基于微波技術(shù)的空調(diào)設(shè)備結(jié)霜化霜檢測(cè)方法

清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院 孟 敏 鄭向遠(yuǎn)

空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組是目前最廣泛采用的一種空調(diào)暖通設(shè)備，家用空調(diào)也都屬于這種類(lèi)型。空氣源熱泵空調(diào)在夏天制冷時(shí)，將室內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移到室外換熱器上并散發(fā)到空氣中，在冬天制熱的時(shí)候，則把室外空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到室內(nèi)。從過(guò)程上看，制熱一般比制冷要復(fù)雜一些，其中最主要的就是空氣源熱泵機(jī)組在制熱時(shí)存在一個(gè)室外換熱器結(jié)霜和化霜的問(wèn)題。空氣源熱泵機(jī)組制熱時(shí)，室外換熱器的溫度是低于環(huán)境空氣溫度的。如果空氣中濕度較高，而且換熱器溫度比空氣的露點(diǎn)溫度更低，就會(huì)在室外換熱器上出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象。室外換熱器結(jié)霜后，會(huì)進(jìn)一步降低了換熱器的換熱效果，這樣就導(dǎo)致惡性循環(huán)，不僅降低了制熱的效率，還影響到了設(shè)備的安全運(yùn)行。因此當(dāng)室外換熱器結(jié)霜到一定的程度時(shí)，就必須要采取化霜的措施。

然而由于技術(shù)條件有限和成本的原因，目前空氣源熱泵空調(diào)暖通設(shè)備普遍采用溫度+時(shí)間的間接結(jié)霜判斷模式。而從結(jié)霜的成因上分析影響結(jié)霜的原因是很多的，除了溫度還有空氣的濕度、露點(diǎn)、風(fēng)速風(fēng)向等很多因素。因此不同季節(jié)、不同區(qū)域的空調(diào)設(shè)備結(jié)霜的情況會(huì)有很大的區(qū)別。譬如我國(guó)南方濕度較高，正常情況下機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間機(jī)會(huì)出現(xiàn)室外換熱器結(jié)霜。而在北方有可能機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而不結(jié)霜，但一旦有潮濕空氣過(guò)來(lái)就會(huì)出現(xiàn)不規(guī)律結(jié)霜情況，這些都是目前溫度+時(shí)間的方法無(wú)法解決的。

如果結(jié)霜檢測(cè)不可靠，就會(huì)影響到空調(diào)設(shè)備的安全運(yùn)行。譬如室外換熱器出現(xiàn)了嚴(yán)重結(jié)霜卻沒(méi)有檢測(cè)到，則會(huì)造成機(jī)組制熱效果下降甚至造成停機(jī)保護(hù)。如果沒(méi)有結(jié)霜卻誤判為結(jié)霜，就會(huì)使機(jī)組錯(cuò)誤進(jìn)入化霜程序，不僅影響制熱效果還浪費(fèi)電能。目前絕大多數(shù)的空氣源熱泵機(jī)組都是通過(guò)溫度、溫差以及時(shí)間來(lái)間接判斷是否結(jié)霜，如果能直接檢測(cè)室外換熱器結(jié)霜的情況，將會(huì)對(duì)機(jī)組的性能和安全提供非常好的保障。

1 檢測(cè)原理

微波是一種高頻電磁波，既可以有線傳輸也可以無(wú)線傳輸。微波的傳輸速度公式為V=C/√εμ，式中V為微波的傳輸速度，C為光速，ε為傳輸介質(zhì)的介電常數(shù)，μ為傳輸介質(zhì)的磁導(dǎo)率。由于一般介質(zhì)的磁導(dǎo)率都為1、可忽略不計(jì)，因此影響微波速度的最主要參數(shù)就是介質(zhì)的介電常數(shù)。空氣的介電常數(shù)為1，水的介電常數(shù)在70～80之間。冰和霜雖然是水的一種固態(tài)形式，但介電常數(shù)卻大不相同，冰的介電常數(shù)大約為3、霜的介電常數(shù)大約為2。由此可見(jiàn)微波在空氣、水和霜中的傳輸速度是不一樣的，在空氣中接近為光速，在霜中要略低于空氣，而在水中則微波速度衰減很大。

