低冰點(diǎn)溶液在風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)上的除霜應(yīng)用特性研究

王繼前 狄育慧 馮 璐 徐青松

低冰點(diǎn)溶液在風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)上的除霜應(yīng)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(xué) 西安 710600；2.陜西建工安裝集團(tuán)有限公司 西安 710048）

結(jié)合西安地區(qū)風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)在冬季工況下的溫濕度狀況，總結(jié)已有多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的除霜方式的特點(diǎn)和不足，提出一種利用噴淋低冰點(diǎn)溶液進(jìn)行多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)除霜及其延緩除霜的方式。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用噴淋低冰點(diǎn)溶液進(jìn)行除霜的效果良好，并可以延緩下一階段的結(jié)霜過(guò)程。

多聯(lián)機(jī)；低冰點(diǎn)溶液；除霜；提出

0 引言

多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組因具有節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行費(fèi)用低、節(jié)省空間以及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。同時(shí)也面臨著在低溫潮濕環(huán)境下供熱時(shí)室外機(jī)容易結(jié)霜，霜層的存在降低了多聯(lián)機(jī)的供熱能力的問(wèn)題[2]，朱樂(lè)琪[3]等通過(guò)模擬與實(shí)測(cè)研究了除霜周期內(nèi)的實(shí)際制熱量與除霜時(shí)間，單位室外機(jī)制熱量等的變化關(guān)系。Jang等[4]在多聯(lián)機(jī)逆循環(huán)除霜的基礎(chǔ)上，提出了分環(huán)路除霜方式。Tu等[5]認(rèn)為時(shí)間-盤(pán)管溫度法控制除霜并不適用于多聯(lián)機(jī)，應(yīng)該采用時(shí)間-盤(pán)管溫度-冷凝溫度的方法來(lái)對(duì)多聯(lián)機(jī)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(guī)復(fù)疊式空氣源熱泵低溫級(jí)熱氣旁通除霜方式對(duì)比表明蓄能除霜方法的除霜時(shí)間較旁通除霜減少71.4%～77.6%，系統(tǒng)除霜能耗降低65.1%～85.2%，機(jī)組除霜運(yùn)行更穩(wěn)定、可靠[6]；多聯(lián)機(jī)空調(diào)器智能除霜控制有利于提高多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的利用效率，減少能源浪費(fèi)，增加低溫制熱的熱舒適性[7]；美的公司闡明了多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)結(jié)霜原理，分析結(jié)霜、除霜相關(guān)因素，總結(jié)除霜控制方法，提出新型除霜控制策略[8]。

多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)常用的除霜方法有三大類(lèi)：熱力除霜、附加外場(chǎng)和廣義除霜；其中熱力除霜包括電熱除霜、逆循環(huán)除霜、熱氣旁通（顯/全熱）和蓄能除霜；附加外場(chǎng)除霜包括高壓電場(chǎng)除霜及超聲波除霜；廣義除霜包括無(wú)霜型。

眾多的除霜方式在不同的地區(qū)、不同的溫濕度環(huán)境下的適用性有所不同，有學(xué)者研究了不同除霜方式之間存在的區(qū)別[9]，詳見(jiàn)表1。

從表1可知，（1)逆循環(huán)除霜系統(tǒng)除霜時(shí)的排氣壓力較小，運(yùn)行熱氣旁通除霜模式時(shí)，排氣壓力平均值為1.30MPa，基本能滿(mǎn)足機(jī)組正常運(yùn)行需要，不會(huì)出現(xiàn)“奔油”現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的可靠性。蓄能除霜較熱氣旁通除霜模式，除霜時(shí)的排氣壓力有所增加，且比逆循環(huán)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(shí)間因四通閥不用換向，除霜熱能直接來(lái)自蓄能換熱器而大大縮短，且除霜后室內(nèi)恢復(fù)正常供熱時(shí)間較傳統(tǒng)的逆循環(huán)除霜縮短了約160s。除霜結(jié)束時(shí)室外側(cè)換熱器翅片表面溫度達(dá)30℃，比逆循環(huán)除霜和熱氣旁通霜要都要高6℃，熱氣旁通模式除霜系統(tǒng)，由于系統(tǒng)除霜的功耗全來(lái)自壓縮機(jī)的輸入功率，所以除霜時(shí)間較另外兩種除霜時(shí)間有所延長(zhǎng)。

表1 常規(guī)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(jī)組本身熱能進(jìn)行除霜的不足之處，因此我們提出利用低冰點(diǎn)溶液融霜除霜的方式，并進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)。

