“雙碳”導向下的變頻空調節能優化設計與應用

李文雙

（廣東郵電職業技術學院，廣州 510630）

為提高人們的物質生活水平和實現社會的可持續發展，我國大力推進“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的經濟發展體系。近年來，各行各業開始采取有效措施節能減排，以緩解能源危機，改變環境污染現狀。其中，家用變頻空調設備的節能成為各空調企業和空調用戶關心的話題。

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，人們都離不開空調設備對居住環境溫濕度的調節。因此，在生活用電比例中，空調產品耗電所占的比重越來越大，這一現象在夏季炎熱地區尤為明顯[1]。在實際應用中，空調需要處理的冷負荷隨天氣、人員及環境條件等因素發生變化，要將室內溫度控制在設定點上，需要調節空調的制冷量[2]。

現階段建筑碳排放占全部碳排放的1/3，其中暖通空調為建筑碳排放之首[3]。數據顯示，我國制冷用電量已占全社會用電量的15%以上[4]。以家用變頻空調為例，由于變頻空調運行頻率范圍廣，可適合大負荷環境的使用，近幾年得到了快速發展，深受廣大消費者的青睞。為了適應社會節能的需求，將變頻技術應用于空調制冷系統，可以提高空調的制冷效率，節約電能資源[5]。

1 變頻空調控制邏輯

在空調系統中，無論是家用變頻空調產品還是通信機房用的風冷型變頻精密空調，其內部的設備部件均主要包括壓縮機、蒸發器、節流部件以及冷凝器。制冷系統以制冷劑作為媒介，實現制冷與制熱模式下的能量轉換和傳遞，并與房間內環境進行能量交換。變頻空調是指在空調產品的主要部件中加裝了變頻器的常規空調，運行頻率可調、可控。空調壓縮機是空調系統的“心臟”，其轉速直接影響空調的使用效率。變頻器是用來控制和調整壓縮機轉速的控制系統，使之始終處于最佳的轉速狀態，提高能效比。

變頻空調控制邏輯的優劣直接影響空調的能效比。近年來，市場上的變頻空調得到了快速發展，運行頻率范圍廣，可以用于寬負荷環境下的調節使用。通常，變頻空調在房間內的回風溫度達到設定溫度值時，采取降低壓縮機頻率的方式來適應制冷量需求的變化。對于空調廠家和空調產品的使用者來說，空調產品最值得關注的是省電節能。

1.1 技術方案

變頻空調主要采用分段定點控制方法進行變頻空調運行邏輯的控制，工作原理是對空調設備的核心部件（壓縮機）進行整體分區控制，將壓縮機的頻率運行范圍大致劃分為若干個區間段，使得實際運行中變頻空調的工作頻率在幾個固定的頻率值上。然而，在變頻空調設備的實際使用中，空調房間內的實際冷負荷或熱負荷會隨時間變化。因此，本文提出采用適用于房間空調溫度變化較大情況下的節能控制邏輯，針對變頻空調研究一種節能優化模式，限制能效低的頻率段（如高頻）的運行，通過改善壓縮機運行頻率，并與傳統（原有運行頻率控制邏輯下）的制冷、制熱模式對比，提高能效比，從而達到更加節能省電的目的。

空調運行的實時能效比是能夠反映空調能耗等級的直接參數。基于變頻空調運行的實驗測試研究，以家用1匹機（2 500 W制冷量）的機型為例進行闡述，其中空調房間的實際負荷是不斷變化的。變頻空調產品的能效比與空調的實際運行頻率有關。通常變頻空調運行頻率在30 Hz附近時能效比處于較高水平，且隨著運行頻率的上升，能效比不斷下降。變頻空調實際運行時，不同運行頻率下的能效比如圖1所示。

圖1 不同運行頻率下的能效比

在變頻空調能效提升方面，變頻空調的運行頻率是影響空調能效比的重要指標。在“碳達峰、碳中和”的國家級政策導向下，電能的大量消耗問題急待解決，全國、全行業乃至全民的節能降耗已成為主要趨勢。目前，空調系統節能已經成為空調廠家關心的內容，節能產品的研制也已經成為行業的技術挑戰。

