空調(diào)除霜專利技術(shù)綜述

劉懷濤 張旭

國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局材料工程發(fā)明審查部暖通一處 北京 100088

1 引言

近年來，隨著生活水平的提高，空調(diào)已經(jīng)進(jìn)入了千千萬萬的普通百姓家庭，成為使用最為頻繁的家用電器之一。但是，在實(shí)際使用過程中，特別是在溫度偏低并且相對(duì)濕度較大的地區(qū)使用時(shí)，空調(diào)室外換熱器的表面會(huì)產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致空調(diào)機(jī)組的制熱效果惡化。

空調(diào)室外機(jī)結(jié)霜的主要原因是在低溫工況下制熱運(yùn)行時(shí)，隨著室外環(huán)境溫度的下降，室外機(jī)換熱器表面的溫度降低到空氣露點(diǎn)溫度以下并且低于0℃，此時(shí)空氣中的水蒸氣在室外機(jī)換熱器表面凝結(jié)成霜，時(shí)間長了霜層逐漸加厚，將會(huì)影響換熱器的正常工作。

空調(diào)室外機(jī)結(jié)霜的主要影響包括以下幾點(diǎn)：

第一，結(jié)霜會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器的空氣阻力增大，進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)溫度降低、風(fēng)機(jī)電流加大，使得空調(diào)的制熱性能下降；

第二，隨著霜層的繼續(xù)增厚，壓縮機(jī)排氣溫度隨著壓縮比的增大而不斷提高，當(dāng)溫度超過防止過熱的上限值時(shí)，壓縮機(jī)進(jìn)入停機(jī)保護(hù)狀態(tài)，機(jī)組無法正常工作；

第三，如果壓縮機(jī)的排氣溫度長期處于高溫狀態(tài)，則會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)長期過熱運(yùn)行，影響壓縮機(jī)的使用壽命。

目前，在解決空調(diào)結(jié)霜的問題上，業(yè)內(nèi)已經(jīng)提出了許多切實(shí)有效的措施，本文采用中國專利文摘深加工數(shù)據(jù)庫（CNABS）、德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫（WPI）以及歐洲專利局專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫（EPODOC），分別對(duì)國內(nèi)專利申請(qǐng)和其他區(qū)域?qū)＠暾?qǐng)進(jìn)行檢索總結(jié)，現(xiàn)從除霜方法和控制方法等方面予以介紹。

2 除霜方法

2.1 電加熱除霜法

電加熱除霜是在空調(diào)室外機(jī)換熱器上設(shè)置電加熱裝置，利用電加熱裝置提供除霜的熱量。常用的電加熱裝置包括電熱阻絲、電熱管、電熱膜等（可參見公開號(hào)為CN104089443A所公開的內(nèi)容）。電加熱除霜的結(jié)構(gòu)簡單，化霜徹底，在小型的空調(diào)裝置上得到了廣泛的應(yīng)用。但是電加熱除霜的耗電量大，效率低，不適合在大型空調(diào)裝置上使用。

2.2 淋水除霜法

淋水除霜是通過淋水裝置向換熱器的表面淋水，利用水的熱量將換熱器表面的霜融化掉（可參見公開號(hào)為CN203336739U所公開的內(nèi)容）。蒸發(fā)溫度在40℃以上的翅片管換熱器都可以用回水進(jìn)行噴淋除霜，蒸發(fā)溫度低于40℃的空調(diào)大多采用不凍液進(jìn)行噴淋除霜。淋水除霜的效率低，能耗大，并且易造成水污染，不適合在中大型的空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用。

2.3 電場(chǎng)除霜法

電場(chǎng)除霜是在空調(diào)室外換熱器上施加一個(gè)電場(chǎng)，利用電場(chǎng)力的作用抑制霜層的形成和增長（可參見公開號(hào)為CN203336886U所公開的內(nèi)容）。除了結(jié)霜過程中的抑制作用以外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施加電場(chǎng)還能影響霜晶的結(jié)構(gòu)，使得霜晶變得容易折斷，從而使霜在凝結(jié)過程中就從室外換熱器的表面脫落，達(dá)到除霜的目的。目前直流電場(chǎng)和交流電場(chǎng)都能夠用來提供這種外加電場(chǎng)，對(duì)空調(diào)除霜具有一定的效果。

