空調器自動清潔及高溫殺菌功能的研究與應用

邵禹琦 梁勇超

TCL空調器（中山）有限公司 廣東中山 528427

1 引言

隨著生活水平不斷提高，用戶的需求也不再局限于制冷與制熱，空調器系統的健康與能效逐漸成為用戶選擇的依據。因此，保證能效的同時，提升產品舒適與健康性能，將成為空調器發展新趨勢。

空調器在制冷運行時室內機內部容易形成濕潤及陰暗的微生物寄生環境[1-2]，細菌、病毒等微生物的存在嚴重威脅到用戶的健康，使得用戶提高了對空調器及室內環境清潔的重視，讓空調器附加殺菌功能的呼聲愈來愈高。同時，系統在實際運行過程中，過濾網無法進行徹底的過濾，細小灰塵顆粒將會直接進入到內部，最終附著在空調器換熱器表面形成積灰，增大空氣流動阻力，降低換熱風量，削弱空調器能力，研究表明翅片由于積灰導致的壓降增加達到32.1%[3-5]；并且灰塵有利于細菌繁衍，構成二次污染，危害用戶的健康。而空調器安裝的位置不易進行人工清潔，空調器自清潔功能的應用迫在眉睫。為解決上述空調器清潔問題，本文基于現有產品提出空調器內外機自清潔功能，利用高溫實現殺菌，從自清潔功能的實現原理、功能邏輯設計及實驗驗證入手，論述自清潔殺菌功能在空調器中的研究與應用。

2 功能原理分析

在不增加產品成本前提下，從空調器系統運行控制邏輯出發，實現空調器的特殊運行狀態，從而實現自清潔與高溫殺菌功能。在原有室內機高溫自清潔基礎上實現室外機自清潔，通過修改直流電機控制參數，實現室外風機反轉除塵，進行較大碎屑灰塵的清潔；調整室內外風機開啟與停止的條件，以實現室外換熱器結霜化霜除塵，清除較小的積塵；并維持一定時長的內管高溫，保證可靠性。

2.1 自動清潔原理分析

本方案通過凝結膨脹力與風機反轉除塵。

（1）凝結膨脹力除塵：在換熱器翅片降溫達到濕空氣飽和溫度后時，空氣中的水分會在翅片上析出，形成凝露水。因為空調器換熱器常用親水翅片，冷凝水一經出現便順著翅片流動，無法積攢足夠的水分，形成較大體積的水滴以帶走灰塵，對翅片進行清洗；且由于不同位置的換熱強度不同，形成冷凝水的位置較為分散，無法全面徹底的清洗換熱器上的積塵?？梢酝ㄟ^進一步降溫，使凝露水轉變為霜層凝結在翅片上，覆蓋整個換熱器，待積攢至一定霜層厚度，進行快速化霜，迅速產生大量的化霜水，帶走灰塵，對換熱器進行全面的沖洗。且灰塵吸水性較強，在結霜時，可以通過水分子的膨脹力，減小灰塵與翅片表面的附著面積，減少灰塵的粘附力，使灰塵更容易脫離翅片，實現更徹底的清潔。

（2）風機反轉除塵：空調器在運行過程中，室外側軸流風扇會對室外換熱器進行風冷冷卻，按照常見的室外機結構布局，軸流風扇會產生軸向風速，形成軸向吸力，將灰塵吸附在換熱器背部。室外環境中存在大量的灰塵碎屑，對于小型顆粒狀的灰塵，利用凝結膨脹力可以高效的進行清除；但是對于較大型的碎屑（樹葉、塑料膜等），利用室外風機反轉產生的反向風速，將碎屑吹離換熱器背部，能夠愈加高效地實現清潔目標。

2.2 高溫殺菌原理分析

當微生物處于一定的高溫下，微生物中的成分將會被變性破壞，失去活性，最終達到病菌殺滅的目的。日常生活中常見的強致病性的病菌，如大腸桿菌在56℃高溫環境中持續30 s，可殺滅99.5%[6]；SARS病毒持續處在56℃的環境中會被殺滅[7]；新型冠狀病毒在56℃的高溫下也可被有效滅活?？梢姡?6℃高溫環境可以很好地抑制對人類健康造成重大威脅的病菌等微生物。因此，開發高溫殺菌功能，通過控制內盤溫度穩定在56℃以上，確保殺菌完全，保證用戶健康。

3 功能邏輯設計

通過上述功能原理的分析，進行高溫殺菌及自清潔功能邏輯的設計。針對蒸發器的清潔，可通過凝露→結霜→化霜完成除塵，通過蒸發器高溫完成殺菌；對于冷凝器的清潔，可通過風機反轉清除較大型的碎屑，通過凝露→結霜→化霜實現小型顆粒狀灰塵的清除。

