【研究】多联式空调换热器自动清洁技术
空调运行一段时间后，换热器表面容易沉积灰尘等杂质，不但影响换热性能，而且会在表面滋生细菌或病毒，严重时会危害用户的身体健康。空调设备中常用的清洁方法是过滤除尘和杀菌，如采用高密度滤网，缺点是产生的风阻大，影响室内机的风量和能力。针对这个问题，今天我们分享一篇关于多联式空调换热器自动清洁的研究文章。
1.1功能设计
采用目标参数控制方法，调节室内风机转速、运行时长、压缩机频率、室外温度等参数，使空调分段式运行制冷和制热模式，分别对应自动清洁功能的除尘和杀菌两个阶段。
空调进入自动清洁功能后，按照预设的顺序，先进入除尘阶段(即制冷模式)，除去换热器表面的灰尘或杂质，然后控制四通换向阀动作，再进入杀菌阶段(即制热模式)，一方面将换热器烘干，保持其清洁干燥，另一方面利用盘管的高温将无法去除的细菌等微生物灭活。
1.2清洁原理
进入除尘阶段，通过控制制冷的运行参数，使室内机的盘管温度降至空气的露点以下，在换热器表面析湿凝露，继续降低盘管温度至冰点以下，使凝结水结冰或结霜，冻结换热器表面的杂质，利用冰的物理膨胀特性使杂质从换热器表面脱离。
进入杀菌阶段，空调切换到制热模式，室内机的盘管温度升高，使换热器表面的冰冻层融化，形成大量凝结水冲刷换热器翅片带走表面的灰尘，随排水管排出。控制盘管温度继续升高，首先烘干换热器，
然后形成高温环境，达到使换热器表面的细菌、真菌等微生物灭活的目的，从而实现空调的整个自动清洁过程。
基于上述原理，分别用室内机的凝结水量和盘管温度作为换热器清洁能力的评价指标，凝结水量越大表示除尘效果越好，盘管温度越高表示杀菌效果越好。
除尘阶段的实验效果如图1所示。翅片表面形成大量凝结水(如图中圆圈所示)，沿着翅片间隙滑落，冲刷翅片表面的灰尘等杂质，进而达到除尘清洗的目的。
实验过程的凝结水量用容器收集后称重，盘管温度用温度传感器进行采集。
评价指标的影响因素主要有：室内风机转速、清洁运行时长、压缩机频率、室外环境温度等。根据多联式空调的常用参数，设定基准值，例如为减少清洁中室内机的能量耗散，室内机设定为低风档转速。通过分析不同条件下的凝结水量和盘管温度，得到各因素对自动清洁功能的影响趋势。影响因素的取值范围如表1所示。
选用一套容量为16 kW的一拖四多联式空调机组，如图2所示，搭配转速可调节的风管式室内机，容量分别为2.2、3.2、4.5、6.3 kW。机组以常用的R410A作为系统制冷剂。
选用25 kW焓差式控制实验台，用于提供实验所需的室内工况和室外工况，控制精度为±0.1 ℃。操作步骤：1)在室内机排水口处放置容器，用于收集排出的凝结水；2)连接室内机盘管的温度传感器，开启检测软件；3)工况稳定后，开启空调分别运行制冷和制热模式；4)调节相应的控制目标参数；5)运行结束后，对室内机的排水量进行称重，并记录室内机的盘管温度。
为更直接的反映室内机的清洁效果，以容量为3.2kW的室内机为例来分析各因素对除尘阶段和杀菌阶段清洁指标的影响。
4.1除尘阶段的因素分析
4.1.1 室内风机转速的影响
室内风机的转速决定了通过换热器的风量，直接影响室内机的能力输出，是空调系统中重要的参数。
室内风机转速对凝结水量的影响如图3所示。由图3可知，随着室内机转速的增加，室内机凝结水量存在最优值。转速由200 r/min升至350 r/min，凝结水量由95 g升至186 g。转速升至400 r/min，凝结水量反而有所降低。
这是由于随着室内机转速的提高，经过换热器的风量增加，使更多的水蒸气在换热器表面冷凝，故室内机的凝结水量增加。但是风量增加的同时室内机盘管温度随之升高，当转速高于350 r/min时，室内机盘管与空气的传热温差减小，导致凝结水量出现降低。
因此，对于本文的实验系统而言，室内风机转速设定为350 r/min时，凝结水量最大，可以达到最优的清洁效果。
4.1.2 运行时长的影响
时间条件是空调系统中常用的重要控制参数。当其它条件相同时，自清洁的运行时长对换热器凝结水量的影响如图4所示。其余参数一定时，室内机的凝结水量与运行时长呈线性关系，运行时长由8 min增至24 min，凝结水量增加了150%。随着室内空气与换热器的持续换热，空气中的水蒸气遇到较冷的换热器表面不断凝结，形成凝结水冲刷翅片。可见，除尘阶段的运行时间越长，凝结水量越大。设计清洁功能时应尽量增加除尘阶段的运行时长，增加除尘效果。
4.1.3 压缩机频率的影响