2.4 四通閥換向除霜法

不同于電加熱除霜和淋水除霜這種從換熱器外部進(jìn)行除霜的方式，四通閥換向除霜是利用空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部制冷劑的熱量進(jìn)行除霜的技術(shù)（可參見公開號(hào)為CN102141330A所公開的內(nèi)容）。通過四通閥的換向，使壓縮機(jī)排出的高溫制冷劑蒸汽逆循環(huán)運(yùn)行，直接進(jìn)入室外換熱器內(nèi)部，使室外換熱器的溫度升高，從而使其表面的霜層融化。四通閥換向除霜不需要在系統(tǒng)中增加額外的加熱裝置，能耗小，化霜方式簡單。但是在四通閥換向的過程中，會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)的吸氣壓力和排氣壓力劇烈變化，這種壓力的劇烈變化會(huì)導(dǎo)致機(jī)組內(nèi)部受到較大的機(jī)械沖擊，當(dāng)除霜結(jié)束恢復(fù)正常制熱運(yùn)行時(shí)，容易導(dǎo)致較長時(shí)間無法吹出熱風(fēng)的問題。

為了減緩四通閥換向除霜造成的壓縮機(jī)吸氣壓力和排氣壓力的劇烈變化，減小這種壓力的劇烈變化所造成的機(jī)械沖擊，有學(xué)者提出在四通閥換向除霜結(jié)束前啟動(dòng)室外風(fēng)機(jī)，實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)提前20秒啟動(dòng)風(fēng)機(jī)能有效減小空調(diào)機(jī)組在除霜過程中受到的機(jī)械沖擊。

2.5 旁通除霜法

旁通除霜法是在常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)中增加一條旁通支路，在空調(diào)系統(tǒng)制熱運(yùn)行過程中，按照一定的時(shí)間間隔將壓縮機(jī)排出的一部分高溫制冷劑蒸汽引入到空調(diào)室外機(jī)換熱器的內(nèi)部，高溫的制冷劑蒸汽提高了空調(diào)室外機(jī)換熱器的溫度，從而可以起到延緩室外機(jī)換熱器結(jié)霜的作用（可參見公開號(hào)為CN101532705A所公開的內(nèi)容）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旁通的高溫制冷劑蒸汽的速度為整體制冷劑流速的20%時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)的制熱效率COP值提高5.7%至8.5%。但是旁通除霜由于使壓縮機(jī)排出的一部分高溫制冷劑蒸汽通過旁通支路進(jìn)入室外機(jī)換熱器，使得參與制熱的制冷劑流量減少，造成除霜時(shí)空調(diào)系統(tǒng)熱量不足，供熱不穩(wěn)定的問題。

2.6 相變蓄能除霜法

相變蓄能除霜法是在空調(diào)系統(tǒng)中增加相變蓄能裝置，這種相變蓄能裝置將空調(diào)機(jī)組平時(shí)高效運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量儲(chǔ)存起來，當(dāng)需要除霜的時(shí)候，將相變蓄能裝置儲(chǔ)存熱量釋放到部分制冷劑中，使吸收了相變蓄能裝置儲(chǔ)存熱量的制冷劑進(jìn)入空調(diào)室外機(jī)換熱器內(nèi)部，作為除霜運(yùn)行的低溫?zé)嵩?，提高空調(diào)室外機(jī)換熱器的溫度，進(jìn)而達(dá)到除霜的目的（可參見公開號(hào)為CN101413744A所公開的內(nèi)容）。這種相變蓄能除霜法不需要切換四通閥，因此不會(huì)造成壓縮機(jī)的吸氣壓力和排氣壓力劇烈變化，可以解決熱氣旁通除霜時(shí)熱量不足和供熱不穩(wěn)定的問題。但是相變蓄能除霜由于需要改造常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)，加入相變蓄能裝置，造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了投資成本。

