“雙碳”導(dǎo)向下的變頻空調(diào)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李文雙

（廣東郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510630）

為提高人們的物質(zhì)生活水平和實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)大力推進(jìn)“雙碳”政策，根本目的是減少溫室氣體排放，建立以低能耗和低污染為目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展體系。近年來(lái)，各行各業(yè)開(kāi)始采取有效措施節(jié)能減排，以緩解能源危機(jī)，改變環(huán)境污染現(xiàn)狀。其中，家用變頻空調(diào)設(shè)備的節(jié)能成為各空調(diào)企業(yè)和空調(diào)用戶關(guān)心的話題。

隨著人們生活水平的提高，一般在炎熱的夏季和寒冷的冬季，為提高居住舒適性和生活品質(zhì)，人們都離不開(kāi)空調(diào)設(shè)備對(duì)居住環(huán)境溫濕度的調(diào)節(jié)。因此，在生活用電比例中，空調(diào)產(chǎn)品耗電所占的比重越來(lái)越大，這一現(xiàn)象在夏季炎熱地區(qū)尤為明顯[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，空調(diào)需要處理的冷負(fù)荷隨天氣、人員及環(huán)境條件等因素發(fā)生變化，要將室內(nèi)溫度控制在設(shè)定點(diǎn)上，需要調(diào)節(jié)空調(diào)的制冷量[2]。

現(xiàn)階段建筑碳排放占全部碳排放的1/3，其中暖通空調(diào)為建筑碳排放之首[3]。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)制冷用電量已占全社會(huì)用電量的15%以上[4]。以家用變頻空調(diào)為例，由于變頻空調(diào)運(yùn)行頻率范圍廣，可適合大負(fù)荷環(huán)境的使用，近幾年得到了快速發(fā)展，深受廣大消費(fèi)者的青睞。為了適應(yīng)社會(huì)節(jié)能的需求，將變頻技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)制冷系統(tǒng)，可以提高空調(diào)的制冷效率，節(jié)約電能資源[5]。

1 變頻空調(diào)控制邏輯

在空調(diào)系統(tǒng)中，無(wú)論是家用變頻空調(diào)產(chǎn)品還是通信機(jī)房用的風(fēng)冷型變頻精密空調(diào)，其內(nèi)部的設(shè)備部件均主要包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、節(jié)流部件以及冷凝器。制冷系統(tǒng)以制冷劑作為媒介，實(shí)現(xiàn)制冷與制熱模式下的能量轉(zhuǎn)換和傳遞，并與房間內(nèi)環(huán)境進(jìn)行能量交換。變頻空調(diào)是指在空調(diào)產(chǎn)品的主要部件中加裝了變頻器的常規(guī)空調(diào)，運(yùn)行頻率可調(diào)、可控。空調(diào)壓縮機(jī)是空調(diào)系統(tǒng)的“心臟”，其轉(zhuǎn)速直接影響空調(diào)的使用效率。變頻器是用來(lái)控制和調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)，使之始終處于最佳的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，提高能效比。

變頻空調(diào)控制邏輯的優(yōu)劣直接影響空調(diào)的能效比。近年來(lái)，市場(chǎng)上的變頻空調(diào)得到了快速發(fā)展，運(yùn)行頻率范圍廣，可以用于寬負(fù)荷環(huán)境下的調(diào)節(jié)使用。通常，變頻空調(diào)在房間內(nèi)的回風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度值時(shí)，采取降低壓縮機(jī)頻率的方式來(lái)適應(yīng)制冷量需求的變化。對(duì)于空調(diào)廠家和空調(diào)產(chǎn)品的使用者來(lái)說(shuō)，空調(diào)產(chǎn)品最值得關(guān)注的是省電節(jié)能。

