。故压缩机规格书中要求压缩比范围为：2~6，可允许短时间（2~5min）过载，但压比控制也应控制在7.5以下。通过热气化霜在试验工况下的分析可发现，热气化霜时最大高低压比约1.411MPa/0.282 MPa =5.0，满足要求。反而逆向化霜过程中压缩机的压缩比高达20，严重超过压缩机允许压缩比范围，因此如果频繁除霜可能会加剧压缩机磨损。

（3）压缩机回油

在空调系统运行中，压缩机内的油位越高越好，因为油位越高，对压缩机的润滑越有利^【4-5】。从压缩机液视镜中观察到的油位如表4所示，由热气化霜及常规化霜进行对比分析可发现，热气化霜的油位要高于常规化霜，因常规化霜由制热转变为制冷工况，化霜完成后又恢复制热，在其来回的模式切换中，伴随着压缩机不停的开关机。而压缩机初始启动时，因内部冷媒量较少，会将部分油带出在系统中循环，致使其油位较低。

表4 常规逆向化霜与热气化霜的舒适性测试数据对比

由以上分析综合可知，热气化霜在压缩机的压缩比、回油回液方面都具有优异的效果，并且热气化霜一直保持制热模式运行，减小了压缩机的频繁开停机，可增加其使用寿命。

3.2.3  化霜期间噪声

图4为化霜期间，距离室内机正面1m处所测得的噪音值。化霜时由于室内风机停止运转，室内机整体噪音值比正常制热运行时偏低，但由于此时无高温风与周围环境及机身壳体等相关部件进行热交换，导致部分零部件发生冷缩行为，产生“咔”的脉冲噪声，在平缓的噪音曲线中产生尖峰值，由下图中，可以看出热气化霜的脉冲噪音次数约为8-10次，化霜结束后内风机开启，噪音值恢复正常值域。

常规化霜与热气化霜相较，在化霜时产生了较为密集的脉冲异响噪音，主要是由于化霜期间转制冷模式运行，-30℃的低温冷媒流经蒸发器时，除了机身周围环境温度的降低，且蒸发器通过冷量传导及冷辐射，造成与之关联的零部件及空调外部壳体发生大面积冷缩行为，产生约22次左右的噪音尖峰。随着压缩机的开停变化，噪声总值呈现降低-升高-降低的趋势，不考虑热胀冷缩噪声的影响，化霜时噪声总值最大、最小值相差15dB(A)左右。

图4 化霜期间噪音曲线图

热气化霜避免了蒸发器及其相关结构因制热-制冷-制热模式的来回转换而带来的温度波动，并因结构热胀冷缩引起的脉冲异响噪音次数大大降低，且因其压缩机无需停机，噪声值较为平稳，在噪音方面存在较大优势。

3.2.4  生产效率及其他方面

1）热气化霜因其独特的功能，要求化霜期间系统尽量减小节流的效果，以使得进入冷凝器的冷媒保持较高的温度用于化霜，故在整个系统内部，不可使用毛细管等不可调节的节流元件。系统取消了毛细管组件及蒸发器毛细管分流，使管路一体化设计，不需要进行焊接毛细管，不仅提高生产效率，而且降低了因操作失误而焊堵的管路报废率。

2）压缩机不停机，四通阀不换向，减小压缩机启动失败几率，以及四通阀换向卡死几率，系统运行过程中减小故障率。

4   结论

现有逆向除霜存在两次换热过程，蒸发器先从室内吸热向室外放热、再从室外吸热向室内放热，热气除霜模式只有一次换热过程，蒸发器持续保持放热过程。从两次热交换减少到一次热交换，每次热交换因换热效率都存在热量损失，因此热气化霜使得整个热泵供暖的效率大大提高。

逆向除霜从制热转换到制冷，冷媒在蒸发器内蒸发吸热，取走室内大量的热量造成室内降温明显而产生明显冷感；热气化霜模式除霜过程中蒸发器持续供热，不会造室温下降。

逆向除霜模式从制热转换到制冷进行除霜，压缩机启停四次，四通阀换向两次，蒸发器温度剧烈变化造成异响，系统压力剧烈变化造成机械冲击，热气除霜模式稳定持续运行，无异响和机械冲击。

（1）热气化霜化霜期间可持续供热，化霜结束可立即吹出35℃左右的热风，整体温降不超过3℃，恢复时间快，其在舒适性方面的体验优势明显。

（2）压缩机的压缩比最大值为5，且储液罐的容积可容纳79%左右的冷媒量，无液击风险，油位较高，可靠性方面具有优势。

（3）蒸发器内一直为高温冷媒，减少了结构热胀冷缩的异响噪音，且无压缩机频繁开停机的噪音波动，整体测试及体验噪音优于常规逆向化霜。

综上所述，运用正向除霜及其控制策略，实现除霜期间持续供热，在舒适性、可靠性、噪音等方面都具有明显的优势，且进一步提升系统可靠性，具有较大的推广应用前景。

参考文献

[1]  游少芳.空气源热泵热水器外盘微通道冷凝与蓄热除霜集成系统研究[D].华南理工大学，2012,5

[2]  汪俊勇。热气旁通化霜技术在空调机组上的应用[J].制冷，2014，33（3）：35-37.

[3]  王铭坤，江华，熊硕．压缩机储液罐大小对空调整机系统的影响[J].家电科技， 2013，（6）

[4]  杨传波，张薇，郭漪，等.制冷系统含油量对制冷压缩机工作性能影响的理论分析和实验研究[J].制冷学报，2005,26(2):19-23.

[5]  张平，丁国良。制冷剂蒸汽最小回油速度模型及在垂直吸气管设计中的应用[J].机械工程学报，2008,44(4):179-18