2.7 混合除霜法

混合除霜法是采用兩種或兩種以上的除霜方法混合運(yùn)行，這種方法能夠綜合多種除霜方法的優(yōu)點(diǎn)，克服單獨(dú)一種除霜方法的不足，提高除霜效果。常見的混合除霜法包括電加熱和旁通混合除霜法、電加熱和四通閥換向混合除霜法。

電加熱和旁通混合除霜法是采用電加熱除霜和旁通除霜聯(lián)合運(yùn)行的除霜方法（可參見公開號(hào)為CN203964177U所公開的內(nèi)容）。由于旁通除霜會(huì)造成空調(diào)系統(tǒng)熱量不足，供熱不穩(wěn)定，當(dāng)熱量不足時(shí)采用電加熱輔助除霜，可以保證有足夠的制冷劑參與空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行。

電加熱和四通閥換向混合除霜法是采用電加熱除霜和四通閥換向除霜聯(lián)合運(yùn)行的除霜方法。通過在壓縮機(jī)的入口設(shè)置電加熱裝置，提高制冷劑的溫度，在制熱狀態(tài)下抑制霜層的形成，當(dāng)室外溫度較低的時(shí)候，使四通閥換向，同時(shí)開啟電加熱裝置，提高制冷劑的溫度，避免系統(tǒng)內(nèi)制冷劑壓力的劇烈波動(dòng)。

2.8 除霜方法小結(jié)

以上對(duì)現(xiàn)有的除霜方法進(jìn)行了梳理，有些除霜方法使用比較廣泛，比如電加熱除霜法、淋水除霜法、四通閥換向除霜法等，這些除霜方法一般結(jié)構(gòu)比較簡單，不需要對(duì)空調(diào)系統(tǒng)做大的改動(dòng)，使用起來穩(wěn)定性強(qiáng)，因此被普遍采用。但這些除霜方法存在的缺點(diǎn)也比較明顯，比如耗能高、除霜效率低、不適合在中大型的空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用等。其它一些除霜方法，比如旁通除霜法、相變蓄能除霜法、混合除霜法等，其除霜效果較為理想，但隨之帶來的問題就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增加多種傳感器、支路、蓄能裝置等，這必然會(huì)增加投資成本，系統(tǒng)復(fù)雜就會(huì)使穩(wěn)定性減弱，維護(hù)成本相應(yīng)提高。

3 控制方法

除了除霜方法以外，確定什么時(shí)間除霜也是空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，選擇最佳的除霜時(shí)機(jī)對(duì)空調(diào)的運(yùn)行至關(guān)重要，常見的除霜控制方法主要有以下幾種：

3.1 按時(shí)除霜控制法

按時(shí)除霜控制法是最簡單的除霜控制方法，即不管外界環(huán)境條件如何變化，空調(diào)系統(tǒng)始終按照預(yù)定的時(shí)間進(jìn)行除霜，只要到達(dá)設(shè)定的除霜時(shí)間，不管有沒有霜以及霜層有多厚，系統(tǒng)都會(huì)切換到除霜狀態(tài)運(yùn)行（可參見公開號(hào)為CN107461962A所公開的內(nèi)容）。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單，不需要額外的檢測(cè)手段，也不需要控制系統(tǒng)做過多的運(yùn)算，僅靠定時(shí)器就能控制除霜系統(tǒng)運(yùn)行。

但是由于預(yù)定的除霜條件通常都是按照最差工況設(shè)定的，并且加入了一定的余量，也就是說到達(dá)設(shè)定的時(shí)間時(shí)，室外機(jī)換熱器的實(shí)際狀態(tài)不一定需要除霜，這時(shí)開啟除霜系統(tǒng)工作，不僅會(huì)造成能源浪費(fèi)，還會(huì)影響空調(diào)系統(tǒng)的工作效率，嚴(yán)重的還會(huì)影響使用空調(diào)房間的舒適度。

