多聯式空調換熱器自動清潔功能研究

鄧賽峰 劉 敏 劉合心 陳 華

(寧波奧克斯電氣股份有限公司研發中心 寧波 315100)

空調運行一段時間后，換熱器表面容易沉積灰塵等雜質，不但影響換熱性能，而且會在表面滋生細菌或病毒，嚴重時會危害用戶的身體健康[1-2]。因此，能提供潔凈空氣的自動清潔空調逐漸成為智能空調的重要品類，清潔技術的研究也成為空調領域的重要課題[3]。

鞠培玲等[4-5]研究發現灰塵會增加換熱器空氣側壓降，嚴重影響換熱性能，空調換熱器使用5年后換熱量衰減達11.2%～19.3%。丁國良等[6]介紹了換熱器表面灰塵的去除方法，指出采用氣流定向技術可以去除表面疏松的灰塵，而結冰膨脹再融化的方式可以實現緊密灰塵的脫離，達到較好的換熱器清潔效果。此外，微生物的污染也會影響空調換熱器的壓降和換熱性能，造成能力嚴重衰減[7-8]。嚴漢彬等[9]分析了各類真菌、細菌等微生物生長的溫濕度條件，指出在30～40 ℃溫度區間內，每升高1 ℃能滅活6%的真菌，當溫度超過50 ℃時，空調系統的微生物將停止生長。相關研究指出，菌類和病毒對溫度敏感，當溫度達到56 ℃持續30 min可以使冠狀病毒失去活性[10]。

空調設備中常用的清潔方法是過濾除塵和殺菌[11-12]，如采用高密度濾網，缺點是產生的風阻大，影響室內機的風量和能力。目前對多聯式空調系統清潔方法的研究較少。

在這種背景下，本文基于多聯式空調系統，提出采用目標參數控制法調節室內機的管溫，通過制冷時管溫降低形成凝結水沖刷灰塵，制熱時管溫升高達到高溫環境的方式，進行空調換熱器的除塵和殺菌，通過具體的實驗驗證，對多聯式空調系統的自動清潔功能進行研究。

1 功能原理

1.1 功能設計

采用目標參數控制方法，調節室內風機轉速、運行時長、壓縮機頻率、室外溫度等參數，使空調分段式運行制冷和制熱模式，分別對應自動清潔功能的除塵和殺菌兩個階段。

空調進入自動清潔功能后，按照預設的順序，先進入除塵階段(即制冷模式)，除去換熱器表面的灰塵或雜質，然后控制四通換向閥動作，再進入殺菌階段(即制熱模式)，一方面將換熱器烘干，保持其清潔干燥，另一方面利用盤管的高溫將無法去除的細菌等微生物滅活。

1.2 清潔原理

進入除塵階段，通過控制制冷的運行參數，使室內機的盤管溫度降至空氣的露點以下，在換熱器表面析濕凝露，繼續降低盤管溫度至冰點以下，使凝結水結冰或結霜，凍結換熱器表面的雜質，利用冰的物理膨脹特性使雜質從換熱器表面脫離。

進入殺菌階段，空調切換到制熱模式，室內機的盤管溫度升高，使換熱器表面的冰凍層融化，形成大量凝結水沖刷換熱器翅片帶走表面的灰塵，隨排水管排出。控制盤管溫度繼續升高，首先烘干換熱器，

然后形成高溫環境，達到使換熱器表面的細菌、真菌等微生物滅活的目的，從而實現空調的整個自動清潔過程。

2 評價指標

基于上述清潔原理，分別用室內機的凝結水量和盤管溫度作為換熱器清潔能力的評價指標，凝結水量越大表示除塵效果越好，盤管溫度越高表示殺菌效果越好[9]。

除塵階段的實驗效果如圖1所示。翅片表面形成大量凝結水(如圖中圓圈所示)，沿著翅片間隙滑落，沖刷翅片表面的灰塵等雜質，進而達到除塵清洗的目的。

圖1 凝結水沖刷翅片

實驗過程的凝結水量用容器收集后稱重，盤管溫度用溫度傳感器進行采集。

評價指標的影響因素主要有：室內風機轉速、清潔運行時長、壓縮機頻率、室外環境溫度等。根據多聯式空調的常用參數，設定基準值，例如為減少清潔中室內機的能量耗散，室內機設定為低風檔轉速。通過分析不同條件下的凝結水量和盤管溫度，得到各因素對自動清潔功能的影響趨勢。影響因素的取值范圍如表1所示。

