低冰點溶液在風冷多聯機上的除霜應用特性研究

王繼前 狄育慧 馮 璐 徐青松

低冰點溶液在風冷多聯機上的除霜應用特性研究

王繼前1狄育慧1馮 璐2徐青松2

（1.西安工程大學 西安 710600；2.陜西建工安裝集團有限公司 西安 710048）

結合西安地區風冷多聯機在冬季工況下的溫濕度狀況，總結已有多聯機空調系統的除霜方式的特點和不足，提出一種利用噴淋低冰點溶液進行多聯機空調系統除霜及其延緩除霜的方式。通過試驗發現利用噴淋低冰點溶液進行除霜的效果良好，并可以延緩下一階段的結霜過程。

多聯機；低冰點溶液；除霜；提出

0 引言

多聯式空調機組因具有節能環保、運行費用低、節省空間以及安全可靠等優點得到越來越廣泛的應用[1]。同時也面臨著在低溫潮濕環境下供熱時室外機容易結霜，霜層的存在降低了多聯機的供熱能力的問題[2]，朱樂琪[3]等通過模擬與實測研究了除霜周期內的實際制熱量與除霜時間，單位室外機制熱量等的變化關系。Jang等[4]在多聯機逆循環除霜的基礎上，提出了分環路除霜方式。Tu等[5]認為時間-盤管溫度法控制除霜并不適用于多聯機，應該采用時間-盤管溫度-冷凝溫度的方法來對多聯機除霜加以控制。間斷制熱蓄能除霜及不間斷制熱蓄能除霜與常規復疊式空氣源熱泵低溫級熱氣旁通除霜方式對比表明蓄能除霜方法的除霜時間較旁通除霜減少71.4%～77.6%，系統除霜能耗降低65.1%～85.2%，機組除霜運行更穩定、可靠[6]；多聯機空調器智能除霜控制有利于提高多聯機空調系統的利用效率，減少能源浪費，增加低溫制熱的熱舒適性[7]；美的公司闡明了多聯機空調系統結霜原理，分析結霜、除霜相關因素，總結除霜控制方法，提出新型除霜控制策略[8]。

多聯機空調系統常用的除霜方法有三大類：熱力除霜、附加外場和廣義除霜；其中熱力除霜包括電熱除霜、逆循環除霜、熱氣旁通（顯/全熱）和蓄能除霜；附加外場除霜包括高壓電場除霜及超聲波除霜；廣義除霜包括無霜型。

眾多的除霜方式在不同的地區、不同的溫濕度環境下的適用性有所不同，有學者研究了不同除霜方式之間存在的區別[9]，詳見表1。

從表1可知，（1)逆循環除霜系統除霜時的排氣壓力較小，運行熱氣旁通除霜模式時，排氣壓力平均值為1.30MPa，基本能滿足機組正常運行需要，不會出現“奔油”現象，提高了系統的可靠性。蓄能除霜較熱氣旁通除霜模式，除霜時的排氣壓力有所增加，且比逆循環除霜高出了50%，使得冷凝溫度提高，傳熱溫差加大，更有利于除霜；（2）蓄能除霜時間因四通閥不用換向，除霜熱能直接來自蓄能換熱器而大大縮短，且除霜后室內恢復正常供熱時間較傳統的逆循環除霜縮短了約160s。除霜結束時室外側換熱器翅片表面溫度達30℃，比逆循環除霜和熱氣旁通霜要都要高6℃，熱氣旁通模式除霜系統，由于系統除霜的功耗全來自壓縮機的輸入功率，所以除霜時間較另外兩種除霜時間有所延長。

表1 常規除霜方式比較

如此眾多的除霜控制及除霜方法主要以熱力除霜為主，存在著需要消耗機組本身熱能進行除霜的不足之處，因此我們提出利用低冰點溶液融霜除霜的方式，并進行了驗證性試驗。

1 低冰點溶液除霜研究

1.1 低冰點溶液除霜原理

多聯機在冬季低溫高濕工況下運行，當室外換熱器表面溫度同時低于空氣的露點及冰點溫度，就會在進風口翅片上產生霜層，由于霜層的存在使得室外機換熱器與環境溫度之間的傳熱熱阻大,降低室外機換熱器吸收能量的速率，因此，如果不能及時有效地除霜,則多聯機運行效率將會大大降低。

