空調除霜專利技術綜述

劉懷濤 張旭

國家知識產權局專利局材料工程發明審查部暖通一處 北京 100088

1 引言

近年來，隨著生活水平的提高，空調已經進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，在實際使用過程中，特別是在溫度偏低并且相對濕度較大的地區使用時，空調室外換熱器的表面會產生結霜現象，進而導致空調機組的制熱效果惡化。

空調室外機結霜的主要原因是在低溫工況下制熱運行時，隨著室外環境溫度的下降，室外機換熱器表面的溫度降低到空氣露點溫度以下并且低于0℃，此時空氣中的水蒸氣在室外機換熱器表面凝結成霜，時間長了霜層逐漸加厚，將會影響換熱器的正常工作。

空調室外機結霜的主要影響包括以下幾點：

第一，結霜會導致換熱器的空氣阻力增大，進而導致蒸發溫度降低、風機電流加大，使得空調的制熱性能下降；

第二，隨著霜層的繼續增厚，壓縮機排氣溫度隨著壓縮比的增大而不斷提高，當溫度超過防止過熱的上限值時，壓縮機進入停機保護狀態，機組無法正常工作；

第三，如果壓縮機的排氣溫度長期處于高溫狀態，則會導致壓縮機長期過熱運行，影響壓縮機的使用壽命。

目前，在解決空調結霜的問題上，業內已經提出了許多切實有效的措施，本文采用中國專利文摘深加工數據庫（CNABS）、德溫特世界專利索引數據庫（WPI）以及歐洲專利局專利文獻數據庫（EPODOC），分別對國內專利申請和其他區域專利申請進行檢索總結，現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室外機換熱器上設置電加熱裝置，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（可參見公開號為CN104089443A所公開的內容）。電加熱除霜的結構簡單，化霜徹底，在小型的空調裝置上得到了廣泛的應用。但是電加熱除霜的耗電量大，效率低，不適合在大型空調裝置上使用。

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（可參見公開號為CN203336739U所公開的內容）。蒸發溫度在40℃以上的翅片管換熱器都可以用回水進行噴淋除霜，蒸發溫度低于40℃的空調大多采用不凍液進行噴淋除霜。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系統中應用。

2.3 電場除霜法

電場除霜是在空調室外換熱器上施加一個電場，利用電場力的作用抑制霜層的形成和增長（可參見公開號為CN203336886U所公開的內容）。除了結霜過程中的抑制作用以外，實驗結果表明，施加電場還能影響霜晶的結構，使得霜晶變得容易折斷，從而使霜在凝結過程中就從室外換熱器的表面脫落，達到除霜的目的。目前直流電場和交流電場都能夠用來提供這種外加電場，對空調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行除霜的方式，四通閥換向除霜是利用空調系統內部制冷劑的熱量進行除霜的技術（可參見公開號為CN102141330A所公開的內容）。通過四通閥的換向，使壓縮機排出的高溫制冷劑蒸汽逆循環運行，直接進入室外換熱器內部，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，會出現壓縮機的吸氣壓力和排氣壓力劇烈變化，這種壓力的劇烈變化會導致機組內部受到較大的機械沖擊，當除霜結束恢復正常制熱運行時，容易導致較長時間無法吹出熱風的問題。

為了減緩四通閥換向除霜造成的壓縮機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械沖擊，有學者提出在四通閥換向除霜結束前啟動室外風機，實驗分析發現提前20秒啟動風機能有效減小空調機組在除霜過程中受到的機械沖擊。

2.5 旁通除霜法

旁通除霜法是在常規的空調系統中增加一條旁通支路，在空調系統制熱運行過程中，按照一定的時間間隔將壓縮機排出的一部分高溫制冷劑蒸汽引入到空調室外機換熱器的內部，高溫的制冷劑蒸汽提高了空調室外機換熱器的溫度，從而可以起到延緩室外機換熱器結霜的作用（可參見公開號為CN101532705A所公開的內容）。實驗發現，當旁通的高溫制冷劑蒸汽的速度為整體制冷劑流速的20%時，空調系統的制熱效率COP值提高5.7%至8.5%。但是旁通除霜由于使壓縮機排出的一部分高溫制冷劑蒸汽通過旁通支路進入室外機換熱器，使得參與制熱的制冷劑流量減少，造成除霜時空調系統熱量不足，供熱不穩定的問題。