1 低冰點(diǎn)溶液除霜研究

1.1 低冰點(diǎn)溶液除霜原理

多聯(lián)機(jī)在冬季低溫高濕工況下運(yùn)行，當(dāng)室外換熱器表面溫度同時(shí)低于空氣的露點(diǎn)及冰點(diǎn)溫度，就會(huì)在進(jìn)風(fēng)口翅片上產(chǎn)生霜層，由于霜層的存在使得室外機(jī)換熱器與環(huán)境溫度之間的傳熱熱阻大,降低室外機(jī)換熱器吸收能量的速率，因此，如果不能及時(shí)有效地除霜,則多聯(lián)機(jī)運(yùn)行效率將會(huì)大大降低。

有學(xué)者提出無(wú)霜型空氣源熱泵[10]。通過(guò)噴淋除濕溶液對(duì)進(jìn)入室外肋片管換熱器的空氣進(jìn)行除濕，從而降低空氣的露點(diǎn)溫度，破壞結(jié)霜條件，以此達(dá)到無(wú)霜運(yùn)行；采用鹽溶液噴淋的方式對(duì)熱泵機(jī)組室外換熱器進(jìn)行除霜[11]，并運(yùn)用冷凍方式對(duì)除霜完成后的稀溶液進(jìn)行再生。該機(jī)組在除霜時(shí)不停機(jī)，仍可繼續(xù)供熱；在空氣源熱泵噴淋溶液除霜及進(jìn)行冷凍再生系統(tǒng)的研究[12]表明：（1）溶液噴淋可實(shí)現(xiàn)快速除霜并保持機(jī)組持續(xù)制熱；（2）除霜過(guò)程近似零能耗，可有效提高熱泵機(jī)組的制熱性能；

而低冰點(diǎn)溶液的共同特性是其冰點(diǎn)較低，低溫工況下不易結(jié)冰，常見(jiàn)的低冰點(diǎn)溶液有甲酸鈉，乙二醇，丙三醇，汽車(chē)玻璃水等；將低冰點(diǎn)溶液噴淋至風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)室外機(jī)結(jié)霜區(qū)域，利用低冰點(diǎn)溶液比霜層更低的冰點(diǎn)使得霜層融化，從而達(dá)到除霜的目的；并且當(dāng)?shù)捅c(diǎn)溶液與融霜水混合后會(huì)有效降低下一個(gè)循環(huán)的結(jié)霜點(diǎn)，以及能夠有效延緩結(jié)霜。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及低冰點(diǎn)溶液的選擇

如圖1所示主要設(shè)備有：空調(diào)機(jī)組室內(nèi)、外機(jī)各一臺(tái)作為測(cè)試對(duì)象；噴液器一臺(tái)及噴嘴若干作為噴淋低冰點(diǎn)溶液試驗(yàn)設(shè)備；室外機(jī)進(jìn)風(fēng)口安置UT330ABC溫濕度自動(dòng)記錄儀，記錄室外機(jī)結(jié)、除霜過(guò)程中進(jìn)風(fēng)口的溫度和相對(duì)濕度的變化曲線(xiàn)；在室內(nèi)機(jī)出風(fēng)口處安置testo Comfort Software Basic 5.0溫濕度自動(dòng)記錄儀，用于記錄室內(nèi)機(jī)結(jié)霜及除霜過(guò)程中出風(fēng)口的溫濕度變化曲線(xiàn)；

藍(lán)星汽車(chē)玻璃水溶液的冰點(diǎn)為-30℃，由一元醇、表面活性劑、緩蝕劑和去離子水構(gòu)成；具有較低的冰點(diǎn)，同時(shí)具有防靜電和清潔洗滌等特性，因此選擇為試驗(yàn)低冰點(diǎn)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(kāi)啟室內(nèi)機(jī)，調(diào)整好送風(fēng)溫度，觀察室外機(jī)結(jié)霜過(guò)程，記錄機(jī)組的結(jié)霜時(shí)間和除霜時(shí)間，拍照記錄除霜前后翅片表面的霜層狀況；當(dāng)室外機(jī)翅片上的霜層達(dá)到一定的厚度時(shí)，噴淋低冰點(diǎn)溶液進(jìn)行除霜，噴嘴對(duì)準(zhǔn)結(jié)霜區(qū)域噴淋玻璃水溶液，觀察翅片表面化霜過(guò)程。

圖1 溶液除霜設(shè)備

1.3 結(jié)霜與除霜過(guò)程及效果

圖2反應(yīng)了空調(diào)機(jī)組的結(jié)霜及低冰點(diǎn)溶液除霜過(guò)程，（a）圖為機(jī)組開(kāi)啟之前，表面干燥無(wú)雜物，開(kāi)機(jī)運(yùn)行，在一定的低溫和相對(duì)濕度的工況下，翅片表面逐漸生成霜層；（b）圖為機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間翅片表面結(jié)霜，該翅片結(jié)霜霜層較厚，左側(cè)為正常結(jié)霜現(xiàn)象，右側(cè)為結(jié)霜前噴淋了玻璃水的結(jié)霜狀態(tài)，對(duì)照顯示其結(jié)霜量顯然比正常結(jié)霜量少；（c）圖為結(jié)霜到一定程度時(shí)，用噴液器向機(jī)組翅片結(jié)霜區(qū)域噴淋玻璃水除霜，待低冰點(diǎn)溶液將結(jié)霜翅片全部潤(rùn)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(diǎn)溶液附著在翅片表面，可以有效減緩下一循環(huán)的結(jié)霜時(shí)間，增長(zhǎng)結(jié)霜周期，減少除霜次數(shù)，有助于提高室內(nèi)熱舒適性；

試驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)，機(jī)組結(jié)霜周期長(zhǎng)，而用玻璃水噴淋除霜的時(shí)間較短，平均結(jié)霜時(shí)間為100min，（c）圖噴淋時(shí)間為1min，翅片表面達(dá)到無(wú)附著溶液液滴狀態(tài)時(shí)間（d）圖為2min，即除霜時(shí)間為2min，結(jié)霜時(shí)間長(zhǎng)，除霜時(shí)間短，除霜效果好，該除霜方式不需要壓縮機(jī)停機(jī)除霜，除霜時(shí)保持無(wú)間斷向室內(nèi)供熱；

圖3 某品牌室外機(jī)結(jié)霜除霜過(guò)程

圖4 某品牌室內(nèi)機(jī)結(jié)霜除霜過(guò)程

圖3為機(jī)組結(jié)霜和玻璃水除霜過(guò)程中室外機(jī)進(jìn)風(fēng)口溫濕度變化曲線(xiàn)，圖中左下曲線(xiàn)為溫度曲線(xiàn)，左上曲線(xiàn)為濕度曲線(xiàn)，機(jī)組進(jìn)風(fēng)口溫度保持在0℃左右，機(jī)組進(jìn)風(fēng)口相對(duì)濕度處于75%左右，符合機(jī)組結(jié)霜的溫濕度工況，如圖機(jī)組運(yùn)行80min后開(kāi)始除霜，噴淋玻璃水除霜時(shí)，因?yàn)椴Ａ芸烊诨崞砻嫠獙?，并迅速被周?chē)目諝鈳ё?，使得翅片表面的相?duì)濕度有所下降，除霜時(shí)玻璃水的溫度高于環(huán)境溫度和翅片霜層的溫度，因此霜層融化后機(jī)組翅片的溫度有所降低；在85min后機(jī)組翅片相對(duì)濕度和溫度開(kāi)始趨于穩(wěn)定，但相對(duì)濕度依然低于除霜前的相對(duì)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(jī)組翅片上造成的，并且這種現(xiàn)象也會(huì)有效的增長(zhǎng)下一循環(huán)的結(jié)霜周期，有利于機(jī)組運(yùn)行。

圖4為機(jī)組結(jié)霜和低冰點(diǎn)溶液除霜過(guò)程中室內(nèi)機(jī)送風(fēng)口溫濕度變化曲線(xiàn)，左上開(kāi)始的曲線(xiàn)為室內(nèi)機(jī)送風(fēng)口處的溫度，左下開(kāi)始的曲線(xiàn)為相對(duì)濕度曲線(xiàn)，從機(jī)組上一個(gè)除霜完成開(kāi)始，室內(nèi)機(jī)送風(fēng)口溫度從上一個(gè)除霜循環(huán)結(jié)束的33℃不斷升高至37.5℃后保持穩(wěn)定，相對(duì)濕度從12%緩慢下降至10%保持穩(wěn)定，65min后室外機(jī)未開(kāi)始除霜，室內(nèi)機(jī)送風(fēng)口溫度急劇下降，10min下降至23℃左右，相對(duì)濕度從10%迅速上升至33%左右，分析主要是由于室外機(jī)翅片霜層達(dá)到飽和，換熱達(dá)到臨界點(diǎn)，導(dǎo)致室內(nèi)溫濕度變化較大；運(yùn)行80min后機(jī)組開(kāi)始除霜，室內(nèi)機(jī)送風(fēng)口溫度再次逐漸降低至20℃左右保持穩(wěn)定，相對(duì)濕度再次逐漸上升至40%左右，分析主要是室外機(jī)翅片噴淋低玻璃水除霜，造成室外機(jī)進(jìn)風(fēng)口濕度增加，霜層融化，換熱空氣直接來(lái)自環(huán)境，西安地區(qū)下午17時(shí)以后的環(huán)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(xù)送熱風(fēng)，對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境影響較?。?/p>

2 提出新的除霜控制策略

現(xiàn)有的除霜控制方法均存在除霜控制點(diǎn)不清晰導(dǎo)致出現(xiàn)“誤除霜”問(wèn)題，因此在利用低冰點(diǎn)溶液進(jìn)行除霜的驗(yàn)證性試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出利用風(fēng)速識(shí)別控制除霜和成像識(shí)別控制除霜的策略；