3.2 時(shí)間-溫度控制法

時(shí)間-溫度控制法是在按時(shí)除霜控制法的基礎(chǔ)上考慮了溫度的因素，特別是蒸發(fā)器的盤管溫度或者室外環(huán)境溫度。當(dāng)檢測(cè)到蒸發(fā)器的盤管溫度達(dá)到設(shè)定值并且達(dá)到設(shè)定的除霜時(shí)間時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)立即開始進(jìn)入除霜模式（可參見公開號(hào)為CN106152643A所公開的內(nèi)容）。也就是說，與傳統(tǒng)的按時(shí)除霜控制法不同，時(shí)間-溫度控制法需要滿足溫度和時(shí)間兩個(gè)條件，才開啟除霜模式。這就在一定程度上避免了傳統(tǒng)的按時(shí)除霜控制法在不需要除霜時(shí)開啟除霜系統(tǒng)工作造成的能源浪費(fèi)問題。

但是由于空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際的工作環(huán)境不同，例如有的地區(qū)空氣相對(duì)濕度小，即使蒸發(fā)器的盤管溫度達(dá)到設(shè)定值，空調(diào)室外機(jī)的換熱器表面仍然只有很少的霜，不需要進(jìn)入除霜模式。還有的地區(qū)雖然室外環(huán)境溫度不太低，但是相對(duì)濕度較大，此時(shí)雖然檢測(cè)到的蒸發(fā)器盤管溫度沒有達(dá)到預(yù)定值，但是實(shí)際上室外機(jī)換熱器表面已經(jīng)形成了很厚的霜層，此時(shí)系統(tǒng)不進(jìn)入除霜模式會(huì)造成系統(tǒng)運(yùn)行效率下降，工作條件急劇惡化。

由此可見，時(shí)間-溫度控制法雖然比傳統(tǒng)的按時(shí)除霜控制法有所進(jìn)步，但是仍有不足，無法很好地適應(yīng)各種不同的工作環(huán)境。

3.3 空氣阻力控制法

空氣阻力控制法的原理是利用結(jié)霜造成空調(diào)室外機(jī)換熱器空氣阻力增加的特性，通過檢測(cè)空調(diào)室外機(jī)換熱器兩側(cè)的空氣壓差，判斷是否需要除霜?？照{(diào)室外機(jī)換熱器表面上的霜層厚度與空調(diào)室外機(jī)換熱器兩側(cè)的空氣壓差具有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，當(dāng)檢測(cè)到空調(diào)室外機(jī)換熱器兩側(cè)的空氣壓差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入除霜模式。除霜過程中，持續(xù)檢測(cè)空調(diào)室外機(jī)換熱器兩側(cè)的空氣壓差，當(dāng)空氣壓差大于設(shè)定值時(shí)，表面霜已經(jīng)被除去，此時(shí)控制空調(diào)系統(tǒng)結(jié)束除霜模式（可參見公開號(hào)為CN104930638A所公開的內(nèi)容）。

空氣阻力控制法的主要問題在于空氣壓差的檢測(cè)手段受到很多環(huán)境因素的影響，例如室外風(fēng)速、空調(diào)室外機(jī)換熱器是否被雜物灰塵堵塞等，這些因素都會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)誤判，可靠性不高。

3.4 溫差控制法

溫差控制法是利用蒸發(fā)器溫度與大氣溫度的溫差，作為判斷是否進(jìn)入除霜模式的依據(jù)。當(dāng)空調(diào)室外機(jī)換熱器表面霜層厚度達(dá)到一定值時(shí)，蒸發(fā)器溫度與大氣溫度的溫差會(huì)增加，根據(jù)這一溫差的變化值，可以作為是否除霜的判定條件（可參見公開號(hào)為CN106152643A所公開的內(nèi)容）。但是蒸發(fā)器溫度受到多個(gè)因素的影響，僅僅依靠蒸發(fā)器溫度與大氣溫度的溫差仍然會(huì)有誤判的風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 光電控制法

光電控制法是利用光電傳感器直接檢測(cè)結(jié)霜是否達(dá)到設(shè)定的厚度閾值，當(dāng)霜層厚度達(dá)到設(shè)定的厚度閾值時(shí)，會(huì)擋住光電傳感器的光源，造成相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓和電流變化，根據(jù)這種電信號(hào)的變化判斷是否應(yīng)該進(jìn)入除霜模式（可參見公開號(hào)為CN101634509A所公開的內(nèi)容）。