1.1 技術(shù)方案

變頻空調(diào)主要采用分段定點(diǎn)控制方法進(jìn)行變頻空調(diào)運(yùn)行邏輯的控制，工作原理是對(duì)空調(diào)設(shè)備的核心部件（壓縮機(jī)）進(jìn)行整體分區(qū)控制，將壓縮機(jī)的頻率運(yùn)行范圍大致劃分為若干個(gè)區(qū)間段，使得實(shí)際運(yùn)行中變頻空調(diào)的工作頻率在幾個(gè)固定的頻率值上。然而，在變頻空調(diào)設(shè)備的實(shí)際使用中，空調(diào)房間內(nèi)的實(shí)際冷負(fù)荷或熱負(fù)荷會(huì)隨時(shí)間變化。因此，本文提出采用適用于房間空調(diào)溫度變化較大情況下的節(jié)能控制邏輯，針對(duì)變頻空調(diào)研究一種節(jié)能優(yōu)化模式，限制能效低的頻率段（如高頻）的運(yùn)行，通過(guò)改善壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，并與傳統(tǒng)（原有運(yùn)行頻率控制邏輯下）的制冷、制熱模式對(duì)比，提高能效比，從而達(dá)到更加節(jié)能省電的目的。

空調(diào)運(yùn)行的實(shí)時(shí)能效比是能夠反映空調(diào)能耗等級(jí)的直接參數(shù)。基于變頻空調(diào)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究，以家用1匹機(jī)（2 500 W制冷量）的機(jī)型為例進(jìn)行闡述，其中空調(diào)房間的實(shí)際負(fù)荷是不斷變化的。變頻空調(diào)產(chǎn)品的能效比與空調(diào)的實(shí)際運(yùn)行頻率有關(guān)。通常變頻空調(diào)運(yùn)行頻率在30 Hz附近時(shí)能效比處于較高水平，且隨著運(yùn)行頻率的上升，能效比不斷下降。變頻空調(diào)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，不同運(yùn)行頻率下的能效比如圖1所示。

圖1 不同運(yùn)行頻率下的能效比

在變頻空調(diào)能效提升方面，變頻空調(diào)的運(yùn)行頻率是影響空調(diào)能效比的重要指標(biāo)。在“碳達(dá)峰、碳中和”的國(guó)家級(jí)政策導(dǎo)向下，電能的大量消耗問(wèn)題急待解決，全國(guó)、全行業(yè)乃至全民的節(jié)能降耗已成為主要趨勢(shì)。目前，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能已經(jīng)成為空調(diào)廠家關(guān)心的內(nèi)容，節(jié)能產(chǎn)品的研制也已經(jīng)成為行業(yè)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.2 節(jié)能設(shè)計(jì)

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，變頻空調(diào)產(chǎn)品具有節(jié)能、控溫精準(zhǔn)和噪聲低等典型特點(diǎn)。對(duì)空調(diào)用戶而言，他們購(gòu)買(mǎi)變頻空調(diào)的主要原因是省電。變頻空調(diào)能效比是衡量空調(diào)制冷或者制熱效率的重要指標(biāo)。變頻空調(diào)產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)省電節(jié)能，需要運(yùn)行在較高能效比所對(duì)應(yīng)的頻率段。因此，本文的節(jié)能策略技術(shù)方案主要基于限制運(yùn)行頻率，對(duì)典型的變頻空調(diào)的名義制冷和名義制熱運(yùn)行模式進(jìn)行節(jié)能分析。節(jié)能策略調(diào)節(jié)邏輯如圖2所示。

圖2 節(jié)能策略調(diào)節(jié)邏輯

變頻空調(diào)名義制冷模式。原有模式邏輯的最高頻率為80 Hz，額定點(diǎn)頻率為54 Hz。節(jié)能邏輯下，頻率運(yùn)行在60 Hz以下的，按60 Hz限制高頻運(yùn)行。名義制冷運(yùn)行在60 Hz以上的，按照名義制冷頻率點(diǎn)設(shè)置最高運(yùn)行頻率。

變頻空調(diào)名義制熱模式。原有模式邏輯的最高頻率為77 Hz，額定點(diǎn)頻率為64 Hz。節(jié)能邏輯下，頻率運(yùn)行在65 Hz以下的，按65 Hz限制高頻運(yùn)行。名義制熱運(yùn)行在65 Hz以上的，按照名義制熱頻率點(diǎn)設(shè)置最高頻率。