微波的時(shí)域特性除了速度外，還有頻率、周期、波長(zhǎng)、功率等。波速與頻率波長(zhǎng)的關(guān)系為V=λ/T=λf，式中λ為波長(zhǎng)，T為周期，f為頻率。由此可見(jiàn)，如頻率固定，微波在空氣中傳輸時(shí)波長(zhǎng)最長(zhǎng)、在水中波長(zhǎng)最短。假如微波的傳輸介質(zhì)從空氣逐步變化為霜?jiǎng)t波長(zhǎng)也會(huì)逐步變短，霜的厚度跟波長(zhǎng)變化呈單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果霜化成水則波長(zhǎng)會(huì)急劇變更短、出現(xiàn)突變。如果水吹干則波長(zhǎng)恢復(fù)最長(zhǎng)的狀態(tài)。因此可通過(guò)檢測(cè)微波的波長(zhǎng)變化，得到微波傳輸范圍內(nèi)的結(jié)霜和化霜的情況。微波的另一個(gè)時(shí)域特性是功率，跟信號(hào)的幅值有關(guān)，微波在不同物質(zhì)中傳輸時(shí)幅值受電導(dǎo)率影響較大。對(duì)于空氣、霜和水來(lái)說(shuō)，空氣和霜由于不導(dǎo)電、對(duì)微波幅值影響較小，而水由于導(dǎo)電會(huì)造成微波幅值的衰減。通過(guò)對(duì)微波幅值變化的檢測(cè)也可對(duì)結(jié)霜或者化霜狀態(tài)做出輔助判斷。

2 結(jié)霜傳感器的設(shè)計(jì)

應(yīng)用于空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組的結(jié)霜化霜傳感器從結(jié)構(gòu)上看，主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子電路兩大部分組成。此外傳感器的嵌入式軟件設(shè)計(jì)也是一個(gè)重要組成部分。

2.1 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

翅式換熱器是目前最主要的空氣源熱泵機(jī)組的室外換熱，翅片既是散熱和吸熱的主要結(jié)構(gòu)，也是結(jié)霜的主要部分。因此在設(shè)計(jì)結(jié)霜傳感器時(shí)，最主要就是要考慮如何安裝在翅片上。圖1中1為傳感器翅片、2為微波傳輸線、3為傳感器蓋。傳感器外殼采用鋁合金材料，具有良好的導(dǎo)熱效果。電路板密封在傳感器內(nèi)部，并做好防水處理。傳感器具有兩個(gè)平行的翅片，方便其插入室外換熱器的翅片中，并與換熱器翅片緊密接觸。微波傳輸線緊貼傳感器的側(cè)面，插入換熱器翅片后，微波傳輸線與換熱器翅片呈90度角并靠近。當(dāng)室外換熱器結(jié)霜時(shí)，由于傳感器上的溫度、濕度、風(fēng)速等各項(xiàng)指標(biāo)都與翅片接近，因此也會(huì)在傳感器上結(jié)同等厚度的霜。

圖1 結(jié)霜傳感器結(jié)構(gòu)外觀圖

圖2 結(jié)霜傳感器安裝及結(jié)霜效果圖

2.2 傳感器的電子電路設(shè)計(jì)

化霜傳感器的電路分為電源電路、微控制器電路、微波電路、測(cè)溫電路、通訊電路幾個(gè)主要部分。微控制器電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它控制微波電路產(chǎn)生高頻微波信號(hào)，經(jīng)檢測(cè)傳輸線返回后，得到與波長(zhǎng)和功率相關(guān)的低頻信號(hào)，低頻信號(hào)可以直接由微控制器AD采樣處理。測(cè)溫電路主要由熱敏電阻和差分放大測(cè)溫電路組成，也由微控制器采樣處理。傳感器具有兩個(gè)通訊接口，一個(gè)是RS485通訊接口，既可以輸出傳感器數(shù)據(jù)和狀態(tài)、還可以用來(lái)設(shè)置內(nèi)部參數(shù)。另一個(gè)是開(kāi)關(guān)量輸出，通過(guò)開(kāi)關(guān)量的高低變化輸出傳感器檢測(cè)狀態(tài)。

