技术：积灰对于空调长效性能衰减的影响
本文我们将来探讨学习积灰对于空调长效性能衰减的影响。
空调器长期运行后，会因换热器性能衰减、压缩机磨损、风机功率下降、制冷剂泄露等原因，出现制冷量或制热量明显下降、耗能大幅上升的问题。目前，从单纯保证“新空调节能”转向保证“空调长效节能”，成为空调技术的发展方向[1]。影响换热器长效性能衰减的因素主要包括积尘、腐蚀、微生物污染和间歇运行四个方面[2]，而换热器积尘是导致空调器长效性能下降的最主要因素[3]。图1所示为一个实际空调换热器使用一定年限后的表面积尘情况。因此对于空调器长效性能衰减的研究，重点是对换热器积尘的长效性能衰减情况进行研究。
图1 空调室外换热器表面实际积灰实例
空调换热器表面的积灰实际上是空气中的固体悬浮颗粒物在换热器表面上的沉积，包括扬尘、燃煤、机动车排放、有机物燃烧、工业排放以及其他二次颗粒物等[4]。在有些场合下，换热器表面除了沉积有粉尘颗粒物外，可能还包括有纤维，如衣物、纸屑和宠物皮毛等。由于纤维本身具有对颗粒物的捕集效应，使得当换热器表面附着有纤维时，换热器表面的粉尘沉积量将显著提高[5]。图2所示为换热器表面积灰形貌的扫描电镜图。
根据空调换热器运行模式的不同，换热器翅片表面可能处于干工况和析湿工况，这两种工况下的积灰机理有所不同，颗粒物沉积机理存在本质的区别，从而导致这两种工况下的换热器表面积尘分布具有明显的差异，同时积灰对空调器长效性能的影响方式也有所差异。因此，在研究空调器及换热器长效性能变化的影响因素时一般从干、析湿两种工况展开研究。
评价换热器积灰后的性能变化，是评价空调器长效性能的关键。近年来我国通过制定有关的空调器长效性能的政策和评价标准来评估空调器的长效性能衰减[6]，规定了空调换热器长效性能的测试方法，为未来空调的长效节能发展指明了方向。
为方便地评估换热器积灰后的性能衰减状况，需要开发换热器加速积尘测试技术，即在短时间内用高粉尘浓度的积尘测试来近似代替换热器在实际低粉尘浓度环境下的长期积尘效果。而保障测试方法的可重复性，是推广应用换热器加速积尘测试技术的重要前提。由于冷凝水的存在同时具有增强粉尘黏附和冲刷积尘的作用[7]，使得换热器表面的积尘分布随机性增大，不利于提高加速积尘测试方法的可重复性。
提高换热器长效性能的研究工作，包括开发换热器表面颗粒物沉积模型以及开发换热器除尘技术。开发换热器表面颗粒物沉积模型，能够为快速预测换热器积灰风险、并为优化换热器结构以提高防积灰能力提供分析工具，包括干工况下颗粒物沉积模型和析湿工况下颗粒物沉积模型[8]。除尘技术的开发则要根据换热器的结构与灰尘分布特定，提出专门的技术[9]。
目前有关干工况下积灰对换热器长效性能的研究主要集中在翅片表面积灰分布特性以及积灰对换热器空气侧换热量和压降的影响。
空调换热器表面积灰分布特性的影响因素包括入口工况和换热器结构。关于入口工况对积灰特性的影响，粉尘浓度和入口风速是影响积灰的最重要的两个因素。喷粉浓度越高，同等时间内粉尘沉积量越大；当换热器入口风速较低时，适当增大风速有利于翅片表面积灰，而当入口风速提升至超过某一特定值后，高风速有利于翅片表面除灰[10,11]。关于换热器结构对积灰特性的影响，研究结果表明：开缝翅片和百叶窗翅片管换热器比波纹翅片和平直翅片管换热器更容易积灰，翅片表面的开缝结构能够扰乱翅片间的流场，同时增加粉尘颗粒和翅片表面的接触面积；翅片间距越小，粉尘越容易沉积；管间距越小，粉尘沉积量越小；管排数越多，灰尘越容易沉积[12]。此外，对于沉积在翅片表面的粉尘质量以及粉尘颗粒的直径的调研结果表明，粉尘沉积率与粉尘浓度成正比；大直径的粉尘颗粒物比小直径的粉尘颗粒物更不易沉积；换热器的迎风面为粉尘的主要沉积处[13]。
