基于微波技术的空调设备结霜化霜检测方法

清华大学深圳国际研究生院 孟 敏 郑向远

空气源热泵空调机组是目前最广泛采用的一种空调暖通设备，家用空调也都属于这种类型。空气源热泵空调在夏天制冷时，将室内热量转移到室外换热器上并散发到空气中，在冬天制热的时候，则把室外空气中的热量转移到室内。从过程上看，制热一般比制冷要复杂一些，其中最主要的就是空气源热泵机组在制热时存在一个室外换热器结霜和化霜的问题。空气源热泵机组制热时，室外换热器的温度是低于环境空气温度的。如果空气中湿度较高，而且换热器温度比空气的露点温度更低，就会在室外换热器上出现结霜的现象。室外换热器结霜后，会进一步降低了换热器的换热效果，这样就导致恶性循环，不仅降低了制热的效率，还影响到了设备的安全运行。因此当室外换热器结霜到一定的程度时，就必须要采取化霜的措施。

然而由于技术条件有限和成本的原因，目前空气源热泵空调暖通设备普遍采用温度+时间的间接结霜判断模式。而从结霜的成因上分析影响结霜的原因是很多的，除了温度还有空气的湿度、露点、风速风向等很多因素。因此不同季节、不同区域的空调设备结霜的情况会有很大的区别。譬如我国南方湿度较高，正常情况下机组运行一段时间机会出现室外换热器结霜。而在北方有可能机组长时间运行而不结霜，但一旦有潮湿空气过来就会出现不规律结霜情况，这些都是目前温度+时间的方法无法解决的。

如果结霜检测不可靠，就会影响到空调设备的安全运行。譬如室外换热器出现了严重结霜却没有检测到，则会造成机组制热效果下降甚至造成停机保护。如果没有结霜却误判为结霜，就会使机组错误进入化霜程序，不仅影响制热效果还浪费电能。目前绝大多数的空气源热泵机组都是通过温度、温差以及时间来间接判断是否结霜，如果能直接检测室外换热器结霜的情况，将会对机组的性能和安全提供非常好的保障。

1 检测原理

微波是一种高频电磁波，既可以有线传输也可以无线传输。微波的传输速度公式为V=C/√εμ，式中V为微波的传输速度，C为光速，ε为传输介质的介电常数，μ为传输介质的磁导率。由于一般介质的磁导率都为1、可忽略不计，因此影响微波速度的最主要参数就是介质的介电常数。空气的介电常数为1，水的介电常数在70～80之间。冰和霜虽然是水的一种固态形式，但介电常数却大不相同，冰的介电常数大约为3、霜的介电常数大约为2。由此可见微波在空气、水和霜中的传输速度是不一样的，在空气中接近为光速，在霜中要略低于空气，而在水中则微波速度衰减很大。

微波的时域特性除了速度外，还有频率、周期、波长、功率等。波速与频率波长的关系为V=λ/T=λf，式中λ为波长，T为周期，f为频率。由此可见，如频率固定，微波在空气中传输时波长最长、在水中波长最短。假如微波的传输介质从空气逐步变化为霜则波长也会逐步变短，霜的厚度跟波长变化呈单调对应关系。如果霜化成水则波长会急剧变更短、出现突变。如果水吹干则波长恢复最长的状态。因此可通过检测微波的波长变化，得到微波传输范围内的结霜和化霜的情况。微波的另一个时域特性是功率，跟信号的幅值有关，微波在不同物质中传输时幅值受电导率影响较大。对于空气、霜和水来说，空气和霜由于不导电、对微波幅值影响较小，而水由于导电会造成微波幅值的衰减。通过对微波幅值变化的检测也可对结霜或者化霜状态做出辅助判断。

2 结霜传感器的设计

应用于空气源热泵空调机组的结霜化霜传感器从结构上看，主要由机械结构和电子电路两大部分组成。此外传感器的嵌入式软件设计也是一个重要组成部分。

2.1 传感器的结构设计

翅式换热器是目前最主要的空气源热泵机组的室外换热，翅片既是散热和吸热的主要结构，也是结霜的主要部分。因此在设计结霜传感器时，最主要就是要考虑如何安装在翅片上。图1中1为传感器翅片、2为微波传输线、3为传感器盖。传感器外壳采用铝合金材料，具有良好的导热效果。电路板密封在传感器内部，并做好防水处理。传感器具有两个平行的翅片，方便其插入室外换热器的翅片中，并与换热器翅片紧密接触。微波传输线紧贴传感器的侧面，插入换热器翅片后，微波传输线与换热器翅片呈90度角并靠近。当室外换热器结霜时，由于传感器上的温度、湿度、风速等各项指标都与翅片接近，因此也会在传感器上结同等厚度的霜。

图1 结霜传感器结构外观图

图2 结霜传感器安装及结霜效果图

2.2 传感器的电子电路设计

化霜传感器的电路分为电源电路、微控制器电路、微波电路、测温电路、通讯电路几个主要部分。微控制器电路是整个系统的核心，它控制微波电路产生高频微波信号，经检测传输线返回后，得到与波长和功率相关的低频信号，低频信号可以直接由微控制器AD采样处理。测温电路主要由热敏电阻和差分放大测温电路组成，也由微控制器采样处理。传感器具有两个通讯接口，一个是RS485通讯接口，既可以输出传感器数据和状态、还可以用来设置内部参数。另一个是开关量输出，通过开关量的高低变化输出传感器检测状态。