有學者提出無霜型空氣源熱泵[10]。通過噴淋除濕溶液對進入室外肋片管換熱器的空氣進行除濕，從而降低空氣的露點溫度，破壞結霜條件，以此達到無霜運行；采用鹽溶液噴淋的方式對熱泵機組室外換熱器進行除霜[11]，并運用冷凍方式對除霜完成后的稀溶液進行再生。該機組在除霜時不停機，仍可繼續供熱；在空氣源熱泵噴淋溶液除霜及進行冷凍再生系統的研究[12]表明：（1）溶液噴淋可實現快速除霜并保持機組持續制熱；（2）除霜過程近似零能耗，可有效提高熱泵機組的制熱性能；

而低冰點溶液的共同特性是其冰點較低，低溫工況下不易結冰，常見的低冰點溶液有甲酸鈉，乙二醇，丙三醇，汽車玻璃水等；將低冰點溶液噴淋至風冷多聯機室外機結霜區域，利用低冰點溶液比霜層更低的冰點使得霜層融化，從而達到除霜的目的；并且當低冰點溶液與融霜水混合后會有效降低下一個循環的結霜點，以及能夠有效延緩結霜。

1.2 試驗設備及低冰點溶液的選擇

如圖1所示主要設備有：空調機組室內、外機各一臺作為測試對象；噴液器一臺及噴嘴若干作為噴淋低冰點溶液試驗設備；室外機進風口安置UT330ABC溫濕度自動記錄儀，記錄室外機結、除霜過程中進風口的溫度和相對濕度的變化曲線；在室內機出風口處安置testo Comfort Software Basic 5.0溫濕度自動記錄儀，用于記錄室內機結霜及除霜過程中出風口的溫濕度變化曲線；

藍星汽車玻璃水溶液的冰點為-30℃，由一元醇、表面活性劑、緩蝕劑和去離子水構成；具有較低的冰點，同時具有防靜電和清潔洗滌等特性，因此選擇為試驗低冰點溶液。

向噴液器加一定量的玻璃水，選擇合適的噴嘴，安置好記錄儀器之后，開啟室內機，調整好送風溫度，觀察室外機結霜過程，記錄機組的結霜時間和除霜時間，拍照記錄除霜前后翅片表面的霜層狀況；當室外機翅片上的霜層達到一定的厚度時，噴淋低冰點溶液進行除霜，噴嘴對準結霜區域噴淋玻璃水溶液，觀察翅片表面化霜過程。

圖1 溶液除霜設備

1.3 結霜與除霜過程及效果

圖2反應了空調機組的結霜及低冰點溶液除霜過程，（a）圖為機組開啟之前，表面干燥無雜物，開機運行，在一定的低溫和相對濕度的工況下，翅片表面逐漸生成霜層；（b）圖為機組運行一段時間翅片表面結霜，該翅片結霜霜層較厚，左側為正常結霜現象，右側為結霜前噴淋了玻璃水的結霜狀態，對照顯示其結霜量顯然比正常結霜量少；（c）圖為結霜到一定程度時，用噴液器向機組翅片結霜區域噴淋玻璃水除霜，待低冰點溶液將結霜翅片全部潤濕之后，停止噴液，等待化霜，霜層融化后沿著翅片表面流走，除霜完成；（d）圖為噴淋除霜完成后翅片表面狀況，翅片表面干凈，除霜效果良好，由于有少許低冰點溶液附著在翅片表面，可以有效減緩下一循環的結霜時間，增長結霜周期，減少除霜次數，有助于提高室內熱舒適性；

試驗記錄發現，機組結霜周期長，而用玻璃水噴淋除霜的時間較短，平均結霜時間為100min，（c）圖噴淋時間為1min，翅片表面達到無附著溶液液滴狀態時間（d）圖為2min，即除霜時間為2min，結霜時間長，除霜時間短，除霜效果好，該除霜方式不需要壓縮機停機除霜，除霜時保持無間斷向室內供熱；

