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

丁來(lái)成

（山東省東營(yíng)市河口區(qū)實(shí)驗(yàn)學(xué)校，山東 東營(yíng) 257200）

伴隨著課程改革的大力推進(jìn)和2011年新課程標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)和實(shí)施，義務(wù)教育物理課程應(yīng)注重與生產(chǎn)、生活實(shí)際及時(shí)代發(fā)展相聯(lián)系，加強(qiáng)課程內(nèi)容與學(xué)生生活、現(xiàn)代社會(huì)和科技發(fā)展的聯(lián)系，關(guān)注技術(shù)應(yīng)用帶來(lái)的社會(huì)進(jìn)步和問(wèn)題，進(jìn)而體現(xiàn)從生活走向物理，從物理走向社會(huì).生活中的空調(diào)機(jī)是每個(gè)家庭的必須家電之一，研究空調(diào)機(jī)可以體現(xiàn)新課程標(biāo)準(zhǔn)下“物理、生活和社會(huì)”的緊密聯(lián)系，下面就從空調(diào)機(jī)的原理談起.

圖1

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

壓縮機(jī)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(chēng)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(jī)轉(zhuǎn)速基本不變，依靠不斷地“開(kāi)、停”壓縮機(jī)來(lái)調(diào)整室內(nèi)溫度，其中一開(kāi)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(jī)是自動(dòng)進(jìn)行無(wú)級(jí)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(dòng)提供所需的冷（熱）量，當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到期望值后，空調(diào)主機(jī)則以能夠準(zhǔn)確保持這一溫度的恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，從而改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)“不停機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)”，達(dá)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(hào)定頻空調(diào)機(jī)的能效標(biāo)識(shí)，其中輸入功率是指空調(diào)機(jī)在額定狀態(tài)工作時(shí)的電功率，制冷量是指單位時(shí)間內(nèi)空調(diào)機(jī)從密閉區(qū)域內(nèi)去除熱量的總和，能效比是空調(diào)機(jī)在額定狀態(tài)工作時(shí)，制冷量與輸入功率之比.這種型號(hào)的定頻空調(diào)機(jī)在額定狀態(tài)下工作10min，消耗的電能為_(kāi)___J，這時(shí)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(shí)消耗的電能為W＝Pt＝1060W×600s＝6.36×105J.

圖2

變頻空調(diào)機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，以最大功率進(jìn)行制冷，當(dāng)室內(nèi)溫度快速降至設(shè)定溫度后，壓縮機(jī)隨即處于低速持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，維持室溫基本不變.

下面表1表示某型號(hào)變頻空調(diào)及部分參數(shù)之間的對(duì)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(jī)開(kāi)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(jī)處于低速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，又工作了10h，全過(guò)程共耗電2.9kW·h.則前0.5h 內(nèi)空調(diào)機(jī)消耗的電能是________kW·h，后10h 空調(diào)機(jī)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(jī)開(kāi)始工作時(shí)，以最大功率進(jìn)行制冷，當(dāng)室內(nèi)溫度快速降至設(shè)定溫度后，壓縮機(jī)隨即處于低速持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，維持室溫基本不變，所以變頻空調(diào)機(jī)開(kāi)始工作0.5h這一段時(shí)間內(nèi)以最大輸入功率運(yùn)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(jī)消耗的電能為

利用定頻和變頻空調(diào)機(jī)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(shí)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(tái)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(shí)空調(diào)每秒消耗的電功W＝2kJ，此時(shí)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(mǎn)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(yùn)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(yùn)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(wèn)題，當(dāng)夏天空調(diào)機(jī)進(jìn)行制冷時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)空調(diào)機(jī)從房間吸取的熱量與室外向房間漏進(jìn)的熱量相平衡時(shí)，室外可達(dá)到最高溫度；當(dāng)冬天空調(diào)機(jī)進(jìn)行制熱時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)空調(diào)機(jī)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(shí)，室外可達(dá)到最低溫度.

因?yàn)槭彝庀蚍块g每秒漏進(jìn)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(jìn)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(jìn)（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(jī)實(shí)際間斷運(yùn)轉(zhuǎn)30%時(shí)間，這時(shí)室內(nèi)保持20℃不變，即最后保持熱平衡時(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)的最高室外溫度是t外最大，則

此時(shí)t內(nèi)＝t2＝20℃，W為空調(diào)器在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(yùn)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(jī)器的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行性能比較穩(wěn)定，適合多種環(huán)境，但是相對(duì)變頻空調(diào)機(jī)來(lái)說(shuō)，就是實(shí)際運(yùn)行功率較大，比較費(fèi)電，而變頻空調(diào)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)能環(huán)保，可以根據(jù)室內(nèi)溫度來(lái)改變壓縮機(jī)工作的能效，只是缺點(diǎn)也很明顯，就是運(yùn)行不夠穩(wěn)定，如夏季雷雨天是很容易停機(jī)或是損壞.不過(guò)如果說(shuō)是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，變頻空調(diào)機(jī)省電，短時(shí)間運(yùn)行定頻空調(diào)和變頻空調(diào)幾乎是一樣的，所以我們?cè)谶x擇定頻空調(diào)還是變頻空調(diào)時(shí)，可以根據(jù)自己的實(shí)際需要，這就是所謂的“仁者見(jiàn)仁、智者見(jiàn)智”的道理.

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

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