表1 影響因素的取值范圍

3 實驗設備

選用一套容量為16 kW的一拖四多聯式空調機組，如圖2所示，搭配轉速可調節的風管式室內機，容量分別為2.2、3.2、4.5、6.3 kW。機組以常用的R410A作為系統制冷劑。

選用25 kW焓差式控制實驗臺，用于提供實驗所需的室內工況和室外工況，控制精度為±0.1 ℃。利用溫度傳感器采集室內機的盤管溫度，精度為±0.1 ℃，數據的記錄間隔為5 s。電子稱型號為JTS-30CW，測量精度±1 g。

操作步驟：1)在室內機排水口處放置容器，用于收集排出的凝結水；2)連接室內機盤管的溫度傳感器，開啟檢測軟件；3)工況穩定后，開啟空調分別運行制冷和制熱模式；4)調節相應的控制目標參數；5)運行結束后，對室內機的排水量進行稱重，并記錄室內機的盤管溫度。

圖2 實驗設備

4 實驗結果及分析

為更直接的反映室內機的清潔效果，以容量為3.2 kW的室內機為例來分析各因素對除塵階段和殺菌階段清潔指標的影響。

4.1 除塵階段的因素分析

4.1.1 室內風機轉速的影響

室內風機的轉速決定了通過換熱器的風量，直接影響室內機的能力輸出，是空調系統中重要的參數。

室內風機轉速對凝結水量的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著室內機轉速的增加，室內機凝結水量存在最優值。轉速由200 r/min升至350 r/min，凝結水量由95 g升至186 g。轉速升至400 r/min，凝結水量反而有所降低。

這是由于隨著室內機轉速的提高，經過換熱器的風量增加，使更多的水蒸氣在換熱器表面冷凝，故室內機的凝結水量增加。但是風量增加的同時室內機盤管溫度隨之升高，當轉速高于350 r/min時，室內機盤管與空氣的傳熱溫差減小，導致凝結水量出現降低。

因此，對于本文的實驗系統而言，室內風機轉速設定為350 r/min時，凝結水量最大，可以達到最優的清潔效果。

圖3 室內風機轉速對凝結水量的影響

4.1.2 運行時長的影響

時間條件是空調系統中常用的重要控制參數。當其它條件相同時，自清潔的運行時長對換熱器凝結水量的影響如圖4所示。其余參數一定時，室內機的凝結水量與運行時長呈線性關系，運行時長由8 min增至24 min，凝結水量增加了150%。隨著室內空氣與換熱器的持續換熱，空氣中的水蒸氣遇到較冷的換熱器表面不斷凝結，形成凝結水沖刷翅片。可見，除塵階段的運行時間越長，凝結水量越大。設計清潔功能時應盡量增加除塵階段的運行時長，增加除塵效果。

圖4 運行時長對凝結水量的影響

4.1.3 壓縮機頻率的影響

壓縮機的運行頻率決定了室內機的輸出能力，對換熱器凝結水量的影響如圖5所示，壓縮機頻率由35 Hz升至55 Hz，室內機的凝結水量由95 g增至220 g，提升131.5%。在相同的基準條件下，提高壓縮機的運行頻率，降低了室內機換熱器的蒸發壓力，從而增加空氣側與制冷劑側的傳熱溫差，使空氣中更多的水蒸氣在換熱器表面形成凝結水，沖刷翅片上的灰塵，得到更好的清潔效果。

因此在除塵階段應提高壓縮機的運行頻率，以增加換熱器的凝結水量，提高清潔效果。

圖5 壓縮機頻率對凝結水量的影響

4.1.4 室外溫度的影響

室外溫度受天氣、季節等因素的影響而變化較大，其對凝結水量的影響如圖6所示，其余參數一定時，凝結水量隨室外溫度的升高而降低。

這是因為室外側溫度越高，室外換熱器的換熱效果越差，使室內機的蒸發壓力升高，盤管溫度上升，從而減少空氣中水分的凝結。因此除塵階段應根據室外溫度的變化進行設計，例如在溫度低于30 ℃時增加除塵階段的運行，以提高除塵效率。