圖3 某品牌室外機結霜除霜過程

圖4 某品牌室內機結霜除霜過程

圖3為機組結霜和玻璃水除霜過程中室外機進風口溫濕度變化曲線，圖中左下曲線為溫度曲線，左上曲線為濕度曲線，機組進風口溫度保持在0℃左右，機組進風口相對濕度處于75%左右，符合機組結霜的溫濕度工況，如圖機組運行80min后開始除霜，噴淋玻璃水除霜時，因為玻璃水很快融化翅片表面霜層，并迅速被周圍的空氣帶走，使得翅片表面的相對濕度有所下降，除霜時玻璃水的溫度高于環境溫度和翅片霜層的溫度，因此霜層融化后機組翅片的溫度有所降低；在85min后機組翅片相對濕度和溫度開始趨于穩定，但相對濕度依然低于除霜前的相對濕度，溫度高于除霜前的溫度，這主要是由于有一部分玻璃水和化霜水的混合物附著在機組翅片上造成的，并且這種現象也會有效的增長下一循環的結霜周期，有利于機組運行。

圖4為機組結霜和低冰點溶液除霜過程中室內機送風口溫濕度變化曲線，左上開始的曲線為室內機送風口處的溫度，左下開始的曲線為相對濕度曲線，從機組上一個除霜完成開始，室內機送風口溫度從上一個除霜循環結束的33℃不斷升高至37.5℃后保持穩定，相對濕度從12%緩慢下降至10%保持穩定，65min后室外機未開始除霜，室內機送風口溫度急劇下降，10min下降至23℃左右，相對濕度從10%迅速上升至33%左右，分析主要是由于室外機翅片霜層達到飽和，換熱達到臨界點，導致室內溫濕度變化較大；運行80min后機組開始除霜，室內機送風口溫度再次逐漸降低至20℃左右保持穩定，相對濕度再次逐漸上升至40%左右，分析主要是室外機翅片噴淋低玻璃水除霜，造成室外機進風口濕度增加，霜層融化，換熱空氣直接來自環境，西安地區下午17時以后的環境溫度迅速降低并低于翅片表面霜層溫度造成；雖然如此，但可以保持持續送熱風，對室內熱濕環境影響較??；

2 提出新的除霜控制策略

現有的除霜控制方法均存在除霜控制點不清晰導致出現“誤除霜”問題，因此在利用低冰點溶液進行除霜的驗證性試驗基礎上提出利用風速識別控制除霜和成像識別控制除霜的策略；

2.1 風速識別除霜控制

風速識別除霜控制的原理是：在風冷多聯機室外機翅片內側設置風速傳感器，則機組進風口的風速會隨著翅片表面霜層的厚度增大而減小，風速傳感器向除霜控制器發送風速信號，當風速傳感器的綜合風速減小到設定閾值時，到達除霜控制器所設定的除霜點時，除霜控制器向除霜系統的開關發送除霜信號，開始除霜；當除霜進行一段時間后，機組進風風速達到正常的工作速度之后，風速傳感器經檢測和綜合后的風速向除霜控制器發送風速信號，除霜控制器根據設定值判斷后發送停止除霜指令，結束除霜，進入下一循環。

2.2 成像識別除霜控制

成像識別除霜的原理是：于風冷多聯機室外機機組翅片表面設置成像傳感器，用于獲取室外機機組翅片表面結霜圖像信息，成像傳感器通過成像信號傳輸線連接有除霜控制器，除霜控制器通過除霜控制線連接于除霜系統；成像傳感器將室外機機組翅片表面結霜信息傳送至除霜控制器；除霜控制器接收成像傳感器傳遞的翅片表面結霜圖像信息，并與除霜控制器存儲單元的預設閾值對比，若超過預設閾值，除霜控制器控制除霜系統進行除霜處理，否則不進行除霜處理。

