R290變頻空調(diào)器制冷運(yùn)行能耗仿真分析

黎輝玲 蔡明明

廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311

0 引言

目前我國使用的房間空調(diào)器中變頻空調(diào)器占比接近60%，而變頻空調(diào)器所使用的制冷劑為R410A。隨著基加利修正案的提出，R410A及其過渡制冷劑R32最終將被更加環(huán)保的天然制冷劑所替代，R290制冷劑在變頻房間空調(diào)器的應(yīng)用越來越受到企業(yè)的重視。目前的R290研究還停留在基本物性和國標(biāo)等特定工況下的對(duì)比研究，如MATHUR[1]、姚壽廣[2]、陳永強(qiáng)[3]等對(duì)R290物性進(jìn)行研究；南曉紅[4]、Chang[5]、韓曉霞[6]等對(duì)R290管內(nèi)換熱特性進(jìn)行了研究；徐華保[7]、王曉春[8]、Dongsoo Jung[9]等對(duì)R290制冷系統(tǒng)及空調(diào)熱泵進(jìn)行了研究，而變頻空調(diào)器的實(shí)際運(yùn)行是隨負(fù)荷的改變而運(yùn)行頻率不斷變化的非穩(wěn)態(tài)過程，我國房間空調(diào)器能效標(biāo)準(zhǔn)GB 21455-2013給定了空調(diào)器在制冷和制熱季節(jié)各室外溫度發(fā)生時(shí)間為1136 h和433 h，李子愛等通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的制冷季節(jié)總運(yùn)行時(shí)間有很大差異，客廳和房間運(yùn)行時(shí)間又不同，如在客廳使用時(shí)間，北京為573 h，南京為623 h，廣州為960 h；而在房間使用時(shí)間，北京為329 h，南京為559 h，廣州為1053 h，故國標(biāo)給定的空調(diào)發(fā)生時(shí)間能否反映我國住宅空調(diào)的實(shí)際使用狀況已經(jīng)產(chǎn)生了一些爭(zhēng)議[10]。因此，研究R290變頻空調(diào)在不同地域運(yùn)行特性對(duì)比具有實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

本文通過焓差法測(cè)試R290變頻空調(diào)變工況下的性能，并安裝在戶外測(cè)試房間中進(jìn)行持續(xù)運(yùn)行測(cè)試，獲得空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)房間為集裝箱房，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，房間面積為18 m2，前后各一扇窗戶寬1.18 m、高1.24 m，門高2.3 m、寬0.8 m，放置于順德某空調(diào)廠商廠區(qū)內(nèi)。

表1 實(shí)驗(yàn)房尺寸

將R290空調(diào)系統(tǒng)安裝在室內(nèi)布局如圖1所示的實(shí)驗(yàn)房，空調(diào)室內(nèi)機(jī)安裝于窗戶正上方中間位置，室外機(jī)置于外側(cè)窗戶下方，室內(nèi)側(cè)布置25個(gè)溫度點(diǎn)用于測(cè)試房間溫度，溫度采集儀采用日本HIOKI數(shù)據(jù)記錄儀LR8400-21系列。

圖1 R290測(cè)試房間俯視平面圖

瞬時(shí)功率及累計(jì)耗電量的記錄用日本橫河WT310功率分析儀，通過數(shù)據(jù)線與電腦連接，附帶WTViewerFreePlus軟件對(duì)電功率參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器詳細(xì)清單如表2所示。

表2 測(cè)試儀器清單

1.2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

本次實(shí)驗(yàn)采用的是某公司的制冷量為3200 W的分體變頻壁掛式空調(diào)器。機(jī)型參數(shù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)

1.3 變工況性能對(duì)比

T1型房間空調(diào)器正常工作環(huán)境溫度是制冷18～43℃，制熱-7～24℃，且變頻空調(diào)在不同的工況條件下運(yùn)行頻率也不相同。故在焓差室對(duì)R290機(jī)型進(jìn)行不同室內(nèi)、外溫度的性能對(duì)比，測(cè)試工況如表4所示。

表4 變工況性能測(cè)試工況

如圖2所示為在不同環(huán)境溫度下R290機(jī)型能力及能效曲線，在室外溫度32℃附近輸出制冷能力最高，室外溫度高于32℃時(shí)，制冷能力逐漸降低，這是由于室外換熱變差以及空調(diào)系統(tǒng)本身保護(hù)限制頻率運(yùn)行，能效隨著室外溫度升高均呈下降趨勢(shì)。