2.6 相變蓄能除霜法

相變蓄能除霜法是在空調系統中增加相變蓄能裝置，這種相變蓄能裝置將空調機組平時高效運行時產生的熱量儲存起來，當需要除霜的時候，將相變蓄能裝置儲存熱量釋放到部分制冷劑中，使吸收了相變蓄能裝置儲存熱量的制冷劑進入空調室外機換熱器內部，作為除霜運行的低溫熱源，提高空調室外機換熱器的溫度，進而達到除霜的目的（可參見公開號為CN101413744A所公開的內容）。這種相變蓄能除霜法不需要切換四通閥，因此不會造成壓縮機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熱量不足和供熱不穩定的問題。但是相變蓄能除霜由于需要改造常規的空調系統，加入相變蓄能裝置，造成系統結構復雜，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行，這種方法能夠綜合多種除霜方法的優點，克服單獨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合運行的除霜方法（可參見公開號為CN203964177U所公開的內容）。由于旁通除霜會造成空調系統熱量不足，供熱不穩定，當熱量不足時采用電加熱輔助除霜，可以保證有足夠的制冷劑參與空調系統運行。

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合運行的除霜方法。通過在壓縮機的入口設置電加熱裝置，提高制冷劑的溫度，在制熱狀態下抑制霜層的形成，當室外溫度較低的時候，使四通閥換向，同時開啟電加熱裝置，提高制冷劑的溫度，避免系統內制冷劑壓力的劇烈波動。

2.8 除霜方法小結

以上對現有的除霜方法進行了梳理，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構比較簡單，不需要對空調系統做大的改動，使用起來穩定性強，因此被普遍采用。但這些除霜方法存在的缺點也比較明顯，比如耗能高、除霜效率低、不適合在中大型的空調系統中應用等。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構復雜，需要對系統進行改進，增加多種傳感器、支路、蓄能裝置等，這必然會增加投資成本，系統復雜就會使穩定性減弱，維護成本相應提高。

3 控制方法

除了除霜方法以外，確定什么時間除霜也是空調系統正常運行的關鍵技術，選擇最佳的除霜時機對空調的運行至關重要，常見的除霜控制方法主要有以下幾種：

3.1 按時除霜控制法

按時除霜控制法是最簡單的除霜控制方法，即不管外界環境條件如何變化，空調系統始終按照預定的時間進行除霜，只要到達設定的除霜時間，不管有沒有霜以及霜層有多厚，系統都會切換到除霜狀態運行（可參見公開號為CN107461962A所公開的內容）。這種控制方法的優點是簡單，不需要額外的檢測手段，也不需要控制系統做過多的運算，僅靠定時器就能控制除霜系統運行。

但是由于預定的除霜條件通常都是按照最差工況設定的，并且加入了一定的余量，也就是說到達設定的時間時，室外機換熱器的實際狀態不一定需要除霜，這時開啟除霜系統工作，不僅會造成能源浪費，還會影響空調系統的工作效率，嚴重的還會影響使用空調房間的舒適度。

3.2 時間-溫度控制法

時間-溫度控制法是在按時除霜控制法的基礎上考慮了溫度的因素，特別是蒸發器的盤管溫度或者室外環境溫度。當檢測到蒸發器的盤管溫度達到設定值并且達到設定的除霜時間時，空調系統立即開始進入除霜模式（可參見公開號為CN106152643A所公開的內容）。也就是說，與傳統的按時除霜控制法不同，時間-溫度控制法需要滿足溫度和時間兩個條件，才開啟除霜模式。這就在一定程度上避免了傳統的按時除霜控制法在不需要除霜時開啟除霜系統工作造成的能源浪費問題。

但是由于空調系統實際的工作環境不同，例如有的地區空氣相對濕度小，即使蒸發器的盤管溫度達到設定值，空調室外機的換熱器表面仍然只有很少的霜，不需要進入除霜模式。還有的地區雖然室外環境溫度不太低，但是相對濕度較大，此時雖然檢測到的蒸發器盤管溫度沒有達到預定值，但是實際上室外機換熱器表面已經形成了很厚的霜層，此時系統不進入除霜模式會造成系統運行效率下降，工作條件急劇惡化。

