由定頻和變頻空調(diào)機原理談起——制冷與制熱時室外溫度極限設(shè)置

丁來成

（山東省東營市河口區(qū)實驗學(xué)校，山東 東營 257200）

伴隨著課程改革的大力推進和2011年新課程標(biāo)準的落實和實施，義務(wù)教育物理課程應(yīng)注重與生產(chǎn)、生活實際及時代發(fā)展相聯(lián)系，加強課程內(nèi)容與學(xué)生生活、現(xiàn)代社會和科技發(fā)展的聯(lián)系，關(guān)注技術(shù)應(yīng)用帶來的社會進步和問題，進而體現(xiàn)從生活走向物理，從物理走向社會.生活中的空調(diào)機是每個家庭的必須家電之一，研究空調(diào)機可以體現(xiàn)新課程標(biāo)準下“物理、生活和社會”的緊密聯(lián)系，下面就從空調(diào)機的原理談起.

圖1

空調(diào)機中有被稱為“冷媒”的物質(zhì)，利用它的物態(tài)變化可以實現(xiàn)室內(nèi)、外熱量的轉(zhuǎn)移.如圖1所示是空調(diào)機制冷系統(tǒng)的原理圖，其中壓縮機的作用是對氣態(tài)“冷媒”加壓，并使“冷媒”在管內(nèi)循環(huán).壓縮機的轉(zhuǎn)速越大，“冷媒”的流量越大，空調(diào)機的制冷能力就越強.

壓縮機的轉(zhuǎn)速由供電頻率決定.我們家庭電壓為220V、50Hz，在這種條件下工作的空調(diào)稱為定頻空調(diào)，由于供電頻率不變，傳統(tǒng)定頻空調(diào)的壓縮機轉(zhuǎn)速基本不變，依靠不斷地“開、停”壓縮機來調(diào)整室內(nèi)溫度，其中一開一關(guān)之間容易造成室溫忽冷忽熱，并消耗較多電能.而“變頻空調(diào)”是與傳統(tǒng)供電頻率不變的“定頻空調(diào)”相比較而產(chǎn)生的概念，與“定頻空調(diào)”相比，變頻空調(diào)的主機是自動進行無級變速的，其變頻器可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)供電頻率，即可以根據(jù)房間情況自動提供所需的冷（熱）量，當(dāng)室內(nèi)溫度達到期望值后，空調(diào)主機則以能夠準確保持這一溫度的恒定速度運轉(zhuǎn)，從而改變壓縮機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)“不停機運轉(zhuǎn)”，達到控制“冷媒”流量的目的，從而保證環(huán)境溫度的穩(wěn)定.

圖2是某型號定頻空調(diào)機的能效標(biāo)識，其中輸入功率是指空調(diào)機在額定狀態(tài)工作時的電功率，制冷量是指單位時間內(nèi)空調(diào)機從密閉區(qū)域內(nèi)去除熱量的總和，能效比是空調(diào)機在額定狀態(tài)工作時，制冷量與輸入功率之比.這種型號的定頻空調(diào)機在額定狀態(tài)下工作10min，消耗的電能為____J，這時可以使____kg的空氣溫度下降6℃.［取空氣的比熱容c＝1.0×103J/（kg·℃）］

分析：額定狀態(tài)下工作時消耗的電能為W＝Pt＝1060W×600s＝6.36×105J.

圖2

變頻空調(diào)機開始工作時，以最大功率進行制冷，當(dāng)室內(nèi)溫度快速降至設(shè)定溫度后，壓縮機隨即處于低速持續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)，維持室溫基本不變.

下面表1表示某型號變頻空調(diào)及部分參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，每一階段變頻空調(diào)的輸入功率、制冷量、能效比都是不同的，其中制冷量和能效比與定頻空調(diào)的相關(guān)含義是一樣的道理.例如夏天的某一天，該變頻空調(diào)機開始工作0.5h后，家中房間溫度降至設(shè)定溫度，隨即空調(diào)機處于低速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)，又工作了10h，全過程共耗電2.9kW·h.則前0.5h 內(nèi)空調(diào)機消耗的電能是________kW·h，后10h 空調(diào)機的電流是_______A.

