變頻控制技術(shù)在熱泵空調(diào)中的應(yīng)用與研究

摘" 要：“雙碳”背景下，節(jié)能運(yùn)行成為空調(diào)研發(fā)的一大重點(diǎn)。在這一背景下，從技術(shù)原理、優(yōu)缺點(diǎn)等角度入手梳理熱泵空調(diào)技術(shù)，探討變頻控制技術(shù)及其在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的運(yùn)用，并結(jié)合變頻熱泵空調(diào)低溫應(yīng)用案例，從經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益兩個角度評價基于變頻控制技術(shù)的熱泵空調(diào)，旨在充分認(rèn)識變頻控制技術(shù)在熱泵空調(diào)節(jié)能運(yùn)行中的應(yīng)用價值，進(jìn)一步提高熱泵空調(diào)的節(jié)能效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：變頻控制技[A2]"術(shù)" 技術(shù)原理" 熱泵空調(diào) ""低溫應(yīng)用

中圖分類號：TB657

Application and Research of Variable Frequency Control Technology in Heat Pump Air Conditioning

TAN Junwen" YE Junjie" GAN Xingyu

Zhejiang Zhongguang Electric Appliance Group Co.， Ltd.， Lijiang， Zhejiang Province， 323000 China

Abstract： Under the background of \"double carbon\"， energy-saving operation has become a major focus of air conditioning research and development. In this context， starting from the perspectives of technical principles， advantages and disadvantages， this paper reviewsthe heat pump air conditioning technology， explores variablebased on the frequency conversion control technology and its application in the heat pump air conditioning system， "are reviewed from the perspectives of technical principles， advantages and disadvantages， etc.， and evaluates heat pump air conditioning based on variable frequency conversion control technology from the perspectives of economic and energy-saving benefits， combined with low-temperature application cases of variable frequency conversion heat pump air conditioningthe low temperature application cases of the frequency conversion heat pump air conditioning are combined to evaluate the heat pump air conditioning based on the frequency conversion control technology from two perspectives of economic benefits and energy saving benefits. The purpose is to fully understand the application value of variable frequency conversion conversion control technology in energy-saving operation of heat pump air conditioning， and further improve the energy-saving effect and economic benefit of heat pump air conditioning.

Key Wwords： Frequency conversion control technology; Technical principles; Heat pump air conditioning; Low- temperature application

熱泵空調(diào)是中央空調(diào)系統(tǒng)中的重要組成部分，其能耗占比較大。隨著消費(fèi)者對空調(diào)舒適度提出更高的要求，定頻空調(diào)因無法實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)行而無法滿足廣大消費(fèi)者對空調(diào)舒適度的需求，同時，定頻空調(diào)壓縮機(jī)在部分工況下還存在威脅電網(wǎng)穩(wěn)定性的問題，所以，提出依托變頻控制技術(shù)優(yōu)化熱泵空調(diào)系統(tǒng)的解決方案，其目的在于借助變頻控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)室內(nèi)溫況靈活調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，使其始終保持最佳狀態(tài)，讓室溫始終維持在理想化狀態(tài)，以提高室內(nèi)環(huán)境的舒適度，同時削弱壓縮機(jī)頻繁啟動對電網(wǎng)穩(wěn)定性的沖擊，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與熱泵空調(diào)的使用壽命，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。因此，結(jié)合前人研究成果，對基于變頻控制技術(shù)的熱泵空調(diào)展開分析，介紹熱泵空調(diào)中的變頻控制技術(shù)，并以試驗的方式評估變頻熱泵空調(diào)的節(jié)能效益，以此為變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)的進(jìn)一步研發(fā)提供參考。

1" 熱泵空調(diào)概述

熱泵空調(diào)系統(tǒng)屬于二次泵系統(tǒng)，依托蓄能緩沖水箱，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低負(fù)荷率時期主機(jī)啟動時間以及化霜工況的優(yōu)化^[1]；依托循環(huán)水泵、采暖供水泵，讓運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠。

