熱泵型空調額定制熱室外換熱器結霜原因分析

　　近幾年來，空氣熱泵空調備受市場關注和歡迎。但空氣熱泵空調也存在不足：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(huán)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。

　　本文我們將通過對變頻空氣能熱泵空調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(xù)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(huán)境極易出現結霜現象，而且結霜過程極其復雜，涉及到環(huán)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，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(fā)，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

　　GB/T7725-2004《房間空氣調節(jié)器》第 5.1.2 條規(guī)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；

　　GB/T7725-2004《房間空氣調節(jié)器》第 5.2.4 規(guī)定：

　　熱泵的實測制熱量不應小于熱泵額定制熱量的 95 %”，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(guī)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(tǒng)配置表 1 所示， 室外換 熱器結霜現象如圖 1 所示。

　　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(huán)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(tǒng)內制冷劑在蒸發(fā)側的流量不足。當制冷劑不足時，蒸發(fā)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(fā)現低于正常壓力，換熱器低壓側壓力低于正常壓力，蒸發(fā)溫度會降低并在表面局部結霜甚至出現冰層。

　　主要對策：

　　減短毛細管或增加制冷劑以增大系統(tǒng)流量。

　　2.1.2 制冷劑循環(huán)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(tǒng)內制冷劑流量太大，制冷劑蒸發(fā)不完全導致換熱器結霜。

　　主要對策：

　?、偌娱L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）。

　?、?a href="http://wsjbr.cn" target="_blank" class="keylink">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。

　?、芨睦淠髯吖埽岣邠Q熱器的換熱效率。

　?、菁哟笫彝鈾C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(fā)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(fā)壓力和蒸發(fā)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(fā)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(fā)不完全導致室外機換熱器結霜。

　　根據以上分析，制定三種驗證方案：

　?、偌哟笫彝怙L機轉速；

　?、跍p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(yōu)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(yōu)化流路后，各流路出口溫度分別為 1.8 ℃、1.5 ℃和 2.2 ℃，連續(xù)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(fā)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。室外換熱優(yōu)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(fā)要求。

　　3、結論與建議

　　1）對于額定制熱實驗過程中，如果發(fā)現室外換熱器進出口溫度小于 1 ℃，建議工況穩(wěn)定后運行 3 h 再記錄測試數據；如果測試過程中發(fā)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(tǒng)內制冷劑在蒸發(fā)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(tǒng)流量太大，導致制冷劑蒸發(fā)不完全。

　　3）如果是室外換熱器制冷劑蒸發(fā)不完全導致結霜，通過提升外機轉速，提高室外換熱器蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)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。