空调换热器表面积灰对空调器性能的影响主要集中在降低空气侧换热量和增大空气侧压降这两方面。研究表明，使用一定年限的空调室外机表面会沉积大量粉尘污垢，从而严重影响换热器的性能。实际在室外正常运行6年的表面式冷却器，粉尘污垢使得换热量衰减14%，空气侧压降增幅为145%[14]。实际使用7年的空调换热器由于积灰导致换热量衰减10～15%，空气侧压降增幅为44%[15]。上述研究发现，粉尘污垢对换热量的影响明显小于对压降的影响。换热器积尘后的摩擦因子变化增幅要高于换热因子变化增幅，对于一排管和两排管换热器，积尘后的空气侧压降增幅为22%～37%，而换热系数下降幅度仅为4%～12%[16]。
空气侧换热受积尘的影响体现在两个方面，一方面翅片上逐渐沉积的粉尘会使得换热性能下降，另一方面空气吹走已沉积的粉尘可以减缓对换热性能的下降作用，因而实际空调换热器长效性能的变化应该是灰尘沉积和灰尘移除两者叠加的结果[17]。对于灰尘沉积的影响，少量沉积的大气颗粒物对气流具有干扰作用，能够一定程度上强化空气侧换热；但随着空调运行时间的累积，由于灰尘污垢的传热系数远远低于换热器翅片和换热管，此时换热器翅片上不断积累的灰尘污垢层会造成换热性能的明显下降。
对于析湿工况下空调换热器表面颗粒物的沉积，其主要受翅片表面含湿量的影响；根据含湿量的大小可以将颗粒物沉积时的工况分为三类：翅片表面不含液态水时的高湿度空气流动工况、翅片表面含有冷凝水时的析湿工况以及翅片表面存在大量液态水时的淋水工况。
对于高湿度空气流动的工况，湿空气中的水蒸气会润湿颗粒物表面并使湿颗粒物集聚形成湿颗粒群，此时的湿颗粒群在换热器翅片表面的沉积过程分为润湿成核、固化长大、老化移除三个阶段，相对于表面干燥的大气颗粒物，湿颗粒更容易粘附在空调换热器翅片表面和换热管束表面形成较厚的颗粒物污垢层。
对于析湿工况，一方面换热器表面的积尘特性同样受结构因素和工况因素的影响，另一方面含尘液滴的长大和运动过程会对换热器性能衰减造成影响。当空调处于制冷模式运行时，其作为蒸发器来给室内提供冷量，同时翅片表面会发生析湿现象[18]，如图3（a）所示。此时，翅片表面的温度一般低于空气露点温度，室内空气流经冷的翅片表面时，空气中的水蒸气会在翅片表面形成水滴。水滴在翅片表面形成过程中，空气中的粉尘颗粒物会不断地被水滴吸附并形成含尘液滴；同时当壁面上的水滴不断长大时，粉尘颗粒物在壁面上的沉积量会明显提高[19]，最大可达干燥状态时的6.7倍[20]，如图3（b）所示。当如此多的污垢覆盖在翅片表面时，换热器空气侧的流通面积将减小、空气侧的热阻将增大，从而导致换热器的长效性能出现严重的衰减。
图3 析湿工况下换热器积尘前后对比图
对于淋水工况，由于一般的淋水量要远远大于换热器翅片表面析湿产生的冷凝水量，当换热器翅片表面的流动水量达到一定程度时，换热器表面的粉尘颗粒及粉尘污垢团将会随着水流一起被冲刷脱落，对换热器翅片起到轻微的清洁作用。当淋水量超过一定范围后，高强度、快流动的水流会对换热器起到冲刷、清理的作用，将沉积在换热器翅片间和换热管束间的粉尘污垢团彻底清除，经淋水冲刷后的换热器换热性能，能够保持与新换热器的性能一致[21,22]。
空调换热器运行一段时间后长效性能除了受积尘这一主要因素的影响外，还受到盐雾表面腐蚀、微生物污染和间歇运行等三个方面的影响[23]。盐雾腐蚀的影响主要采用实验方式对腐蚀程度不同的铜翅片换热器展开研究，影响集中在对换热器空气侧压降特性的影响。微生物污染则侧重于换热器在湿工况下的运行使得翅片表面容易在潮湿阴暗的环境中滋生微生物从而产生污垢热阻。空调换热器的间歇运行主要包括干湿循环和高低温循环两种，多次的干湿循环会改变翅片的亲水性能，高低温循环则会增大翅片的接触热阻。
参考文献
[1] 吴志东, 刘韧. 房间空调器长效节能影响因素及其评价体系研究[J]. 日用电器, 2014, 11: 58-62.