1.1" 熱泵空調(diào)的技術(shù)原理

熱泵空調(diào)以熱量搬運(yùn)為核心理念，依托空氣源熱泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)環(huán)境熱量的吸收或排放，從而達(dá)到控制室內(nèi)溫度的效果。其運(yùn)行模式有兩種：一種是制冷模式，此時熱泵系統(tǒng)借助壓縮和熱交換機(jī)將室內(nèi)熱量排放到室外，降低室內(nèi)溫度；一種是制熱模式，此時熱泵系統(tǒng)中的壓縮機(jī)運(yùn)行將室外熱量排放到室內(nèi)，提高室內(nèi)溫度。空氣源熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵運(yùn)行頻率的調(diào)整以室內(nèi)負(fù)荷變化為依據(jù)，正因如此，熱泵空調(diào)具備以季節(jié)變化、時段變化、室內(nèi)負(fù)荷變化為依據(jù)靈活供暖或制冷的能力，從而讓室內(nèi)環(huán)境更加適宜，空調(diào)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性更高。

1.2" 熱泵空調(diào)的優(yōu)劣勢分析

1.2.1" 熱泵空調(diào)的優(yōu)勢

一是熱泵空調(diào)系統(tǒng)相對簡單，易維護(hù)。與傳統(tǒng)冷卻塔+鍋爐系統(tǒng)不同，它不涉及冷卻塔等相關(guān)輔件的安裝及應(yīng)用，所以構(gòu)造簡單，易維護(hù)。二是不強(qiáng)調(diào)是否安裝在有效地面空間。熱泵空調(diào)機(jī)組的安裝位置具有靈活性，支持安裝在非有效地面空間，如樓頂?shù)任恢茫栽诓糠滞恋刭Y源相對匱乏、緊缺區(qū)域具有高度適用性。三是高效節(jié)能。變頻控制下，熱泵空調(diào)實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整制冷或制熱功率，既可以規(guī)避過度制冷或制熱，又可以節(jié)約能源30%及以上，讓能源效率更高^[2]。四是經(jīng)濟(jì)性。熱泵空調(diào)系統(tǒng)依托變頻器實(shí)現(xiàn)以室內(nèi)負(fù)荷變化為依據(jù)靈活調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，故相較于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，其經(jīng)濟(jì)性更高。

1.2.2" 熱泵空調(diào)的劣勢

一是初期產(chǎn)生高額投資費(fèi)用。熱泵空調(diào)集成先進(jìn)技術(shù)和材料，所以與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，初期投資費(fèi)用更高。二是高環(huán)境敏感性。不同溫度條件下熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能差距明顯，特別是在極端溫度條件下，其能效可能變差，嚴(yán)重時會導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境無法達(dá)到舒適度要求，此時需要增加設(shè)備輔助系統(tǒng)運(yùn)行。三是維護(hù)成本較高，雖然熱泵空調(diào)系統(tǒng)相對簡單、易維護(hù)，但從長期視角分析，定期檢修費(fèi)用仍是很高，隨著系統(tǒng)使用時間延長、系統(tǒng)性能自然損耗，維護(hù)成本還可能隨之增加。

2" 熱泵空調(diào)技術(shù)中變頻控制技術(shù)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)中的變頻控制技術(shù)是其得以根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷變化實(shí)現(xiàn)運(yùn)行調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，是通過靈活調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行滿足用戶在冬、夏兩季的快速制熱制冷要求，并避免空調(diào)系統(tǒng)頻繁啟動造成溫度波動^[3]。

2.1" 直流變頻壓縮機(jī)

直流變頻空調(diào)器是借助變頻器實(shí)現(xiàn)50 Hz工頻交流電源的轉(zhuǎn)化，使其以直流電源輸送到功率模塊主電路，其中，借助微電腦實(shí)現(xiàn)對功率模塊的有效控制，每個功率模塊輸出端的直流電源其電壓是可變的。直流變頻空調(diào)器不存在逆變，故相較于交流變頻，在節(jié)能方面更具有優(yōu)勢。

2.2" 電子膨脹閥

2.2.1" 基本構(gòu)成

它是制冷機(jī)電一體化模式下，熱泵空調(diào)系統(tǒng)不可或缺的一部分，與變頻控制技術(shù)一同，讓熱泵空調(diào)的制冷系統(tǒng)更加智能，是發(fā)展空間廣大的一種自控節(jié)能元件。電子膨脹閥由3個部分組成：以單片機(jī)為核心硬件的控制器、由可控驅(qū)動裝置和閥體組合成的執(zhí)行器、以熱電阻或熱電偶為主的傳感器。其中，熱泵空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)壓縮機(jī)等設(shè)備的變頻控制離不開控制器的多機(jī)級連。