圖3 結(jié)霜傳感器電子電路原理框圖

2.3 傳感器的軟件算法設(shè)計(jì)

軟件算法是結(jié)霜傳感器最核心的部分，其中最關(guān)鍵的的各種狀態(tài)的模式識(shí)別，譬如干燥狀態(tài)、結(jié)霜狀態(tài)、化霜狀態(tài)的識(shí)別。

干燥狀態(tài)的識(shí)別。干燥狀態(tài)也就是無(wú)霜無(wú)水的狀態(tài)，判斷的依據(jù)有以下幾個(gè)條件：①實(shí)測(cè)微波波長(zhǎng)與空氣波長(zhǎng)相差不大；②實(shí)測(cè)微波幅值與空氣幅值相差不大；以上兩個(gè)條件同時(shí)滿足則可以以判斷為干燥狀態(tài)，可以描述為：If①and②then state=dry。

結(jié)霜狀態(tài)的識(shí)別。結(jié)霜狀態(tài)也就是有霜無(wú)水的狀態(tài)，判斷的依據(jù)有以下幾個(gè)條件：①傳感器溫度低于0度；②實(shí)測(cè)微波波長(zhǎng)小于空氣中波長(zhǎng)；③實(shí)測(cè)微波波長(zhǎng)大于結(jié)滿霜時(shí)的波長(zhǎng)；④實(shí)測(cè)微波幅值與空氣幅值相差不大；以上四個(gè)條件同時(shí)滿足則可以判斷為結(jié)霜狀態(tài)，可以描述為：If①and②and③and④then state=frosting。當(dāng)傳感器處于結(jié)霜狀態(tài)時(shí)，結(jié)霜的厚度跟實(shí)測(cè)微波波長(zhǎng)有關(guān)。

化霜狀態(tài)的識(shí)別。化霜狀態(tài)比較復(fù)雜，化霜早期是霜和水并存的狀態(tài)，化霜后期是僅有水的狀態(tài)，判斷的依據(jù)有以下幾個(gè)條件：①傳感器溫度高于0度；②實(shí)測(cè)微波波長(zhǎng)小于結(jié)滿霜時(shí)波長(zhǎng)；③實(shí)測(cè)微波幅值低于空氣幅值；以上三個(gè)條件滿足一個(gè)就可以判斷為化霜狀態(tài)，可以描述為：If①or②or③then state=defrosting。當(dāng)傳感器處于化霜狀態(tài)時(shí)，通過(guò)幅值變化可以判斷是化霜早期還是末期。化霜早期霜和水并存，幅值的變化是逐漸緩慢變低，而且是平穩(wěn)變低。化霜進(jìn)入末期時(shí)處于無(wú)霜僅有水的狀態(tài)，對(duì)幅值的影響大且變化劇烈。通過(guò)這個(gè)特點(diǎn)再加以軟件算法，可以識(shí)別出不同的化霜狀態(tài)。

3 傳感器應(yīng)用方案

3.1 傳感器與機(jī)組控制器的連接

結(jié)霜傳感器由空氣源熱泵機(jī)組的控制器供電，并與控制器的通訊接口或者開(kāi)關(guān)量輸入接口連接。圖4、圖5是兩種連接模式。RS485具有A、B兩根通訊線，可以直接將控制器和傳感器的通訊線兩兩對(duì)接。化霜傳感器采用modbus通訊協(xié)議，可以輸出的數(shù)據(jù)和狀態(tài)有傳感器狀態(tài)、結(jié)霜厚度、水膜厚度、溫度等。控制器可以自己設(shè)定化霜的厚度參數(shù)，當(dāng)化霜傳感器霜厚度超過(guò)設(shè)定厚度時(shí)可以自動(dòng)進(jìn)入化霜程序。當(dāng)退出化霜時(shí)則依據(jù)傳感器的水膜厚度數(shù)據(jù)。當(dāng)化霜傳感器需要標(biāo)定時(shí)，可以通過(guò)RS485接口讀取和下載相關(guān)參數(shù)（圖4）。有些控制器不具備RS485接口或者不能開(kāi)放通訊協(xié)議，則可以采用開(kāi)關(guān)量數(shù)字接口（圖5）。開(kāi)關(guān)量只能輸出高低兩種狀態(tài)，為了讓控制器獲取更多的狀態(tài)信息，傳感器采用周期性變化的方式來(lái)輸出檢測(cè)狀態(tài)。