由此可見，時間-溫度控制法雖然比傳統的按時除霜控制法有所進步，但是仍有不足，無法很好地適應各種不同的工作環境。

3.3 空氣阻力控制法

空氣阻力控制法的原理是利用結霜造成空調室外機換熱器空氣阻力增加的特性，通過檢測空調室外機換熱器兩側的空氣壓差，判斷是否需要除霜。空調室外機換熱器表面上的霜層厚度與空調室外機換熱器兩側的空氣壓差具有一定的數學關系，當檢測到空調室外機換熱器兩側的空氣壓差達到設定值時，控制空調系統進入除霜模式。除霜過程中，持續檢測空調室外機換熱器兩側的空氣壓差，當空氣壓差大于設定值時，表面霜已經被除去，此時控制空調系統結束除霜模式（可參見公開號為CN104930638A所公開的內容）。

空氣阻力控制法的主要問題在于空氣壓差的檢測手段受到很多環境因素的影響，例如室外風速、空調室外機換熱器是否被雜物灰塵堵塞等，這些因素都會導致檢測結果不準確，進而導致系統出現誤判，可靠性不高。

3.4 溫差控制法

溫差控制法是利用蒸發器溫度與大氣溫度的溫差，作為判斷是否進入除霜模式的依據。當空調室外機換熱器表面霜層厚度達到一定值時，蒸發器溫度與大氣溫度的溫差會增加，根據這一溫差的變化值，可以作為是否除霜的判定條件（可參見公開號為CN106152643A所公開的內容）。但是蒸發器溫度受到多個因素的影響，僅僅依靠蒸發器溫度與大氣溫度的溫差仍然會有誤判的風險。

3.5 光電控制法

光電控制法是利用光電傳感器直接檢測結霜是否達到設定的厚度閾值，當霜層厚度達到設定的厚度閾值時，會擋住光電傳感器的光源，造成相應的轉換電路的輸出電壓和電流變化，根據這種電信號的變化判斷是否應該進入除霜模式（可參見公開號為CN101634509A所公開的內容）。

光電控制法由于直接檢測霜層厚度，準確性大大提高，但是由于這種檢測手段往往需要用到穩定的高增益放大器，相關的傳感器成本過高，難以在實際應用中推廣。

3.6 電容探測控制法

電容探測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控制法是用安裝在空調室外機換熱器中的電容探測器檢測霜層厚度，當霜層達到一定值時，會改變電容探測器的介電常數，從而根據相應的轉換電路的輸出電壓和電流變化，判斷是否應該進入除霜模式（可參見公開號為CN104019594A所公開的內容）。

與光電控制法類似，電容探測控制法也是受限于傳感器的成本，難以在實際應用中推廣。

3.7 最大平均供熱量控制法

最大平均供熱量控制法是當空調系統處于低溫工況下的制熱狀態時，以空調系統產生的最大供熱量為目標，通過相關的數據采集后，計算出實際的平均供熱量，然后通過供熱量的實際測量值與理論值的比例關系來確定最佳的除霜時機（可參見公開號為CN103940161A所公開的內容）。

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

3.8 模糊控制法

模糊控制法是利用模糊控制技術實現智能除霜。模糊控制技術是一種以模糊集合、模糊語言變量以及模糊推理為基礎的控制方法，通過模仿人腦的思維和學習能力，根據專家或操作人員的相關知識和經驗，作出相應的處理和控制。模糊控制法通過對除霜過程中室外換熱器溫度等狀態變換的檢測，對上一次控制量進行相應的修正，使除霜控制在一定程度上適應環境參數的變化，達到智能除霜的目的（可參見公開號為CN102721172A所公開的內容）。

3.9 除霜控制方法小結

按時除霜控制法無疑是最簡單的除霜控制方法，其按設定的除霜時間進行除霜。時間-溫度控制法在按時除霜控制法的基礎上考慮了溫度的因素，有了一定的改進。通過檢測空調室外機換熱器兩側的空氣壓差，或檢測蒸發器溫度與大氣溫度的溫差，進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，要么是在不需要除霜的時候啟動除霜，要么是除霜滯后，有的還存在誤判的風險，這些不足會導致能源浪費，系統運行效率下降。為了提高判斷精度，使用光電傳感器和電容探測器的控制方法也已出現，但由于這些傳感器成本過高，難以在實際應用中推廣。最大平均供熱量控制法和模糊控制法目前處在發展階段，有待于技術人員的進一步優化。

4 結語

空調作為能耗較大的家用電器，如果因為除霜不及時或者頻繁誤除霜造成能源浪費，對國家和生產廠家來說都是一場巨大的損失，也會影響用戶的使用體驗。因此，空調除霜問題應該引起產業界的足夠重視，才能實現空調產業的健康發展。