R290变频空调器制冷运行能耗仿真分析

黎辉玲 蔡明明

广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528311

0 引言

目前我国使用的房间空调器中变频空调器占比接近60%，而变频空调器所使用的制冷剂为R410A。随着基加利修正案的提出，R410A及其过渡制冷剂R32最终将被更加环保的天然制冷剂所替代，R290制冷剂在变频房间空调器的应用越来越受到企业的重视。目前的R290研究还停留在基本物性和国标等特定工况下的对比研究，如MATHUR[1]、姚寿广[2]、陈永强[3]等对R290物性进行研究；南晓红[4]、Chang[5]、韩晓霞[6]等对R290管内换热特性进行了研究；徐华保[7]、王晓春[8]、Dongsoo Jung[9]等对R290制冷系统及空调热泵进行了研究，而变频空调器的实际运行是随负荷的改变而运行频率不断变化的非稳态过程，我国房间空调器能效标准GB 21455-2013给定了空调器在制冷和制热季节各室外温度发生时间为1136 h和433 h，李子爱等通过调查统计发现不同地区的制冷季节总运行时间有很大差异，客厅和房间运行时间又不同，如在客厅使用时间，北京为573 h，南京为623 h，广州为960 h；而在房间使用时间，北京为329 h，南京为559 h，广州为1053 h，故国标给定的空调发生时间能否反映我国住宅空调的实际使用状况已经产生了一些争议[10]。因此，研究R290变频空调在不同地域运行特性对比具有实际意义。

1 实验

1.1 实验方法与设备

本文通过焓差法测试R290变频空调变工况下的性能，并安装在户外测试房间中进行持续运行测试，获得空调系统的运行参数。

实验所采用的实验房间为集装箱房，主要结构参数如表1所示，房间面积为18 m2，前后各一扇窗户宽1.18 m、高1.24 m，门高2.3 m、宽0.8 m，放置于顺德某空调厂商厂区内。

表1 实验房尺寸

将R290空调系统安装在室内布局如图1所示的实验房，空调室内机安装于窗户正上方中间位置，室外机置于外侧窗户下方，室内侧布置25个温度点用于测试房间温度，温度采集仪采用日本HIOKI数据记录仪LR8400-21系列。

图1 R290测试房间俯视平面图

瞬时功率及累计耗电量的记录用日本横河WT310功率分析仪，通过数据线与电脑连接，附带WTViewerFreePlus软件对电功率参数实时监控记录。本次实验测试仪器详细清单如表2所示。

表2 测试仪器清单

1.2 实验样机

本次实验采用的是某公司的制冷量为3200 W的分体变频壁挂式空调器。机型参数如表3所示。

表3 实验样机参数

1.3 变工况性能对比

T1型房间空调器正常工作环境温度是制冷18～43℃，制热-7～24℃，且变频空调在不同的工况条件下运行频率也不相同。故在焓差室对R290机型进行不同室内、外温度的性能对比，测试工况如表4所示。

表4 变工况性能测试工况

如图2所示为在不同环境温度下R290机型能力及能效曲线，在室外温度32℃附近输出制冷能力最高，室外温度高于32℃时，制冷能力逐渐降低，这是由于室外换热变差以及空调系统本身保护限制频率运行，能效随着室外温度升高均呈下降趋势。

图2 R290空调变工况性能曲线

2 基于不同气象条件模拟分析

实验房的测试是针对特定气象条件和房间负荷的不间断运行实验，对不同气象条件和不同房间负荷的普适性较差。而目前空调行业对建筑物热环境的模拟和计算已经非常成熟，另外模拟计算也可消除空调器样机具体能效值和制冷能力差异的不可比因素，即采用基于实际测试数据的虚拟样机进行计算。为此，本文针对不同地域的气象条件、基于R290空调器样机的性能测试结果，设定不同的虚拟房间负荷进行空调器不间断运行能耗模拟计算，以对比不同地域能耗差异。

2.1 实验模型建立

2.1.1 虚拟空调房模拟

如图3所示为测试房间实体图及EnergyPlus实验模型，房间尺寸6 m×3 m×2.78 m，仿真模型围护结构热工性能参数见表5所示。

表5 实验房围护结构热工性能参数

图3 测试房间

2.1.2 空调模型建立

利用EnergyPlus软件温度和空气流量修正曲线来模拟出空调变工况下实际运行状态。测试房间空调风档不变，仅需对温度进行修正[11]，空调性能的温度修正曲线公式如式（1）。

其中Twb为房间湿球温度，Tc为室外侧干球温度，a、b、c、d、e、f为修正系数。

用Matlab对R290空调系统变工况的性能进行拟合得到修正系数，结果如表6所示，R290空调系统的制冷量及能力输入比修正曲线的决定系数R2分别为0.9944和0.9801，决定系数在0.95以上，说明曲线拟合度较好。图4～图5所示为在不同室内温度下R290空调系统的实测制冷量、能效与拟合的制冷量、能效对比，从图中可以看出实测值与拟合值曲线的变化趋势及数值都比较接近。