圖2 R290空調(diào)變工況性能曲線

2 基于不同氣象條件模擬分析

實(shí)驗(yàn)房的測(cè)試是針對(duì)特定氣象條件和房間負(fù)荷的不間斷運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同氣象條件和不同房間負(fù)荷的普適性較差。而目前空調(diào)行業(yè)對(duì)建筑物熱環(huán)境的模擬和計(jì)算已經(jīng)非常成熟，另外模擬計(jì)算也可消除空調(diào)器樣機(jī)具體能效值和制冷能力差異的不可比因素，即采用基于實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的虛擬樣機(jī)進(jìn)行計(jì)算。為此，本文針對(duì)不同地域的氣象條件、基于R290空調(diào)器樣機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果，設(shè)定不同的虛擬房間負(fù)荷進(jìn)行空調(diào)器不間斷運(yùn)行能耗模擬計(jì)算，以對(duì)比不同地域能耗差異。

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>

2.1.1 虛擬空調(diào)房模擬

如圖3所示為測(cè)試房間實(shí)體圖及EnergyPlus實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停块g尺寸6 m×3 m×2.78 m，仿真模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)見表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)

圖3 測(cè)試房間

2.1.2 空調(diào)模型建立

利用EnergyPlus軟件溫度和空氣流量修正曲線來模擬出空調(diào)變工況下實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。測(cè)試房間空調(diào)風(fēng)檔不變，僅需對(duì)溫度進(jìn)行修正[11]，空調(diào)性能的溫度修正曲線公式如式（1）。

其中Twb為房間濕球溫度，Tc為室外側(cè)干球溫度，a、b、c、d、e、f為修正系數(shù)。

用Matlab對(duì)R290空調(diào)系統(tǒng)變工況的性能進(jìn)行擬合得到修正系數(shù)，結(jié)果如表6所示，R290空調(diào)系統(tǒng)的制冷量及能力輸入比修正曲線的決定系數(shù)R2分別為0.9944和0.9801，決定系數(shù)在0.95以上，說明曲線擬合度較好。圖4～圖5所示為在不同室內(nèi)溫度下R290空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)制冷量、能效與擬合的制冷量、能效對(duì)比，從圖中可以看出實(shí)測(cè)值與擬合值曲線的變化趨勢(shì)及數(shù)值都比較接近。

表6 空調(diào)性能修正曲線系數(shù)表

圖4 室內(nèi)20℃時(shí)實(shí)測(cè)值與擬合值對(duì)比

圖5 室內(nèi)27℃時(shí)實(shí)測(cè)值與擬合值對(duì)比

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證

利用5月29日至5月30日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將空調(diào)功率和耗電量的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。

2.2.1 空調(diào)逐時(shí)功率驗(yàn)證

圖6是R290空調(diào)功率實(shí)測(cè)值與仿真值的對(duì)比，由于實(shí)測(cè)功率的間隔為1小時(shí)，空調(diào)實(shí)際運(yùn)行過程頻率是不斷變化的，功率的模擬值相對(duì)實(shí)測(cè)值波動(dòng)較大，但是總體來說，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果大小和變化趨勢(shì)大致相符，仿真值與實(shí)測(cè)值趨勢(shì)基本相符。

圖6 R290空調(diào)兩天實(shí)測(cè)瞬時(shí)功率與模擬功率對(duì)比

圖7為室內(nèi)外溫度的變化曲線，對(duì)比功率圖可以看出，室內(nèi)空調(diào)功率隨著室外溫度的上升而升高，隨著室外溫度的下降而降低。

圖7 室內(nèi)、外溫度變化情況

2.2.2 累計(jì)功耗驗(yàn)證

空調(diào)開啟的兩天時(shí)間仿真計(jì)算耗電量與實(shí)測(cè)耗電量對(duì)比結(jié)果如表7所示。仿真計(jì)算耗電量略高于實(shí)測(cè)值，相對(duì)誤差為6.4%，這是由于空調(diào)隨工況變化頻率不斷變化、空調(diào)性能曲線擬合度、室內(nèi)溫度不均勻等因素都會(huì)導(dǎo)致空調(diào)能耗模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果存在偏差。總的來說，仿真誤差在合理的范圍內(nèi)，在全年的建筑能耗仿真中，該模型能夠較準(zhǔn)確地反映空調(diào)的實(shí)際能耗。

