空调蒸发器“自清洁”功能分析研究

郑海文  陈志伟

[摘  要]本文通过对常用室内机蒸发器“自清洁”功能进行研究，并测试对比不同厂家空调的“自清洁”功能控制策略，发现空调系统冷热交换的方法，可杀死室内机蒸发器部分细菌以及降低其活跃度，并利用过程中产生的冰霜将部分尘埃和细菌带走，达到将蒸发器除菌除尘的效果。结果表明，额定制冷工况下，M空调排水量较多，有366g，H空调排水量较少，为96g，这两个空调品牌蒸发器几乎未结冰霜，G空调排水量为170g，结霜时，霜层布满整个蒸发器，根据理论分析及实验研究，其整体效果最优。

[关键词] 空调；蒸发器；自清洁；排水量；冰霜

0 引言

采用翅片管换热器作为蒸发器的空调系统，在使用空调时，空气中的灰尘会随着来流空气流经蒸发器，部分灰尘颗粒会黏附在湿润的蒸发器翅片表面（主要集中在蒸发器的迎风面），形成空气侧污垢，一定年限后，这必将影响蒸发器的传热和压降，从而降低了蒸发器的应有性能，并且细菌的滋生及聚集会产生各种具有黏性的分泌物，在蒸发器表面导致吸附更多的灰尘。当空调开启时，伴随风吹出来的是灰尘和细菌。病菌主要通过空气传播，经呼吸道进入人体。人感染后可能出现咳嗽、发热等症状，引发肺炎，严重者可致呼吸衰竭和肾衰竭。

因此，有必要针对蒸发器清洁技术展开研究，目前对室内机的清洗不是增加运动结构就是单靠冷凝水进行清洗，无法达到除菌除尘的效果，开发高效、先进，而不增加开发的成本的技术，成为各大空调厂家研发的重点方向，本文对各大空调厂家的蒸发器“自清洁”功能进行实验测试对比，探索哪种 “自清洁”技术能实现蒸发器除菌除尘最佳效果。

1 蒸发器尘埃沉积机理

1.1 实验依据

空调蒸发器管道内的空气流通常为湍流状态，根据Shaw等人在一个液体湍流中发展了吻合湍动扩散沉积实验数据的方程[1]：

（1）

（2）

式中，

V+d---为粒子沉积速度；

Sc---为施密特数；

υ---为空气的运动黏度；

D---为布朗扩散系数；

dp---为粒子直径；

μ---为空气的动力黏度；

Cc---为砍宁安滑动修正因子；

K---为Boltzmann常数, 1.38X10-23J/K；

Ta---为空气温度。

根据上式可知：

①空调系统中灰尘粒子沉积量随着空气流速和灰尘粒子直径增大而增加；

②蒸发器铜管粗糙面的粒子沉积量比光滑面的粒子沉积量大两个数量级，沉积速度大于等于光滑面的两倍。

蒸发器中的灰尘是固体杂质，形状不规则，且具有吸水性。当空气中存在大量灰尘，且相对湿度达到一定程度时，水蒸气即形成水滴，所以灰尘易被湿润，也易吸附水分。灰尘大多具有吸湿性能，空气中的水蒸气必须依附在灰尘上，才能凝结成小水滴，当空气中的水蒸气达到饱和时，分散的水汽就依附着灰尘而形成稳定的水滴。当水滴有一定的流速时便可将尘埃带走。但由于空调系统在每次停机后依然有水滴的存在，因此部分尘埃依然残留在翘片上无法清除，久而久之导致蒸发器污染。

2 “自清洁”功能

目前市场上空调常用的蒸发器“自清洁”技术有以下几种方案。

2.1 冷凝水清洗

蒸发器清洁过程中开启除湿模式，使蒸发器温度不低于0℃，且低于空气露点温度，以增加凝露水量，使自清洁排水量增大，运行一定时间后，利用灰尘与水滴的粘附性及一定风速，通过流水将尘埃带走。