2.2.2" 驅(qū)動方式

其驅(qū)動方式是先由傳感器采集數(shù)據(jù)，控制器計算參數(shù)、向各驅(qū)動板發(fā)出調(diào)節(jié)指令，再由驅(qū)動板接收調(diào)節(jié)指令并將其轉(zhuǎn)化為電信號并輸出，電子膨脹閥接收電信號后開始動作。這種驅(qū)動方式一定程度上滿足了工況波動劇烈對熱泵機(jī)組運(yùn)行性能的要求。

2.2.3" 過熱度設(shè)定值可調(diào)

電子膨脹閥支持通過遠(yuǎn)距離改變控制程序源代碼以實(shí)現(xiàn)過熱度設(shè)定值的調(diào)節(jié)，還支持根據(jù)場景需要調(diào)整過熱度，以實(shí)現(xiàn)對蒸發(fā)器表面結(jié)霜情況的控制。這一功能在食品冷庫中更為明顯，具體體現(xiàn)在以最小消耗增強(qiáng)冷庫冷凍能力，讓食品干耗相對減少。

2.3" 變頻熱泵空調(diào)機(jī)

直流變頻多聯(lián)機(jī)（熱泵）空調(diào)設(shè)備采用先進(jìn)技術(shù)（直流變頻無刷壓縮機(jī)、正弦波180°驅(qū)動、R410A）和材料（稀土永磁材料），從而實(shí)現(xiàn)了不同運(yùn)轉(zhuǎn)速度下的平穩(wěn)、高效運(yùn)行^[4]。其變頻控制體現(xiàn)在以下幾個方面[A7]"。

（1）綜合運(yùn)用高壓腔直流變頻渦旋壓縮機(jī)、無刷直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)低壓冷媒直壓直排以及氣液分離。其中，無刷直流電機(jī)采用集中式繞組定子，壓縮機(jī)低壓冷媒排放口位于側(cè)方。這種搭配方式，在提高壓縮機(jī)壓縮效率的同時，也進(jìn)一步優(yōu)化了熱泵空調(diào)系統(tǒng)的低溫啟動性能。另外，電機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了輕巧化設(shè)計，轉(zhuǎn)矩也相較于無刷直流電機(jī)得到大幅度提高，所以電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率更快。

（2）以變頻驅(qū)動風(fēng)扇電機(jī)替代普通交流感應(yīng)電機(jī)，改善了低速運(yùn)轉(zhuǎn)工況下空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率，另外，可以應(yīng)對-20 ℃超低溫環(huán)境下對熱泵空調(diào)制熱系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。

（3）采用正弦波驅(qū)動技術(shù)+直流變頻壓縮機(jī)組合方式，讓壓縮機(jī)得以高效穩(wěn)定運(yùn)行的同時也降低了諧波及電磁噪音污染，彌補(bǔ)了熱泵空調(diào)運(yùn)行噪聲大的缺陷。

（4）創(chuàng)新采用冷媒存儲技術(shù)，通過將其運(yùn)用到冷媒存儲中，實(shí)現(xiàn)多余液態(tài)冷媒的臨時存儲與再利用，以規(guī)避資源浪費(fèi)；綜合運(yùn)用雙電子膨脹閥元件和電磁閥控制液旁通控制技術(shù)，提高熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制系統(tǒng)對液態(tài)冷媒流量、壓縮機(jī)過熱度的控制精度，進(jìn)而讓熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠。

3" 變頻熱泵空調(diào)低溫應(yīng)用實(shí)踐效果評估

部分純電動大巴安裝了變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)，但受技術(shù)局限性等因素影響，其應(yīng)用效果并不理想。現(xiàn)結(jié)合低溫地區(qū)大巴空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)，從熱泵制熱效果、耗電量兩個角度分析變頻熱泵空調(diào)的應(yīng)用效果。

3.1 "運(yùn)行測試

全年運(yùn)行周期內(nèi)，大巴熱泵空調(diào)系統(tǒng)保持5～6個月的制熱運(yùn)行模式，現(xiàn)結(jié)合低溫地區(qū)氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用空調(diào)熱負(fù)荷理論，通過與電加熱器對比，驗證變頻熱泵空調(diào)的使用效果。測試時，統(tǒng)一按20 kW額定制熱量設(shè)置變頻熱泵空調(diào)和電加熱器，其中，變頻熱泵空調(diào)、電加熱器的電功率分別為9 kW、21 kW（包括末端風(fēng)機(jī)）。變頻熱泵空調(diào)是組合出風(fēng)方式（頂部和底部），電加熱器是單一出風(fēng)方式（底部出風(fēng)）。測試內(nèi)容包括變頻熱泵空調(diào)優(yōu)化風(fēng)道效果分析、變頻熱泵空調(diào)和電加熱器運(yùn)行后的車廂內(nèi)溫度變化、相同公里數(shù)下變頻熱泵空調(diào)與電加熱器的耗電情況、單日變頻熱泵空調(diào)和電加熱器的節(jié)電率等^[5]。