表1

解析：由上面的分析，我們知道變頻空調(diào)機開始工作時，以最大功率進行制冷，當(dāng)室內(nèi)溫度快速降至設(shè)定溫度后，壓縮機隨即處于低速持續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)，維持室溫基本不變，所以變頻空調(diào)機開始工作0.5h這一段時間內(nèi)以最大輸入功率運行，其消耗的電能是

W1＝P最大t1＝1.4kW×0.5h＝0.7kW·h，

后10h內(nèi)空調(diào)機消耗的電能為

利用定頻和變頻空調(diào)機原理，研究在房間溫度設(shè)定條件下，可以討論制冷或制熱時室外最高溫度與最低溫度的設(shè)置.如小明家某密閉房間內(nèi)有一臺空調(diào)，當(dāng)房間內(nèi)溫度為t2，房間外溫度為t1，正常工作時空調(diào)每秒消耗的電功W＝2kJ，此時空調(diào)每秒從房間吸取的熱量為Q2，向室外釋放的熱量為Q1，W與Q2、Q1之間滿足關(guān)系式

（1）在夏天仍要求維持室內(nèi)溫度為20℃，則該空調(diào)器可允許正常連續(xù)運轉(zhuǎn)的最高室外溫度是多少攝氏度？

（2）若在冬天，空調(diào)從外界吸熱，往室內(nèi)放熱，仍要求維持室內(nèi)為20℃，則它能正常運轉(zhuǎn)的最低室外溫度是多少攝氏度？

解析：這是一道典型的熱平衡問題，當(dāng)夏天空調(diào)機進行制冷時，單位時間內(nèi)空調(diào)機從房間吸取的熱量與室外向房間漏進的熱量相平衡時，室外可達到最高溫度；當(dāng)冬天空調(diào)機進行制熱時，單位時間內(nèi)空調(diào)機向房間放出的熱量與房間內(nèi)向室外漏出的熱量相平衡時，室外可達到最低溫度.

因為室外向房間每秒漏進的熱量與房間內(nèi)外的溫差成正比，所以設(shè)室外向房間內(nèi)每秒漏進熱量為Q漏＝k（t外－t內(nèi)），其中k為單位溫差內(nèi)每秒漏進（或漏出）的熱量.

空調(diào)使房間內(nèi)溫度保持不變，則有Q漏＝Q2，

根據(jù)題意：當(dāng)室外溫度為30℃，空調(diào)機實際間斷運轉(zhuǎn)30%時間，這時室內(nèi)保持20℃不變，即最后保持熱平衡時，t外＝t1＝30℃，t內(nèi)＝t2＝20℃，W＝2000×0.3J＝600J.

在夏天要維持室內(nèi)溫度為20℃不變，設(shè)空調(diào)器可允許正常連續(xù)運轉(zhuǎn)的最高室外溫度是t外最大，則

此時t內(nèi)＝t2＝20℃，W為空調(diào)器在連續(xù)運轉(zhuǎn)時每秒消耗的電功，W＝2000J.

（2）在冬天，空調(diào)從外界吸熱，往室內(nèi)放熱，仍要維持室內(nèi)為t1＝20℃不變，設(shè)空調(diào)器可允許正常連續(xù)運轉(zhuǎn)的最低室外溫度是t外最低.

即t外最低＝1.74℃.

總之，定頻空調(diào)機器的優(yōu)點是運行性能比較穩(wěn)定，適合多種環(huán)境，但是相對變頻空調(diào)機來說，就是實際運行功率較大，比較費電，而變頻空調(diào)機的主要優(yōu)點就是節(jié)能環(huán)保，可以根據(jù)室內(nèi)溫度來改變壓縮機工作的能效，只是缺點也很明顯，就是運行不夠穩(wěn)定，如夏季雷雨天是很容易停機或是損壞.不過如果說是長時間運行，變頻空調(diào)機省電，短時間運行定頻空調(diào)和變頻空調(diào)幾乎是一樣的，所以我們在選擇定頻空調(diào)還是變頻空調(diào)時，可以根據(jù)自己的實際需要，這就是所謂的“仁者見仁、智者見智”的道理.

1 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準［M］.北京：人民教育出版社，2011.

2 侯中柱.變頻空調(diào)機一題［J］.數(shù)理天地，2013（11）.