光電控制法由于直接檢測(cè)霜層厚度，準(zhǔn)確性大大提高，但是由于這種檢測(cè)手段往往需要用到穩(wěn)定的高增益放大器，相關(guān)的傳感器成本過高，難以在實(shí)際應(yīng)用中推廣。

3.6 電容探測(cè)控制法

電容探測(cè)控制法是與光電控制法類似的控制方法，不同之處在于電容探測(cè)控制法是用安裝在空調(diào)室外機(jī)換熱器中的電容探測(cè)器檢測(cè)霜層厚度，當(dāng)霜層達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)改變電容探測(cè)器的介電常數(shù)，從而根據(jù)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓和電流變化，判斷是否應(yīng)該進(jìn)入除霜模式（可參見公開號(hào)為CN104019594A所公開的內(nèi)容）。

與光電控制法類似，電容探測(cè)控制法也是受限于傳感器的成本，難以在實(shí)際應(yīng)用中推廣。

3.7 最大平均供熱量控制法

最大平均供熱量控制法是當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)處于低溫工況下的制熱狀態(tài)時(shí)，以空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的最大供熱量為目標(biāo)，通過相關(guān)的數(shù)據(jù)采集后，計(jì)算出實(shí)際的平均供熱量，然后通過供熱量的實(shí)際測(cè)量值與理論值的比例關(guān)系來確定最佳的除霜時(shí)機(jī)（可參見公開號(hào)為CN103940161A所公開的內(nèi)容）。

最大平均供熱量控制法目前還僅處于理論研究階段，有學(xué)者指出，這種方法目前在實(shí)際操作中難以實(shí)現(xiàn)。

3.8 模糊控制法

模糊控制法是利用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能除霜。模糊控制技術(shù)是一種以模糊集合、模糊語言變量以及模糊推理為基礎(chǔ)的控制方法，通過模仿人腦的思維和學(xué)習(xí)能力，根據(jù)專家或操作人員的相關(guān)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，作出相應(yīng)的處理和控制。模糊控制法通過對(duì)除霜過程中室外換熱器溫度等狀態(tài)變換的檢測(cè)，對(duì)上一次控制量進(jìn)行相應(yīng)的修正，使除霜控制在一定程度上適應(yīng)環(huán)境參數(shù)的變化，達(dá)到智能除霜的目的（可參見公開號(hào)為CN102721172A所公開的內(nèi)容）。

3.9 除霜控制方法小結(jié)

按時(shí)除霜控制法無疑是最簡單的除霜控制方法，其按設(shè)定的除霜時(shí)間進(jìn)行除霜。時(shí)間-溫度控制法在按時(shí)除霜控制法的基礎(chǔ)上考慮了溫度的因素，有了一定的改進(jìn)。通過檢測(cè)空調(diào)室外機(jī)換熱器兩側(cè)的空氣壓差，或檢測(cè)蒸發(fā)器溫度與大氣溫度的溫差，進(jìn)而衍生出了空氣阻力控制法和溫差控制法。上述除霜控制方法原理簡單，但存在判斷精度不夠的缺點(diǎn)，要么是在不需要除霜的時(shí)候啟動(dòng)除霜，要么是除霜滯后，有的還存在誤判的風(fēng)險(xiǎn)，這些不足會(huì)導(dǎo)致能源浪費(fèi)，系統(tǒng)運(yùn)行效率下降。為了提高判斷精度，使用光電傳感器和電容探測(cè)器的控制方法也已出現(xiàn)，但由于這些傳感器成本過高，難以在實(shí)際應(yīng)用中推廣。最大平均供熱量控制法和模糊控制法目前處在發(fā)展階段，有待于技術(shù)人員的進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)語

空調(diào)作為能耗較大的家用電器，如果因?yàn)槌患皶r(shí)或者頻繁誤除霜造成能源浪費(fèi)，對(duì)國家和生產(chǎn)廠家來說都是一場(chǎng)巨大的損失，也會(huì)影響用戶的使用體驗(yàn)。因此，空調(diào)除霜問題應(yīng)該引起產(chǎn)業(yè)界的足夠重視，才能實(shí)現(xiàn)空調(diào)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。