R290變頻空調器制冷運行能耗仿真分析

黎輝玲 蔡明明

廣東美的制冷設備有限公司 廣東佛山 528311

0 引言

目前我國使用的房間空調器中變頻空調器占比接近60%，而變頻空調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最終將被更加環保的天然制冷劑所替代，R290制冷劑在變頻房間空調器的應用越來越受到企業的重視。目前的R290研究還停留在基本物性和國標等特定工況下的對比研究，如MATHUR[1]、姚壽廣[2]、陳永強[3]等對R290物性進行研究；南曉紅[4]、Chang[5]、韓曉霞[6]等對R290管內換熱特性進行了研究；徐華保[7]、王曉春[8]、Dongsoo Jung[9]等對R290制冷系統及空調熱泵進行了研究，而變頻空調器的實際運行是隨負荷的改變而運行頻率不斷變化的非穩態過程，我國房間空調器能效標準GB 21455-2013給定了空調器在制冷和制熱季節各室外溫度發生時間為1136 h和433 h，李子愛等通過調查統計發現不同地區的制冷季節總運行時間有很大差異，客廳和房間運行時間又不同，如在客廳使用時間，北京為573 h，南京為623 h，廣州為960 h；而在房間使用時間，北京為329 h，南京為559 h，廣州為1053 h，故國標給定的空調發生時間能否反映我國住宅空調的實際使用狀況已經產生了一些爭議[10]。因此，研究R290變頻空調在不同地域運行特性對比具有實際意義。

1 實驗

1.1 實驗方法與設備

本文通過焓差法測試R290變頻空調變工況下的性能，并安裝在戶外測試房間中進行持續運行測試，獲得空調系統的運行參數。

實驗所采用的實驗房間為集裝箱房，主要結構參數如表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，放置于順德某空調廠商廠區內。

表1 實驗房尺寸

將R290空調系統安裝在室內布局如圖1所示的實驗房，空調室內機安裝于窗戶正上方中間位置，室外機置于外側窗戶下方，室內側布置25個溫度點用于測試房間溫度，溫度采集儀采用日本HIOKI數據記錄儀LR8400-21系列。

圖1 R290測試房間俯視平面圖

瞬時功率及累計耗電量的記錄用日本橫河WT310功率分析儀，通過數據線與電腦連接，附帶WTViewerFreePlus軟件對電功率參數實時監控記錄。本次實驗測試儀器詳細清單如表2所示。

表2 測試儀器清單

1.2 實驗樣機

本次實驗采用的是某公司的制冷量為3200 W的分體變頻壁掛式空調器。機型參數如表3所示。

表3 實驗樣機參數

1.3 變工況性能對比

T1型房間空調器正常工作環境溫度是制冷18～43℃，制熱-7～24℃，且變頻空調在不同的工況條件下運行頻率也不相同。故在焓差室對R290機型進行不同室內、外溫度的性能對比，測試工況如表4所示。

表4 變工況性能測試工況

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

圖2 R290空調變工況性能曲線

2 基于不同氣象條件模擬分析

實驗房的測試是針對特定氣象條件和房間負荷的不間斷運行實驗，對不同氣象條件和不同房間負荷的普適性較差。而目前空調行業對建筑物熱環境的模擬和計算已經非常成熟，另外模擬計算也可消除空調器樣機具體能效值和制冷能力差異的不可比因素，即采用基于實際測試數據的虛擬樣機進行計算。為此，本文針對不同地域的氣象條件、基于R290空調器樣機的性能測試結果，設定不同的虛擬房間負荷進行空調器不間斷運行能耗模擬計算，以對比不同地域能耗差異。

2.1 實驗模型建立

2.1.1 虛擬空調房模擬

如圖3所示為測試房間實體圖及EnergyPlus實驗模型，房間尺寸6 m×3 m×2.78 m，仿真模型圍護結構熱工性能參數見表5所示。

表5 實驗房圍護結構熱工性能參數

圖3 測試房間

2.1.2 空調模型建立

利用EnergyPlus軟件溫度和空氣流量修正曲線來模擬出空調變工況下實際運行狀態。測試房間空調風檔不變，僅需對溫度進行修正[11]，空調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為室外側干球溫度，a、b、c、d、e、f為修正系數。

用Matlab對R290空調系統變工況的性能進行擬合得到修正系數，結果如表6所示，R290空調系統的制冷量及能力輸入比修正曲線的決定系數R2分別為0.9944和0.9801，決定系數在0.95以上，說明曲線擬合度較好。圖4～圖5所示為在不同室內溫度下R290空調系統的實測制冷量、能效與擬合的制冷量、能效對比，從圖中可以看出實測值與擬合值曲線的變化趨勢及數值都比較接近。