2.2 两次抑菌—结霜化霜清洁

蒸发器产生凝露水冲刷其上部分灰尘后，让凝露水结成冰霜，改变尘埃粘附在蒸发器翘片上的结构。改变粘附在蒸发器上的尘埃与蒸发器间的粘附力，此时将冰霜快速融化，并利用风速即可使霜水迅速带走尘埃。

通过蒸发器产生凝露水后，再使蒸发器结霜低温控制细菌的活性，并利用蒸发器产生的霜来改变蒸发器翘片上尘埃结构。

在蒸发器表面上，水蒸气首先在铜板表面凝结成小水滴，小水滴不断聚合长大，并以过冷水的形态持续一段时间后在铜板表面冻结，然后在冻结水珠的顶部继续霜层生长，对结霜初期做了这样的描述：

水珠生成→水珠长大→水珠合并→水珠长大→水珠冻结→初始霜晶生成→霜晶成长→霜枝倒伏→霜层成长[2]。

其中，影响蒸发器结霜主要有环境温度、相对湿度、风速和蒸发温度。由于该功能的使用针对绝大多数的空调系统在常规的温度下均能使用，能够通过空调系统自身的控制实现结霜的就只有风速和蒸发温度来控制结霜量。通过相关研究表明，风速减少，霜层厚度的增速加快，结霜周期短，结霜量下降。而蒸发温度Te越低，霜形成越厚，霜沉降量越大[3]。

当霜层达到一定的时候，立即转制热运行使蒸发器产生高温融化霜层，利用温差的突变再次降低细菌活性甚至杀死部分细菌，并且通过霜层夹带和流水将其带出，即该模式可归纳为：制冷凝露过程——制冷结霜过程——制热化霜过程[4]。

2.3 单次抑菌—高温烘干清洁

制热运行使蒸发器保持高温，并维持一定时间，降低细菌活性甚至杀死部分细菌。有资料显示，20~50℃是军团菌生长的适宜温 度，而35~46℃是最佳生长温度。水温在70℃时军团菌立即死亡，在50℃以上时90%的军团菌在2h内死亡

[5]。考虑到可靠性及舒适性因素，实际蒸发器温度并不能控制到过高温度及高温运行过长时间。

3 实验验证

3.1 样机配置

试验样机采用三个厂家的房间空调热泵整机，分别编号为G样机、M样机、H样机，能力均为3500W，能效均为1级。

3.2 实验方法及目的

样机：两组使用年限均为1年半的G样机；工况：室内侧温度27℃，湿度80%，室外侧：35℃，湿球温度：24℃。

测试蒸发器“自清洁”方法，对比各技术方案的清洁效果。

对比清洗蒸发器前后表面清洁度和冷凝水水质，为验证除菌除尘的效果，增加冷凝水浊度、细菌数测试项目。

并对比各厂家样机“自清洁”功能的效果。

3.3 实验结果

3.3.1 技术方案对比

见表1，经过“自清洁”技术后，发现冷凝水清洗+结霜化霜清洁对剥离翅片灰尘效果更好。

表1“自清洁”实测效果对比

阶段	水洗        水洗+结霜化霜
清洗前		366g
清洗中
清洗后

见表2，连续清洗过程中，空调排水的浊度越来越低，说明两种清洁方式对换热器均具有清洁效果，其中，水洗+结霜化霜对长期粘附在蒸发器的灰尘清除效果明显；冷凝水+结霜清洁技术方案的冷凝水细菌数降比略低于水洗，但其减少细菌数远高于水洗方案，说明该技术对清除细菌等浊物的清洗效果更好。

表2“自清洁”排水检测参数对比

阶段	水洗		水洗+结霜化霜
参数	去除量	降比	去除量	降比
浊度/（NTU）	1.55	4.6%	1.3	7.7%
细菌数 *CFU/mL	900	5.7%	62000	4.8%