如果室內機與室外機的自清潔分步進行，則會造成時間與能源兩方面的浪費。分步進行自清潔會使功能周期過長，影響空調器的正常使用，影響用戶體驗；且當室內處于制熱模式，進行高溫殺菌時，室外換熱器正處于低溫狀態，可以利用這部分冷量，進一步降低翅片溫度，為室外機自清潔做準備，若分步進行，則要重新對室外換熱器進行降溫，浪費能源，降低自清潔效率。由此，將室內機自清潔與室外機自清潔結合在一起，同步進行自清潔，既縮短功能周期，提升用戶體驗，又節約能源，提高效率。完整功能邏輯如圖1所示：當空調器接收自清潔命令后，首先進入制冷模式，在室內換熱器表面形成凝露水；隨后內盤迅速降溫，實現快速結霜；在霜層達到一定厚度后壓縮機停機；當空調器系統處于制冷制熱模式切換的延時啟動時間時，進行室外風機的反轉除塵，清除較大型碎屑；接下來四通閥換向，空調器轉制熱模式運行，室內機利用化霜水沖洗表面灰塵；持續制熱運行，通過控制內風機開停，降低內風機最低轉速，實現內盤56℃持續高溫的同時，進行室外換熱器的降溫；通過控制外風機開停與轉速，實現結霜與快速化霜，達到外機自清潔的目的。

圖1 自清潔控制邏輯圖

4 方案驗證

為確保高溫殺菌及自清潔功能的產品的清潔效果與可靠性，在不同工況與不同的積塵條件下對產品的清潔能力進行驗證。測試要求：在標準焓差室中，使用變頻1.5匹機器進行測試，使用R32冷媒，在內外機換熱器布置熱電偶測點以檢測盤管溫度，外接壓力閥檢測系統中的高低壓。

4.1 除塵效果驗證

針對本文提出的自清潔方案進行驗證，針對已經成熟的室內換熱器自清潔功能，本文不進行贅述，主要針對新增的室外換熱器的反吹除塵功能以及結霜化霜清潔功能進行驗證。首先分別進行室外風機反轉與室外換熱器結霜化霜清潔實驗，再進行室外風機反轉+室外換熱器結霜化霜的整體除塵效果驗證。

風機反轉除塵：本文將實際測試中觀察到的清潔效果作為直接判定，風機反轉時換熱器背部的風速來進行間接判定，共同判定風機反轉除塵的清潔效果。在室外換熱器背部布置三種日常生活中常見的灰塵碎屑：塑料薄膜碎屑、干草干樹葉碎屑、絮狀灰塵，如圖2所示，控制室外風機在壓縮機停機時進行反轉，經過一定時長的反吹后，換熱器背部的積塵狀態如圖3所示，較大型的碎屑已經被徹底吹離換熱器背部，不會在空調器正常運行時重新被吸附在換熱器背部；近距離觀察換熱器，發現仍有積塵滯留在換熱器背部，在圖3的基礎上繼續進行長期的反轉除塵，換熱器背部的小尺寸積塵數量并無明顯降低，因為絮狀灰塵附著在翅片上，難以通過反吹進行清除。實驗中風機反轉對不同種類灰塵的清潔效果如表1所示。風機反轉時，換熱器背部各測點分布如圖4所示，風速測量值如表2所示，換熱器邊緣風速遠大于換熱器中部風速，除塵效果更好，從間接測量風速的方法證明除塵效果。

表1 清潔效果

表2 換熱器背部風速

圖2 反轉除塵前換熱器背部

圖3 反轉除塵后換熱器背部

圖4 換熱器背部測點分布

凝結膨脹力除塵：為了驗證本文提供的外機自清潔方案能否在翅片上形成足夠厚度的霜層，在快速化霜時能否形成水流以清洗換熱器，進行了結霜實驗。為了證明本自清潔功能在惡劣環境下的工作能力，在冬季室外空氣中水蒸氣含量較低的條件下進行實驗，室外換熱器結霜如圖5，在化霜時已經可以觀察到有化霜水流下沖洗翅片。

圖5 換熱器結霜程度

完整自清潔功能實驗：為了驗證室外風機反轉+室外換熱器結霜化霜組合的整體除塵效果，在室外側換熱器背部布置與反轉除塵實驗中同種類、同密度的灰塵，進行自清潔效果的驗證，經過自清潔運行后，清潔前后對比效果如圖6、圖7所示?？梢钥吹綄θN類型的灰塵碎屑均有顯著的清潔效果。根據實驗現象可以證明本文的自清潔方案是可行且合理的，利用制冷制熱模式切換的停機間隙，進行室外風機反轉，清除較大型的碎屑；在室內機進行高溫殺菌階段時，室外機進行結霜化霜除塵，清除小型積塵。本方案對不同類型的灰塵進行先后清除，更加高效合理，清潔效率更高；而且通過制冷制熱模式的切換，將室內外自清潔功能結合起來，充分利用冷量，縮短功能周期，提升用戶體驗。