1.2 節能設計

在實際運行過程中，變頻空調產品具有節能、控溫精準和噪聲低等典型特點。對空調用戶而言，他們購買變頻空調的主要原因是省電。變頻空調能效比是衡量空調制冷或者制熱效率的重要指標。變頻空調產品要實現省電節能，需要運行在較高能效比所對應的頻率段。因此，本文的節能策略技術方案主要基于限制運行頻率，對典型的變頻空調的名義制冷和名義制熱運行模式進行節能分析。節能策略調節邏輯如圖2所示。

圖2 節能策略調節邏輯

變頻空調名義制冷模式。原有模式邏輯的最高頻率為80 Hz，額定點頻率為54 Hz。節能邏輯下，頻率運行在60 Hz以下的，按60 Hz限制高頻運行。名義制冷運行在60 Hz以上的，按照名義制冷頻率點設置最高運行頻率。

變頻空調名義制熱模式。原有模式邏輯的最高頻率為77 Hz，額定點頻率為64 Hz。節能邏輯下，頻率運行在65 Hz以下的，按65 Hz限制高頻運行。名義制熱運行在65 Hz以上的，按照名義制熱頻率點設置最高頻率。

2 節能效果分析

對變頻空調的運行頻率進行優化限制，主要選用能效比相對較高的空調運行頻率方式，并對其限制頻率前后的耗電量進行對比。用1 200 W熱負荷（26 ℃開機運行）下單一變量原則（室內干/濕球溫度為32 ℃/25 ℃，室外干/濕球溫度為35 ℃/24 ℃）對原有制冷模式（限頻率80 Hz）和節能策略調整后（限頻率60 Hz）的變頻空調制冷運行模式進行實驗，對同一段時間內的空調耗電量進行實測統計和對比分析。以制冷模式的運行效果為例，運行時間分別取樣為100 min和180 min，結果節能模式下耗電量均有明顯節省，見表1。

表1 制冷模式的運行效果做對比分析表

在變頻空調制冷模式運行中，從空調運行過程看，原有模式（頻率80 Hz）在運行過程中優先達到設定溫度26 ℃，降溫速度快，耗電量相對較大。此外，原有模式下，由于運行降溫速度快，回風干球溫度產生過沖，溫度下降至26 ℃以下。在運行100 min時，回風干球溫度達到25.6 ℃，節能模式（限頻率60 Hz）下回風溫度達到26.0 ℃，節省電量0.38 kW·h，節能模式的節電效果顯著。

3 結語

本文主要針對變頻空調類產品的控制邏輯進行節能策略改善，以家用變頻空調為例，通過調節變頻空調實際運行頻率達到節能省電的目的。在進行變頻空調控制邏輯優化過程中，主要研究一種節能模式，即限制能效低頻率段（如高頻）的運行。與傳統的（原有壓縮機運行頻率下）制冷、制熱壓縮機運行模式對比，節能模式提高了能效比，節能效果比較顯著，主要體現在以下兩個方面。一方面，該節能模式是現有變頻空調常用模式（制冷、制熱、送風、除濕）細分的另一種模式，通過限制能效較低的高頻段，使變頻空調運行在能效比較高的頻率下，達到節能、省電的目的；另一方面，制定出變頻空調節能模式控制邏輯，從產品開發的角度進行變頻空調節能策略的優化設計。在空調運行初期，限制空調壓縮機頻率對家用空調的舒適性影響差異不大，但降低了空調耗電量，對空調節能有明顯改善。

無論是家用變頻空調產品還是通信機房用的風冷型變頻精密空調，變頻空調產品型號及能力段對應的產品相對較多，且變頻空調運行時負荷變化范圍相對較寬，因此在進行變頻空調控制邏輯節能策略研究和設計的過程中，可采用通過限制能效較低的高頻段，使變頻空調運行在能效比較高的頻率下，從而達到節能、省電的目的。但是，在實際空調產品設備優化過程中，為保證不同機型的最優節能效果得到最大程度發揮，提出的節能模式思路可供參考，可根據不同機型靈活調整具體的頻率設定值，不同地區可根據具體情況進行模式選擇。