图3 结霜传感器电子电路原理框图

2.3 传感器的软件算法设计

软件算法是结霜传感器最核心的部分，其中最关键的的各种状态的模式识别，譬如干燥状态、结霜状态、化霜状态的识别。

干燥状态的识别。干燥状态也就是无霜无水的状态，判断的依据有以下几个条件：①实测微波波长与空气波长相差不大；②实测微波幅值与空气幅值相差不大；以上两个条件同时满足则可以以判断为干燥状态，可以描述为：If①and②then state=dry。

结霜状态的识别。结霜状态也就是有霜无水的状态，判断的依据有以下几个条件：①传感器温度低于0度；②实测微波波长小于空气中波长；③实测微波波长大于结满霜时的波长；④实测微波幅值与空气幅值相差不大；以上四个条件同时满足则可以判断为结霜状态，可以描述为：If①and②and③and④then state=frosting。当传感器处于结霜状态时，结霜的厚度跟实测微波波长有关。

化霜状态的识别。化霜状态比较复杂，化霜早期是霜和水并存的状态，化霜后期是仅有水的状态，判断的依据有以下几个条件：①传感器温度高于0度；②实测微波波长小于结满霜时波长；③实测微波幅值低于空气幅值；以上三个条件满足一个就可以判断为化霜状态，可以描述为：If①or②or③then state=defrosting。当传感器处于化霜状态时，通过幅值变化可以判断是化霜早期还是末期。化霜早期霜和水并存，幅值的变化是逐渐缓慢变低，而且是平稳变低。化霜进入末期时处于无霜仅有水的状态，对幅值的影响大且变化剧烈。通过这个特点再加以软件算法，可以识别出不同的化霜状态。

3 传感器应用方案

3.1 传感器与机组控制器的连接

结霜传感器由空气源热泵机组的控制器供电，并与控制器的通讯接口或者开关量输入接口连接。图4、图5是两种连接模式。RS485具有A、B两根通讯线，可以直接将控制器和传感器的通讯线两两对接。化霜传感器采用modbus通讯协议，可以输出的数据和状态有传感器状态、结霜厚度、水膜厚度、温度等。控制器可以自己设定化霜的厚度参数，当化霜传感器霜厚度超过设定厚度时可以自动进入化霜程序。当退出化霜时则依据传感器的水膜厚度数据。当化霜传感器需要标定时，可以通过RS485接口读取和下载相关参数（图4）。有些控制器不具备RS485接口或者不能开放通讯协议，则可以采用开关量数字接口（图5）。开关量只能输出高低两种状态，为了让控制器获取更多的状态信息，传感器采用周期性变化的方式来输出检测状态。

图4 结霜传感器与控制器RS485连接

图5 结霜传感器与控制器RS485连接（采用开关量数字接口）

传感器开关量输出的状态及开关量变化方式分别为：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。采用开关量接口的进入化霜厚度参数由结霜传感器内部设置，控制器无法修改。当控制器检测到低2.5秒高2.5秒的交变开关量信号时，则进入化霜程序。当检测到低4秒高1秒的传感器干燥信号时，则退出化霜重新进入制热。

3.2 进入化霜的流程

当空气源热泵机组持续制热运行中，传感器检测到温度持续低于零度，传感器结霜且厚度达到设定值时，判断为满足化霜条件，向控制器发出进入化霜的指令，空气源机组进入化霜程序。化霜过程中压缩机系统换向，变成室外换热器制热，室外风机停机，室外换热器翅片温度升高，霜开始融化成水。

3.3 退出化霜的流程

化霜过程中，室外换热器翅片温度升高，传感器上温度也同步升高，霜开始融化。当温度高于一定的设定温度后，出现霜和水滴混合的状态，结霜传感器由检测霜厚度的模式转变成检测水膜厚度的模式，随着霜逐步融化，水膜厚度开始增加，达到一个最大值时可认为霜已经化干净。此后由于水下滴，水膜厚度开始下降。当水膜厚度低于一定程度时可视为化霜接近尾声，机组控制器先打开室外风机吹扫翅片和结霜传感器上的水膜，结霜传感器检测到无水后发出指令让控制器退出化霜程序，重新进入制热运行。

综上，本文介绍了一种基于微波技术的空气源热泵空调机组的结霜化霜检测方法，并依据此原理研发了一种结霜传传感器且投入了实际应用。该传感器也可以应用在空气源热泵热水器机组上。相比目前广泛采用的温度+时间的结霜判断方法，这种传感器能直接检测结霜状态、结霜厚度、化霜状态、水膜厚度等多个状态和参数，检测的准确性更高，可靠性更高。从应用效果上看，的确能解决空调暖通行业结霜化霜检测的难题，对提高机组的能效比有非常好的作用。