圖6 自清潔前換熱器背部

圖7 自清潔后換熱器背部

4.2 可靠性驗證

驗證了自清潔功能的除塵效果之后，現在從產品整體的角度，驗證高溫殺菌及自清潔功能在全工況運行時可靠性，用戶會在不同的條件下開啟自清潔功能，因此需要對高溫殺菌+自清潔功能進行常見工況實驗驗證，一方面要驗證電機反轉是否會出現異常故障；另一方面要驗證各種工況下，內管能否達到要求的56℃高溫殺菌，而且系統各參數（如溫度、壓力等）要滿足國家標準要求。

風機反轉可靠性驗證：由于風扇扇葉多為按照單一正轉進行設計，反轉會大幅改變氣體流動狀態，控制空調器持續進行風機反轉運行，經過長期運行實驗，外機扇葉固定螺母暫無松脫現象；且電機未出現異常溫升；經過噪音測試，風機反轉與原正轉噪音大小相當。

溫度壓力可靠性驗證：參照GB 21455-2019《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》，分別設計正常使用條件下的試驗工況，并增加低溫高溫等惡劣工況，實現基本涵蓋用戶可能使用空調器的環境上下限。在焓差實驗室進行整機運行測試，監控系統內的高壓與高溫，各測試工況與測試結果如表3所示。實驗結果證明：除了超低溫工況（室內21/15℃，室外-7/-8℃）無法實現內管溫度高于56℃，其他工況下均能保證內管溫度達到56℃，確保滅活換熱器表面的微生物，保證用戶健康。全工況下高溫殺菌運行時系統穩定排氣壓力均小于壓縮機可靠運行允許最大壓力4.2 MPa，保障空調器可靠運行。

表3 可靠性驗證工況與結果

4.3 新舊自清潔功能對比

在相同測試工況下（室內干球溫度20℃，室外干球溫度8℃），將本文提出的自清潔方案與傳統自清潔功能在各自完整功能周期內，進行除塵效果與殺菌效果的對比，實驗結果如表4所示。除塵效果對比：針對室內換熱器除塵，新舊自清潔功能均是依靠結霜化霜產生的化霜水進行室內換熱器沖洗，室內換熱器的結霜程度決定了沖洗效果。通過內管處于結霜溫區的時長來進行結霜程度、沖洗效果的對比。由表4可知，新方案中內管溫低于0℃的時長為16分56秒，舊方案中內管溫低于0℃的時長為16分17秒，新舊方案結霜時長相當。如圖8所示，新方案完全可以實現對室內機的清潔。針對室外換熱器除塵，新方案的清潔效果如圖6、圖7所示，而舊方案不具備室外換熱器清潔能力。因此新方案在保證原室內換熱器自清潔的條件下，增加了室外機自清潔功能，有更大的優勢。

圖8 新方案室內換熱器除塵效果

表4 新舊自清潔功能對比

殺菌效果對比：由高溫殺菌原理可知，殺菌效果與高溫峰值關系密切。由表4可知。新方案的內管溫上升得更為迅速，可以更快地進入高溫殺菌階段，并且高溫持續時間更長，在整個功能周期中時長占比更高，功能效率更高；新自清潔功能的功能周期為35分9秒，較傳統自清潔功能的32分37秒，僅延長了7.8%，可以實現更為高效徹底的殺菌效果。如表5所示，舊方案的除菌率均大于90%。根據高溫殺菌原理可知，高溫持續時間越長，殺菌效果越好。而新方案的高溫持續時間更長，因此會取得更好的除菌效果。

表5 除菌檢測報告

5 結論

本文基于空調器清潔健康與能源利用效率的需求，提出一種空調器高溫殺菌及內外機自清潔的功能，通過控制空調器按照“內機凝露、結霜→四通閥換向→外機反轉→內機化霜清洗→高溫殺菌→外機結霜→外機化霜清洗→通風”運行來實現。首先根據常見致病菌的殺滅條件，確定高溫殺菌階段目標內盤溫度為56℃；為確保帶有高溫殺菌及自清潔功能的產品的清潔效果，在不同的積塵條件下對產品的清潔能力進行驗證，實驗結果表明自清潔功能對各種類型的灰塵碎屑均有很好的清潔效果，為確保產品能有效可靠運行，在常見工況下驗證了高溫殺菌可行性及可靠性，實驗結果表明各工況下均滿足要求。最后將本文提出的自清潔方案與傳統自清潔功能進行溫度、壓力、高溫持續時間等參數的對比，結果表明新方案在用戶體驗與殺菌清潔效果等方面更佳。