表6 空調性能修正曲線系數表

圖4 室內20℃時實測值與擬合值對比

圖5 室內27℃時實測值與擬合值對比

2.2 實驗模型驗證

利用5月29日至5月30日的監測數據，將空調功率和耗電量的實測結果與仿真結果進行對比，以驗證仿真模型的準確性。

2.2.1 空調逐時功率驗證

圖6是R290空調功率實測值與仿真值的對比，由于實測功率的間隔為1小時，空調實際運行過程頻率是不斷變化的，功率的模擬值相對實測值波動較大，但是總體來說，模擬結果與實測結果大小和變化趨勢大致相符，仿真值與實測值趨勢基本相符。

圖6 R290空調兩天實測瞬時功率與模擬功率對比

圖7為室內外溫度的變化曲線，對比功率圖可以看出，室內空調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、外溫度變化情況

2.2.2 累計功耗驗證

空調開啟的兩天時間仿真計算耗電量與實測耗電量對比結果如表7所示。仿真計算耗電量略高于實測值，相對誤差為6.4%，這是由于空調隨工況變化頻率不斷變化、空調性能曲線擬合度、室內溫度不均勻等因素都會導致空調能耗模擬與實測結果存在偏差?？偟膩碚f，仿真誤差在合理的范圍內，在全年的建筑能耗仿真中，該模型能夠較準確地反映空調的實際能耗。

表7 空調耗電量實測值與仿真計算值比較

2.3 基于不同氣象條件模擬分析

我國從南至北歷經熱帶、亞熱帶、溫帶、寒帶，氣候復雜多樣，氣溫梯度大。根據我國氣候分區的特點，民用建筑熱工設計規范GB 50176-2016中將全國按一級區劃劃分成嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖、溫和五個地區[12]。而氣象條件是影響變頻空調性能的重要因素之一，本文選取北京、上海、成都、廣州四個典型氣象城市，以研究R290變頻空調系統在不同地區運行能耗。

2.3.1 被模擬城市氣候概況

北京屬于北溫帶大陸季風性氣候，夏季溫度高且多雨，冬季寒冷且濕度低，春、秋兩季時間比較短促；上海屬于亞熱帶季風氣候，成都屬于中亞熱帶濕潤季風氣候，廣州屬于海洋性亞熱帶季風氣候，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干球溫度高于26℃的小時數和天數如表8所示，廣州全年高于26℃時間最長，達到2810 h；上海次之，為1497 h；成都最短，為959 h，廣州制冷時長為成都的2.9倍。按日平均溫度高于26℃來對比，廣州129天，上海61天，北京45天，成都31天，可見各城市開空調時長差距較大。

表8 被模擬城市室外干球溫度高于26℃時長對比

2.3.2 模擬結果分析

如圖8為空調設定20℃時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，空調系統功耗越大，從表8可以看出，全年平均溫度高于26℃的小時數廣州最長，與模擬耗電量結果相符。

圖8 各模擬城市全年耗電量對比

空調的設定溫度直接影響能耗，為此國務院下發了有關通知，提出空調制冷設定溫度應高于26℃，制熱不超過20℃。圖9為R290空調系統被模擬城市設定溫度分別為20℃、22℃、24℃、26℃、28℃的全年制冷耗電量，從圖9中可知，隨著空調設定溫度的上升，空調能耗大幅降低，北京地區空調設定溫度20℃上升至22℃，耗電量降低16%，22℃上升至24℃時，耗電量降低16.7%；24℃上升至26℃時，耗電量降低16.7%；26℃上升至28℃時，耗電量降低16.3%。上海、成都、廣州地區設定溫度分別為20℃、22℃、24℃、26℃、28℃的全年制冷耗電量對比，空調設定溫度每上升2℃，R290的耗電量分別降低約19.2%、17.1%、20.1%。設定溫度升高，房間負荷需求降低，空調系統頻率降低，因此耗電量降低。

綜上所述，夏季制冷空調設定溫度能大幅降低耗電量，不同氣象地區降低幅度有所差異，但差異不大。

圖10為模擬不同城市上班族使用空調全年制冷耗電量，空調設定溫度為26℃，空調運行時間從晚上6點至第二天早上6點。從圖10中可知，北京地區全年耗電量255.3 kW·h，上海地區為241.5 kW·h，成都地區為255.7 kW·h，廣州地區為410 kW·h。北京、上海、成都三地區耗電量相當，廣州最高，約為北京的1.6倍。