基于差壓原理的空調過濾網潔凈度檢測

楊會敏 黃偉環(huán) 唐楚強

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

空調由于長期運行，細微的粉塵、污垢集結在空調濾網上，濾網臟堵會降低空調的制冷效率[1]，增加能耗[2]，更重要的是會滋生大量細菌、霉菌和難聞的異味[3]。空調工作運轉時，這些細菌會跟著空調運轉很快彌漫在室內空氣中，接觸到人的皮膚和呼吸道，容易造成用戶多發(fā)疾病。經調研了解，目前仍有諸多消費者不關注空調過濾網，沒有定期對過濾網進行清洗進而造成灰塵臟堵情況。因此需要研發(fā)一種智能空調，可主動檢測過濾網臟堵，并且能夠使空調在實際運行過程中及時向用戶反饋空調過濾網臟堵情況，提醒用戶定時清理空調過濾網。

近些年來，行業(yè)在空調過濾網清潔提醒功能方面有很多種實現(xiàn)方法，從最開始的時間定時提醒到如今的差壓測量，其間出現(xiàn)了多種測量技術，包括光纖測量、空調風機電壓和轉速、空調運行電機的相電流、利用紅外原理實現(xiàn)檢測等。這些檢測技術因為各自檢測原理的差異都存在技術特點上的優(yōu)勢和劣勢，具體對比情況見表1。

表1 不同技術方案對比表

風道氣流差壓的檢測精度較高且穩(wěn)定，而且現(xiàn)階段差壓檢測裝置的硬件成本壓縮空間較大，因此選擇對風道氣流差壓進行應用研究，并分析其在空調上應用的影響因素。

2 實驗系統(tǒng)設計和驗證

2.1 設計理論分析

空調過濾網積灰程度越嚴重，其潔凈度越低，空調過濾網潔凈度變化過程中，空調風道系統(tǒng)阻力也會發(fā)生改變，這種變化具有空調過濾網潔凈度越低，空調風道系統(tǒng)阻力越大的規(guī)律。結合圖1所示，空調過濾網潔凈度降低，空調風道系統(tǒng)阻力曲線由ΔP1-Q變化為ΔP2-Q，此時空調貫流風機的工作點由Q1點移至Q2點，其中P為氣體的壓力，Q為風量。

圖1 空調風道系統(tǒng)阻力曲線[4]

結合空調系統(tǒng)阻力曲線可以看到，空調器過濾網潔凈度降低后，過濾網潔凈度高的系統(tǒng)比潔凈度低的系統(tǒng)存在更多阻力損失，因而氣體流量減少，靜壓增大，進而對應風量也會降低，最終過濾網兩側差壓越來越大。

壁掛式空調貫流風機上的葉輪旋轉時，氣流從葉輪敞開處進入葉柵流經葉輪內部并且從另一面葉柵處排入蝸殼，形成工作氣流。由于氣流在葉輪內的流動比較復雜，導致其內部存在非穩(wěn)定的氣流速度場，同時葉輪內存在一個中心位于蝸舌附近的旋渦，使葉輪輸出端產生循環(huán)流，在旋渦外，葉輪內的氣流流線呈圓弧形。因此葉輪外圓周上各點的流速不一致并且滿足越靠近渦心，速度愈大，越靠近渦殼，速度愈小的特性，因此差壓測量裝置出氣位置影響其穩(wěn)定性[5]。同時流體的壓力與流體速度的平方存在正比關系，因此空調系統(tǒng)風速也會對過濾網兩側壓力差產生一定的影響，如圖2所示為空調貫流風機結構風速排布示意圖。

圖2 空調風機結構示意圖[5]

2.2 實驗模型

為了解空調運行狀態(tài)、測量裝置安裝位置對穩(wěn)定性的影響因素，將結合空調系統(tǒng)按照不同的實驗條件采集數據并對其進行分析總結。圖3所示的實驗模型示意圖中，空調系統(tǒng)工作時氣流在貫流風機作用下從進風口流經過濾網和蒸發(fā)器，將差壓測量裝置進氣位置安裝在進風口過濾網外側，此時差壓測量裝置進氣氣壓與室內環(huán)境連通，出氣位置放置在過濾網內側，此時出氣氣壓為氣流流經過濾網后的氣壓。空調過濾網臟堵時，過濾網兩側氣壓發(fā)生變化后，差壓測量裝置進氣和出氣兩端的氣壓會發(fā)生變化。為了客觀驗證，實驗過程中利用真實環(huán)境下空調運行不同時間未經清潔的過濾網作為實驗對象，并且通過運行時間長短等效為不同百分比臟堵。實驗前選取經過0天、30天、90天、180天的不同過濾網，統(tǒng)計100個人員對于0/30/90/180天對應空調過濾網臟堵百分比的主觀感受結果，最終在實驗過程中分別將0天、30天、90天、180天過濾網依次等效為臟堵0%、25%、50%、75%的過濾網，如表2所示，示意圖如圖4所示。實驗過程中采用空調的實驗參數以及運行模式如表3所示。