[2] 詹飞龙, 丁国良, 赵夫峰, 等. 空调换热器长效性能衰减的研究进展[J]. 制冷学报, 2015, 36(3):17-23.
[3] 张桃, 周拨, 赵夫峰, 等. 房间空调器性能衰减（稳定性）研究[J]. 制冷与空调, 2015, 15(5): 17-21.
[4] 胡敏，唐倩，彭剑飞. 我国大气颗粒物来源及特征分析 [J]. 环境与可持续发展, 2011, 36(5): 15-19.
[5] Pak B C, Groll E A, Braun J E. Impact of fouling and cleaning on plate fin and spine fin heat exchanger performance [J]. Ashrae Transactions, 2005, 111: 496–504.
[6] 中国质量认证中心. CQC 9202-2012 空调器长效节能评价技术要求[S]. 北京: 中国质量认证中心, 2012．
[7] 鞠培玲, 詹飞龙, 庄大伟, 等. 翅片管换热器在析湿工况下的积灰特性及对空气侧压降的影响[J]. 制冷学报, 2018, 39(6):10-16.
[8] Zhan F L, Zhuang D W, Ding G L, et al. Numerical model of particle deposition on fin surface of heat exchanger [J]. International Journal of Refrigeration, 2016, 72: 27–40.
[9] 丁国良, 詹飞龙, 庄大伟. 全流道定向除尘的空调用热交换装置. 中国发明专利ZL201610398886.9 [P], 2018-09-21.
[10] Haghighi-Khoshkhoo R, McCluskey F M J. Air-side fouling of compact heat exchangers for discrete particle size ranges [J]. Heat Transfer Engineering, 2007, 28(1):58–64.
[11] Yang L, Braun J E, Groll E A. The impact of evaporator fouling and filtration on the performance of packaged air conditioners [J]. International Journal of Refrigeration, 2007, 30(3):506–514.
[12] Bott T R, Bemrose C R. Particulate fouling on the gas-side of finned tube heat exchangers [J]. Journal of Heat Transfer, 1983, 105(1): 178–183.
[13] Ahn Y C, Lee J K. Characteristics of air-side particulate fouling materials in finned-tube heat exchangers of air conditioners [J]. Particulate Science and Technology, 2005, 23(3): 297-307.
[14] Krafthefer B C, Bonne U. Energy use implications of methods to maintain heat exchanger coil cleanliness [J]. ASHRAE Transactions, 1986, 92(1): 420–431.
[15] Thatcher T L, Layton D W, Thatcher T L, et al. Deposition, resuspension, and penetration of particles within a residence [J]. Atmospheric Environment, 1995, 29(13):1487–1497.
[16] Vicente E D, Ribeiro J P, Custódio D, et al. Assessment of the indoor air quality in copy centres at Aveiro, Portugal [J]. Air Quality Atmosphere & Health, 2016:1–11.
[17] Wu F, Jacobs D, Mitchell C, et al. Improving indoor environmental quality for public health: impediments and policy recommendations [J]. Environmental Health Perspectives, 2007, 115(6):953–7.
[18] 马小魁, 丁国良, 张圆明. 析湿工况下带亲水层开缝翅片管换热器空气侧传热传质特性[J]. 化工学报, 2007, 58(8): 1911–1916.
[19] 樊越胜, 白宝, 司鹏飞,等. 空调室外换热器表面积尘特征的实验研究[J]. 洁净与空调技术, 2011(4):5–8.
[20] Kaiser S, Antonijevic D, Tsotsas E. Formation of fouling layers on a heat exchanger element exposed to warm, hµmid and solid loaded air streams [J]. Experimental Thermal & Fluid Science, 2002, 26(2): 291–297.
[21] Abd-Elhady M S. Optimization of flow direction to minimize particulate fouling of heat exchangers [J]. Heat Transfer Engineering, 2009, 30(11):895–902.
[22] Y D Jun, K B Lee, S Z Islam, et al. Fouling reduction characteristics of a no-distributor-fluidized-bed heat exchanger for flue gas heat recovery [J]. Heat Transfer Engineering, 2008, 29(9):822–829.
[23] 浦晖. 翅片管蒸发器空气侧长效传热与压降特性研究[D]. 上海：上海交通大学, 2009.
[24] 国家发展改革委. 能效“领跑者”制度实施方案[S]. 北京: 国家发展改革委, 2014.
[25] 上海市质量技术监督局. DB31/T 941.1-2015节能消费领跑者评价方法（家电产品）第1部分: 房间空气调节器[S]. 上海: 上海市质量技术监督局, 2015.