2 節(jié)能效果分析

對(duì)變頻空調(diào)的運(yùn)行頻率進(jìn)行優(yōu)化限制，主要選用能效比相對(duì)較高的空調(diào)運(yùn)行頻率方式，并對(duì)其限制頻率前后的耗電量進(jìn)行對(duì)比。用1 200 W熱負(fù)荷（26 ℃開(kāi)機(jī)運(yùn)行）下單一變量原則（室內(nèi)干/濕球溫度為32 ℃/25 ℃，室外干/濕球溫度為35 ℃/24 ℃）對(duì)原有制冷模式（限頻率80 Hz）和節(jié)能策略調(diào)整后（限頻率60 Hz）的變頻空調(diào)制冷運(yùn)行模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)同一段時(shí)間內(nèi)的空調(diào)耗電量進(jìn)行實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析。以制冷模式的運(yùn)行效果為例，運(yùn)行時(shí)間分別取樣為100 min和180 min，結(jié)果節(jié)能模式下耗電量均有明顯節(jié)省，見(jiàn)表1。

表1 制冷模式的運(yùn)行效果做對(duì)比分析表

在變頻空調(diào)制冷模式運(yùn)行中，從空調(diào)運(yùn)行過(guò)程看，原有模式（頻率80 Hz）在運(yùn)行過(guò)程中優(yōu)先達(dá)到設(shè)定溫度26 ℃，降溫速度快，耗電量相對(duì)較大。此外，原有模式下，由于運(yùn)行降溫速度快，回風(fēng)干球溫度產(chǎn)生過(guò)沖，溫度下降至26 ℃以下。在運(yùn)行100 min時(shí)，回風(fēng)干球溫度達(dá)到25.6 ℃，節(jié)能模式（限頻率60 Hz）下回風(fēng)溫度達(dá)到26.0 ℃，節(jié)省電量0.38 kW·h，節(jié)能模式的節(jié)電效果顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)變頻空調(diào)類(lèi)產(chǎn)品的控制邏輯進(jìn)行節(jié)能策略改善，以家用變頻空調(diào)為例，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻空調(diào)實(shí)際運(yùn)行頻率達(dá)到節(jié)能省電的目的。在進(jìn)行變頻空調(diào)控制邏輯優(yōu)化過(guò)程中，主要研究一種節(jié)能模式，即限制能效低頻率段（如高頻）的運(yùn)行。與傳統(tǒng)的（原有壓縮機(jī)運(yùn)行頻率下）制冷、制熱壓縮機(jī)運(yùn)行模式對(duì)比，節(jié)能模式提高了能效比，節(jié)能效果比較顯著，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。一方面，該節(jié)能模式是現(xiàn)有變頻空調(diào)常用模式（制冷、制熱、送風(fēng)、除濕）細(xì)分的另一種模式，通過(guò)限制能效較低的高頻段，使變頻空調(diào)運(yùn)行在能效比較高的頻率下，達(dá)到節(jié)能、省電的目的；另一方面，制定出變頻空調(diào)節(jié)能模式控制邏輯，從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的角度進(jìn)行變頻空調(diào)節(jié)能策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在空調(diào)運(yùn)行初期，限制空調(diào)壓縮機(jī)頻率對(duì)家用空調(diào)的舒適性影響差異不大，但降低了空調(diào)耗電量，對(duì)空調(diào)節(jié)能有明顯改善。

無(wú)論是家用變頻空調(diào)產(chǎn)品還是通信機(jī)房用的風(fēng)冷型變頻精密空調(diào)，變頻空調(diào)產(chǎn)品型號(hào)及能力段對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品相對(duì)較多，且變頻空調(diào)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷變化范圍相對(duì)較寬，因此在進(jìn)行變頻空調(diào)控制邏輯節(jié)能策略研究和設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可采用通過(guò)限制能效較低的高頻段，使變頻空調(diào)運(yùn)行在能效比較高的頻率下，從而達(dá)到節(jié)能、省電的目的。但是，在實(shí)際空調(diào)產(chǎn)品設(shè)備優(yōu)化過(guò)程中，為保證不同機(jī)型的最優(yōu)節(jié)能效果得到最大程度發(fā)揮，提出的節(jié)能模式思路可供參考，可根據(jù)不同機(jī)型靈活調(diào)整具體的頻率設(shè)定值，不同地區(qū)可根據(jù)具體情況進(jìn)行模式選擇。