圖3 實驗模型示意圖

表2 真實空調過濾網臟堵程度

圖4 等效0%、25%、50%、75%不同百分比臟堵過濾網示意圖

表3 空調參數表

2.3 實驗測試及驗證分析

2.3.1 出氣位置對過濾網潔凈度檢測影響

由于葉輪外圓周上各點流速不一致并且滿足越靠近渦心，速度愈大，越靠近渦殼，速度愈小的特性[5]。同時差壓測量裝置進氣與室內環(huán)境連通，因此出氣在蒸發(fā)器位置可能會對過濾網潔凈度檢測效果產生影響。實驗過程中分別采用圖5所示的出氣位置A、出氣位置B、出氣位置C三個不同出氣位置驗證其對過濾網潔凈度檢測的影響，出氣A的位置位于進風口附近，與過濾網距離最小；出氣B的位置與過濾網距離較大，同時蒸發(fā)器氣流空腔較大；出氣C的位置距離進風口較遠，與過濾網距離較小，流量較低。實驗時將空調運行模式和導風板調整到固定模式，分別用25%、50%、75%過濾網進行測試。從表4可以看到，出氣位置A、C數據變化梯度較小，不能明顯地區(qū)分空調過濾網臟堵情況，出氣位置B數據變化梯度比較穩(wěn)定，有利于區(qū)分空調過濾網臟堵情況，同時對于空調過濾網臟堵程度分級有一定指導意義。

圖5 出氣位置和進氣位置示意圖

表4 不同出氣位置不同臟堵過濾網兩側差壓

2.3.2 風速對空調過濾網潔凈度檢測影響

從系統(tǒng)阻力和風機性能相關曲線可以看到，風速與壓力存在一定的關系，為了分析不同風速對空調過濾網潔凈度檢測的影響，實驗過程中將壁掛式空調安裝在一定高度，同時將導風板導風角度調整到45°，采用25%、50%、75%不同臟堵程度過濾網分別測試高風檔、中風檔、低風檔下空調過濾網兩側壓力差。由于空調運行過程中可能出現(xiàn)偶爾的氣流波動，為了避免實驗誤差，數據處理過程中采用平均的方法保證數據的準確性。

圖6所示為不同風速、不同臟堵過濾網兩側差壓排布，從實驗數據可以看到，空調低風檔的狀態(tài)相比中風檔和高風檔運行時，差壓測量裝置的實驗數據較低，因此在潔凈度相同的空調過濾網情況下，差壓測量裝置在低風速和高風速兩種狀態(tài)下所采集的數據存在明顯差異，而且在高風速的狀態(tài)下采集的數據更明顯，當空調過濾網臟堵程度達到75%時，低風檔運行后過濾網兩側壓差接近過濾網臟堵程度達到25%時中風檔運行數據，容易導致數據重疊。

圖6 不同風速不同臟堵過濾網兩側差壓

因此進行控制器功能邏輯設計時，不同風速選取不同預設值，極大影響空調過濾網潔凈度檢測效果。

2.3.3 導風板位置對過濾網潔凈度檢測影響

空調處于掃風狀態(tài)時導風板的位置狀態(tài)也不一樣，掃風角度差異對于出風口壓力以及流速存在一定的影響，當掃風角度太小，此時出風口開度較低，出風量降低，空調蒸發(fā)器內部氣壓發(fā)生上升，過濾網兩側壓力差下降。為此，在實驗過程中分別選取30°、45°、60°三種不同掃風角度來驗證空調過濾網兩側壓差變化情況，圖7所示為空調導風板在不同位置角度示意圖。

從表5所示的導風板30°、45°、60°位置的空調過濾網兩側壓力差可以看到，導風板位置會影響空調過濾網兩側的壓力差，而且導風板在45°位置下過濾網兩側壓力差比較大，導風板在60°位置下過濾網兩側壓力差較小，當導風板的角度越小，會導致空調蒸發(fā)器側的壓力發(fā)生變化，從而空調過濾網兩側壓力差會發(fā)生變化。因此在進行空調過濾網臟堵檢測時，如果掃風狀態(tài)下進行數據采樣會造成大范圍數據波動，影響檢測效果。

表5 導風板30°、45°、60°位置的空調過濾網兩側壓力差

2.3.4 不同臟堵程度過濾網測試

通過以上相關實驗證明，風速、導風板位置以及差壓測量裝置出氣口安裝位置對空調過濾網潔凈度檢測產生影響。為了能夠更好地顯示空調過濾網潔凈度檢測效果，將空調控制在高風檔、空調導風板在45°位置運行，并且將差壓測量裝置出氣位置安裝在圖5所示的出氣位置B，分別以表2中0天、30天、90天、180天后不同臟堵程度過濾網進行測試，最終的空調過濾網兩側的壓力差如表6所示。

表6 真實空調過濾網兩側壓力差

從表6可以看到，不同臟堵程度過濾網有不同數據梯度，這種數據梯度有利于過濾網臟堵程度進行分級，設計員可以結合控制器功能設計利用不同閥值分級判斷空調過濾網臟堵情況并且及時提醒用戶清洗和更換空調過濾網。

3 結論與展望

通過理論分析探索了檢測空調過濾網兩側壓力差的可能存在影響因素，并且通過相關實驗驗證各個因素下空調過濾網潔凈度檢測效果，初步得出以下結論：

（1）空調過濾網兩側壓力差在不同風速下存在不同數據梯度，風