基于差压原理的空调过滤网洁净度检测

杨会敏 黄伟环 唐楚强

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

1 引言

空调由于长期运行，细微的粉尘、污垢集结在空调滤网上，滤网脏堵会降低空调的制冷效率[1]，增加能耗[2]，更重要的是会滋生大量细菌、霉菌和难闻的异味[3]。空调工作运转时，这些细菌会跟着空调运转很快弥漫在室内空气中，接触到人的皮肤和呼吸道，容易造成用户多发疾病。经调研了解，目前仍有诸多消费者不关注空调过滤网，没有定期对过滤网进行清洗进而造成灰尘脏堵情况。因此需要研发一种智能空调，可主动检测过滤网脏堵，并且能够使空调在实际运行过程中及时向用户反馈空调过滤网脏堵情况，提醒用户定时清理空调过滤网。

近些年来，行业在空调过滤网清洁提醒功能方面有很多种实现方法，从最开始的时间定时提醒到如今的差压测量，其间出现了多种测量技术，包括光纤测量、空调风机电压和转速、空调运行电机的相电流、利用红外原理实现检测等。这些检测技术因为各自检测原理的差异都存在技术特点上的优势和劣势，具体对比情况见表1。

表1 不同技术方案对比表

风道气流差压的检测精度较高且稳定，而且现阶段差压检测装置的硬件成本压缩空间较大，因此选择对风道气流差压进行应用研究，并分析其在空调上应用的影响因素。

2 实验系统设计和验证

2.1 设计理论分析

空调过滤网积灰程度越严重，其洁净度越低，空调过滤网洁净度变化过程中，空调风道系统阻力也会发生改变，这种变化具有空调过滤网洁净度越低，空调风道系统阻力越大的规律。结合图1所示，空调过滤网洁净度降低，空调风道系统阻力曲线由ΔP1-Q变化为ΔP2-Q，此时空调贯流风机的工作点由Q1点移至Q2点，其中P为气体的压力，Q为风量。

图1 空调风道系统阻力曲线[4]

结合空调系统阻力曲线可以看到，空调器过滤网洁净度降低后，过滤网洁净度高的系统比洁净度低的系统存在更多阻力损失，因而气体流量减少，静压增大，进而对应风量也会降低，最终过滤网两侧差压越来越大。

壁挂式空调贯流风机上的叶轮旋转时，气流从叶轮敞开处进入叶栅流经叶轮内部并且从另一面叶栅处排入蜗壳，形成工作气流。由于气流在叶轮内的流动比较复杂，导致其内部存在非稳定的气流速度场，同时叶轮内存在一个中心位于蜗舌附近的旋涡，使叶轮输出端产生循环流，在旋涡外，叶轮内的气流流线呈圆弧形。因此叶轮外圆周上各点的流速不一致并且满足越靠近涡心，速度愈大，越靠近涡壳，速度愈小的特性，因此差压测量装置出气位置影响其稳定性[5]。同时流体的压力与流体速度的平方存在正比关系，因此空调系统风速也会对过滤网两侧压力差产生一定的影响，如图2所示为空调贯流风机结构风速排布示意图。

图2 空调风机结构示意图[5]

2.2 实验模型

为了解空调运行状态、测量装置安装位置对稳定性的影响因素，将结合空调系统按照不同的实验条件采集数据并对其进行分析总结。图3所示的实验模型示意图中，空调系统工作时气流在贯流风机作用下从进风口流经过滤网和蒸发器，将差压测量装置进气位置安装在进风口过滤网外侧，此时差压测量装置进气气压与室内环境连通，出气位置放置在过滤网内侧，此时出气气压为气流流经过滤网后的气压。空调过滤网脏堵时，过滤网两侧气压发生变化后，差压测量装置进气和出气两端的气压会发生变化。为了客观验证，实验过程中利用真实环境下空调运行不同时间未经清洁的过滤网作为实验对象，并且通过运行时间长短等效为不同百分比脏堵。实验前选取经过0天、30天、90天、180天的不同过滤网，统计100个人员对于0/30/90/180天对应空调过滤网脏堵百分比的主观感受结果，最终在实验过程中分别将0天、30天、90天、180天过滤网依次等效为脏堵0%、25%、50%、75%的过滤网，如表2所示，示意图如图4所示。实验过程中采用空调的实验参数以及运行模式如表3所示。

