“双碳”导向下的变频空调节能优化设计与应用

李文双

（广东邮电职业技术学院，广州 510630）

为提高人们的物质生活水平和实现社会的可持续发展，我国大力推进“双碳”政策，根本目的是减少温室气体排放，建立以低能耗和低污染为目标的经济发展体系。近年来，各行各业开始采取有效措施节能减排，以缓解能源危机，改变环境污染现状。其中，家用变频空调设备的节能成为各空调企业和空调用户关心的话题。

随着人们生活水平的提高，一般在炎热的夏季和寒冷的冬季，为提高居住舒适性和生活品质，人们都离不开空调设备对居住环境温湿度的调节。因此，在生活用电比例中，空调产品耗电所占的比重越来越大，这一现象在夏季炎热地区尤为明显[1]。在实际应用中，空调需要处理的冷负荷随天气、人员及环境条件等因素发生变化，要将室内温度控制在设定点上，需要调节空调的制冷量[2]。

现阶段建筑碳排放占全部碳排放的1/3，其中暖通空调为建筑碳排放之首[3]。数据显示，我国制冷用电量已占全社会用电量的15%以上[4]。以家用变频空调为例，由于变频空调运行频率范围广，可适合大负荷环境的使用，近几年得到了快速发展，深受广大消费者的青睐。为了适应社会节能的需求，将变频技术应用于空调制冷系统，可以提高空调的制冷效率，节约电能资源[5]。

1 变频空调控制逻辑

在空调系统中，无论是家用变频空调产品还是通信机房用的风冷型变频精密空调，其内部的设备部件均主要包括压缩机、蒸发器、节流部件以及冷凝器。制冷系统以制冷剂作为媒介，实现制冷与制热模式下的能量转换和传递，并与房间内环境进行能量交换。变频空调是指在空调产品的主要部件中加装了变频器的常规空调，运行频率可调、可控。空调压缩机是空调系统的“心脏”，其转速直接影响空调的使用效率。变频器是用来控制和调整压缩机转速的控制系统，使之始终处于最佳的转速状态，提高能效比。

变频空调控制逻辑的优劣直接影响空调的能效比。近年来，市场上的变频空调得到了快速发展，运行频率范围广，可以用于宽负荷环境下的调节使用。通常，变频空调在房间内的回风温度达到设定温度值时，采取降低压缩机频率的方式来适应制冷量需求的变化。对于空调厂家和空调产品的使用者来说，空调产品最值得关注的是省电节能。

1.1 技术方案

变频空调主要采用分段定点控制方法进行变频空调运行逻辑的控制，工作原理是对空调设备的核心部件（压缩机）进行整体分区控制，将压缩机的频率运行范围大致划分为若干个区间段，使得实际运行中变频空调的工作频率在几个固定的频率值上。然而，在变频空调设备的实际使用中，空调房间内的实际冷负荷或热负荷会随时间变化。因此，本文提出采用适用于房间空调温度变化较大情况下的节能控制逻辑，针对变频空调研究一种节能优化模式，限制能效低的频率段（如高频）的运行，通过改善压缩机运行频率，并与传统（原有运行频率控制逻辑下）的制冷、制热模式对比，提高能效比，从而达到更加节能省电的目的。

空调运行的实时能效比是能够反映空调能耗等级的直接参数。基于变频空调运行的实验测试研究，以家用1匹机（2 500 W制冷量）的机型为例进行阐述，其中空调房间的实际负荷是不断变化的。变频空调产品的能效比与空调的实际运行频率有关。通常变频空调运行频率在30 Hz附近时能效比处于较高水平，且随着运行频率的上升，能效比不断下降。变频空调实际运行时，不同运行频率下的能效比如图1所示。

图1 不同运行频率下的能效比

在变频空调能效提升方面，变频空调的运行频率是影响空调能效比的重要指标。在“碳达峰、碳中和”的国家级政策导向下，电能的大量消耗问题急待解决，全国、全行业乃至全民的节能降耗已成为主要趋势。目前，空调系统节能已经成为空调厂家关心的内容，节能产品的研制也已经成为行业的技术挑战。

