由定频和变频空调机原理谈起——制冷与制热时室外温度极限设置

丁来成

（山东省东营市河口区实验学校，山东 东营 257200）

伴随着课程改革的大力推进和2011年新课程标准的落实和实施，义务教育物理课程应注重与生产、生活实际及时代发展相联系，加强课程内容与学生生活、现代社会和科技发展的联系，关注技术应用带来的社会进步和问题，进而体现从生活走向物理，从物理走向社会.生活中的空调机是每个家庭的必须家电之一，研究空调机可以体现新课程标准下“物理、生活和社会”的紧密联系，下面就从空调机的原理谈起.

图1

空调机中有被称为“冷媒”的物质，利用它的物态变化可以实现室内、外热量的转移.如图1所示是空调机制冷系统的原理图，其中压缩机的作用是对气态“冷媒”加压，并使“冷媒”在管内循环.压缩机的转速越大，“冷媒”的流量越大，空调机的制冷能力就越强.

压缩机的转速由供电频率决定.我们家庭电压为220V、50Hz，在这种条件下工作的空调称为定频空调，由于供电频率不变，传统定频空调的压缩机转速基本不变，依靠不断地“开、停”压缩机来调整室内温度，其中一开一关之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能.而“变频空调”是与传统供电频率不变的“定频空调”相比较而产生的概念，与“定频空调”相比，变频空调的主机是自动进行无级变速的，其变频器可以在一定范围内调节供电频率，即可以根据房间情况自动提供所需的冷（热）量，当室内温度达到期望值后，空调主机则以能够准确保持这一温度的恒定速度运转，从而改变压缩机的转速，实现“不停机运转”，达到控制“冷媒”流量的目的，从而保证环境温度的稳定.

图2是某型号定频空调机的能效标识，其中输入功率是指空调机在额定状态工作时的电功率，制冷量是指单位时间内空调机从密闭区域内去除热量的总和，能效比是空调机在额定状态工作时，制冷量与输入功率之比.这种型号的定频空调机在额定状态下工作10min，消耗的电能为____J，这时可以使____kg的空气温度下降6℃.［取空气的比热容c＝1.0×103J/（kg·℃）］

分析：额定状态下工作时消耗的电能为W＝Pt＝1060W×600s＝6.36×105J.

图2

变频空调机开始工作时，以最大功率进行制冷，当室内温度快速降至设定温度后，压缩机随即处于低速持续运转状态，维持室温基本不变.

下面表1表示某型号变频空调及部分参数之间的对应关系，每一阶段变频空调的输入功率、制冷量、能效比都是不同的，其中制冷量和能效比与定频空调的相关含义是一样的道理.例如夏天的某一天，该变频空调机开始工作0.5h后，家中房间温度降至设定温度，随即空调机处于低速稳定运转状态，又工作了10h，全过程共耗电2.9kW·h.则前0.5h 内空调机消耗的电能是________kW·h，后10h 空调机的电流是_______A.

表1

解析：由上面的分析，我们知道变频空调机开始工作时，以最大功率进行制冷，当室内温度快速降至设定温度后，压缩机随即处于低速持续运转状态，维持室温基本不变，所以变频空调机开始工作0.5h这一段时间内以最大输入功率运行，其消耗的电能是

W1＝P最大t1＝1.4kW×0.5h＝0.7kW·h，

后10h内空调机消耗的电能为

利用定频和变频空调机原理，研究在房间温度设定条件下，可以讨论制冷或制热时室外最高温度与最低温度的设置.如小明家某密闭房间内有一台空调，当房间内温度为t2，房间外温度为t1，正常工作时空调每秒消耗的电功W＝2kJ，此时空调每秒从房间吸取的热量为Q2，向室外释放的热量为Q1，W与Q2、Q1之间满足关系式

（1）在夏天仍要求维持室内温度为20℃，则该空调器可允许正常连续运转的最高室外温度是多少摄氏度？

（2）若在冬天，空调从外界吸热，往室内放热，仍要求维持室内为20℃，则它能正常运转的最低室外温度是多少摄氏度？

解析：这是一道典型的热平衡问题，当夏天空调机进行制冷时，单位时间内空调机从房间吸取的热量与室外向房间漏进的热量相平衡时，室外可达到最高温度；当冬天空调机进行制热时，单位时间内空调机向房间放出的热量与房间内向室外漏出的热量相平衡时，室外可达到最低温度.

因为室外向房间每秒漏进的热量与房间内外的温差成正比，所以设室外向房间内每秒漏进热量为Q漏＝k（t外－t内），其中k为单位温差内每秒漏进（或漏出）的热量.

空调使房间内温度保持不变，则有Q漏＝Q2，

根据题意：当室外温度为30℃，空调机实际间断运转30%时间，这时室内保持20℃不变，即最后保持热平衡时，t外＝t1＝30℃，t内＝t2＝20℃，W＝2000×0.3J＝600J.

在夏天要维持室内温度为20℃不变，设空调器可允许正常连续运转的最高室外温度是t外最大，则

此时t内＝t2＝20℃，W为空调器在连续运转时每秒消耗的电功，W＝2000J.

（2）在冬天，空调从外界吸热，往室内放热，仍要维持室内为t1＝20℃不变，设空调器可允许正常连续运转的最低室外温度是t外最低.

即t外最低＝1.74℃.

总之，定频空调机器的优点是运行性能比较稳定，适合多种环境，但是相对变频空调机来说，就是实际运行功率较大，比较费电，而变频空调机的主要优点就是节能环保，可以根据室内温度来改变压缩机工作的能效，只是缺点也很明显，就是运行不够稳定，如夏季雷雨天是很容易停机或是损坏.不过如果说是长时间运行，变频空调机省电，短时间运行定频空调和变频空调几乎是一样的，所以我们在选择定频空调还是变频空调时，可以根据自己的实际需要，这就是所谓的“仁者见仁、智者见智”的道理.

1 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准［M］.北京：人民教育出版社，2011.

2 侯中柱.变频空调机一题［J］.数理天地，2013（11）.