压缩机的运行频率决定了室内机的输出能力，对换热器凝结水量的影响如图5所示，压缩机频率由35 Hz升至55Hz，室内机的凝结水量由95 g增至220 g，提升131.5%。在相同的基准条件下，提高压缩机的运行频率，降低了室内机换热器的蒸发压力，从而增加空气侧与制冷剂侧的传热温差，使空气中更多的水蒸气在换热器表面形成凝结水，冲刷翅片上的灰尘，得到更好的清洁效果。
因此在除尘阶段应提高压缩机的运行频率，以增加换热器的凝结水量，提高清洁效果。
4.1.4 室外温度的影响
室外温度受天气、季节等因素的影响而变化较大，其对凝结水量的影响如图6所示，其余参数一定时，凝结水量随室外温度的升高而降低。
这是因为室外侧温度越高，室外换热器的换热效果越差，使室内机的蒸发压力升高，盘管温度上升，从而减少空气中水分的凝结。因此除尘阶段应根据室外温度的变化进行设计，例如在温度低于30 ℃时增加除尘阶段的运行，以提高除尘效率。
4.2杀菌阶段的因素分析
4.2.1 室内风机转速的影响
杀菌阶段空调切换为制热模式，与除尘阶段类似，室内风机的转速影响室内换热器的风量，直接影响盘管温度的高低，其它参数一定时，其对室内机盘管温度的影响如图7所示。室内风机转速提高后室内机的盘管温度呈下降趋势。风机转速为200 r/min时盘管温度可达58.6 ℃，转速提高至400 r/min时盘管温度降低了5.4 ℃。
风机转速的提高增加了室内换热器的风量，增加与换热器的热交换量，从而使盘管温度降低。因此为使换热器维持在较高的温度环境，应设定较低的室内风机转速，以获得较好的杀菌效果。
4.2.2 运行时长的影响
运行时长对室内机盘管温度的影响如图8所示。室内机的盘管温度随运行时长的增加而逐渐升高，时长大于12 min后稳定在54.6 ℃。因为室内机的送风量一定时，随着制冷剂循环的稳定，换热器的空气侧与制冷剂侧趋于换热平衡，使盘管温度达到稳定值。
因此为了达到理想的杀菌效果，应设定杀菌阶段的运行时长大于12 min，使换热器维持在稳定的高温环境下。
4.2.3 压缩机频率的影响
压缩机频率对盘管温度的影响如图9所示，室内机的盘管温度随压缩机运行频率的增加而升高，压缩机在55 Hz时，室内机的盘管温度提升了55.2%，达到57.6 ℃。
在杀菌阶段，提高压缩机的运行频率，排气温度和排气压力会随之提高，高温高压的气态制冷剂进入室内机的换热器，提升换热器的盘管温度。因此在空调的杀菌阶段中，应提高压缩机的运行频率，以提升换热器的杀菌效果。
4.2.4 室外温度的影响
室外的温度条件同样会影响杀菌阶段室内机的盘管温度，从而影响换热器的杀菌效果。不同的室外温度对盘管温度的影响如图10所示。
在相同条件下，室内机盘管温度随室外温度的升高而升高，室外温度为30 ℃时室内机的盘管温度达56.5 ℃。随着室外温度升高，压缩机的排气压力和排气温度随之升高，从而提升室内机的盘管温度。
因此应根据不同的室外温度设定不同的杀菌控制，例如室外温度较高时，增加杀菌阶段的运行，以达到理想的杀菌效果。
此外，室外环境温度对除尘阶段和杀菌阶段的影响趋势相反，应根据不同的环境温度设定不同的自动清洁功能。如温度较高时主要采取杀菌控制策略，温度较低时主要采取除尘控制策略，以达到最优的自动清洁效果。
本文在一定条件下，利用参数控制法，对多联式空调系统的自动清洁功能进行研究，分析了室内机转速、运行时长、压缩机运行频率等因素对室内机凝结水量和盘管温度的影响，得到如下结论：
1)除尘阶段的凝结水量随室内风机转速的升高先增加后降低，在350 r/min时达到最优值186 g，凝结水量与运行时长呈正比。因此除尘阶段的风机转速设定为350 r/min，合理增加运行时长可以提升换热器的除尘效果。
2)杀菌阶段的盘管温度随室内风机转速降低而升高，转速为200 r/min时盘管温度为58.6 ℃，运行12 min以后盘管温度趋于稳定，因此杀菌阶段应控制室内风机在较低转速，且运行时长应大于12 min，以达到理想的杀菌效果。
3)相同工况下，压缩机频率由35 Hz增至55 Hz，凝结水量和盘管温度分别提升了131.5%和55.2%，因此在除尘阶段和杀菌阶段应重视提高压缩机的运行频率。
4)室外温度对凝结水量和盘管温度的影响趋势相反，建议根据不同的温度区间设计不同的自动清洁功能，例如温度较低时侧重运行除尘阶段控制，温度较高时侧重运行杀菌阶段控制，以保证机组能耗和清洁效果最优化。
多联式空调系统的控制较为复杂，经常是同步调节多个参数。设计自动清洁功能，在保证室内机凝结水量和盘管温度最优的同时，各参数对系统可靠性的影响需要综合评估，此外不同的室内机组合搭配也需要进一步研究。