表6 空调性能修正曲线系数表

图4 室内20℃时实测值与拟合值对比

图5 室内27℃时实测值与拟合值对比

2.2 实验模型验证

利用5月29日至5月30日的监测数据，将空调功率和耗电量的实测结果与仿真结果进行对比，以验证仿真模型的准确性。

2.2.1 空调逐时功率验证

图6是R290空调功率实测值与仿真值的对比，由于实测功率的间隔为1小时，空调实际运行过程频率是不断变化的，功率的模拟值相对实测值波动较大，但是总体来说，模拟结果与实测结果大小和变化趋势大致相符，仿真值与实测值趋势基本相符。

图6 R290空调两天实测瞬时功率与模拟功率对比

图7为室内外温度的变化曲线，对比功率图可以看出，室内空调功率随着室外温度的上升而升高，随着室外温度的下降而降低。

图7 室内、外温度变化情况

2.2.2 累计功耗验证

空调开启的两天时间仿真计算耗电量与实测耗电量对比结果如表7所示。仿真计算耗电量略高于实测值，相对误差为6.4%，这是由于空调随工况变化频率不断变化、空调性能曲线拟合度、室内温度不均匀等因素都会导致空调能耗模拟与实测结果存在偏差。总的来说，仿真误差在合理的范围内，在全年的建筑能耗仿真中，该模型能够较准确地反映空调的实际能耗。

表7 空调耗电量实测值与仿真计算值比较

2.3 基于不同气象条件模拟分析

我国从南至北历经热带、亚热带、温带、寒带，气候复杂多样，气温梯度大。根据我国气候分区的特点，民用建筑热工设计规范GB 50176-2016中将全国按一级区划划分成严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖、温和五个地区[12]。而气象条件是影响变频空调性能的重要因素之一，本文选取北京、上海、成都、广州四个典型气象城市，以研究R290变频空调系统在不同地区运行能耗。

2.3.1 被模拟城市气候概况

北京属于北温带大陆季风性气候，夏季温度高且多雨，冬季寒冷且湿度低，春、秋两季时间比较短促；上海属于亚热带季风气候，成都属于中亚热带湿润季风气候，广州属于海洋性亚热带季风气候，温暖多雨、光热充足，夏季长，全年平均气温20～22℃。

将室外温度高于26℃作为需要制冷温度，各城市全年室外逐时干球温度高于26℃的小时数和天数如表8所示，广州全年高于26℃时间最长，达到2810 h；上海次之，为1497 h；成都最短，为959 h，广州制冷时长为成都的2.9倍。按日平均温度高于26℃来对比，广州129天，上海61天，北京45天，成都31天，可见各城市开空调时长差距较大。

表8 被模拟城市室外干球温度高于26℃时长对比

2.3.2 模拟结果分析

如图8为空调设定20℃时各城市全年总耗电量，其中北京全年耗电量1173 kW·h，上海为1355 kW·h，成都为1063 kW·h，广州全年耗电量为2320 kW·h，可见在不同地区制冷全年耗电量广州最高，为成都的2.18倍，上海、北京居中，成都最低。室外温度越高，空调系统功耗越大，从表8可以看出，全年平均温度高于26℃的小时数广州最长，与模拟耗电量结果相符。

图8 各模拟城市全年耗电量对比

空调的设定温度直接影响能耗，为此国务院下发了有关通知，提出空调制冷设定温度应高于26℃，制热不超过20℃。图9为R290空调系统被模拟城市设定温度分别为20℃、22℃、24℃、26℃、28℃的全年制冷耗电量，从图9中可知，随着空调设定温度的上升，空调能耗大幅降低，北京地区空调设定温度20℃上升至22℃，耗电量降低16%，22℃上升至24℃时，耗电量降低16.7%；24℃上升至26℃时，耗电量降低16.7%；26℃上升至28℃时，耗电量降低16.3%。上海、成都、广州地区设定温度分别为20℃、22℃、24℃、26℃、28℃的全年制冷耗电量对比，空调设定温度每上升2℃，R290的耗电量分别降低约19.2%、17.1%、20.1%。设定温度升高，房间负荷需求降低，空调系统频率降低，因此耗电量降低。

综上所述，夏季制冷空调设定温度能大幅降低耗电量，不同气象地区降低幅度有所差异，但差异不大。

图10为模拟不同城市上班族使用空调全年制冷耗电量，空调设定温度为26℃，空调运行时间从晚上6点至第二天早上6点。从图10中可知，北京地区全年耗电量255.3 kW·h，上海地区为241.5 kW·h，成都地区为255.7 kW·h，广州地区为410 kW·h。北京、上海、成都三地区耗电量相当，广州最高，约为北京的1.6倍。