上述兩項除霜控制策略有一定的理論可靠性，但也存在缺少以實際項目驗證的缺點，也是今后一項需要完成的工作。

3 結語

綜上，利用噴淋低冰點溶液進行除霜的應用研究具有以下特點：

（1）低冰點溶液除霜較常規熱力除霜而言，不需要消耗機組本身熱能，減少機組負荷，同時具有融霜，洗滌等功能，在有效除霜的同時可以洗滌繼續翅片表面的雜物，提高機組換熱效率；

（2）利用噴淋低冰點溶液進行除霜的裝置是一套單獨的裝置，可以根據機組結霜量合理除霜，不會產生“誤除霜”現象；

（3）低冰點溶液進行空調機組的除霜，除霜周期短，除霜效果好，并有效減緩下一循環的結霜周期，機組無需停機或反轉運行，并保持室內無間斷供熱，具有很好的使用意義。

（4）融霜的前置條件是如何經濟有效地判斷除霜，已有的研究都是根據結霜的原理以及機組工況進行的研究，但是對于結霜的圖像識別以及結霜對于循環空氣影響研究較少。本文提出理論原理，為以后的研究提供基礎。

由于試驗條件及設計不足，多聯機的除霜控制及低冰點噴淋技術還需要進一步研究。

[1] 劉光磊,明月.多聯機空調技術及其設計探討[J].制冷,2011,30(3):70-75．

[2] 周鵬飛,賀群妮.多聯機空調系統運行性能的影響因素分析[J].制冷技術,2012,32(3):62-65．

[3] 朱樂琪.上海地區多聯機合理制熱規模及除霜能力研究[D].上海:同濟大學,2007:74-75．

[4] Jang Ji Young, Bae Heung Hee, Lee Seung Jun, et al. Continuous heating of an air—source heat pump during defrosting and improvement of energy efficiency[J]. Applied Energy, 2013,110:9-16.

[5] Tu Qiu, Xu Jingqing, Feng Yuhai, et al. Determination criterion of defrosting condition for variable refrigerant flow air conditioning system[J]. Energy and Buildings, 2012,48:61-70.

[6] 曲明璐,李天瑞,樊亞男,等.復疊式空氣源熱泵蓄能除霜與常規除霜特性實驗研究[J].制冷學報,2017,38(1):34-39.

[7] 王新利,熊美兵,馮明坤,等.多聯機空調器智能除霜控制研究[J].制冷,2014,(2):29-31.

[8] 萬永強.多聯機空調系統結霜分析與除霜控制策略思考[J].企業導報,2016,(13):161-161.

[9] 張杰,蘭菁,杜瑞環,等.幾種空氣源熱泵除霜方式的性能比較[J].制冷學報,2012,33(2):47-49.

[10] 姚楊,姜益強,高強.無霜空氣源熱泵系統初步實驗研究[J].建筑科學,2014,28(2):198-199.

[11] 余延順,孫成龍,孫家正,等.一種冷凍再生的溶液除霜型熱泵機組[P].CN201510218768.0，2017-05-17.

[12]孫家正,余延順.空氣源熱泵溶液除霜及冷凍再生系統[J].暖通空調,2018(2):102-106.

Study on Defrosting Application of Low-lying-point Solution on Air-cooled Multi-connection

Wang Jiqian1Di Yuhui1Feng Lu2Xu Qingsong2

( 1.Xi'an Polytechnic University, Xi'an,710600; 2.Shaanxi Construction & Installation Group limited comp, Xi'an,710048 )

Combining the conditions of temperature and humidity of air-cooled multi-line in winter conditions in Xi'an area, summarizing the features and deficiencies of existing defrost methods of multi-line air-conditioning systems, and proposing a method of defrosting and delaying defrosting in a multi-line air-conditioning system using spraying low-freezing point solution. Through tests, it has been found that the use of spraying low-freezing point solution has a good effect of defrosting, and can delay the next stage of the frosting process.

Multiple online; Low-freezing point liquid; Defrost; Put forward

TB65

A

1671-6612（2019）03-323-05

王繼前（1992.5-），男，在讀碩士研究生，主要研究多聯機的應用，E-mail：2568299176@qq.com

馮 璐（1982.5-），男，高級工程師，陜西省建筑業協會綠建專家，E-mail：59925310@qq.com

2018-05-26