表7 空調(diào)耗電量實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算值比較

2.3 基于不同氣象條件模擬分析

我國從南至北歷經(jīng)熱帶、亞熱帶、溫帶、寒帶，氣候復(fù)雜多樣，氣溫梯度大。根據(jù)我國氣候分區(qū)的特點(diǎn)，民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50176-2016中將全國按一級(jí)區(qū)劃劃分成嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖、溫和五個(gè)地區(qū)[12]。而氣象條件是影響變頻空調(diào)性能的重要因素之一，本文選取北京、上海、成都、廣州四個(gè)典型氣象城市，以研究R290變頻空調(diào)系統(tǒng)在不同地區(qū)運(yùn)行能耗。

2.3.1 被模擬城市氣候概況

北京屬于北溫帶大陸季風(fēng)性氣候，夏季溫度高且多雨，冬季寒冷且濕度低，春、秋兩季時(shí)間比較短促；上海屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，成都屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，廣州屬于海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖多雨、光熱充足，夏季長，全年平均氣溫20～22℃。

將室外溫度高于26℃作為需要制冷溫度，各城市全年室外逐時(shí)干球溫度高于26℃的小時(shí)數(shù)和天數(shù)如表8所示，廣州全年高于26℃時(shí)間最長，達(dá)到2810 h；上海次之，為1497 h；成都最短，為959 h，廣州制冷時(shí)長為成都的2.9倍。按日平均溫度高于26℃來對(duì)比，廣州129天，上海61天，北京45天，成都31天，可見各城市開空調(diào)時(shí)長差距較大。

表8 被模擬城市室外干球溫度高于26℃時(shí)長對(duì)比

2.3.2 模擬結(jié)果分析

如圖8為空調(diào)設(shè)定20℃時(shí)各城市全年總耗電量，其中北京全年耗電量1173 kW·h，上海為1355 kW·h，成都為1063 kW·h，廣州全年耗電量為2320 kW·h，可見在不同地區(qū)制冷全年耗電量廣州最高，為成都的2.18倍，上海、北京居中，成都最低。室外溫度越高，空調(diào)系統(tǒng)功耗越大，從表8可以看出，全年平均溫度高于26℃的小時(shí)數(shù)廣州最長，與模擬耗電量結(jié)果相符。

圖8 各模擬城市全年耗電量對(duì)比

空調(diào)的設(shè)定溫度直接影響能耗，為此國務(wù)院下發(fā)了有關(guān)通知，提出空調(diào)制冷設(shè)定溫度應(yīng)高于26℃，制熱不超過20℃。圖9為R290空調(diào)系統(tǒng)被模擬城市設(shè)定溫度分別為20℃、22℃、24℃、26℃、28℃的全年制冷耗電量，從圖9中可知，隨著空調(diào)設(shè)定溫度的上升，空調(diào)能耗大幅降低，北京地區(qū)空調(diào)設(shè)定溫度20℃上升至22℃，耗電量降低16%，22℃上升至24℃時(shí)，耗電量降低16.7%；24℃上升至26℃時(shí)，耗電量降低16.7%；26℃上升至28℃時(shí)，耗電量降低16.3%。上海、成都、廣州地區(qū)設(shè)定溫度分別為20℃、22℃、24℃、26℃、28℃的全年制冷耗電量對(duì)比，空調(diào)設(shè)定溫度每上升2℃，R290的耗電量分別降低約19.2%、17.1%、20.1%。設(shè)定溫度升高，房間負(fù)荷需求降低，空調(diào)系統(tǒng)頻率降低，因此耗電量降低。

綜上所述，夏季制冷空調(diào)設(shè)定溫度能大幅降低耗電量，不同氣象地區(qū)降低幅度有所差異，但差異不大。

圖10為模擬不同城市上班族使用空調(diào)全年制冷耗電量，空調(diào)設(shè)定溫度為26℃，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間從晚上6點(diǎn)至第二天早上6點(diǎn)。從圖10中可知，北京地區(qū)全年耗電量255.3 kW·h，上海地區(qū)為241.5 kW·h，成都地區(qū)為255.7 kW·h，廣州地區(qū)為410 kW·h。北京、上海、成都三地區(qū)耗電量相當(dāng)，廣州最高，約為北京的1.6倍。