1.2 节能设计

在实际运行过程中，变频空调产品具有节能、控温精准和噪声低等典型特点。对空调用户而言，他们购买变频空调的主要原因是省电。变频空调能效比是衡量空调制冷或者制热效率的重要指标。变频空调产品要实现省电节能，需要运行在较高能效比所对应的频率段。因此，本文的节能策略技术方案主要基于限制运行频率，对典型的变频空调的名义制冷和名义制热运行模式进行节能分析。节能策略调节逻辑如图2所示。

图2 节能策略调节逻辑

变频空调名义制冷模式。原有模式逻辑的最高频率为80 Hz，额定点频率为54 Hz。节能逻辑下，频率运行在60 Hz以下的，按60 Hz限制高频运行。名义制冷运行在60 Hz以上的，按照名义制冷频率点设置最高运行频率。

变频空调名义制热模式。原有模式逻辑的最高频率为77 Hz，额定点频率为64 Hz。节能逻辑下，频率运行在65 Hz以下的，按65 Hz限制高频运行。名义制热运行在65 Hz以上的，按照名义制热频率点设置最高频率。

2 节能效果分析

对变频空调的运行频率进行优化限制，主要选用能效比相对较高的空调运行频率方式，并对其限制频率前后的耗电量进行对比。用1 200 W热负荷（26 ℃开机运行）下单一变量原则（室内干/湿球温度为32 ℃/25 ℃，室外干/湿球温度为35 ℃/24 ℃）对原有制冷模式（限频率80 Hz）和节能策略调整后（限频率60 Hz）的变频空调制冷运行模式进行实验，对同一段时间内的空调耗电量进行实测统计和对比分析。以制冷模式的运行效果为例，运行时间分别取样为100 min和180 min，结果节能模式下耗电量均有明显节省，见表1。

表1 制冷模式的运行效果做对比分析表

在变频空调制冷模式运行中，从空调运行过程看，原有模式（频率80 Hz）在运行过程中优先达到设定温度26 ℃，降温速度快，耗电量相对较大。此外，原有模式下，由于运行降温速度快，回风干球温度产生过冲，温度下降至26 ℃以下。在运行100 min时，回风干球温度达到25.6 ℃，节能模式（限频率60 Hz）下回风温度达到26.0 ℃，节省电量0.38 kW·h，节能模式的节电效果显著。

3 结语

本文主要针对变频空调类产品的控制逻辑进行节能策略改善，以家用变频空调为例，通过调节变频空调实际运行频率达到节能省电的目的。在进行变频空调控制逻辑优化过程中，主要研究一种节能模式，即限制能效低频率段（如高频）的运行。与传统的（原有压缩机运行频率下）制冷、制热压缩机运行模式对比，节能模式提高了能效比，节能效果比较显著，主要体现在以下两个方面。一方面，该节能模式是现有变频空调常用模式（制冷、制热、送风、除湿）细分的另一种模式，通过限制能效较低的高频段，使变频空调运行在能效比较高的频率下，达到节能、省电的目的；另一方面，制定出变频空调节能模式控制逻辑，从产品开发的角度进行变频空调节能策略的优化设计。在空调运行初期，限制空调压缩机频率对家用空调的舒适性影响差异不大，但降低了空调耗电量，对空调节能有明显改善。

无论是家用变频空调产品还是通信机房用的风冷型变频精密空调，变频空调产品型号及能力段对应的产品相对较多，且变频空调运行时负荷变化范围相对较宽，因此在进行变频空调控制逻辑节能策略研究和设计的过程中，可采用通过限制能效较低的高频段，使变频空调运行在能效比较高的频率下，从而达到节能、省电的目的。但是，在实际空调产品设备优化过程中，为保证不同机型的最优节能效果得到最大程度发挥，提出的节能模式思路可供参考，可根据不同机型灵活调整具体的频率设定值，不同地区可根据具体情况进行模式选择。