圖6 環境溫度對凝結水量的影響

4.2 殺菌階段的因素分析

4.2.1 室內風機轉速的影響

殺菌階段空調切換為制熱模式，與除塵階段類似，室內風機的轉速影響室內換熱器的風量，直接影響盤管溫度的高低，其它參數一定時，其對室內機盤管溫度的影響如圖7所示。室內風機轉速提高后室內機的盤管溫度呈下降趨勢。風機轉速為200 r/min時盤管溫度可達58.6 ℃，轉速提高至400 r/min時盤管溫度降低了5.4 ℃。

風機轉速的提高增加了室內換熱器的風量，增加與換熱器的熱交換量，從而使盤管溫度降低。因此為使換熱器維持在較高的溫度環境，應設定較低的室內風機轉速，以獲得較好的殺菌效果。

4.2.2 運行時長的影響

運行時長對室內機盤管溫度的影響如圖8所示。室內機的盤管溫度隨運行時長的增加而逐漸升高，時長大于12 min后穩定在54.6 ℃。因為室內機的送風量一定時，隨著制冷劑循環的穩定，換熱器的空氣側與制冷劑側趨于換熱平衡，使盤管溫度達到穩定值。

圖7 風機轉速對盤管溫度的影響

圖8 運行時長對盤管溫度的影響

因此為了達到理想的殺菌效果，應設定殺菌階段的運行時長大于12 min，使換熱器維持在穩定的高溫環境下。

4.2.3 壓縮機頻率的影響

壓縮機頻率對盤管溫度的影響如圖9所示，室內機的盤管溫度隨壓縮機運行頻率的增加而升高，壓縮機在55 Hz時，室內機的盤管溫度提升了55.2%，達到57.6 ℃。

圖9 壓縮機頻率對盤管溫度的影響

在殺菌階段，提高壓縮機的運行頻率，排氣溫度和排氣壓力會隨之提高，高溫高壓的氣態制冷劑進入室內機的換熱器，提升換熱器的盤管溫度。因此在空調的殺菌階段中，應提高壓縮機的運行頻率，以提升換熱器的殺菌效果。

4.2.4 室外溫度的影響

室外的溫度條件同樣會影響殺菌階段室內機的盤管溫度，從而影響換熱器的殺菌效果。不同的室外溫度對盤管溫度的影響如圖10所示。

圖10 環境溫度對盤管溫度的影響

在相同條件下，室內機盤管溫度隨室外溫度的升高而升高，室外溫度為30 ℃時室內機的盤管溫度達56.5 ℃。隨著室外溫度升高，壓縮機的排氣壓力和排氣溫度隨之升高，從而提升室內機的盤管溫度。

因此應根據不同的室外溫度設定不同的殺菌控制，例如室外溫度較高時，增加殺菌階段的運行，以達到理想的殺菌效果。

此外，室外環境溫度對除塵階段和殺菌階段的影響趨勢相反，應根據不同的環境溫度設定不同的自動清潔功能。如溫度較高時主要采取殺菌控制策略，溫度較低時主要采取除塵控制策略，以達到最優的自動清潔效果。

5 結論

本文在一定條件下，利用參數控制法，對多聯式空調系統的自動清潔功能進行研究，分析了室內機轉速、運行時長、壓縮機運行頻率等因素對室內機凝結水量和盤管溫度的影響，得到如下結論：

1)除塵階段的凝結水量隨室內風機轉速的升高先增加后降低，在350 r/min時達到最優值186 g，凝結水量與運行時長呈正比。因此除塵階段的風機轉速設定為350 r/min，合理增加運行時長可以提升換熱器的除塵效果。

2)殺菌階段的盤管溫度隨室內風機轉速降低而升高，轉速為200 r/min時盤管溫度為58.6 ℃，運行12 min以后盤管溫度趨于穩定，因此殺菌階段應控制室內風機在較低轉速，且運行時長應大于12 min，以達到理想的殺菌效果。

3)相同工況下，壓縮機頻率由35 Hz增至55 Hz，凝結水量和盤管溫度分別提升了131.5%和55.2%，因此在除塵階段和殺菌階段應重視提高壓縮機的運行頻率。

4)室外溫度對凝結水量和盤管溫度的影響趨勢相反，建議根據不同的溫度區間設計不同的自動清潔功能，例如溫度較低時側重運行除塵階段控制，溫度較高時側重運行殺菌階段控制，以保證機組能耗和清潔效果最優化。

多聯式空調系統的控制較為復雜，經常是同步調節多個參數。設計自動清潔功能，在保證室內機凝結水量和盤管溫度最優的同時，各參數對系統可靠性的影響需要綜合評估，此外不同的室內機組合搭配也需要進一步研究。