图3 实验模型示意图

表2 真实空调过滤网脏堵程度

图4 等效0%、25%、50%、75%不同百分比脏堵过滤网示意图

表3 空调参数表

2.3 实验测试及验证分析

2.3.1 出气位置对过滤网洁净度检测影响

由于叶轮外圆周上各点流速不一致并且满足越靠近涡心，速度愈大，越靠近涡壳，速度愈小的特性[5]。同时差压测量装置进气与室内环境连通，因此出气在蒸发器位置可能会对过滤网洁净度检测效果产生影响。实验过程中分别采用图5所示的出气位置A、出气位置B、出气位置C三个不同出气位置验证其对过滤网洁净度检测的影响，出气A的位置位于进风口附近，与过滤网距离最小；出气B的位置与过滤网距离较大，同时蒸发器气流空腔较大；出气C的位置距离进风口较远，与过滤网距离较小，流量较低。实验时将空调运行模式和导风板调整到固定模式，分别用25%、50%、75%过滤网进行测试。从表4可以看到，出气位置A、C数据变化梯度较小，不能明显地区分空调过滤网脏堵情况，出气位置B数据变化梯度比较稳定，有利于区分空调过滤网脏堵情况，同时对于空调过滤网脏堵程度分级有一定指导意义。

图5 出气位置和进气位置示意图

表4 不同出气位置不同脏堵过滤网两侧差压

2.3.2 风速对空调过滤网洁净度检测影响

从系统阻力和风机性能相关曲线可以看到，风速与压力存在一定的关系，为了分析不同风速对空调过滤网洁净度检测的影响，实验过程中将壁挂式空调安装在一定高度，同时将导风板导风角度调整到45°，采用25%、50%、75%不同脏堵程度过滤网分别测试高风档、中风档、低风档下空调过滤网两侧压力差。由于空调运行过程中可能出现偶尔的气流波动，为了避免实验误差，数据处理过程中采用平均的方法保证数据的准确性。

图6所示为不同风速、不同脏堵过滤网两侧差压排布，从实验数据可以看到，空调低风档的状态相比中风档和高风档运行时，差压测量装置的实验数据较低，因此在洁净度相同的空调过滤网情况下，差压测量装置在低风速和高风速两种状态下所采集的数据存在明显差异，而且在高风速的状态下采集的数据更明显，当空调过滤网脏堵程度达到75%时，低风档运行后过滤网两侧压差接近过滤网脏堵程度达到25%时中风档运行数据，容易导致数据重叠。

图6 不同风速不同脏堵过滤网两侧差压

因此进行控制器功能逻辑设计时，不同风速选取不同预设值，极大影响空调过滤网洁净度检测效果。

2.3.3 导风板位置对过滤网洁净度检测影响

空调处于扫风状态时导风板的位置状态也不一样，扫风角度差异对于出风口压力以及流速存在一定的影响，当扫风角度太小，此时出风口开度较低，出风量降低，空调蒸发器内部气压发生上升，过滤网两侧压力差下降。为此，在实验过程中分别选取30°、45°、60°三种不同扫风角度来验证空调过滤网两侧压差变化情况，图7所示为空调导风板在不同位置角度示意图。

从表5所示的导风板30°、45°、60°位置的空调过滤网两侧压力差可以看到，导风板位置会影响空调过滤网两侧的压力差，而且导风板在45°位置下过滤网两侧压力差比较大，导风板在60°位置下过滤网两侧压力差较小，当导风板的角度越小，会导致空调蒸发器侧的压力发生变化，从而空调过滤网两侧压力差会发生变化。因此在进行空调过滤网脏堵检测时，如果扫风状态下进行数据采样会造成大范围数据波动，影响检测效果。

表5 导风板30°、45°、60°位置的空调过滤网两侧压力差

2.3.4 不同脏堵程度过滤网测试

通过以上相关实验证明，风速、导风板位置以及差压测量装置出气口安装位置对空调过滤网洁净度检测产生影响。为了能够更好地显示空调过滤网洁净度检测效果，将空调控制在高风档、空调导风板在45°位置运行，并且将差压测量装置出气位置安装在图5所示的出气位置B，分别以表2中0天、30天、90天、180天后不同脏堵程度过滤网进行测试，最终的空调过滤网两侧的压力差如表6所示。

表6 真实空调过滤网两侧压力差

从表6可以看到，不同脏堵程度过滤网有不同数据梯度，这种数据梯度有利于过滤网脏堵程度进行分级，设计员可以结合控制器功能设计利用不同阀值分级判断空调过滤网脏堵情况并且及时提醒用户清洗和更换空调过滤网。

3 结论与展望

通过理论分析探索了检测空调过滤网两侧压力差的可能存在影响因素，并且通过相关实验验证各个因素下空调过滤网洁净度检测效果，初步得出以下结论：

（1）空调过滤网两侧压力差在不同风速下存在不同数据梯度，风