基于变频技术的空调性能实验研究

基于变频技术的空调性能实验研究

马超鹏

珠海格力电器股份有限公司珠海519000

摘要：本文分析了变频技术的原理和发展，通过对市场调查和对一款产品在不同赫兹时进行测试分析，参考前人对变频技术的分析研究，结合本实验数据分析变频机在不同赫兹时运行性能对机组制热量、COP等的影响。研究表明：基于变频技术的变频机在不同赫兹时机组的制热量有显著的影响，COP与频率变化呈抛物线关系。直流变频比交流变频最大可提升45%的效率。

关键词：空调；变频技术；制热量；COP

1前言

目前基于变频技术的各种空调、热泵产品，越来越受到厂家和消费者的关注，在2017年的变频机的销售上可以看出变频机增长率超过了30%，变频机由于其节能、高效等优点已经成为今后发展的一个趋势。正是基于这种原因本文从变频技术的原理及应用分析，通过对一款产品测试来分析变频技术的效果，并对变频机的市场现状和技术展望进行分析。

我国的电网电压为220伏、50赫兹，在这种条件下工作的机组称之为“定频机”。由于供电频率不能改变，传统的定频机的压缩机转速基本不变，依靠其不断地“开、停”压缩机来调整制冷、制热量，其一开一停之间容易造成温度忽冷忽热，并消耗较多电能。而与之相比，“变频机”改变压缩机供电频率，调节压缩机转速。依靠压缩机转速的快慢达到控制温度的目的，使得温度波动小、电能消耗少，其舒适度大大提高。而运用变频控制技术的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转方式，在短时间内迅速达到所需要的温度并在低转速、低能耗状态下以较小的温差波动，实现了快速、节能和舒适控温效果。供电频率高，压缩机转速快，空调器制冷（热）量就大；而当供电频率较低时，空调器冷（热）量就小。这就是所谓“定频”的原理。

田晓亮等针对常规压缩机的变频性能进行了详细的测试，并给出了压缩机输入功率、系统高低压、制冷量和制冷系数随频率的变化规律，但是该规律是在变工况情况下（蒸发温度一直在降低）得到的，此时压缩机输入功率等参数不仅受到频率增加的影响，也受蒸发温度变化的影响，所以文中得出的压缩机输入功率随频率的增加而线性增加的规律以及其他参数的变化规律均有待商榷。基于前人的研究基础上，本文在稳定工况下分别测试两种不同频率下制热量、风量等的变化值，并通过测试不同的频率得出相应的COP值，从中总结出这些值的变化趋势，对变频技术做进一步的分析。

2调节制冷量的原理

一定工况下，制冷量与制冷剂质量流量成正比，即

3测试分析

通过对一款变频机产品在80Hz和85Hz情况下分析其能效及效果：

（1）根据GB/T7725.2004，额定制热工况下测试：室外干球温度7℃，室外湿球温度6℃，室内干球温度20℃，室内湿球温度15℃。分别测试压缩机在80Hz和85Hz下的COP系数和能力效果。

图180Hz时所对应的能力图图285Hz所对应的能力图

如图1所示80Hz情况下变频机制热量、风量随时间的变化值，从图中可知，随着时间的增加其制热量基本保持不变，平均值维持在4146.383W左右；同理，随着时间的增加风量基本保持不变，维持在610m3/h左右。

如图2所示为85Hz情况下变频机制热量、风量随时间的变化值，从图中可知，随着时间的增加其制热量基本保持不变，平均值维持在4224.461W左右；同理，随着时间的增加风量基本保持不变，维持在608m3/h左右。

由于两种测试情况是在其他条件完全一致，只是更改压缩机的频率下测出的，由此可知，压缩机频率对于机组的制热量有着明显的影响，在同一赫兹下机组的运行性能基本保持不变，但是一旦更改频率就会对机组产生较大的影响，虽然只相差5Hz但是制热量相差近100W，这对于用户的影响是十分明显的。这是由于压缩机的性能直接影响机组的效率，改变压缩机输入频率其目的是通过改变压缩机转速来改变单位时间的压缩机排量，从而实现空调、热泵系统工况的变化。一般是通过附加一个变速装置来实现转速的改变。其已成为研究和发展的主流，而且已经应用于空调行业。

空调系统的这种变频调节越来越多的成为各空调厂商的系统调节的主要手段。变频调速是近年发展起来的一种新型交流电机调速技术，异步电动机转速可以表达为

对于制热量来说，当工质热力学参数在换热器的进出口处变化不大时，它和工质的流量成正比，而工质的流量和压缩机的转数n成正比，所以在理论上：制热量应和压缩机的转数n成正比，进而和压缩机的输入频率，成正比。

对于制热系数COP来说，在热力学参数变化不大的前提下，制热量随频率的升高而增大的程度等于压缩机输入功率随频率的升高而增大的程度。

图3不同频率所对应的COP值

如图3所示为通过测试本实验变频机在不同频率时所对应的COP值的变化曲线，由图可知，随着频率的增加，COP值先增大后减少，在80Hz左右达到最大值。

分析其原因，对于制热系数COP来说，在热力学参数变化不大的前提下，制热量随频率的升高而增大的程度等于压缩机输入功率随频率的升高而增大的程度。制热系数COP的波动其实是由压缩机频率所决定的。而不同压缩机的频率对机组的性能有着直接的影响，也并非频率越高越好越好，COP与频率变化呈抛物线关系且有一个最佳值，这也间接地证实了赵力等关于压缩机频率与制热系数COP之间的变化规律的研究。

如图4所示为20级调速，系统压力随风扇电机转速的变化示意图。从图中可以看出，系统压力随着转速的变化呈阶梯状增加。

图4直流风扇电机20级调速图5直流电机与交流电机效率图

如图5所示为直流电机与交流电机随着转速的变化所对应的效率图，由图可知，在转速一定时，直流电机的效率明显大于交流电机的效率。同时，随着转速的增加电机的效率先以较大幅度增加，达到一定效率时，逐渐平稳，最大可提升45%的效率。

4结论

本文主要针对在稳定工况下改变压缩机频率来研究制热量、风量、COP等的变化规律。研究表明：在保持同一测试工况下，不同压缩机频率对于制热量的大小影响较大，对COP的影响呈先增大后减小的趋势，即系统的COP在一定的频率范围可以达到最大值，增大到一定程度则会降低系统性能。直流变频可以随外界负荷的大小调节转速，比交流变频要节能，最大可提升45%的效率。

参考文献：

[1]吕汀，石红梅.变频技术原理与应用[M].2007，180～200.

[2]田晓亮，王兆俊，赵先星.常规50Hz压缩机变频性能试验[J].青岛大学学报，1998，30～34.

[3]罗志高.变频中央空调系统设计与施工实例[J].广州：广东建材，2005，116～117.

[4]茅红伟，王琪.变频空调器性能测试标准的探讨[J].家电科技，2003，79～81.

作者简介：

马超鹏（1988-），男、汉族、广东珠海人、本科学历、主要从事空调研发设计方向工作