圖4 結(jié)霜傳感器與控制器RS485連接

圖5 結(jié)霜傳感器與控制器RS485連接（采用開(kāi)關(guān)量數(shù)字接口）

傳感器開(kāi)關(guān)量輸出的狀態(tài)及開(kāi)關(guān)量變化方式分別為：干燥/低4秒高1秒、微微有霜/低3秒高2秒、厚霜/低2.5秒高2.5秒、水/低2秒高3秒、微水膜/低1秒高4秒。采用開(kāi)關(guān)量接口的進(jìn)入化霜厚度參數(shù)由結(jié)霜傳感器內(nèi)部設(shè)置，控制器無(wú)法修改。當(dāng)控制器檢測(cè)到低2.5秒高2.5秒的交變開(kāi)關(guān)量信號(hào)時(shí)，則進(jìn)入化霜程序。當(dāng)檢測(cè)到低4秒高1秒的傳感器干燥信號(hào)時(shí)，則退出化霜重新進(jìn)入制熱。

3.2 進(jìn)入化霜的流程

當(dāng)空氣源熱泵機(jī)組持續(xù)制熱運(yùn)行中，傳感器檢測(cè)到溫度持續(xù)低于零度，傳感器結(jié)霜且厚度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，判斷為滿足化霜條件，向控制器發(fā)出進(jìn)入化霜的指令，空氣源機(jī)組進(jìn)入化霜程序。化霜過(guò)程中壓縮機(jī)系統(tǒng)換向，變成室外換熱器制熱，室外風(fēng)機(jī)停機(jī)，室外換熱器翅片溫度升高，霜開(kāi)始融化成水。

3.3 退出化霜的流程

化霜過(guò)程中，室外換熱器翅片溫度升高，傳感器上溫度也同步升高，霜開(kāi)始融化。當(dāng)溫度高于一定的設(shè)定溫度后，出現(xiàn)霜和水滴混合的狀態(tài)，結(jié)霜傳感器由檢測(cè)霜厚度的模式轉(zhuǎn)變成檢測(cè)水膜厚度的模式，隨著霜逐步融化，水膜厚度開(kāi)始增加，達(dá)到一個(gè)最大值時(shí)可認(rèn)為霜已經(jīng)化干凈。此后由于水下滴，水膜厚度開(kāi)始下降。當(dāng)水膜厚度低于一定程度時(shí)可視為化霜接近尾聲，機(jī)組控制器先打開(kāi)室外風(fēng)機(jī)吹掃翅片和結(jié)霜傳感器上的水膜，結(jié)霜傳感器檢測(cè)到無(wú)水后發(fā)出指令讓控制器退出化霜程序，重新進(jìn)入制熱運(yùn)行。

綜上，本文介紹了一種基于微波技術(shù)的空氣源熱泵空調(diào)機(jī)組的結(jié)霜化霜檢測(cè)方法，并依據(jù)此原理研發(fā)了一種結(jié)霜傳傳感器且投入了實(shí)際應(yīng)用。該傳感器也可以應(yīng)用在空氣源熱泵熱水器機(jī)組上。相比目前廣泛采用的溫度+時(shí)間的結(jié)霜判斷方法，這種傳感器能直接檢測(cè)結(jié)霜狀態(tài)、結(jié)霜厚度、化霜狀態(tài)、水膜厚度等多個(gè)狀態(tài)和參數(shù)，檢測(cè)的準(zhǔn)確性更高，可靠性更高。從應(yīng)用效果上看，的確能解決空調(diào)暖通行業(yè)結(jié)霜化霜檢測(cè)的難題，對(duì)提高機(jī)組的能效比有非常好的作用。