2.1 風(fēng)速識(shí)別除霜控制

風(fēng)速識(shí)別除霜控制的原理是：在風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)室外機(jī)翅片內(nèi)側(cè)設(shè)置風(fēng)速傳感器，則機(jī)組進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速會(huì)隨著翅片表面霜層的厚度增大而減小，風(fēng)速傳感器向除霜控制器發(fā)送風(fēng)速信號(hào)，當(dāng)風(fēng)速傳感器的綜合風(fēng)速減小到設(shè)定閾值時(shí)，到達(dá)除霜控制器所設(shè)定的除霜點(diǎn)時(shí)，除霜控制器向除霜系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)發(fā)送除霜信號(hào)，開(kāi)始除霜；當(dāng)除霜進(jìn)行一段時(shí)間后，機(jī)組進(jìn)風(fēng)風(fēng)速達(dá)到正常的工作速度之后，風(fēng)速傳感器經(jīng)檢測(cè)和綜合后的風(fēng)速向除霜控制器發(fā)送風(fēng)速信號(hào)，除霜控制器根據(jù)設(shè)定值判斷后發(fā)送停止除霜指令，結(jié)束除霜，進(jìn)入下一循環(huán)。

2.2 成像識(shí)別除霜控制

成像識(shí)別除霜的原理是：于風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)室外機(jī)機(jī)組翅片表面設(shè)置成像傳感器，用于獲取室外機(jī)機(jī)組翅片表面結(jié)霜圖像信息，成像傳感器通過(guò)成像信號(hào)傳輸線(xiàn)連接有除霜控制器，除霜控制器通過(guò)除霜控制線(xiàn)連接于除霜系統(tǒng)；成像傳感器將室外機(jī)機(jī)組翅片表面結(jié)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(jié)霜圖像信息，并與除霜控制器存儲(chǔ)單元的預(yù)設(shè)閾值對(duì)比，若超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，除霜控制器控制除霜系統(tǒng)進(jìn)行除霜處理，否則不進(jìn)行除霜處理。

上述兩項(xiàng)除霜控制策略有一定的理論可靠性，但也存在缺少以實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證的缺點(diǎn)，也是今后一項(xiàng)需要完成的工作。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，利用噴淋低冰點(diǎn)溶液進(jìn)行除霜的應(yīng)用研究具有以下特點(diǎn)：

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

（2）利用噴淋低冰點(diǎn)溶液進(jìn)行除霜的裝置是一套單獨(dú)的裝置，可以根據(jù)機(jī)組結(jié)霜量合理除霜，不會(huì)產(chǎn)生“誤除霜”現(xiàn)象；

（3）低冰點(diǎn)溶液進(jìn)行空調(diào)機(jī)組的除霜，除霜周期短，除霜效果好，并有效減緩下一循環(huán)的結(jié)霜周期，機(jī)組無(wú)需停機(jī)或反轉(zhuǎn)運(yùn)行，并保持室內(nèi)無(wú)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(jīng)濟(jì)有效地判斷除霜，已有的研究都是根據(jù)結(jié)霜的原理以及機(jī)組工況進(jìn)行的研究，但是對(duì)于結(jié)霜的圖像識(shí)別以及結(jié)霜對(duì)于循環(huán)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(chǔ)。

由于試驗(yàn)條件及設(shè)計(jì)不足，多聯(lián)機(jī)的除霜控制及低冰點(diǎn)噴淋技術(shù)還需要進(jìn)一步研究。

[1] 劉光磊,明月.多聯(lián)機(jī)空調(diào)技術(shù)及其設(shè)計(jì)探討[J].制冷,2011,30(3):70-75．

[2] 周鵬飛,賀群妮.多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響因素分析[J].制冷技術(shù),2012,32(3):62-65．

[3] 朱樂(lè)琪.上海地區(qū)多聯(lián)機(jī)合理制熱規(guī)模及除霜能力研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),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(fù)疊式空氣源熱泵蓄能除霜與常規(guī)除霜特性實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào),2017,38(1):34-39.

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

[8] 萬(wàn)永強(qiáng).多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)結(jié)霜分析與除霜控制策略思考[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào),2016,(13):161-161.

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

[10] 姚楊,姜益強(qiáng),高強(qiáng).無(wú)霜空氣源熱泵系統(tǒng)初步實(shí)驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué),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(jī)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(tǒng)[J].暖通空調(diào),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(lián)機(jī)的應(yīng)用，E-mail：2568299176@qq.com

馮 璐（1982.5-），男，高級(jí)工程師，陜西省建筑業(yè)協(xié)會(huì)綠建專(zhuān)家，E-mail：59925310@qq.com

2018-05-26