注1：国内自来水TDS≈175 ppm；自来水细菌总数≤100 cfu/ml；

注2：cfu—colony-forming unit为菌落总数；

注3：1FTU(Formazan Turbidity Units) =1NTU（Nephelometric Turbidity Units散射浊度）=1JTU(杰克逊浑浊度)；

注4：测试样本由于在不同的使用环境下工作，翘片的尘埃状态与之相关；

整体上从细菌的测试情况来说，在化霜过程中的水有大量的细菌，证明清洁过程中通过降低细菌活性将细菌带出室外是能够达到除菌的效果。

3.3.2 厂家样机对比

测试各厂家蒸发器“自清洁”功能，具体数据如表3所示。

表3 各厂家蒸发器“自清洁”技术效果对比

项目	G样机          M样机		H样机
排水量	170g	366g	96g
结霜

G样机：整体排水量为170g，结霜霜层较厚，且布满整个换热器；M样机：整体排水量：366g，无结霜现象；H样机：整体排水量：96 g，内机换热器霜层较薄；

图1 “自清洁”功能室内机换热器温度对比

从图1可知，各厂家蒸发器“自清洁”功能控制策略均不同。

M样机采用冷凝水+高温烘干清洁技术。前期将室内换热器温度控制在0℃以上来产生大量凝露水，清洗蒸发器上的灰尘，运行一定时间后，转制热运行提高蒸发器温度至53℃，降低细菌活性甚至杀死部分细菌。

过程。通过将蒸发器控制在恒定温度（7℃左右）一定时间来产生凝露水，清洗部分灰尘，再使蒸发器结霜产生低温来抑制细菌的活性，当霜层达到一定厚度时，立即转制热运行使蒸发器产生高温融化霜层，利用高温差的突变（-16.7℃→59℃），再次降低细菌活性甚至杀死部分细菌，并且通过霜层夹带和流水将其带出。

H样机采用冷凝水清洗+结霜化霜技术。前期控制室内换热器温度快速降低至0度以下，最低达-23.1℃，因前期凝露阶段，蒸发器上挂水较少，且蒸发器低温运行时间较短，导致结霜阶段蒸发器温度较低也未能形成较厚的霜层，快速转制热运行，提高蒸发器温度至37.6℃后退出“自清洁”模式，烘干温度也较低，并不能达到降低细菌活性杀死部分细菌的目的，甚至有助于细菌生长，反而有危害人体健康的可能。

4 结论

本研究通过理论分析及实际测试，对各种厂家蒸发器“自清洁”技术进行研究。

其中，冷凝水清洗+结霜化霜技术对清除蒸发器灰尘及细菌等浊物效果较明显，各厂家空调的蒸发器“自清洁”功能控制策略不同。

M样机：运行前期产生大量凝露水，再转制热运行提高蒸发器温度，整个过程蒸发器未结霜，该技术对长期粘附在蒸发器的灰尘清除效果有限；

G样机：采用冷凝水清洗+结霜化霜技术，先控制蒸发器低温结霜抑菌，再转高温化霜，该技术能有效清洗灰尘，并减少蒸发器细菌数，降低细菌活跃度。

H样机：凝露水较少，结霜阶段蒸发器未能形成较厚的霜层，即未能改变尘埃与蒸发器间的粘附力，高温烘干温度较低，不能降低细菌活性，甚至有助于细菌生长，反而有危害人体健康的可能。

通过上述分析，笔者得出，通过制定有效、可行的“自清洁”技术能实现较好除菌除尘的效果。

参考文献：

[1] Shaw D A, Hanratty T J. Turbulent mass transfer rates to awall for large Schmidt numbers[J]. AIChE Journal, 1977,23(1):28-37.

[2] 吴晓敏,单小丰,王维城,唐黎明.冷表面结霜的微细观可视化研究[M].北京.清华大学热能工程系,2003.

[3] 郭宪民,王冬丽,陈轶光,汪伟华.室外换热器迎风速对空气源热泵结霜特性的影响[M].天津.天津商业大学天津市制冷技术重点实验室,2012.