3.2" 結(jié)果分析

第一，變頻熱泵空調(diào)優(yōu)化風(fēng)道前，設(shè)定溫度值為25 ℃，每間隔5 min測量一次溫度，計算平均溫度。其結(jié)果表明：6個測量位置平均溫度各不相同且差距較大，其中，溫度最低的位置是車廂底部；變頻熱泵空調(diào)優(yōu)化風(fēng)道后，車廂底部溫度升高，車內(nèi)各位置平均溫度差距縮小，車廂內(nèi)環(huán)境更加舒適。

第二，對于安裝變頻熱泵空調(diào)的大巴，隨著時間推移，車廂內(nèi)溫度升高迅速，在22 min時達(dá)到設(shè)定溫度25 ℃，22 min后車廂內(nèi)平均溫度基本保持在20～25 ℃之間；借助電加熱器升溫的大巴，其車廂平均溫度無規(guī)律變化，30 min后，車廂內(nèi)平均溫度也沒有達(dá)到設(shè)定溫度，最高溫度是17 ℃。也就是說，變頻熱泵空調(diào)制熱效果要優(yōu)于電加熱器制熱效果^[6]。

第三，行駛相同公里數(shù)，變頻熱泵空調(diào)每公里耗電量維持在0.569 kW·h，電加熱器每公里耗電量維持在0.866 kW·h，表明了變頻熱泵空調(diào)的耗電量低于電加熱器。

第四，單日內(nèi)，相較于電加熱器，變頻熱泵空調(diào)的平均每公里耗電量更低，也就是說，它更加省電，二者節(jié)電率差值在45.12%左右，說明變頻熱泵空調(diào)節(jié)能性能更佳。

第五，經(jīng)濟(jì)性分析。假設(shè)運(yùn)營里程數(shù)一定，制熱周期為兩個月（60 d），電費(fèi)為每度電0.6元，計算每百臺變頻熱泵空調(diào)車輛年節(jié)約電量，計算過程是先用電加熱器平均用電量和變頻熱泵空調(diào)平均用電量求出差值，然后與平均每天運(yùn)營里程數(shù)、車輛總數(shù)、制熱天數(shù)3個參數(shù)相乘，其結(jié)果為21萬kW·h；計算每百臺變頻熱泵空調(diào)車輛年節(jié)約電費(fèi)總額，計算原理是利用每臺變頻熱泵空調(diào)車年節(jié)約電量總額與每度電電費(fèi)相乘，其結(jié)果為12.6萬元。計算結(jié)果表明，變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有節(jié)能性，可以有效節(jié)約空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用。

3.3" 驗證結(jié)論

（1）根據(jù)車廂溫度優(yōu)化變頻空調(diào)系統(tǒng)可以改善制熱效果；（2）變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)無論是升溫速率，還是節(jié)能效果，都明顯優(yōu)于電加熱器，它可以短時間內(nèi)使室內(nèi)溫度達(dá)到適宜程度，并根據(jù)室內(nèi)溫度負(fù)荷靈活調(diào)節(jié)，讓環(huán)境溫度適宜的同時不過多浪費(fèi)電能；（3）相較于電加熱器，變頻加熱空調(diào)的平均節(jié)電率更高，達(dá)到45.12%左右，年節(jié)約費(fèi)用在12.6萬元，不僅節(jié)能，還降低了空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用。

4" 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用變頻技術(shù)的熱泵空調(diào)契合了環(huán)保政策，推動了空調(diào)高效節(jié)能運(yùn)行。同時，依托先進(jìn)技術(shù)和材料，使其具備電加熱器等制熱設(shè)備無法比擬的優(yōu)勢，是未來可期的一項技術(shù)。所以，要持續(xù)推進(jìn)變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)研發(fā)，從節(jié)能、智能化、精準(zhǔn)化控制等視角出發(fā)，研究變頻熱泵空調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展之路，以滿足市場需求，充分發(fā)揮其在各種場景中的功能優(yōu)勢。

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